简介
有效利用物料资源、获得可持续能源资源以及建立环保生产系统，长期以来一直是欧洲工业的重要目标。同时，铸造工业等能源密集型产业不断受到压力,必须尽快改善自身生产过程的环境性能, 并为能源和资源效率做出自己的贡献。
欧盟委员会已确定了2020年在初级能源消费中节省20% 的目标, 并使这一目标设定为欧洲2020年智能可持续和包容性增长战略中五个主要的重点之一。这场辩论论述了上述观点外，也被刊登在《能源效率方针》(EED)中, 该方针于 2012年11月在欧洲联盟官方刊物上发表。在奥地利, 这项方针适用于能源效率法(EEffG) 中，法律的执行将由负责评估和监测能源措施的相关部门负责监管。
能源效率法的实施不仅实现了能源的节约, 同时减少了成本的消耗, 这些改进都将对环境产生积极影响, 并有助于减少温室气体排放。因此，在铸造行业中关于效率和材料的利用效率以及应对气候变化的需求是必不可少的。除了有效的能耗管理方面，还需要提高竞争力，开展关于减轻对环境变化影响的讨论。数十年来, 通过不断实施并加强节能措施,以降低铸造行业相对较高的能源需求。然而, 铸造行业包含了比较复杂的能源密集型生产流程,考虑到铸造产品的制造过程, 和其他可替代材料相比，其能量平衡并不占优势。此外, 如果考虑的重点仅集中在主要功率要求上，铸造行业能源方面的问题有可能导致关于能源效率的单向思维,。因此，需要在产品生命周期这一方面进行详细透明的数据分析, 以获得真实有效的信息。这些研究可以展示出行业在能源效率, 以及潜在环境影响双方面的真实潜力。
为了评估行业生产流程环境的影响, 应用了生命周期评估 (LCA) 这一先进的方法。在ISO 标准化的的环境下，这是目前最先进有效的方法来评估产品和过程在整个生命路径中对环境所产生的影响。一方面, 它在产品声明的内容中找到应用程序, 并作为市场营销参数使用。另一方面, 它有助于评估各种备选材料经济上的价值, 以便在备有相应资料的情况下进行战略和业务上的决策。
针对铸造产品生命周期的评价方法研究
为了克服和减少奥地利铸造业目前所面临的法律挑战, 提高公司的能效, 研究项目“在能源效率法的应用下，开发一个以延长生命周期为导向，节能可持续铸造产品 ”正式启动。在该项目的框架内, 开发了一个程序模型和一个可行的应用工具, 集成了技术、经济、生态方法和评价方法, 目的是将最有潜力的能效潜力在生产环境中进行定义。
"快速检查工具 (QCT)" 使铸造厂能够进行能源评估, 从而在战略和业务措施方面上支持决策, 以提高能效。该工具根据ISO50001 引入了能源管理系统并根据 ISO16247 实施了能源审计，提供了一个极好的出发点. 另一方面, 该工具为执行更深层次的分析提供了基本数据，如生命周期测评，物流成本计算以及加紧分析等。循环评估、物料流成本计算和夹紧分析。此外, 在生命周期的框架内，项目还进行了铸造产品两个代表性指标的评估，既能源和物流成本核算 (见图 1) 。
铸造行业的生命周期分析
考虑到产品系统对整个生命周期的环境影响和潜在影响,目前已经在许多工业部门建立了自己的生态平衡系统 。这一评估过程将通过确定产品和环境的所有影响，以及生命周期的因素, 以及评估这些因素之间的相互作用来进行。在生命周期评估方法 (LCA) 中, 所有生态方面的因素都集中在整个使用流程上, 从原材料的采购，生产和使用, 到产品的处置或回收, 都是以数字的方式记录和评估的，因此, 这个过程也经常被描述成"从摇篮到坟墓"。
摘要
