Vorlesung: Grundzüge Ökologische Systemanalyse. Synthese: OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

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1 Vorlesung: Grundzüge Ökologische Systemanalyse Synthese: Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

2 Lernziele Auswahl von geeigneten Umweltanalyseinstrumenten für verschiedene Problemstellungen treffen können Verkürzte Anwendung der in der Vorlesung kennengelernten Umweltanalyseinstrumente OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

3 Materialflussschema für Papierfabrik Utzenstorf Altpapier I Hilfsstoffe Wasser Pigmente/Füllstoffe Papiermaschinen Papier Konsum Papier Holz Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Faserstoffe Abwasser Schlamm APA Verbrennung Abluft Holzschnitzel Abwasserreinigung (ARA) Schlamm aus ARA Aschen Risikoanalyse für Benzophenon (Druckfarben): Welcher Ansatz?

4 Risikoanalyse Benzophenon aus Papierfabrik: Betrachtete Umweltkompartimente Altpapier I Hilfsstoffe Pigmente/Füllstoffe Papiermaschinen Papier Konsum Papier Holz Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Faserstoffe Abwasser Abwasser Abwasserreinigung (ARA) Schlamm APA Holzschnitzel Schlamm aus ARA Verbrennung Abluft Aschen Gereinigtes Abwasser Oberflächenwasser Wasser Luft, Boden 4

5 Umweltbilanz 2011 der Papierfabrik: Stoff- und Energieströme Holzschliff: t

6 CSB: Chemischer Sauerstoffbedarf Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe. Der chemische Sauerstoffbedarf dient als Beurteilung für Schadstoffe, die ins Abwasser abgegeben (g/kg Produktmenge) oder die in einem Zeitraum entsorgt wurden (t/a, Tonnen pro Jahr). wikipedia 6

7 RA für Benzophenon (Verwendung in Papierfarben) Bis auf die Endpunkte sind die Daten dieser Aufgabe fiktiv Auf Nachfrage teilt die Firma mit, dass max 2 t Benzophenon pro Jahr an Emission erwartet wird. Ausserdem wird erwartet, dass die tägliche Ausstoss- Menge über das Jahr konstant ist. Die Abwasser aus der Fabrik stellen täglich höchstens 10% des Abwassers dar, das in die ARA eingeleitet wird. DT50 in der Kläranlage (ARA): 1 d Tägliche Abflussmenge des Flusses, in den die ARA einleitet: m 3 /s (K solid-water = 100, C solids = 15 mg/l) Folgende Endpunkte für den Fisch aus MSDS (material safety data sheet): LC50 (96 h) = mg/l Stellen Sie fest, ob ein Risiko für den Flussabschnitt vorliegt. 7

8 8

9 9

10 Materialflussanalyse Papierfabrik Übung: Einführung Quelle:

11 Materialflussanalyse Papierfabrik Übung: Einführung Quelle: Papierfabrik Utzensdorf, Umweltbericht 2007

12 Materialflussanalyse Papierfabrik Übung: Einführung Quelle: Papierfabrik Utzensdorf, Umweltbericht 2007

13 Materialflussanalyse Papierfabrik Materialflussschema Altpapier I Hilfsstoffe Wasser Pigmente/Füllstoffe Papiermaschinen Papier Konsum Papier Holz Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Faserstoffe Abwasser Schlamm APA Verbrennung Abluft Holzschnitzel Abwasserreinigung (ARA) Schlamm aus ARA Aschen

14 Materialflussanalyse Papierfabrik Quantifizierung der Materialflüsse an Angaben des Umweltberichts Vernachlässigung der folgenden Flüsse: -Prozess- und Kühlwasser -Abluft -Abwasser

15 Materialflussanalyse Papierfabrik Quantifizierung Materialflüsse mittels Infos aus Umweltbericht Hilfsstoffe: Altpapier Holz Pigmente/Füllstoffe: Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Wasser: Faserstoffe Abwasser Papiermaschinen Papier Holz 1200 Schlamm APA Konsum Papier Schlamm APA Abluft Abwasserreinigung (ARA) Holzschnitzel Schlamm aus ARA Schlamm APA 800 Verbrennung Aschen System «Papierfabrik Utzensdorf» im Jahr 2007, Angaben in Tonnen (feucht)

16 Materialflussanalyse Papierfabrik Aufgabe: Materialflussanalyse Was fällt Ihnen auf? Gehen die Bilanzen über die Prozesse auf? Wenn nicht, was könnten die Gründe dafür sein?

