Анализ материальных потоков - Material flow analysis

Анализ потока материалов ( MFA ), также называемый анализом потока вещества ( SFA ), представляет собой аналитический метод для количественной оценки потоков и запасов материалов или веществ в четко определенной системе . MFA - важный инструмент для изучения биофизических аспектов человеческой деятельности в различных пространственных и временных масштабах. Он считается основным методом промышленной экологии или антропогенного , городского , социального и промышленного метаболизма . MFA используется для изучения потоков материалов, веществ или продуктов в различных промышленных секторах или внутри экосистем . MFA может также применяться к отдельной промышленной установке, например, для отслеживания потоков питательных веществ через установку для очистки сточных вод . В сочетании с оценкой затрат, связанных с материальными потоками, это бизнес-ориентированное приложение MFA называется расчетом затрат на материальный поток . MFA - важный инструмент для изучения экономики замкнутого цикла и разработки управления материальными потоками . С 1990-х годов количество публикаций, связанных с анализом материальных потоков, неуклонно растет. Рецензируемые журналы, которые публикуют работы, связанные с МИД, включают Journal of Industrial Ecology , Ecological Economics , Environmental Science and Technology , а также Resources, Conservation, and Recycling .

Методология

Мотивация

Человеческие потребности, такие как жилье, еда, транспорт или связь, требуют таких материалов, как дерево, крахмал, сахар, железо и сталь, медь или полупроводники. По мере развития общества и расширения экономической деятельности производство, использование и удаление материалов увеличиваются до уровня, при котором нежелательные воздействия на окружающую среду и общество больше нельзя игнорировать ни на местном, ни на глобальном уровне. Материальные потоки лежат в основе местных экологических проблем, таких как выщелачивание со свалок или разливов нефти . Растущая озабоченность по поводу глобального потепления ставит прежде неважный поток отходов, двуокись углерода , на первое место в политической и научной повестке дня. Постепенный переход от производства первичных материалов к горнодобывающей промышленности в городах в развитых странах требует детальной оценки используемых и устаревших запасов материалов в человеческом обществе. Поэтому ученым, отраслям, государственным органам и НПО нужен инструмент, дополняющий экономический учет и моделирование. Им нужен систематический метод для отслеживания и отображения запасов и потоков материалов, входящих, находящихся внутри и покидающих различные процессы в антропосфере . Анализ материальных потоков является таким методом.

Основные принципы

MFA основан на двух фундаментальных и устоявшихся научных принципах: системном подходе и балансе массы . Определение системы является отправной точкой каждого исследования MFA.

Определение системы

Базовая система MFA без количественной оценки.
Более общая система MFA без количественной оценки.

Система MFA - это модель промышленного предприятия, промышленного сектора или проблемного региона. Уровень детализации модели системы выбирается в соответствии с целью исследования. Система MFA всегда состоит из границы системы, одного или нескольких процессов , материальных потоков между процессами и запасов материалов внутри процессов. Физический обмен между системой и окружающей средой происходит через потоки, пересекающие границу системы. Вопреки предвзятому мнению, что система представляет собой конкретную промышленную установку, системы и процессы в MFA могут представлять гораздо более крупные и абстрактные объекты, если они четко определены. Явное определение системы помогает практикующему специалисту найти доступную количественную информацию в системе либо в виде запасов в рамках определенных процессов, либо в виде потоков между процессами. Описание системы MFA может быть уточнено путем дезагрегирования процессов или упрощено путем агрегирования процессов.

Наряду с указанием организации процессов, запасов и потоков в определении системы практикующему специалисту также необходимо указать масштаб и индикаторный элемент или материал изучаемой системы. Пространственный масштаб описывает географический объект, охватываемый системой. Система, представляющая определенный промышленный сектор, может быть применена к США, Китаю, определенным регионам мира или миру в целом. Временная шкала описывает момент времени или промежуток времени, для которого система оценивается количественно. Индикаторный элемент или материал системы - это физический объект, который измеряется и для которого выполняется баланс масс. Как следует из названия, индикаторный элемент - это определенный химический элемент, такой как кадмий, или такое вещество, как CO 2 . Как правило, материал или продукт также можно использовать в качестве индикатора, если для него можно установить баланс процесса. Примерами более общих показателей являются такие товары, как легковые автомобили, материалы, такие как сталь, или другие физические величины, такие как энергия .

MFA требует от практиков точного использования терминов «материал», «вещество» или «хороший», как это изложено, например, в главе 2.1 Бруннера и Рехбергера, одной из основных ссылок на метод MFA.