能源成本不断上升、新的环境法规和对能源安全的关注, 正在不断地推动欧洲联盟提高工业能效的努力。像铸造业这样的能源密集型产业, 正急需在其生产过程中实施和提高能效的工业, 尤其面临这种情况。此外, 公司意识到, 通过在资源效率领域引入适当的能力, 争力将可持续增加, 并为它们提供经济优势, 同时尽量减少生态负担和对客户节能的生态影响进行了积极的投入。此外, 在生产过程中有效的能源消耗和减少能源消耗是几乎所有能源、环境和气候政策的基本组成部分。
生态评价和产品的环境影响以及过程越来越重要, 一方面作为产品说明内容同时又作为市场营销的论据来应用。另一方面, 它作为公司战略和业务决策的重要信息来源。利用 LCA 方法进行生态评价 (同义词使用术语生命周期评估-LCA). 该方法用于收集和评估整个生命周期的所有生态方面, 从原材料的采购, 生产和使用, 到产品的处置或回收。
由于铸造业法律的挑战和目前的框架条件, 将开展一个为期三年的研究项目“在能源效率法的应用下，开发一个以延长生命周期为导向，节能可持续铸造产品“，并建立技术、经济、生态方法以及评价方法相结合的程序模型, 确定能效潜力在生产过程中的体现。
这项举措分析了生命周期评价在铸造生产中的实际应用和实施, 并在虚构实例的基础上, 提出了基于 不同生产阶段上能耗的生态评估方法。此外, 还为公司在生态评价实施过程中提供了表格数据工具。
LCA 的使用越来越普遍。在越来越多的国家或区域数据库覆盖着重要产业。许多生产行业都有LCA 部门, 市场上也有着越来越多的 LCA软件包 。生命周期评估的实施是非常耗时的, 需要具体的方法和知识, 这意味着在工业实践中实施的份额较低。这一评估方法在铸造工业中也越来越重要, 目前在可持续供应链管理的背景下, 这一问题也得到了充分的体现 。
生命周期评估的方法框架
国际标准ISO 14040 和ISO 14044说明了进行生命周期评估的方法, 该标准描述了实施和报告LCA 研究的原则和框架条件, 并包括了一些具体的最低要求。根据这一标准, 生命周期评估包括四阶段 (图 2): 目标和调查范围的定义 (阶段 1)、物料平衡 (阶段 2)、影响评估 (阶段 3) 和说明 (阶段 4)。
LCA 的第一阶段包括一个指南, 它确保了LCA 的持续执行。该指南中介绍了研究内容中最重要的决定。它限制研究并且定义了必要的研究参量例如目标、用途、产品的选择、功能单位的定义、资产负债表对象的选择、物料的界定、空间和环境框架以及评价方法的定义。因此, 根据特定LCA 的目标, LCA 的深度和广度可能会有很大的差异。例如, 它们可以根据以下考虑进行结构化区分: 摇篮到门，门到门，摇篮到坟墓，坟墓到坟墓。
第二阶段涉及物料平衡表。这个过程设计所有资源用法 (输入信息、输入) 与值 (功能单元) 或相关排放 (输出变量、输出) 进行对比。它包括实现研究目标所需的数据收集和计算方法 。物料平衡表的创建是一个迭代过程。在数据采集过程中, 由于新的要求或限制, 可能需要调整数据收集程序以实现研究目标。数据包括原材料、辅材、耗材、能源以及输出产品的输入。平行产品或者副产品，以及空气，水和土壤中的排放, 以及确定参与评估的对象及其功能单位。对于能量流动的核算, 需要区分能量来源, 能量转换的效率, 并需要考虑准备和应用过程中投入和输出的分配。
在实际情况中，没有收集到足够的数据创建物料平衡表, 因此需要拟定尽可能大量的虚拟情况。特别是LCA 软件包 (例如Umberto, SimaPro GaBi 以及同时开放的外包软件)可以用不同的数据库极大地支持这个加工步骤中的分析, 因为可以将产品系统与被存放的材料和过程建立模型。物料平衡表的结果是由功能单元提供的累积材料和能量流动情况构成的。
第三阶段将物料平衡的分析结果与影响类别和影响指标相结合。根据 ISO 14040,评估目的是提供额外的信息, 以支持产品系统物料平衡结果的评估, 以便更好地了解环境相关的信息。根据其环境影响, 将物料平衡表中的累计资源消耗和排放量分配给相关的影响类别 (如气候变化、酸化、臭氧损耗等)。
在此步骤之后, 所有参数都被带入到相应影响类别中的等价因素中。指示值的演算 (描述性) 包括将物料平衡表的结果转换成共同的单位，以及转换后的结论在同样影响类别的总结。例如, 影响类别 "气候变化" 将所有排放量的参考单位换算成等效单位，千克二氧化碳。影响类别的评估可以采用多种方法进行, 其中最常用的是CML。CML（CML 是开发这一方法的研究机构名称）是一种局部聚合的影响评估方法, 它将物料平衡表的结果分组为中期分类 (如气候变化)。
综合评估是生命周期评估最后的第四阶段, 这一阶段中将解读物料和影响平衡表的结果, 辨认重要因素, 评估分析的完整性、连贯性和可能的结论和建议。
工业生命周期评价在铸造行业的实践应用
近年来进行了大量的研究，一方面对最终铸造产品生态进行了评价，另一方对铸造过程本身进行了分析。例如, 汽车行业调查了车辆对其整个生命周期 (如奥迪, 宝马, 梅赛德斯-奔驰等) 的环境影响并颁发环境证书。在这方面, 欧洲汽车制造商协会发表了2012年生命周期评估的评估文件, 并建议所有 LCA 研究应以 ISO 14040/44 为基础, 以确保其接受程度。
在文献中所包含的汽车工业的实例说明了个别汽车零部件的环境评价。例如, Bonollo (2006) 对铝和铸铁气缸块进行了 LCA 的比较。结果表明, 生产过程中铝块生产对环境的影响高于铸铁块。然而, 在使用和生命周期结束阶段, 铝材料却比铸铁材料更环保。在铸造行业中的 LCA 应用，进一步例子可以在分析铸造作业的各个过程中找到。特别是, 对砂前和砂后回收过程进行了详细的调查。
在项目 "EnEffGieß *" 框架内, 利用 LCA 计算了部分产品在整个生命周期中的环境影响 。以下是根据 Cradle 检查框架编写的 LCA 方法详细说明。包括整个生命的阶段中从原材料的提取，能量通过铸造的生产, 运输, 装配和使用, 直到回收的铸造过程。如图3所示, 每个生命周期阶段都相应地分配给了各自的过程和物质, 在框架内表示出来。粗黑色箭头显示产品从生产开始到末期阶段。橙色箭头和框显示由回收过程中创建的物质, 并避免计算初级生产过程。
第一步是对生命周期评估的主要研究目标进行定义，以及在选定铸造产品中的应用。因此, 方法应当保持透明的并被充足记录。重点应该是对制造阶段的详细研究。在此基础上, 定义了功能单元。功能单元是所有被考虑环境影响的参考基础, 并且主要取决于被选择的目标。一般而言, 使用功能单一表示产品已经完成准备过程。这使得我们可以比较不同的产品。功能单元的主要目的是指定一个引用变量, 使得输入和输出数据可以被标准化。因此，必须明确界定和衡量功能单元。选择功能单元后, 必须创建物料平衡表。在系统界定范围内创建物料平衡表所需的所有数据都可以包含测量的、计算的或估计的数据以及来自专家数据库的数据记录。除了来自主要来源的数据外, 还可以从辅助源 (文献、产品说明或 声明) 中使用。铸造工序的物料平衡表包括能源、原材料和操作材料的输入端消耗数据, 输出端产品的数据、废弃物的数量和生产流程中产生的排放量 (见图 4)。应该在流程层面确定能源消耗量数据，对于所有的能源输入（电能，天然气等），从各自国家的数据库内删除每个国家的特定数值。按照国内和进口的能量以及能量分析来源分布, 并最终显示出典型的代表性结构。
