Анализ материальных потоков - Material flow analysis

Анализ материальных потоков (МИД), также называемый анализ потока вещества (SFA) - это аналитический метод количественной оценки потоков и запасов материалов или веществ в четко определенной система. MFA - важный инструмент для изучения биофизических аспектов человеческой деятельности в различных пространственных и временных масштабах. Считается основным методом промышленная экология или же антропогенный, городской, Социальное и промышленный метаболизм. MFA используется для изучения потоков материалов, веществ или продуктов в различных отраслях промышленности или внутри экосистемы. MFA также может применяться к отдельной промышленной установке, например, для отслеживания питательное вещество течет через станция очистки сточных вод. В сочетании с оценкой затрат, связанных с материальными потоками, это бизнес-ориентированное приложение MFA называется учет материальных потоков. MFA - важный инструмент для изучения круговая экономика и разработать управление материальным потоком. С 1990-х годов количество публикаций, связанных с анализом материальных потоков, неуклонно растет. Рецензируемые журналы, которые публикуют работы, связанные с МИД, включают Журнал промышленной экологии, Экологическая экономика, Экологические науки и технологии, и Ресурсы, сохранение и переработка.[1]

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 экономической активности расширяется производство, использование и удаление материалов увеличиваются до уровня, при котором нежелательное воздействие на окружающую среду и общество невозможно. заброшенный больше ни локально, ни глобально. Материальные потоки лежат в основе местных экологических проблем, таких как выщелачивание свалки или же разливы нефти. Растущее беспокойство по поводу глобальное потепление кладет ранее неважный поток отходов, углекислый газ, в первую очередь политической и научной повестки дня. Постепенный переход от производства первичных материалов к городская добыча В развитых странах требуется детальная оценка используемых и устаревших запасов материалов в человеческом обществе. Поэтому ученым, отраслям, правительственным органам и НПО нужен инструмент, дополняющий экономический учет и моделирование. Им нужен систематический метод, позволяющий отслеживать и отображать запасы и потоки материалов, поступающих, находящихся в пределах и покидающих различные процессы в системе. антропосфера. Анализ материальных потоков является таким методом.

Основные принципы

MFA основан на двух фундаментальных и хорошо установленных научных принципах: системы подход и баланс массы.[2][3]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 процессы, материальные потоки между процессами и запасы 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, на который распространяется система. 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 видно из названия, индикаторный элемент - это некая химический элемент такие как кадмий или такое вещество, как CO2. 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 «материальный», «существенный» или «хороший», как, например, изложено в главе 2.1 книги Бруннера и Рехбергера,[4] одна из основных ссылок на метод MFA.

  • А химический элемент представляет собой «чистое химическое вещество, состоящее из одного типа атомов, различающихся своим атомным номером».[5]
  • Вещество - это «любой (химический) элемент или соединение, состоящее из однородных единиц. Все вещества характеризуются уникальным и идентичным строением и поэтому являются однородными». Из главы 2.1.1 в Brunner & Rechberger.[4]
  • 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.[4]
  • Термин «материал» в MFA «служит общим термином для веществ и товаров». Из главы 2.1.3 в Brunner & Rechberger.[4]
Типичная система MFA с количественной оценкой.

Баланс процесса

Одна из основных целей МИД - количественная оценка метаболизм 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. Тип процессов в системе определяет, какие балансы применяются. Для процесса 'нефтеперегонный завод ', например, можно установить баланс масс для каждого химического элемента, в то время как для атомной электростанции это невозможно. Завод по производству автомобилей соблюдает баланс 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. . Противоречивую информацию можно согласовать с помощью проверка и согласование данных, а программное обеспечение STAN предлагает базовые функции согласования, которые подходят для многих приложений MFA.[6]

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:

  • МИД в национальном или региональном масштабе (также называемый учет материальных потоков ): В этом типе исследования анализируется материальный обмен между экономикой и природной средой. Рассчитано несколько показателей, чтобы оценить уровень ресурсоемкость системы.[7][8]
  • Анализ корпоративных материальных потоков, или МИД по промышленная цепочка поставок включает в себя ряд компаний: цель анализа потока материалов в компании состоит в том, чтобы количественно оценить, а затем оптимизировать производственные процессы, чтобы материалы и энергия использовались более эффективно, например, с помощью переработка отходов и напрасно тратить снижение. Компании могут использовать результаты, полученные Учет затрат на материальный поток снизить эксплуатационные расходы и улучшить экологические показатели.
  • в жизненный цикл продукта: Инвентаризация жизненного цикла, составление которой лежит в основе оценка 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 был введен в современную химию Антуан Лавуазье (см. главу 2.1.3 в Brunner & Rechberger,[4]), откуда он попал в химическую инженерию и, наконец, в науку об окружающей среде.
  • Другой важный вклад был сделан Санкториус и Теодор Вейль.
  • Деннис Медоуз ознакомил широкую аудиторию с физическими основами экономики, когда он стал соавтором бестселлера. Пределы роста в 1971 г. Meadows et al. основывают свои прогнозы на анализе запасов ресурсов; видеть в глоссарий экологической науки.
  • 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),[9] Бруннер и Рехбергер (2004),[4] Баччини и Бруннер (2012),[10] и van der Voet et al. (2002).[11]
  • Фридрих Шмидт-Блик, работавший в Вуппертальском институте,[12] разработал относящуюся к MFA концепцию материального ввода на единицу услуги (MIPS).[13]
  • В ЮНЕП Панель ресурсов[14] была создана в 2007 году Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде. По аналогии с Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC )[15] он объединяет экспертов из многих дисциплин и институтов, чтобы проанализировать текущее состояние исследований метаболизма в обществе и сообщить последние результаты разработчикам политики и заинтересованным сторонам.

