Life Cycle Assessment

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1 Life Cycle Assessment Prof. Dr. Liselotte Schebek Dr. Andreas Patyk Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association

2 Überblick Der Lebenszyklus von Produkten Life Cycle Assessment (LCA) LCA in der Technologieentwicklung: ITAS-ZTS-Projekte

3 Der Lebenszyklus von Produkten die Marketing-Perspektive

4 Der Lebenszyklus von Produkten die Stoffstromperspektive Technosphäre Rohstoffentnahme aus der Natur Herstellung Nutzung Entsorgung von Abfällen in der Natur Recycling

5 "Life Cycle Thinking" (LCT) "Life cycle thinking implies that everyone in the whole chain of a product's life cycle, from cradle to grave, has a responsibility and a role to play, taking into account all the relevant external effects." Klaus Toepfer Lebenszyklusansatz in... Integrierter Produktpolitik Ressourcenpolitik Chemikalienpolitik Technologiepolitik Nachhaltiges Bauen Executive Director UNEP

6 LCT-Umsetzung Instrumente zur quantitativen Beschreibung von Ursachen-Wirkungszusammenhängen zwischen lokalen Handlungen und globalen (Umwelt)Wirkungen Randbedingung Globalisierung der Produktion und des gesamten Lebenszyklus' Herstellung Nutzung Entsorgung i.s. von weltweiter Verteilung lokaler Einzelprozesse Globalisierung von Wirkungen i.s. von weltweit verteilten lokalen und regionalen Wirkungen lokaler Einzelprozesse und per se globaler Wirkungen (z.b. Klimawandel)

7 Überblick Der Lebenszyklus von Produkten Life Cycle Assessment (LCA) LCA in der Technologieentwicklung: ITAS-ZTS-Projekte

8 Methode: Life Cycle Assessment LCAs (Ökobilanzen) sind Zusammenstellungen und Interpretationen der In- und Outputflüsse und potentiellen Umweltwirkungen eines Produktsystems entlang seines gesamten Lebensweges. Norm-LCA DIN EN ISO 14040/14044 Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens Sachbilanz Auswertung Wirkungsabschätzung

9 Sachbilanz: Prozesskettenmodell, Quantifizierung Module Gewinnung Systemgrenze 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

10 Wirkungsabschätzung Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen den Daten der Sachbilanz und den Umweltauswirkungen Klassifizierung Charakterisierung Sachbilanz Wirkungskategorien Wirkungsindikator Wirkungsendpunkt CH 4 CO 2 Klimaänderung Verstärkung der Infrarotstrahlung (W/m 2 ) Menschliche Gesundheit SO 2 NH 3 NO x Kohle... Versauerung Ressourcenverbrauch... Freisetzung von Protonen (H + aq)... Ökosystem Ressourcen

11 Beispiel: vergleichende LCA PLA- vs. PS-Trinkbecher Quelle: Nutzungsmöglichkeiten nachwachsender Rohstoffe: ökobilanzieller Vergleich ausgewählter Produkte S. Ehrenberger, Diplomarbeit, Karlsruhe

12 Modellierung Ausschnitt umberto -Stoffstromnetz zur Produktion von PLA-Trinkbechern: Herstellung von Maisstärke

13 Ergebnis: PLA-Becher

14 Ergebnis: PS-Becher

15 Vergleich PLA-/PS-Becher

16 Überblick Der Lebenszyklus von Produkten Life Cycle Assessment (LCA) LCA in der Technologieentwicklung: ITAS-ZTS-Projekte

17 Projekte KIT-interne Kooperationen Biomassevergasung in überkritischem Wasser (SCWG; ITC-CPV) Heißgasreinigung (ITC-TAB/-CPV) Pyrolyse von Elektronikschrott (ITC-TAB) FRANKA (ITC/IHM) MVT-GTL (IMVT) Algen-Photo-Bio-Wasserstoff (BLT, EBI + externe) Externe Kooperationen Beschichtungsverfahren (PVD, Nanokeramik für Energieprozesse) Carbon Nanotubes und Carbon Nanotube-Papier (Bucky Paper) Geopolymere Thermoelektrik Methoden: LCA, LCC, Exergieanalyse, Potentialabschätzungen, Ressourcenanalysen, Lernkurven, thermodynamische Modelle

