Umweltbeobachtungskonferenz Bern 2008

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Johann Keller
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1 Umweltbeobachtungskonferenz Bern 2008 Materialflussanalysen, Lebenszyklusanalysen und Risikoanalysen in komplementärer Anwendung: Beispiel Lösungsmittel Stefanie Hellweg 1

2 Umweltanalyseinstrumente Stoffflussanalysen (MFA) Risikoanalysen (RA) Sachbilanz Exposition und toxische Effekte Lebenszyklusanalysen (LCA) 3

3 Lösungsmittelflüsse in der Schweiz Luft Schwarz: chemische Industrie Grau: total Importe: 250,000 t 440,000 t ~1,000,000 t Use 1,000 t 69,000 t * ~1,100,000 t >10,000 t Wasser >8,000 t 50,000 t <240,000 t Export Destillation ~ 100,000 t Verbrennung 1000 t Wasser * Mehr als 50,000 t werden als Reaktionsmittel oder in Formulierungen verwendet. 4

>8,000 t 50,000 t <240,000 t Export Destillation ~ 100,000 t Verbrennung 1000 t Wasser *

4 Produktion der in der Schweiz verbrauchten Lösungsmittel Capello et al. 5

5 Vergleich der Mengen und ökologische Auswirkung der Produktion der in der Schweiz verbrauchten Lösungsmittel 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% verbrauchte Menge CH ökologische Auswirkungen perchloroethylene aniline chlorobenzene dichloromethane alcohols propanol acetic ester butylene glykol ethanol formaldehyde acetic acid toluene phenol methanol acetone 6

ökologische Auswirkungen perchloroethylene aniline chlorobenzene dichloromethane alcohols

6 Lösungsmittelflüsse in der Schweiz Luft Schwarz: chemische Industrie Grau: total Importe: 250,000 t 440,000 t ~1,000,000 t Use 1,000 t 69,000 t * ~1,100,000 t >10,000 t Wasser >8,000 t 50,000 t <240,000 t Export Destillation ~ 100,000 t Verbrennung 1000 t Wasser * Mehr als 50,000 t werden als Reaktionsmittel oder in Formulierungen verwendet. 7

7 Werkzeuge für spezifische Anwendungen INPUT Daten Modell Ressourcen Aluminium, 24% in Bauxit, in Boden Anhydrit, in Boden Barit, 15% im Roherz, in Boden Basalt, in Boden Borax, in Boden Emissionen Kohlendioxid NMVOC Stickoxide Schwefeloxide Partikel, < 2.5 um Komplexe Systemzusammenhänge berücksichtigen, aber einfache Benutzeroberfläche bei grosser Flexibilität 8

in Boden Emissionen Kohlendioxid NMVOC Stickoxide Schwefeloxide Partikel, < 2.

8 Modellierung Abfalllösungsmittelverbrennung Verbrennungsmodelle: Zementwerk Element i Klinkerofen Abgas Atmosphäre TK i, Luft Klinker TK i,klinker Elementfluss TK: Transferkoeffizient 9

9 Modellierung Abfalllösungsmittelverbrennung Verbrennungsmodelle: Sondermüllverbrennungsofen Ancillaries Ancillaries WS 4 WS 4 Pollutants Pollutants in flue gas in flue gas WS 33 WS 22 Pollutants Pollutants in wastewater WS 1 WS 1 Solid Solid residues Products Products Source: Seyler

Pollutants in flue gas in flue gas WS 33 WS 22 Pollutants Pollutants in

10 Modellierung Abfalllösungsmitteldestillation Abfalllösungsmittel Dampf Elektrizität Kühlwasser Inertes Gas (Stickstoff) Hilfsmittel Rückstände Abwasser Abluft Wiedergewonnenes Lösungsmittel Problem: Jeder Destillationsprozess ist einzigartig (Zusammensetzung Abfalllösungsmittelmischung, Reinheit Destillat, Technologie) Statistische Auswertung von 150 industriellen Lösungsmitteldestillationen 11

Problem: Jeder Destillationsprozess ist einzigartig (Zusammensetzung Abfalllösungsmittelmischung,

11 Statistische Auswertung (Destillation) Ausbeute Rückstände Abwasser Hilfsmittel Dampf Elektrizität Stickstoff Kühlwasser Abluft 12

12 Statistische Auswertung (Destillation) Verteilungsfunktionen gefittet für alle Modellparameter Kühlwasserverbrauch Use of cooling water Use of cooling water Nm3 / kg waste solvent (Values in Thousandths) Nm3 / kg waste solvent (Values in Thousandths) 13

20 15 10 5 0-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Nm3 / kg waste solvent (Values in Thousandths)

13 Statistische Auswertung (Destillation) Stickstoffverbrauch Häufigkeit Kontinuierliche Destillation Batch Destillation m 3 / kg ALM More 95% Interval 95% Interval Minimum (C) Maximum (C) Minimum (B) Maximum (B) 14

0004 0.0007 0.0011 0.0014 0.0018 0.0021 m 3 / kg ALM 0.0025 0.0028 0.0032 0.

