J. Buchgeister. NTA4 Vierte Konferenz des Netzwerkes TA Der Systemblick auf Innovation Technikfolgenabschätzung in der Technikgestaltung

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1 Umweltbezogene Entscheidungsunterstützung - Vergleich von Wirkungsabschätzungsmethoden aus der Ökobilanzierung am Beispiel eines Energieumwandlungsprozesses J. Buchgeister NTA4 Vierte Konferenz des Netzwerkes TA Der Systemblick auf Innovation Technikfolgenabschätzung in der Technikgestaltung Berlin, November 2010 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Einführung umweltbezogene Entscheidungsunterstützung Quantitative Abschätzung der Umweltauswirkungen im Rahmen der Ökobilanzierung - Generelles Vorgehen - Spezifische Methoden der Wirkungsabschätzung - Strukturelle Auswertung Fallbeispiel Energieumwandlungsprozess Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

3 Umweltbezogene Entscheidungsunterstützung Kerndilemma menschlicher Produktion: sie regelt sich nicht selbst, wie natürliche Prozesse, sondern wird primär auf das Ergebnis (ein Produkt) und nicht den Umwelterhalt hingesteuert. Quelle: DPA 20. April 2010 Quelle: Nasa 25. April 2010 In der Regel Neben- und Nachprodukte zur Folge, (Emissionen), die keinen Wert haben und die natürliche Umwelt belasten bzw. langfristig irreversibel Schäden herbeiführen

4 Umweltbezogene Entscheidungsunterstützung Beispiel: Integrierte Klima- und Energiepolitik der Bundesrepublik (2006) zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB): Zertifizierung zum Erhalt des Gütesiegels sieht zur Einhaltung der Ökologischen Qualität für die Konstruktion und Nutzung des Gebäudes 5 Indikatoren aus der Ökobilanzierung vor

5 Die Ökobilanz Von der Wiege... über Produktion... Nutzung... Recycling... zur Entsorgung Bewertung der Umweltauswirkungen über den gesamten Produktlebensweg [Quelle: Daimler Chrysler]

6 Die Ökobilanz DIN EN ISO und Aufbau einer Ökobilanz 1. Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens 2. Sachbilanz 4. Auswertung 3. Wirkungsabschätzung

7 Umweltaspekte und Wirkungsbeziehungen Lärm Abwärme Stratosphärische Troposphärische Chemische Belastung Physikalische Beeinträchtigung Ionisierende Ultraviolette Strahlung Sichtbare Stör- und Unfälle Elektromagnetische Landschaftsbild, Kulturgut Akut toxische Ökotoxische Abwärme Wasserhaushalt Chemische Belastung Physikalische Beeinträchtigung Atmosphäre Hydrosphäre Lithosphäre Ökosphäre Gesamte Umweltbelastung Menschliches Empfinden, sozioökonomische Effekte Abschwemmung Altlasten Chemische Belastung Flächennutzung und -umwandlung Abwärme Physikalische Beeinträchtigung Erschütterung Erosion Abio. und Biot. Ressourcen Arbeitsplatzqualität nach Hofstetter, P.; Braunschweig, A.: Bewertungsmethoden in Ökobilanzen ein Überblick. Zeitschrift GAIA 3 (1994) Heft-Nr. 4, S , oekom Verlag: 1995, Nr. 6 S

8 Allgemeines Konzept der Wirkungskategorien Midpoint Wirkkategorien Umweltschadenskategorien =^ Endpoint Kategorien 3 Humantoxizität Unfälle Lärm Bildung von Photooxidantien Menschliche Gesundheit Ozonzerstörung Darstellung der Wirkungspfade über Midpoint zum Endpoint Sachbilanz Ergebnisse Klimaänderung Versauerung Eutrophierung Ökotoxizität Flächeninan - spruchnahme Biotische & abiotische natürliche Umwelt Biotische & abiotische natürliche Ressourcen Zerstreuung von Spezies und Organismen Abiot. Ressourcenzerstörung Biotische & abiotische Kulturlandschaft u. -gut nach Jolliet et al.: The LCIA Midpoint-Damage Framework... Int. Journal of LCA 2004, Nr. 6 S. 395 Biot. Ressourcenzerstörung Beschreibarer funktionaler Zusammenhang

9 Midpoint- und Endpoint-Wirkungskonzept Beispiel Ozonzerstörung Sachbilanzergebnisse Ozonzerstörende Emission (FCKW) Wirkungsmechanismus 1 Wirkindikator: Ozone Depletion Potential Midpoint (ODP) ODP x = δ δ [ O3] x [ O3] CFC 11 Troposphärische Ozonzerstörung Stratosphärische Ozonzerstörung Reduktion des Ozons Erhöhte UV-B Strahlung Wirkungsmechanismus 2 Haut Auge Körper UV-B Strahlungsaufnahme Bodenpflanzen Plankton Pflanzen Kunststoffe Hautkrebs Grauer Star Immunsystem Bodenvegetation Phytoplankton Getreide Holz Material Endpoint Menschliche Gesundheit Natürliche Biotische Umwelt Anthropogene Kulturlandschaft

10 Wirkungsabschätzungsmethode CML 2001 Inventory Minerals and fossil fuels Land Use Occupation Emissions - NO x, SO x, - PO4, - Pesticides - CO2, CH4 - HCFC Abiotic resource depletion Competition of land Acidification Eutrophication Ecotoxicity - freshwater aquatic, marine aquatic, air and terrestrial Climate Change Stratospheric ozone layer depletion Resource depletion ind. - ref. kg Antimon Area index ref. 1 m 2 H+- Potential index - ref. kg SO 2 Nutrification potential index- ref. kg PO 4 Substances toxic stress in air, water a. soil - ref. kg 1,4 Dichlorobenzene Global warming potential - ref. kg CO 2 Ozone depletion pot. ind. - ref. kg CFC11 Specific conribution in relation to total emissions of Western Europe Kumulierte Umweltbelastung [Jahr] - Particle Matter - Heavy metals Human toxicity Substances toxic stress on humans ref. kg 1,4- Dichlorobenzene per year - NMVOC Chemical Photooxidant formation Ozone formation index ref. - ref. kg kg ethen Klassifizierung Midpoint Charakterisierung Normierung jeder Kategorie Gewichtung (jede Kategorie =1) (für Methodenvergleich)

11 Wirkungsabschätzungsmethode Eco-Indicator

12 Wirkungsabschätzungsmethode Impact

13 Struktureller Vergleich der LCIA-Methoden I Zahl gibt die Anzahl bewerteter Elementarflüsse an!

14 Struktureller Vergleich der LCIA-Methoden II

15 Fallbeispiel: Elektrizitätserzeugung mittels SOFC und allothermer Biomassenvergasung Biomass B A , G Gasifier HX A G Raw Gas Particle Filter G 2 G Adsorber G A STH 3 4B , ,5 G 3B MIX G HX G4 G ,02 79,6 A Product Gas G 5 G G 4B Tar Reform. Electricity A SOFC Exhaust Air Heat G6 WG 5 0,033 MW A Anode Flue Gas SOFC G Water STH 0 G W ,00 36,4 Pump Electricity ST ST ,00 4,90 36,4 36,4 HX A1 A 0B Inverter = WP ~ A MW 4C A 4C Blower Steam HXST Stream Label A 0 T ( C)l 25 Gasifier SOFC P (bar) 1,00 Flue Gas Exhaust Air Flow (kmol/h) 317,4 Air Electricity WA 0 G MW WST ,0003 MW 1,00 163,6 WP MW System Power Legend: Biomass Air / SOFC Exhaust Air Water / Steam Gasifier Flue Gas Raw a.prduct gas /Anode Flue Gas Electricity 1 MW el. (AC)

16 Biomass B Water Fallbeispiel: Elektrizitätserzeugung mittels SOFC und allothermer Biomassenvergasung A , STH W ,00 36,4 G Pump Electricity Gasifier Heat G6 SOFC 4,90 29,5 Exhaust Air Transportentfernung der Biomasse: 50 km WP MW Biomassedurchsatz (Hackschnitzel): 500 HX kg/h A1 A 0B Inverter = 31 Brennwert der Biomasse: ,8 MJ/kg WP ~ ST MW 2 A Dichte 25 der Biomasse 4C 220 (wasserfrei): 169 kg/m³ System Power 4,90 36,4 Holzfeuchte bei Transport: Legend: Blower 40 % HX A5 G ST ,00 36,4 G G A 4B 220 G STH G 3B A G Steam HXST Stream Label A 0 T ( C)l 25 Gasifier SOFC P (bar) 1,00 Flue Gas Exhaust Air Flow (kmol/h) 317,4 Air Electricity WA 0 G MW WST ,0003 MW 1,00 163,6 Product Gas A G 5 G Randbedingungen der Ökobilanzierung: G 4B 759 Standort der Anlage in Europa 1.04 Raw MIX 71.6 WG 5 Gas HX G4 0,033 MW Lebensdauer der Gesamtanlage: h bzw. 15 Jahre Adsorber G 8 Tar Reform. Electricity 641 Lebensdauer Particle Brennstoffzelle: G h 1, ,6 Filter Funktionelle Einheit: 100 MWh 79.6 SOFC A Anode Flue Gas Biomass Air / SOFC Exhaust Air Water / Steam Gasifier Flue Gas Raw a.prduct gas /Anode Flue Gas Electricity G MW el. (AC)

17 Blower HX ST Pump HX A5 Vergleich der Gesamtumweltbelastungen von den Inputströmen und den Systemkomponenten 70% 60% 50% 40% 30% 20% Eco-Indicator 99 CML 2001 Impact % % Environmental Impact biomass supply water supply electric supply (pump) electric supply (blower) electric supply (heater G6) Gasifier Particle Filter Adsorber HX G4 Tar Refom. Heater G6 SOFC Inverter HX A1

18 Vergleichende Dominanzanalyse der eingesetzten LCIA Methoden Environmental Impact 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% All others SOX in air CO2 in air As in water Natural gas in ground Cd in water NOx in air Crude oil in ground Land Occup. & Transf. Particles in air Environmental Impact 100% 80% 60% 40% 20% All others NOx in air Particles < 2.5 in air CO2 in air Oil, coal, gas, uran Dioxin (TCDD) in air Environmental Impact 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% All others Dioxin (TCDD) in air SOx in air NOx in air CO2 in air Oil, coal, gas Land Occupation Ni,V,Co,Cu,Hg in water HF in air 0% 0% 0% Eco-indicator 99 IMPACT 2002 CML

19 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die in der Diskussion stehenden Wirkungsabschätzungsmethoden weisen strukturelle Unterschiede sowohl hinsichtlich der berücksichtigten Umweltaspekte als auch der mathematischen Abbildung zur quantitativen Bestimmung der Umweltauswirkung. Die ökologischen Verbesserungspotenziale zur Optimierung des Prozesses werden in ähnlicher Weise aufgedeckt, allerdings sind je nach angewendeter Methode unterschiedliche Sachbilanzergebnisse (Schadstoffe) für die Hauptbelastung verantwortlich. Um die einzelnen Stärken der Methoden bei der Analyse zu berücksichtigen, wird empfohlen mehrere Methoden zur Umweltwirkungsabschätzung einzusetzen

20 Diskussion und Fragen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!