Comparative Life Cycle Assessment of CFC-replacement Compounds in Different Technical Applications

Vergleichende ökologische Risikoanalyse bei Verwendung verschiedener FCKW-Ersatzstoffe in unterschiedlichen technischen Anwendungen

Aim of the present project is to compare the results of the widely used concept of life cycle assessments (LCA) with those obtained by Discrete Mathematics. Mobile air conditioning (A/C) systems in passenger cars are chosen as an example for technical application of refrigerants. The environmental impacts due to life cycles of different possible substitute refrigerants are compared with the presently used 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a). Additional refrigerants included in this study comprise Aim of the present project is to compare the results of the widely used concept of life cycle assessments (LCA) with those obtained by Discrete Mathematics. Mobile air conditioning (A/C) systems in passenger cars are chosen as an example for technical application of refrigerants. The environmental impacts due to life cycles of different possible substitute refrigerants are compared with the presently used 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a). Additional refrigerants included in this study comprise dichloromethane (R30), propane (R290), isobutane (R600a), carbon dioxide (R744), pentafluorodimethyl ether (E125), 1,1,1’,1’-tetrafluorodimethyl ether (E134), hepta-fluoropropyl methyl ether (E7000), methyl nonafluorobutyl ether (E7100), ethyl nonafluorobutyl ether (E7200), and 1,1-difluoroethane (R152a). The data interpretation is carried out by means of independent methods such as the Dutch Handbook method (CML02), Eco-indicator 99 (EI99) and Total Equivalent Warming Impact (TEWI). According to the CML02 assessment method, R290, R600a, and R744 have a lower environmental impact compared with R134a in the impact categories “Stratospheric ozone depletion” (SOD), “Climate change” (CC), “Fresh water aquatic toxicity” (FAETP), and “Terrestrial ecotoxicity” (TETP). E125, E7000, E7100, and E7200 are the refrigerants with the lowest impacts in the categories “Acidification” (AP), “Eutrophication” (EP), “Photo-oxidant formation” (POCP), and “Human toxicity” (HTP). In the impact category “Depletion of abiotic resources” (ADP), R152a has a lower impact than R134a. The operation phase is the dominant phase within the life cycle. It accounts to > 79 % for impact category ADP, 71 – 99 % for CC, and > 50 % for FAETP. By means of EI 99 and TEWI, R152a, R290, R600a, R744, and E7200 have a smaller environmental impact than R134a under average operation scenario. According to EI99, the operation phase is with 43 – 63 % the dominating life cycle phase. Comparing the assessment of refrigerants by the three methods shows that each method ranked E134 higher than R134a. E7200, E7100, E7000, R152a, R600a, R290, and R744 are ranked lower than R134a. The fate of some persistent degradation products of the studied refrigerants is modelled. The concentrations of perfluorinated carboxylic acids in surface freshwater systems in Germany due to the annual direct refrigerant emissions of E7000, E7100, and E7200 from the A/C system of a passenger car are about the factor 107 to 109 smaller than the precautionary limit of 0.1 µg/L of the Federal Environment Agency for partly or non-assessable substances in drinking water (UBA 2003). Assuming that all 46 million German passenger cars (Destatis 2006a) are equipped with A/C systems using E7000, E7100, or E7200, the concentration of the degradation products in German surface waters will amount to 0.1 – 1 µg/L. That means even under the best-case scenario the above mentioned precautionary limit will be reached and under worst-case scenario exceeded. The ranking of refrigerants due to the aggregation of six substance-intrinsic properties by means of the mathematical