Ekologie materiálů a procesů, Fel, ČVUT v Praze Posuzování životního cyklu Life cycle assessment (LCA) Jan Weinzettel e-mail: jan.weinzettel@czp.cuni.cz
Program přednášky Definice LCA Proč LCA? Ideální charakteristiky LCA LCA podle norem ISO 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 Životní prostředí poskytuje člověku služby, které jsou nutné k životu a které lze jen těžko (s vysokými náklady) nahradit = ekosystémové a přírodní služby o Poskytování statků, regulační, podpůrné 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 o Odstranění starých škod 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 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 environměntální 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 Hranice o Funkce a funkční jednotka o Referenční tok o 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 o Kolik rychlovarné konvice 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 o Kolikrát za týden bude rychlovarná konvice použita, délka užitné fáze, kolik funkčních jednotek dodá za svůj život 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) Proces A Produkt A Proces B Proces C Produkt A Produkt A Distribuce Produkt A Proces D Produkt A 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 Příklad o o Bere v úvahu průměrné hodnoty Emise z výroby elektrické energie v Norsku (99 % z vodních elektráren, 1 % z elektráren na zemní plyn 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 Vstupy Proces A Emise Produkt A Produkt B 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 (toky mezi produktovým systémem a životním prostředím), vstupy a výstupy produktů a meziproduktů 22
Inventarizační analýza 23
Inventarizační analýza Data? Přímý sběr není často umožněn Databáze procesů, nejznámnější Ecoinvent cca 4000 procesů Literatura: řada LCA studií již publikována (ABB, Vestas) Využití input output analýzy (hybridní LCA) Kvalifikovaný odhad 24
Inventarizační analýza výsledky Acenaphthene Air ng 48 Acetaldehyde Air mg 14 Acetic acid Air mg 142 Acetone Air mg 17 Acrolein Air µg 9 Aldehydes, unspecified Air mg 1 Aluminum Air g 133 Ammonia Air g 53 Ammonium carbonate Air µg 15 Antimony Air mg 128 Arsenic Air g 1 25
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 26
Působení Posuzování dopadů endpoint a midpoint indikátory Látka Vliv Distribuce Midpoint Působení Dopad Endpoint Cause effect chain Kvalita a interpretovatelnost dat 27
Agregace dopadů Výsledky inventarizační analýzy freony CO 2 SO 2 NO X olovo Ropa (spotřeba) Kategorie dopadu - midpoint Toxicita Kategorie dopadu - endpoint Globální oteplování Lidské zdraví Spotřeba zdrojů Acidifikace Eutrofizace Fotochemická oxidace Úbytek ozónové vrstvy Ekosystémy Spotřeba zdrojů Výpočet jednoho indikátoru Pt, EUR 28
Příklad globální oteplování Emise CO2, CH4 a N2O kg charakterizační faktor (GWP100) kg CO2eq. CO2 100 1 100 N2O 10 298 2980 CH4 20 25 500 29
Posuzování dopadů povinné prvky 30
Posuzování dopadů nepovinné prvky 31
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 32
Příklady metod posuzování dopadů Ecoindicator poškození lidského zdraví (jednotka DALY = Disability adjusted life years); poškození ekosystémů (PAF.m 2 yr = Potantially affected fraction of species); úbytek zdrojů (MJ surplus) Dovoluje výpočet jednoho indikátoru (jednotka Pt = point) Možnost nastavení vlastních koeficientů vážení 33
Regionální Globální CML 2000 Rozsah Kategorie dopadu Český překlad Jednotka Abiotic depletion (ADP) Global warming (GWP100) Ozone layer depletion (ODP) Čerpání nerostných surovin Globální změna klimatu Poškození ozónové vrstvy Human toxicity (HTP) Lidská toxicita Fresh water aquatic ecotoxicity (FWAT) Marine aquatic ecotoxicity (MAT) Terrestrial ecotoxicity (TE) Photochemical oxidation Sladkovodní ekotoxicita Ekotoxicita mořské vody Terestrická ekotoxicita Fotochemická oxidace kg Sb eq kg CO 2 eq kg eq CFC-11 kg 1,4-DB eq kg 1,4-DB eq kg 1,4-DB eq kg 1,4-DB eq kg C 2 H 4 eq Acidification Acidifikace kg SO 2 eq Eutrophication Eutrofizace kg PO 4 --- eq 34
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 35
36
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 37
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 38
ReCiPe 39
Interpretace Hodnocení a kontrola LCA studie o Kompletnost o Konzistence o Citlivostní analýza o Analýza kvality dat o Prezentace výsledků a jejich vysvětlení 40
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 o o o o Dojde ke změně dodavatele určitého produktu a zvýší se přepravní vzdálenost Lednice bude užívána v prostředí s vyšší teplotou Zvýší se poruchovost Prodlouží se užitná doba Změní 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 41
Analýza neurčitosti Téměř žádná vstupní data nejsou přesná Pro většinu je možné určit 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 42
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 43
Matematický popis LCA Kolik uhlí je potřeba na výrobu 1 t oceli v celém životním cyklu? 44
x1 y1 x2 y2 Dodává x1 = y1 + (50/1000)*x2 x2 = y2 + (200/500)*x1 Spotřebovává Proces Ocel Uhlí y x Ocel 0 50 450 500 Uhlí 200 0 800 1000 x x 1 2 z z 11 21 z z 12 22 y y 1 2 Z x = Z. 1 + y 1 1 1 45
Matematický popis LCA Sestavíme matici A s prvky aij, pro které platí: aij = zij/xj x = Z. 1 + y A Z x Z A xˆ x = A. x + y ˆ 1 xˆ 1 1/ 0 x 1 1/ x 0 2 x1 = y1 + (50/1000)*x2 x2 = y2 + (200/500)*x1 46
x = A. x + y Dva způsoby řešení: o Nekonečná řada: x = y + Ay + A 2 y + A 3 y + + A n y o Přímé řešení rovnice (i součtu řady) ve formě: x 1 I A y (I je jednotková matice) 47
Inventarizační analýza (elementární toky) Sestavíme matici F, jejíž prvky vyjadřují emise jednotlivých procesů na jednotku jejich výstupu Proces Těžba ( /1 t) Výroba ks) ( /1 Užití ( /1 funkční jednotka) Emise CO 2 (kg/ ) f 11 f 12 f 13 f 1 Emise CH 4 (kg/ ) f 21 f 22 f 23 f 2 f 1 f 2 f 3 f Celkové emise e všech procesů lze pak napsat ve formě: e = F. x e = F. inv(i A). y 48
Posuzování dopadů Sestavíme matici C, jejíž prvky představují charakterizační koeficienty elementárních toků v jednotlivých kategoriích dopadů: Emise 1 Emise 2 Emise Charakterizační faktory c pro kategorii 1 11 c 12 c 1 Charakterizační faktory c pro kategorii 2 21 c 22 c 1 Charakterizační faktory pro kategorii Posuzování dopadů lze napsat: c 1 c 1 c d = C. e 49
Normalizace a vážení Podobně lze pokračovat v normalizaci a vážení Definice normalizačního vektoru n Definice vektoru koeficientů vážení w m = diag( n) d Kde m je vektor normalizovaných výsledků a v je jednočíselný výsledek studie LCA v = w m 50
Analýza výsledků Emise jednotlivých procesů: E pro = F diag( x) Dopad jednotlivých procesů D = C E Dopad jednotlivých emisí pro pro = C F diag( x) D pro = C E pro = C F diag( x) 51
Analýza vstupů a výstupů (IOA) Původně makroekonomický nástroj, jehož podstatou je sledování monetárních toků mezi ekonomickými sektory Základ tvoří input output tabulka, kterou je možné sestavit na základě tabulek užití a dodávky 52
Tabulka užití Sektor Sektor 1 Sektor n Konečná Celkové Produkt spotřeba užití Produkt 1 y 1 t 1 Matice užití U y t Produkt n y n t n 53
Tabulka dodávek Sektor Sektor 1 Sektor n Celková domácí Produkt produkce Dovozy Celková dodávka Produkt 1 řádky = q 1 p 1 x 1 Matice dodávky M řádky = q p x Produkt n řádky = q n p n x n Celková produkce sektorů sloupce = g 1 sloupce = g sloupce = g n Komplikací v reálném světě je existence dodávek i jiných než charakteristických produktů. 54
symetrické input output tabulky Produkt na produkt o každý produkt jednoho sektoru je vyroben stejnou technologií charakteristickou pro daný o každý produkt je vyroben stejnou technologií bez ohledu na to, v jakém sektoru je vyroben Sektor na sektor o každý produkt má stálou strukturu odbytu (prodeje o každý sektor má vlastní strukturu prodeje produktů nezávislou na struktuře výstupu 55
Matice technologických koeficientů Produkt Dodává Produkt Produkt 1 Produkt 1 Produkt Produkt n Spotřebovává Produkt Produkt n A matice 56
Leontiefova inverze Celkové toky vyvolané konečnou spotřebou určité skupiny produktů lze vypočítat: x 1 I A y 57
