材料生命周期评价.ppt
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1、材料的生命周期评价Life Cycle Assessment of Material,Life Cycle Assessment of Material,主要内容,生命周期影响评价,框架与阶段,LCA原则,发展的历史与现状,背景与定义,数据库与分析软件,案例分析,LCA局限性前景与展望,背 景,随着工业化的发展进入自然生态环境的废物和污染物越来越多,超出了自然界自身的消化吸收能力,对环境和人类健康造成极大影响。同时工业化也将使自然资源的消耗超出其恢复能力,进而破坏全球生态环境的平衡。,因此人们越来越希望有一种方法对其所从事各类活动的资源消耗和环境影响有一个彻底、全面、综合的了解,以便寻求机会采
2、取对策减轻人类对环境的影响。,LCA的诞生,生命周期评价(Life Cycle Assessment简称 LCA)是一种用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具。,即是一种评价产品(包括服务或活动)从原材料开采与提炼开始,到产品制造、运销、使用、报废和最终处置全过程环境影响方法。,生命周期评价起源于企业内部 LCA的最初应用可追溯到1969年美国可口可乐公司对不同饮料容器的资源消耗和环境释放所作的特征分析。一些国际著名的跨国企业,如HP、IBM、AT&T、德国西门子公司等,一方面开展生命周期评价方法的研究,另一方面积极对其产品进行生命周期评价。,2LCA的定义,所谓生命周
3、期评价技术(LCA)是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。具体地说,LCA是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗,废物排放。环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价,定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。从定义来看LCA不是针对材料的,更多的是产品和服务,目前也有人提出了MLCA,Material LCA。,所谓生命周期评价技术(LCA)是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。具体地说,LCA是指用数学物理方法结合实验分析
4、对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗,废物排放。环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价,定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。从定义来看LCA不是针对材料的,更多的是产品和服务,目前也有人提出了MLCA,Material LCA。,LCA 的定义,1993年SETAC的LCA定义中,LCA被描述成这样一种评价方法:通过确定和量化与评估对象相关的能源、物质消耗、废弃物排放,评估其造成的环境负担;评价这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响;辨别和评估改善环境(表现)的机会。LCA的评估对象可以是一个产品、处理过程或活动,并且范围覆盖了评估对象的整个寿命周期,包括原材料
5、的提取与加工、制造、运输和分发、使用、再使用、维持、循环回收,直到最终的废弃。,LCA 的定义,1997年ISO制订的LCA标准(1S014040)中也给出了LCA和一些相关概念的定义:LCA是对产品系统在整个寿命周期中的(能量和物质的)输入输出和潜在的环境影响的汇编和评价。这里的产品系统是指具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合,在LCA标准中,产品既可以指(一般制造业的)产品系统,也可以指(服务业提供的)服务系统;寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶段,它从原材料的获得或者自然资源的产生一直到最终产品的废弃为止。,起初,多数企业的决策都是以经济为基础,由社会和政治上的考
