Ökobilanzierung das Bewerten der Umweltwirkungen von Produkten über den Lebensweg

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1 Kolloquium der Umweltwissenschaften, Universität Koblenz-Landau 007 Ökobilanzierung das Bewerten der Umweltwirkungen von Produkten über den Lebensweg 0. Dezember 007 Sibylle Wursthorn Institut für Technische Chemie Zentralabteilung Technikbedingte Stoffströme Forschungszentrum Karlsruhe Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

2 Gliederung Einführung Produkte und ihre Umweltauswirkungen Die Ökobilanz Ziel und Rahmen Sachbilanz Methoden der Wirkungsabschätzung Auswertung Anwendung Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

3 Einführung Der Begriff: Umwelt Umwelt bezeichnet allgemein alle Beziehungen eines Organismus zu seinen Existenzbedingungen aus Sicht des Menschen, sind Umwelt: jene spezifischen Bestandteile der Umgebung, die seine physikalische Existenz sichern: - Stoffe, - Energie, - Informationen, die verändert wieder an die Umgebung abgegeben werden. [SRU: Umweltgutachten 987. Stuttgart: Kohlhammer 987] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

4 Einführung (Aus)Wirkung auf die Umwelt ist jede Veränderung der Umwelt, ob günstig oder ungünstig, die vollständig oder teilweise das Ergebnis der menschlichen Tätigkeiten, Produkte und Dienstleistungen zu verstehen. Im gegenwärtigen Sprachgebrauch werden unter Umweltauswirkungen insbesondere die für die Umwelt als negativ zu bewertenden Auswirkungen verstanden. Die Wirkungsanalyse stellt die Messbarkeit des Schadens gegenüber einem Vergleichszustand und die längerfristige bzw. irreversible Wirkung her. [Erweitert nach Schmidt-Bleek, F.;Wieviel Umwelt braucht der Mensch?, Birkhäuser 99, S. 8]. Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

5 Einführung Umweltwirkungen durch menschliches Handeln [Quelle: IPCC Intergovernmental Panel of Climate Change] 5 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

6 Einführung Umweltschäden - Ökosysteme Öl-Verschmutzung [Quelle: Spigel-Online.August 006] [Quelle: Spigel-Online.August 006.] Waldschäden [Quelle: Spigel-Online.August 006] [Quelle: Bund für Naturschutz. 00] 6 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

7 Einführung Umweltschäden - menschliche Gesundheit Basalinom Im letzten Jahrzehnt starker Anstieg der Hautkrebserkrankungen durch die gestiegene UV-Strahlung in der Troposphäre (insbesondere in Australien) [Quelle: Deutsche Krebsgesellschaft e.v., 006] Melanom [Quelle: Deutsche Krebsgesellschaft e.v., 006 ] 7 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

8 Einführung Umweltschäden - Erschöpfung der Ressourcen 8 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

9 Produkte und ihre Umweltauswirkungen Umweltwirkungen von Produkten 9 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

10 Produkte und ihre Umweltauswirkungen Von der Wiege... Porto Trombetas Brasilien 998 (Bauxittagebau) [Quelle SFB55] 0 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

11 Produkte und ihre Umweltauswirkungen... über Produktion... China, Apr t/a [Quelle SFB55] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS; Brazil, Apr t/a

12 Produkte und ihre Umweltauswirkungen... die Nutzung und das Recycling... [Quelle FZKA] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

13 Produkte und ihre Umweltauswirkungen... zur Bahre [Quelle SFB55] Sao Luis, Brasilien 999 (Rotschlammdeponie) Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

14 Lebenszyklusansatz Bewertung der Umweltauswirkungen über den Produktlebensweg - Von der Wiege bis zur Bahre DIN ISO 00 und 0 oder zur Ökobilanz - Von der Wiege bis zur Wiege (Life Cycle Assessment) Umwelt Herstellung Nutzung Materialgewinnung und -verarbeitung Produktgebrauch Recycling Entsorgung Beseitigung Abfallmanagement Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

15 [Quelle Daimler Chrysler] 5 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

16 Warum werden Ökobilanzen gemacht? Möglichste umfassende Erfassung der Umweltauswirkungen von Produkten, Prozessen, Dienstleistungen unter Betrachtung des gesamten Lebenswegs Aufzeigen von Potentialen zur Verbesserung der Umwelteigenschaften von Produkten, Verfahren und Dienstleistungen Transparenz und Objektivierung durch modulares Vorgehen Umweltmedienübergreifende Betrachtung Bereitstellung von Entscheidungshilfen in der Industrie, Politik, Non-Profit Organisationen sowie bei der Umweltproduktdeklaration 6 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

17 Aufbau einer Ökobilanz (nach DIN ISO 00) Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens Erstellung einer Sachbilanz Auswertung Wirkungsabschätzung 7 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

18 Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens Das Ziel einer Ökobilanz-Studie muss eindeutig die beabsichtigte Anwendung festlegen sowie die angesprochenen Zielgruppen aufführen. Die wichtigsten Festlegungen des Untersuchungsrahmens sind die Funktion und funktionelle Einheit des Untersuchungsgegenstandes, die Systemgrenzen (räumlich und zeitlich), die Annahmen, die Abschneidekriterien sowie die Anforderungen an Daten und ihre Qualität 8 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

19 funktionelle Einheit Quantifizierter Nutzen eines Produktsystems für die Verwendung als Vergleichseinheit in einer Ökobilanzstudie Elementarfluss Stoff oder Energie, der bzw. die dem untersuchten System zugeführt wird und der Umwelt ohne vorherige Behandlung durch den Menschen entnommen wurde Stoff oder Energie, der bzw. die das untersuchte System verlässt und ohne anschließende Behandlung durch den Menschen an die Umwelt abgegeben wird 9 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

20 Produktsystem Produktsysteme werden in eine Gruppe von Modulen unterteilt. Module sind: - untereinander durch Zwischenprodukte und/oder Abfälle, - mit anderen Produktsystemen durch Produktflüsse - mit der Umgebung durch Elementarflüsse verbunden. Referenzfluß Maß für die Outputs von Prozessen eines vorhandenen Produktsystems, die zur Erfüllung der Funktion, ausgedrückt durch die funktionelle Einheit, erforderlich sind. 0 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

21 Systemgrenze Satz von Kriterien zur Festlegung, welche Prozessmodule Teil eines Produktsystems sind Abschneidekriterien Festlegung der Stoffmenge, eines Energieflusses oder des Grades von Umweltrelevanz, die/der mit Prozessmodulen oder Produktsystemen verbunden sind, welche von einer Studie auszuschließen sind Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

22 Erstellung einer Sachbilanz Erfassung aller relevanten Stoff- und Energieströme, die zur Produktion der funktionellen Einheit erforderlich sind und mit der Umwelt als Systemgrenze in Beziehung stehen. Materialien Emissionen in Luft Wasser, Boden Zubereitung Produkt Energie Nebenprod. Input Menge Material A kg Energieträger A kg... Output Menge Produkt kg Emission in Luft Stoff X kg Emission in Wasser Stoff Y... kg Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

23 Produkt [n-] Elementarflüsse (auf der Inputseite) z. B. Rohstoffe Wasser Energie Modul [n] Elementarflüsse (auf der Outputseite) z. B. Abfälle Emissionen Abwärme Produkt [n] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

24 Prozesskette Module Systemgrenze Gewinnung Produktflüsse Referenzflüsse Produktflüsse (z.b. Vorketten) (primäre & sekundäre Vorstoffe) (z.b. Koppelprodukte) Aufbereitung Referenzfluß (Zwischenprodukt) Verarbeitung Elementarflüsse Elementarflüsse (z.b. Wasser) funkt. Einheit (z. B. Luftemission) (Produkt) Nutzung Recycling Entsorgung Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

25 Rohstoffbilanz [Quelle Daimler Chrysler] 5 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

26 Rohstoffbilanz () [Quelle Daimler Chrysler] 6 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

27 Wirkungsabschätzung Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen den Daten der Sachbilanz und den Umweltauswirkungen Sachbilanz CH CO SO NH NO x Kohle... 7 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

28 Wirkungskategorien Midpoint Wirkkategorien Humantoxizität Umweltschadenskategorien =^ Endpoint Kategorien Unfälle Darstellung der Wirkungspfade über Midpoint zum Endpoint Sachbilanz Ergebnisse Lärm Bildung von Photooxidantien Ozonzerstörung Klimaänderung Versauerung Eutrophierung Menschliche Gesundheit Biotische & abiotische natürliche Umwelt Ökotoxizität Flächeninanspruchnahme 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 00, Nr. 6 S. 95 Biot. Ressourcenzerstörung 8 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

29 Wirkungsabschätzung Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen den Daten der Sachbilanz und den Umweltauswirkungen Klassifizierung Charakterisierung Sachbilanz Wirkungskategorien Wirkungsindikator Wirkungsendpunkt CH CO Klimaänderung Verstärkung der Infrarotstrahlung (W/m ) Menschliche Gesundheit SO NH NO x Kohle... Versauerung Ressourcenverbrauch... Freisetzung von Protonen (H + aq)... Ökosystem Ressourcen... 9 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

