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sustainability design

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  1. 1. 绿色设计 和 LCA
  2. 2. 绿色设计 3R1D 核心 又称 生态设计、环境设计 强调 将环境影响降低到最小程度的设计 绿色产品设计的材料选择与管理;产品的可拆卸性设计;产品的可回收性设计包括
  3. 3. 模块化设计 Google Project Ara 绿色设计 循环设计 Adidas Ultra Boost Parley
  4. 4. LCA (life cycle assessment) 生命周期评估 理论基础 利用能量守恒原理和物质不灭定律, 对产品生产和使用过程中 的物质和能量的使用和消耗进行平衡计算。 定义 生命周期评估是一个目标过程 ,这一目标过程在于评估涉及到 产品、生产或者鉴别能源和资源用途和环境释放活动的环境负荷, 以此评价能源和资源的利用和释放对环境所造成的冲击,并且评估和 提供改善环境的机会 。 ——国际环境毒理和化学学会, 1990年
  5. 5. Technical Framework in LCA 生命周期评估的技术框架 清单分析 2 对一种产品、 工艺过程或活动在 其整个生命周期内 的能量与物质需求 量以及对环境的释 放进行的以数据为 基础的客观量化 1 目标定义和 范围界定 确定研究目标 和范围、建立功能 单位、建立保证研 究质量的程序 影响分析 3 主要是对清单 分析中 辨 别 出 的 污 染 物 环 境 负 荷 影 响 进 行 定 量 和( 或) 定性分 析 改善评价 4 系统地评估产 品在整个生命周期 内减少能源、原材 料使用以及环境释 放的需求与机会的 分析以及定量、定 性的改进措施
  6. 6. 清单分析
  7. 7. 影响分析 主要由影响分类、特征化和 量化三部分组成。 按照环境影响项目进行分类, 通常包括三大类: 资源耗竭、生态 影响和人类健康。 特征化即按照影响类型建立清 单数据模型。 量化即加权, 是确定不同环 境影响类型的权重, 以此得到总 的环境影响水平的过程
  8. 8. 产品生态设计 定义 以LCA为理论基础,利用产业 生态学思想, 在产品开发阶段综合 考虑与产品相关的生态环境问题, 设计出对环境友好的又能满足人的 需求的一种新的产品设计方法。 产品的生态 辨识与诊断 新产品 设计与开发 产品环境 影响评价 与比较 再循环 工艺设计 1 2 3 4 环境 特性 生态 系统 人的 需求 传统 因素
  9. 9. 混合动力汽车 的 全生命周期评价 案例1
  10. 10. 目录 1 2 3 4 1)研究背景 2) 目标与范围 3)汽车清单分析 4)生命周期评价
  11. 11. 研究背景 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2000 2014 单位(千万辆) 汽车保有量 1.609 15.44 资源匮乏 环境污染 交通拥堵
  12. 12. 目标与范围 油耗指标比配有相同类型发动 机的传统汽车可降低30% ~ 40% 尾气排放指标平均降低50% ~ 60% 通过发动机给电池充电,再 将电能输送给电动机从而驱 动车辆 以镍氢电池作为动力电池组,综 合油耗为每百公里4.3 L
  13. 13. 目标与范围 车辆总重(无燃油和电 池)为1460 kg,其中车 辆主体部分重量为1383 kg。 资源消耗的评价范围包 括煤、石油、天然气三 种主要化石燃料的消耗 环境影响的评价范围包 括温室气体和标准排放 物(全球变暖、酸化、 富营养化、光化学臭氧 合成和烟尘及灰尘)
  14. 14. 目标与范围
  15. 15. 清单分析 1 2 3 4 依靠 GREET 软件 获取了混合动力 汽车的制造清单 使用国内的生 命周期数据库 (CLCD)进行后 续的清单分析 使用eBalance软 件进行资源消耗 量与环境影响值 的计算 得出相关结果并 进行分析
  16. 16. 清单分析
  17. 17. 清单分析 混合动力汽车装配及镍氢 动力电池制造装配过程消 耗电能分别为2725.42 kW·h 和23.59 kW·h 2)耗能 混合动力汽车的每百公里 综合油耗为4.3 L,燃油汽 车的每百公里综合油耗为 7.2 L。 4)油耗 制造阶段原材料采用公路 运输,运距取2011 年全国 公路货物运输的平均运距 182 km 1)运距 非营运轿车行驶60 万km 即达到报废标准,故假定 汽车生命周期行驶里程为 60 万km 3)行程