6、虑来调节。对环境的考虑通常受到地方和国家污染规则的限制。整个系统的环境因素很少受到重视。随着对绿色事业的迫切需求以及世界建模的开始,企事业单位开始注意到,他们对所进行工序的广泛的环境内涵知之甚少。这种意识,以及相关用来控制企业行为的法律的实施,为揭示各种工序广泛的内涵提供了动力。其中最早的最著名的实践就是Harold Smith在生命周期影响评价(LCI)方面开展的。人们很快就发现,仅仅比较生产不同产品所消耗的能量会忽略一些重要的影响因素,因此就失去了对不同生产、使用和处理系统总的影响进行指示的作用。结果就是需要开发一种方法,来检测从原材料到最终产品处理回收,这一整个的延伸的系统。,发展的历史
7、与现状,LCA的起源,20世纪60年代 化学工程 物质一能量流平衡方法,20世纪80年代 欧美“从摇篮到坟墓”(from cradle to grave)的生命周期评价技术,初始生命周期名称:design for the environment、environmentally conscious design and manufacturing、green design、life cycle design、product responsibility、environmental quality、product integrity等,1990年由国际环境毒理和化学学会(SETAC)统一为LCA(
8、life cycle assessment).,1993年国际标准化组织制订国际环境管理系列标准,即ISO 14000国际环境管理系列标准,ISO 14000主要分为6个系列,即环境管理系统、环境审计、环境标志、环境行为评价、环境影响评价、术语和定义等。,表3 ISO 14000国际环境管理系列标准的框架,发展的历史与现状,1979年出版的某论文集中讨论了能量的分析,且讨论了与生产能耗相关的材料流问题,对工业系统与产品进行了明确的区分。目前LCI的关键问题就是对这个区分的误解。许多系统生产多种产品,随之而来的就是与整个系统相关的多种生命周期负担。当使用者想把多产品系统中的负担分配到每一个单一产
9、品时,他们就不得不为这些负担加权重。这一过程不是科学的,因为这是针对与单一产品相关的负担,而不是对整个系统做出的判断。LCI分析中新的参数不完全隶属于全球范围的。一些(例如有毒物质)参数是高度地方化的;另一些(例如导致酸雨的硫氧化物)只是区域效应;还有诸如温室气体CO2则是全球效应。结果,由于不能确定某些参数(如地方水体排放)统计数据会不会产生重大的后果,因此就不可能对所有参量进行数据统计。,发展的历史与现状,1990年,首届社会环境毒理和化学(SETAC)会议在美国的佛蒙特州召开,与会者就LCA的概念和理论框架取得了广泛的一致,并最终确定使用Life Cycle Assessment,LCA
10、 这个术语,从而统一了国际上的LCA研究。作为一个毒理学组织,SETAC将重点放到了工业系统的空气和水体排放上,而不是以往占支配地位的能量和材料流。主要的作用就是介绍生命周期评估的概念。在随后一系列的LCA研讨会中,SETAC讨论了LCA的理论框架和具体内容,并在1993年8月发布了第一个LCA的指导性文件LCA指南:操作规则。这个文件给除了LCA方法的定义和理论框架以及具体的实施细则和建议,描述了LCA的应用前景,并总结了当时LCA的研究状况。,发展的历史与现状,另一方面,国际标准化组织(ISO)在1992年成立了环境战略顾问组SAGE,专门研究制定一种环境管理标准的可能性。1993年6月I
11、SO成立了“环境管理”技术委员会TC207,正式开展环境管理方面的国际标准化工作。其指定的国际标准称为环境管理系列国际标准,即ISO14000系列标准。ISO对LCA方法的标准化有利于LCA方法的统一和实施,促进了LCA的进一步发展。并且,由于ISO的国际影响以及LCA方法在ISO14000系列标准中所占的重要地位,经过标准化的LCA方法必将成为最重要的评价产品环境表现的方法。事实上,由于ISO组织的有众多相关学术组织、政府机构、企业和环境组织参与的LCA研究已经成为国际上LCA研究的主流。,LCA原则,评估对象,评估方法,应用目的,特点,LCA原则,LCA评估对象,LCA的评估对象是产品系统
12、或服务系统造成的环境影响(其实服务也是一种抽象的产品),而不是评估空间意义上的环境的质量,这与环境科学中的环境质量评估有着根本区别。另外,LCA方法着眼于产品生产过程中的环境影响,这与产品质量管理和控制等方法也是完全不同的。其次,LCA的评估范围要求覆盖产品的整个寿命周期,而不只是产品寿命周期中的某个或某些阶段。Life Cycle的概念是LCA方法最基本的特性之一,是全面和深入地认识产品环境影响的基础,是得出正确结论和做出正确决策的前提。也正是由于Life Cycle概念在整 个方法中的重要性,这个方法才以Life Cycle来命名。评估对象的角度来说,LCA是一种评价产品在整个寿命周期中造
13、成的环境影响的方法。,常见的环境指数及其表达方式,在进行材料的环境影响评价过程之前,首先要确定用何种指标来衡量材料的环境负担性。关于衡量材料环境影响的定量指标,已提出的表达方法有能耗、环境影响因子、环境负荷单位、单位服务的材料消耗、生态指数、生态因子等。,1能耗,20世纪90年代初 欧洲一些旅行社 用能耗来表达旅游过程的环境 在材料的生产和使用过程中用能耗来表达其对环境的影响(现已基本淘汰能耗表示法)。表1 一些典型材料生产过程的能耗比较,2环境影响因子,某些学者曾用环境影响因子(environmental affect factor,EAF)来表达材料对环境的影响:EAF=资源,能源,污染物
14、,生物影响,区域性(l)相对于能耗表示法,环境影响因子考虑了资源、能源、污染物排放、生物影响和区域性的环境影响等因素,把材料的生产和使用过程中原料和能源的投入及废物的产出都考虑进去了,比能耗指标要全面综合一些。,3环境负荷单位,环境负荷单位(environmental load unit,ELU)是用一个综合的指标,包括能源、资源、环境污染等因素来评价某一产品、过程或事件对环境的影响。这一工作主要是由瑞典环境研究所完成的,现在在欧美较流行。表2是一些材料及元素的环境负荷单位比较,可见,贵金属元素的环境负荷单位特别大,这与实际情况基本一致。由于单位材料的质量环境负荷单位是一种无量纲单位,在实际应
15、用中如何换算某种材料的环境负荷单位并与其他材料的环境影响进行比较,目前还没有完全为公众了解和接受。,表2 一些材料及元素的环境负荷单位比较,4.单位服务的材料消耗,德国渥泊塔研究所的斯密特教授(Schmidt)于1994年提出了一种表达材料环境影响的指标方法单位服务的材料消耗量(Materials intensity per unit of service,MIPS),MIPS指在某一单位过程中的材料消耗量,这一单位过程可以是生产过程也可以是消费过程。详细介绍可参见斯密特教授的专著人类需要多大的世界一书。,5生态指数,除上述表示材料的环境影响指标外,国外还有一种生态指数表示法(ecoPoint
16、),即对某一过程或产品,根据其污染物的产生量及其他环境作用大小,综合计算出该产品或过程的生态指数,判断其环境影响程度。例如,根据计算,玻璃的生态指数为148,而在同样条件下,聚乙烯的生态指数为220,由此即认为玻璃的环境影响比聚乙烯要小。由于同环境负荷单位、环境影响因子相同,指数表示法也是无量纲单位表示法。计算新产品或新工艺的环境影响的生态指数是一个很复杂的过程,故目前这些表达法都还不是很通用。,6生态因子,综合考虑材料的使用性能和环境性能的生态因子表示法(ecoindicator,ECOI)的主要思路是考虑两部分内容:一是材料的环境影响(environmental impact,EI),包括
17、资源、能源的消耗,以及排放的废水、废气、废渣等污染物,加上其他环境影响,如温室效应、区域毒性水平,甚至噪声等因素;另一部分是考虑材料的使用或服务性能(service performance,SP),如强度、韧性、热膨胀系数、电导率、电极电位等力学、物理和化学性能:ECOI=EISP(2)此式基本上扣除了其使用性能的影响,在较客观的基础上进行材料的环境性能比较。,7.碳排放,由于全球变暖的现状,和京都议定书的约束,有很多国家意识到了二氧化碳的危害,碳排放量逐渐也形成了一种评价环境影响的指标。bp公司推出了一款碳排放计算器,计算出行方式、城市能源结构来计算个人和家庭的碳排放量,生活方式的碳排放量,
18、私家车是公交的10倍。应该和美国目前在开发一种低碳排放的水泥。,材料的环境影响评价方法与标准,早期曾采用单因子方法来评价材料的环境影响,如测其废渣的排放量,评价其对固体废弃物污染的影响等。采用单因子评价不能反映其对环境的综合影响,如全球温室效应、能耗、资源效率等。而且,用如此多的单项指标,比较起来也太麻烦,甚至有些指标还无法进行平行比较。到20世纪90年代初,专家提出了一个综合的评价方法生命周期评价方法(life cycle assessment,LCA)。LCA方法现已,成为全世界通行的材料环境影响评价方法,并已在 ISO 14000国际环境认证标准中规范化,是 ISO 14000的标准系列
19、之一。,LCA的主要方法,LCA主要思路是:通过收集与产品相关的环境清单数据,应用LCA定义的一套计算方法,从资源消耗、人体健康和生态环境影响等方面对产品的环境影响做出定性和定量的评估,并进一步分析和寻找改善产品环境表现的时机与途径。其中环境清单数据,就是在产品寿命周期中流入和流出产品系统的物质/能量流。物质流既包含了产品在整个寿命周期中消耗的所有资源,也包含所有的废弃物以及产品本身。LCA的评估是建立在具体的环境清单数据基础之上的,这也是LCA方法最基本的特性之一,是实现LCA客观性和科学性的必要保证,是进行量化计算和分析的基础。在LCA标准中,详细地定义了具体的评估实施步骤,它包括如下4个
20、组成部分:目标和范围定义(Goal and Scope Definition)、清单分析(Life Cycle lnventory Analysis,LCl)、环境影响评估(Life Cycle lmpact Assessment,LCIA)、解释(Life Cycle Interpretation)。,LCA的应用目的,原则上讲,不同的主体出于不同的目的,都可以实施LCA评估或引用LCA评估结论。在SETAC和ISO的文件中列举了一些LCA方法的作用,例如:帮助提供产品系统与环境之间相互作用的尽可能完整的概貌;促进全面和正确地理解产品系统造成的环境影响;为关注产品或受产品影响的相关方之间进行
21、交流和对话奠定基础;向决策者提供关于环境的有益的决策信息,包括估计可能造成的环境影响、寻找改善环境表现的时机与途径、为产品和技术选择提供判据等。LCA方法鼓励各种组织,尤其是企业,将环境问题结合到他们的总体决策过程中。通过LCA方法,并与其他的环境管理工具相互补充,帮助更好地理解、控制和减少对环境的影响。从企业的角度考虑,可以在以下的时机实施LCA:在产品决策中提供辅助信息;在产品或技术的设计或再设计时提供与环境相关的帮助;在产品的环境声明中或实施环境标识计划时;在制定企业的环境战略计划和政策时;在企业与公共关系沟通的过程中。,LCA的技术框架及评价过程,LCA评价方法技术框架包括4部分:目标
22、和范围定义、清单分析、环境影响评价及评价结果解释(见图).,LCA体系框架与阶段,LCA体系内容,目标与范围确定(Goal and Scope Definition,GSD),影响评价(Life Cycle Impact Assessment,LCIA),清单分析(Life Cycle Inventory,LCI),定义目标与边界条件建立系统模型,编制清单作系统总量计算,三方面(3E)进行影响评估环境(Environmental)能源(Energy)经济(Economic),分析与决策敏感度分析3E综合分析决策,Life Cycle Assessment Phases-based on ISO
23、 14040,LCA体系框架与阶段,Conceptual Framework forLCA Impact Analysis,生命周期影响评价(LCIA),LCIA 是根据清单分析(LCI)过程中列出的要素对环境影响进行定性和定量分析。LCIA包括以下几个步骤:对清单分析过程中列出的要素进行分类;运用环境知识对所列要素进行定性和定量分析;识别出系统各环节中的重大环境因素;对识别出的环境因素进行分析和判断 环境影响的类型主要分成四大类:直接对生物、人类有害和有毒性;对生活环境的破坏;可再生资源循环体系的破坏;不可再生资源的大量消耗。LCIA 把清单分析的结果归到不同的环境影响类型,再根据不同环境影
24、响类型的特征化系数加以量化,来进行分析和判断。,LCIA典型模型,生命周期影响评价(LCIA)是LCA中难度最大、争议最多的部分,相关国际标准尚处于制定阶段。目前国际上采用的评价方法,基本上可以分为两大类:“环境问题法”和“目标距离”法。前者着眼于环境影响因子和影响机理,对各种环境干扰因素采用当量因子转换而进行数据标准化和对比分析,如瑞典EPS方法、瑞士和荷兰的生态稀缺性方法(生态因子)以及丹麦的EDIP方法等;后者则着眼于影响后果,用某种环境效应的当前水平与目标水平(标准或容量)之间的距离来表征某种环境效应的严重性,其代表方法是瑞士临界体积方法。,1目标和范围定义,LCA应用起点:确定其评价
25、目标和评价的定义(goal and scope definition),以界定该过程、产品或事件对环境影响的大小。LCA评价目标:主要包括界定评价对象、实施LCA评价的原因,以及评价结果的输出方式。LCA评价范围:一般包括评价功能单元定义、评价边界定义、系统输入输出分配方法、环境影响评价的数学物理模型及其解释方法、数据要求、审核方法及评价报告的类型与格式等。,功能单元是评价环境影响大小的区量单位,由于关系到环境影响具体数值,一般其应该是可数的。系统边界确定了哪些过程应该被包括到LCA评价范围中。其不仅取决于LCA实施的评价目标,还受到所使用的假设、数据来源、评价成本等因素的影响和限制。数据是指
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