Home CCS Nieuws Wie zijn wij Wat doen wij Werken bij CCS Bekijk onze nieuwsbrief Contact
< WERKGEBIEDEN
Exergie

MEER WETEN?
Neem dan contact met ons op. Bel 0570-667 000 of
stuur een e-mail
Aanmelden nieuwsbrief
Nu ook te volgen via:



Life cycle analysis

Algemeen
Deze pagina, bevat een uit het Engels vertaald artikel over levenscyclus analyse, met exergie als hulpmiddel. Het plaatst LCA’s in hun perspectief, en geeft aan hoe exergie kan bijdragen aan een betere LCA. Het origineel van dit artikel staat op onze Engelstalige pagina. Voor mensen die minder bekend zijn met het begrip exergie, strekt het tot de aanbeveling om eerst de andere artikelen over exergie te lezen op onze website.

Samenvatting
Life cycle analyse (LCA), of met andere woorden levenscyclus analyse, is de afgelopen decennia ontwikkeld. Een compleet raamwerk is opgesteld om deze analyses uit te voeren. In dit raamwerk is het concept van exergie of vergelijkbare thermodynamische concepten niet opgenomen. In dit stuk zal worden aangetoond dat voor echt duurzame ontwikkeling de uitputting van exergie reservoirs en de emissie van exergie geminimaliseerd zal moeten worden, omdat bij alle productieprocessen exergie verloren gaat. Om dit inzichtelijk te maken wordt voorgesteld om een LCA uit te breiden met een exergetische levenscyclus analyse (ELCA). Deze methode is in dit stuk uiteengezet. De termen exergieloze emissie en gereduceerde exergie emissie is geïntroduceerd. Het is aangetoond dat in het geval van een gebruiksketen of productiefaciliteit met exergieloze emissie, een LCA compleet vervangen kan worden door een ELCA. Een uitbreiding van de ELCA methodiek is gepresenteerd, waarin de impact van emissies worden vertaald naar de exergie die het kost om ze naar hun natuurlijke staat terug te brengen.

Inleiding
De laatste paar decennia is een levenscyclus analyse (LCA) methodiek opgesteld voor analyse van milieuproblemen, geassocieerd met productie, gebruik en het zich ontdoen van producten of systemen van producten. Aan de LCA is een verbeteranalyse gekoppeld om de milieudruk van de geanalyseerde producten te minimaliseren. Het zal aangetoond worden dat deze LCA analyse nog sterker wordt, wanneer de LCA wordt uitgebreid met een exergetische levenscyclus analyse (ELCA).

Standaard werkwijze Levenscyclus analyse
De LCA gebruikt de van “wieg tot graf” benadering. Er wordt rekening gehouden met de complete levenscyclus van het product, inclusief eventuele recycling. Een LCA bestaat uit 4 hoofdstappen: In de doeldefinitie en de bepaling van de analysegrenzen wordt bepaald wat geanalyseerd moet worden in relatie tot de beoogde toepassing. De functionaliteit van het product, de geografische schaal en de tijdshorizon moeten worden bepaald. In de interactie-analyse wordt de complete levenscyclus van het product geanalyseerd, leidend tot een tabel met interactie met de omgeving. Hierin staat zowel de inname vanuit de omgeving, als wel de emissie naar de omgeving. In de volgende fase, de impact analyse, wordt hier een waarde aan gehangen. De impact analyse is een stapsgewijs proces. In de eerste stap, de classificatie, wordt bepaald welke milieuproblemen worden beschouwd, en welke inname en emissies (uit de interactie-analyse), hier invloed op hebben. In de tweede stap, de karakterisering, wordt de invloed van alle innames en emissies op de geselecteerde milieuproblemen bepaald. De laatste stap is de waardering van deze milieuproblemen. De laatste component van de LCA is de verbeteranalyse. In het huidige LCA raamwerk wordt de uitputting van niet-biologische bronnen berekend door het jaarlijkse materiaalverbruik te delen door de materiaal reserve.