model METEOR (METhod of Evaluation by ORder theory) was performed for 15 refrigerants i.e. chlorodifluoromethane (R22), difluoromethane (R32), pentafluoroethane (R125), 1,1,1-trifluoroethane (R143a), propene (R1270), ammonia (R717), R134a, R152a, R290, R30, R600a, R744, E7200, and the blends R407C and R410A. A high rank is accompanied with a high environmental impact. Considering a selection of possible aggregations, R22 is ranked to 87 % within the five highest ranks, followed by R143a with 85 %, and R32 with 71 %. Refrigerants which are ranked predominantly in the five lowest ranks include R717 (88 %), E7200 (81 %), and R290 (74 %). R744 has in ca. 40 % of the selected aggregations the highest rank and in 24 % the lowest rank. Two third of the refrigerants show a modification in their rank distribution pattern when putting an extreme low or high weight on the thermodynamic properties critical temperature and heat capacity. Additional to the results derived by the LCA conducted in this study, literature LCA results comprising different refrigeration processes and refrigerants were included in the comparison with results from METEOR. In general, METEOR does not agree with the results from LCA. In summary, ranking of refrigerants based on substance-intrinsic properties using METEOR can only give a rough estimation about general environmental impact of a certain refrigerant compared to others. Considering A/C systems in passenger cars, R152a, R290, R600a, and R744 appear as the most recommendable replacements of R134a in this application taking into account the results of the present LCA study derived by the three assessment methods and the fate modelling of some refrigerant degradation products.show moreshow less
Ziel der vorliegenden Studie ist der Vergleich von Ökobilanzergebnissen mit Ergebnissen, die anhand von Methoden der Diskreten Mathematik gewonnen wurden. Pkw-Klimaanlagen werden als Beispiel der technischen Anwendung von Kältemitteln herangezogen. Die Umweltwirkungen der Lebenszyklen verschiedener möglicher Ersatzkältemittel werden mit denen des derzeit verwendeten 1,1,1,2-Tetrafluorethans (R134a) verglichen. Neben R134a umfasst die vorliegende Studie Methylenchlorid (R30), Propan (R290), IsobuZiel der vorliegenden Studie ist der Vergleich von Ökobilanzergebnissen mit Ergebnissen, die anhand von Methoden der Diskreten Mathematik gewonnen wurden. Pkw-Klimaanlagen werden als Beispiel der technischen Anwendung von Kältemitteln herangezogen. Die Umweltwirkungen der Lebenszyklen verschiedener möglicher Ersatzkältemittel werden mit denen des derzeit verwendeten 1,1,1,2-Tetrafluorethans (R134a) verglichen. Neben R134a umfasst die vorliegende Studie Methylenchlorid (R30), Propan (R290), Isobutan (R600a), Kohlenstoffdioxid (R744), Pentafluordimethylether (E125), 1,1,1’,1’-Tetrafluordimethylether (E134), Heptafluorpropylmethylether (E7000), Methylnonafluorbutylether (E7100), Ethyl-nonafluorbutylether (E7200) und 1,1-Difluorethan (R152a). Die Auswertung erfolgt anhand unabhängiger Methoden wie die Dutch Handbook Methode (CML02), dem Eco-indicator 99 und dem Total Equivalent Warming Impact (TEWI). Nach der CML02 Bewertungsmethode haben R290, R600a und R744 in den Wirkungskategorien „Stratosphärischer Ozonabbau” (SOD), „Treibhauseffekt” (CC), „Aquatische Süßwassertoxizität” (FAETP) und „Terrestrische Ökotoxizität” (TETP) eine geringere Umweltschadwirkung als R134a. E125, E7000, E7100 und E7200 sind die Kältemittel mit den geringsten Beiträgen in den Wirkungskategorien „Versauerung” (AP), „Eutrophierung” (EP), „Ozonbildungspotential” (POCP), and „Humantoxizität” (HTP). In der Wirkungskategorie „Verbrauch abiotischer Ressourcen“ (ADP) besitzt R152a eine geringere Schadwirkung als R134a. Die Nutzungsphase ist die dominierende Phase des Lebenszyklus. Sie trägt zu > 80 % zur Wirkungskategorie ADP, zu 70 – 100 % zur Kategorie CC und