🗊Презентация Оценка жизненного цикла. Введение в оценку жизненного цикла – основы методы и принципы

ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА Старостина В.Ю 2017

Лекция № 1 Введение в оценку жизненного цикла – основы методы и принципы

1. Оценка жизненного цикла – основы, принципы и методы Одним из самых перспективных направлений науки и техники является оценка продукции с точки зрения ее экологической опасности. Эта оценка может быть использована для изучения экологического воздействия либо при производстве продукции, либо воздействия продукции при ее использовании и последующей утилизации.

«от колыбели до могилы» (from cradle to grave)

1. Оценка жизненного цикла – основы, принципы и методы Чтобы такая оценка "от колыбели до могилы" стала возможной, был разработан научный и объективный метод, известный под названием "экобаланс" или "оценка жизненного цикла" – Life Cycle Assessment (LCA).

Ключевыми элементами оценки жизненного цикла (ОЖЦ) являются: Выявление и измерение экологической нагрузки, т.е., потребление энергии и сырья, выбросы, сбросы и создаваемые отходы; Оценка потенциальных экологических воздействий этих нагрузок; Оценка имеющихся вариантов для уменьшения этих экологических воздействий.

1.1 История развития и гармонизации методологии ОЖЦ 1880 г. Патрик Геддес (Patrick Geddes) 1969 г. Исследования компании Кока-кола 1974 г. Агентство по Охране Окружающей Среды, США. 1972 г В. Обербахер (В. Oberbacher), институт «Battelle-Institut» во Франкфурте на Майне. 1978 г. проф.Мюллер-Венк (Müller-Wenk, Universität St.-Gallen, Institut für Ökonomie und Ökologie). 1984 г. Швейцарская Федеральная Лаборатория по Тестированию Материалов, (EMPA) и Швейцарское федеральное агентство по охране окружающей среде (BUS) по вопросам, экологических параметров упаковки «Ecological report of packaging material».

1.1 История развития и гармонизации методологии ОЖЦ Международная организация по стандартизации (ISO) разработала стандарты для оценки жизненного цикла и ее основных элементов (ISO 14040 и 14043 как элементов серии стандартов для экологического менеджмента). В 2006г. эти стандарты были заменены на ISO 14041-42 и ISO 14044. Эти стандарты предусматривали минимальные требования при выполнении ОЖЦ.

1.1 История развития и гармонизации методологии ОЖЦ В России данная методика приобрела известность только с принятием в период с 1999 по 2002 гг. ГОСТ Р ИСО 14040 - ГОСТ Р ИСО 14043 на ОЖЦ.

1.2 Концепция ОЖЦ (LCA – Life Cycle Assessment)

Принцип оценки жизненного цикла

Оценка Жизненного Цикла Оценка жизненного цикла - это процесс оценки экологических воздействий, связанных с продуктом, процессом или другим действием путем определения и количественного вычисления: объемов потребленной энергии, материальных ресурсов и выбросов в окружающую среду, количественной и качественной оценки их воздействия на окружающую среду, определения и оценки возможностей для улучшения экологического состояния системы.

Границы ОЖЦ продукта (вертикальный анализ) по сравнению с ОЖЦ твердых бытовых отходов (горизонтальный анализ)

Области практического применения ОЖЦ Желание организации собрать информацию об экологических воздействиях продукта или услуги с целью выявления возможностей для уменьшения этого воздействия на окружающую среду. Чтобы оказать давление на поставщиков компании и обязать поставлять их более экологически чистое сырье. Чтобы успешно конкурировать на рынке с другими компаниями производящими аналогичную продукцию. Для разъяснения потребителям наилучших способов использования и конечной утилизации продукции. Сбор информации для поддержки и обеспечения эко-сертификатов (например, для получения знака эко-маркировки). Результаты могут быть использованы для изменения параметров самого продукта или процесса его производства.

Выводы ОЖЦ - это исследование воздействия, оказываемого продуктом на окружающую среду, на всех стадиях жизненного цикла. Оценка проводится с целью получения исчерпывающей оценки экологического воздействия, которая дает более надежную информацию для принятия экономических, технических и социальных решений.

2. Структура ОЖЦ Согласно ISO 14040 оценка жизненного цикла состоит из четырех этапов: Определение цели и области применения (ISO 14041) Definition of the goal and scope Инвентаризационный анaлиз жизненного цикла(ISO 14041) Inventory analysis Оценка воздействия на протяжении жизненного цикла (ISO 14042) Impact assessment Интерпретация жизненного цикла (ISO 14043) Interpretation

Этапы оценки жизненного цикла

3. Два подхода к моделированию

Лекция №2 Методика проведения оценки жизненного цикла

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ (Definition of the goal and scope) (ISO 14041, 2006a)

Цель (Goal) Состоит в формулировании задач намечаемого исследования, причин его проведения, возможностей применения полученных результатов.

