第三章-物质流分析与能流分析

1产业生态学2013年02月大连理工大学环境学院2主要内容产业生态学实践—绿色化学技术与方法—物质流分析、为环境而设计产业生态学技术与方法——LCA产业生态学基础—概念、理论课程介绍——导论产业生态学实践—清洁生产、生态产业园产业生态学管理与政策第三章物质流分析与能流分析1.物质流分析及其理论基础2.基于通量的物质流分析（MFA）3.基于单一物质的物质流分析（SFA）4.能流分析3物质流分析与能流分析|物质流分析1、概述：人们逐渐认识到经济活动中物质流动与自然环境有着紧密的关联，物质流分析主要研究物质的流动规律及其对环境产生的影响。有很多种不同的研究方法，但最终目的都是为了维持产业代谢的可持续性。自然生态系统能量物质经济系统分析类型Ⅰ-基于通量的Ⅱ-基于单一物质的（元素）基本策略毒性降低和污染减少物质减量化和生态重组主要研究对象在一定企业、部门或在某一个国家内，与单位物质或原料流动相关的特定环境问题（物质如Cd、Cl、CO2、CFCs等，原料如木材、煤、生物质等）与物质或原料流动的数量和结构相关的环境不可持续性问题基于环境可持续性的物质流分析类型4物质流分析与能流分析|物质流分析SFA：主要研究物质向环境排放的主要途径以及与之相关的过程，研究产业系统内部的物质存储、流动以及这些物质在环境中的最终浓度等。1研究重金属等有害物质的流动——可能导致重大环境问题（如食物链累积）3研究碳的流动——它与全球变暖有关2研究营养物质的流动——它们是造成水体富营养化的主要物质4研究能源物质、塑料、木材、生物质以及金属等流动——它们会产生一定的环境影响重金属营养物质碳其它567物质流分析与能流分析|物质流分析MFA：主要研究特定经济部门或区域的物质流数量和结构是否可持续。如对建筑业的物质或原料流动的研究；对城市、区域甚至国家层次经济系统中部分物质流以及物质需求总量等的研究通过这些研究可以得到一些环境压力指标，并以此来描述区域代谢的结构特征图：城市区域总体物质流分析和平衡无数水流和其它物质流或者以循环的方式被利用，或者离开城市，亦即被排放掉89物质流分析与能流分析|物质流分析海水资源流动模型海水分析化学-有机物分析（总有机碳、总有机氮、总有机磷等）理论基础物质流分析与能流分析|物质流分析的理论基础经济系统的物质流分析来源于对社会经济系统中物质和能量的输入和输出进行分析质量平衡定律：物质输入量=物质输出量+物质储存量：消费——“效用”生命周期评价（LCA）：基于LCA的物质流分析主要适用于对生物质或非生物质原材料以及初加工产品的研究。投入产出分析（IOA）：一种经济核算方法，研究经济体系中各个部分之间投入与产出的相互依存关系的数量分析方法。中间产品+最终产品+总产品（实物）■货币投入产出表■实物投入产出表10第三章物质流分析与能流分析1.物质流分析及其理论基础2.基于通量的物质流分析（MFA）3.基于单一物质的物质流分析（SFA）4.能流分析11MFA|物质流分类直接物质输入：参照欧盟统计局制定的《物质流分析手册》直接物质输入（DMI）：进入经济系统以供生产和消费的所有固体、液体和气态物质，包括区域内原材料开采和进口两部分未使用的区域内开采（UDE）：在区域内资源开采过程或国内有目的的物质移动过程中由于没有用途或不适于使用而未进入经济系统的物质向周围环境的输出（OTE）：进入国家或区域内自然环境的所有物质流动，包括生产或消费过程中或之后的物质输出。非直接流和隐藏流（IF&HF）：UDE——区域内隐藏流DHF，进口和出口的非直接流——国外隐藏流（FHF）；隐藏流系数HFC——隐藏流与其自身重量的比值。煤18.62；金：666666.67；砂石0.0212MFA|物质分类参照欧盟统计局制定的《物质流分析手册》1314输入物质分类指标15输出物质分类指标MFA|物质流数据来源分析区域的物质流数据可以从以下途径获取通过规范的统计年鉴、环境质量报告书或网络统计数据库等：可以获取直接物质输入和直接物质输出等指标数据已被学术界认可的研究成果，如我国目前对物质隐藏流系数的先关研究很少，可以参考国外的物质隐藏流系数。