Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.1. Оценка жизненного цикла в управлении отходами
2.1.1. Концепция ОЖЦ как инструмента экологического менеджмента
Оценка жизненного цикла может быть определена, как метод, изучающий экологические аспекты и потенциальное воздействие продукции или процесса в течение всего его жизненного цикла, начиная с добычи сырьевых материалов, процессов производства, до окончательного размещения в окружающей среде [10, 11]. На рис. 2.1 показана общая система жизненного цикла продукции. Результаты ОЖЦ носят экологический характер и выражают воздействие жизненного цикла всей системы или отдельных его стадий. На рис. 2.2 изображена схематически концепция проведения оценки жизненного цикла в виде системы с входными потоками: природные ресурсы и энергия и выходными потоками: эмиссии, продукция. Комплексный интегральный подход к проведению ОЖЦ обеспечивает учет и оценку всех эмиссий и воздействий на окружающую среду продукции и процессов на протяжении всего периода их существования в техносфере. Этот широкий охват области анализа гарантирует включение в оценку как прямых, так и косвенных воздействий продукции на окружающую среду [43].
Рис. 2.1. Концепция оценки жизненного цикла продукции [44]
ОЦЖ является относительно молодым методом, но не настолько юным, каким его многие представляют. Подходы и размышления о жизненных циклах можно найти в старых литературных источниках. Так, например шотландский экономист и биолог Патрик Геддес (Patrick Geddes) еще в 80-е гг. 19-го столетия, разработал процесс, который, по-праву, можно считать предшественником инвентаризации. Его исследование лежало в области энергоснабжения при добыче каменного угля.
Рис. 2.2. Схематическая система жизненного цикла [45]
В 20-м столетии оценка жизненного цикла появилась в США в 60–70-х гг. Так, в 1969 году компания Кока-кола профинансировала одно из самых первых исследований ОЖЦ, проведенных в НИИ Мидвест (США) с целью сравнения различных видов упаковочных материалов по двум экологическим параметрам – производство отходов и истощение природных ресурсов. НИИ использовал методологию названную анализом ресурсов и экологического профиля (REPA – Resource and Environmental Profile Analysis). Позже, в 1974 году тем же НИИ был разработан проект по сравнению нескольких видов упаковки, профинансированный Агентством по Охране Окружающей Среды, США. Именно эти два проекта стали классическим последовательным примером применения методологии ОЖЦ в конкретной компании. Подобные исследования в настоящее время называются, главным образом, материальным балансом.
В Европе первые исследования оценки жизненного цикла были проведены в 1972 г. для молочной упаковки ученым В. Обербахер (В. Oberbacher) в институте «Battelle-Institut» во Франкфурте на Майне. Значительный вклад в развитие методологии оценки жизненного цикла также внес в 1978 году профессор Мюллер-Венк (Müller-Wenk, Universität St.-Gallen, Institut für Ökonomie und Ökologie) из университета Сант-Галлена, институт экономики и экологии (Швейцария), который впервые разработал успешно применявшуюся на практике концепцию учета всех экологических воздействий, оказываемых одним предприятием. Претерпевшая дальнейшее развитие данная концепция до сих пор используется для оценки воздействия предприятий, так и для оценки упаковочных материалов и упаковки.
Расцвет применения метода пришелся на 1980-е годы. В это время на основе среднестатистических значений был создан банк данных по наиболее часто исследуемым продуктам (например, упаковочным, строительным материалам) и производственным процессам (например, различным способам выработки энергии). Помимо этого был разработан ряд фундаментальных теорий оценки воздействия жизненного цикла, например, метод «пунктов загрязнения окружающей среды», модель «критических объемов загрязнения». По всему миру было проведено несколько сотен практических исследований.
Знаменательным событием этого периода в 1984 году стало исследование Швейцарской Федеральной Лаборатории по Тестированию Материалов, (EMPA) и Швейцарского федерального агентства по охране окружающей среде (BUS) по вопросам, экологических параметров упаковки «Ecological report of packaging material». Термин «Оценка жизненного цикла» (Life cycle assessment) был впервые использован в этом исследовании, заменив синонимичное «Экобалансы» (Ökobilanz). Это исследование значительно повлияло на дальнейшее развитие методологии оценки жизненного цикла, особенно в немецко-говорящих странах и, как результат, привело к закреплению термина Оценка жизненного цикла [46].
С конца 80-х гг в сфере проведения ОЖЦ наметился переход от изолированного рассмотрения отдельных экологических аспектов к интегральному рассмотрению производственных и продукционных систем и их взаимодействия с окружающей средой. Наряду с анализом воздействия на окружающую среду энергетических и материальных выбросов, в оценку включаются учет образования отходов, материалоемкость производственных процессов, воздействие на здоровье человека и состояние ресурсов. Помимо этого, после проведения Международной конференции по охране окружающей среды в 1992 г. в Рио-де-Жанейро было выдвинуто требование дополнить экологические вопросы социальными и экономическими аспектами [58]. После формулирования понятия «устойчивое развитие» на этой же конференции, методология оценки жизненного цикла получила новый импульс для развития и использования в качестве инструмента, позволяющего провести всестороннюю оценку процессов и продукции с целью выявления ее вклада в сохранение качества окружающей среды
для будущих поколений.
В течение последних десяти лет из-за быстрого развития вычислительной техники и создания обширных баз данных интерес к ОЖЦ еще более возрос. Все больше государственных организаций, компаний и научно-исследовательских учреждений применяет ОЖЦ в процессах принятия решений и для разработки планов развития производства, как отдельных продуктов, так и целых секторов экономики. При этом для обеспечения всеобщего признания результатов оценки жизненного цикла, повышения их качества и прозрачности, обеспечения сравнимости результатов различных анализов и ограничения возможности манипуляции была выработана оптимальная структура проведения ОЖЦ. Основные требования к ее проведению изложены в принятых в 1997 международных стандартах ИСО 14040. В России метод ОЖЦ приобрел известность только в конце 1990-х гг. с введением в действие этих стандартов (ГОСТы РИСО 14040-14043) [57, 65, 66]
Сегодня Оценка жизненного цикла является одним из ведущих инструментов экологического менеджмента, перспективным методом улучшения экологических аспектов продукции и сравнения
альтернатив [57].