30 Wirkungsabschätzungsmethode: Eco-Indicator99 - Methode zur Ermittlung der potentiellen Umweltwirkungen auf Basis der Sachbilanz - Untersuchung der Schädigung von menschlicher Gesundheit, Ökosystemqualität, Ressourcen Emissionen Fate- Analyse Expositionsund Effektanalyse Schadensanalyse - Ausweisung der Schädigung für jedes Schutzgut in einer Einheit (DALYs, Verlust von Organismen, Zusatzenergieaufwand) - Aggregierung der Ergebnisse durch Normierung u. Gewichtung zu Ecoindicator Punkten (Pts) 0 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

31 Wirkungsabschätzungsmethode: Eco-Indicator99 Ressourcennutzung Wirkung auf Konz. der Ressource Zusatzenergie zukünftige Gewinnung Ressourcen - verbrauch Beitrag zum europäischen Gesamtschaden Flächennutzung Emissionen Konz. Wasser Konz. ind. Boden Ökotoxizität Versauerung Versau. + Eutroph. Beeinträchti - Beeinträchti gung des - gung Ökosystems des Ökosystems Beitrag zum europäischen Gesamtschaden Eco-indicator Punkte Konz. nat. Boden Treibhauseffekt Konz. agr. Boden Konz. Luft Konz. Lebensmit. Ozonabbau Atembeschwerden Krebserregung Beeinträchtigung Gesundheits der - menschlichen beeinträchti - Gesundheit gung Beitrag zum europäischen Gesamtschaden Stoffausbrei - tungsanalyse Wirkungs - analyse Schadens - analyse Normalisierung Normierung Schadensbewertung Ressourcen - analyse Teil Teil Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

32 Wirkungskategorie Klimawandel (midpoint) Wirkungskategorie Sachbilanzergebnisse Klimawandel Emissionen von Treibhausgasen Wirkungsindikator Erhöhung des Infrarotstrahlungsantriebs (W/m ) Charakterisierungsmodell Charakterisierungsfaktor Indikatorergebnis Wirkungsendpunkte Umweltrelevanz Modell wurde vom International Panel of Climate Change (IPCC) entwickelt. Es definiert das Treibhauspotential für verschiedene Treibhausgase für verschiedene Zeithorizonte. Treibhauspotential für die Zeithorizonte von 0, 00, 500 Jahren (GWP 0, GWP 00, GWP 500) für jedes Treibhausgas (kg CO - Äquivalent/kg Emission) kg CO -Äquivalente Menschliche Gesundheit, Korallenriff, Antarktis, Getreidepflanzen Der Infrarotstrahlungsantrieb steht stellvertretend für eventuelle Effekte des Klimas, die von der integrierten Wärmeabsorption der Atmosphäre abhängen, die durch Emissionen und deren Vertei - lung über die Zeit verursacht werden. Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

33 Treibhauspotenzial verschiedener Treibhausgase Treibhausgassubstanzen Summenformel Atmosphärische Verweilzeit (in Jahren) GWP 00 (kg CO Äquiv.) Kohlendioxid CO,,-Trichlorethan CClH 0 Trichlormethan CClH 0,55 Dichlormethan CClH 0, 9 Methan CH 9-5 Distickstoffoxid NO 96 FCKW R CClF FCKW R CFHCl FCKW R FCKW R FCKW R FCKW R HALON HFCKW R, 9 HFCKW R 5,9 80 HFCKW Rb 9, 60 HFCKW Rb 9,5 000 HFCKW R, 700 Schwefelhexafluorid SF Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

34 Wirkungskategorie Versauerung Wirkungskategorie Versauerung I Versauerung II Sachbilanzergebnisse Emissionen von säurebildenden Emissionen von säurebildenden Substanzen ins Wasser und die Luft Substanzen in die Luft Wirkungsindikator Maximale Freisetzung von H + -Ionen Erhöhung des potentiell erkrankten Teils an Pflanzenarten in natürlichen Gebieten (PDF) Charakterisierungsmodell CML-Methode Eco-indicator 99 (Umweltschadensmodell) Charakterisierungsfaktor Versauerungspotential AP für säurebildende Substanzen ins Wasser Potentiell erkrankter Teil an Pflanzenarten (PDF) durch säurebildende Substanzen in u. die Luft (kg SO -Äquivalente/kg Luft (PDF*m * Jahr /kg Emission) Indikatorergebnis kg SO -Äquivalente PDF*m *Jahr Wirkungsendpunkte Biodiversität, Wald, Fisch, Natürliche Biodiversität, Wald, Fisch, Natürliche Vegetation, Denkmal Vegetation, Denkmal Umweltrelevanz Maximaler potentieller Wirkungseffekt; Ausbreitung u. Verteilung sowie der Ausbreitung u. Verteilung der Emission Wirkungseffekt der Emission wird wird nicht berücksichtigt; keine berücksichtigt; Die Wirkungseffekte in räumliche Differenzierung den Niederlanden werden auf Europa übertragen Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

