LCA methodological framework

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1 LCA methodological framework
王洪涛 Hongtao WANG College of Architecture and Environment Sichuan University 2001 – 2012

2 LCA方法框架 四个反复的步骤： 目标与范围定义 Goal and scope definition (G&S)
生命周期清单分析 Life Cycle Inventory Analysis (LCI) 生命周期影响评价 Life Cycle Impact Assessment (LCIA) 生命周期解释 Life Cycle Interpretation 持续更新的国际标准 清单分析 生命周期影响评价 生命周期解释 目标与范围定义 (ISO14040s 1997) 生命周期影响评价 改进分析 目标与范围定义 清单分析 (ISO14040s 2006) (SETAC 1993) 2

3 LCA方法框架 产品碳足迹 与 节能减排指标 Σ 生 产 与 消 费 资 源 与 环 境 2 生命周期清单分析
Life Cycle Inventory Analysis (LCI) 3 生命周期影响评价 Life Cycle Impact Assessment (LCIA) 清单分析结果 LCI results /功能单位 Water Fe Oil Coal CO2 CH4 CFC COD PO4 NH3-N NOx SO2 Hg PM2.5 …… Σ 开采 生产与制造 运输与分发 使用与维护 废弃与回收 生命周期建模model Characterization factor 特征化因子 影响类型指标 (Mid-point) …… 非能源资源消耗ADP 全球暖化Global Warm. 臭氧层消耗Ozone Deplet. 富营养化Eutrophicat. 酸化Acidification 初级能源消耗Pri. Energy 人体毒性Human Toxic. Characterization factor特征化因子 影响类型指标 (Impact category indicator, end-point) 人类健康 （Human Health） 资源消耗 （Resources ） 生态系统质量 (Ecosystem Quality) 特征化指标 = Σ ( 清单物质 x 特征化因子CF ) e.g. GWP = CO2 x 1 + CH4 x 25 + CFC x …（kg CO2 e.） （IPCC特征化因子） 单元过程数据收集 （供应链实景 + 数据库背景数据） Output 输出 Input 输入 原 材 料 / 能 源 大气排放 水体排放 固废 土壤排放 自 然 资 源 Normalization归一化 & Weighting factors权重 归一化指标与 综合指标 Normaliz ation & Overall indicators 生 产 与 消 费 资 源 与 环 境 应该是复杂的树形。系统边界取决于待回答的问题。 这些指标不是单一企业和生产过程、而是整个生命周期的总量。之所以将上游原材料生产过程的贡献汇总在一起，是因为企业可以通过改变原材料种类和用量，改变总量，LCA其实是衡量“节材”的效果。 LCA结果指标：是模型中所有过程贡献的总和，不是单个过程或单个企业的！贡献分析、改进余地 某个过程/企业的改变会导致结构、甚至整个模型的变化！所以可以分析当技术、设备、管理、人员培训、供应链变化的敏感度 4 生命周期解释 Interpret. 改进分析：贡献分析、敏感度分析、改进潜力分析 方案对比分析 经济、社会效益分析 1目标与范围定义 Goal & Scope 产品是什么？ 问题是什么？ 目标受众与目标应用？ 3

4 LCA：建模与计算 建立生命周期模型 追溯上下游，建立产品生命周期模型 = 产品系统(product system)，即全 生命周期过程中被调查的部分 是否应该建立全生命周期模型（包含下游使用、废弃过程），取决于？ 由过程(process)和中间流(intermediate flow)构成 中间流包括什么？ 数据收集 过程清单数据集 process dataset: a set of inputs and outputs of a process which are related/proportional to the same reference flow. 所有过程独立收集数据，有独自的过程基准流reference flow 线性假设：整个数据集可以成比例变化，仍代表同样的生产过程 LCA中的数据通常有两种来源：来自于企业及供应商的数据，称为实景 数据(foreground或primary)。当无法追溯供应商时，通常采用数据库， 一般为行业平均数据，称为背景数据(background或secondary)。 实景数据的质量（代表性）好于背景数据，但数据收集工作量和难度更 大。 4

5 LCA：建模与计算 生命周期清单分析LCI
从生命周期模型的基准流R(reference flow)开始，调整各过程的比例 系数s (scaling factor =下游消耗量a与上游产出之比) 过程系数 s1 = R/r1，s2 = (R*a)/(r1*r2)， s3 = (R*a*b)/(r1*r2*r3)，…… 线性假设：可见任何LCA结果都与基准流R成正比。 LCI results =调整比例 (scaling)后各过程dataset之和，结果是 基准流被保留下来：即系统总产出，对应功能单位(functional unit) 中间产品抵消：上游产品产出 = 下游原料投入 资源投入和环境排放(elementary flow)累加： 如 CO2LC = s1*CO21 + s2*CO22 + s3*CO23 + … 上述计算方法的实质：中间产品被替换为这些产品生命周期 生产过程的资源消耗与环境排放 由此，追溯了各种投入的环境影响（在上面的计算式中是如何表现 的？），可以评价“节材”或“原材料替换/变化”的效果。 由此，环境问题在各生命周期阶段的转移被显示出来 如果LCI结果中仍有产品被保留下来，意味着？ P3 P2 P1 r1 r2 r3 -a -b R 5