Область исследования (Scope) При определении области применения исследования следует установить: Объект исследования (функциональна единица) Границы системы и обмен информацией через границы Критерии применяемой оценки (используемые методологии оценки воздействия) Охватываемый период времени (временные рамки исследования) Технологии, представляющие различные процессы Выделение процессов с более чем одним входом или выходом (многофункциональных процессов).

1. Функция и функциональная единица (The function – The functional unit) Функция - для чего нужна эта продукция или услуга (сравниваться могут только системы с одинаковой функцией). Функциональная единица – единица измерения функции (для ее определения необходимо установить количество продукции, необходимое для выполнения функции).

Пример 1 Функция – упаковка 1000 л молока Функциональная единица – 1000шт на 1л 40шт на 1л (24 использования)

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?)

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?) Окрашивание полов

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?) - Окрашивание полов Функциональная единица (?)

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?) Окрашивание полов -100 кв.м – на 20 лет Функциональная единица (?)

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?) - Окрашивание полов Функциональная единица (?) -100 кв.м – на 20 лет Краски А и В по 10 литров в банке А = 10 кв.м/л – срок окрашивания 4 года В = 12,5 кв.м/л – срок окрашивания 5 лет

Пример 2 Сравнение двух красок (функция?) - Окрашивание полов Функциональная единица (?) -100 кв.м – на 20 лет Краски А и В по 10 литров в банке А = 10 кв.м/л – срок окрашивания 4 года В = 12,5 кв.м/л – срок окрашивания 5 лет Краска А = 50 банок (каждые 4 года 10 банок) Краска В = 32 банки (каждые 5 лет 8 банок) Для этого количества и сравниваем все входные и выходные потоки

Пример 3 Бумажные полотенца и электрические сушки для рук. Что будет функцией ?

Пример 3 Функция – сушка рук!!!! А что будет функциональной единицей?

Пример 3 Для каждой системы можно определить базовый поток, например среднюю массу бумаги или средний объем горячего воздуха для однократной сушки рук. Во входных потоках будет?

Результат ОЖЦ напрямую зависит от выбора функциональной единицы

ОЖЦ системы управления отходами Для ОЖЦ системы управления отходами функциональная единица исследования может включать информацию о (Hauschild and Barlaz, 2011): Количестве мусора, подлежащего управлению. Состав мусора. Время, затрачиваемое на обращение с отходами. Качество управление отходами (нормы выбросов, требования к остаточным продуктам).

2. Определение границы системы (system boundaries) Продукционная система: совокупность единичных процессов (подсистем), связанных между собой потоками полуфабрикатов, выполняющих одну или более заданных функций. Операции по производству, использованию, транспортировки и утилизации продукта. Операции по производству сопутствующих материалов, например упаковки. Операции по производству энергии, необходимой для работы данной системы.

Пример продукционной системы

Подсистема «Производство сырья»

Подсистема «Производство»

Подсистема «Транспорт»

Подсистема «Использование/Переработка отходов»

На основании каких критериев можно выделить единичные процессы, которые обязательно должны включаться в ОЖЦ? Во-первых, необходимо отобразить все стадии жизненного цикла. Во-вторых, наряду с основной изготовляемой продукцией, важно учесть такие компоненты продукционной системы, как вспомогательные и эксплуатационные материалы, средства производства, транспортирование, генерирование энергии. В-третьих, входные и выходные потоки на границе продукционной системы в идеале должны быть элементарными, т.е. непосредственно поступающие из окружающей среды или выбрасываемые в нее.

Продукционная система производства попкорна

Проблема – безграничности продукционной системы

3. Охватываемый период времени (Time scale) Пределы исследований должны выражаться не только в пространственном, но и во временном масштабе - необходимо уточнять в течение, какого времени наши выводы на основе проведенной ОЖЦ будут достоверны. Результаты должны быть действительны минимум 10 лет, в зависимости от типа включенных в систему технологий.

2. Инвентаризационный анализ жизненного цикла (Life cycle inventory analysis) (ISO 14041, 2006a)

Схема инвентаризационного анализа жизненного цикла

2.1 Сбор данных Проблемы: выбор источника данных; издержки на получение данных; качество данных. Способов получения данных несколько: данные производителя; публичные базы данных по эмиссиям (TRI); базы данных, включенные в программное обеспечение ОЖЦ; данные других ОЖЦ.