35 Versauerungspotentiale säurebildender Substanzen Säurebildende Substanzen Summenformel CML-Methode Versauerungspot. Eco-Indicator99 Beeinträchtigung des Ökosystems Ammoniak NH,88,5 Salzsäure HCl 0,88 - Flußsäure HF,6 - hydrogen sulfide HSO,88 - Salpetersäure HNO 0,5 0,557 Stickstoffdioxide NO 0,7 0,557 Stickstoffmonoxide NO,07 - Stickstoffoxide NOx 0,7 0,557 Phosphorsäure HPO 0,98 - Schwefeldioxide SO - 0,0 Schwefeltrioxid SO - 0,8 - Schwefelsäure HSO 0,65 0,0 5 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

36 Wirkungskategorie Toxizität Humantoxizität Ökotoxizität => Schadwirkung von chemischen Substanzen 6 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

37 Risikoabschätzung chemischer Substanzen Welche Mengen eines Stoffes werden freigesetzt? Wie verteilt sich der Stoff in der Umwelt? Welche Mengen eines Stoffes nehmen Organismen auf? Welche Folgen hat die Aufnahme eines Stoffes durch einen Organismus? Sachbilanz Ausbreitung, (Verteilung, Anreicherung, Abbau) Exposition Toxizität Wirkungsabschätzung 7 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

38 Ausbreitungsmodell EUSES 8 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

39 Eco-indicator 99 (kanzerogene Effekte) [Hellweg ETH] 9 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

40 Eco-indicator 99 (kanzerogene Effekte) [Hellweg ETH] 0 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

41 Eco-indicator 99 (kanzerogene Effekte) Disability adjusted life years (DALY) [Hellweg ETH] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

42 Eco-indicator 99 (kanzerogene Effekte) [Hellweg ETH] Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

43 Bewertungsverfahren des Eco-indicator 99 Betrachtertyp zeitliche Handhabbarkeit Notwendiger Gewichtung Perspektive von wissenschaftlicher Umweltproblemen Beweis H (Hierarchist) Ausgleich richtiges Verhalten Berücksichtigung HH: 0 %, zwischen kurz- kann viele von Effekten auf EQ: 0 %, und langfristigen Probleme Konsens R: 0 % Effekten verhindern basierend I (Individualist) kurzfristig Technologie kann viele Probleme verhindern E (Egalitarian) sehr langfristig Probleme können zu Katastrophen führen nur bewiesene Effekte alle möglichen Effekte HH: 55 %, EQ: 5 %, R: 0 % HH: 0 %, EQ: 50 %, R: 0 % Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

44 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 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

45 Anwendung der Ökobilanz in der Produktgestaltung z.b. Automobilindustrie - Fahrzeugkarosserie - Einzelteile (Kotflügel, Türen, Kraftstofftank) - Entsorgungsoptionen Für die Zukunft: Ganzfahrzeugbilanzen 5 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

46 Anwendung: Emissionsbilanz eines Autos [Quelle Daimler Chrysler] 6 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

47 Anwendung: Primärenergieaufwand und CO -Emissionen über den Lebenszyklus (50a) Beispiel: -Liter-Haus mit Erdreich-Wasser-Wärmepumpe Entsorgung Primärenergieaufwand in kwh/a Nutzung Herstellung 6.95 CO -Emissionen in kg/a Quelle: Wagner, Universität Bochum 7 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

48 Anwendung: Primärenergieaufwand mit und ohne intelligenter Gebäudesystemtechnik in kwh/a Hilfsenergiebedarf Raumwärme (incl. Gebäudesystemtechnik) Primärenergiebedarf Raumwärme Herstellung Gebäudesystemtechnik Beispiel: Liter-Haus mit Brennwertgerät keine Regelung 6 Regelung mittels Gebäudesystemtechnik Quelle: Wagner, Universität Bochum 8 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

49 Literatur Für den Themenbereich Sachbilanz Skript von R. Frischknecht geeignet: Für Wirkungsbilanz: Eco-indicator 99 Methodology report: Dutch Handbook on LCA (CML); Part : Eine Einführung zum Thema Baumann, Henrikke: The hitchhiker's guide to LCA 9 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;

50 Sibylle Wursthorn Institut für Technische Chemie Zentralabteilung Technikbedingte Stoffströme Forschungszentrum Karlsruhe 50 Sibylle Wursthorn; ITC-ZTS;