Grundlagen der Lebenszyklusanalyse - Ein Instrument zur quantitativen Bewertung von Umweltauswirkungen in der Industrie

Transkript

1 DLR.de Folie 1 > Vortrag > Jens Buchgeister Dokumentname > Datum Grundlagen der Lebenszyklusanalyse - Ein Instrument zur quantitativen Bewertung von Umweltauswirkungen in der Industrie Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium am Jens Buchgeister (TT-STB)

2 DLR.de Folie 2 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Gliederung Einführung Lebenszyklusansatz - Was ist das? - Aufbau und Vorgehensweise - Abschätzung von Umweltwirkungen - Anwendungsbeispiel aus der Industrie - Vergleich von Nitrocarburierverfahren - Grenzen der Methode Zusammenfassung

3 DLR.de Folie 3 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Einführung

4 DLR.de Folie 4 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Einführung Atmosphärische Konzentration der Treibhausgase CO 2 und CH 4 Durchschnittliche monatliche Eisfläche des Arktischen Meeres Quelle: National Snow and Ice Data Center (NSIDC) Quelle: National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA),

5 DLR.de Folie 5 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Der Lebenszyklusansatz (engl. Life Cycle Assessment) Produktlebensweg Lebenszyklusansatz unterliegt der Normung (DIN ISO u )

6 DLR.de Folie 6 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Sinn und Zweck der Lebenszyklusanalyse Möglichst umfassende quantitative Erfassung der Umweltauswirkungen von Produkten, Prozessen, Dienstleistungen unter Betrachtung des gesamten Lebenswegs Aufzeigen von Potentialen zur Verbesserung der Umwelteigenschaften von Produkten, Verfahren, Dienstleistungen oder des Unternehmens(standortes) auch in der frühen Phase der Entwicklung (Schwachstellenanalyse) Unternehmensübergreifender Ansatz und umweltmedienübergreifende Betrachtung - D.h. Zielkonflikte Aufdecken: Vorteile an einer Stelle werden ggf. durch Nachteile an einer anderen Stelle erkauft Über die Schwachstellenanalyse sind in vielen Fällen gemeinsame ökonomische Zielsetzungen verbunden (Energie- und Materialeinsatzkosten) Transparenz und Objektivierung durch modulares Vorgehen in den Phasen Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung

7 DLR.de Folie 7 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Lebenszyklusanalyse bzw. Life Cycle Assessment - DIN ISO und Aufbau der Lebenszyklusanalyse 1. Festlegung des Ziels u. des Untersuchungsrahmens 2. Sachbilanz 4. Auswertung 3. Wirkungsabschätzung

8 DLR.de Folie 8 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Funktionen bzw. Nutzen eines Produktsystems Definition der Produktfunktion/Nutzen: Z.B. die Trocknung von nassen Händen a) Papierhandtücher b) Elektrischer Lufttrockner Produktsystem Händeabtrocknen mit Papier Händeabtrocknen mit warmer Luft Funktion Funktionelle Einheit Referenzfluss Händeabtrocknen Anzahl der zu trocknenden Händepaare Masse an trockenem Papier der zu trocknenden Händepaare (kg) Volumen erwärmter Luft der zu trocknenden Händepaare (m³)

9 DLR.de Folie 9 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Vertikale und horizontale Systemgrenze des Kraftfahrzeuglebensweges Allgemeiner Lebensweg von Materialien und Bauteilen für jede Phase des Kraftfahrzeuglebenswegs Lebenswegphasen des Kraftfahzeugs Initiale Herstellung Nutzung Enddemontage Produktion von Material u. Teilen T Handel T Fertigung Nutzung Demontage T Entsorgung Herstellung als Teil der Instandhaltung u. Reparatur Well-to-tank Demontage als Teil der Instandhaltung u. Reparatur Tankto- Wheel T = Transport Dienstleistung - Fahrzeug-km - Personen-km