2.1.2. Cтадии проведения ОЖЦ
Оценка жизненного цикла проводится в четыре этапа, каждый из которых играет важную роль в оценке:
а) фаза определения цели и области применения;
б) фаза инвентаризационного анализа;
в) фаза оценки воздействия;
г) фаза интерпретации
На рис. 2.3. представлена структура оценки жизненного цикла продукции.
ОЖЦ является итеративным методом [57]. Все 4 фазы взаимосвязаны, отдельные этапы ОЖЦ используют результаты других этапов. Итеративный подход в рамках системы и между этапами обеспечивает всесторонность и последовательность исследования и представления результатов, а также возможность вернуться на предыдущую стадию и сделать поправки в зависимости от получаемых результатов.
Принципы, содержание, требования этапов проведения ОЖЦ регламентируются стандартами РИСО 14040-14043.
Определение цели проведения ОЖЦ состоит в формулировании задач намечаемого исследования, причин его проведения, возможностей применения полученных результатов. Область применения ОЖЦ, также определяемая на первой стадии и включающая определение границ исследуемой системы и уровень детализации, зависит от объекта и назначения целей исследования. Глубина и широта ОЖЦ могут значительно меняться в зависимости от целей конкретной оценки. Ключевым элементом в определении области применения ОЖЦ является выбор объекта исследования – функциональной единицы. Функциональная единица представляет собой единицу продукта или услуги, воздействие которой будет оцениваться и сравниваться. Первоочередной задачей функциональной единицы является обеспечение наличия сравнительного образца, к которому относятся входные и выходные потоки и чаще всего выражается в количестве продукта или при оценке услуг в количестве материалов, необходимых для обеспечения данной услуги. При рассмотрении систем управления отходами функциональной единицей служит определенное количество отходов определенного состава в течение установленного срока функционирования системы при заданных условиях [57].
Инвентаризационный анализ жизненного цикла (ИАЖЦ) – вторая стадия ОЖЦ. Она представляет инвентаризацию входных/выходных потоков изучаемой системы и предполагает сбор данных, необходимых для достижения целей определенного исследования. Данные, включающие сведения о величине потребляемой энергии и материалов, количестве загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду, образовании отходов определяются для каждого процесса на протяжении всего жизненного цикла исследуемой функциональной единицы.
Рис. 2.3. Стадии ОЖЦ [57]
Оценка воздействия жизненного цикла (ОВЖЦ) – третья стадия ОЖЦ. Цель ОВЖЦ – оценка значимости потенциальных воздействий исследуемой системы на окружающую среду на основе данных инвентаризационного анализа [57]. Оценка воздействия жизненного цикла является методологически самым сложным этапом ОЖЦ. Сложность ОВЖЦ заключается в необходимости сравнения между собой разноплановых экологических воздействий, что требует обобщения инвентаризованных потоков веществ или энергии со схожими экологическими воздействиями в категории воздействия [57]. ОВЖЦ состоит из 4 элементов:
– Первый элемент – это определение категории воздействия (изменение климата; токсичность для человека; образование фотооксидантов; закисление; эвтрофикация и др.), которые наиболее полно отражают воздействие анализируемой системы в соответствии с целями оценки.
– Второй элемент – классификация, включающая распределение результатов инвентаризационного анализа по различным категориям воздействия, вклад в влияние которого они вносят. Например, выбросы СО2, СН4 и N2О относятся к категории «изменение климата», а углеводороды С2Н4, С2Н6 учитываются в категории «образование фотоооксидантов».
– Третий элемент – характеризация – включает расчет воздействия каждого загрязняющего вещества, относящегося к определенной категории воздействия. Например, вклад различных парниковых газов, как СО2, СН4 и N2О в «изменение климата» рассчитывается с помощью
наиболее часто применяемого индикатора – потенциал глобального потепления и выражается в эквивалентах СО2, то есть в относительных единицах, отражающих, какое количество определенного вещества будет оказывать такое же влияние как единица углекислого газа.
– Четвертый элемент – нормализация рассчитанных значений категории воздействия по отношению к имеющейся справочной информации относительно существующей нагрузки на окружающую среду в данном регионе или в целом по стране. Нормализация позволяет оценить вклад негативного воздействия исследуемой системы в существующую нагрузку на окружающую среду и провести сравнение интенсивности разноплановых категорий воздействия. Таким образом, результаты нормализации выявляют относительно «важные» категории воздействия для определенного исследования в определенном регионе в зависимости от сложившейся экологической обстановки.
– Пятый элемент – взвешивание, заключающееся в оценке значимости каждой категории воздействия для объединения значений категорий в единую величину, отражающую экологическую характеристику исследуемой системы. Взвешивание позволяет облегчить сравнение альтернативных систем, которое проводится на основании одного значения экологической характеристики. Однако, взвешивание носит субъективный характер, что приводит к потере части информации и ее упрощению [47].
Согласно ГОСТ РИСО 14040-2010 два последних элемента являются необязательными при проведении ОЖЦ.