Качество данных Наилучшее данные - это те данные, которые были рассчитаны при помощи массового баланса для определенного процесса выполненном на имеющемся оборудовании для исследуемого процесса.

Использование баз данных Программные средства: Simapro (www.pre.nl), GaBi (www.gabi-software.de), LCAiT (www.lcait.com), Umberto(www.umberto.de) and TEAM (www.ecobilan.com/uk team.php). Программы для моделирования и оптимизации ОЖЦ управления отходами: EASEWASTE (www. easewaste.dk), EPIC/CSR (iwm-model.uwaterloo.ca), WRATE (www.environment-agency.gov.uk).

2.1 Методы распределения (allocation) и расширения системы (system expansion) Материальные и энергетические потоки, и связанные с ними эмиссии в окружающую среду, должны быть распределены между различными продуктами на основе четко определенных процедур.

Принципы распределения ISO 14041, 2006 b исследование должно установить процессы, связанные с другими продукционными системами и учитывать их взаимодействие; сумма распределенных входных и выходных потоков единичного процесса должна быть равна сумме нераспределенных; при использовании нескольких вариантов процедур распределения при помощи анализа чувствительности (системная процедура оценки влияния на результаты исследования выбранных методов и данных) можно проиллюстрировать последствия отклонений от выбранного подхода.

Шаг первый 1. Избежание распределения.

Процесс производства гидроксида натрия

Производство муки, шелухи, зародышей и отрубей

Шаг первый (минимизация) . 2. Расширение границы системы объектом исследования является сравнение двух альтернативных сценариев производства одной и той же продукции; характер и степень изменения в результате принятия решения на основе ОЖЦ, могут быть достаточно точно спрогнозированы; данные доступны.

Расширение границы системы

Система расширения

Принцип системы расширения или замены для получения равноценных систем в ОЖЦ отходов

Шаг второй. 1. Физический метод распределения

Шаг второй 2. Экономический метод распределения

Пример экономического распределения

Применение различных систем распределения на примере молочной промышленности

Как разделить экологическую нагрузку между основным и побочным продуктом? Избежание распределения 100% нагрузки пороизводства молока 2. Биологическое распределение 85%нагрузки от производства молока, 15%- мяса 3. Экономическое распределение 92% от производства молока, 6% от говядины и 2% от телят 4. Расширение границ системы ?

Процедура расширения границ системы

Данные для двух систем

Потоки при расширении системы производства молока

Как различные методы распределения оценивают вклад молочного производства в потенциальное изменение климата?

Оценка потенциального изменения климата при различных методах распределения

Оценка потребления энергии в молочной промышленности различными методами распределения

Оценка использования земной поверхности в молочной промышленности различными методами распределения

Процедура распределения при повторном использовании отходов или рециклинге Два вида продукционных систем: Открытая - продукт в такой системе перерабатывается в другой, который удаляется после использования из системы Закрытая - применяется к материалам, которые могут быть переработаны в тот же самый продукт повторно.

Открытая и закрытая систему переработки отходов

Распределение в случае открытой системы

3. Оценка воздействия жизненного цикла Life Cycle Impact Assessment (ISO 14042)

3.1 Причинно-следственные связи воздействия на ОС

Причинно-следственные связи воздействия на ОС пестицидов

Цель оценки воздействия Воздействие различных эмиссий, которые попадают из продукционной системы в окружающую среду. Интерпретация результатов инвентаризации, с точки зрения влияния на окружающую среду!!!

Категории воздействия(Environmental Impact Categories) или Конечная точка (Endpoint) Глобальное воздействие: Глобальное потепление Разрушение озонового слоя Региональное воздействие Образование фотохимического смога Кислотное загрязнение Эвтрофикация Токсичность для человека Экотоксичность Локальное воздействие Использование земной поверхности Запах Изоляция местообитания вида Радиация Авария

Промежуточное звено (midpoints) Изменение физических или химический свойств окружающей среды, которые влияют на конечное звено воздействия эмиссий.

Причинно-следственная связь

Причинно-следственная связь

3.2 Четыре этапа оценки воздействия Первый шаг -выбор категории воздействия и классификация – то есть на что конкретно влияет данное вещество. Например – изменение климата. Второй шаг - определение характеристик или расчет показателя категории (подсчет влияния фактора) – отвечает на вопрос насколько силен вклад эмиссий Шаг третий – нормализация - обеспечить лучшее понимание относительной значимости каждого значения показателя исследуемой продукционной системы. Шаг четвертый – взвешивание – какой из факторов воздействия наиболее важный.

