生命周期评估

生命周期评估(LCA,也称为生命周期分析,生态平衡和从摇篮到坟墓的分析)是一种评估与产品生命的所有阶段相关的环境影响的技术,从原材料提取到材料加工,制造,分配,使用,维修和保养,以及处置或回收。 设计师使用此过程来帮助批评他们的产品。 通过以下方式,LCA有助于避免对环境问题的狭隘观点:

编制相关能源和材料投入及环境释放清单;
评估与确定的投入和释放相关的潜在影响;
解释结果以帮助做出更明智的决策。

目标和目的
LCA的目标是通过量化物质流的所有输入和输出并评估这些物质流如何影响环境来比较可分配给产品和服务的所有环境影响。 此信息用于改进流程,支持政策并为明智的决策提供坚实的基础。

生命周期一词是指这样一种观念,即公平,全面的评估需要评估原材料的生产,制造,分配,使用和处置,包括产品存在所必需或引起的所有干预运输步骤。

LCA主要有两种类型。 归因LCA寻求在某个时间点(通常是最近的过去)建立(或归因)与产品的生产和使用相关的负担,或与特定服务或过程相关的负担。 相关的LCA寻求确定所研究的系统(面向未来)的决策或拟议变更的环境后果,这意味着可能必须考虑决策的市场和经济影响。 社会LCA正在开发中,作为一种旨在评估社会影响或潜在影响的生命周期思维的不同方法。 社会LCA应被视为与环境LCA互补的方法。

生命周期评估程序(LCA)是ISO 14000环境管理标准的一部分:ISO 14040:2006和14044:2006。 (ISO 14044将ISO 14041的早期版本替换为ISO 14043.)GHG产品生命周期评估还可以符合PAS 2050和GHG协议生命周期会计和报告标准等规范。

四个主要阶段
根据ISO 14040和14044标准,生命周期评估分为四个不同的阶段,如右图所示。 阶段通常是相互依赖的,因为一个阶段的结果将告知其他阶段如何完成。

目标和范围
LCA首先明确说明研究的目标和范围,其中列出了研究的背景,并解释了结果的传达方式和对象。 这是关键步骤,ISO标准要求明确定义LCA的目标和范围,并与预期的应用保持一致。 因此,目标和范围文件包括指导后续工作的技术细节:

功能单元,它定义了正在研究的内容,并量化产品系统提供的服务,提供输入和输出可以相关的参考。 此外,功能单元是使得能够比较和分析替代商品或服务的重要基础。 因此,为了解释这一功能系统,输入,过程和输出包含一个功能单元,履行功能,例如油漆覆盖墙壁,使功能单位1平方米覆盖10年。 功能流程将是该功能所必需的项目,因此这将是刷子,油漆罐和油漆本身。
系统边界; 这是对应该包含在产品系统分析中的过程的定界。
任何假设和限制;
当多个产品或功能共享同一过程时,用于划分过程环境负荷的分配方法; 分配通常以三种方式之一处理:系统扩展,替换和分区。 这样做并不容易,不同的方法可能会产生不同的结果

选择的影响类别,例如人类毒性,烟雾,全球变暖,富营养化。

生命周期库存
生命周期清单(LCI)分析涉及为产品系统创建自然流量和库存流量。 库存流量包括水,能源和原材料的输入,以及向空气,土地和水的排放。 为了开发库存,使用输入和输出数据构建技术系统的流动模型。 流程模型通常用流程图说明,该流程图包括将在相关供应链中评估的活动,并清楚地描述技术系统边界。 为系统边界内的所有活动收集构建模型所需的输入和输出数据,包括来自供应链(称为技术圈的输入)。

数据必须与目标和范围定义中定义的功能单元相关。 数据可以在表格中显示,并且可以在此阶段进行一些解释。 清单的结果是LCI,它以研究中涉及的所有单位过程的形式提供有关进出环境的基本流量形式的所有输入和输出的信息。

库存流量可以数百个,具体取决于系统边界。 对于通用(即代表性行业平均值)或品牌特定级别的产品LCA,通常通过调查问卷收集该数据。 在行业层面,必须注意确保调查问卷由生产者的代表性样本完成,既不倾向于最佳也不倾向于最佳,并且完全代表由于能源使用,材料采购或其他因素导致的任何区域差异。 问卷涵盖了全方位的投入和产出,通常旨在占产品质量的99%,生产中使用的99%的能源和任何环境敏感的流量,即使它们在1%的水平范围内。投入。

数据访问可能很困难的一个领域是来自技术领域的流量。 技术圈更简单地定义为人造世界。 地质学家认为这些资源是理论上100%可回收的; 然而,从实际意义上讲,主要目标是打捞。 对于LCI来说,这些技术领域的产品(供应链产品)是那些由人类生产的产品,不幸的是那些完成调查问卷的人使用人造产品作为达到目的的手段将无法确定多少他们使用的给定输入。 通常,他们无法访问有关产品先前生产过程的输入和输出的数据。 如果LCA尚未从之前的研究中获得该数据,那么实施LCA的实体必须转向二级来源。 与LCA从业者工具一起提供的或可以随时访问的国家数据库或数据集是该信息的常用来源。 必须注意确保二级数据源正确反映区域或国家条件。

LCI方法
处理LCA
经济投入产出LCA
混合方法
生命周期影响评估
库存分析之后是影响评估。 LCA的这一阶段旨在根据LCI流量结果评估潜在环境影响的重要性。 经典生命周期影响评估(LCIA)包括以下强制性要素:

选择影响类别,类别指标和特征模型;
分类阶段,对库存参数进行分类并分配给特定影响类别; 和
影响测量,其中使用许多可能的LCIA方法之一将分类的LCI流量表征为公共等效单位,然后将其相加以提供总体影响类别总数。
在许多LCA中,表征结束了LCIA分析; 这也是ISO 14044:2006的最后一个必修阶段。 然而,除了上述强制性LCIA步骤之外,还可以根据LCA研究的目标和范围进行其他可选的LCIA要素 – 标准化,分组和加权。 在标准化中,通常将来自研究的影响类别的结果与感兴趣区域(例如美国)中的总影响进行比较。 分组包括排序和可能对影响类别进行排名。 在加权期间,不同的环境影响相对于彼此进行加权,以便它们可以相加以得到总环境影响的单个数字。 ISO 14044:2006通常建议不要加权,并指出“加权,不得用于旨在用于公开披露的比较断言的LCA研究”。 这种建议经常被忽略,导致比较可以反映加权带来的高度主观性。

生命周期影响也可以分为产品开发,生产,使用和处置的几个阶段。 从广义上讲,这些影响可分为“第一次影响”,“使用影响”和“生命终结”影响。 “第一影响”包括原材料的提取,制造(将原材料转化为产品),产品运输到市场或场地,建筑/安装以及使用或占用的开始。 使用影响包括操作产品或设施的物理影响(如能源,水等),维护,翻新和维修(继续使用产品或设施所需)。 寿命终止影响包括拆除和处理废物或可回收材料。

解释
生命周期解释是一种系统技术,用于从生命周期清单和/或生命周期影响评估的结果中识别,量化,检查和评估信息。 在解释阶段总结了清单分析和影响评估的结果。 解释阶段的结果是该研究的一系列结论和建议。 根据ISO 14040:2006,解释应包括:

根据LCA的LCI和LCIA阶段的结果确定重大问题;
考虑完整性,敏感性和一致性检查的研究评估; 和
结论,限制和建议。
执行生命周期解释的一个关键目的是确定最终结果的置信水平,并以公平,完整和准确的方式进行沟通。 解释LCA的结果并不像“3优于2,因此备选方案A是最佳选择”那么简单! 解释LCA的结果首先要了解结果的准确性,并确保它们符合研究的目标。 这是通过确定对每个影响类别有重大贡献的数据元素,评估这些重要数据元素的敏感性,评估研究的完整性和一致性,以及在明确了解LCA如何进行的基础上得出结论和建议来实现的。并且结果得到了发展。

参考测试
更具体地说,最好的替代方案是LCA显示对陆地,海洋和空气资源具有最小的从摇篮到坟墓的环境负面影响。

LCA使用
根据对2006年开展的LCA从业人员的调查,LCA主要用于支持业务战略(18%)和研发(18%),作为产品或流程设计(15%),教育(13%)和标签或产品声明(11%)。 LCA将作为诸如欧洲ENSLIC建筑项目建筑指南或开发和实施的工具不断整合到建筑环境中,为从业者提供有关将LCI数据实施到规划和设计过程中的方法的指导。

世界各地的大公司都在内部进行LCA或委托研究,而政府则支持开发国家数据库以支持LCA。 特别值得注意的是,用于ISO III类标签的LCA越来越多地被称为环境产品声明,定义为“根据ISO 14040系列标准预先设定参数类别的产品的量化环境数据,但不排除其他环境信息”。 这些第三方认证的基于LCA的标签为评估竞争产品的相对环境优势提供了越来越重要的基础。 第三方认证在当今的行业中发挥着重要作用。 独立认证可以表明公司致力于为客户和非政府组织提供更安全,更环保的产品。