Для проведения ОВЖЦ разработано более десятка методологических подходов [30]. Наиболее часто применяемыми методами для ОВЖЦ являются метод «Эко-индикаторы 99» и «Оценка жизненного цикла – Практическое руководство к стандартам ИСО 2001» (СМL 2001) [59]. В то время как метод «Эко-индикаторы 99» является методом оценки, ориентированным на конечное воздействие, СМL 2001 оценивает причины конечного результата во избежание дополнительных неопределенностей. Метод «Эко-индикаторы 99» рассматривает 3 категории риска: здоровье человека, качество окружающей среды и природные ресурсы [48]. Оценка методом СМL 2001 заканчивается на расчете категорий воздействия. В методике СМL 2001 расчет категории воздействия производится посредством суммирования масс выбрасываемых субстанций т с учетом соответствующего характеризующего фактора Фi по формуле [49]:
Интерпретация жизненного цикла – конечная стадия ОЖЦ, в рамках которой результаты ИАЖЦ и (или) ОВЖЦ суммируются и рассматриваются
в качестве основы для выводов, рекомендаций и принятия решений в соответствии с определенными целями и областью распространения. Этап интерпретации может включать в себя итеративный процесс пересмотра и обновления области исследования ОЖЦ, а также характера и качества данных, собранных в соответствии с установленной целью. Результаты интерпретации жизненного цикла должны отражать результаты оценивания [57]. Для проверки достоверности полученных результатов и оценки качества данных на данном этапе рекомендуется проведение критического анализа. Критический анализ является процессом верификации соответствия ОЖЦ требованиям методологии, данным, интерпретации, отчетности и установленным принципам [57], с учетом влияния принятых допущений, неопределенностей в исследовании.
2.1.3. Области применения ОЖЦ
Методы оценки жизненного цикла используют практически во всех отраслях промышленности, в частности в машиностроении, строительстве, электронике, традиционной и альтернативной энергетике, производстве полимеров, продуктов питания, дизайне продукции и утилизации отходов.
Метод ОЖЦ может содействовать в:
– выявлении возможностей улучшения экологических аспектов продукции в различные моменты ее жизненного цикла;
– информировании сотрудников промышленных, государственных и негосударственных организаций, наделенных правом принимать решения (например, при стратегическом планировании, определении приоритетов, проектировании и перепроектировании продукции или процесса);
– выборе соответствующих показателей экологической эффективности, включая методы измерений;
– маркетинге (например, при заявлении об экологическом иске, связанном с системой экологической маркировки или декларацией об экологической чистоте продукции) [57].
Основные направления использования Оценки жизненного цикла:
● Анализ происхождения проблемы, касающейся определенного продукта;
● Сравнение альтернативных вариантов данной продукции;
● Разработка новой продукции;
● Выбор между схожими продуктами.
ОЖЦ играет важную роль в управлении окружающей средой относительно использования продукции. Эта роль включает сравнение с экологической точки зрения существующих и новых продуктов, сравнение прототипов, выявление процессов, которые оказывают наибольшее воздействие на окружающую среду.
Кроме прямого применения для оценки продукции, также ОЖЦ используется в более широком контексте для разработки сложных бизнес-стратегий, государственной политики, касающейся различных сторон жизни общества. Примерами более широкого применения ОЖЦ являются:
● Выбор типа упаковки. В соответствии с Директивой ЕС «Об упаковке» необходимо доказать, что данная упаковка оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем упаковка, которую можно использовать вторично.
● Оценка положительного экологического эффекта от использования различных видов биомассы, например для производства электричества или тепла
● Стратегическое сравнение различных видов транспорта (автомобильный, железнодорожный, водный), как основа для инвестирования в новую инфраструктуру
● Экологизация строительной отрасли. Выбор строительных материалов должен производиться на основе проведения ОЖЦ [49].
2.1.4. Особенности и примеры применения ОЖЦ
Сегодня существуют различные методы анализа экологических систем, например оценка экологического риска, оценка экологической эффективности, экологический аудит и оценка воздействий на окружающую среду, стратегическая экологическая оценка, анализ материальных потоков. Тем не менее, место основного метода для оценки экологического воздействия систем управления отходами принадлежит Оценке жизненного цикла (ОЖЦ) (также известной как анализ «от колыбели до могилы») [50]. Оценка жизненного цикла систем управления отходами может проводиться по двум направлениям. Одно из направлений проведения ОЖЦ – это оценка потенциального экологического воздействия различных технологий утилизации отходов с целью оценки их общей экологичности и/или выявления процессов, стадий требующих оптимизации. Другим направлением является анализ различных альтернативных систем управления отходами для достижения целей устойчивого развития и определения направления для развития экологических стратегий [51]. ОЖЦ позволяет сравнивать различные технологии, техники, программы управления отходами и выявлять наиболее эффективные для данных условий, обеспечивающие минимальное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.
Применение оценки жизненного цикла к сложным системам, как система управления отходами, связано с определенными сложностями и особенностями, среди которых можно выделить: определение границ продукционной системы; определение функциональной единицы; учет предотвращенного воздействия; временной аспект; углеродный баланс; проведение оценки воздействий на окружающую среду.
Определение границ продукционной системы. При оценке жизненного цикла, как было сказано выше, производится оценка определенного продукта или услуги на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с добычи сырья/производственного процесса (колыбель) до конца цикла/фазы удаления (могила). Систему управления отходами можно рассматривать как услугу, которая выполняет различные функции для общества. Однако, при оценке жизненного цикла систем управления отходами сложно определить понятия «колыбель», «могила», так как отходы состоят из различных видов продукции и включение в анализ добычу ресурсов для всех видов продукции, превратившихся в отходы невозможно, «колыбель» для отходов должна соответствовать «могиле» продукции. Поэтому в ОЖЦ управления отходами, «начальные» процессы не учитываются, исключаются из анализа [52], и отходы рассматриваются без входных потоков, а стадия «колыбель» начинается с процесса сбора отходов. Системные границы оценки жизненного цикла показаны на рис. 2.4. В течение своего жизненного цикла продукция проходит ряд последовательных процессов. При проведении ОЖЦ продукции учитываются входные и выходные потоки всех этих процессов, относящихся к данному продукту. Касательно оценки жизненного цикла отходов оценка включает в себя определенную комбинацию процессов, участвующих в утилизации отходов, состоящих из множества продуктов.