10 DLR.de Folie 10 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Bedeutung der Systemgrenzen 5,3 t CO 2 -Äqui./Pkw 50 g CO 2 -Äqui./km 35 g CO 2 -Äqui./km km Quelle: VW: Der Golf Umweltprädikat, Wolfsburg Stand Sept. 2008

11 DLR.de Folie 11 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Erstellung der Sachbilanz Eigene Datenerhebung - Strom- und Papierbedarf über Messungen Literatur - Forstwirtschaft zur Papierherstellung Datenbanken - Stromerzeugung, Papierherstellung, Forstwirtschaft - Transport (Lkw, Schiff) -

12 DLR.de Folie 12 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Ergebnis der Sachbilanz Ausschnitt Input Output Tabelle

13 DLR.de Folie 13 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Phase der Wirkungsabschätzung Messbarkeit der Umweltveränderung System: Kraftwerk - Produktion einer spezifischen Menge Strom Sachbilanz Mineralien und fossile Brennstoffe Flächeninanspruchnahme Transformation und Okkupation Emissionen - NOx, SOx - FCKW - Nuklide - PM, NMVOC - Schwermetalle Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen den Daten der Sachbilanz (Elementarflüsse) und den Umweltauswirkungen

14 DLR.de Folie 14 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Allgemeines Konzept der Wirkungskategorien Midpoint Wirkkategorien Humantoxizität Umweltgüter ^ = Endpoint Kategorien Darstellung der Wirkungspfade über Wirkkategorien zu den Umweltgütern (Schadenskategorien) Sachbilanz Ergebnisse Unfälle Lärm Bildung von Photooxidantien Ozonzerstörung Klimaänderung Versauerung Eutrophierung Ökotoxizität Flächenbelegung und -umwandlung Zerstreuung von Spezies und Organismen Abiot. Ressour - cenzerstörung Menschliche Gesundheit Biotische & abiotische natürliche Umwelt Biotische & abiotische natürliche Ressourcen Biotische & abiotische Kulturlandschaft u. u. -gut Quelle: Deutsche Krebsgesellschaft e.v., 2006 Quelle: Bund für Naturschutz, 2004 nach Jolliet et al.: The LCIA Midpoint-Damage Framework... Int. Journal of LCA 2004, Nr. 6 S. 395 Biot. Ressour - cenzerstörung

15 DLR.de Folie 15 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Wirkungsmechanismus Stratosphärische Ozonzerstörung Sachbilanzergebnisse Wirkungsmechanismus 1 Midpoint Wirkungsmechanismus 2 Wirkindikator: Ozone Depletion Potential (ODP) ODP x = Haut δ δ [ O3 ] x [ O3 ] 11 CCl F Auge R = 3 Körper Ozonzerstörende Emission (FCKW) Troposphärische Ozonzerstörung Stratosphärische Ozonzerstörung Reduktion des Ozons Erhöhte UV-B Strahlung UV-B Strahlungsaufnahme Bodenpflanzen Plankton Höhe (km) Partialdruck (mpa) Troposphäre Stratosphäre Pflanzen Tropopause 4 Kunststoffe Hautkrebs Grauer Star Immunsystem Bodenvegetation Phytoplankton Getreide Holz Material Endpoint Menschliche Gesundheit Natürliche Biotische Umwelt Anthropogene Kulturlandschaft

16 DLR.de Folie 16 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Ozonzerstörungspotential (ODP) verschiedener ozonzerstörender Substanzen Ozonzerstörende Substanzen Chemische Summenformel Atmosphärische Verweilzeiten (in Jahren) Ozonzerstörungspotential (in kg R11-Äquival.) Trichlorethan C 2 HCl 3 0,55 0,12 FCKW R11 (Referenz) CCl 3 F 50 1 FCKW R12 CCl 2 F FCKW R113 C 2 HCl 2 F FCKW R114 C 2 Cl 2 F ,94 FCKW R115 C 2 ClF ,44 HALON 1211 CF 2 ClBr 6 HALON 1301 CF 3 Br 12 H-FKW R134a C 2 H 2 F 4 - H-FCKW R22 CHClF 2 0,05 H-FCKW R141b C 2 H 3 Cl 2 F 0,12 Quelle: National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA),

