动态生命周期评价的研究与应用现状

陈 莎,孙中梅,李素梅,刘影影,石晓丹

动态生命周期评价的研究与应用现状

陈 莎*,孙中梅,李素梅,刘影影,石晓丹

(北京工业大学环境与能源工程学院,区域大气复合污染防治北京市重点实验室,北京 100124)

生命周期评价(LCA)在理论和实际应用中存在一些局限性,包括清单和评价方法缺乏时间维度和空间维度,主要表现为缺乏对产品能源系统随时间变化的考虑,使用静态的过时的清单数据而非基于时间的动态生命周期清单数据,以及影响评价方面缺乏动态特征因子的选择和计算方法.动态生命周期评价(DLCA)是针对工业和环境系统的时间和空间变化的动态建模过程的评价方法, 可大大提高传统生命周期评价的科学性和准确性.本文从3个方面对动态生命周期评价方法进行总结和评述,即将时间信息作为不确定因素的动态建模分析;生产过程或污染物排放的实时数据的获取;基于时间分化的动态特征因子的影响评价方法.通过目前的动态生命周期评价的研究现状来看,其方法框架并不统一,另外缺乏科学的时间分化的LCI计算的数学模型和软件以及生命周期影响评价的建模解决方案.因此,本文对DLCA未来的发展进行展望,以期为LCA方法的研究、应用、发展和完善提供更多的支持.

动态生命周期评价；时间信息；动态建模；动态数据；动态评价

生命周期评价(LCA)作为一种全新的预防性环境保护策略与手段,主要应用在通过定量化研究能量和物质利用及废弃物的环境排放来评估一种产品、过程或生产活动造成的环境环节[1-3],进而辨识与量化减少环境负荷的关键机会,探求改善环境的方法[4-6].LCA最早应用于1969年的美国可口可乐公司饮料包装的资源消耗和环境释放的特征性分析[7-8].到目前为止,LCA已成为指导企业进行清洁生产,政府管理部门用于制定环境政策[9-10],引导可持续消费等的科学依据[11-15],其作用已无需再证明.然而LCA的理论和应用中仍存在一些局限性,如对经济因素和社会因素等大多停留在定性描述,定量评价的方法和工具较少,而其中由于缺乏对时间和空间信息的考虑,其评价结果的准确性大大降低[16]是LCA最重要的问题之一.

动态生命周期评价(DLCA)方法基于传统LCA,同时考虑时间和空间的背景,明确地将动态过程建模,动态数据的提取等融入到过程和环境系统中[17],从而大大提高了传统生命周期评价方法的科学性和准确性.近些年,DLCA的研究与应用得以较快发展,以解决考虑系统和环境的时间相关性问题,并应用于评价具有较长寿命周期的产品或系统,比如对建筑结构的生命周期环境影响评价,淡水中金属的生态毒性影响;也应用于对能源系统的评价以及产品生产过程的动态数据提取与更新.本文在对静态生命周期的局限性进行总结的基础上,就动态生命周期评价中DLCA模型与应用,动态数据的提取与清单分析,影响类别的动态评价等进行了综述和分析.

1 静态LCA的局限性

作为评价产品或系统从摇篮到坟墓所造成的环境影响,实现可持续发展的理想评价工具,LCA在应用过程中还存在不少问题,限制了其进一步的应用和发展,如Reap等[18]较为系统地论述目前LCA中需要解决功能单位定义,边界选取,影响评价方法的选择,数据质量控制等15个问题[18],而特别是在生命周期评价中缺少对时间因素和空间因素,经济和社会方面的考虑[19-20].有关LCA各阶段存在的主要问题总结见表1.