zu > 50 % zu FAETP bei. Gemäß EI99 und TEWI haben R152a, R290, R600a, R744 und E7200 im Durchschnitt eine geringere Umweltschadwirkung als R134a. Bei EI99 ist die Nutzungsphase mit 43 – 63 % die dominierende Lebenszyklusphase. Ein Vergleich der Kältemittelbewertungen anhand der drei unterschiedlichen Methoden zeigt, dass alle drei Methoden E134 ein größeres Schadenspotential zuweisen als R134a. Des Weiteren besitzen E7200, E7100, E7000, R152a, R600a, R290 und R744 eine geringere Schadwirkung als R134a. Der Verbleib einiger persistenter Abbauprodukte der betrachteten Kältemittel wird modelliert. Die Konzentration an perfluorierten Carbonsäuren in Oberflächengewässern in Deutschland, die aufgrund der jährlich auftretenden Kältemittelemissionen an E7000, E7100 und E7200 aus einer einzelnen Pkw-Klimaanlagen entstehen, sind um den Faktor 107 bis 109 kleiner als der Vorsorgewert von 0,1 µg/L des Umweltbundesamtes für teil- oder nicht bewertbare Stoffe im Trinkwasser (UBA 2003). Unter der Annahme, dass alle 46 Millionen deutschen Pkw (Destatis 2006a) Klimaanlagen mit E7000, E71000 oder E7200 betreiben, treten in deutschen Oberflächengewässern Konzentrationen von 0,1 – 1 µg/L auf. Dies bedeutet, dass sogar unter einem best-case Szenario die genannten Vorsorgewerte erreicht und unter einem worst-case Szenario sogar überschritten werden. Ein Ranking der Kältemittel infolge der Aggregation von sechs stoffspezifischen Parametern mittels des mathematischen Modells METEOR (METhod of Evaluation by ORder theory) wurde für 15 Kältemittel durchgeführt (Chlordifluormethan (R22), Difluormethan (R32), Pentafluorethan (R125), 1,1,1-Trifluorethan (R143a), Propen (R1270), Ammoniak (R717), R134a, R152a, R290, R30, R600a, R744, und E7200 sowie die Kältemittelgemische R407C und R410A). Ein hoher Rang entspricht einem großen Umweltschädigungspotential. In der vorliegenden Studie wird eine Auswahl möglicher Aggregationen betrachtet. Diese weisen R22 mit 87 % einen Rang zwischen 11-15 zu, gefolgt von R143a mit 85 % und R32 mit 71 %. Kältemittel, die vorwiegend zwischen Rang 1-5 liegen, sind R717 (88 %), E7200 (81 %) und R290 %. R744 nimmt zu ca. 40 % der ausgewählten Aggregationen den höchsten und zu etwa 24 % den niedrigsten Rang ein. Zwei Drittel der Kältemittel zeigen eine Modifikation ihrer Rangverteilung wenn die thermodynamischen Parameter kritische Temperatur und Wärmekapazität besonders hoch bzw. niedrig gewichtet werden. Neben den Ergebnissen aus der vorliegenden Ökobilanzstudie wurden Untersuchungsergebnisse aus der Literatur, die Ökobilanzen für andere Kälteprozesse und Kältemittel umfassen, zu dem Vergleich mit Ergebnissen von METEOR hinzugezogen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Ranking der Kältemittel aufgrund stoffspezifischer Eigenschaften mittels METEOR lediglich eine allgemeine Erstabschätzung hinsichtlich der Umweltschadwirkung eines Kältemittels im Vergleich zu anderen geben kann, doch ist es nicht möglich, eine Aussage bezüglich der technischen Anlagenkonfiguration, in der ein Kältemittel eingesetzt wird, zu treffen. Anhand der Ergebnisse aus der durchgeführten Sachbilanz und der Bewertung mittels der drei genannten Methoden sowie der Modellierung bestimmter Abbauprodukte konnten R152a, R290, R600a und R744 als die besten Ersatzstoffe von R134a in Pkw-Klimaanlagen identifiziert werden.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Monika Weckert
Advisor:Prof. Dr. Hartmut Frank
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:04.12.2008
Year of Completion:2008
SWD-Keyword:Anwendung; Chlorfluorkohlenstoffe; METEOR <Interpretierer>; Risikoanalyse; Umweltbilanz
Tag:CML02; EI99; Hasse Diagramm Technik; Partielle Ordnungen; TEWI
Hasse diagram technique; Life cycle assessment; partial orders
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-5065
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):14.01.2009