Comparative life cycle assessment of industrial multi-product processes

Jung, Johannes; Bardow, André

doi:5136

Comparative life cycle assessment of industrial multi-product processes = Vergleichende Ökobilanzen von industriellen Mehrproduktprozessen

Jung, Johannes

2014

VerantwortlichkeitsangabeJohannes Jung

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangXXII, 175 S. : graph. Darst.

ReiheAachener Beiträge zur technischen Thermodynamik : 2

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bardow, André (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-08-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51361
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444999/files/5136.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik (412110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Umweltbilanz (Genormte SW) ; Multifunktionalität (Genormte SW) ; Allokation (Genormte SW) ; Unsicherheit (Genormte SW) ; Chloralkalielektrolyse (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; LCA (frei) ; multi-functionality (frei) ; allocation (frei) ; uncertainty (frei) ; chlor-alkali-electrolysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Anforderungen an die Umweltverträglichkeit industrieller Prozesse sind in den vergangenen Jahrzehnten deutlich gestiegen. Daher sollen Umweltauswirkungen neuer Prozesse möglichst frühzeitig bewertet werden. Die Analyse von Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Prozesses kann mit einer Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment, LCA) erfolgen. Innerhalb von Ökobilanzen treten häufig Allokationsprobleme auf. Ein Allokationsproblem entsteht z.B., wenn die Umweltauswirkungen eines Prozesses auf mehrere Produkte des Prozesses aufgeteilt werden sollen. Eine solche Aufteilung ist an vielen Stellen notwendig, z.B. beim Vergleich alternativer Prozesse mit mehreren Produkten, bei denen die Produkte nur teilweise übereinstimmen. Zur Lösung eines Allokationsproblems stehen drei alternative Methoden zur Wahl: Systemerweiterung, Substitution und Allokation. Nach der Auswahl einer dieser drei Methoden sind zusätzliche Entscheidungen innerhalb der jeweiligen Methode erforderlich. Alle Wahlmöglichkeiten erhöhen die Unsicherheiten und verringern somit die Akzeptanz einer Ökobilanz. Ein internationaler Standard und mehrere Praxisleitfäden liefern Empfehlungen für die Auswahl geeigneter Methoden zur Lösung von Allokationsproblemen. Bisher sind diese Empfehlungen allerdings nicht für vergleichende Ökobilanzen alternativer Prozesse konkretisiert. Außerdem werden Unsicherheiten aufgrund der Wahlmöglichkeiten bei der Lösung von Allokationsproblemen selten in systematischen Analysen berücksichtigt: In einigen Beispielen werden Szenarien mit alternativen Lösungsmethoden einander gegenübergestellt. Teilweise werden die Unsicherheiten innerhalb dieser Szenarien noch mit rechenintensiven stochastischen Verfahren untersucht. Allerdings sind diese Ansätze weder standardisiert noch in die Rechenalgorithmen von Software-Werkzeugen zur Ökobilanzierung eingebunden. In der vorliegenden Arbeit wird eine konkrete Anleitung zur Auswahl der Lösungsmethode bei Allokationsproblemen in vergleichenden Ökobilanzen vorgestellt. Darüber hinaus wird eine analytische Methode zur systematischen Erfassung und Analyse der Unsicherheiten aufgrund von Allokationsproblemen entwickelt. Die Anleitung zur Auswahl der Lösungsmethode bei Allokationsproblemen in vergleichenden Ökobilanzen setzt voraus, dass die Produkte der zu vergleichenden Prozesse auf Basis wirtschaftlicher Überlegungen in Haupt- und Nebenprodukte eingeteilt werden. Unterscheiden sich zwei zu vergleichende Prozesse in ihren Hauptprodukten, sollte die Systemerweiterung angewendet werden. Liegt der Unterschied in den Nebenprodukten, sollte die Anwendung einer standortspezifischen Substitution der Allokation vorgezogen werden. Für ein analytisches Verfahren zur Analyse der Unsicherheiten aufgrund von Allokationsproblemen wird zunächst der bestehenden Formelsatz zur Berechnung von Ökobilanzen erweitert. Die Erweiterung des Formelsatzes umfasst kontinuierliche Parameter, welche die diskreten Wahlmöglichkeiten bei der Lösung von Allokationsproblemen modellieren. Auf Basis des erweiterten Formelsatzes werden Sensitivitätskoeffizienten berechnet, welche die Sensitivität einer Ökobilanz hinsichtlich der Auswahlmöglichkeiten bei der Lösung von Allokationsproblemen beschreiben. Die Anwendung einer Fehlerfortpflanzung erster Ordnung auf den erweiterten Formelsatz ermöglicht es letztendlich, die Auswirkungen der Unsicherheiten aufgrund von Allokationsproblemen systematisch und rechnergestützt zu untersuchen. Die Anwendbarkeit der entwickelten Methoden wird in einer vergleichenden Ökobilanz zweier alternativer Prozesse aus der chemischen Industrie gezeigt: Ein neues energiesparendes Verfahren zur Chlor-Alkali-Elektrolyse produziert Chlor und Natronlauge. Die zu vergleichende, etablierte Technologie produziert allerdings neben Chlor und Natronlauge zusätzlich noch Wasserstoff. Daher entsteht bei der vergleichenden Ökobilanz ein Allokationsproblem. Die Methode zur Lösung des Allokationsproblems kann mit der entwickelten Anleitung ausgewählt werden. An Standorten, wo Wasserstoff chemisch genutzt wird, erfolgt eine Systemerweiterung. An Standorten, wo der Wasserstoff thermisch verwertet wird, erfolgt eine Substitution. In beiden Fällen bleiben die gesamten Umweltauswirkungen des neuen Verfahrens geringer als die Auswirkungen durch die etablierte Technologie. Eine Unsicherheitsanalyse mit Hilfe der entwickelten Methodik zeigt, dass hier die Unsicherheiten aufgrund des Allokationsproblems gegenüber Datenunsicherheiten nicht zu vernachlässigen sind. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden können zukünftig in bestehende Software-Werkzeuge eingebunden werden und erhöhen die Akzeptanz von Ökobilanzen.

The demand for environmentally safe industrial processes is increasing. Therefore, environmental impacts of new processes have to be examined at an early stage. A method for analyzing environmental impacts is life cycle assessment (LCA). A major trouble of LCA are multi-functionality problems. Multi-functionality problems can be fixed using alternative methods such as system expansion, avoided burden and allocation. Each of the three methods requires choices by the LCA-practitioner. The choices made during fixing a multi-functionality problem increase uncertainty and reduce the acceptance of LCA. An international Standard and several guidebooks present recommendations for selecting an appropriate method to fix multi-functionality problems. But the recommendations are not yet specified for comparative LCA of alternative multi-product processes. Moreover, uncertainties due to fixing multi-functionality problems are rarely included in systematic uncertainty analysis. In some LCAs, alternative methods for fixing multi-functionality problems are compared in scenarios. Uncertainties in fixing multi-functionality problems are sometimes analyzed using stochastic methods. However, the approaches for analyzing uncertainties due to fixing multi-functionality problems are not yet standardized or even included in the computational structure of common LCA software tools. In this work, a systematic procedure is presented for fixing multi-functionality problems in comparative LCA of multi-product processes. Moreover, an analytical method is introduced for analyzing uncertainties due to fixing multi-functionality problems. The procedure for fixing multi-functionality problems in comparative LCA of multi-product processes requires distinguishing main products and by-products. The distinction is based on economic figures. A multi-functionality problem resulting from two alternative multi-product processes with differing main products should be fixed using system expansion. In contrast, a multi-functionality problem caused by different by-products should be fixed using avoided burden. If avoided burden cannot be applied, allocation should be used to fix the multi-functionality problem. An existing matrix formulation for LCA calculations is expanded to include methods for fixing multi-functionality problems. The expanded matrix formulation involves continuous parameters modelling the choices during fixing multi-functionality problems. The derived equations are used to calculate sensitivity coefficients with respect to the choices made during fixing a multi-functionality problem. Moreover, first-order error propagation is applied to systematically analyze uncertainties due to fixing multi-functionality problems. The derived methods are applied in a case study of two alternative processes for chlor-alkali electrolysis. Existing chlor-alkali electrolysis produce chlorine, caustic soda, and hydrogen. A novel process requires less electricity but only produces chlorine and caustic soda but no hydrogen anymore. A comparative LCA thus includes a multi-functionality problem. The procedure for fixing multi-functionality problems is applied in the case study. Two scenarios are analyzed depending on alternative use of hydrogen from existing chlor-alkali electrolysis. In both scenarios, the environmental impacts of the novel process are lower compared to the existing chlor-alkali electrolysis. The analytical method for analyzing uncertainties due to fixing multi-functionality problems is applied to the case study as well. The results of the uncertainty analysis show that uncertainties due to fixing multi-functionality problems cannot be ignored. In future work, the methods developed in this work can be integrated in existing software tools for LCA calculations.

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