Miljöindikatorer TEWI och LCCP

skriven av Pavel Makhnatch (under handledning av Rahmatollah Khodabandeh och Björn Palm)

Publicerad 2016-06-02

Ett antal miljömått används för att bedöma effekterna av kylsystemets miljöpåverkan. TEWI (Total Equivalent Warming Impact) och LCCP (Life Cycle Climate Performance) är de vanligaste miljöindikatorerna för att ange den totala växthuseffekten från ett kylsystem. Det är viktigt att påpeka att ett antal antaganden behöver göras för beräkning av TEWI och LCCP, och att dessa antaganden kraftigt påverkar resultatet. Detta kan inte försummas när man gör en jämförelse mellan olika system. Här kommer vi att diskutera osäkerheten om antaganden och deras inverkan på den totala LCCP eller TEWI.

GWP (Global Warming Potential)

Det finns en gemensam global samsyn om att miljöpåverkan av ett kylsystem bör var så låg som möjlig. GWP faktorn används som ett av flera tänkbara mått på deras miljöinverkan och anger specifikt bidraget till växthuseffekten orsakad av ett utsläpp av köldmedium. Köldmediernas GWP värden räknas om till koldioxidekvivalenter, vilket gör det enklare att jämföra med andra växthusgaser. Kylsystem som använder köldmedier med låg GWP värde, har dock inte nödvändigtvis låg miljöpåverkan. GWP som miljömått är enkelt men anger inte kylsystemets verkliga inverkan på miljön. Detta beror på att GWP inte tar hänsyn till den totala växthuseffekten från ett kylsystem under drift. TEWI och LCCP har däremot rekommenderats som miljöindikator för beräkning av den totala växthuseffekten från ett kylsystem under drift. Vi har i detalj diskuterat dessa miljöindikatorer i ett antal av tidigare Kyla publikationer under de senaste åren. GWP indexet jämför effekten av uppvärmningspotentialen av ett medium i relation till vad CO2 ger. GWP har används som mätetal vid analys och framtagning av strategier när det gäller uppvärmning av klimatet i Kyotoprotokolet och EU-förordningen 517/2014.

Beräkning av GWP är en viktig del av LCCP analysen, eftersom dess värde återspeglar bidraget från de direkta utsläppen av köldmedium från ett kylsystem. Det kan förekomma olika GWP värden beroende på källan och värdena har förändrats något över tid. Den sannolikt bästa källan är IPCCs rapporter. Där framhålls också att värdena har en viss osäkerhet. För köldmedier med ett sekels livstid är osäkerheten omkring ±20% för värden baserade på 100 års tidshorisont. För köldmedier med kortare livstid (några decennier) uppskattas osäkerheten till omkring ±35% [1]. Ju kortare livstid köldmedier har desto högre är osäkerheten för GWP värden.

Osäkerheten i GWP värdet för R134a vid 90% konfidensintervall sägs vara ±33%. Osäkerheten i GWP värden för R152a antas vara ± 40%, baserat på dess livslängd på 1,5 år. På grund av den mycket korta livslängden för R1234yf antas osäkerheten i detta fall vara ± 50%. Motsvarande siffra för R290 sägs vara från -50% till + 100% [2]. Tabell 1 visar GWP värden för några köldmedier med tillhörande osäkerheter.

Tabell 1 - GWP värden för några köldmedier med osäkerheter

Refrigerant

R290

R1234yf

R152a

R134a

GWP 100yr [1]

3.3*±50%

0.4±50%

137.4±40%

1297.7±33%

*Indirekt GWP IPCC AR4 värde [2].