  • Химический элемент является «чистым химическим вещество , состоящее из одного типа атома отличает его атомный номер».
  • Вещество - это «любой (химический) элемент или соединение, состоящее из однородных единиц. Все вещества характеризуются уникальным и идентичным строением и, таким образом, однородны». Из главы 2.1.1 в Brunner & Rechberger.
  • Товар определяется как «экономический субъект, имеющий положительную или отрицательную экономическую ценность. Товары состоят из одного или нескольких веществ». Из главы 2.1.2 книги Бруннера и Рехбергера.
  • Термин «материал» в MFA «служит общим термином как для веществ, так и для товаров». Из главы 2.1.3 в Brunner & Rechberger.
Типичная система MFA с количественной оценкой.

Баланс процесса

Одна из основных целей MFA - количественная оценка метаболизма элементов системы. В отличие от экономического учета, MFA также охватывает неэкономические потоки отходов, выбросы в окружающую среду и нерыночные природные ресурсы.

Модель производственного процесса в хозяйственном учете (вверху) и в физическом учете (внизу).

Баланс процессов - это физический принцип первого порядка, который превращает MFA в мощный инструмент учета и анализа. Какие балансы применяются, зависит от характера процессов в системе. Например, для процесса « нефтепереработка » можно установить баланс масс для каждого химического элемента, в то время как для атомной электростанции это невозможно. Завод по производству автомобилей соблюдает баланс по стали, а сталелитейный завод - нет.

При количественной оценке систем MFA либо измерениями, либо на основе статистических данных, массовые и другие балансы процесса должны быть проверены, чтобы гарантировать правильность количественной оценки и выявить возможные несоответствия данных или даже неправильные представления в системе, такие как пропуск потока или процесса. . Конфликтующую информацию можно согласовать с помощью проверки и согласования данных , а программное обеспечение STAN предлагает базовые функции согласования, которые подходят для многих приложений MFA.

Примеры приложений MFA в различных пространственных и временных масштабах

Исследования MFA проводятся в различных пространственных и временных масштабах и для множества элементов, веществ и товаров. Они охватывают широкий спектр технологических цепочек и материальных циклов. Несколько примеров:

  • MFA в национальном или региональном масштабе (также называемый учетом материальных потоков ): в этом типе исследования анализируется материальный обмен между экономикой и окружающей средой. Для оценки уровня ресурсоемкости системы рассчитываются несколько показателей .
  • Корпоративный анализ материальных потоков или MFA в производственной цепочке поставок включает ряд компаний: цель анализа материальных потоков внутри компании состоит в количественной оценке и последующей оптимизации производственных процессов, чтобы материалы и энергия использовались более эффективно, например, с помощью переработка и сокращение отходов . Компании могут использовать результаты, полученные с помощью учета материальных потоков, для снижения своих операционных расходов и улучшения экологических показателей.
  • В жизненном цикле продукта : инвентаризация жизненного цикла, составление которой лежит в основе оценки жизненного цикла , следует методологии MFA, поскольку она основана на явном определении системы и балансах процессов.

Историческое развитие

  • Баланс массы или сохранение вещества постулировался еще в Древней Греции, и он был введен в современную химию Антуаном Лавуазье (см. Главу 2.1.3 в Brunner & Rechberger), откуда он нашел свой путь к химической инженерии и, наконец, к окружающей среде. наука.
  • Другой важный вклад был сделан Санкториусом и Теодором Вейлем .
  • Деннис Медоуз ознакомил широкую аудиторию с физическими основами экономики, когда в 1971 году он стал соавтором бестселлера « Пределы роста» . Медоуз и др. основывают свои прогнозы на анализе запасов ресурсов; см. в глоссарии экологических наук .
  • Методология MFA была разработана в 1980-х и 1990-х годах. Разработка происходила одновременно в разных исследовательских группах. Центральные публикации по методологии MFA включают Baccini and Bader (1996), Brunner and Rechberger (2004), Baccini and Brunner (2012) и van der Voet et al. (2002).
  • Фридрих Шмидт-Блик, который работал в Вуппертальском институте, разработал относящуюся к MFA концепцию материальных затрат на единицу обслуживания (MIPS).
  • ЮНЕП Группа ресурсов была создана в 2007 году Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде. По аналогии с Межправительственной группой экспертов по изменению климата ( МГЭИК ) он объединяет экспертов из многих дисциплин и учреждений для обзора текущего состояния исследований в области метаболизма в обществе и для передачи последних результатов политикам и заинтересованным сторонам.