Rozšíření o elementární toky Sektor Elementární toky Sektor 1 Sektor Sektor n Ropa f 11 f 1 f 1n Zemní plyn f 21 f 2 f 2n f 1 f f n e = F x 58
Aplikace Elementární toky vyvolané konečnou spotřebou určité množiny produktů y e = F. inv(i A). y Elementární toky na makroúrovni: o Porovnání elementárních toků vyvolaných výrobou dovezených a vyvezených produktů 59
Hybridní LCA Kombinace dat LCA a input output analýzy A A A ff bf Pozor na double counting (dvojí započítání vstupů) A A fb bb 60
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 61
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 62
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 63
Popis elektrárny technická doba života 20-30 let elektráren ve farmě 40 vzdálenost od pobřeží 50 km koeficient zatížení 53% nominální výkon 5 MW http://sway.no/assets/files/25okt05.avi 64
Hranice systému...... 30 kv Transformátorová stanice 170 kv Hranice moře / pevnina Elektrická soustava Hranice systému 65
Inventarizační nalýza 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 66
Věž elektrárny 1000 tun oceli 5 tun nerezové oceli Procesy válcování a sváření Doprava 500 km silniční, 1500 km lodní Využito databáze procesů Ecoinvent 67
Transformátorová stanice Jako věž elektrárny s kotvením a zátěží pro rovnováhu Transformátor podle dat firmy ABB LCA studie transformátoru dostupná na webu ABB 68
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 69
Údržba Pravidelné kontroly helikoptérou (3krát do roka) Každá elektrárna jednou za technický život odvezena k pobřežní kontrole 2 elektrárny během technického života farmy vyměněny 70
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 1 I A y Ekonomický sektor Prvky vektoru konečné spotřeby y (v NOK) Výroba gumy a plastových produktů -1,47.10 6 Výroba surového železa a oceli -6,09.10 6 Výroba drahých a neželezných kovů -4,2.10 7 Výroba elektrických strojů a zařízení 4.10 8 71
Konec technického života Doprava na místo konečné montáže Demontáž Doprava, likvidace a recyklace materiálů Materiál Relativní Absolutní množství množství (%) (tuny / elektrárna) Ocel 65 922 Měď 36 21 Štěrk 65 2 100 72
[1] Tyto procesy jsou z databáze ETH-ESU (Frischknecht, 1996). Materiál Množství / Jednotka Množství / Jednotka elektrárna 1 MJ Nízko legovaná konstrukční ocel 1,41.10 6 kg 8,47.10-4 kg Vysoce legovaná ocel 5,25.10 3 kg 3,17.10-6 kg Štěrk 3,23.10 6 kg 1,94.10-3 kg Měď 5,85.10 4 kg 3,53.10-5 kg Mazací olej 7,51.10 4 kg 4,53.10-5 kg Hliník 2,25.10 3 kg 1,36.10-6 kg Chromovaná ocel 1,35.10 5 kg 8,17.10-5 kg Skelná tkanina 5,21.10 4 kg 3,14.10-5 kg Olovo 1,29.10 4 kg 7,78.10-6 kg Polyetylen 1,45.10 4 kg 8,72.10-6 kg Litina 6,91.10 4 kg 4,17.10-5 kg Polyvinyl chloride (PVC) 9,22.10 3 kg 5,56.10-6 kg Elektrická ocel 4,75.10 3 kg 2,86.10-6 kg Epoxidová pryskyřice 39 1,44.10 3 kg 8,67.10-7 kg Dřevo 39 3,60.10 2 kg 2,17.10-7 kg Syntetická pryž 2,63.10 2 kg 1,58.10-7 kg Keramika 39 5,39.10 1 kg 3,25.10-8 kg 73
Posuzování dopadů Vybrána metoda CML 2000 Pro vyjádření energy payback time použita metoda Cumulative energy demand 74
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 CO 2 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 2,9.10 0 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 C 2 H 4 9,3.10-15 Acidifikace 3,1.10-5 kg SO 2 eq 4,6.10-14 Eutrofizace 3,2.10-6 kg PO 3-4 eq 6,4.10-15 Doba energetické návratnosti přibližně 5 měsíců 75
Srovnání s vybranými elektrárnami 76
Interpretace Plovoucí větrné elektrárny mají v porovnání s příbřežní větrnou elektrárnou: o o o Nižší dopad na životní prostředí v kategoriích: globální oteplování a čerpání nerostných surovin Shodný dopad v kategorii sladkovodní ekotoxicity Vyšší dopad v ostatních kategoriích Vyšší materiálová náročnost může být v dobrých klimatických podmínkách vyvážena vyšším množstvím dodané elektrické energie 77
To je pro dnešek vše Pokud máte nějaké otázky, sem s nimi Pokud Vás toto téma zaujalo, můžete mě kontaktovat na e-mailu: jan.weinzettel@czp.cuni.cz Tuto přednášku naleznete na www.czp.cuni.cz/osoby/weinzettel/ekp_1.pdf Těším se na pokračování příští týden 78