表1 LCA目前存在的问题

除了以上待解决的问题外,从环境问题和可持续发展的角度上传统的LCA还存在评价方法的标准化和数据的可靠性问题[21],如在对某个产业进行环境影响辨识时,合并式的数据收集方式或者由于基础数据缺失而采用单一企业样本的生命周期评价结果的做法,不利于评价结果中对关键环节的识别,从而降低了决策的科学性[22].因此,传统LCA会导致评价结果误差较大,不同的评价者评价结果差异性大,从而使决策者难以做出正确的决策[23].

生命周期评价是对环境效应进行空间和时间集成,但是无论LCA 中的原始数据还是评估结果,都存在时间和地域上的限制[24].静态LCA方法时间方面的限制在于它的生命周期清单阶段所假设使用的参数始终是固定的或是固定的时间函数,从而忽略了对系统的时间效应和动态反应的考虑[25].但是实际情况却是工业和环境往往是动态变化的,忽略其对时间变化相关的特征就会降低LCA结果对环境问题的真实和准确的反映[26].如随着时间的发展,电力结构的改善,制造效率的提高,能量输入的降低,以及温室气体的能量强度变化等,往往直接影响到评价结果.除此之外,污染物在环境中随时间变化过程也会影响环境影响评价结果,例如,挥发性有机污染物白天光照条件下会产生更多的光化学氧化剂[27];O3在夏季的产生量要比在冬季产生量多[28],还有一些污染物的环境影响需要经历长期的累积过程[29],有些环境影响结果如水体富营养化等在某些区域会出现季节性变化[30].因此,在生命周期评价过程中缺乏对时间信息的考虑对评价结果有着显著影响,在后续的研究中需要在生命周期清单和影响评价过程加入对时间维度的考虑.

在清单分析阶段和影响评价阶段缺乏空间信息也会对评价结果产生很大的影响[31-33].例如有研究发现在欧洲不同区域的二氧化硫和氮氧化物的酸化因素存在显著地区差异[34-35];田亚峻等[36]综述了LCA区域化研究的进展,说明将空间信息数据引入LCA的必要性与可行性[36].空间信息对LCA的影响因素较单一,目前这方面的论文研究较少,而我国也正在致力于建立我国本土化的数据库,以期提高LCA在指导我国的相关环境政策、产品标准、认证评价方面的科学性和有效性.

2 DLCA模型与应用

对于前面所提到的传统LCA的静态性,许多学者已开展了对DLCA的研究,主要是在传统LCA的基础上,考虑产品系统的动态行为,对随时间变化的资源流和其环境影响采取动态建模[25],以提高评价结果的准确性和科学性;或者通过动态建模和模拟来预测产品或系统发展结果,提出生态设计方案,从而获得更为科学的预测数据[37].

目前,动态建模主要应用在能源系统和技术发展,建筑和建筑材料的变化,污水处理技术进步以及新能源汽车方面进行建模评价.随着未来技术的发展,能源系统的结构会发生改变,能源技术参数不断提高,从而降低产品系统的能量消耗;对于外部环境,随着环境意识增强,环保法规不断出台,“能效门槛”不断提高,产品的能源利用效率会持续提高[38].例如,在能源技术参数方面,生产效率的提高,产品寿命的增加,能源转换和燃料生产过程的发展,电力或供热系统的改进,运输系统的生态优化等动态过程都可能会对影响评价结果造成影响.Pehnt等[39]运用DLCA评价可再生能源技术,首先识别出生产系统和技术性能以及背景系统的可能存在的发展,并选用包括钢铁生产、铝生产、电力生产、PV系统的寿命,组件效率和晶片薄度和原材料的损失等动态参数,并对这些参数2030年的状态考虑其最优的发展状况进行设定,最后对可再生能源进行优化参数叠加评价[39].Jun-Ki等[40]结合能源经济模型和LCA来分析不同的能源政策对产品系统的环境影响所造成的动态影响,并建立了动态生命周期清单数据集来评价产品系统的未来生命周期环境影响[40]. Peter等[41]根据市场发展情况对太阳能集中发电技术建立了3种未来技术发展情景,并比较了3种情景下太阳能系统的成本和排放物的环境影响,其中在清单分析阶段,考虑到了产品寿命的增加,电负荷的升级,储存时间的增加,高效率应用,使用材料的降低以及背景系统的改变等动态过程对生命周期清单进行更新,并分析了每一种发展对假设情景的影响[41].

建筑物的环境影响会因其在较长寿命里随时间变化的影响因子而发生变化,比如随社会和经济的进步,建筑施工技术和机器效率明显提高,建筑材料的消耗,输入输出流和能源结构都随时间发生变化;除此之外,居住者的行为变化也会使建筑物的环境影响发生变化.Su等[42]考虑了技术进步,居住者行为变化,动态特征因子和动态权重因子4个因子的动态变化,建立了建筑环境影响评估的DLCA框架,但目前还没有应用到实例研究中[42].Collinge等[43]确定了建筑物随时间变化的主要时间变量,即单元过程的动态建模,工业系统的时间变量,资源或排放物的时间变化和环境系统的时间变化,并分别从环境保护[43],人类健康评价[44]和生产力[45]等方面对建筑物进行动态生命周期评价.Amit等[46]基于失效概率方法和建筑物统计寿命分布对美国水泥库存量进行动态建模评价[46].Faria等[47]将动态建模和LCA相结合对污水处理厂的6种污水处理工艺进行评价,比较了参考系统和代替系统的优缺点,从而对污水处理系统进行优化[47].

把时间和空间变化作为不确定参数,应用情景分析法评价量化工业和环境的影响也是较常应用的动态建模方法[43].情景分析法又称前景描述法,脚本法,是将规划方案实施前后,不同时间和条件下的环境状况,按时间序列进行描绘的一种方式,对评价对象可能出现的情况或引起的后果做出预测的方法.它往往可以反映出不同方案情景下的环境影响结果,以及一系列主要变化的过程,便于研究、比较和决策[48].Wang等[49]针对消费者对饮用水的选择行为假设了6种情景,并对不同情景下饮料消费习惯的环境影响进行生命周期评价[49].Jack等[50]对手机回收处理考虑了3种回收方案包括回收率的变化,评价未来不同回收情景下手机回收处理的环境影响[50].Faria等[47]利用3种平台(BioWin®[51], Python™,Umberto®)将动态建模与传统LCA相结合,比较了6种情景下的污水处理方案,最终得到污水处理厂的最优处理方案.吴志新等[52]在对纯电动车进行生命周期评价时,分析了未来电力情景,基于往年的电力结构和电力技术水平,根据我国电力发展趋势,包括未来我国电力格局及发电技术的发展变化,通过预测研究及专家咨询,设定了我国2020年的电力情景,结果表明随着电力结构的优化,电力技术进步,热电联产规模扩大,我国纯电动汽车的减排潜力逐步释放[52].目前有关DLCA的建模研究与应用总结见表2.

表2 动态建模研究与应用

动态建模与传统LCA的结合,不仅可以对大量的影响参数,处理情景,以及评价目的进行模拟,从而得到产品生产的最佳工艺,生态设计的最佳方案,废物处理的最佳方式等,也可以用来对某个行业或系统的整体趋势进行评估.但目前动态建模用于生命周期评价的领域还不够广泛,仅仅用于对能源、技术、建筑物、污水处理以及新能源汽车方面等的评价,未来在新材料的开发与应用,新技术与产品的评价方面等可以进一步研究与建立科学的动态生命周期模型进行指导.

3 动态数据的提取与清单分析

LCA最为关键的部分就是数据清单分析,其数据质量和准确度对评价结果的可靠性具有至关重要的意义[53-55].然而传统的LCA的数据清单大部分来自于已有的大型数据库,而其数据往往比较分散;数据之间关联性较差,数据更新慢,缺乏代表性等导致评价结果精确性降低[56-57];对于原料的提取,使用和排放的时间和空间特性也缺乏考虑,这大大降低了结果的环境相关性[26].因此要想保证清单数据的准确性,来自于生产过程的实时监测数据[58]显得尤为重要.

目前,DLCA中动态实时数据提取方法的研究与应用主要集中在生产制造过程的能耗和排放数据以及建筑物内部的污染物的实时监测等.为解决实时监测数据的获得问题,Kara提出把电力消耗分为3个等级:工厂,部门和单元过程,对其制造过程的电力消耗进行监测[59];Behrendt等[60]提出了一种先进的能源管理程序来监测实时能源消耗数据并识别每个单元过程的能源消耗[60].只有实时数据是不够的,还需和传统的生命周期影响评价方法相结合,Narita等[61]提出了一种结合数控控制系统从制造过程收集的动态LCI数据与背景数据库相结合的环境负担预测系统[61];Jiang等[62]基于LCA建立了一种制造过程的环境性能分析仪,利用制造过程中不同操作条件下的实际值形成影响矩阵来评价制造工艺方案环境性能[62].Remo等[63]提出了一种基于Web的制造过程动态生命周期清单和影响评估方法,以提高环境方面和潜在影响的数据质量和准确性.首先是应用MTConnect® standard对从机器上安装数控系统得到的数据进行分类,并根据因特网互联协议汇编成机器和人都能识别的语言,再通过代理软件对收集的数据进行排列、储存,最后通过客户端应用程序把收集的数据与背景LCA数据库结合,提供能源消耗和排放的LCIA结果并传到用户界面[63],如图1所示.

图1 制造过程的动态数据提取方法[63]

对建筑物进行LCA时,其实际能耗与建筑内部污染物的实时浓度也会对评价结果产生影响. Collinge等[64]在对建筑物进行生命周期评价时发现是否对建筑物的实际能耗进行监控对评价结果的准确性会产生重大影响.随后该课题组把室内环境质量与LCA方法相结合,借鉴前人的单室模型方法加以改进,用测量得到的污染物浓度代替传统的排放因子,并通过在研究建筑上安装先进的能源消耗与室内空气质量传感器得到能源消耗(包括加热制冷和电力使用的监测 )各类污染物浓度(CO2,PM2.5, VOCs)实际检测数据,建立了简化的计算模型,对室内空气的毒性影响进行评价[65].

动态的影响评价结果是基于动态LCI数据,但是对于LCA成百上千的过程考虑其动态清单是不现实的,其耗时性及数值的庞大导致结果还不如静态LCA准确[16],Collet等[26]建立了基于对影响的贡献程度,来逐步选择需要考虑动态过程的通用方法.这使一些不必要的过程采用传统的静态处理,大大减少了动态评价的工作量.对于时间分化的LCI用时间特征常数因子(CFs)来计算,传统的LCI计算公式会对矩阵求逆,但这会使LCI的时间信息缺失,Beloin等[16]应用幂级展开式来解决这一问题,创造了加强结构路径分析法(ESPA),它可以用于在整个产品系统中传播过程相关的时间信息,即在单位过程水平定义的时间信息.ESPA方法是利用过程相关时间分布来描述基础流和过程流获得时间分化的动态生命周期清单,并提出新的LCI计算方法,即卷积在幂级数展开算法中的应用,使过程相关的时间信息的传播成为可能.此方法得到的生命周期清单可以应用于Levasseur等[66]建立的环境影响评价方法,但目前仍然不能和传统的LCA数据库相结合.Tiruta-Barna等[67]建立了一个动态LCI方法,运用传统生命周期评价中的技术矩阵和环境干预矩阵,对所选数据库中每个过程定义一组时态参数,能够处理生命周期系统中复杂的供应链和过程,并和传统的LCA工具和数据库相结合.该课题组应用此方法建立了化学,生物化学和废弃物处理过程的时间参数.目前包含供应链和过程的时间参数和时间依赖的数据库正在开发中[68].

制造过程的实时能耗以及污染物实时排放动态数据的获取可以极大提高评价结果的准确性.尽管前人对于动态数据的提取方法有所研究,但仍没有形成动态LCI数据库的通用方法,而且庞大的动态数据也不利于管理.目前,动态数据的获取应用到实例研究还很少,未来需要通过大数据的分析和管理技术,建立科学有效的数据提取管理方法,提高生命周期评价清单分析阶段的精确性,建立我国生命周期清单具有时空分辨性的数据库.

4 影响类别的动态评价

生命周期影响评价是对清单分析阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征评价,即确定产品系统的物质,能量交换对其外部环境的影响[69].其目的是通过使用与LCI结果相关的影响类型和类型参数,从环境角度审查一个产品系统,或者根据所选定的类型参数,对产品系统间进行比较.目前对于产品的生命周期影响评价国内外多采用的是SETAC在1991年建立的方法[70-71].

传统的影响评价是对某确切的时间段进行量化,无法和时间序列的动态清单结合,或者说无法加入时间信息;Arbault等[72]在研究生态系统服务的生命周期环境影响时指出,传统的LCIA不考虑环境机制的动态特性,导致得出的是常数特征因子,结果不具有代表性.此外,在对多个产品系统进行比较时,也存在时间框架不一致的情况,比如Levasseur等[66]应用LCA研究评价气候变化时选用不同的时间线得到不同的评价结果.目前LCA中进行对气候变化的影响评价时多采用国际气候变化专门委员会 (IPCC )提出全球气候变暖潜势特征因子GWP.GWP为单位质量的某温室气体在给定的时间范围内,相对于当量CO2的累积辐射强迫值,其数学表达式为[66]

当应用GWP评价全球变暖影响时,存在一个时间范围不一致的情况,这是由于不同温室气体的寿命不同,当选择较长时间范围时,其计算结果会有很大不同;比较评价不同产品或系统的全球变暖影响时,也存在不能在同一个时间框架里进行比较的情况.针对这种时间范围不一致性,通常在LCIA选用无限时间范围来考虑总的潜在影响或者是采用折现率来比较短期与长期的排放.在美国EPA研究中,使用了3种折现率 (0,2%,3%)和3种时间范围 (30,50,100a).在国内,也有在LCA中应用时间折扣的研究,并应用到洗碗机产品实例中[73].但是Hellweg等[74]认为在LCA中使用折现率违背了伦理价值观.因此,需要建立一个可调整时间范围的特征因子来对环境影响进行量化.

Levasseur课题组在全球变暖影响动态评价方面做了一系列的研究和应用工作.他们首先建立动态特征因子的数学模型,计算了以一年为跨度的瞬时动态特征因子,通过每年的数据收集,对全球变暖影响进行计算并用于评价生物燃料代替化石燃料的环境影响[66],此方法考虑温室气体排放的时间剖面而不是在清单分析过程对温室气体进行简单整合.随后他们将此方法来评价通过土地利用改变和造林造成的临时碳汇项目的温室气体减缓效益[75],评价4种最终处理情景的环境影响[76];Yang等[77]采用此方法评价沼气项目的全球变暖影响.尽管如此,对于很少的物质和有限的时间范围,必须计算成千上万的特征因子,这使得该方法应用起来非常困难.在LCA中结合污染物在环境中的传输模型,环境质量模型等对其环境影响进行评价也见报道,如Shah等[30]结合3种光化学空气质量模型(CAM-MM5- SMOKE)对光化学污染物NO的形成,迁移,转化和去除进行模拟,并建立以月为时间单位的特征因子,通过对NO在环境中的归趋,人类和生态系统暴露水平等的解析,评价了其对环境和人类健康的影响. Fanny等[78]建立评价淡水生态毒性影响的时间特征因子并应用于农业中锌肥的生命周期评价,但是并没有解决非持久性有机物的环境行为,以及在实际LCA案例中复杂的具有时间变化的生命周期清单.