Конечную стадию жизненного цикла систем управления отходами также сложно определить. Окончанию жизненного цикла отходов должно соответствовать состояние, когда рассматриваемые отходы превращаются в инертный материал или полностью трансформируются в эмиссии в атмосферный воздух и/или поверхностные и подземные воды [43]. Для перерабатываемых отходов очень сложно однозначно определить это состояние и момент окончания продукционной системы. Жизненный цикл заканчивается, когда обработанные отходы вторично используются в производстве, а замененное первичное сырье и связанные с его производством эмиссии и энергозатраты учитываются в виде «кредитов». Основная идея здесь заключается в том, что переработанный материал, покидающий систему управления отходами, должен быть абсолютно идентичным первичному сырью и стать его полноценной заменой. На практике это правило очень сложно применить, поскольку переработанное вторичное сырье отличается по качеству и свойствам и находит иное применение, чем первичное [53]. Например, часто полученные хлопья и гранулы вторичного пластика используются для производства различных изделий широкого потребления (предметы мебели, тазики) или как добавку в строительные материалы.
Рис. 2.4. Границы ОЖЦ в управлении отходами [52]
Для повышения прозрачности ОЖЦ и облегчения установления границ продукционной системы принято рассматривать систему жизненного цикла отходов как состоящую из 2 частей. Сама система управления отходами рассматривается в качестве системы «переднего плана», а все процессы, имеющие отношение к этой системе включаются в так называемую систему «заднего плана», что обеспечивает получение полной картины жизненного цикла. В системе «переднего плана» учитываются все виды деятельности самой системы управления отходами, включая сбор, транспортировку, сортировку, сжигание, переработку, полигонное захоронение, компостирование и др. Потребление ресурсов и эмиссии, сопровождающие процессы системы «переднего плана» называются прямыми воздействиями. Все остальные процессы, не связанные напрямую с системой управления отходами относятся к системе «заднего плана». Так, например, транспортировка переработанного материала от мусоросортировочного комплекса на предприятие по его использованию будет относиться к процессам системы «заднего плана». Потребление ресурсов и эмиссии, производящиеся процессами системы «заднего плана» называются косвенными воздействиями. Количество ресурсов и эмиссий, которые сохраняются за счет использования отходов относятся к предотвращенному воздействию или «кредитам». Полное воздействие рассчитывается как: прямое воздействие + косвенное воздействие – предотвращенное воздействие = общее воздействие [54]. Таким образом, результаты оценки воздействия могут получиться отрицательными.
Определение функциональной единицы. Функциональная единица (functional unit) ‒ количественно выраженная результативность системы жизненного цикла продукции, используемая в качестве единицы сравнения [57]. Поскольку ОЖЦ разрабатывалась изначально как средство оценки экологичности продукции, сложностей с определением функциональной единицы не возникало. Для исследований продукции функциональной единицей является установленное количество данного продукта. Выбор функциональной единицы для систем управления отходами более проблематичен и связано это с несколькими аспектами. Во – первых, система управления отходами, часто выполняет не одну функцию. Интегрированная система, например, может наряду с удалением отходов являться производителем электроэнергии, тепла или вторичного сырья, в зависимости от вида утилизируемых отходов и используемых технологий. Тем не менее, основной функцией любой системы управления отходами остается удаление отходов, производимых в конкретной географической точке в соответствии с требованиями и нуждами общества. Поэтому основной функциональной единицей при проведении ОЖЦ системы управления отходами является определенное количество отходов определенного состава на конкретной территории [43]. Наиболее часто функциональной единицей служит 1 тонна отходов. Этот подход к выбору функциональной единицы обладает одним недостатком: на состав и количество отходов может оказать существенное влияние тип и организация самой системы управления отходами и, в частности, предусмотренные мероприятия по предотвращению и снижению образования отходов, что особенно важно при оценке альтернативных сценариев [54]. Построение динамичной модели системы управления отходами может стать решением этой проблемы, однако, подобные методологические исследования еще не проводились. В качестве функциональной единицы может быть выбрано любое количество отходов. Таким образом, для каждого исследования по ОЖЦ систем управления отходами должно быть четко определено: количество и состав отходов; регион и период времени, в течение которого состав отходов не меняется [54].
Распределение воздействий. Введение дополнительных функциональных единиц поднимает вопрос о распределении рассчитанных воздействий по рассматриваемым функциональным единицам для того, чтобы обеспечить сравнимость различных систем и продукции. Распределения можно избежать за счет расширения продукционной системы
с включением всех процессов для всех функций, но это ведет к усложнению системы и трудоемко для применения. Дополнительными функциями интегрированных систем управления отходами, как было сказано, может быть производство электроэнергии, тепла и вторичного сырья (пластика, металла, бумаги). В случае с производством электроэнергии получаемый результат идентичен результату с использованием природных ресурсов, то есть отходы полностью заменяют первичное сырье. Проблема распределения здесь решается за счет введения «кредитов» за ресурсы, материалы, эмиссии, которые удалось сохранить в результате использования отходов. Основная идея этого подхода заключается в том, что отходы как источник энергии, сокращают расход первичных ресурсов для производства этой же энергии и тем самым предотвращают образование эмиссии, сопровождающих этот процесс. Распределение воздействий для учета полученного из отходов вторичного сырья основано на таком же подходе. В случаях, когда вторичное сырье используется как равноценная замена первичного, то есть при производстве той же продукции, отходы, которой были переработаны, сохраненное количество ресурсов и предотвращенное количество выбросов, сбросов загрязняющих веществ, образующихся в результате всех производственных процессов по получению продукции на основе исходного сырья, включаются в анализ жизненного цикла исследуемой системы в виде предотвращенного воздействия. В случаях, когда качество и другие объективные причины не позволяют использовать вторичное сырье в производстве исходной продукции, данный материал может находить применение в других производственных сферах. В зависимости от вида заменяемого материала величина предотвращенного воздействия на окружающую среду может различаться. При проведении ОЖЦ здесь необходимо решить, включать ли все варианты использования переработанного материала, или же сделать упор на одно наиболее важное применение, или же сфокусироваться на выборе нескольких наиболее значимых способов [43]. В большинстве анализов по ОЖЦ для не допущения усложнения продукционной системы выбирается один вариант использования вторичного сырья, что обеспечивает сравнимость результатов оценки различных исследований. Зачастую включить все возможные варианты с применением сырья из отходов в оценку практически неосуществимо.
Временной аспект. При оценке жизненного цикла систем управления отходами также сложно определить временные границы продукционной системы. В первую очередь, это касается полигонов захоронения отходов, которые являются обязательным элементом любой схемы утилизации отходов. Все процессы обращения с отходами сопровождаются
образованием неутилизируемых остатков, единственным способом удаления которых является захоронение на полигонах. Например, при сжигании отходов образуются зола и шлаки, а при сортировке – некондиционные фракции. Полигоны продолжают оставаться источниками эмиссий в окружающую среду очень длительное время, пока идет разложение полигонного материала. Рассчитать точную продолжительность процессов в теле полигона, являющихся причиной эмиссий очень сложно. Поэтому при проведении ОЖЦ можно либо лишь субъективно не учитывать эмиссии после определенного периода времени, или рассматривать полигон, как абсолютно стабилизировавшуюся систему после прошествия рассчитанных условных лет, не включая в расчеты все эмиссии до окончательной ассимиляции в окружающей среде полигонного материала [43].
Углеродный баланс. Следующим вопросом, относящимся к ОЖЦ систем управления отходами является учет углеродного баланса, а именно выбросов углекислого газа, относящихся к биогенным источникам. Данный вопрос приобрел за последние годы очень важное значение в связи с повышением внимания мировой общественности к проблемам изменения климата и принятием Киотского протокола. Спорным моментом здесь является, решение вопроса, вносит ли вклад в изменение климата CO2 биогенных источников. Биогенные материалы (например древесина) – это неисчерпаемый источник энергии, который во время своего роста поглощает то количество углекислого газа, который и выделяется при сжигании или разложении биомассы [43]. Или же можно допустить, что биотические ресурсы, например то же дерево, достигая определенного возраста погибает и медленно разлагается в окружающей среде, выделяя углекислый газ. Поскольку ОЖЦ систем управления отходами исключает все процессы, связанные с производством продукции и образованием отходов, количество поглощенного СO2 растущей биомассой не учитывается. Поэтому считается, что СO2 биогенных источников оказывает нулевое воздействие, является нейтральным. Но вместе с тем, это допущение вызывает ряд серьезных последствий, оказывающих значимое влияние на результаты ОЖЦ [53], искажая их или усложняя проведение оценки. Например, рассмотрим, как учитывается выделение углекислого газа при сжигании отходов и их захоронении. При сжигании биотических ресурсов практически 100 % углерода выделяется в виде углекислого газа. В инвентаризации выбросов это количество СO2 , как было сказано выше, не учитывается. При захоронении отходов около 70 % биологического материала разлагается и в течение короткого периода времени углерод выбрасывается в виде СO2 и СН4. При этом выбросы СO2 не учитываются, а СН4 участвует в дальнейших расчетах оказываемого воздействия. Для снижения влияния этого момента на результаты допускается, что потенциал глобального потепления СН4, соответствующий эквивалентному количеству СO2, необходимо вычесть из общего потенциала глобального потепления полигона отходов [53], считается, что 30 % углерода остается в теле полигона. Количество углерода, остающееся в теле полигона, является связанным углеродом, и учет его положительного действия возможен только за счет введения «отрицательных эмиссии» [43]. В методологической литературе предлагается несколько вариантов решения этой проблемы. Первый вариант, включить в инвентаризацию подробное моделирование процессов, в которых происходит поглощение углекислого газа. Поэтому общий баланс газа уже включает количество потребленного газа и источник его происхождения (биотический, абиотический) не имеет значения. Этот подход является правильным и позволяет избежать ошибок, но отличается трудоемкостью. Второй более простой подход – это учет отрицательных выбросов углекислого газа в качестве связанного углерода [53].
Оценка воздействия на окружающую среду – это фаза ОЖЦ, направленная на анализ и оценку величины и значения потенциальных экологических воздействий оцениваемой продукционной системы [11]. При проведении ОЖЦ, как правило, неизвестно, где и когда будут происходить все эмиссии. Это является причиной, почему ОЖЦ анализирует не настоящее воздействие, а ограниченно оценкой потенциального воздействия. Ситуация еще больше усложняется при оценке полигонов, когда воздействие происходит в длительном временном отрезке. Количество эмиссий нельзя измерить, их можно только смоделировать, предсказать, рассчитать. Таким образом, получается, что ОЖЦ полигонов может оценивать только потенциальные эмиссии, нежели действительные. Этот момент усложняет в значительной степени проведение оценки воздействий, поскольку необходимо учитывать спрогнозированные фоновые концентрации и другими аспекты, оказывающие влияние на оценку. Общепринятым решением в данном случае служит учет всех эмиссий, как будто они происходят в одно и то же время.
Определение ОЖЦ предусматривает включение в оценку всего жизненного цикла без временных ограничений. То есть все эмиссии должны быть включены в расчет, независимо от того, когда они происходят. Однако, из-за сложности применения этого подхода и реализации его на практике исследования ОЖЦ проводят с установленным периодом для анализа. При этом допущении все эмиссии после определенного принятого срока не учитываются, то есть влияние на будущие поколения не важно, что противоречит требованиям устойчивого развития [53]. Например, данное допущение используется, когда воздействие полигонного захоронения рассматривается только в течение выбранного периода времени.