3.2.1 Выбор категории воздействия и классификация

Существуют сложности в определении категории воздействия и проведении оценки жизненного цикла: Некоторые вещества могут вносить вклад в несколько категорий воздействия. Последствия от эмиссий представляют собой сумму вкладов от выбросов, которые могут происходить в течении нескольких лет и в разных местах. Эмиссии от полигона происходят в течении длительного времени, в отличии от сжигания отходов или их транспортирования. Использование земной поверхности.

Классификация – на что влияют загрязнения?

3.2.2 Определение характеристик или расчет показателя категории (подсчет влияния фактора) Отвечает на вопрос – какова доля данной эмиссии при воздействии на ОС? Необходимые компоненты для каждой категории воздействий включают: - Идентификацию конечного звена категории воздействия, или же нескольких звеньев. - Определение показателя категории. - Идентификацию соответствующих результатов ИАЖЦ, которые могут быть отнесены к данной категории воздействия с учетом выбранного показателя категории и идентифицированного конечного звена категории.

Характеристика - определение показателя категории Воздействия на окружающую среду, которые влияют на одну конкретную категорию, должны быть выражены количественно в одинаковых единицах, что позволит применить единый показатель категории. Для этого применяется коэффициент пересчета (characterization factor).

Коэффициент пересчета (characterization factor) Под коэффициентом пересчета понимают потенциальное воздействие вещества в отношении эталонного, который был выбран специально для данной категории воздействия. Эквивалент – сколько граммов эталонного вещества имеют такое же воздействие на окружающую среду как один грамм рассматриваемого вещества.

Пример Категория воздействия - Глобальное потепление Показателем категории - Интенсивность инфракрасного излучения. Коэффициент пересчета - Глобальный потенциал потепления (GWP100) который исчисляется в СО2 эквиваленте.

Коэффициенты перерасчета для некоторых парниковых газов, способствующих глобальному потеплению

Коэффициент пересчета EР(j)i = Qi× EF(j) EР(j)i - потенциальный вклад эмиссии в категорию воздействия; Qi – величина эмиссии вещества (i); EF(j)i, - характеризующий субстанцию коэффициент пересчета для категории воздействия (j) ; Общий вклад всей системы продукта может быть рассчитан путем сложения вкладов всех отдельных эмиссий. EР(j)i = ∑ EР(j)i = ∑ Qi× EF(j) Подсчитанная оценка совместно для всех категорий воздействий составляет экологический профиль продукта.

Расчет показателя категории

Характеристика воздействия

3.3.3 Нормализация - Normalization

3.3.3 Нормализация - Normalization Цель нормализации - обеспечить лучшее понимание относительной значимости каждого значения показателя исследуемой продукционной системы. Мы знаем воздействие – но много это или мало? Как сравнить между собой разные категории воздействия?

Отличные друг от друга потенциалы воздействия и потребления ресурсов связываются общим эталоном для облегчения сравнения категорий воздействия между собой, чтобы понять какая из них больше. Категории воздействия помещаются в общую шкалу и связываются одним общим эталоном.

Эталон Потенциал воздействия делиться на значение выбранного эталона. Эталоном может быть: общий объем выбросов или использования ресурсов на душу населения общий объем выбросов или использования ресурсов характерный для данной местности (может быть глобальным, региональным или локальным);

Человек-эквивалент - воздействие от среднего европейца

Нормализация для ресурсов

Нормализация - Normalization

Нормализация - Normalization NEP(j) = EР(j)/ ER(j) NEP(j) - нормализованный потенциал воздействия для категории воздействия j; EР(j) - потенциальный вклад эмиссии в категорию воздействия ER(j) - эталоном нормализации для j воздействия;

Нормализация

Нормализация

3.4 Взвешивание - Weighting Задача - перед тем как допустить прямое сравнение различных потенциалов воздействия необходимо вначале сравнить серьезность этих потенциалов друг с другом. Группирование- это сортировка категорий воздействия на номинальной основе, например, по таким характеристикам как эмиссии в воздух или в воду. Или же по масштабам: локальный, региональный или глобальный. Ранжирование - это распределение категорий воздействия по заданной иерархии, например, высокий, средний или низкий приоритет. Взвешивание - процесс преобразования значений показателей различных категорий воздействия с использованием численных (весовых) коэффициентов, основанных на выбранных предпочтениях.

Взвешивание - Weighting WP(j) = WF(j) × NEP(j) WP(j)-взвешенный потенциал воздействия или потребляемый ресурс; WF(j)-коэффициент взвешивания для категории воздействия или потребляемого ресурса (j); NEP(j)-нормализованный потенциал воздействия.