Недавнее развитие

  • Концепции MFA были включены или включаются в национальные счета в нескольких странах и регионах, таких как ЕС.[16] и Япония.[17] MFA также используется в Система интегрированного эколого-экономического учета.
  • Несколько международных конференций или других встреч предоставляют исследователям и политикам платформу для встреч и обмена результатами и идеями, в том числе Форум мировых ресурсов,[18] 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».[19]
  • Исследовательский институт устойчивого развития Европы (SERI) в Вене, Австрия, разработал базу данных под названием materialflows.net.[20]
  • 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.[21]
  • 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.[22]

Проведение современного МИД

Современный MFA состоит из следующих этапов:[4]

  • 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 внутри процессов, все потоки между процессами и все потоки, исходящие извне или выходящие за пределы 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 прямоугольников и стрелок, показанную выше, или используя Диаграммы Санки.
  • Задокументируйте MFA, сообщив явное определение системы вместе со списком количественно определенных системных переменных и проверками 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. По словам Бруннера и Рехбергера[4] термин «материал» включает вещества И товары, и причина такой широкой области применения заключается в желании применять MFA не только к химическим элементам или веществам, но также 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 другое ядро промышленная экология методы оценка жизненного цикла (LCA) и модели ввода-вывода (I / O).[23] 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 заданных 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.
  • Инвентаризация жизненного цикла фиксирует 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

  1. ^ «Ресурсы, сохранение и переработка».
  2. ^ Марина Фишер-Ковальски, Интеллектуальная история анализа потоков материалов, часть I, 1860-1970, Журнал промышленной экологии 2 (1), 1998, стр 61-78, Дои:10.1162 / jiec.1998.2.1.61.
  3. ^ Марина Фишер-Ковальски, Интеллектуальная история анализа потоков материалов, часть II, 1970–1998 гг., Журнал промышленной экологии 2 (4), 1998 г., стр. 107–136, Дои:10.1162 / jiec.1998.2.4.107.
  4. ^ а б c d е ж грамм час Brunner, P.H .; Рехбергер, Х. (2004). Практическое руководство по анализу материальных потоков. Lewis Publishers, Нью-Йорк. ISBN  978-1-56670-604-9.
  5. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) «химический элемент».
  6. ^ "Дома". www.stan2web.net.
  7. ^ Евростат (2013). Счета материальных потоков в экономике (EW-MFA) (Отчет). Евростат.
  8. ^ Краусманн, Фридолин; Вайс, Хельга; Эйзенменгер, Нина; Шютц, Гельмут; Хаас, Вилли; Шаффарцик, Анке (2015). «Учет материальных потоков в экономике - Введение и руководство. Рабочий документ 151 по социальной экологии». Рабочий документ по социальной экологии. Институт социальной экологии Университета Альпен-Адрия, Клагенфурт / Грац / Вена. ISSN  1726-3808.
  9. ^ Баччини и Бадер 1996, 'Regionaler Stoffhaushalt' (Региональный метаболизм), Spektrum Akademischer Verlag, Гейдельберг (Германия), ISBN  3-86025-235-6
  10. ^ Баччини П. и Бруннер П. (2012). Метаболизм антропосферы, анализ, оценка, дизайн. 2-е издание, MIT Press, Кембридж, Массачусетс. ISBN  9780262016650
  11. ^ «Прогнозирование будущих выбросов на основе характеристик запасов», Ecological Economics, 2002, 41 (2), 223-234.
  12. ^ «Вуппертальский институт». Получено 3 июля 2011.
  13. ^ Шмидт-Блик, Фридрих (1994), "MIPS: Ein neues ökologisches Maß", Wieviel Umwelt braucht der Mensch?, стр. 97–141, Дои:10.1007/978-3-0348-5650-8_4, ISBN  978-3-0348-5651-5
  14. ^ «ЮНЕП». Получено 3 июля 2011.
  15. ^ «МГЭИК». Получено 3 июля 2011.
  16. ^ «Бухгалтерский учет в ЕС». Получено 3 июля 2011.
  17. ^ «Бухгалтерский учет в Японии» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 27 сентября 2011 г.. Получено 3 июля 2011.
  18. ^ «Форум мировых ресурсов». Получено 16 сентября 2019.
  19. ^ Накамура, S .; Кондо, Ю. (2009). Анализ ввода-вывода отходов. Концепции и их применение в промышленной экологии. Springer. ISBN  978-1-4020-9901-4.
  20. ^ "materialflows.net". Получено 3 июля 2011.
  21. ^ Даниэль Б. Мюллер, Динамика запасов для прогнозирования материальных потоков - Пример жилищного строительства в Нидерландах, Экологическая экономика 59 (1), 2006 г., стр. 142-156, Дои:10.1016 / j.ecolecon.2005.09.025.
  22. ^ «3R в Японии». Получено 3 июля 2011.
  23. ^ Гао, Цзяо; Вы, Fengqi (2018). «Система оптимизации жизненного цикла на основе анализа динамического потока материалов и ее применение для устойчивого проектирования энергетических систем сланцевого газа». ACS Устойчивая химия и инженерия. 6 (9): 11734–11752. Дои:10.1021 / acssuschemeng.8b01983.

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка