基于事前生命周期评价方法的低碳技术研发潜力分析.pdf
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1、 第 卷第 期洁 净 煤 技 术 年 月 碳中和廖文杰 副研究员四川大学 廖文杰,荷兰莱顿大学环境科学博士,先后在四川大学、美国华盛顿大学、联合国大学、法国农业科学研究院、英国牛津大学等学习、工作与进修。长期从事能源环境系统领域研究,致力将生命周期评价()等系统分析方法与工具应用于新能源、减污与降碳技术、政策与管理,助力经济社会绿色低碳转型。现任四川大学新能源与低碳技术研究院副研究员、硕士生导师;国际产业生态学会 分会共同主席,中国自然资源学会资源流动与管理研究、中国生态经济学学会工业生态经济与技术、四川省节能环保产业技术创新、四川省环境科学学会应对气候变化、四川省循环经济协会能源低碳发展等专
2、业委员会委员;四川省宜宾五粮液环保产业有限公司外部董事;副主编,、等期刊编委。入选四川省学术和技术带头人后备人选、四川省海外高层次留学人才、欧盟“玛丽居里学者”。基于事前生命周期评价方法的低碳技术研发潜力分析陆嘉麒,廖文杰,张 楠,顾敦罡,饶品华,李光辉(上海工程技术大学 环境与资源创新中心,上海;四川大学 新能源与低碳技术研究院,四川 成都;英国曼彻斯特大学 过程集成中心,英国 曼彻斯特 )移动阅读收稿日期:;责任编辑:白娅娜 :基金项目:国家重点研发计划资助项目();上海地方院校能力建设资助项目()作者简介:陆嘉麒(),男,上海人,讲师,博士。:通讯作者:廖文杰(),男,湖北安陆人,副研究
3、员,博士。:引用格式:陆嘉麒,廖文杰,张楠,等基于事前生命周期评价方法的低碳技术研发潜力分析洁净煤技术,():,():摘 要:低碳技术是实现中国双碳目标的关键之一,然而从生命周期角度而言,新技术的工业应用也需要额外的资源投入并会带来新排放,碳减排效果具有不确定性,因此需通过生命周期评价()量化所有单元过程对碳足迹的贡献,指导低碳技术的工艺设计和流程优化。传统的 方法依赖工厂清单数据调研,可定义为技术工业化应用后的事后评价,但对于尚处于试验规模研发的技术,难以获得 所需数据。因此,针对尚未工业应用的新兴技术,事前 方法论研究将有潜力成为未来产业生态学领域的重点方向。总结了目前事前 方法论存在的清
4、单数据收集、系统边界定义和结果解释等主要问题,提出事前 方法除应用于粗略预估新技术潜在的碳足迹等环境影响外,更重要的功能是通过量化与新技术相关的工业生态系统的碳足迹现状作为新技术研发基准目标,发现和优化环境影响较大的过程,为工业应用提出低碳设计建议。通过归纳总结具有代表性的新兴技术事前 案例,发现基于试验规模数据计算得到碳足迹与实际工业规模有数量级差距,因此建议在研发过程中投入少量额外人力及软硬件资源,以实现工艺过程的放大模拟,预测其工业规模能耗和投入产出清单并开展生命周期环境影响评价。最后以废弃聚氯乙烯脱氯资源化技术碳足迹评估为例,通过融合基础试验、过程模拟和事前 方法量化不同反应物浓度、处
5、理量、反应器设计、运行条件等过程变量对能源与原辅料消耗、直接排放、产物收率、废弃物产生量等过程投入产出清单的影响,并实现以碳足迹作为评价指标,指导新技术低碳工艺设计和运行条件的研发。关键词:事前生命周期评价;低碳技术;绿色设计;废弃物循环利用;过程模拟中图分类号:;文献标志码:文章编号:()年第 期洁 净 煤 技 术第 卷 ,(,;,;,):,(),:;引 言低碳技术是显著减少目前工业生产系统中以为主的温室气体排放甚至是达到负排放的技术,如以光伏为代表的可再生能源、捕集、利用与封存()以及生物质为原料的化工生产。低碳技术的研发不仅是实现我国 碳达峰、碳中和的关键,更是达成可持续发展目标必不可少
6、的途径。但低碳技术运行阶段实现碳减排的同时,新设备制造及运行时材料和能源消耗等相关联的单元过程会造成额外碳排放,带来其他环境影响,因此,等和 等建议在新技术的实验室规模研发设计阶段综合考虑其产业化后生命周期环境影响(,)的平衡损益。生命周期评价(,)方法自 年可口可乐公司开展对包装容器材料的 评价以来,被广泛应用于系统定量评价产品、技术和服务的环境负担,并分析确定生产系统及上下游产业链中环境影响贡献较高的过程(热点),提出改进方案。在目前工业生产中,一项新技术开发从实验室研究逐步放大到工业规模应用,实验室阶段的工艺设计将决定技术在工业应用中约 的环境影响,然而,传统 需要从工业化生产系统中获取