  18. 18. 清单分析
  19. 19. 生命周期评价 资源耗竭系数 资源耗竭系数反映了产品系统资源消耗占整个自然资源的份额,同时也反映了资 源的稀缺性。汽车的资源耗竭系数由一次性资源消耗来表征,该系数越大,表面 其能耗越大
  20. 20. 生命周期评价 资源消耗量 原油 煤 天然气 资源消耗量 原油 煤 天然气 加权后 84.93% 14.82% 93.98% 5.71%
  21. 21. 生命周期评价 结果 各项相加可得混合动力汽车资源耗竭系数为1.0169 mPR90,传统燃油汽车的资源耗竭系 数,得出结果为1.664 mPR90 结论 混合动力汽车比传统的燃油汽车节省资源28.9%
  22. 22. 生命周期评价
  23. 23. 生命周期评价 环境影响值 光化学臭氧 全球变暖 酸化 富营养化 粉尘 混合动力汽车与传统的燃油汽车比 较,可减少环境污染35.16% 结论 结果 加权后的混合动力汽车总环境影响负 荷为28.00 人当量,传统汽车为43.18人 当量 82.17% 9.21% 7.68%
  24. 24. 生命周期评价 文中所用数据来源与实际有一定的误差,为鉴别对研究结果影响较大的参数并减少不确定 数据对结论的影响,需进行敏感性分析。本文对制造整车的几种主要原材料进行再生材料 使用的敏感性分析 敏感性分析
  25. 25. 生命周期评价
  26. 26. 生命周期评价 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 钢 铝 铜 铸铁 资源耗竭系数 总环境影响负荷 部分再生材料的使用对降低混 合动力汽车制造过程能源消耗 与环境影响有积极的作用 结论 结果 钢和铝的再生使用相较于铸铁 和铜的再生使用对于汽车全生 命周期的能耗和环境影响要大 很多。 单位:%
  27. 27. 结果与讨论 混合动力汽车比传统的燃油汽车节 省资源28.9%。 与传统的燃油汽车 比较,混合动力汽 车可减少环境污染 35.16% 1 3 2 优先发展钢、铝等当前使用量 较大的金属材料回收再利用技 术
  28. 28. LCA模型在 浙江省白纸板造纸业 的应用实例研究 案例2
  29. 29. 目标与范围--研究目标 1 识别和评价涂布白纸板生产过程中不同生命周期阶段的环境影响 比较造纸生产过程中不同的废纸利用率的潜在环境效益 2
  30. 30. 产品系统及边界 本研究的系统边界包括 以下几个过程: 1 漂白针叶木硫酸盐浆的生产 2 废纸制浆 3 涂布白纸板的抄造 4 废水处理 5 电能、热能的生产
  31. 31. 影响评价方法 本研究采用了中国科学研究院生态研究中心根据SETAC和工ISO关于LCA的 影响评价阶段的概念框架开发的评价模型框架进行浙江省白纸板造纸业的生 命周期环境影响评价。 模型包括相互联系的五个技术步 骤: 清单分析 影响潜值 标准化 加权 影响指数 生命周期影响评价框架
  32. 32. 数据来源 本研究的统计数据主要来自2000— 2002年的《中国造纸年鉴>》,实际工艺 消耗、排放等数据来自浙江天听纸业涂 布白纸板生产车间的实测报告。
  33. 33. 清单分析——原材料消耗 根据浙江省天听纸业涂布白 纸板生产日报表,生产1t涂布白纸 板的主要原料消耗情况如右表。 87.5%为该厂实际废纸利用 率,为了比较不同废纸利用率的 资源消耗和环境排放情况,假设 废纸利用率为45%(2002年全国 平均)用该厂的技术水平计算不 同废纸利用率的消耗和排放情况。 表1 涂布白纸板的原料消耗
  34. 34. 废纸浆和化学浆消耗比较情况 表2 废纸浆和化学浆消耗比较情况 清单分析——能源消耗
  35. 35. 表3 白纸板的生命周期能源消耗 清单分析——能源消耗
  36. 36. 白纸板的生命周期水环境污染负荷(kg/t) 清单分析——环境排放
  37. 37. 生命周期影响评价 根据清单分析的结果,浙江白纸板造纸生产可能造成资源耗竭和潜在环境影响,见表4 表8 制浆造纸生命周期环境影响类型
