Ekologie materiálů a procesů, Fel, ČVUT v Praze
Posuzování životního cyklu – Life cycle assessment (LCA) Jan Weinzettel
e-mail:
[email protected]
Program přednášky • • • • • •
Proč LCA? Ideální charakteristiky LCA LCA podle norem ISO – současný stav Matematický popis LCA Hybridní LCA Případová studie
2
LCA • Life Cycle Assessment = posuzování životního cyklu • Metoda vytvořená pro posuzování produktů z hlediska jejich vlivu na životní prostředí v průběhu jejich celého životního cyklu • Těžba nerostných surovin – zpracování – přeprava – výroba – užití – zpracování na konci technického života
3
Životní cyklus produktu
4
Proč životní prostředí? • • • •
Přímý vliv na zdraví a blahobyt člověka Limitované zdroje surovin Vliv na ekosystémy Ekosystémy poskytují člověku služby, které jsou nutné k životu a které lze jen těžko (s vysokými náklady) nahradit = ekosystémové a přírodní služby o Produkční, regulační a kulturní služby
• Člověk tyto služby negativně ovlivňuje a tím ohrožuje svou vlastní existenci • Problém nedokonalého porozumění všech souvislostí v přírodě (ekosystémové funkce) • Snaha omezit celkový dopad lidské společnosti na životní prostředí – cílem je přežití člověka a maximalizace jeho blahobytu! 5
Proč LCA? • Snaha omezit vliv na životní prostředí o Odstranění starých škod o Prevence vzniku nových škod • Hledání alternativ
• Limitované zdroje (lidská práce, kapitál) a ochota přijmout změny (výroby a spotřeby, chování) • Je nutné mít nějaký nástroj hodnocení dopadu na životní prostředí produktů, aby byly voleny efektivní způsoby snižování tohoto dopadu
6
Jsou elektrická auta lepší než auta na fosilní paliva? Auto na benzín • Vysoké emise při provozu • Nulová spotřeba elektrické energie ze sítě • Nádrž na benzín
Auto na baterie • Nulové emise při provozu • Spotřeba elektrické energie ze sítě • Baterie
Různé nároky provozu i výroby na životní prostředí, rozdílné požadavky na další produkty Přímé porovnání nesmyslné, nutné brát v úvahu celý životní cyklus produktu
Proč LCA? • Je nutné vzít v úvahu jiné než ekonomické aspekty • Je nutné rozšířit oblast zkoumání za hranice užití produktu, vzít v úvahu všechny fáze životního cyklu a ostatní souvislosti • Každý systém bude na životní prostředí působit jiným způsobem – je nutné to nějakým způsobem sjednotit
8
Ideální charakteristiky LCA • Jasně definovaný koncept, společný pro všechny studie, aby byly vzájemně porovnatelné • Zahrnutí všech vlivů na životní prostředí, které jsou s životním cyklem produktového systému spojené (rozšíření produktového systému) • Jasná odpověď – převést výsledky na jeden společný ukazatel • Cílem omezit přesun environmentální zátěže: o o o o
Místně Časově Mezi fázemi životního cyklu Mezi environmentálními oblastmi 9
LCA podle norem ČSN EN ISO 14 040 a 14 044 • Metoda posuzování dopadů produktů na životní prostředí v průběhu jejich celého životního cyklu
10
Definice cíle a rozsahu (rámce) • Definice celého rámce studie LCA • Účel studie o Pro koho a proč je studie zpracována o Interní účel x propagace o Zlepšení technologie nebo produktu, výběr alternativy s nižším dopadem
• Definice produktového systému o o o o
Hranice Funkce a funkční jednotka Referenční tok Scénář životního cyklu produktu
11
Hranice produktového systému • Produktový systém by měl zahrnovat všechny procesy, které se podílejí na životním cyklu produktu • Příliš rozsáhlý systém – zahrnutí celého ekonomického systému, celého světa • Proto je nutné stanovit hranice v rámci větvení systému životního cyklu produktu • Stanovení hranice vzhledem k recyklaci • Hranice produktového systému stanoví, které procesy životního cyklu produktu jsou zahrnuty v produktovém systému 12
Funkce produktu, funkční jednotka • Účelem produktu je jeho funkce • Funkční jednotka – zpracovatelem studie LCA stanovené množství funkce produktu, slouží jako referenční jednotka pro vyjádření výsledků LCA • Například minuta hovoru pro mobilní telefon • Jaké jsou funkce, funkční jednotky a alternativní produkty se shodnou funkcí? o Automatická pračka, automobil, rychlovarná konvice, větrák na sušení rukou, transformátor