18 Beispiel: Umsetzung von Biomasse in überkrit. Wasser (SCWG) Identifizierung der relevanten Lebenswegabschnitte für unterschiedliche Wirkungskategorien Systemrahmen und Prozesse Gasafi/Meyer/Schebek: Using LCA in Process Design. Journal of Industrial Ecology

19 Beispiel: Exergoökologische Analyse Problem: Trade-Off zwischen der Erhöhung der thermodynamischen Effizienz von Energiewandlungsprozessen und negativen Umwelteffekten durch erhöhten Materialaufwand für die Anlagentechnik Lösungsansatz Exergoökologische Analyse: Kopplung von Exergieanalyse und Life Cycle Assessment (LCA) Ergebnis: Anteile von thermodynamischen Ineffizienzen (orange) und Materialien (grün) an den Umweltwirkungen auf Komponentenebene Umweltbelastung [mpts/s] 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 Y_k (mpts/s] Vergaser B_D (mpts/s) Mixer HX G4 Teerreformer Heizung G6 Gebläse Beispiel: Gaserzeugung aus Biomasse + Verstromung in SOFC HX A1 SOFC HX A5 Pumpe Dampferzeuger

20 Beispiel: Energetischen Effizienz von Vakuum-Isolationspaneelen GEDT WDVS 7 Erntefaktor Lebensdauer in Jahren Erntefaktoren-Vergleich (Bezug: Kumulierter Energieaufwand) GEDT-Element mit Vakuumdämmung EPS-Wärmedämmverbundsystems (WDVS)

21 Helmholtz-Programm TIG Technologie, Innovation und Gesellschaft Laufzeit: Unterprogramm (Topic): Effiziente Energieumwandlung und Nutzung Themen (Sub-Topics) : Zukünftige Kraftwerke für fossile und Mix-Brennstoffe (ITC-TAB) Neue Querschnittstechnologien (extern) Energieeffiziente industrielle Prozesse (IMVT) Technologien für Energieeffizienz im Bausektor (IAI)

22 Systemanalyse zu Energieeffizienten Technologien Forschungsfragen: Lebenszyklusbetrachtungen z.b. Netto-Reduktionen von Treibhausgasen z.b. Life Cycle Costs Zielkonflikte z.b. Wirtschaft - Umwelt z.b. Energie - Materialressourcen Systemintegration z.b. Konkurrenztechnologien z.b. Interaktion mit der Makroökonomie

23 Beiträge der Mikroverfahrenstechnik zu nachhaltiger Energieversorgung und -nutzung Dissertation Eva Zschieschang Laufzeit: Partner: KIT IMVT Technischer Gegenstand: GTL-Produktion (FT) mit MVT; versch. Anlagengrößen und Systemeinbindungen, u.a. Off-Shore; zum Vergleich: GTL-Produktion mit konv. Technik Methodenentwicklung: social LCA; Indikatorenentwicklung; Integration in LCA und LCC Methoden: LCA, LCC, Potentialabschätzungen, Ressourcenanalysen, Lernkurven, thermodynamische Modelle Ziele: - Identifikation der Nachhaltigkeitspotenziale - Umwelt- und sozio-ökonomische Optimierung der untersuchten Anwendungen - Identifikation optimaler Einsatzfelder - slca-methodik

24 HydroMicPro - Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion" (BMBF) Teilprojekt "Nachhaltigkeitsbewertung und -optimierung" Dissertation Annika Weiss Laufzeit: Projekt ; Diss Partner: KIT BLT und EBI, weitere externe Technischer Gegenstand: mikrostrukturierte Photobioreaktoren; Algenbiomasseaufbereitung; H2- Abtrennung; versch. Anlagengrößen und Systemeinbindungen; Konkurrenztechnologien (Ressourcen, Funktion) Methoden: LCA, LCC, slca, Potentialabschätzungen, Ressourcenanalysen, Lernkurven, Ziele: - Identifikation der Nachhaltigkeitspotenziale - Umwelt- und sozio-ökonomische Optimierung der untersuchten Technik - Identifikation optimaler Einsatzfelder