影响类别的动态特征因子的建立实现了对时间信息的加入,可以结合以不同时间尺度收集的数据进行评价,提高了评价的准确性.目前对于影响类别的动态评价方法建立还不够完善,影响类别的计算方法比较复杂,目前主要还集中在全球气候变暖的动态特征因子建立和评价上,对于其他的影响评价类别还缺少一定的研究,未来还需要致力于LCA与其他环境释放,影响等模型的结合,建立相应的动态特征因子,尤其是在环境中长期存留以及可能发生迁移和转化的污染物质的环境影响评价,以及对于不同物种的影响评价等,并通过特征化的指标建立通用的动态影响评价方法.

5 展望

DLCA是在传统LCA的基础上加入了对时间和空间的考虑,可以大大提高评价结果的准确性,科学性和针对性.目前研究主要集中在动态建模,动态数据提取以及影响类别的动态评价上.但是从目前的研究来看尚有许多需要改进之处.

动态建模可以通过对大量的影响参数、处理情景以及评价目的进行动态模拟,从而得到产品生产的最佳工艺、生态设计的最佳方案、废物处理的最佳方式,也可以对整个行业或系统的整体趋势进行评估.但是目前的研究缺乏对动态指标的选取原则,以及缺乏差异性环境下动态指标的量化方法,未来还需进一步研究.

通过获得实时能耗和排放数据提高清单分析阶段的数据质量,在生命周期清单数据库中加入时间信息可以使评价结果更加准确.然而对以时间为尺度的数据清单进行收集是一项很繁重的工作,需要企业或工厂对数据进行长期的收集和整理,因此需要大数据技术分析与管理,为后续LCA数据库的建立以及LCA的评价提供有力支撑.

目前影响类别动态评价的方法并不统一,不同的影响类别有着不同的时间尺度,已建立的以年为时间尺度的全球变暖影响的动态特征因子并不适用于其他影响类别,未来还需进一步研究建立包括时间和空间因素影响评价的动态特征因子,使生命周期评价结果更具有科学性.

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Research and application status of dynamic life cycle assessment.

CHEN Sha, SUN Zhong-mei, LI Su-mei, LIU Ying-ying, SHI Xiao-dan

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(12)：4764~4771

Life cycle assessment (LCA) is the most widely used tool for the environmental evaluation of system and its capabilities no need to be proved. However, there are still several limitations in its theory and application, including the lack of temporal dimension and spatial dimensionin its inventories and impact methods. These limitations mainly include ignoring the changes of products and energy systems over time; the use of static and outdated historical inventory data instead of time-based life cycle inventory (LCI) data; and lacking thechoose and calculation methods of the dynamic characteristics factors inimpact assessment. Dynamic life cycle assessment (DLCA) is an evaluation method of modeling ofdynamic processfor the industrial and environmental system with temporal and spatial dimensional change, which can accurately and scientifically improves the traditional life cycle assessment results. This paper summarized the present studies on the DLCA in three parts: dynamic modeling and analysis using time information as an uncertain factor; dynamic data extraction methods of production process or pollutant emissions based on real time; impact assessment methods of dynamic characteristic factors on the basis of time differentiation. At present, the DLCA method doesn’t have uniform framework. Besides, there is no scientific mathematical model and software for time-differentiated LCI calculation and modeling solution for life cycle impact assessment. So this paper will provide an outlook of the future development of DLCA in order to support for the research, application, development and improvement of LCA method.

dynamic life cycle assessment；temporal information；dynamic modeling；dynamic data；dynamic evaluation

X820.3

A

1000-6923(2018)12-4764-08

陈 莎(1968-),女,四川乐山人,教授;博士,研究方向为环境污染物分析与生命周期环境评价.发表论文50余篇.

2018-04-23

国家重点研发计划国家质量基础的共性技术研究与应用(2017YFF0211801)

* 责任作者, 教授, chensha@bjut.edu.cn