Referenční tok • Musí být určeno, kolik produktů je nutné pro dodání 1 funkční jednotky o Kolik rychlovarné konvice o Kolik elektrické energie
• Je nutné vycházet z odhadu scénáře životního cyklu produktu
14
Scénář životního cyklu • • • •
Definice průběhu životního cyklu Podíl primárních a recyklovaných surovin ve výrobě Způsob přepravy Způsob užití o Kolikrát za týden bude rychlovarná konvice použita, délka užitné fáze, kolik funkčních jednotek dodá za svůj život o Poruchovost, způsob oprav
• Nakládání na konci života, podíl recyklace • Obvykle nutnost studovat více scénářů a z nich poskládat výsledný jako vážený průměr podle jejich předpokládaného výskytu • Soubor procesů, které jsou součástí životního cyklu produktu nazýváme produktovým systémem
Výběr procesů (např. elektrická energie) Produkt A Proces A Produkt A Proces B
Produkt A Produkt A
Distribuce
Proces C Produkt A Proces D
16
Výběr procesů • Prospective = marginal = consequential o Bere v úvahu přírůstky, nutnost zkoumat kauzální vztahy mezi procesy (uvnitř i vně produktového systému)
• Retrospective = average = attributional o Bere v úvahu průměrné hodnoty
• Příklad o Emise z výroby elektrické energie v Norsku (99 % z vodních elektráren, 1 % z elektráren na zemní plyn o Marginal: zemní plyn x average: téměř vodní
17
Attributional x consequential
18
Definice cíle a rozsahu • Kvalita dat o Přímý sběr, využití databází, odborný odhad, hybridní LCA, časový horizont, geografie
• Kategorie dopadů a metoda jejich posuzování • Výchozí princip alokace o Fyzikální, ekonomická, jiná
• Předpoklady a omezení
19
Alokace • Produktový systém má více užitých výstupů
o Více výstupních produktů jednoho procesu (ne odpadů) Energie Produkt A Vstupy Proces A Produkt B Emise
o Maso, mléko, kůže pro chov skotu – nelze rozdělit produktový systém, aby výstupem byl pouze jeden z těchto produktů 20
Alokace • Přiřazení vstupů a výstupů produktového systému mezi jeho jednotlivé užité výstupy • Alokaci je vhodné se vyhnout! • Rozšíření produktového systému o dodatečnou funkci • Substituce dodatečné funkce – obvykle se vybere alternativní proces, jehož toky a úniky se odečtou (předešlo se jim) • Přiřazení toků a úniků podle určitého klíče o Fyzikální hledisko (plocha materiálu, energie výstupů, hmotnost, …) o Ekonomické (přidaná hodnota) 21
Inventarizační analýza (LCI) • Cílem je kvantifikovat veškeré toky mezi produktovým systémem a životním prostředím (= elementární toky) • Rozložení produktového systému na jednotkové procesy (nejmenší část produktového systému, pro kterou jsou sbírány údaje během inventarizační analýzy) • Pro každý jednotkový proces určit jeho elementární toky, vstupy a výstupy produktů a meziproduktů
22
Inventarizační analýza
23
Recyklace • Recyklovaný materiál je vedlejší výstup produktového systému – lze přistupovat podobně jako při alokaci • Pokud je to možné, tak se obvykle uvažuje uzavřená smyčka materiálů, kdy výstup nahradí vstup • Problémem je časový horizont! o K produkci recyklovaného materiálu dojde o mnoho let později než k výrobě zařízení
24
Inventarizační analýza • Data? • Přímý sběr není často umožněn • Databáze procesů, nejznámnější Ecoinvent cca 4000 procesů • Literatura: o Popis technologií o Publikované LCA studie(např. firma ABB) nebo EPD
• Využití input output analýzy (hybridní LCA) • Kvalifikovaný odhad
25
Inventarizační analýza – výsledky Acenaphthene Acetaldehyde Acetic acid Acetone Acrolein Aldehydes, unspecified Aluminum Ammonia Ammonium carbonate Antimony Arsenic
Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air
ng mg mg mg µg mg g g µg mg g
48 14 142 17 9 1 133 53 15 128 1 26
Posuzování dopadů • Cílem je převést výsledky ivnentarizační analýzy na rozumný počet indikátorů • Elementární toky rozděleny podle charakteru environmentálního dopadu • Oblasti ochrany o o o o
Lidské zdraví Ekosystémy Zdroje Infrastruktura
27
Posuzování dopadů – endpoint a midpoint indikátory Látka
Působení
Vliv
Distribuce Působení
Dopad Cause – effect chain Kvalita a interpretovatelnost dat
Midpoint
Endpoint
28
Posuzování dopadů – povinné prvky
29
Příklad – globální oteplování • Emise CO2, CH4 a N2O
charakterizační faktor (GWP100)
kg
kg CO2eq.
CO2
100
1
100
N2 O
10
298
2980
CH4
20
25
500
30
Agregace dopadů Kategorie dopadu midpoint
Výsledky inventarizační analýzy
Toxicita freony CO2 SO2 NOX olovo
Ropa (spotřeba)
Globální oteplování
Kategorie dopadu endpoint Lidské zdraví
Výpočet jednoho indikátoru
Ekosystémy
Pt, EUR
Spotřeba zdrojů Acidifikace Eutrofizace Fotochemická oxidace
Spotřeba zdrojů
Úbytek ozónové vrstvy
31
Posuzování dopadů – nepovinné prvky
32
Normalizace • Přepočet výsledků jednotlivých kategorií na referenční jednotku • Například: průměrný vliv jednoho obyvatele EU během jednoho roku • Výběr vlastních hodnot – výsledky LCA studie musí zůstat přístupné v podobě před tímto krokem
33
Vážení • Přisouzení různých vah různým kategoriím dopadů a výpočet jednoho indikátoru • Agregace různých indikátorů do jednoho kompozitního indikátoru je vždy problém! o Agregace jablek a hrušek (relevantní také pro alokaci) • • • • • •
Hmotnost Počet kusů Ekonomická hodnota Podíl cukru Podíl vitamínu C Co preferuji
• Zde se agregují naprosto nesouměřitelné kategorie, není společné hledisko • Výběr vlastních hodnot 34
Analýza citlivosti •
Po zpracování studie je vhodné provést kontrolu, co se stane s výsledky, pokud se změní vstupní předpokládané hodnoty nebo scénář životního cyklu produktu o Dojde ke změně dodavatele určitého produktu a zvýší se přepravní vzdálenost o Lednice bude užívána v prostředí s vyšší teplotou o Zvýší se poruchovost o Prodlouží se užitná doba o Změní se mix výroby elektrické energie
• •
Slouží k posouzení, jak které faktory ovlivňují výsledek studie LCA Lze určit, na které faktory v průběhu životního cyklu je nutné se zaměřit – zjistit co nejpřesnější údaje, dodržet technické a technologické hodnoty produktu
35
Analýza neurčitosti • Téměř žádná vstupní data nejsou přesná • Pro většinu je možné odhadnout jejich statistické rozdělení a směrodatnou odchylku • Analýza neurčitosti slouží k posouzení neurčitosti výsledku vlivem neurčitostí vstupních parametrů • Monte Carlo analýza o Generace náhodných vstupních veličin podle daného rozdělení o Provedení výpočtu mnohokrát (1000 – 10 000 krát) o Při porovnání dvou systémů je možné společné náhodné veličiny generovat pro oba systémy najednou – z hlediska porovnání má výsledek vyšší vypovídací hodnotu
36
Problémy při posuzování dopadů • Příliš složitá a náročná tvorba vlastních charakterizačních modelů a určení charakterizačních faktorů • Při standardním zpracování LCA studie je nutné využít již existující metodu posuzování dopadů s definovanými kategoriemi a charakterizačními faktory • Problém posuzování lokálních kategorií dopadů
37
Příklady metod posuzování dopadů – Ecoindicator • poškození lidského zdraví (jednotka DALY = Disability adjusted life years); • poškození ekosystémů (PAF.m2yr = Potantially affected fraction of species); • úbytek zdrojů (MJ surplus) • Dovoluje výpočet jednoho indikátoru (jednotka Pt = point) • Možnost nastavení vlastních koeficientů vážení
38
CML 2001 Globální
Rozsah
Kategorie dopadu
Český překlad
Jednotka
Abiotic depletion materials(ADP) Abiotic depletion fossil (ADP fossil)
Čerpání nerostných surovin - materiály Čerpání nerostných surovin – fosilní paliva
kg Sb eq
Global warming (GWP100)
Globální změna klimatu
kg CO2 eq
MJ
Regionální
Ozone layer depletion (ODP) Poškození ozónové vrstvy kg CFC-11 eq Human toxicity (HTP)
Lidská toxicita
kg 1,4-DB eq
Fresh water aquatic ecotoxicity (FWAT) Marine aquatic ecotoxicity (MAT) Terrestrial ecotoxicity (TE)
Sladkovodní ekotoxicita
kg 1,4-DB eq
Ekotoxicita mořské vody
kg 1,4-DB eq
Terestrická ekotoxicita
kg 1,4-DB eq
Photochemical oxidation
Fotochemická oxidace
kg C2H4 eq
Acidification
Acidifikace
kg SO2 eq
Eutrophication
Eutrofizace
kg PO4--- eq 39
ReCiPe • Obsahuje midpoint i endpoint indikátory a k nim příslušející charakterizační faktory • Obsahuje možnost volby časového období i různé volby pro vážení z regionálního hlediska • Kategorie obdobné oběma předchozím metodám, oba typu indikátorů
40
41
ReCiPe
42
Interpretace • Hodnocení a kontrola LCA studie o o o o
Kompletnost Konzistence Prezentace výsledků a jejich vysvětlení Významná zjištění studie: jaké procesy, resp. parametry produktového systému mají nejvyšší vliv na životní prostředí
43
Využití LCA • • • • • •
Strategické plánování, Zlepšení technologií a produktů Certifikace (biopaliva v USA) Propagace produktu (EP & L, puma) Tvorba veřejných politik Environmentální prohlášení o produktu (EPD)
Limity LCA • Kategorie dopadů nepostihují všechny problémy životního prostředí • Obecnost a linearita • Nemůže být použit jako jediný nástroj pro hodnocení politik, je nutné zkoumat celkové změny systému o Nezahrnuje posouzení rebound efektu
45
Softwarové nástroje • Nutnost udržet data a informace v přehledné podobě • Propojení vlastních dat s databázemi procesů • SimaPro (kancelář Doc. Kudláček) • GaBi (učebna cvičení) • BOUSTEAD (Ing. Marie Tichá) • CMLCA • Umberto
46
Matematický popis LCA
Kolik uhlí je potřeba na výrobu 1 t oceli v celém životním cyklu?
47
x1
y1
x2
y2
Spotřebovává x1 = y1 + (50/1000)*x2 Ocel Uhlí y x2 Proces = y2 + (200/500)*x1
Dodává
x
Ocel
0
50
450
500
Uhlí
200
0
800
1000
x1 z11 z12 y1 x2 z 21 z 22 y 2 x=Z.1+y
Z
1 1 1 48
Matematický popis LCA Sestavíme matici A s prvky aij, pro které platí: aij = zij/xj
A Z xˆ Z A xˆ x=Z.1+y
1
1 / x1 0 xˆ 0 1 / x2 1
x=A.x+y
x1 = y1 + (50/1000)*x2 x2 = y2 + (200/500)*x1
49
x=A.x+y • Dva způsoby řešení: o Nekonečná řada: x = y + Ay + A2y + A3y + … + Any o Přímé řešení rovnice (i součtu řady) ve formě:
x I A y 1
(I je jednotková matice)
50
Inventarizační analýza (elementární toky) • Sestavíme matici F, jejíž prvky vyjadřují emise jednotlivých procesů na jednotku jejich výstupu
Proces
Emise CO2 (kg/…) Emise CH4 (kg/…) …
Těžba Výroba (…/1 t) ks) f11 f21 f…1
f12 f22 f…2
(…/1 Užití (…/1 funkční jednotka) f13 f23 f…3
…
f1… f2… f……
• Celkové emise e všech procesů lze pak napsat ve formě: e=F.x e = F . inv(I – A) . y 51
Posuzování dopadů • Sestavíme matici C, jejíž prvky představují charakterizační koeficienty elementárních toků v jednotlivých kategoriích dopadů:
Charakterizační pro kategorii 1 Charakterizační pro kategorii 2 Charakterizační pro kategorii …
faktory faktory faktory
Emise 1
Emise 2
Emise …
c11
c12
c1…
c21
c22
c1…
c…1
c…1
c……
• Posuzování dopadů lze napsat: d=C.e 52
Normalizace a vážení • Podobně lze pokračovat v normalizaci a vážení • Definice normalizačního vektoru n • Definice vektoru koeficientů vážení w
m = diag( n) d v = wm • Kde m je vektor normalizovaných výsledků a v je jednočíselný výsledek studie LCA
53
Analýza výsledků • Emise jednotlivých procesů:
Epro = F diag( x) • Dopad jednotlivých procesů
Dpro = C Epro = C F diag( x) • Dopad jednotlivých emisí
Dem = C e = C diag( F x) 54
Případová studie • Posoudit, zda se z environmentálního hlediska vyplatí přesun větrných elektráren z oblasti mělkých vod, kde stojí na dně, do oblastí v hlubokých vodách, kde jsou lepší klimatické podmínky, ale elektrárna musí plavat na hladině, což vyžaduje materiálově náročnější konstrukci • Porovnat vliv na životní prostředí s jinými dostupnými zdroji elektrické energie
55
Řešení • Nezajímá nás ekonomické hledisko (to řeší někdo jiný) • Zajímá nás vliv na životní prostředí v celém životním cyklu • Klasický problém pro řešení metodou LCA
56
LCA studie plovoucí větrné elektrárny • Účel a cíl studie o Posoudit, zda se z environmentálního hlediska vyplatí investovat do materiálově náročnějšího konceptu plovoucí větrné elektrárny o Posoudit energetickou návratnost plovoucí větrné elektrárny
• Funkce a funkční jednotka o Dodávat elektrickou energii do rozvodné sítě o 1 MJ elektrické energie dodané do rozvodné sítě
• Procesní LCA, průměrná data
57
Popis elektrárny technická doba života elektráren ve farmě
20 - 30 let 40
vzdálenost od pobřeží
50 km
koeficient zatížení nominální výkon
53% 5 MW
58
Hranice systému ... Hranice moře / pevnina 30 kV Transformátorová stanice
170 kV
Elektrická soustava
... Hranice systému
59
Inventarizační analýza • Data od výrobců a dodavatelů služeb • Využita inventarizační databáze procesů Ecoinvent • Pro proces výroby a instalace kabelů nebyla k dispozici žádná data • Proto byla použita input output analýza k odhadu těchto dat
60
Věž elektrárny • • • • •
1000 tun oceli 5 tun nerezové oceli Procesy válcování a svaření Doprava 500 km silniční, 1500 km lodní Využito databáze procesů Ecoinvent
61
Transformátorová stanice • Jako věž elektrárny s kotvením a zátěží pro rovnováhu • Transformátor podle dat firmy ABB – LCA studie transformátoru dostupná na webu ABB
62
Montáž • Konečná montáž větrné elektrárny z jednotlivých dílů • Nejpodrobnější data (přímo firma Sway) • Pumpování 300 – 600 tun vody do výšky 15 metrů do věže elektrárny, 70 m z věže elektrárny, zvedání 2000 – 3000 kamene do výšky 15 m, práce speciálního jeřábu po jeden den – spotřeba 300 l nafty a 1 l oleje za hodinu
63
Údržba • Pravidelné kontroly helikoptérou (3krát do roka) • Každá elektrárna jednou za technický život odvezena k pobřežní kontrole • 2 elektrárny během technického života farmy vyměněny
64
Výroba kabelů – použití input output analýzy • Známé materiálové složení kabelů a celková cena procesů instalace a výroba kabelů • Použita norská input output tabulka s emisemi do ovzduší
e F I A y 1
Ekonomický sektor
Prvky vektoru konečné spotřeby y (v NOK)
Výroba gumy a plastových produktů
-1,47.106
Výroba surového železa a oceli
-6,09.106
Výroba drahých a neželezných kovů
-4,2.107
Výroba elektrických strojů a zařízení
4.108
65
Konec technického života • Doprava na místo konečné montáže • Demontáž • Doprava, likvidace a recyklace materiálů
Materiál
Ocel Měď Štěrk
Relativní Absolutní množství množství (%) (tuny / elektrárna) 65 922 36 21 65 2 100 66
[1]
Tyto procesy jsou z databáze ETH-ESU (Frischknecht, 1996).
Materiál
Množství / Jednotka Množství / elektrárna 1 MJ
Jednotka
Nízko legovaná konstrukční ocel
1,41.106
kg
8,47.10-4
kg
Vysoce legovaná ocel
5,25.103
kg
3,17.10-6
kg
Štěrk
3,23.106
kg
1,94.10-3
kg
Měď
5,85.104
kg
3,53.10-5
kg
Mazací olej
7,51.104
kg
4,53.10-5
kg
Hliník
2,25.103
kg
1,36.10-6
kg
Chromovaná ocel
1,35.105
kg
8,17.10-5
kg
Skelná tkanina
5,21.104
kg
3,14.10-5
kg
Olovo
1,29.104
kg
7,78.10-6
kg
Polyetylen
1,45.104
kg
8,72.10-6
kg
Litina
6,91.104
kg
4,17.10-5
kg
Polyvinyl chloride (PVC)
9,22.103
kg
5,56.10-6
kg
Elektrická ocel
4,75.103
kg
2,86.10-6
kg
Epoxidová pryskyřice39
1,44.103
kg
8,67.10-7
kg
Dřevo39
3,60.102
kg
2,17.10-7
kg
Syntetická pryž
2,63.102
kg
1,58.10-7
kg
Keramika39
5,39.101
kg
3,25.10-8
kg
67
Posuzování dopadů • Vybrána metoda CML 2000 • Pro vyjádření „energy payback time“ použita metoda „Cumulative energy demand“
68
Výsledky studie Kategorie dopadu
Dopad / MJ
Jednotka
Normalizace
Čerpání nerostných surovin
2,5.10-5
kg Sb eq
1,5.10-14
Globální změna klimatu (GWP100)
3,5.10-3
kg CO2 eq
1,4.10-14
Poškození ozónové vrstvy (ODP)
2,1.10-10
kg CFC-11 eq
2,2.10-16
Lidská toxicita
2,2.10-2
kg 1,4-DB eq
1,2.10-13
Sladkovodní ekotoxicita
3,0.10-3
kg 1,4-DB eq
4,0.10-13
Ekotoxicita mořské vody
2,9.100
kg 1,4-DB eq
9,0.10-13
Terestrická ekotoxicita
6,7.10-5
kg 1,4-DB eq
7,3.10-14
Fotochemická oxidace
1,7.10-6
kg C2H4
9,3.10-15
Acidifikace
3,1.10-5
kg SO2 eq
4,6.10-14
Eutrofizace
3,2.10-6
kg PO43- eq
6,4.10-15
Doba energetické návratnosti přibližně 5 měsíců 69
Srovnání s vybranými elektrárnami
70
Interpretace • Plovoucí větrné elektrárny mají v porovnání s příbřežní větrnou elektrárnou: o Nižší dopad na životní prostředí v kategoriích: globální oteplování a čerpání nerostných surovin o Shodný dopad v kategorii sladkovodní ekotoxicity o Vyšší dopad v ostatních kategoriích
• Vyšší materiálová náročnost může být v dobrých klimatických podmínkách vyvážena vyšším množstvím dodané elektrické energie
71
To je pro dnešek vše • Pokud máte nějaké otázky, sem s nimi • Pokud Vás toto téma zaujalo, můžete mě kontaktovat na e-mailu:
[email protected] • Těším se na cvičení
72