Osäkerhet för LCCP värden

LCCP är ett mätetal som avses att mäta den totala klimatpåverkan av en kylanläggning eller en värmepump. Den kan användas för att jämföra olika köldmediers miljöpåverkan i en given tillämpning. Beräkningen av LCCP baseras på ett antal indata som ofta är osäkra. Här presenteras den kumulativa osäkerheten vid beräkning av LCCP och analyserar effekten av osäkerheten på jämförande resultat. För att hålla artikeln inom en rimlig längd förenklas en del parametrar vid beräkningen. Vi välkomnar ytterligare diskussion om detta och uppmanar er läsare att komma med synpunkter och frågor till oss. LCCP beräkningen nedan har gjorts i enlighet med den metod som har föreslagits av IIR (International Institute of Refrigeration) [3] och ger i korthet summan av alla direkta och indirekta effekterna av ett fiktivt kylsystem/värmepumpsystem i drift. Detaljer och ingående beskrivning av metoden finns på länken bit.ly/IIRLCCP. Beräkningen är gjord med följande antagande: Kompressorns isentropiska verkningsgrad antas vara 70%; ingen underkylning och ingen överhettning; inget friktionstryckfall och inga värmeförluster till omgivningen. Systemet arbetar som värmepump med en förångningstemperatur på 5 °C och en kondenseringstemperatur på 45 °C med en konstant värmeeffekt av 10 kW.

Valet av ett sådant förenklat system i denna studie motiveras av avsikten att flytta fokus från noggrann modellering av värmepumpsystem till metoden för LCCP beräkningen och de tillhörande osäkerheterna.

I jämförelsen har R152a, R1234yf och R134a använts som köldmedium. Dessa köldmedier har olika GWP värden och passar väl för tillämpningen. Inverkan av val av köldmedium på design, systemutformning, värmeöverföring och kompressorverkningsgrad försummas här men skall inkluderas i en mer korrekt och fullständig LCCP analys.  

Osäkerheter i LCCP beräkningen

Var och en av komponenterna i LCCP beräkningen innehåller osäkerheter av något slag och bidrar därmed till den totala osäkereten i LCCP-värdet. Hur mycket koldioxid som släpps ut vid genereringen av anläggningens elenergi, enhetens livslängd, årlig energianvändning, köldmediefyllning samt koldioxidutsläpp vid tillverkning och återanvändning av materialen i anläggningen är bara några av de parametrar som behövs som ingångsvärden för LCCP beräkningen.

Livslängd

I IIRs Guideline för LCCP-beräkning föreslås en livslängd av 15 år för anläggningen. Det är lätt att inse att detta värde inte nödvändigtvis stämmer med verkligheten och att anläggningen kan vara i drift både mycket kortare och mycket längre. I en statistisk analys är detta inget problem eftersom livstiden kan ansättas enligt en viss sannolikhetsfördelning baserat på statistiska data. Har antas som exempel att 90% av värmepumparna har en livstid i intervallet 14 – 16 år, och för analysen används därför livslängden 15±1 år, med 90% konfidens nivå. För en noggrannare analys föreslår vi att livslängden för den typ av utrustning som ska analyseras undersöks, och att resultaten uttrycks i statistiska termer som i exemplet så att ett värde och ett konfidensintervall kan fås fram för analysen. En viss diskussioner om anläggningars livstid kan hittas i en skrift från ASHRAE [4].  

Koldioxidutsläpp från elgenerering

Utsläppen vid elgenerering varierar kraftigt mellan olika länder och regioner. För varje plats bör därför utsläppen beräknas utifrån den bränslemix som används lokalt för elgenerering. Förluster i elnätet brukar också räknas in. Eftersom det vanligen är väl känt hur elektriciteten flödar i näten är det ofta möjligt att bestämma utsläppen relaterade till den elenergi som används för driften på en given plats. Osäkerheten i dessa värden kan sättas till ungefär ±5% för OECD länder och omkring ±10% för icke-OECD länder [5]. I detta fall använder vi de värden som anges i en rapport från Ecometrica [6]. Man kan där se att utsläppen från elgenerering varierar stort beroende på läget. Även inom EU varierar mängden utsläppt CO2 för generering av 1 kWh från 0.023 kg till 1.907 kg CO2 (nästan 83 gånger högre). Medelvärdet för Europa är enligt rapporten 0.454 kg CO2e per kWh.

För bestämning av koldioxidutsläppen per producerad kWh el bestäms de totala utsläppen från genereringen av el inom ett land och denna siffra delas med den totala mängden elektricitet som genereras. [6]. För Sverige är detta värde 0.023 kg·kWh-1. Men, den el som används i Sverige behöver inte nödvändigtvis vara producerad i Sverige, utan kan vara en mix av el från olika källor. (Figur 1).