同样的方法也应该用来识别所有的原材料和废弃物。能源和材料生产的预处理，以及废物回收过程可以从数据库中获得并计算出来。排放值应该在各自的流程中根据测量数据进行计算。例如, 可以监控测量报告中的排气分量值: 氧气 (02)、二氧化碳 (CO2)、二氧化硫 (S02)、一氧化碳 (CO)、一氧化氮 (NOx)。
铸造产品的运输和装配数据取决于调查的范围。生命周期评估的结果受到运输的大量影响甚至由运输情况决定, 特别是距离、运输手段、使用/后勤等因素。主要重点是运输原材料, 能源, 材料, 产品和废料。例如, 特殊数据库中有不同的运输选项 (铁路、汽车、轮船、飞机)。需要这些数据来描述多个影响类别和指标。此外, 与电力生产类似, 在输出端必须观察有害气体和微粒的排放。
使用阶段物料平衡表数据的生成可以追溯到原始设备制造商 (OEMs) 的原始信息。由此可以确定操作材料、能耗数据例如用于维护维修数据和产品的使用情况。对于使用阶段在能源消耗方面最占主导地位的产品 (例如, 汽车工业) 而言, 这一过程尤为重要。
铸造产品通常可回收程度很高, 这就是为什么在 LCA 研究中考虑循环再造是必不可少的。由于铸造材料的固有特性不会因回收而改变, 所以可以连续回收。选择不同的回收水平后, 某些产品在质量较低、同等或更高品质的情况下被回收或重新使用。为了更好地完成回收利用, 我们可以按照国际钢铁协会的建议使用闭环方法 。这意味着, 原材料的净物理平衡表还包括回收和输入废料的部分。这就是在计算中包括避免初级生产的优点。
在下一步中, 物料平衡表结果将被分配到相应的影响类别。考虑到在铸造厂使用能源的相关环境因素, 影响分析的重点是环境类别 "气候变化" 及其影响指标 "全球变暖潜力"。全球变暖潜力为温室气体对全球变暖的相对贡献提供了度量单位。比较值为二氧化碳;根据它们的气候功效, 在计算过程中也会考虑其他气体。全球变暖的潜力体现的是二氧化碳 和CH4-排放的后果。
影响评估之后的结果将在最后阶段中针对研究的目的和范围进行解释和评估。评估流程有助于加强对 LCA 结果可靠性的信心, 并突出重要参数。评估中会使用不同的方法，其中最普遍的是敏感性分析, 以最活跃的方式关注变更点对最终结果产生的影响。
铸造企业生命周期评价中数据质量是一个挑战
生命周期分析顺利进行的一个关键挑战是适当数据的可用性往往非常有限。特别是,关于产品和工艺 (能源、排放等) 的环境数据在公司中往往不为人知或不准确。因此, 这种缺乏信息的原因可能是, 一方面, 能源效率潜力既不为人知也未实现。另一方面是深入分析的潜力, 如 LCA 的潜力, 迄今尚未使用于推导效率措施。
为了尽量减少这一问题, 在 "EnEff-Gieß" 项目的框架内开发了一个快速检查工具 (QCT), 协助公司在生产阶段建立生命周期分析。在此过程中，公司的所有能源消耗, 工艺和产品水平都将被计算和详细介绍。结果可进一步用于制定物料平衡表。
为了强调生命周期评价的意义, 并说明该工具中的计算过程, 提出了一种基于现实数据的虚拟实例。根据参与该项目的公司合作伙伴和收集的数据, 开发了一个虚构的铸造公司, 其中有以下过程简介 (主要流程-HP 和次要流程-NP):
1. 形式和核心工艺 (主要流程),
2. 熔化 (主要流程),
3. 铸造 (主要流程),
4. 拆箱和分离 (主要流程),
5. 热处理 (主要流程),
6. 机械加工 (主要流程),
7. 最终检查 (主要流程),
8. 砂处理 (次要流程),
9. 压缩空气站 (次要流程)
10.水站(次要流程)
对于所示的示例简化数据为以下假设:
> 铸铁, 重量10公斤, 大质量产品,
> 年产 100 000 件, 用作汽车的部件 (如活塞、曲轴),