  38. 38. 生命周期影响评价——资源耗竭系数 资源的消耗主要集中于不可更新资源。相应的标准化基准值依据全球人均资源 消耗,因此,标准化后的资源消耗NR(j)表达为: NR(j)=RC(j)/RR(j) 其中,RR(j)90为某年全球人均j资源消耗量;RC(j)为该产品的资源消耗 量。 不同资源的权重反映了资源拥有量相对于资源消耗量的稀缺程度。因此采用资 源可供期的倒数做为权重值,加权后的资源消耗潜值wR(j)就表达为: WR(j)= wF(j)*NR(j)=[RR(j)]/RES(pe)*[RC(j)/RR(j)] =RC(j)/RES(pe) 其中,RES(pe)90为某年全球人均资源j的蕴藏量;wR(j)的单位为人当量
  39. 39. 生命周期影响评价 涂布白纸板能源(煤)消耗标准化结果为1.852人当量,权重为0.0058,加 权结果为0.0108人当量。 水资源加权后的资源消耗为0.0239人当量 材林加权后的资源消耗为1.0625人当量 根据资源消耗系数的计算方法,浙江省白纸板造纸业的资源消耗系数为 1.3123人当量。
  40. 40. 环境影响负荷——环境影响潜值计算 表5 浙江省白纸板造纸业全球变暖影响潜值
  41. 41. 环境影响负荷——环境影响潜值计算 表6 浙江省白纸板造纸业酸化影响潜值
  42. 42. 环境影响负荷——环境影响潜值计算 表7 浙江省白纸板造纸业富营养化潜值
  43. 43. 环境影响负荷——环境影响潜值的标准化 表8 浙江省白纸板造纸业的环境影响潜值标准化和加权分析
  44. 44. 环境影响负荷——加权评估及环境影响负荷 浙江省白纸板造纸业生命周期影响的加权分析
  45. 45. 结果分析 通过分析比较,废纸利用率87.5%比废纸利用率 45%单位产品水耗下降%,木材消耗下降26.7%,能耗 下降10.5%。 可见提高废纸利用率可以缓解资源紧张问题,并 可减轻环境污染问题。 不同废纸利用率的环境效益比较环境污染 造纸业产生的环境污染问题主要 为区域性的环境问题,全球性的和局 地性的环境问题相对较小
  46. 46. 对策建议——减污措施 采用先进的洗涤、筛选工艺及设备 对碱法化学制浆的废液必须进行碱回收,以回收化学药品,减轻污染。 采用无氯漂剂进行漂白(如H2O2、03),采用现代漂白工艺及设备,逐步 减少废水排放量。努力实现“全封闭工厂”。
  47. 47. 对策建议——优化原材料结构措施 造纸业应结合本国国情,充分利用国内现有的非木材资源(如芦苇,蔗渣等)。 玉米淀粉制作的一次性餐具
  48. 48. 充分回收和利用废纸,提高废纸利用率,也是解决当前造纸工业原料紧缺和环境污染严 重的有效措施。 对策建议——优化原材料结构措施
  49. 49. 再循环 工艺设计 案例3
  50. 50. 电子工业中LCA应用存在以下困 难: 1. 大多数电子产品的复杂性需要 大量的数据采集工作; 2. 电子的肆虐技术开发意味着过 去几年内过时的清单(LCI)数据; 3. 全球供应链需要 全球数据采 集和对区域环境影响考虑; 4. 由于电子器件的复杂材料组 成,产品生命末期情况非常复杂 5. 特殊的工艺化学品和具有特定纯 度水平的散装化学品意味着上游工 艺的重要数据的缺口; 6. 特殊的过程化学品会造成特定 排放,其影响评估的数据相当有限。
  51. 51. 产品开发的步骤 对 环 境 的 影 响 力 逐 步 下 降
  52. 52. 首次丢弃废弃物处理 优先等级
  53. 53. 电子产品LCA当前的状况 1 生命周期分析适用于范围更广,时间框架更广的评估,如决策和 趋势分析。 当创新周期短,进程改进迅速,使用模式变化快速等情 况出现时,LCA方法使用困难 2 对于短期决策,如“实时生态设计”,LCA方法需要太多的数据 以至于不能被有效地利用。 用于LCA应用的筛选工具会更加有效,因 为它们专注于特定的环境方面
  54. 54. MFCC的三种潜在的报废方案 A. 通过“常见的电池回收系统” (GRS)收集磨损的MFCC B. 与其他废旧电气电子设备收集 C. 不与家庭废物一起单独收集和处理 MFCC(多功能芯片卡)的总体环境绩 效将在报废时确定,回收利用的资源包括 贵金属,污染物(一些重金属,卤素)和 能源含量(热值)。 因此,以下评估严格 地关注于报废分析: 根据德国和欧洲的立法以及现有的废 物处理程序,定义了三种潜在的报废方案。