6 LCI中的包含与对应关系 - resources elementary flows process 1 dataset 1
+ emissions Whole life cycle : - product inputs : Product system product flows LCI results process i dataset i + product outputs ×si : : + waste to be treated process n dataset n waste flows - waste generated

7 LCA：建模与计算-生命周期影响评价LCIA
4.1 特征化指标(Normalization) 存在的问题 清单物质指标太多，而且并非我们关心的环境问题本身（如资源能源消耗 、温室效应、酸化、富营养化、人体毒性、生态毒性等等） LCIA方法研究： 方法：确定一种环境影响类型 → 找出相关清单物质 → 建立环境影响模型 （因果链）→ 选择一个效果参数 → 选择一种基准物质 → 得出各清单物质 的特征化因子（当量因子，折算因子） 例如：全球暖化 → 各种温室气体（GHG）→ 大气模型（mid-point）/升温/ 损害模型（end-point）→ 辐射增强效果（IPCC方法采用mid-point） → 以 1kg CO2为基准物质 → 各温室气体的当量值 例如：酸化 → 各种酸性物质排放 → 大气（mid-point）/沉降/损害模型（ end-point） → 电离出H+数量（CML方法采用mid-point）→以1kg SO2为基准 物质 → 各酸性物质的当量值 LCA案例研究：引用LCIA方法得出的特征化因子，合并同类清单物质 特征化指标如GWP = cf1*CO2LC + cf2*CH4LC + cf3*N2OLC + cf4*CFCLC + …… 7

8 LCA：建模与计算-生命周期影响评价LCIA
4.2 归一化指标(Normalization) 存在的问题 当存在多个清单物质指标、或特征化指标时，哪个指标更重要？ 归一化指标：帮助判断主要影响类别/类型 归一化清单物质指标 = miLC / Ni 归一化特征化指标 = Σ miLC ×cfi / Ni 归一化基准值Ni 通常选取全国年总发生量 归一化指标无量纲，可以帮助辨识产品的主要影响类型 归一化辨识一种产品在整个生命周期中造成的主要影响类型，与全国辨认重点污染行业有关系（某个产品的某个生产阶段，也是贡献分析）。但从改进措施的角度，后者只能通过现场生产改进或末端治理改进，生命周期改进（例如原材料改变）还是需要LCA分析。 8

9 LCA：建模与计算-生命周期影响评价LCIA
4.2 归一化指标(Normalization) 归一化分析示例： 1）产品LCA指标：假设生产1吨水泥的生命周期能耗是500kg标煤 ，生命周期SO2排放是0.2kg。尽管这两个数字相差2500倍，但我们 无法判断哪种影响类型是水泥生命周期的主要影响类型。 2）归一化基准值：假设全国的能耗是50亿吨标煤，全国SO2排放 是2000万吨，两个数字相差250倍。 3）产品LCA归一化指标：1吨水泥的能耗归一化是10^-10（1的负 10次方），SO2是10^-11，所以生产1吨水泥的能耗占全国的比例 高于SO2的比例一个数量级，由此得出“水泥的能耗是比SO2更重 要的影响类型（？）”。 与某行业的重点污染物分析是什么关系？ 归一化辨识一种产品在整个生命周期中造成的主要影响类型，与全国辨认重点污染行业有关系（某个产品的某个生产阶段，也是贡献分析）。但从改进措施的角度，后者只能通过现场生产改进或末端治理改进，生命周期改进（例如原材料改变）还是需要LCA分析。 9

10 LCA：建模与计算-生命周期影响评价LCIA
4.3 综合指标 存在的问题 归一化指标其实只是各产品的生命周期指标“在全国总量中的比例”，并 未合并指标、减少指标数量。当存在多个指标时，各指标常常相互冲突， 使得LCA对比分析无明确结论（inconclusive）。 为进一步合并指标，最直接的方法是添加权重因子，转换为“实际影响或 损害”的大小。 综合指标 = 各影响类型的归一化指标加权求和 overall score = w1*GWP/NGWP + w2*AP/NAP + w3*NP/NNP + … 权重因子w：受主观价值影响，常采用专家调查(panel method)，或基于经 济价值判断，或依据目标距离(distance-to-target)，都是基于环境损害的加 权算法(damage oriented weighting method, DOW) 特征化因子和权重因子都是当量因子，用于合并指标。前者试图基于科学 依据（但很难完全基于科学依据！），后者则直接依据价值判断 因此，ISO-LCA规定加权算法是可选的步骤，非必须。 节能减排综合指标ECER：依据政策目标的加权算法(target oriented weighting method, TOW) 10