En enkel analys av flödena av el över landsgränserna under 2015 visar att den större delen av elen som konsumerades här också genererades här (87%), men 10% importerades från Norge och 2,5% från Danmark. Mycket små mängder importerades från Finland och Tyskland. Den mängd koldioxid som släpps ut på grund av el genererad för konsumtion i Sverige är 0.030 kg CO2e ± 5%. Detta värde kommer att användas i analysen nedan. 

Figur 1- Energiflöden i nätet i norra Europa [7]

Koldioxidutsläpp relaterade till materialframställning och återvinning

Det faktum att koldioxidutsläpp relaterade till materialframställning och –återvinning är ett exempel på en factor som gör att LCCP analys kan sägas vara mer holistisk och fullständig än TEWI-analys.Vi antar att värmepumpen framställs från komponenter som producerats från en blandning av nya och återvunna råvaror, och med utsläpp under tillverkningen enligt Tabell 2. Vi ansätter här ingen osäkerhet till dessa värden utan tänker oss att vi kan återkomma till denna fråga om bidraget från utsläpp i samband med tillverkningen visar sig vara väsentliga. Samtidigt kan vi notera att dessa utsläpp listas i LCCP-manualer med en eller två decimaler, vilket kan ge en falsk känsla av hög noggrannhet i en osäker analys.

Tabell 2 – Utsläpp relaterade till materialframställning. [3]

Material

Stål

Aluminium

Koppar

Plast

Utsläpp, kg CO2e·kg-1

1.43

4.5

2.78

2.61

Samma sak gäller för återanvänt material där utsläppen är 0.07 kg CO2e·kg-1 för metaller och 0.01 kg CO2e·kg-1 för plast.

Värden och osäkerheter för andra parametrar kan fastställas på liknande sätt och LCCP-värdena beräknas. Osäkerheterna i parametrarna kan kombineras till en osäkerhet i LCCP-värdet på traditionellt sätt, med antagandena att parametrarna är oberoende och felen icke-systematiska. För en noggrannare analys bör dessa antaganden kontrolleras i varje fall.

Resultaten av LCCP analysen

Resultaten av den analys som vi försökt beskriva huvuddragen av ovan presenteras i Figur 2 och summeras i Tabell 3. Om osäkerheten i de beräknade LCCP-värdena inte beaktas, kan man dra slutsatsen att värmepumpen som använder R152a är den mest miljövänliga av de som analyserats. När vi även studerar osäkerheten i LCCP-värdena ser vi att osäkerheterna är så stora att vi inte med säkerhet kan dra någon sådan slutsats: Värdena för alla tre köldmedierna ligger inom osäkerheten för beräkningarna.  

Analysen visar att de indirekta utsläppen är den dominerande komponenten i LCCP-värdet, medan bidraget från de direkta utsläppen är mycket mindre. De indirekta utsläppen är alltså dominerande även för svenska förhållanden, där elen genereras huvudsakligen med vattenkraft och kärnkraft (minst CO2-utsläpp relaterat till elgenerering i hela EU). Osäkerheten i denna komponent dominerar också och är mycket större än något annat värde. Det är därför rimligt att förfina kvaliteten på de data som användes för beräkning av detta värde, nämligen livslängd för utrustningen, årlig energikonsumtion och koldioxidutsläpp relaterade till elgenerering. Däremot är utsläppen relaterade till återvinning och framställning av köldmediet relativt små. Utsläpp relaterade till materialframställningen är små, men signifikanta.  