17 DLR.de Folie 17 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Wirkungsabschätzungsmethoden - Integration von Mid- und Endpointwirkungspfaden

18 DLR.de Folie 18 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Phase der Auswertung Auf Basis der erstellten Sachbilanz und Wirkungsabschätzung sowie der am Anfang festgelegten Zieldefinition sind folgende Schritte durchzuführen:! Identifizierung der signifikanten Parameter auf der Grundlage der Ergebnisse der Sachbilanz und der Wirkungsabschätzung Beurteilung der Ergebnisse mittels Berücksichtigung von Vollständigkeits-, Sensitivitäts- und Konsistenzprüfungen Schlussfolgerungen, Empfehlungen und Bericht über die signifikanten Parameter

19 DLR.de Folie 19 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Lebenszyklusanalyse von Nitrocarburierverfahren Stick- und Kohlenstoff als eingesetzte Medien zum Randschichthärten Nitride Allgemeiner Nutzen: Erhöhung der Bauteillebensdauer Spezifischer Nutzen des Nitrocarburierens: - Verschleiß- und Korrosionsschutz (Verbindungsschicht) - Erhöhung der Schwingfestigkeit (Diffusionsschicht) Indikatoren der spezifischen Nutzungsziele (Konstrukteur) Oberflächenhärte (DIN n. Vickers) Nitrierhärtetiefe (DIN 50190) Verbindungsschichtdicke (DIN 50950)

20 DLR.de Folie 20 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Beispiel Nitrocarburierverfahren - Vergleichende System Vorwärmofen Salzbadnitrocarburieren Salzbadofen Wasser- Abschreckbad Spülkaskade Kurbelwelle Abluftanlage Chemische H 2 O 2 - Cyanidentgiftung nitrocarburierte Kurbelwelle Teilereinigung Gasofen Nachverbrennung Gasnitrocarburieren

21 DLR.de Folie 21 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Beispiel Nitrocarburierverfahren - Systemgrenzen Bauteil Primärenergieträger Herstellung der Investitionsgüter inkl. Transporte Reinigung Rückstände Emissionen in Boden, Luft und Wasser Rohstoffe Energiebereitstellung Nitrocarburieren Abwasser Abluft Verwertung/ Entsorgung inkl. Transporte Abfälle Flächenbelegung Herstellung der Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe inkl. Transporte Abkühlung inkl. innerbetriebliche Transporte Investitionsgüter Energiebereitstellung Abwärme Nitrocarburiertes bzw. nitriertes Bauteil

22 DLR.de Folie 22 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Beispiel Nitrocarburierverfahren - Allgemeine und spezifische Randbedingungen Referenzbauteil: Kurbelwelle aus 42 CrMo 4V, Stück pro Jahr = 1390,5 t/a Verbindungsschichtdicke: µm Spezifische Randbedingungen bei 75 % Auslastung der Anlagen: Gasöfen Salzbadofen (STT 80/150) Ofenvolumen 3,6 m 3 6 m 3 0,75 m 3 Bauteilmasse pro Charge 2472 kg Verfahrensparameter 5192 kg 515 kg Aufwärmdauer 7 h 8 h Vorwärmofen: 40 Min., Salzbadofen: 30 Min. Haltedauer 6 h 6 h 1,33 h Abkühldauer 8 h 8 h 0,75 h Chargenzyklus 22 h 24 h 2 h

23 DLR.de Folie 23 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Beispiel Nitrocarburierverfahren - Ergebnisvergleich nach UBA-Methode 6000 e -9 Bauteildurchsatz: 1390,5 t/a - Ohne Berücksichtigung der Bauteilreinigung - Auslastungsgrad 75 % Deponieraum 5000 Versauerung Normalisierung Nährstoffeintrag Photooxidantienbildung Ökotox. Wirkung Gesundheit. Wirkung Ozonabbau Treibhauseffekt 0 Ressourcenverbrauch km/a Gasofen, Gasofen, Salzbad, 6 m 3 3,6 m 3 0,75 m Pkw