11 生命周期解释分析 贡献分析 敏感度分析 方案对比分析 效益分析 分析各过程对各指标的贡献率，从而辨识问题出现的主要环节和原因。
分析清单数据Ij对各指标Yi的灵敏度（=清单数据单位变化率引起的指标变化率，通 常<=1），配合改进潜力估计，从而辨识最有效的改进点。 定义：Sij = (⊿Yi/Yi)/(⊿Ij/Ij)，例如Yi = a*b*c + d*e*f*g + h*k + …… 问题：贡献与敏感度分析的差别与联系？ 方案对比分析 如存在多种可选方案，可建立多个模型对比分析。 在管理改进、技术改进、结构调整等具体措施中，通常会引起多个变量的变化 。 基于情景分析，也可进行对比分析。 如果分析全行业改进潜力，还需考虑市场占有率。 效益分析 LCA提供了最佳的产品环境指标，可用于成本效益、生态效率等环境-经济-社会综合 分析 本页是对LCA方法框架中生命周期解释部分的说明。可参考练习题进行理解。 11

12 LCA计算结构 P3 P2 P1 r1 r2 r3 -a -b R GWP NGWP AP NAP
生命周期模型 LCA结果 过程1 贡献 过程2 过程3 … LCI结果 特征化因子 特征化指标 归一化指标 权重因子 综合指标 P3 P2 P1 r1 r2 r3 -a -b R GWP NGWP AP NAP s1*CO21 + s2*CO22 + s3*CO23 + … = CO2LC s1*CH41 + s2*CH42 + s3*CH43 + … = CH4LC s1* CFC1 + s2*CFC2 + s3* CFC3 + … = CFCLC …… s1*SO21 + s2*SO22 + s3*SO23 + … = SO2LC s1*NOx1 + s2*NOx2 + s3*NOx3 + …= NOxLC ×cfCO2 ×cfCH4 ×cfCFC ×cfSO2 ×cfNOx GWP AP × wGWP × wAP S 其中s1 = R/r1，s2 = (R*a)/(r1*r2)， s3 = (R*a*b)/(r1*r2*r3)，…… 按过程展开贡献分析、按物质展开贡献分析 敏感度分析 方案对比分析

13 电力系统简化生命周期建模与分析练习 根据给出的5个过程数据集 （练习用，非完整数据）， 构造生命周期模型，计算 1kWh电力的LCI和LCIA 在Excel表格中完成计算与分 析，准确理解各计算步骤 在eBalance中演练生命周期建 模、计算与分析，并扩展系 统模型。 过程 清单物 质名称 PIO 单位 清单数据 电力混合 电网电力 P kWh 1 火电 I -0.914 水电 -0.161 火力发电 动力煤 kg -0.5 公路运输量 tkm -0.1 SO2 O g 5.68 NOx 2.87 CO2 891 水力发电 CH4 0.286 煤炭开采 硬煤资源 1.09 3 330 5.12 公路运输 柴油 37.63 0.09 1.6 118 0.004 环境影响 类型 物质 特征化因子 归一化基准值 kg 单位 权重因子 温室效应(GWP100) CO2 1.0 1.0E+13 kg CO2 eq/kg CH4 25.0 酸化 (AP) NOx 0.7 1.0E+10 kg SO2 eq/kg 1.5 SO2 13

14 eBalance功能一览 集成三种数据库： 支持LCA标准步骤： 更多增强功能： 中国CLCD 欧盟ELCD 瑞士Ecoinvent
原始数据收集与记录 支持节能减排分析 数据质量评估与控制： 不确定度与敏感度分析 多产品系统 分配与扩展系统边界 多计算方案与自定义图表 多数据组、多分配方法 、多基准流 中英文界面 …… 支持LCA标准步骤： 项目的目标与范围定义 建立任意的生命周期流程图 清单数据输入 手工录入或从数据库导入 LCI与LCIA计算 内置特征化指标、归一化指 标和加权综合指标 图表分析 单方案的改进分析：贡献、 敏感度、改进潜力分析 多方案的对比分析：节能减 排综合指标及达标分析 计算与分析结果输出： 输出到清单数据库、清单文 件（*.inv）、或excel文件

15 LCA软件(eBalance)与数据库 2010年9月19日正式发布 含数据库 CLCD Ecoinvent ELCD
超过400位用户 免费下载

16 eBalance下载与示例文件 下载地址：
激活码（川大教学用）： 3f04aba0e0c691e5427ff79667b06b150268d8ac 需要先安装微软.net运行环境 eBalance各版本功能对照表 作业：写出示例模型的LCA计算结构(见前页)