In het geval van mineralen zal de materiaal reserve altijd constant blijven. De mineralen blijven ook na gebruik bestaan, alleen de concentratie en chemische structuur van de mineralen zal veranderen. Daarom is het met voldoende energie in principe altijd mogelijk om de gewenste concentratie en chemische structuur van de mineralen te verkrijgen. Aangezien er geen relatie is tussen reserve en materiaalgebruik in de betekenis van de bovengenoemde formule, is deze voor mineralen minder relevant. In het geval van fossiele brandstoffen, zal de materiaalreserve veranderen door het gebruik. Bij het gebruik van fossiele brandstoffen zijn we geïnteresseerd in het arbeidspotentieel, welke de brandstof grotendeels verliest na het meest voorkomende gebruik van verbranding van de brandstof. Het delen van materiaal verbruik door de materiaal reserve is een manier om de uitputting van fossiele brandstoffen te beschrijven, echter een criterium op basis van arbeidspotentieel is ook mogelijk en gewenster. Een nieuw criterium voor de uitputting van niet biologische bronnen wordt geïntroduceerd welke de relatie beschrijft tussen het gebruik van mineralen en uitputting van fossiele brandstoffen, welke gebaseerd is op het arbeidspotentieel van de materialen.

Exergie en de relatie met duurzaamheid
Tot op dit moment is het concept exergie niet gebruikt in LCA’s. Dit kan gezien worden als een tekortkoming in LCA’s, omdat er een directe relatie is tussen het gebruik van exergie voor fossiele brandstof en mineralen en duurzame ontwikkeling ten gevolge van uitputting van de natuurlijke bronnen. Exergie is gebaseerd op de eerste en tweede thermodynamische hoofdwetten en is gedefinieerd als de maximale hoeveelheid arbeid die gewonnen kan worden uit een materiaal of ook wel de energiestroom ten opzichte van de omgeving. Om het gebruik van natuurlijke hulpbronnen te minimaliseren kan een exergie analyse gebruikt worden. Een exergie analyse toont waar het arbeidspotentieel ten opzichte van de omgeving van de natuurlijke hulpbronnen verloren gaat, oftewel waar onomkeerbaarheid optreedt. Het maximale arbeidspotentieel van een stroom kan alleen bereikt worden bij een omkeerbaar proces. Voor duurzame ontwikkeling moet het gebruik van de exergiereservoirs van de natuurlijke hulpbronnen tot een dusdanig niveau worden teruggebracht, dat het milieu niet onomkeerbaar wordt beschadigd, en dat de exergietoevoer voor volgende generaties verzekerd is.


Er is geen reden om onderscheid te maken tussen verschillende soorten materiaal. Als bijvoorbeeld een exergiereservoir van erts met hoge concentratie zink, ten behoeve van zinkproductie is uitgeput, kan een ander exergiereservoir, bijvoorbeeld kolen of olie, gebruikt worden om een erts met lage concentratie zink te gebruiken. Men zou kunnen beargumenteren dat het nodig is om een onderscheid te maken tussen biologische en niet biologische bronnen gemaakt zou moeten worden. In de huidige maatschappij zijn er echter vele situaties, waarbij niet-biologische bronnen worden gebruikt om biologische bronnen te vervaardigen. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van kunstmest en kassen voor de voedselproductie. Daarom is het onderscheid tussen deze twee typen minder relevant.

Exergie vernietiging kan dus gebruikt worden als een criterium voor de uitputting van natuurlijke hulpbronnen. Uitputting van biologische bronnen kan nog steeds een bedreiging zijn voor sommige regio’s, bijvoorbeeld door uitsterven van bedreigde diersoorten. Daarom is dit laatste criterium wel waardevol op een regionaal niveau, maar niet als algemeen criterium op een globaal niveau. Exergie is ook waardevol in een wereld waar het meer en meer mogelijk is om schadelijke emissies en afval van elkaar te scheiden en om te zetten in ongevaarlijk afval of zelfs nuttige producten. Om deze scheidings- en transformatie processen uit te voeren wordt exergie vernietigd, omdat deze processen, net zoals alle processen onomkeerbaar zijn. Als alle schadelijke emissies omgezet zouden kunnen worden door dit soort processen, zou het zelfs mogelijk zijn om de milieu-impact van producten te bepalen met alleen het criterium voor exergie. Exergieloze emissie, dat wil zeggen, emissies met nul exergie, zijn schadeloos voor de omgeving, omdat zij qua chemische samenstelling en fysische eigenschappen gelijk zijn aan de omgeving. In deze gevallen kan de LCA volledig vervangen worden door ELCA. Echter, als de emissies een kleine exergiehoeveelheid hebben, dan kan de emissie al schadelijk zijn.