17 Materialflussanalyse Papierfabrik Materialflussanalyse Summe Input: ca t (ohne Wasser)??? Summe Output: ca t Holz gereinigtes Abwasser Altpapier Pigmente/Füllstoffe: Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Hilfsstoffe: Abwasserreinigung (ARA) Wasser: Faserstoffe Abwasser Papiermaschinen Schlamm APA Holzschnitzel Papier Schlamm aus ARA Schlamm APA 800 System «Papierfabrik Utzensdorf» im Jahr 2007, Angaben in Tonnen (feucht) Holz 1200 Schlamm APA Konsum Papier Verbrennung Papier II Abluft Aschen

18 Materialflussanalyse Papierfabrik Bilanzierung über Trockensubstanz Material Trocken- Material Materialinput in t feucht substanz (TS) TS in Tonnen Holz (otro) 24'243 0,94 22'788 Altpapier 234'166 0,85 199'041 Pigmente/Füllstoffe 2'804 0,90 2'524 Hilfsstoffe/Chemikalien 12'671 0,65 8'236 Total 273' '589 k ursiv: geschätzte TS-Gehalte Material Trocken- Material Materialouput in t feucht substanz (TS) TS in Tonnen Holzschliff 1'230 0, Papier 200'543 0,92 184'500 Schlamm ARA 16'739 0,34 5'741 Schlamm APA 66'879 0,62 41'532 Total 285' '757 k ursiv: geschätzte TS-Gehalte

19 Materialflussanalyse Papierfabrik Materialflussanalyse auf Trockensubstanz (TS) bezogen Altpapier Holz Pigmente/Füllstoffe: Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Hilfsstoffe: Wasser: 0 Faserstoffe Abwasser Papiermaschinen Papier Holz 1000 Schlamm APA Konsum Papier Schlamm APA Abluft Abwasserreinigung (ARA) Holzschnitzel Schlamm aus ARA Schlamm APA 300 Verbrennung Aschen System «Papierfabrik Utzensdorf» im Jahr 2007, Angaben in Tonnen (Trockensubstanz)

20 Fazit Materialflussanalyse Papierfabrik Mit dem Angaben im Umweltbericht lässt sich eine MFA erstellen. Mit der MFA kann überprüft werden, ob die Angaben im Umweltbericht sinnvoll und nachvollziehbar sind.

21 Materialflussanalyse Papierfabrik Energetische Aspekte der Papierproduktion

22 Materialflussanalyse Papierfabrik Aufgabe: Die Papierfabrik will umwelteffizienter werden. Wo sehen Sie die grössten Optimierungspotenziale in Bezug auf die Material- und Energieflüsse?

23 Materialflussanalyse Papierfabrik Materialflussanalyse Altpapier Holz Pigmente/Füllstoffe: Aufbereitung Holz und Altpapier (APA) Hilfsstoffe: Wasser: 0 Faserstoffe Abwasser Papiermaschinen Papier Holz 1000 Schlamm APA Konsum Papier Schlamm APA Abluft Abwasserreinigung (ARA) Holzschnitzel Schlamm aus ARA Schlamm APA 300 Verbrennung Aschen System «Papierfabrik Utzensdorf» im Jahr 2007, Angaben in Tonnen (Trockensubstanz)

24 Materialflussanalyse Papierfabrik Mehr Altpapier annehmen und aufbereiten. Damit könnte der Holzinput und der Energieaufwand für die Holzaufbereitung reduziert werden (das Holz muss energieaufwändig zu Holzschliff aufbereitet werden). Gleichzeitig könnte mehr Holz der Verbrennung zugeführt werden (evtl. auch Altholz).

