Prinzip Systemgrenzen, funktionelle Einheit

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1 Grundlagen der Umwelttechnik 4. Ökobilanzen Vorlesung an der Hochschule Augsburg Dr. Siegfried Kreibe 1 Prinzip Systemgrenzen, funktionelle Einheit 2 1

2 Der Ablauf einer Ökobilanz Festlegung v. v. Ziel Ziel u. u. Untersuchungsrahmen (Systemgrenzen, funktionelle Einheit Sachbilanz = Bilanzierung der der In- In-und Outputströme (z.b. (z.b. Energieverbrauch, SO SO 2 -Emissionen 2 Abschätzung der der Umweltwirkungen (z.b. (z.b. Treibhauseffekt, Schädigung der der Ozonschicht Bilanzbewertung (ggfs. (ggfs. Aggregation der der Umweltwirkungen Analyse und und Diskussion der der Ergebnisse 3 Systemgrenzen und funktionelle Einheit Systemgrenzen: z.b. geografischer Bezug: Deutschland, EU, Welt, wesentlich für das Ergebnis z.b. in Strom in Norwegen zu ca. 90 % aus Wasserkraft, in Deutschland zu ca. 4 % Zeitlicher Bezug: 1990, 2005, 2008, Wesentlich für das Ergebnis Z.B andere Emissionswerte als 2008 Funktionelle Einheit Einheit, auf welche die Ergebnisse der Ökobilanz bezogen werden wesentlich für das Ergebnis z.b. der Aufwand zur Herstellung eines Pkw wird auf einen Pkw bezogen oder auf die Gesamt-Fahrleistung des Pkw 4 2

3 Sachbilanz 5 Sachbilanz Analyse des Lebensweges von Produkten, Prozessen, Dienstleistungen etc. von der Wiege bis zur Bahre Lebenswege werden in Abschnitte ( Module unterteilt Die Module werden in Detailmodule untergliedert Die Stoff- und Energieflüsse und weitere Umweltwirkungen (In- und Outputdaten aller Module werden bilanziert Für jedes Modul gilt das Gesetz der Energie- und Masseerhaltung 6 3

4 Sachbilanz: z.b. ein verzinktes Stahlteil Verbrauchsmaterialien, Hilfsstoffe, Transporte, etc. Erzabbau Erzabbau Erzeugung Erzeugung von von Stahl Stahl Herstellung Herstellung Vorprodukt Vorprodukt Galvanik- Galvanik- Verzinkung Verzinkung Einsatz Einsatz Produkt Produkt Entsorgung Entsorgung Produkt Produkt Emissionen, Abfälle, weitere Umweltbelastungen, Nebenprodukte 7 Sachbilanz: z.b. Modul Galvanikverzinkung Die Mengen aller zur Galvanikverzinkung eingesetzten Hilfsstoffe, Chemikalien, Energien, Emissionen etc. werden, ermittelt. Ausschnitt s. nächste Folie Galvanikverzinkung 8 4

5 Sachbilanz: z.b. ein Hilfsstoff aus dem Modul Galvanikverzinkung Hilfsstoff xx Zu jedem Hilfsstoff wird ebenfalls der Lebensweg von der Wiege bis zur Bahre ermittelt 9 Abschneidekriterien Mit Abschneidekriterien wird festgelegt, wann ein In- oder Outputstrom vernachlässigt wird Z. B.: Vernachlässigung eines Stoffstroms wenn Anteil am Gesamtstoffstrom < 5% und kein Anlass zur Annahme besteht, dass der zu vernachlässigende Teilstoffstrom ergebnisrelevant ist und wenn Gesamtheit der vernachlässigten Stoffströme nicht mehr als 10 % der Gesamtstoffströme ausmacht Die Abschneidekriterien müssen offengelegt werden 10 5

