Prognose von Umweltauswirkungen bei der Entwicklung chemischer Anlagen : ein Beitrag zur ganzheitlichen Bilanzierung

Abstract

Auf der Basis von Methoden zur Prognose von ökonomischen Auswirkungen chemischer Anlagen, der Methodik der Ökobilanzierung und der verfahrenstechnischen Grund-operationen wird eine Vorgehensweise zur Prognose von ökologischen Auswirkungen in der Vorstudie zur Verfahrensentwicklung bei chemischen Anlagen entwickelt. Sie ist angepasst an den Stand der Verfahrensentwicklung, der durch Informationsmangel und eine hohe Zahl von Lösungsmöglichkeiten gekennzeichnet ist. Grundlage der Methode ist die Ökobilanz mit ihrer Abfolge von Modellbildung, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Bewertung. Es werden Stoff- und Energieströme prognostiziert, die direkt in die Wirkungsabschätzung eingehen können. Die prognostizierten Größen sind so für eine Bewertung nach in der Ökobilanz üblicherweise verwendeten Methoden geeignet. Der hohe Datenbedarf als Schwäche der Ökobilanz für den Einsatz in frühen Phasen der Verfahrensentwicklung wird durch den Einsatz von Kennzahlenmethoden vermindert. Systemraum der Prognose ist das betrachtete Verfahren. Der Aufwand zur Informations-beschaffung ist für diesen Systemraum handhabbar. Um die Genauigkeit der Prognose zu erhöhen, wird das Verfahren in seine Grundoperationen unterteilt und diese werden einzeln prognostiziert. Dazu wird ein Ordnungssystem der Grundoperationen verwendet, das innerhalb der Hauptgruppen die Grundoperationen anhand des Aggregatzustandes der eintretenden Stoffe unterscheidet. Dieses Ordnungssystem wird entsprechend der Anforderungen der ökologischen Analyse modifiziert, indem chemische Stoffumwandlungen und diffuse Emissionen in die Systematik aufgenommen werden. Nach einer ökologischen Relevanzanalyse für den Bereich der organischen Grundstoffchemie und der kunststofferzeugenden Industrie werden Kennzahlen gebildet, die den Arbeits-aufwand zur Erhebung von benötigten Informationen vermindern. Es handelt sich dabei um Kennzahlen für Emissionen von Feststoffen in Luft, diffuse gasförmige Emissionen in Luft und Energiebedarf (thermische Energie und Strom). Abschätzungsrechnungen erleichtern die Bestimmung der ökologischen Relevanz für den Bau der Anlage und die Mitarbeiter. Die Vorgehensweise bei der ökologischen Prognose wird am Beispiel des Polymerisations-verfahrens für die Herstellung eines aliphatischen Polyesteramid Block-Copolymers in die Praxis umgesetzt. In diesem Beispiel wird nach Expertenschätzung eine Abweichung von 10 % zum prognostizierten Ergebnis erzielt. Dies ist vergleichbar mit der Genauigkeit von ökonomischen Prognosemethoden in der Vorstudie zur Verfahrensentwicklung. Es wird gezeigt, dass ökologische und ökonomische Aspekte parallel analysiert und die Ergebnisse zur Entscheidungsunterstützung bezüglich der Wahl des Polymers und der Herstellungsroute genutzt werden können.

Based on methods forecasting economic effects of chemical process plants, the method of Life Cycle Assessment and the concept of unit operations, a procedure to forecast environmental effects in the draft design phase of chemical process development is devised. It is adapted to this phase of process development, which is characterized by lack of information and a high number of possible design solutions. Basis of the method is Life Cycle Assessment with its succession of steps for modelling, inventory, impact assessment and evaluation. Flows of material and energy are forecasted, that can directly be used for impact assessment. The forecasted flows can thus be used with the methods usually used for evaluation in Life Cycle Assessment. The high need for data, which is a disadvantage associated with the use of Life Cycle Assessment in early design phases, is lowered by using characteristic ratios. System boundary for the forecast is the considered process. The expenditures for the investigation of data can be handled in this system. To increase the precision of the forecast, the process is divided into unit operations, and each unit operation is estimated separately. For this, a classification system of unit operations is used, that among their main groups systematizes the unit operations by the physical state of the input materials. This classification system is modified according to the needs of the prognosis of environmental effects by taking into account chemical conversions and diffuse emissions. According to a relevance analysis for the organic bulk chemistry and the polymer producing industry, indicators are developed that reduce the expenses of labour for the collection of needed information. Characteristic ratios are developed for the emission of solid materials into air, diffuse emission of gaseous materials into air and energy needed (thermal and electrical energy). Estimating equations facilitate the determination of the ecological relevance for the building of the process plant and the employees. The procedure of the ecological forecast is applied to the polymerisation process for the production of an aliphatic poly(ester-amide) block-copolymer. For this example according to expert judgement an exactness of 10 % compared to the forecasted results can be achieved. This is comparable to the exactness of economic forecast methods used in the draft design phase of process development. It is shown, that ecological and economic aspects can be analysed in parallel and used for decision support regarding the choice of polymer and the production route.