25 Materialflussanalyse Papierfabrik Energetische Aspekte der Papierproduktion Holzschliff: t

26 Materialflussanalyse Papierfabrik Vergleich 2007 vs Materialinput in t Reduktion in % Holz (otro) 24'243 16'748 30,9 Altpapier 234' '194-1,7 Pigmente/Füllstoffe 2'804 2'765 1,4 Hilfsstoffe/Chemikalien 12'671 13'486-6,4 Total Input 273' '193 1,0 Materialouput in t Zeitungspapier 200' '014-1,2 Holtschliff an Dritte 1'230 1'244-1,1 Altpapier an Dritte Total Output 201' '172-1,7 Energiebedarf in GWh Reduktion in % Erdgas/Biogas 251,78 209,64 16,7 Heiz- und Schweröl 3,69 9,51-157,4 Fremdstrom 167,16 154,70 7,5 Dampfturbinenstrom 43,90 44,51-1,4 Total ,3

27 Fazit Materialflussanalyse Papierfabrik Mit dem Angaben im Umweltbericht lässt sich eine MFA erstellen. Mit der MFA kann überprüft werden, ob die Angaben im Umweltbericht sinnvoll und nachvollziehbar sind. Mit Hilfe der MFA können Prozessoptimierungsmöglichkeiten identifiziert werden. Dazu braucht es ein umfassendes Systemverständnis. Gesamtheitliche Überlegungen müssen mit einbezogen werden Risikoanalyse, LCA usw.

28 Lebenszyklusanalyse Papierfabrik (2011) Funktionelle Einheit der Hotspotanalyse: z.b. Produktion von t Zeitungspapier und t Holzschliff für Dritte (Output im Jahr 2011, Utzenstorf)

29 Lebenszyklusanalyse Papierfabrik (2011) Daten für 2011 auf Folie 26 und 27 sowie Umweltbericht 2011 Achtung: Konversion auf gleiche Einheiten wie in der Tabelle auf dem Uebungsblatt notwendig, befor mit Wirkungsfaktoren multipliziert wird. Jährliche Gesamtwirkungen Einheitenkonversion Heiz- und Schweröl 793 kg 12 kwh/kg Aluminiumsulfat 1'797'250 kg Holz 33'496 m3 0.5 t / m3 (Trockenmasse) 8,82 kwh/m³; Biogas 5-7 Erdgas / Biogas 29'948'571 m3 kwh/m³ --> 7 kwh/m³ Strom '000 kwh CO2 (fossil) 44'250'000 kg Partikel 6'380 kg Kadmium 0 kg COD 426'980 kg

30 Hotspots 100% 80% 60% 40% 20% 0% UBP 2013 IPCC 2013 Stickoxide COD (Chemischer Sauerstoffbedarf) Partikel, < 2.5 um Schwefeldioxid Kohlenstoffdioxid Kaolin (Füllstoff) Kalk (Hilfststoff) Fettsäuren (Hilfststoff) Chemikalien, anorganisch (Hilfststoff) Chemikalien, organisch (Hilfststoff) Strom Erdgas / Biogas Holz Aluminiumsulfat (Füllstoff) Heiz- und Schweröl bestätigt Resultate aus der MFA / Energieflussanalyse.

31 Vergleich mit Papierherstellung aus nur 50% Altpapier UBP 2013 IPCC 2013 UBP 2013 IPCC 2013 [UBP] [kg CO2-eq] [UBP] [kg CO2-eq] 50% Altpapier50% Altpapier Utzenstorf Utzensdorf Heiz- und Schweröl E E-06 Aluminiumsulfat E E-03 Holz E E-03 Erdgas / Biogas E E-02 Strom E E-01 Kohlenstoffdioxid E E-01 Partikel, < 2.5 um E E+00 Kadmium E E+00 COD (Chemischer Sauerstoffbedarf) E E+00

32 Vergleich mit Papierherstellung aus nur 50% Altpapier Treibhausgasemissionen (IPCC 2013) Scenario: ~50% Altpapier Heiz- und Schweröl Holz Strom Chemikalien, anorganisch Kalk Kohlenstoffdioxid Partikel, < 2.5 um COD (Chemischer Sauerstoffbedarf) Utzenstorf (fast 100% Altpapier) Aluminiumsulfat Erdgas / Biogas Chemikalien, organisch Fettsäuren Kaolin Schwefeldioxid Kadmium Stickoxide