6 Sachbilanz: Datenquellen und -qualität Datenquellen Selbst messen Literaturdaten Datenbanken Informationen von Unternehmen etc. Datenqualität prüfen! Zuverlässigkeit der Datenquelle Alter der Daten Geografischer Rahmen für Daten Aus welchen Anlagen / Prozessen Mittelwertdaten oder Einzelwerte Wie wurde gemessen / berechnet Detaillierte Ökobilanzen sind zu vertretbaren Kosten nur möglich, weil umfangreiche Datenbanken zur Verfügung stehen 11 Äquivalenzsysteme Erzeugt ein zu untersuchender Prozess neben dem bilanzierten Nutzen auch noch Nebenprodukte oder andere Nutzen, dann sind diese dem Ergebnis gutzuschreiben Bsp.: es werden die Umweltwirkungen der Entsorgung von Abfällen bilanziert Dabei gewonnene Kunststoff-Rezyklate ersetzen Neu-Kunststoffe => dem bilanzierten System ist der Aufwand gutzuschreiben, der mit der Erzeugung der ersetzten Menge Neu-Kunststoff verbunden wäre. Bei der Verbrennung von Abfällen erzeugte Energie wird entsprechend behandelt (s. nächste Folie 12 6

7 Äquivalenzsysteme z.b. Energie aus Abfall Verbrennungsanlage CO 2 Reststoffe Entsorgungsstruktur Reststoffe Öl, Kohle, Gas CO 2 CO 2 NO X NO X SO 2 SO 2 Bilanzraum Strom, Wärme (Zusatznutzen Zusatznutzen Gutschrift SO 2 Strom, Wärme Strom, Wärme NO X Bilanzraum CO 2 [t] Bruttowirkungen NO X [t] - = Brutto Gutschrift Netto CO 2 [t] Nettowirkungen - = NO X [t] - = Quelle: Pitschke et al Abschätzung der Umweltwirkungen 14 7

8 Wirkungskategorien nach UBA Vorschlag Umweltbundesamt (UBA: folgende Wirkungskategorien auf Relevanz für das Untersuchungsthema prüfen und ggfs. untersuchen: Treibhauseffekt Naturraumbeanspruchung Stratosphärischer Ozonabbau Versauerung Terrestrische Eutrophierung Aquatische Eutrophierung Ressourcenbeanspruchung Photochemische Oxidantienbildung Potenzielle direkte Humantoxizität Potenzielle direkte Schädigung von Ökosystemen 15 Wirkungskategorie Treibhauseffekt Treibhausgas (Bsp. Kohlendioxid Methan Lachgas Treibhauspotenzial (GWP i 100 Jahre (kg CO 2 -Äquivalente/kg GWP = Σ (m i x GPW i GWP = gesamtes Treibhauspotenzial (Global Warming Potential aller freigesetzten Treibhausgase m i = freigesetzte Masse m des Treibhausgases i GWP i = Treibhauspotenzial des Treibhausgases i In das GWP der Einzelverbindungen gehen zwei Faktoren ein: - Fähigkeit des Gases, die Atmosphäre zu erwärmen - Verweilzeit des Gases in der Troposphäre (atmosphärische Lebensdauer HINWEIS: CO 2 aus Verbrennung / Verrottung von Biomasse wird als klimaneutral gewertet weil das CO 2 beim Wachstum der Pflanzen wieder gebunden wird. 16 8

9 Wirkungskategorie Stratosphärischer Ozonabbau % des atmosphärischen Ozons befindet sich in der Stratosphäre (15-35 km Höhe Aus Ozonschicht schädigenden Substanzen werden in der Stratosphäre Halogenradikale abgespalten, die Zerstörung von Ozon katalysieren => Ozonloch Folge: Vermehrte UV-Einstrahlung => Gesteigertes Hautkrebsrisiko Schädigung von Pflanzen Effekt durch internationalen Bann Ozonschicht schädigender Substanzen rückgängig 17 Wirkungskategorie Stratosphärischer Ozonabbau Ozonschicht schädigendes Gas (Bsp. FCKW11 FCKW113 CCl 4 ODP = Σ (m i x ODP i Ozonabbaupotenzial (ODP i (kg R11-Äquivalente/kg 1 0,8 1,1 ODP = gesamtes Ozonabbaupotenzial (Ozone depletion potential aller freigesetzten Gase m i = freigesetzte Masse m des Gases i ODP i = Ozonabbaupotenzial des Gases i In das ODP der Einzelverbindungen gehen zwei Faktoren ein: - Fähigkeit des Gases, den Abbau von Ozon zu katalysieren - Atmosphärische Lebensdauer des Gases 18 9

10 Wirkungskategorie Versauerung Eintrag Säure bildender Substanzen (z.b. SO 2, NOx => Senkung des ph-wertes in Böden und Gewässern (Stichwort: saurer Regen Aus SO 2 entsteht schweflige Säure und Schwefelsäure aus NOx entsteht salpetrige Säure und Salpetersäure Hauptquelle von SO 2 und NOx: Verbrennungsprozesse ph-wert-senkung in Böden und Gewässern bewirkt Änderungen des Mineralienhaushalts (z.b. Schwermetallfreisetzung aus Bodenpartikeln bzw. Sedimenten Schädigung von Organismen (z.b. Fischsterben durch vermehrte Freisetzung von Aluminium-Ionen 19 Wirkungskategorie Versauerung Anthropogener Säureeintrag vor allem durch SO 2 und NO x Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, 2003 Gilt analog für ganz Deutschland => Insbesondere SO 2 -Emisionen sind drastisch zurückgegangen 20 10

11 Wirkungskategorie Versauerung Zur Versauerung beitragendes Gas (Bsp. Schwefeldioxid (SO 2 Stickoxide (NO x Ammoniak (NH 3 AP = Σ (m i x AP i AP = m i = AP i = Versauerungspotenzial (AP i (kg SO 2 -Äquivalente/kg 1 0,7 1,88 gesamtes Versauerungspotenzial (acidification potential aller freigesetzten Gase freigesetzte Masse m des Gases i Versauerungspotenzial des Gases i In das AP der Einzelverbindungen geht ein: - Das Potenzial der Verbindungen, Säureäquivalente (H + -Ionen zu bilden 21 Wirkungskategorie Eutrophierung Eutrophierung ist vermehrter Eintrag von Nährstoffen in Böden (terrestrische Eutrophierung v. a. über Luftpfad Gewässer (aquatische Eutrophierung v.a. über Wasserpfad Eutrophierung bewirkt vermehrte Bildung von Biomasse in Gewässern => Sauerstoff-Mangel bis hin zum Umkippen von Seen Verringerung der Artenvielfalt in Gewässern und auf Böden (z.b. Löwenzahn auf überdüngten Weiden 22 11

12 Wirkungskategorie Eutrophierung, terrestrisch Zur terrestrischen Eutrophierung beitragendes Gas (Bsp. Stickoxide (NO x Ammoniak (NH 3 Terrestrisches Eutrophierungspotenzial (NP i (kg PO 4 -Äquivalente/kg 0,13 0,346 NP = Σ (m i x NP i NP = gesamtes terr. Eutrophierungspotenzial (nutrification potential aller freigesetzten Gase m i = freigesetzte Masse m des Gases i NP i = terr. Eutrophierungspotenzial des Gases i In das NP der Einzelverbindungen geht ein: - Die Fähigkeit der Verbindungen Biomasse zu bilden 23 Wirkungskategorie Eutrophierung aquatisch Zur aquatischen Eutrophierung beitragende Substanz (Bsp. Phosphat (PO 3-4 Gesamtphosphor Gesamtstickstoff Ammonium (NH 4+ Aquatisches Eutrophierungspotenzial (NP i (kg PO 4 -Äquivalente/kg 1 3,06 0,42 0,327 NP = Σ (m i x NP i NP = gesamtes aquat. Eutrophierungspotenzial (nutrification potential aller eingetragenen Substanzen m i = eingetragene Masse m der Substanz i NP i = aquat. Eutrophierungspotenzial der Substanz i In das NP der Einzelverbindungen geht ein: - Die Fähigkeit der Verbindungen Biomasse zu bilden 24 12

13 Wirkungskategorie Ressourcenbeanspruchung Oft beschränkt auf nicht erneuerbare Ressourcen fossile Ressourcen (Erdöl, Steinkohle etc. Mineralische Ressourcen (Eisenerz, Rohphosphat etc. Am häufigsten verwendet: KEA KEA = Kumulierter Energieaufwand (Einheit: kj = Summe der Energieinhalte aller eingesetzten Energieträger KEA fossil: alle fossilen Primärenergieträger KEA nuklear: Uranverbrauch Weiteres mögliches Bewertungskriterium: Knappheit Knappheit: Verhältnis Verbrauch / Reserven Problem: Größe der Reserven v. a. bei mineralischen Rohstoffen? 25 Wirkungskategorie Naturraumbeanspruchung Xxx s bifa text 30; S. 7 ff xxx Abb aus: UBA, Umweltdaten Deutschland

14 Wirkungskategorie Naturraumbeanspruchung Es gibt verschiedene Ansätze, die Wirkungskategorie Naturraumbeanspruchung zu quantifizieren (z.b. über die Qualität der genutzten Flächen, etwa in Form von Natürlichkeitsklassen Die Quantifizierung der Wirkungskategorie Naturraumbeanspruchung ist bisher jedoch noch nicht auf konsensfähige Weise gelöst. 27 Wirkungskategorie photochemische Oxidantienbildung Die Wirkungskategorie photochemische Oxidantienbildung (POCP; kurz: Ozonbildungspotenzial beschreibt den Beitrag zur Bildung bodennahen Ozons Erhöhte Konzentrationen an bodennahem Ozon sind zentrale Komponente des Sommersmog Bildung bodennahen Ozons erfolgt aus Kohlenwasserstoffen unter Sonneneinstrahlung Die Reaktion wird katalysiert durch Stickoxide Bodennahes Ozon ist gesundheitsschädigend für Menschen und schädigt Pflanzen und Tiere 28 14

15 Wirkungskategorie photochemische Oxidantienbildung Smog entsteht bei austauscharmen Wetterlagen Sehr geringer Luftaustausch (z.b. Überlagerung durch wärmere Luftschichten und wenig Wind => Luftverunreinigungen können nicht in höhere Luftschichten entweichen London-Typ: Nebel mit hoher Konz. von SO 2 und Staub bzw. Ruß Vor allem im Winter, daher auch Winter-Smog 1952 Londoner Smog-Katastrophe: tausende Tote in 2 Wochen Los-Angeles-Typ: Photochemischer Smog Ausgelöst durch Foto-Oxidantien (NO x, Kohlenwasserstoffe und/oder CO Bei austauscharmer Wetterlage + hoher Lichtdurchlässigkeit der oberen Schichten Vor allem im Sommer, daher auch Sommer-Smog 29 Wirkungskategorie photochemische Oxidantienbildung Zur photochemischen Oxidatienbildung beitragende Substanz (Bsp. Ethen Methan Formaldehyd Benzol POCP = Σ (m i x POCP i photochemisches Oxidatienbildungspotenzial (POCP i (kg Ethen-Äquivalente/kg 1 0,007 0,412 1,189 NP = gesamtes photochem. Oxidatienbildungspotenzial (photochemical ozone creation potential aller freigesetzten Substanzen m i = freigesetzte Masse m der Substanz i POCP i = photochem. Oxidatienbildungspotenzial der Substanz i In das POCP der Einzelverbindungen geht ein: - Die Fähigkeit der Verbindungen bodennahes Ozon zu bilden - Hinweis: NOx katalysiert Ozonbildung, gehen aber nicht in Berechnung ein 30 15

16 Wirkungskategorie potenzielle direkte Humantoxizität In der Sachbilanz werden zu wesentlichen und bekannten humantoxisch wirkenden Substanzen Schadstofffrachten ermittelt Die emittierten Mengen dieser Substanzen können also berechnet werden Die Quantifizierung der Wirkungskategorie potenzielle direkte Humantoxizität ist bisher jedoch noch nicht auf konsensfähige Weise gelöst Kernproblem: Vergleich bzw. Gewichtung der vielfältigen und sehr unterschiedlichen toxischen Wirkungen unterschiedlichster Substanzen 31 Wirkungskategorie potenzielle direkte Schädigung von Ökosystemen In der Sachbilanz werden zu wesentlichen und bekannten ökotoxisch wirkenden Substanzen Schadstofffrachten ermittelt Die emittierten Mengen dieser Substanzen können also berechnet werden Die Quantifizierung der Wirkungskategorie potenzielle direkte Schädigung von Ökosystemen ist bisher noch nicht auf konsensfähige Weise gelöst Kernproblem: Vergleich bzw. Gewichtung der vielfältigen und sehr unterschiedlichen ökotoxischen Wirkungen unterschiedlichster Substanzen 32 16

17 Aggregation der Ergebnisse, Bilanzbewertung 33 Kernproblem: Gewichtung Problem: Wie gewichtet man die Ergebnisse der Wirkungskategorien untereinander? Bsp.: hat 1t CO 2 -Äquivalente (Treibhauseffekt die gleiche eine geringere oder eine größere Bedeutung als 1t SO 2 -Äquivalente (Versauerung? Prinzipielle Vorgehensweisen Quantitativ über Maßzahlen (aggregiert Verbal-argumentativ Kombination 34 17

18 Verbal-Argumentative Bewertung Die Ergebnisse zu den Wirkungskategorien und zu den Einzelwerten, die nicht in einer Wirkungskategorie dargestellt werden können (z.b. human- und ökotoxikologisch wirkende Einzelsubstanzen werden ausführlich dargestellt Die Bewertung dieser Ergebnisse erfolgt in Form einer textlichen Diskussion. Probleme: keine klaren Aussagen die Nutzung der Ergebnisse setzt intensive Auseinandersetzung mit den Einzelresultaten voraus die Kommunikation gegenüber der Öffentlichkeit und nicht fachkundigen Entscheidungsträgern ist sehr schwierig 35 Wirkungskategorien: Priorisierung nach UBA Wirkungskategorie Direkte Humantoxizität Direkte Schädigung von Ökosystemen Aquatische Eutrophierung Terrestrische Eutrophierung Naturraumbeanspruchung Photochemische Oxidantienbildung Ressourcenbeanspruchung Stratosphärischer Ozonabbau Treibhauseffekt Versauerung Ökologische Gefährdung A = Höchste Priorität E = Niedrigste Priorität nach UBA 2000, Bewertung in Ökobilanzen... B B A D C A A B Distance to target Auswertung anhand einzelner Sachbilanzparameter Auswertung anhand einzelner Sachbilanzparameter C B B B B D A B 36 18

19 Aggregation: bifa Methode 1. Ermittlung der mengenmäßigen Bedeutung jeder Wirkungskategorie durch Umrechnung in Einwohnerwerte (spezifischer Beitrag z.b.: in der Bilanz ermittelter Wert für das Treibhauspotenzial wird dividiert durch die pro-kopf-treibhausgas-emissionen in Deutschland 2. Der höchste spezifische Beitrag wird gleich 100 % gesetzt (10 Punkte. Die übrigen Werte erhalten entsprechend niedrigere Punktzahlen (z.b. 1 Punkt wenn ein spezifischer Beitrag <10% des höchsten spezifischen Beitrag ausmacht. So erhält jede Wirkungskategorie einen Punktwert (X i. 3. Umsetzung der UBA-Priorisierung von Distance-to-target (Y und ökologische Gefährdung (Z in Punktewerte (2, 4, 6, 8,10 statt A, B, C, D, E 4. Zusammenführung zum Einzelwert (K i für die Wirkungskategorie: K i = X i +Y+Z 5. Summierung aller Einzelwerte (K i zum Gesamtwert (K für die Bilanz So können die Ergebnisse zu verschiedenen Szenarien einer Bilanz über die Gesamtwerte (K miteinander verglichen wqerden. 37 Aggregation: bifa Methode Bsp

20 Aggregation: andere Ansätze Ökologische Knappheit (v. a. in der Schweiz: Bewertet die einzelnen Beiträge des bilanzierten Systems nach seinem Verhältnis zur Belastungsgrenze der Umwelt (kritische Schwelle. Dies kritischen Schwellen werden definiert durch die Umweltgesetze, Umweltziele und internationale Umweltabkommen der Schweiz. Die Angaben erfolgen in Umweltbelastungspunkten Eco-Indicator: beruht auf Distance-to-target Werten und setzt verschiedene Gewichtungsmethoden ein. Ziele (targets werden z.b. aufgrund von Kriterien wie Anzahl zu erwartender Toter oder festgesetzte maximale Umweltveränderungen gesetzt. 39 Ökobilanz Aggregation hat Grenzen Alle Aggregationsmethoden haben ihre Grenzen Sie erfassen immer nur einen Teil der Umweltwirkungen Die Gewichtung ist immer subjektiv Unerlässlich sind: Eine zusätzliche Kommentierung der Ergebnisse Die zusätzliche Darstellung der Einzelergebnisse 40 20

21 Abschließende Bemerkungen 41 Die Ökobilanzierrung ist genormt Rahmen einer Ökobilanz ISO Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens Direkte Anwendung Sachbilanz ISO Wirkungsabschätzung ISO Auswertung ISO Entwicklung und Verbesserung von Produkten Strategische Planung Politische Entscheidungsprozesse Marketing Sonstige nach DIN EN ISO

22 Grenzen der ökologischen Bewertung Ökobilanzen sind Modelle Ökobilanzen bilden immer nur einen Ausschnitt der Wirklichkeit ab Sie können immer nur einen Teil der ökologischen Wirkzusammenhänge vereinfacht abbilden Nicht abgebildet werden können z.b. Spezifische Wirkungen in Ökosystemen und Folgen für die Tierund Pflanzengesellschaften Nicht verstandene / nicht bekannte Wirkungen Durch nicht bilanzierte Substanzen verursachte Effekte Die zeitliche und räumliche Komplexität von Umweltwirkungen 43 Ökobilanz = nur ökologische Bewertung In Ökobilanzen nicht berücksichtigt sind z.b.: Betriebswirtschaftliche Faktoren Volkswirtschaftliche Faktoren Gebrauchstauglichkeit z.b. von Produkten Soziale Faktoren Eine inzwischen gängige Erweiterung der Ökobilanzierung ist die Ökoeffizienzanalyse 44 22

23 Ökoeffizienzanalyse Die Ökoeffizienzanalyse kombiniert die Ökobilanz mit einer ökonomischen Bewertung Die ökonomische Bewertung erfolgt meist aus betriebswirtschaftlicher Perspektive 45 Objektive Bewertung ist nicht möglich eher objektiv stark subjektiv Bewertung = Daten + Werthaltungen => Eine objektive Bewertung ist nicht möglich Die Bewertung von Ökobilanzergebnissen - aber auch das Design der Ökobilanzen selbst - basiert auf gesellschaftlichen und individuellen Werthaltungen. Dies gilt auch für jeden anderen Bewertungsvorgang