Множество исследований было выполнено для анализа охвата, ограничений и потенциала ОЖЦ, как метода поддержки принятия решений в области управления отходами, среди которых работы Barton и Patel (1996), Bjоrklund A. (2000), Ekvall и Finnveden (2000), Rebitzer и др. Hellweg (2001), (2004), Pennington и др. (2004), Rechberger и Brunner (2004), Bilitewski и Winkler (2007), Ekvall и др. (2007), Gheewala и Liamsangun (2008), Pennington и Koneczny (2007), Cherubini и др. (2008), Christensen, Astrup и др. (2007, 2011), Сlift R. и др. (2000), White и др. (1995), Bjarnadóttir Н. и др. (2002), Boer E. и др. (2005). Schebek (2007). В данных работах решаются вопросы адаптации методологии ОЖЦ применительно к системам управления отходами, выявляются и решаются возникающие проблемы и особенности.
Сегодня Оценка жизненного цикла находит широкое практическое применение в области управления отходами для определения общей экологической нагрузки и оценки потенциальных воздействий от применения того или иного решения, это подтверждается многочисленными исследованиями, проведенными за рубежом с применением этого метода. Так, например, Al-Salem S.M и Lettieri Р. (2009) разработали и сравнили 3 сценария утилизации ТБО в Кувейте. Инвентаризационный анализ проведен с помощью метода IWM-2 [19]. В работе Dodbiba и др. (2008) механическая переработка отходов пластика была сравнена с сжиганием с помощью ОЖЦ. Было заключено, что механическая переработка пластиков, образующихся в результате разборки старых телевизоров более предпочтительная опция по сравнению с классическим сжиганием, которое оказывает большее воздействие на окружающую среду [55]. Исследование Khoo H.H, Lim T.L, Tan R.B.H (2009) сценариев утилизации органических отходов в Сингапуре с учетом выбросов, полезной энергии, получаемой при сжигании отходов, миграции двуокиси углерода при использовании компоста показало, что аэробное компостирование наиболее предпочтительно по сравнению с сжиганием [56]. Luciano M. и др. (2007) провели оценку 7 различных мусоросжигательных установок в Италии, использующих разные технологии, отличающиеся по системам очистки отходящих газов и эффективности восстановления энергии. Было выявлено, что чем новее установка для сжигания, тем она более эффективна для сжигания равного количества отходов [63]. Zaman A.U. (2010) провел оценку с применением ОЖЦ трех различных технологий утилизации отходов: санитарное полигонное захоронение, сжигание, газификация-пиролиз. Анализ показал, что санитарное полигонное захоронение при
использовании в качестве топлива свалочного газа под жестким контролем, не допускающим эмиссий, оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду по сравнению с термическими методами, несмотря на то, что полигоны оказывают большее воздействие на фотохимические окисление, глобальное потепление и закисление. Тем не менее, из-за ограниченности земельных ресурсов, сложности организации контроля за эмиссиями, продолжительности жизненного цикла применение полигонов не предпочтительно. Среди термических методо газификация-пиролиз является более экологичным методом из-за большей эффективности восстановления энергии [60] по сравнению с обычным сжиганием на колосниковых решетках. J. Kaazke (2011) провела анализ сценариев утилизации ТБО для двух городов России Ханты-Мансийска и Сургута. Основной целью ее исследования являлось определение влияния состава отходов и транспортной логистики на результаты оценки и сравнение разработанных сценариев утилизации отходов с существующей системой с помощью методологии оценки жизненного цикла. Для сравнения были разработаны сценарии, основанные на различных методах утилизации ТБО: сжигание, аэробная механико-биологическая обработка, анаэробная механико-биологическая обработка с размещением неутилизируемых компонентов на существующем полигоне. Разработанные сценарии рассматриваются с учетом выделения ценных компонентов и их переработки с показателем до 20 % от всего объема ТБО. Результаты оценки для двух городов идентичны, введение сортировки отходов значительно повышает экологичность системы управления отходами. Состав отходов может оказать значительное влияние на полученные результаты, определяя большее или меньшее воздействие, например, доля органики, меняющаяся в течение года, оказывает наибольшее влияние на категорию образование парниковых газов: увеличение доли органических отходов зимой повышает образование углекислого газа и метана. Также данное исследование подтвердило, что параметр расстояние для транспортировки отходов оказывает пренебрежительно малое воздействие на результаты ОЖЦ. Чем больше расстояние для транспортировки отходов, тем выше воздействие на окружающую среду. В результате исследования было выявлено, что наилучшими сценариями для обоих городов являются сжигание отходов и анаэробная механико-биологическая обработка отходов с переработкой 20 % отходов, которые имеют практически равные показатели воздействия на окружающую среду [61].
В России Вайсманом Я.И. и др. разработан метод оценки сценариев движения отходов с учетом всего жизненного цикла ТБО на основе ресурсно-эколого-экономического критерия. Принципы обращения с ТБО были классифицированны по 4 основным группам: экономия природных ресурсов; экологически безопасное обращение с отходами; экономия финансовых ресурсов; исключение экспорта отходов во времени. С учетом этих принципов выделяют 4 соответствующие группы показателей, позволяющих провести сравнительную оценку сценариев утилизации ТБО К ресурсной группе показателей отнесены: экономия вторичных ресурсов ТБО; экономия земельных ресурсов; энергосбережение. К экологической группе отнесены: загрязнение атмосферы; загрязнение гидросферы. К экономической – удельная стоимость обращения с 1т ТБО. Исключение экспорта отходов во времени характеризуется показателем «Вечное захоронение». Разработанный метод был верифицирован на примере г. Перми, с оценкой 19 различных сценариев санитарной очистки бытовых отходов. Выбран оптимальный сценарий движения ТБО, включающий компостирование отходов с применением раздельного сбора, вывозом через МПС, сортировкой на компостном заводе с получением вторичного сырья. Предложенный метод и полученные на его основе результаты могут быть использованы для выбора стратегии и тактики развития схем санитарной очистки для любой территории [62]. В условиях ограниченного количества исследований по оценке жизненного цикла систем управления отходами в России практический интерес представляет собой научная работа Притужаловой О.А. [30]. В работе были изучены методологические основы оценки жизненного цикла и особенности их развития в России, а также была доказана практическая применимость метода в российских условиях путем проведения сравнительной экологической оценки упаковки напитков из комбинированных материалов, производящейся в России и Германии. При сравнении жизненных циклов упаковки были смоделированы 3 сценария: Федеративная республика Германия (сценарий 1), Московская область (сценарий 2) и Тюменская область (сценарий 3). Результаты исследования показали существенно меньший потенциал воздействия на окружающую среду упаковки напитков, производимой и потребляемой в Германии. Сравнение сценариев для Московской и Тюменской областей показало, что меньшим потенциалом экологического воздействия обладает упаковка, производимая и используемая в Московской области, что во многом обусловлено удаленностью Тюменской области от центров производства используемого сырья и упаковочных веществ.
Таким образом, Оценка жизненного цикла является эффективным аналитическим методом для сравнения различных сценариев и технологий утилизации отходов и находит широкое практическое применение в области управления отходами.
2.1.5. Ограничения метода
Несмотря на широкое применение оценки жизненного цикла, в качестве метода полной оценки технологий и процессов, а также для поддержки принятия решений, ОЖЦ, как и любой другой метод имеет определенные ограничения [64]:
1. Охват всех аспектов продукционной системы. Основная характеристика оценки жизненного цикла, ее целостность, то есть охват всех стадий жизненного цикла и всех потенциальных воздействий на окружающую среду, является одновременно как преимуществом, так и ограничением метода. Широкий охват для анализирования полного жизненного цикла продукции возможен только за счет упрощения других аспектов.
2. Линейность моделирования. ОЖЦ рассматривает все процессы (и экономические и экологические), как линейные, не изменяющиеся во времени. За последнее время достигнут определенный прогресс по преодолению этого недостатка, однако, ОЖЦ является в корне методом, основанном на линейном моделировании [49].
3. Невозможность оценки всех категорий воздействия. ОЖЦ оценивает только критерии, которые заявлены в методологии исследования, поэтому она не является полной оценкой всех экологических аспектов исследуемой продукционной системы. Выбор категории воздействия, показателей категорий и характеристических моделей зависит от целей исследования и проводящего оценку. Все принятые решения должны соответствовать требованиям стандартов ISO и быть прозрачными [66].
4. Доступность данных. Несмотря на то, что базы данных были созданы во многих развитых странах и формат баз данных был стандартизирован, на практике многие сведения часто оказываются устаревшими, неточными, несравнимыми. Как правило, данные доступны для комбинаций процессов, как производство электричества, производство алюминия, чем для отдельных процессов.
5. Оценка воздействия на окружающую среду. Общепринятых методологий последовательной и точной увязки инвентарных данных со специфическими потенциальными воздействиями на окружающую среду не существует. Модели категорий воздействия находятся на различных этапах разработки.
6. Наконец, последнее ограничение, касается природы ОЖЦ, как аналитического метода, который выдает информацию для обоснования принятия решения. ОЖЦ не может заменить сам процесс принятия решения. Нельзя сказать: «Исследование Оценки жизненного цикла показало, что данное решение должно быть принято», но можно «На основе исследования Оценки жизненного цикла и других доказательствах данное решение было принято» [49].
2.1.6. Перспективы применения ОЖЦ в управлении отходами в России
Первые познания и практический опыт в области ОЖЦ появился в Российской Федерации во второй половине 90-х гг. Несмотря на наличие нормативной базы (ГОСТы Р ИСО 14040-14043), ОЖЦ в России до сих пор не получила заметного развития и практического применения. Опубликованы результаты отдельных российских исследований по применению ОЖЦ в промышленности для оценки продукции – в области автомобильного и авиационного транспорта, строительных работ, производства упаковочных материалов [30]. В области управления отходами можно выделить работу Вайсмана Я.И. и др. [62].
Специфика ОЖЦ заключается в необходимости работы с большим массивом данных, что приводит к значительным время – и трудозатратам. По причине отсутствия в России баз качественных статистических данных о воздействиях наиболее широко применяемых технологий, отвечающих требованиям исследования, а также отечественных программных продуктов по ОЖЦ, проведение подобных исследований крайне затруднено. Среди проблем сбора сведений о входных и выходных потоках в продукционные системы возможно выделить:
– отсутствие доступа к эколого-релевантной информации, имеющейся в распоряжении компетентных государственных служб или доступ к этой информации крайне затруднен;
– нежелание предприятий и организаций раскрывать сведения о воздействии на окружающую среду;
– недостаточно высокая репрезентативность информации из-за возможного приукрашивания или сокрытия реальных данных о воздействии на окружающую среду на промышленных предприятиях;
– недостаточно высокая степень дифференциации и детальности имеющихся сведений об экологических воздействиях отдельных процессов [30].
Кроме этого, распространение исследований по оценке жизненного цикла в России затруднено недостаточным вниманием к природоохранной деятельности со стороны государства, так и промышленных предприятий, у которых из-за несовершенства законодательной базы в сфере охраны окружающей среды, отсутствует мотивация по снижению негативного воздействия на природные объекты, а следовательно и интерес к его оценке и анализу.
С точки зрения особенностей, характерных для российских условий, связанных с низким уровнем развития экологического обращения с отходами, с отсутствием практического применения различных технологий утилизации отходов, следует отметить проблему доступности и отсутствия исчерпывающих и достоверных данных для составления инвентаризационного анализа. Данная проблема решается только применением зарубежных данных инвентаризационного анализа, которые не всегда будут соответствовать российской действительности из-за специфичных местных условий и стандартов.
Все же следует отметить, что несмотря на определенные ограничения, количество проведенных зарубежом исследований ОЖЦ управления отходами растет с каждым годом. Это означает, что данный метод является важным аналитическим средством для обоснования выбора между разными технологиями, сценариями, обладающим надежностью, достоверностью получаемых результатов. Поэтому можно говорить об огромном потенциале для развития и применения ОЖЦ в России, в связи с обостряющимися проблемами управления отходами и наметившимися тенденциями к их решению.