14 Lebenszyklus-Inventartool Ecosolvent INPUT Daten Zusammensetzung Wiedergewonnenes Lösungsmittel Technologie Ressourcen Aluminium, 24% in Bauxit, in Boden Anhydrit, in Boden Barit, 15% im Roherz, in Boden Basalt, in Boden Borax, in Boden Emissionen Kohlendioxid NMVOC Stickoxide Schwefeloxide Partikel, < 2.5 um Umweltindikatoren 15

Boden Barit, 15% im Roherz, in Boden Basalt, in Boden Borax, in Boden Emissionen

15 Case Study 1: Solvent composition 16

16 Beispiel: Toluol-basiertes Lösungsmittel Produktion und Behandlung von einer Tonne Abfallösungsmittel: Toluol (98 wt%), Wasser (1 wt%), Methanol (0.5 wt%), Verunreinigungen (0.5 wt%) Cumulative Kumulierter energy Energiebedarf demand (MJ) Sonder- Special Cement Zement- Destillation Distillation Destillation Distillation incinerator müllofen werk kiln (Modell) LCI tool exact (exakt) data 83% Energierückgewinnung Solvent Produk- production Ancilleries Hilfsmittel and energy use Vermiede Avoided ne energ. energetic Ressourcen resources Total 17

5 wt%) Cumulative Kumulierter energy Energiebedarf demand (MJ) 80000 60000 40000 20000 0-20000 -40000-60000 Sonder- Special Cement Zement-

17 Lösungsmittelflüsse in der Schweiz Luft Schwarz: chemische Industrie Grau: total Importe: 250,000 t 440,000 t ~1,000,000 t Use 1,000 t 69,000 t * ~1,100,000 t >10,000 t Wasser >8,000 t 50,000 t <240,000 t Export Destillation ~ 100,000 t Verbrennung 1000 t Wasser * Mehr als 50,000 t werden als Reaktionsmittel oder in Formulierungen verwendet. 18

18 Lösungsmittelemissionen in die Luft in der Schweiz 1% 1% 1% 2% 3% 18% 36% paints use of cleaning products printing shops aerosol cans metal degreasing fine-chemical production 4% 5% 14% 15% *BUWAL 2003: Anthropogene VOC-Emissionen wood preservatives glues dry-cleaning paint production rest 19

degreasing fine-chemical production 4% 5% 14% 15% *BUWAL 2003:

19 Umweltverhalten Scheringer

20 Modellierung Exposition (Innenraum und Umwelt) k L Innenraum WORKPLACE V B k B V A k A 21

21 Risikoanalyse: Konzentrationen am Arbeitsplatz (chemische Reinigung) bis zu 6 Grössenordnungen grösser als in der Umwelt PCE Concentration (g/m3) 1.00E E E E E-03 Tetrachloroethylene in dry-cleaning 1st 2nd 3rd 4th 5th machine generation PEL MAK TLV Daten aus Von Grote et al. Near-field concentration, C A Far-field concentration, C B Bei alten Maschinengenerationen werden Grenzwerte überschritten 22

22 Lebenszyklusanalyse: Humantoxizitäts-Potential der Verwendung von Tetrachlorethylen in chemischen Reinigungen Human toxicity potentials/kg garments (log-scale) st 2nd 3rd 4th 5th machine generation Workplace emissions Outdoor emissions Production Distillation Incineration Arbeitsplatzexposition in dieser Fallstudie relevant 23

23 Umweltanalyseinstrumente im Verbund Stoffflussanalyse (MFA) Regionale Analyse von Massenflüssen und Identifikation der Hauptakteure Inventartools Risikoanalyse (RA) Analyse Exposition Konzentrationen in der Umwelt und in Innenräumen Lebenszyklusanalyse (LCA) Vergleich von Prozessen und Produkten 24

24 Literatur und Dokumentation 1. Seyler C, Hellweg S, Monteil M, Hungerbühler K, Life Cycle Inventory for Use of Waste Solvent as Fuel Substitute in the Cement Industry: A Multi-Input Allocation Model, International Journal of LCA, 10(2), , Capello C, Hellweg S, Badertscher B, Hungerbühler K, Life-cycle Inventory of Waste Solvent Distillation: Statistical Analysis of Empirical Data, Environmental Science and Technology 39 (15), , Seyler C, Capello C, Hellweg S, Hungerbühler K, Waste solvent management as an Element of Green Chemistry: A Comprehensive Study on the Swiss Chemical Industry, Industrial & Engineering Chemistry Research 45 (22), , Seyler C, Hofstetter T, Hunberbühler K, 2005, J. of Cleaner Production 13, Capello C, Hellweg S, Badertscher B, Betschart H, Hungerbühler K: Environmental Assessment of Waste-Solvent Treatment Options, Part I: The Ecosolvent Tool, Journal of Industrial Ecology, 11 (4), 26-38, Capello C, Hellweg S, Hungerbühler K: Environmental Assessment of Waste- Solvent Treatment Options - Part II: General Rules of Thumg and Specific Recommendations, Journal of Industrial Ecology 12 (1),

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