LCA还在环境影响评估,综合废物管理和污染研究中发挥重要作用。 最近的一项研究评估了实验室规模的富氧空气生产工厂的LCA,以及在整体生态设计方面的经济评估。 LCA还被用于评估路面维护,修复和修复活动对环境的影响。

数据分析
生命周期分析仅与其数据一样有效; 因此,用于完成生命周期分析的数据是准确和最新的至关重要。 在将不同的生命周期分析相互比较时,至关重要的是,可以为相关产品或过程提供等效数据。 如果一种产品具有更高的数据可用性,则无法将其与另一种具有较少详细数据的产品进行比较。

有两种基本类型的LCA数据 – 单元过程数据和环境输入 – 输出数据(EIO),后者基于国家经济投入产出数据。 单位过程数据来自对生产感兴趣的产品的公司或工厂的直接调查,在由研究的系统边界定义的单位过程水平上进行。

数据有效性是生命周期分析的持续关注点。 由于全球化和研发的快速发展,新材料和制造方法不断被引入市场。 这使得在执行LCA时使用最新信息非常重要且非常困难。 如果LCA的结论有效,则数据必须是最近的; 但是,数据收集过程需要时间。 如果产品及其相关流程自上次收集LCA数据以来未经过重大修订,则数据有效性不成问题。 然而,手机等消费电子产品可以每9至12个月重新设计一次,从而需要持续的数据收集。

所考虑的生命周期通常包括许多阶段,包括:材料提取,加工和制造,产品使用和产品处置。 如果可以确定这些阶段中对环境最有害的,那么通过专注于对该特定阶段进行更改,可以有效地减少对环境的影响。 例如,由于燃料消耗,飞机或汽车的能量密集型寿命阶段在使用期间。 提高燃油效率的最有效方法之一是减轻车辆重量,因此,汽车和飞机制造商可以通过用较轻的材料(如铝或碳纤维增强元件)替换较重的材料来显着减少对环境的影响。 使用阶段的减少应足以平衡额外的原材料或制造成本。

数据源通常是大型数据库,如果使用不同的数据源来获取数据,则不宜比较两个选项。 数据来源包括:

SOCA
EuGeos’15804-IA
NEEDS
的ecoinvent
PSILCA
ESU世界粮食
的GaBi
ELCD
LC-Inventories.ch
社交热点
ProBas
bioenergiedat
Agribalyse
USDA
Ökobaudat
农业足迹
综合环境数据档案(CEDA)
然后可以手动完成影响计算,但通常使用软件简化流程。 这可以是简单的电子表格,用户手动输入数据到完全自动化的程序,用户不知道源数据。

变种

从摇篮到坟墓
从摇篮到坟墓是从资源开采(“摇篮”)到使用阶段和处置阶段(’严重’)的完整生命周期评估。 例如,树木生产纸张,可以再生成低能量生产纤维素(纤维化纸)绝缘材料,然后在家庭的天花板上用作节能设备40年,节省2000倍的化石燃料能源使用在它的生产。 40年后,更换纤维素纤维并处理旧纤维,可能焚烧。 所有输入和输出都被考虑用于生命周期的所有阶段。

摇篮到栅极
从摇篮到门是对从资源提取(摇篮)到工厂大门(即,在将其运输到消费者之前)的部分产品生命周期的评估。 在这种情况下,省略了产品的使用阶段和处理阶段。 从摇篮到门的评​​估有时是环境产品声明(EPD)的基础,称为企业对企业的EDP。 从摇篮到门的方法的一个重要用途是使用从摇篮到门的方式编译生命周期清单(LCI)。 这允许LCA收集导致设施购买资源的所有影响。 然后,他们可以将运输过程中涉及的步骤添加到工厂和制造过程中,以便更轻松地为其产品生成自己的摇篮到门的价值。

从摇篮到摇篮或闭环生产
另请参见:从摇篮到摇篮设计
从摇篮到摇篮是一种特定的从摇篮到坟墓的评估,其中产品的报废处理步骤是回收过程。 它是一种通过采用可持续生产,运营和处置实践来最小化产品对环境影响的方法,旨在将社会责任纳入产品开发。 从回收过程中产生新的相同产品(例如,来自废弃沥青路面的沥青路面,来自收集的玻璃瓶的玻璃瓶),或不同的产品(例如,来自收集的玻璃瓶的玻璃棉绝缘)。

在开环生产系统中分配产品负担对LCA提出了相当大的挑战。 已经提出了各种方法,例如避免负担方法来处理所涉及的问题。

栅极到栅极
Gate-to-gate是一个部分LCA,只关注整个生产链中的一个增值过程。 门到门模块也可以在其适当的生产链中链接,以形成完整的从摇篮到门的评​​估。