> 投入材料冶炼 20 000 吨/年,
> 年产铸造 1 000 000 铸件 (不同产品),
> 能源电力和天然气。
在此示例中, 所有计算和结果都引用这些数值。此示例的影响类别涉及环境类别、气候变化和指标 "全球变暖潜力"。能源转换成二氧化碳的排放取决于不同的参数, 这个流程极其复杂, 因此必须要制定标准因素。标准因素来自不同的数据来源, 其中一些已出版, 例如欧洲参考生命周期数据库或气体排放数据库。此外, 还有详细的商业数据库, 包括完备的流程和评估, 如 LCA 软件中包含的Gabi或 Ecoinvent功能。
表1显示了产品生产流程中CO2相关等价性信息, 与QCT的参考数据共同计算。收集了各个过程的效率单位和所使用的媒介以及他们的排放因素, 因而可以显示出主要能源消耗量直接排放集中在哪个流程中。对全球变暖的相对影响，是由于在热处理和冶炼厂天然气的消耗量和消耗过程中造成的直接排放。此后, 冶炼厂和压缩空气的生产中发生的排放量是最大的影响因素。总体而言, 样品产品的全球气候潜能值估计为24.76 公斤/二氧化碳, -相当于一个铸造产品。通过改变单个参数, 例如, 在一个过程中变更消耗能量载体, 可以对不同的生产流程或工艺进行比较。这种灵敏度分析可以进一步以比较灵活方式显示出产品的生态效应，怎样通过使用不同的能效措施进行更改。
战略和运营决策中的LCA 及其附加值
价值创造是所有公司的持续目标，无论其竞争或宏观经济条件如何。许多公司专注于优化内部流程 (劳动力成本、制造、物流等), 而在整个价值链中观察产品生命周期的资源和能源的使用情况, 可以创造更多价值。这很可能是一个数据密集型的过程, 但它为内部和外部的利益相关者提供了对整个链中产品环境影响的坚实基础，从产品开发、采购和生产到销售、市场营销、使用和处理等各个角度。整个生产周期中对铸件的考虑将会给企业带来很多收益。可以对实际能源和物质流动做出透明生态和经济方向的评价。适当的指标和特性提供了新的信息, 对比其他可能性时可以最好地证明铸件的先进性。
考虑相互依赖的各种因素，实施 LCA 可以支持整个铸造工业, 做出重大的战略和操作决策。以往LCA往往被认为与公司目标互相冲突。生命周期分析结果, 德国企业已经实现了的信息增益和一个良好稳固的文件基础, 这些文件都可以内外部同时使用。
公司可以识别任何薄弱环节和/或潜在节约 (例如电力或燃料)。这开辟了优化生产或回收环境中流程的可能性。在这里, LCA 研究可以很清楚地显示, 以节约能效距离，在一个阶段会从公司角度 (例如, 年度生产中)对环境影响潜力相关因素降低所做出的贡献。对临界值和数据源的测试非常重要, 特别是排放系数或者能源参考相关数据。这些数据都会对结果产生重大影响。因此需要关注数据的收集过程。目前开发的 QCT 不仅能够协助公司以透明和准确的方式展示现有流程和产品能量流，还能计算和模拟可替代的生产路线, 能耗降低, 和环境影响的降低等。
除了在产品和过程中可能的生态改进之外, LCA 还可以作为利益相关者的文档 使用(例如在奥地利的能效监测), 或用于实施生态相关的营销活动，以及提高公司的环保意识方面, 这些都是改进形象的常用手段。
在铸造行业中应当通过关注目前生命周期观察分析是否能够使用, 并提出实施过程中可能出现的问题。特别是, 应该支持战略和业务决策，突出铸造行业的潜在附加值。原则上, 生命周期分析也可用于铸造行业作为决策辅助信息, 这可能出现以下使用过程中的可能性:
> 特定产品的标杆管理,
> 分析具体指标, 如碳足迹,
> 采购和投资决定,
> 集成到生态标签标准或特定产品的产品声明中.
> 生态设计/回收应用设计。