国家权威机构公布的研究报告，如国土资源部提供的水土流失遥感普查数据等。16研究框架MFA|研究框架从研究层次上划分，MFA包括经济系统物质流分析、产业部门物质流分析和产品LCA3个层次。以质量守恒定律为基本依据，将通过经济系统、产业部门和企业的物质分为输入、贮存和输出三大部分，通过研究三者的关系，跟踪、定位物质利用及迁移、转化途径。17MFA|研究框架18MFA|研究框架——物质输入端：直接物质输入：生物质、固体非生物物质、水、空气四大类。隐藏流——生物包袱（ecologicalrucksack），是指人类为获取直接物质输入而必须动用的数量巨大的环境物质，主要包括：（1）开采化石能源、工业原材料时移动的表土量和引起的水土流失量（2）生物收获的非食用部分：如木材砍伐的损失、农业收割的损失等（3）建筑遗弃土方及河流疏浚（4）自然环境水土流失量19MFA|研究框架——物质输出端：由出口物质、区域内物质输出和区域内隐藏流三部分组成。其中，区域内物质输出：由经济系统排出的固体废弃物、废水、废气组成。20MFA|物质流分析的主要指标——物质流分析方法为制定区域可持续发展及循环经济战略提供了可以量化的依据，并为可持续发展评价指标的建立提供了一种新的思路和方法。——在对经济系统进行物质流分析的基础上，可以得到输入指标、输出指标、消耗指标、平衡指标、强度和效率指标、综合指标六大类共十多个物质流分析指标。第一，有多少物质进出经济系统；第二，这些物质是如何流动的，也就是影响物质流动的因素和作用机理是什么。21MFA|物质流分析的主要指标物质流分析指标分类及其计算公式22MFA|物质流分析的主要指标最重要的是区域内物质输入总量，人类对自然环境的最根本影响是通过自然物质的输入产生的，并且每一种物质的输入必将带来巨大的隐藏流或生态包袱，对当地的生态环境和资源造成了巨大的破坏和消耗，而进口物质流的生态包袱被留在国外或研究区域外，对当地自然环境并未产生直接影响。用物质输入总量来度量一个国家或地区资源利用与自然生态的可持续性比用物质需求总量表示要更准确物质输入总量越小，自然资源和物质的动用就越少，生态系统为人类提供服务的质量也就越好，经济系统运行的可持续性则越强；反之，物质输入量越大，自然资源和物质的动用就越多，经济系统运行的可持续性则越弱23MFA|物质流分析的主要指标区域内物质输出总量最重要。物质输出总量越小，输出到环境中的废弃物就越少，环境的友好程度也就越高，环境的可持续性则越强；反之，物质输出总量越大，输出到环境中的废弃物就越多，环境的友好程度就越低，环境的可持续性就越弱。24MFA|物质流分析的主要指标物质消耗总量反映了人类对自然界物质的消耗程度。物质消耗量越大，意味着人类对自然界的干扰越强烈，也就越不利于资源节约型社会的建立；反之，物质消耗总量越小，意味着人类对自然界的干扰越弱，也就越有利于资源节约型社会的建立25MFA|物质流分析的主要指标物质库存的净增量反映了一个国家或地区的物质财富增长水平。而在物质库存的增长量中，循环利用及废弃物质的资源化回收利用有多少贡献，目前国内外对此都还未有系统的研究。——一方面增加物质库存的净增量，另一方面改善其增量的组成结构和循环利用的比例，对于建设循环型社会具有重要的战略价值。26MFA|物质流分析的主要指标物质生产力代表了一个国家或地区的资源利用效率的高低。作为物质流分析的衍生指标，物质消耗强度、物质生产力、环境效率等有助于分析经济系统与自然环境之间的关系，最终为提高经济系统的资源生产效率和降低资源消耗强度，揭示经济系统物质结构的组成和变化情况，并为实现去物质化和社会、经济、环境的可持续发展奠定理论基础。