从油井到车轮
Well-to-wheel是用于运输燃料和车辆的特定LCA。 分析通常分为“井到站”,“井到油箱”,“站到车”或“油箱到车轮”,或“即插即用”的阶段”。 第一阶段包括原料或燃料生产和加工以及燃料输送或能量传输,被称为“上游”阶段,而处理车辆操作本身的阶段有时被称为“下游”阶段。 井轮分析通常用于评估总能量消耗,或船舶,飞机和机动车辆的能量转换效率和排放影响,包括其碳足迹,以及每种运输模式中使用的燃料。 WtW分析有助于反映上游和下游阶段的能源技术和燃料的不同效率和排放,从而更全面地了解实际排放。

井到轮的变型对阿贡国家实验室开发的模型有重要意义。 为了评估新燃料和车辆技术的影响,开发了温室气体,受管制的排放和运输中的能源使用(GREET)模型。 该模型使用井到轮评估来评估燃料使用的影响,而传统的从摇篮到坟墓的方法用于确定车辆本身的影响。 该模型报告了能源使用,温室气体排放和六种其他污染物:挥发性有机化合物(VOCs),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),粒径小于10微米的颗粒物(PM10),颗粒物质的大小小于2.5微米(PM2.5)和硫氧化物(SOx)。

使用WTW或LCA方法计算的温室气体排放量的定量值可能不同,因为LCA正在考虑更多的排放源。 例如,在评估电池电动汽车的温室气体排放与传统内燃机车辆相比时,WTW(仅考虑制造燃料的温室气体)发现电动汽车可以节省50-60%的温室气体虽然采用混合LCA-WTW方法,同时考虑到电池的制造和寿命终结所产生的温室气体,与WTW相比,温室气体排放节省了10-13%。

经济投入产出生命周期评估
经济投入产出LCA(EIOLCA)涉及使用行业总体数据,说明每个经济部门对环境的影响程度以及每个部门从其他部门购买的数量。 这种分析可以解释长链(例如,建造汽车需要能源,但生产能源需要车辆,建造这些车辆需要能源等),这在一定程度上缓解了过程LCA的范围界定问题; 但是,EIOLCA依赖于部门级平均值,这些平均值可能代表或可能不代表与特定产品相关的特定部门,因此不适合评估产品的环境影响。 此外,经济数量转化为环境影响尚未得到验证。

基于生态学的LCA
虽然传统的LCA使用许多与Eco-LCA相同的方法和策略,但后者考虑了更广泛的生态影响。 它旨在通过了解对生态资源和周围生态系统的直接和间接影响,为明智地管理人类活动提供指导。 Eco-LCA由俄亥俄州立大学弹性中心开发,是一种在经济产品和产品生命周期中定量考虑调节和支持服务的方法。 在这种方法中,服务分为四大类:支持,管理,供应和文化服务。

基于火用的LCA
系统的有效性是在使系统与储热器达到平衡的过程中可能的最大有用工作。 Wall清楚地说明了ex分析和资源会计之间的关系。 DeWulf和Sciubba证实了这种直觉导致了Exergo经济核算以及专门用于LCA的方法,例如每单位服务的Exergetic材料输入(EMIPS)。 每单位服务(MIPS)的材料输入概念是根据热力学第二定律量化的,允许以有效能的方式计算资源输入和服务输出。 每个服务单元(EMIPS)的这种夸张的材料输入已经为运输技术进行了详细阐述。 该服务不仅考虑了要运输的总质量和总距离,还考虑了每次运输的质量和交付时间。

生命周期能量分析
生命周期能量分析(LCEA)是一种方法,其中不仅考虑制造过程中的直接能量输入,而且考虑制造过程所需的所有组件,材料和服务所需的能量输入。 该方法的早期术语是能量分析。

利用LCEA,建立了总生命周期能量输入。

能源生产
人们认识到,能源商品本身的生产中会损失大量能源,例如核能,光伏电力或高质量的石油产品。 净能量含量是产品的能量含量减去提取和转化过程中直接或间接使用的能量输入。 LCEA的一个有争议的早期结果声称制造太阳能电池所需的能量比使用太阳能电池时所能回收的能量更多。 结果被驳斥了。 生命周期评估中的另一个新概念是能量自食。 能量同类主义是指整个能源密集型产业的快速增长产生对使用(或蚕食)现有发电厂能源的能源需求的影响。 因此,在快速增长期间,整个行业不产生能量,因为新能源被用于为未来发电厂的体现能源提供燃料。 英国已经开展工作,以确定许多可再生技术的生命周期能源(以及完整的LCA)影响。