2.1.7. Информационные технологии
и программные продукты для проведения ОЖЦ
При проведении оценки жизненного цикла приходится иметь дело с большими объемами данных, учитывать сложные взаимосвязи между характеризуемыми параметрами, что превращает данные исследования в очень трудоемкий процесс. Программные продукты разрабатывались с целью облегчения процесса проведения ОЖЦ, как на стадии инвентаризационного анализа, так и при проведении оценки воздействий. Первые шаги были предприняты около 20 лет назад для оценки производственных процессов. Но с течением времени программы начали применяться в области управления отходами [59].
Различные методологии и программные продукты проведения OЖЦ систем управления отходами, как LCA – IWM, СMLCA, EASEWASTE, GaBi, SimaPro, UMBERTO были разработаны европейскими научными институтами и доступны в настоящее время для проведения оценки экологического воздействия систем управления отходами. Все эти методы обладают различными аналитическими возможностями и применимостью для определения экологической нагрузки процессов утилизации твердых отходов.
LCA – IWM – программный продукт, направленный на оценку экологической, экономической и социальной устойчивости смоделированных систем управления отходами на протяжении всего жизненного цикла отходов. Программа позволяет смоделировать цепь сложных процессов, работать быстро без выдачи ошибок, связанных с программным обеспечением. Интерфейс программы хорошо структурирован
и позволяет вернуться к предыдущим стадиям, чтобы найти ошибку, внести изменения.
СMLCA представляет собой программный инструмент, который поддерживает технические этапы оценки жизненного цикла. Включает в себя проведение оценки социальных аспектов исследуемой системы, оценку степени устойчивости системы. Основное внимание в программе уделяется передовым вычислительным аспектам проведения расчетов. Программа не обладает простым интерфейсом, графическое представление расчетов только линейное. СMLCA бесплатный инструмент, инвентаризационные данные для проведения расчетов и проведения оценки категорий воздействия в программе отсутствуют.
EASETECH (EASEWASTE) – это модель, разработанная для проведения оценки жизненного цикла систем управления твердыми бытовыми отходами. Программа моделирует процессы вторичного использования и утилизации гетерогенных материальных потоков отходов, а также поведение эмиссии, сопровождающих эти процессы в контексте жизненного цикла отходов. Программа позволяет вносить изменения в существующие базы данных, изменять показатели технологии и процессов, а также создавать собственные модули с последующей их оценкой.
GaBi является инструментом оценки жизненного цикла и инжиниринга жизненного цикла, который включает в себя множество данных из промышленности и литературных источников. Пользователь может связать набор данных, предоставленный базой данных GaBi, с собственными данными, чтобы рассчитать как инвентаризационную ведомость жизненного цикла, так и произвести оценку воздействия. Программный продукт также производит анализ слабых сторон инвентаризации и оценки воздействия. Структура программного продукта позволяет вносить изменения и дополнения.
SimaPro ‒ это программный продукт, обладающий всеми функциями для проведения ОЖЦ. В рамках программы могут быть проанализированы любые сложные системы управления отходами. Базы данных процессов, также как и базы данных оценки воздействия могут быть редактированы и расширены без ограничений. SimaPro может проследить происхождение (причину возникновения) любых полученных результатов. Специальные свойства программы: многочисленные методы оценки воздействия, многочисленные базы данных процессов, автоматический перевод единиц и др. SimaPro использует ряд хорошо известных методов оценки воздействия, например CML 1992 и 1996, Eco-points и Eco-indicator 95. Данные оценки воздействия могут быть редактированы и расширены.
Umberto – это инструмент оценки жизненного цикла, использующий графически интерфейс для моделирования дерева жизненного цикла таким образом, чтобы можно было вводить и отслеживать материальные и энергетические потоки. Umberto также имеет редактор оценки воздействия для облегчения проведения данной стадии ОЖЦ.
Программа для проведения оценки жизненного цикла систем управления отходами должна обладать гибким программным обеспечением, которое позволяет смоделировать типичные, наиболее часто применяемые сценарии, как и сценарии, которые отличаются от стандартных. Исходные данные, заложенные в программе должны быть высокого качества, достоверными, из надежного источника. Программа должна предоставлять возможность вносить свою базу данных, свои коррективы и изменения исходных существующих данных, параметров.
Для проведения оценки жизненного цикла в настоящей научной работе была использована программа LCA-IWM, разработанная при реализации исследовательского проекта ЕС «The Use of LCA (Life Cycle Assessment) Tools for the Development of Integrated Waste Management (IWM) in rapid growing economies» ведущими университетами Европы для оценки систем управления отходами в странах с быстроразвивающейся экономикой.
Программа оценки LCA-IWM – это инструмент, помогающий принять решение при планировании системы управления отходами. Программа моделирует сценарии утилизации отходами на уровне муниципалитетов, позволяя служащему, ответственному за планирование системы управления отходами оценить изнутри потенциальное влияние, которое может иметь его решения. Для этой цели были разработаны модули, представляющие собой отдельные процессы управления отходами, такие как:
● временное хранение;
● сбор;
● транспортировка и утилизация.
С помощью этих модулей пользователь разрабатывает сценарии, которые он хочет рассмотреть для своего муниципалитета. Оценочная составляющая программы состоит из экономической, экологической и социальной систем оценки. Основа для оценки – критерии устойчивости и количественные показатели, рассчитываются программой. Таким образом, оценочная составляющая содержит алгоритмы, позволяющие рассчитать экономические, экологические, социальные аспекты данного сценария. Необходимыми входными параметрами для расчета значений показателей являются данные инвентаризации, например, количество выбросов для оценки экологичности или издержки для оценки экономичности. Эти входные параметры извлекаются из модулей процессов управления отходами [10].