  55. 55. A.常见的电池回收系统(GRS) GRS是用于回收消费电池的国家收集系统。 客户可以将废旧电池放在超市和其他销售点的 电池盒中。在随后的过程中,将收集的电池分 类。 MFCC将被分类成单个部分,因为它们在 几何规格上显着不同。然而,对于Zn,Ni-Cd, Ni-MH,Hg和混合电池,新芯片卡或现有电池 回收过程的芯片卡的最佳分配尚不清楚。这种 回收情况的优点是单独产生具有可能用于特别 适合(电池)回收的MFCC废物馏分。缺点是 需要高度的客户意识和合作,以及需要为 MFCC建立新的分拣过程和(最终)新的回收 过程。
  56. 56. B.与其他废旧电气电子设备收集 根据WEEE指令,新的收集系统将 于2005年8月建立,客户可能不得不将 旧的MFCC与其他电子和电气设备一起 处理。 随后,将采用用于电子废料的 分选和再循环过程(例如铜冶炼)。 优点是降低必要的客户意识,并且不需 要特定的卡回收过程。 缺点可能是在 芯片卡内仅包含少量的材料的较低再循 环率。
  57. 57. C.与家庭废物一起单独收集和处理 虽然它不一定被视为“回收”,但是MFCC与家 庭废物的处理也在这里考虑。总有一定量的MFCC 没有被收集。因此,在家庭废物处理过程中卡的 潜在环境方面也应该进行评估。城市固体废物主 要在废物焚化厂进行处理。一般来说,除了铁以 外,其他资源没有回收。然而,塑料被转化为电 或热,因此间接替代发电厂中的其他燃料。这种 处置的优点在于它代表了对于客户最方便的解决 方案,并且它涉及最少的人力和因此产生的经济 费用。然而,包含在MFCC内的大多数资源将与残 渣和灰烬一起处置,导致这些资源从技术领域流 失。
  58. 58. IZM / EE-工具箱 一套专为电子产品和过程的生态设计而设计的筛选评估指标
  59. 59. 1.材料含量材料含量和衍生排放的毒性 有毒排放潜力(TEP)比较了MFCC中所含材料的潜在排放可能造成的危险,因为它们可能在 故障或处置过程中出现(右图)。 较高的TEP值可以帮助我们识别关键组件。 可以看出,用于连接的 芯片卡材料PVC和丙烯酸酯基浆料是主要的,随后是包含在电池中的金属。 Figure 3 MFCC原型的材料组成 Figure 4有毒排放潜能(TEP)评估结果
  60. 60. 2.再循环潜在指标(RPI)基于产品的材料特征与回收和处理过程 的相关性,重点关注特定过程输入的回收过程的技术可行性 右图示出了作为a.整体的MFCC原型;b.电 池和c.不具有电池的MFCC的三个曲线图。材 料轮廓的更强的相关性导致RPI图上的更高的 值。 可以看出,电池的分离对结果没有显着 影响:对于MFCC原型作为整体和对于没有电 池的MFCC,废物焚烧(MSWI)和热解 (Pyrolsis)显示出高的相关性,这是由于芯 片卡主体的塑料材料占了较大的重量百分比。 贵金属精炼(Precious Metal Refinery)和铜 提炼(Copper Smelter)也显示出良好的相关 性。这些方法也是单独回收电池的首选。 Figure 5 回收潜能指标(RPI)评估的结果
  61. 61. 3、原材料提取和供应(ERM)的能量是与材料相关的稀缺性和环境负荷的指标 下表显示了贵金属的明显优势,尽管它们仅含有相对少量的金属,然后是芯片卡材料PVC,其 具有最高的重量百分比。 Figure 6 原材料提取能源(ERM)评价的结果
  62. 62. 结论 1.PVC芯片卡主要材料是 盐酸和氯化有机化合物 的形成在回收过程中有 毒排放的来源。 应考虑 替代材料选择。 2.虽然RPI显示了原型和 城市固体废物焚烧的强 相关性,但是ERM评估表 明能够回收含有(贵重) 金属的过程。 3.电池的分离对于再循环 过程没有显着的优点。 因此,可以从当前设计状态推荐第二种情景(与其他电气和电 子设备废物一起收集),因为它代表了物流和回收的费用与材料回 收的生态效益之间的折衷。
  63. 63. 生命周期评价方法的不足 1) 客观性的局限性 生命周期评价的实 施者对评价 方法的理解、 对被评价系统的认识以 及自身的知 识背景和价 值判断,都决定了LCA很 难完全避免 主观因素的 影响; 2)信息和数据的限制 由于评价指标的多样 性,给产品生命周期的 正确合理评 价带来很大 的困难; 3)时间和区域的局限性 生命周期评价是对系 统产生的环境效益在时 间和空 间上的集成,但 无论评价所提供的原始 数据还是 评价结果,都 无法充分体现时间性和 区域性。
  64. 64. THANK YOU

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