能量恢复
如果材料在处理过程中被焚烧,则可以利用燃烧过程中释放的能量并用于发电。 这提供了低影响能源,特别是与煤和天然气相比时虽然焚烧产生的温室气体排放量多于填埋,但废物处理厂配备了过滤器以最大限度地减少这种负面影响。 最近的一项研究将填埋(无能量回收)的能源消耗和温室气体排放与焚烧(能量回收)进行了比较,发现除了垃圾填埋气体用于发电之外,焚烧在所有情况下均优于焚烧。

批评
还有人认为,能源效率只是决定采用哪种替代工艺的一个考虑因素,而且不应将其提升为确定环境可接受性的唯一标准。 例如,简单的能量分析没有考虑能量流的可再生性或废物的毒性; 纳入可再生能源技术的动态LCA(利用敏感性分析来预测可再生能源系统的未来改进及其在电网中的份额)可能有助于缓解这种批评。

近年来,关于能源技术生命周期评估的文献已经开始反映当前电网与未来能源技术之间的相互作用。 一些论文关注能源生命周期,而另一些则关注二氧化碳(CO2)和其他温室气体。 这些来源给出的基本批评是,在考虑能源技术时,必须考虑电网的增长性质。 如果不这样做,一类特定的能源技术可能会在其生命周期内排放更多的二氧化碳,而不是减少二氧化碳排放。

能量分析方法无法解决的问题是,由于热力学的两个主要定律,即使在自然科学中,不同的能量形式(热,电,化学能等)也具有不同的质量和价值。 能量质量的热力学量度是火用的。 根据热力学第一定律,所有能量输入应该以相同的权重计算,而根据第二定律,不同的能量形式应该用不同的值来计算。

冲突以下列方式之一得到解决:

能量输入之间的价值差异被忽略,
价值比率是任意分配的(例如,焦耳的电量比热量或燃料输入的焦耳值高2.6倍),
经济(货币)成本分析补充了分析,
能量而不是能量可以是用于生命周期分析的度量。

批评
生命周期评估是分析可量化系统的可比较方面的有力工具。 但是,并非每个因素都可以减少到一个数字并插入到模型中。 刚性系统边界使得难以对系统中的变化进行核算。 这有时被称为对系统思考的边界批判。 数据的准确性和可用性也可能导致不准确。 例如,来自通用过程的数据可以基于平均值,不具代表性的抽样或过时的结果。 此外,LCA通常缺乏产品的社会影响。 比较生命周期分析通常用于确定更好的过程或产品。 然而,由于不同的系统边界,不同的统计信息,不同的产品用途等方面,这些研究很容易在一项研究中偏向于一种产品或过程而在另一项研究中相反,另一项研究则基于不同的参数和不同的可用数据。 有一些指导方针可以帮助减少结果中的此类冲突,但该方法仍然为研究人员提供了很大的空间来决定什么是重要的,产品通常是如何制造的,以及通常如何使用它。

对木材和纸制品的13项LCA研究进行的深入审查发现,在产品生命周期中用于跟踪碳的方法和假设缺乏一致性。 使用了各种各样的方法和假设,导致了不同的和可能相反的结论 – 特别是在垃圾填埋场的碳封存和甲烷生成以及森林生长和产品使用过程中的碳核算方面。

简化LCA
该过程包括三个步骤。 首先,应选择适当的方法,将足够的准确性与可接受的成本负担相结合,以指导决策。 实际上,在LCA过程中,除了简化LCA之外,通常还考虑生态筛选和完整LCA。 然而,前者只能提供有限的细节,而后者具有更详细的信息则更为昂贵。 其次,应选择单一的压力测量。 典型的LCA输出包括资源消耗,能耗,水消耗,CO2排放,有毒残留物等。 其中一个输出用作流线型LCA中的主要因素。 能源消耗和二氧化碳排放通常被视为“实用指标”。 最后,将步骤2中选择的压力用作标准,分别评估生命阶段并确定最具破坏性的阶段。 例如,对于家用汽车,能耗可以用作评估每个生命阶段的单一压力因素。 结果表明,家用汽车最耗能的阶段是使用阶段。

使用中的工程材料的生命周期评估通过防止机器或设备中关键工程部件的过早失效,在节约能源,节约资源和节省数十亿资金方面发挥重要作用。表面工程材料的LCA数据用于改善工程部件的生命周期。工业机械和设备(包括制造,发电,运输等)的生命周期改进导致能效,可持续性和消除全球温度升高的改善。人为碳排放量的估计减少量至少占全球排放量的10%。