Figur 2 – Resultat av LCCP analys

Tabell 3 – Resultat av LCCP analys

Köldmedium

R152a

R1234yf

R134a

LCCP, kg CO2e

8133.6±669.9

8676.4±720.8

9285.4±767.1

Direkt, kg CO2e

72.9 ±30.4

0.3 ±0.1

938.1 ± 328.8

Indirekt, kg CO2e

8060,7±669.2

8676.1±720.8

8347.3±693.1

- energianvändning

7812.0 ±651.0

8414.1 ±701.2

8099.6 ±675.0

- materialframställning

232.6 ±16.5

232.6 ±16.5

232.6 ±16.5

- materialåteranvinning

5.6 ±0.6

5.6 ±0.6

5.6 ±0.6

- köldmedietillverkning

10.4 ±1.1

23.8 ±2.4

9.5 ±1.0

Med tanke på den höga osäkerheten i de indirekta utsläppen orsakade av elanvändningen, räknar vi om LCCP-värdena med antanganden om noggrannare indata: livslängd 15 ±0.5 år, och 0.5% osäkerhet i energianvändningen. Koldioxidutsläppen relaterade till elgenerering ändras inte. Resultaten från LCCP-analysen baserad på dessa förfinade data visas i Figur 3. Den högre kvaliteten på indata ger en bättre förståelse för LCCP för det analyserade systemet. Det framgår nu att med dessa data är systemet som använder R152a tydligt bättre än systemet med R134a när utsläppen under hela livscykeln analyseras. Resultaten visar också att R134a är tydligt sämre än R152a. Inga andra slutsatser kan dras med tanke på osäkerheten i resultaten även i detta fall. Det bör poängteras att för en verklig LCCP-analys kommer den bättre förståelsen till priset av betydligt högre kvalitet i indata, vilket kan innebära betydligt mer arbete med analysen. För att undvika att lägga tid på de delar av analysen som har liten betydelse är det lämpligt att göra analysen i steg, dvs först göra en enklare analys för att se vilka parametrar som är viktiga och sendan fokusera på dessa, eventuellt i flera steg.

Figur 3 – Resultat av LCCP analys med förfinade data för de indirekta bidragen.

Avslutande kommentarer

LCCP-metoden anses vara ett mycket bra verktyg som ger en holistisk bild av miljöinverkan av en anläggning. Den gör detta genom att ta hänsyn till koldioxidutsläppen under systemets hela livslängd, från tillverkning av material, tillverkning av köldmedium, genom hela användningsprocessen och till skrotning och återvinning. De senare värdena är oftast små. Vi har också visat att osäkerheter i indata kan göra hela analysen osäker.

Osäkerheten i LCCP beräkningarna har många källor, inkluderande osäkerheter i grunddata, osäkerheter i modellen för systemet etc. För att analysen ska kunna ge en tydlig och fullständig bild måste beräkningen genomföras noggrant och osäkerheterna i alla parametrar tas med. Speciellt viktigt är det att ta hänsyn till lokala förhållanden, t.ex. vad gäller elenergins ursprung.

LCCP som verktyg är i första hand avsett för jämförande studier av liknande system. Det är lämpligt att genomföra sådana analyser iterativt, i steg, med successivt förfinade indata tills den önskade noggrannheten i beräkningarna uppnåtts. Detta för att säkerställa att nedlagd tid används på bästa sätt.

I expemplet som visats ovan (och som sannolikt kan appliceras på andra värmepumpsystem) är de viktigaste faktorerna den årliga energianvändningen, livslängden på anläggningen och nivån för koldioxidutsläppen relaterade till generering av elenergin för driften.

Följ gärna våra publikationer och få vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig genom att följa länken bit.ly/kth_ett.

Referenser

[1] IPCC, “Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change,” Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013.

[2] IPCC AR4, “Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis,” IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007. .

[3] IIR, “Guideline for Life Cycle Climate Performance v1.2,” no. January, pp. 1–26, 2016.

[4] C. C. Hiller, “Determining Equipment Service Life,” ASHRAE J., 2000.

[5] IEA, “World CO2 emissions from fuel combustion.” 2015.

[6] M. Brander, A. Sood, C. Wylie, A. Haughton, and J. Lovell, “Electricity-specific emission factors for grid electricity. Technical paper.” 2011.

[7] Statnett, “Nordic power flow map.” 2016.

Nyheter

Titel Datum
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2019‑01‑03
Köldmedier med lågt GWP: tidigare och pågående projekt 2018‑12‑03
Miljövänliga kylsystem behövs för att mildra klimatförändringen 2018‑09‑28
Naturliga köldmedier diskuterades under Gustav Lorentzen-konferensen 2018‑08‑14
Forskning med fokus på säker användning av brännbara köldmedier 2018‑07‑11
Höjdpunkter från ICCC 2018 - om hållbarhet och den obrutna kylkedjan 2018‑04‑30
Effekterna av F-gasförordningen oroar värmepumpsindustrin 2018‑04‑30
F-gasförordningens kvoter är på plats – men är vi på väg att uppfylla målen? 2018‑02‑08
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2018‑02‑07
F-gaser: vet vi vilka de är? 2018‑02‑07
Utsläppen av fluorerade gaser och deras utsläppsminskning 2018‑01‑09
Tio icke-brännbara alternativ till R404A 2017‑08‑24
Köldmedier: den aktuella utvecklingen 2017‑08‑22
Framtiden för R404A och andra köldmedier med höga GWP-värden när priserna stiger 2017‑08‑09
Köldmedier: vad förväntas i framtiden 2017‑06‑15
Standarder och deras roll i kylindustrin 2017‑02‑07
Detta hände på köldmediefronten under året som gått 2017‑01‑27
Miljövänliga köldmedier för framtiden 2017‑01‑27
Ett alternativ för att ersätta R404A i små kylsystem 2016‑11‑14
Senaste nytt från ”Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference” i Edinburgh UK 2016‑11‑13
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 2. 2016‑11‑12
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 1 2016‑11‑12
Miljöindikatorer TEWI och LCCP 2016‑06‑02
Källor för köldmediers termodynamiska egenskaper 2016‑03‑23
Några frågor från våra läsare 2016‑03‑18
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2016‑03‑18
Potentiella faror med ”TriFluorättiksyra” (TFA) 2015‑11‑01
Senaste nytt om köldmedier med låg växthuseffekt från ”IIR International Congress of Refrigeration” 2015‑11‑01
Något om HFO köldmedier 2015‑10‑31
Något om köldmediers brännbarhet 2015‑06‑22
Nya möjligheter för R32 2015‑06‑20
Guiden till guider om F-gasförordningen 2015‑04‑21
Kort om R1234ze 2015‑04‑21
Vilka köldmedier ersätter R404A? 2014‑10‑22
R1336mzz-Z – ett nytt högtemperaturköldmedium med bra egenskaper 2014‑09‑21
Köldmedier med låg GWP för högtemperaturvärmepumpar 2014‑09‑21
Säkerhet av nya låg GWP köldmedier 2014‑09‑05
Vilket mått ska vi använda för köldmediernas klimatpåverkan? 2014‑04‑16
Något om hur GWP-värden bestäms 2014‑04‑23
Nya F-gasförordningen, ännu ett steg närmare beslut! 2014‑02‑02
Utvecklingen på köldmediefronten det senaste året 2014‑02‑02
Att definera "Låg GWP" 2013‑11‑04
Vilket köldmedium ersätter R410A? 2013‑11‑03
Nya möjligheter för naturliga köldmedier 2013‑10‑31
Sökandet efter nya köldmedier fortsätter! 2013‑10‑30
Osäker framtid för fluorerade köldmedier 2013‑10‑29
Senaste nytt om mobilkyla 2013‑10‑28
Är R1234yf framtidens köldmedium för mobilkyla? 2013‑10‑26
Miljö mätmetoder för utvärdering av kylsystem drift 2013‑10‑25
Låga GWP alternativa köldmedier i värmepumpar 2013‑10‑25
Mercedes-Benz önskar att fortsätta att använda utprovade och testade R-134a köldmedium i personbilar 2012‑09‑28
Stabilitet och kompatibilitet av HFO-köldmedier 2012‑08‑07
Förfalskade köldmedier blir allt vanligare 2012‑07‑16
Europeiska Kommissionen fastställer nya tidsfristen: tillverkare kan fortsätta att använda det gamla 2012‑05‑18
Sverige accelererar övergången till HFC alternativen 2012‑05‑10
Köldmedium effekt på systemprestanda 2012‑05‑08
Välkomna 2012‑03‑30