7、清单数据,因此通常在技术产业化应用后进行 计算。在技术大规模投产后,即使从生命周期角度发现其环境足迹贡献较高的单元过程,也难以对原始设计进行工艺优化和节能减排。近年来,为支持尚处于试验研发阶段的新兴技术绿色设计,减少其工业化应用导致的环境影响的不确定性,等、等、等总结了事前(即在工业应用前评估新技术的)方法论,并针对具体技术案例进行分析。事前 一般基于新技术试验陆嘉麒等:基于事前生命周期评价方法的低碳技术研发潜力分析 年第 期数据,计算工业化后的能耗和投入产出清单数据,然后连接上下游产业链的背景数据预测其潜在的,分析潜在的环境影响热点。结果可为后续工艺试验研发和工艺设计提供绿色研发指导和建议,
8、为企业和政府推动新技术的低碳工业化应用提供理论基础。由于事前 方法论还处于萌芽阶段,并未广泛应用,因此笔者总结了近几年事前 方法论研究中被多次提及且尚待完善的要点。通过列举应用事前 在新兴技术潜在生命周期碳排放(碳足迹)评价的代表性案例,验证方法论中需完善的要点,并提出若干建设性意见。在此基础上,以完善后事前 方法论应用于废弃聚氯乙烯()脱氯资源化技术评价为例,提出结合基础试验和放大模拟量化不同过程变量对新兴技术潜在碳足迹影响的研究方法,推广事前 方法在指导低碳技术研发中的应用。事前 方法论中需完善要点 清单数据计算基于传统 与事前 方法区别(图 圆角矩形),对尚未工业应用的新兴技术进行事前
9、最核心的问题是如何基于实验室规模的工艺设计和试验数据,计算其工业化后的生命周期清单数据(单元过程能耗及原辅料投入、直接温室气体排放、上下游产业链过程清单数据)。图 基于工业规模清单数据的传统 与在新技术试验研发阶段开展事前 的对比 一个技术在各开发阶段的不确定性、和研发成本的变化趋势如图 所示(基于 等归纳总结绘制)。在小型试验阶段,由于技术设计和工艺条件不固定,未针对能源和原辅料消耗进行优化,因此其潜在的环境影响与工业化技术相比不确定性大。随着试验规模扩大得到的试验数据可减少技术的不确定性,如工艺设计和运行参数可相对固定,提高生产过程的能源与原辅料利用率,计算得到 绝对值和误差范围减小。图
10、技术不同开发阶段的不确定性、和试验成本,等提出将实验室小型装置直接扩展到中试和大试装置,更有利于获取准确的生命周期清单,然而,由于放大试验装置会使成本指数级增加,如何权衡试验规模成本及获取相对不确定性较低的单元过程投入产出清单是开展事前 的关键。系统边界定义的局限性首先,与实际工业生产相比,实验室规模的工艺缺乏产物分离提纯、过程污染物排放监测、废弃物循环利用与处置等过程或核算其能耗和投入产出清单数据,如果忽略这部分环境影响可能会低估 结果;其次,实际生产系统尤其是化学过程中,通常有多种产物或副产物,如何将整体工艺的 分配到所有产物或重点关注某种产物,将其他副产物基于传统生产工艺的数据计算环境影
11、响的抵扣效果,难以根据实验室规模数据进行合理计算;最后,由于新技术在大规模投入应用后会对产业中上下游的物质流产生影响,因此需利用情景分析()合理设计新技术投产后的物质流。如在整体市场需求不变的情况下,废弃塑料经过机械回收作为二次材料使用会避免生产一次塑料,因此回收利用的产品可将一次塑料生产的 作为负 年第 期洁 净 煤 技 术第 卷环境影响进行抵扣。评价结果的解释传统 中 计算结果的不确定性高度依赖于评价对象单元过程数据质量、背景数据库的准确性、系统边界定义的完整性及选取评价指标的合理性等因素,因此其应用场景相对于准确核算评价对象的 及横向对比具有相同功能单位的同类技术,更在于分析其生命周期过
12、程中的环境影响热点并提出改进方案。事前 相对传统,其计算得到的 不确定性更大。因此不建议将基于实验室规模数据的评价结果与已工业化的技术直接比较论证其环境绩效,而应将已工业化技术的环境足迹作为研发参考基准,在新技术试验研发过程中提前发现并优化潜在的环境影响热点,为工业应用提出绿色设计建议。事前 的常见方法和结果对比 基于试验数据估算碳足迹在目前事前 案例分析中,应用较广泛的方法是基于试验数据进行放大规模估算或利用代理数据预测新技术产业化后的 估算。如 等进行了生物基可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯()的事前,首先其根据聚对苯二甲酸乙二醇酯()工业生产制造的清单数据,基于化学计量关系、中试规模和工业规模
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