物质流分析指标可以表述一个国家或地区的资源投入、贮存、回收、废弃物产生及再生利用的情况，并在物质流分析框架基础上，建立循环经济及可持续发展的评价指标体系。27MFA|分析方法一、物质输入-输出核算原则——度量单位及物质换算系数的确定根据欧盟《物质流分析手册》（2001），物质输入输出都是以其统计上报的鲜重计算，包括物质本身所含的水分。为了保持物质流平衡，对于不是用重量统计上报的物质，一般尽量将其换算成重量。物质流分析在建立物质流账户级数据库过程中采用两种方法：一是所有的物质流分析都用实物量核算的方法，即将所有输入、输出物质统一换算成标准的实物重量予以分析；二是，对能源物质流，除用前面的方法外，采用标准煤换算的方法予以分析。28MFA|分析方法一、物质输入-输出核算原则——部分物质重量换算系数29物质名称体积质量备注平板玻璃重量箱0.05t玻璃论坛圆木（针叶）1m30.65t圆木（阔叶）1m30.975t纸浆木1m30.5t胶合板1m30.65t天然气1Nm30.7174kg状态0ºC，101.325kPaMFA|分析方法一、物质输入-输出核算原则——各种能源与标准煤的换算系数30能源名称参考折标系数（吨标煤）能源名称参考折标系数（吨标煤）原煤0.7143原油/t1.4286洗精煤/t0.9000汽油/t1.4714其他洗煤/t0.2850煤油/t1.4714型煤/t0.6000柴油/t1.4571焦炭/t0.9714燃料油/t1.4286焦炉煤气/m36.1430液化石油气/t1.7143高炉煤气/m31.2860炼厂干气/t1.5714其他煤气/m33.5701热力/百万kJ0.0341天然气/m312.1430电力/万kWh4.0400MFA|分析方法二、物质输入的数据来源和方法——数据来源国家及地方政府统计年鉴林业统计和核算账户农业统计工业/产品统计（化石燃料、原矿、工业及建筑矿物开采等）对外贸易的统计（进口、出口）供应-使用表输入-输出表估算（如基于化石燃料燃烧的空气输入的估计）对极少数难以获取的缺失数据可采用数学插值估算得到31MFA|分析方法三、物质输出的数据来源和方法物质输出主要包括排放到空气、水、土地填埋场的废物、产品的耗费及耗散性损失、未使用的区域内开采及出口等。物质输出的数据来源包括：政府统计年鉴、环境统计年鉴、能源统计年鉴、经济貌似统计年鉴等，部分需要估算获得。一般来说，各单元的物质总输出总和并不等于总体的物质总输出。32MFA|软件平台ExcelUmbertoGaBiSimaPro33Umberto软件由海德堡公司能源与环境研究所与汉堡公司环境信息学研究所联合开发，最初应用于1994年。Umberto这款专业工具用于基于计算机的物料和能流分析，包括综合成本会计、生命周期评估和碳足迹（carbonfootprinting），侧重于宏观的物质流分析。该软件以功能强大的数据库为基础，通过构建物流网络模型的方式对能源和材料流动过程中的数据信息进行分析和管理。Umberto软件构建的物流网络中，通过物质和能源流描述能源以及各种材料进入系统，在系统内部流动和转换，最终流出系统等一系列过程。网络结构由多种不同定义的元素及图形符号组成。利用数学语言对这些图形符号进行定义并根据各种关系组成的网络结构就能进一步直观的描述物质流动的情况。|软件平台GaBi34GaBi软件是由斯图加特大学聚合体试验与科学研究所与欧洲股份有限公司联合研究开发的一个主要用于LCA的软件系统。GaBi4——最新版本GaBi5整合产业界与研究单位的清单数据库，包括800种不同能源与材料流程，数据库有能源与物质流及生产技术两大项；主要优点：自动计算复杂流程图并显示各单元名称及流量；流程进行层次化结合，使生命周期流向结构清晰；数据库的分类整理完善，容易找到数据；可进行敏感度分析、冲击分析与成本分析；由数据质量指数加强数据可靠性。一般教育版免费。Gabi4学术版3500欧元左右，Gabi4专业