а) Взвешивание потенциала воздействия на окружающую среду Весовой коэффициент для воздействия на окружающую среду должен отражать важность категории воздействия по отношению к другим категориям, которые рассматриваются в рамках ОЖЦ. Определение весовых факторов должно включать в себя: Анализ взаимоотношений между эмиссиями и областями защиты. Анализ важности категорий воздействия или областей защиты для данного конкретного случая ОЖЦ.

При анализе важности должны быть рассмотрены следующие пункты: Какой уровень эффекта можно ожидать от воздействия (исчезновение видов, гибель отдельных особей, нарушение экосистем)? Насколько большая площадь будет зависеть от экологического ущерба? Насколько мы уверены в причинно-следственных связях между эмиссиями и эффектом воздействия? Насколько далеко уровень текущего воздействия от критических пороговых значений для данного вида воздействий? Когда эффект воздействия будет ощущаться? Будет ли экологический ущерб обратимым и если да, то как долго будет происходить восстановление после воздействия?

б) Взвешивание потребления ресурсов Это взвешивание должно отражать, почему потребление данного ресурса является проблемой. «Горизонт запаса»: Этот тип весового коэффициента отражает дефицит ресурсов по отношению к их потреблению. Не возобновляемые ресурсы: это количество лет, за которые при сохранении нынешнего уровня потребления все известные и экономически пригодные запасы невозобновляемых ресурсов будут полностью истощены. Возобновляемые ресурсы: это количество лет, которые пройдут до исчерпания этого ресурса при сохранении нынешних темпов использования и восстановления.

Классификация: “На что эти эмиссии влияют?” Распределение эмиссий по категориям воздействия Характеристка: “Как сильно это воздействие?” Определение количества воздействий для каждой категории воздействия Нормализация: “Это много или нет?” Сравнивание потенциалов воздействия относительно друг друга Valuation: “Это важно?” Ранжирование, группирование и взвешивание различных потенциалов воздействия

INTERPRITATION (ISO 14043) 4. Интерпретация жизненного цикла

Интерпретация Это процедура, в которой результаты инвентаризационного анализа жизненного цикла и оценки воздействий жизненного цикла обобщаются и обсуждаются в качестве основы для заключений, рекомендаций и принятия решений в соответствии с целями и областью исследований.

На стадии интерпретации должны быть рассмотрены такие вопросы как: анализ чувствительности ограничение метода внешний обзор.

4.1 Анализ чувствительности Анализ чувствительности является неотъемлемой частью фазы интерпретации. Он определяет ключевые фигуры ОЖЦ – тех смоделированных предположений, процессов и изменений окружающей среды, которые оказывают наибольшее влияние на результаты исследования.

Эмиссии могут изменяться год от года Параметры могут быть получены с ошибкой или вовсе быть не измерены Распределение может быть сделано несколькими путями Как правильно выбрать временной горизонт Оценивать влияние на промежуточное или конечное звено То есть – некоторые параметры недостаточно изучены могут быть проведены дополнительные исследования, или же при оценки изменить один из параметров и оценить влияние этого изменения!

В управлении отходами, в частности, может быть важным оценить чувствительность в отношении: Состава отходов. Энергии и материалов потраченных на систему управления отходами. Прогноз технологий в конце исследования. Временной горизонт в оценке воздействия долгосрочных эмиссий металлов и органических соединений из полигона.

4.2 Ограничения метода Сложность процесса ОЖЦ и большое количество данных, необходимых для его завершения, приводят к некоторым ограничениям: Охват всех аспектов продукционной системы. Линейность моделирования. Невозможность оценки всех категорий воздействия. Доступность данных. Оценка воздействия на окружающую среду. Только выдает информацию для обоснования принятия решения.

4.3 Отчетность и критический обзор Как SETAC так и ISO требуют, чтобы доклад был прозрачным, с достаточной информацией, которую можно найти в: результатах; используемых данных и значениях; методах; предположениях; ограничениях исследования.

Области применения ОЖЦ Анализ происхождения проблемы, касающейся определенного продукта; Сравнение альтернативных вариантов данной продукции; Разработка новой продукции; Выбор между схожими продуктами Выбор типа упаковки. Оценка положительного экологического эффекта от использования различных видов биомассы, например для производства электричества или тепла Стратегическое сравнение различных видов транспорта (автомобильный, железнодорожный, водный), как основа для инвестирования в новую инфраструктуру. Экологизация строительной отрасли. Выбор строительных материалов должен производиться на основе проведения ОЖЦ.