33 Vergleich mit Papierherstellung aus nur 50% Altpapier UBP Scenario: ~50% Altpapier Heiz- und Schweröl Holz Strom Chemikalien, anorganisch Kalk Kohlenstoffdioxid Partikel, < 2.5 um COD (Chemischer Sauerstoffbedarf) Utzenstorf (fast 100% Altpapier) Aluminiumsulfat Erdgas / Biogas Chemikalien, organisch Fettsäuren Kaolin Schwefeldioxid Kadmium Stickoxide

34 Fallbeispiel 2: Einsatz alternativer Brenn- und Rohstoffe in der Zementindustrie Energieträger: Kohle Heizöl Gas Klärschlamm Tiermehl Altöl Altreifen Plastik Primäre Ressourcen Sekundäre Ressourcen Rohmaterial: Kalkstein Mergel Giessereisand Div. Gut ausgebrannte Aschen Kalkschlamm aus Kalksteinproduktion Verunreinigtes Erdreich OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

35 Fallbeispiel 2: Einsatz alternativer Brenn- und Rohstoffe in der Zementindustrie 1. Die Zementindustrie ist interessiert, wie sich der Bedarf an Zement in den nächsten Jahrzehnten entwickelt. Welches Instrument soll zum Einsatz kommen? 2. Abfälle wie Klärschlamm benötigen eine Trocknung bevor sie als sekundäre Energieträger eingesetzt werden können. Wie kann untersucht werden, was ökologisch sinnvoller ist: a) Trocknung beim Abfallproduzenten (Kläranlage) b) Trocknung beim Abnehmer (Zementfabrik) 3. Die Verbrennung von Altreifen und Tiermehl steht im Verdacht, durch die Erhöhung von Dioxin- und Furanemissionen gesundheitliche Effekte nach sich zu ziehen. Mit welchem Instrument würden sie diesen Verdacht überprüfen? OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

36 Fallbeispiel 3: Wachstumsregulatoren (Agrochemikalien) Produkt Trinexapac-Ethyl Chlormequat Generation Anfang 90er Jahre Anfang 60er Jahre Molekülstruktur O O O Cl- Anwendungsdosis 0.1 kg pro ha 0.8 kg pro ha DT 50 (Boden) 0.2 d 15 d Prozessstufen in der Produktion OH O Cl 22 3 N OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche

37 Fragen 1) Agrochemikalien werden z.t. im Grundwasser nachgewiesen. Wie können die Behörden vor der Zulassung einer Agrochemikalie gewährleisten, dass keine schädlichen Konzentrationen ins Grundwasser gelangen? 2) Die reguläre Anwendung von Agrochemikalien in der Landwirtschaft erklärt in vielen Fällen nicht die z.t. erhöhten Konzentrationen, die im Grundwasser gemessen werden. Welches Umweltinstrument wenden Sie an, um bezüglich der Emissionsquellen Aufschluss zu erhalten? 3) Trinexapac-Ethyl hat eine kompliziertere chemische Struktur als Chlormequat und ist dementsprechend auch aufwendiger in der Produktion (mehr Prozessstufen). Wie können Sie dies in Ihrer Beurteilung berücksichtigen? 4) Sie möchten wissen, ob die biologische Landwirtschaft oder die konventionelle Landwirtschaft (mit Einsatz von Chemikalien) von ökologischem Vorteil ist. Welches Instrument wenden Sie an? Warum ist nicht von vorneherein klar, dass die biologische Landwirtschaft besser ist? 5) Welche der Daten aus der Tabelle unten brauchen Sie für welches Instrument? Wie wirken sich die Substanzeigenschaften auf das Umweltverhalten der beiden Pflanzenwachstumsregulatoren aus? Welche Daten fehlen Ihnen? OeSA Umweltanalyseinstrumente und ihre Anwendungsbereiche