Exergetische Levenscyclus analyse (ELCA)
Het raamwerk van een ELCA lijkt op dat van een LCA. De doel definitie en de bepaling van de randvoorwaarden zijn gelijk. De interactie analyse van de ELCA is meer gedetailleerd dan bij de LCA. Een complete massa- en energiebalans van de verschillende productiestappen is wenselijk. Deze balans moet sluitend zijn. Het is echter ook mogelijk om uit te gaan van een versimpelde black-box benadering, waarbij alleen de input- en output stromen van de productieprocessen in ogenschouw worden genomen. De impactanalyse fase is slechts de berekening van de grootte van de exergiestromen en de bepaling van de exergievernietiging in de verschillende productiestappen. De som van alle exergievernietigingen in de levenscyclus geeft de levenscyclus onomkeerbaarheid. De exergieanalyse geeft de plaats van exergievernietiging aan, en in de verbeterfase kunnen verschillende mogelijkheden aangeven worden om de vernietiging te verminderen. De verbeteranalyse kan uitgebreid worden met een analyse van exergiekosten (een analyse waarbij kosten, maar ook emissies, gealloceerd worden op basis van exergie-inhoud). Indien in de interactie-analyse gewerkt is met blackboxes dan is het alleen mogelijk om verschillende blackboxes met elkaar te vergelijken in de verbeteranalyse.

Processen met Exergieloze emissies
In het bijzondere geval van processen, waarbij de emissies in evenwicht zijn met de omgeving, en er dus geen schadelijke emissies optreden, is sprake van een proces waarbij de emissies een exergie van 0 hebben, zij zijn dus exergieloos. In dat geval kan de LCA volledig vervangen worden door de ELCA. Een proces is een duurzaam proces, wanneer de emissies lager liggen dan het acceptatie niveau van de omgeving of lager dan de emissiegrenswaarden gebaseerd op deze niveaus. In plaats van exergieloze emissies, kan men ook uitgaan van de duurzaam houdbare emissieniveaus.

Exergieloze emissie levenscyclus analyse (0-ELCA)
De ELCA kan uitgebreid worden met de uitbanning van de exergie van emissies. Hierbij wordt aangenomen dat de emissies weer teruggebracht moeten worden tot hun toestand in de omgeving, door scheiding en transformatieprocessen, voor zover mogelijk. Deze processen verbruiken exergie. Door de exergievernietiging van deze processen toe te kennen aan de schadelijke emissies is het mogelijk om producten te vergelijken, louter op basis van exergie. Het is niet noodzakelijk dat de emissies echt uitgebannen moeten worden op het moment van emissie. Hierdoor is de ELCA uitgebreid om alle milieuproblemen mee te nemen, en niet alleen de uitputting van natuurlijke hulpbronnen. Wel moet ten alle tijden rekening gehouden worden met de lokale impact van deze emissies.

Conclusies
Het huidige criterium voor uitputting van natuurlijke hulpmiddelen binnen LCA’s is niet erg geschikt. Als criterium voor de uitputting van natuurlijke hulpmiddelen zou exergie gebruikt moeten worden. Hiervoor moet de LCA uitgebreid worden tot een ELCA. In het geval van een product met exergieloze emissies kan de hele LCA vervangen worden door een ELCA. Een methode is voorgesteld om de ELCA zo uit te breiden, dat de ELCA methode ook toepasbaar is voor niet exergieloze emissies, waarmee alle milieuproblemen in één criterium gevat kunnen worden.


 
Postadres: Postbus 780 7400 AT DEVENTER Bezoekadres: Binnensingel 3 7411 PL DEVENTER           Tel. 0570-667000            Email: info@cocos.nl
ONLINE SCANS
 
ExergieSchat

TOOLS & DOWNLOADS
 
OptiJoule
Wat is ExerCom