Недавнее развитие

  • Концепции MFA были включены или включаются в национальные счета в нескольких странах и регионах, таких как ЕС и Япония. MFA также используется в Системе интегрированного эколого-экономического учета .
  • Несколько международных конференций и других встреч предоставляют исследователям и политикам платформу для встреч и обмена результатами и идеями, в том числе Всемирный форум ресурсов , проводимая два раза в год международная конференция по анализу материальных потоков и устойчивому развитию.
  • MFA-IO - это подход к созданию системы MFA для всей экономики с использованием денежных и физических таблиц «затраты-выпуск».
  • Исследовательский институт устойчивого развития Европы (SERI) в Вене, Австрия, разработал базу данных под названием materialflows.net.
  • Динамический MFA нацелен на долгосрочную количественную оценку систем MFA и использует исторические модели развития физических запасов и потоков для создания надежных сценариев на годы и десятилетия.
  • Япония превратилась в горячую точку для исследований МИД. Страна имеет скудные минеральные ресурсы и поэтому зависит от импорта энергоносителей, руд и другого сырья. Японское правительство поощряет исследования материальных циклов, а также представило концепцию 3-R.

Проведение современного МИД

Современный MFA состоит из следующих этапов:

  • Установите явное определение системы: укажите границу системы с географическим и временным охватом, процессами (могут содержать запасы) и потоками. Укажите материал, для которого система должна быть количественно определена (продукт, вещество или индикаторный элемент). Убедитесь, что каждый запас связан с процессом и что каждый поток связывает один процесс с другим. Потоки также могут начинаться или заканчиваться за пределами системы.
  • Определите и назовите системные переменные. Системные переменные включают: все запасы в процессах, все потоки между процессами и все потоки, исходящие извне или выходящие за пределы границ системы. Иногда запасы не учитываются, и интерес представляют только чистые изменения запасов. Для каждой переменной должно быть ясно, является ли она запасом или потоком, и это различие должно быть отражено в названиях и выбранных математических символах.
  • Оцените системные переменные, связав их с литературой, измерениями или смоделированными данными.
  • Выполните проверку баланса массы для всех процессов и системы в целом.
  • Необязательно: визуализируйте свою систему, используя схему из прямоугольников и стрелок, показанную выше, или диаграммы Санки .
  • Задокументируйте MFA, сообщив явное определение системы вместе со списком количественно определенных системных переменных и проверок массового баланса.

Разница между анализом потока материала и веществом

В то время как термин «вещество» в «анализе потока вещества (SFA) всегда относится к химическим веществам, термин« материал »в« анализе потока материала (MFA) »имеет гораздо более широкую область применения. Согласно Бруннеру и Рехбергеру, термин «материал» включает вещества И товары, и причиной такой широкой области применения является желание применять MFA не только к химическим элементам или веществам, но и к таким материалам, как сталь, древесина или продукты, такие как автомобили или здания. . Таким образом, можно провести MFA для парка пассажирских транспортных средств путем регистрации транспортных средств, входящих и покидающих фазу использования.

Отношение к другим методам

MFA дополняет другие основные методы оценки жизненного цикла (LCA) методов промышленной экологии и модели ввода-вывода (I / O) . Существуют некоторые совпадения между различными методами, поскольку все они разделяют системный подход и до некоторой степени принцип баланса массы. Методы в основном различаются по назначению, объему и требованиям к данным.

Исследования MFA часто охватывают весь цикл (добыча, производство, производство, использование, обращение с отходами) определенного вещества в определенных географических границах и временных рамках. Запасы материалов указаны в MFA, что делает этот метод подходящим для исследований, связанных с дефицитом ресурсов и переработкой старого лома. Распространенное использование временных рядов (динамическое моделирование) и моделей срока службы делает MFA подходящим инструментом для оценки долгосрочных тенденций в использовании материалов.

  • По сравнению с анализом ввода-вывода, количество процессов, рассматриваемых в системах MFA, обычно намного меньше. С другой стороны, баланс масс гарантирует, что потоки побочных продуктов или отходов не будут упущены из виду в исследованиях MFA, тогда как в таблицах ввода-вывода эти потоки часто не включаются из-за отсутствия экономической ценности. Физические модели ввода-вывода встречаются гораздо реже, чем экономические таблицы. Материальные запасы не охватываются анализом затрат-вывода, только добавление к запасам может быть включено в форму накопления капитала.
  • В инвентаризациях жизненного цикла регистрируется спрос на множество различных материалов, связанных с отдельными продуктами, тогда как исследования MFA обычно сосредоточены на одном материале, используемом во многих различных продуктах.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Baccini, P .; Бадер, Х.-П. (1996). Regionaler Stoffhaushalt . Spektrum Akademischer Verlag, Гейдельберг (Германия). ISBN   978-3-86025-235-2 .

внешние ссылки