24 DLR.de Folie 24 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Beispiel Nitrocarburierverfahren - Sensitivitätsanalyse Gasnitrocarburieren Salzbadnitrocarburieren Energieträger 4,1% Energieträger 6,4% CO 2 5,5% NO x 5,2% SO 2 4,0% Rest 2,0% NO x 8,4% SO 2 7,2% Rest 5,1% Staub 13,6% NH 3 65,5% CO 2 11,3% NH 3 22,5% Staub 39,1%

25 DLR.de Folie 25 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Gasnitrocarburieren - Vergleich unterschiedlicher NH3- Zersetzungsgrade der thermischen Nachverbrennung Gasofen 3,6 m 3 bei einem Bauteildurchsatz von 1390,5 t/a e -9 Deponieraum Versauerung Normalisierung Nährstoffeintrag Photooxidantienbildung Ökotox. Wirkung Gesundheit. Wirkung Ozonabbau Treibhauseffekt 0 Fackelwirkungsgrad 82% Fackelwirkungsgrad 90% Fackelwirkungsgrad 94% Ressourcenverbrauch

26 DLR.de Folie 26 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Salzbadnitrocarburieren - Vergleich unterschiedlicher Beheizungsalternativen Salzbadofen 0,75 m 3 bei einem Bauteildurchsatz von 1390,5 t/a 5000 e -9 Deponieraum Normalisierung Versauerung Nährstoffeintrag Photooxidantienbildung Ökotox. Wirkung Gesundheit. Wirkung Ozonabbau Treibhauseffekt 0 Elek. beheizt Gasbeheizt Ressourcenverbrauch

27 DLR.de Folie 27 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Grenzen der Lebenszyklusanalyse Relativer Ansatz, daher keine absolute Aussage zur Umweltverträglichkeit möglich Aussage nur im Rahmen der Systemgrenzen unter den vorgegebenen Bedingungen gültig Trifft generelle Aussagen. Daher eher nicht für spezifische lokale Fragestellungen geeignet Angestrebt: tendenzielle Korrektheit und Richtungssicherheit. => Liefert keine einfache Antwort auf komplexe Fragestellungen

28 DLR.de Folie 28 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Zusammenfassung Die in der Diskussion stehenden Methoden zur Wirkungsabschätzung weisen strukturelle Unterschiede sowohl hinsichtlich der Umweltaspekte als auch zur quantitativen Bestimmung der Umweltauswirkung auf. Um die einzelnen Stärken der Methoden bei der Analyse zu berücksichtigen, wird empfohlen, mehrere Methoden zur Umweltwirkungsabschätzung einzusetzen. Die Lebenszyklusanalyse kann im Unternehmen - zur kurzfristigen Identifizierung von Umweltschwachstellen - zur Unterstützung des Umwelt- und Energiemanagements oder zur Erfüllung von Produktnormen (EU Öko-Design-Richtlinie, Umweltproduktdeklaration Typ III) - zur strategischen Ausrichtung der Produktentwicklung dienen. In der Regel sind mit der Beseitigung von Umweltlasten auch ökonomische Vorteile verbunden.

29 DLR.de Folie 29 > Vortrag > Jens Buchgeister Tutorial 6. Stuttgarter Energie Speicher Symposium > Weiterführende Literatur Einführung zum Thema: Ökobilanz The hitchhiker's guide to LCA - Baumann, H. et al, ISBN: Ökobilanz (LCA) Ein Leitfaden für Ausbildung und Beruf Klöpffer, Walter; Grahl, Birgit, Wiley-VCH, 2009 Methoden der Umweltbewertung technischer Systeme; Skript von Rolf Frischknecht ETH-Zürich, SS 2005: Skript-LCA.zip Für die Wirkungsabschätzung: Dutch Handbook on LCA (CML); Part 1 bis 3: shed/new-dutch-lca-guide.html ReCiPe Methodology report: