Az életciklus elemzésről Benkő Tamás, Mizsey Péter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kémiai és Környezeti Folyamatmérnök i Tanszék Hungary - 1111 Budapest, Budafoki 8. tbenko@mail.bme.hu
Áttekintés Problémafelvetés Az életciklus elemzés metodológiája Esettanulmány: PET palack vs. üveg További esettanulmányok Az előadásban szereplő ábrák csak és tartalom csak oktatási célból készült és csak arra használható. Copyright Tamás Benkő or feltüntetett forrás. 2
Visszatekintés 60-as évek: környezettudatos (vegy)ipar szükségességének felismerése fenntarthatóság Környezetkárosítás becslésének igénye Számos koncepció és eszköz Koncepciók: green chemistry, industrial ecology, etc. eszközök: environmental risk assessment, cost benefit analysis, eco-labelling, etc. 3
Visszatekintés Life cycle thinking from cradle to grave bölcsőtől a sírig from cradle to cradle bölcsőtől a bölcsőig Igény jelenezett egységes(ített) környezetkárosítást becslő eljárásra LCA: life cycle assessment Életciklus elemzés Életciklus analízis Életciklus (hatás)becslés Az egyetlen szabványosított eljárás 4
LCA Termékek/eljárások teljes élettartalma alatt jelentkező környezeti hatásainak numerikus becslése ISO: International Standards Organisation ISO 14000 szabványsorozat A szabvány az LCA-t négy lépésre osztja: Goal and Scope definition Cél és rendszerhatárok definiálása Inventory analysis - Leltárelemzés Impact assessment - Hatásbecslés Interpretation - Értékelés 5
LCA Goal and Scope Definition (ISO 14041) Inventory Analysis (ISO 14041) Life Cycle Interpretation (ISO 14043) Impact Assessment (ISO 14042) 6
Cél és rendszerhatárok Az LCA tanulmány elkészítéséhez szükséges információk definiálása, megnevezése Az esettanulmány célja Functional unit - Funkció(s) egység A tanulmány referenciaegysége a környezeti kárbecslést eredményét erre az egységre vonatkoztatjuk Például: 1 nm fal lefestéséhez szükséges festék előállítása okozta környezeti kár Egy autó által 100 km távolság megtétele során okozott környezeti kár Rendszerhatárok definiálása: Határvonal meghúzása termékrendszer és környezet között Folyamatábra 7
Cél és rendszerhatárok - folyamatábra - 8
Cél és rendszerhatárok Szükséges adatok Anyag és energiaáramok = leltár Leltár = inventory (LCI) Környezeti hatáskategóriák Emberi egészség Légzőszervi megbetegedések Karcinogén hatások, stb Ökoszisztéma savasodás öko-toxicitás klímaváltozás Nyersanyagok fogyása LCA panel!! 9
Leltárelemzés A rendszerhatárt átlépő (be- és kilépő) anyag és energiaáramok összegyűjtése, táblázatba rendezése Vonatkoztatás a referencia egységre 10
Hatáselemzés Az LCI-ben lévő adatok környezetre gyakorolt hatásának becslése Lépései Classification / osztályozás Characterisation / jellemzés Normalisation / normalizálás (opcionális) Weighting / súlyozás (opcionális) 11
Hatásbecslés Classification LCI results Impact category: [kg NO 2, SO 2, ] Acidification Characterisation Category indicator Proton release to nature [H+] Normalization, weighting Environmental relevance Category endpoint(s) Damages to vegetation 12
Impact Assessment Jolliet et al. (2003), IMPACT 2002+. A new life cycle impact assessment methodology. IntJLCA 8, pp324-330. 13
Értékelés Az eredmények értékelése és összevetése a kitűzött célokkal Legjelentősebb eredmények kiemelése Kiértékelés completeness check teljesség vizsgálat sensitivity analysis érzékenység vizsgálat uncertainty analysis bizonytalanság vizsgálat Következtetések és javaslatok LCA panel!! 14
PET vs. Üveg Példa: ásványvíz csomagolóanyaginak összehasonlítása Forrás: Sonnemann et al., Integrated Life- Cycle and Risk Assessment for Industrial Processes 15
Cél és rendszerhatárok Kérdés: melyik előnyösebb környezetvédelmi szempontból az ásványvíz fogyasztása a) Egy utas PET palackból b) Visszaváltható üvegből Functional unit: egy liter ásványvíz elfogyasztása kisüvegből. Vizsgált életút szakaszok: Palackgyártás Szállítás 16
Cél és rendszerhatárok Környezeti hatáskategória: greenhouse effect (GWP) - üvegházhatás Vizsgált szennyezők: CO 2 és CH 4 CO 2 ekvivalensben kifejezve Compound GWP factor [gco 2 eq. / g compound] CO 2 1 CH 4 62 N 2 O 156 HFCs 3 500 15 000 17
Cél és rendszerhatárok: CO 2 CH 4 CO 2 CH 4 LCA modell Production of packaging material Transport System boundary 18
LCA modell - palackgyártás A PET-palackokat a palackozóban állítják elő (on-site) Az üvegpalackokat üveggyárban készítik (ex-site) Production PET Glass Bottle weight (g) 20 237 Bottle capacity (lit) 0.33 0.25 Number of uses 1 20 19
LCA modell - Szállítás PET X Bottles + water Bottles + water 16-t truck 3.5-t van Glass Empty bottles Bottles + water Bottles + water 16-t truck 16-t truck 3.5-t van Empty bottles Empty bottles 20
LCA modell - Szállítás Transport PET Glass Palackozó és nagykereskedés közötti távolság (km) 50 50 Nagyker és kiskereskedés közötti távolság (km) 20 20 Üveggyár és palackozó közötti távolság - 100 21
Leltárelemzés Fajlagos kibocsátási adatok Emissions Production Transport PET (1 kg) Glass (1 kg) 16-t truck (tkm) 3.5-t van (tkm) CO 2 (kg) 3.45 9.68x10-1 3.46x10-1 1.54 CH 4 (kg) 1.17x10-2 2.32x10-3 5.34x10-4 2.61x10-3 Source: Sonnemann et al., Integrated Life-Cycle and Risk Assessment for Industrial Processes, CRC Press 2004. 22
Emission due to packaging materialproduction (kg/1 lit of water) Leltárelemzés- Csomagolóanyag-gyártás PET Glass CO 2 (kg) 2.09x10-1 4.59x10-2 CH 4 (kg) 7.09x10-4 1.10x10-4 Bottle weight kg Bottle capacity lit Number of uses Emission of material prod. kg / kg 3 20 10 kg PET / bottle kg CO kg CO 3.45 2.09 10 0.33 lit / bottle 1 kg PET 2 1 2 lit 23
Emission due to transport of PET bottles (tkm/1 lit of water Track Bottling plant wholesaler 16-t truck Wholesaler retail trader 3.5-t van Transported mass [ton] Leltárelemzés- Szállítás - tkm Distance [km] Index [tkm] 1.06x10-3 50 5.30x10-2 1.06x10-3 20 2.12x10-2 1kg water 3 20 10 / kgpet bottle 0.33 lit / bottle 1uses kg ton 3 10 / 1.06 10 3 ton 24
Leltárelemzés Szállítás - kibocsátás PET bottles (tkm/1 lit of water) Index [tkm] CO 2 [kg] CH 4 [kg] 16-t truck 5.30x10-2 1.83x10-2 2.83x10-5 3.5-t van 2.12x10-2 3.27x10-2 5.54x10-5 Total: 5.10x10-2 8.37x10-5 25
Glass bottles (tkm/1 lit of water) Glassworks bottling plant 16-t truck Bottling plant wholesaler 16-t truck Wholesaler retail trader 3.5-t van wholesaler retail trader 3.5-t van bottling plant wholesaler 16-t truck Transported mass [ton] Leltárelemzés - Szállítás - tkm Distance [km] Index [tkm] 4.74x10-5 100 4.74x10-3 1.95x10-3 50 9.74x10-2 1.95x10-3 20 3.90x10-2 9.48x10-4 20 1.90x10-2 9.48x10-4 50 4.74x10-2 3 237 10 / kgglass bottle 0.25 lit / bottle 20uses 3 10 kg / ton 4.74 10 5 ton 1kg 3 237 10 / kgglass bottle 0.25 lit / bottle 1uses 3 10 kg / ton 1.95 10 3 ton 26
Leltárelemzés - Szállítás - kibocsátás Glass bottles (tkm/1 lit of water) Index [tkm] CO 2 [kg] CH 4 [kg] 16-t truck 1.50x10-1 5.17x10-2 7.99x10-5 3.5-t van 5.79x10-2 8.92x10-2 1.51x10-4 Total: 1.41x10-1 2.31x10-4 27
Hatásbecslés A környezeti hatások becslése Üvegházhatású gázok kibocsátása Environmental Load PET CO 2 [kg] CH 4 [kg] GWP [kgco 2 eq./f.u.] Production 2.09x10-1 x1 7.09x10-4 x62 2.53x10-1 Transport 5.10x10-2 x1 8.37x10-5 x62 5.62x10-2 TOTAL: 0.309 Environmental Load Glass CO 2 [kg] CH 4 [kg] GWP [kgco 2 eq./f.u.] Production 4.75x10-2 x1 1.01x10-4 x62 5.27x10-2 Transport 1.41x10-1 x1 2.31x10-4 x62 1.55x10-1 TOTAL: 0.208 28
GWP [kg CO 2 equivalent] Értékelés Contribution of the pollutants to the total environmental load CO2 CH4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 PET Glass 29
GWP [kg CO2 equivalent] Contribution of the life cycle stages to the total environmental load Production Transport Értékelés 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 PET Glass 30
GWP [kg CO 2 equivalent] Értékelés Effect of re-useability parameter of glass bottles PET Glass 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Number of uses 31
Uncertainty data Specific emission for Interpretation LC-stage: production +/- 1% LC-stage: transport +/- 1% 32
33
Interpretation 34
Frequency Comparison of environmental load -considering uncertainty- Értékelés 160 140 120 100 80 60 40 20 Glass PET 0 0,2050 0,2250 0,2450 0,2650 0,2850 0,3050 IPCC GWP 20a, kg CO2 eq 35
Interpretation Based on the available data Use of glass bottles is better (GWP is lower) CO2 is the most important pollutant In the PET bottle LC: production is the hot-spot In the glass LC: transport is the hot-spot Minimum number of uses: 8 36
Case study 01. Waste solvent treatment Printing company huge amount of waste solvents Treatment options: 1. Energy utilization incineration 2. Material recycling recovery with distillation Incineration on the site Distillation on the site with a classic, complicated method with a novel, more effective method 3. Simultaneous incineration and recovery 37 Benko, T., Szanyi, A., Mizsey, P., Fonyo, Zs.: Environmental and economic comparison of waste solvent treatment options. Central European Journal of Chemistry, 4(1) 2006 92 110.
Waste solvent treatment Aim of the study: Selection of the best treatment option from environmental viewpoint Method for environmental evaluation: Eco-indicator 99 Functional unit: Environmental impacts due to the waste solvent treatment during 1 hour. [Ecoindicator 99 points / hour] LCA model and unit process flowchart: next slide 38
Waste solvent treatment - LCA model of the waste solvent treatment - 39
Waste solvent treatment Data collection: Data acquisition from an existing (Swiss) incinerator LCA-model development Inputs and outputs of the incinerator as function of waste solvent mass flow and its heating value Precise chemical engineering modelling of distillation options LCA-model dev. Inputs and outputs of the distillery as function mass flow and composition of the waste solvent 40
Waste solvent treatment - Classic distillation and incineration - 41
Waste solvent treatment - Novel distillation and incineration - 42
Waste solvent treatment - interpretation - Based on the environmental evaluation Total recovery of the waste solvents (no incineration) with the novel distillation technique is the preferable option The older recovery technique is even a little bit worse than the incineration of the waste solvents. 43
Waste solvent treatment - environmental and economic analysis - Economic analysis of the treatment options related to 1 hour of operation Total annual costs [1 000 USD/year] Environmental impacts [1 000 EI-99 points/year] Incineration 26 400 (100%) 5 056 (100%) Recovery with the classic method Recovery with the novel method 6 430 (25%) 5 280 (104%) 2 860 (11%) 2 656 (53%) 44
Air pollution - Krakow Case study: investigation of the air pollution data of an industrialized Polish city Aim of the study: Identification of the largest air pollution sources in the city. Environmental evaluation method Eco-indicator 99 incl. environmental effects on Human health and Ecosystem Quality Functional unit Environmental impacts of the annual airborne emissions of the investigated city Mizsey, P., Delgado, L., Benko, T.: Comparison of environmental impact and external cost assessment methods, Int J Life Cycle Assessessment 2009 14:665 675. 45
Air pollution - Krakow Data sources Annual emission data 11 pollutants 10 sources NILU Polska (Norwegian Institute for Air Research Polish daughter company) Institut for Ecology of Industrial Areas 46
Air pollution - Krakow 47
Air pollution - Krakow 48
Air pollution Krakow - Interpretation - Air pollutants causing the most environmental impacts in Krakow Particulate matters SOx NOx Most environmental effects on: Human Health Largest pollutant sources: District heating Road transport 49
Flue gas desulphurization Burning of fossil fuels SO2 emission Different emission reduction techniques are available 1. Wet-limestone scrubbing (mostly applied) 2. Addition of dry-limestone to the combustion chamber 3. Regenerative SO2 removal applying CuO Aim of the study Comparison and ranking of different SO2 emission reduction techniques based on their environmental performances 50
Flue gas desulphurization Method for environmental evaluation Eco-indicator 99 Functional unit Environmental impacts due to the removal of 1 kg of S in form of SO2 from flue gas. Data sources Input/output model development for the three options 51
EI-99 points /kgs Damage to Human health Ecosystem quality Resources 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Dry limestone addition Wet limestone scrubbing CuO method 52
Az LCA alkalmazási területei Alternatívák összehasonlítása Helyettesítő terméke Feldolgozó, hulladékkezelő eljárások Hot-spot analízis Környezettudatos menedzsment, - döntéshozás Starégiaépítés!! LCA panel 53
Köszönöm a figyelmet! 54