Ökobilanz und Nachhaltigkeit von Stahl

Ökobilanz und Nachhaltigkeit von Stahl

Die Stahlindustrie ist nach der Öl- und Gasindustrie die zweitgrößte Industrie der Welt. Stahl wird in fast allen Sektoren verwendet, die vom Bauwesen über die Verpackungs- und Transportindustrie bis hin zum Energie- und erneuerbaren Energiesektor reichen. Die Verwendung von Stahl findet sich überall in der heutigen Gesellschaft. Es gibt praktisch keine Materialien oder Produkte, bei deren Herstellung Stahl nicht vorkommt oder eine Rolle gespielt hat.

Die Rohstahlproduktion hat sich in den letzten drei Jahrzehnten mehr als verdoppelt, wobei sich die Produktion im Jahr 2020 auf 1.864 Millionen Tonnen und die Produktion im Jahr 2019 auf 1.869 Millionen Tonnen belief. Stahl ist nach wie vor das Rückgrat und der Motor für Evolution und Fortschritt der Gesellschaft. Es macht die Welt zu einem besseren Ort zum Leben. Die Smart Cities der Zukunft sollen auf Stahl gebaut werden. Da Stahl ein unendlich recycelbares und wiederverwendbares Gut ist, trägt seine Verwendung dazu bei, die Belastung der Ressourcen der Erde zu verringern.

Das hohe Niveau der Stahlproduktion macht den Stahlerzeugungssektor unweigerlich verantwortungsbewusster gegenüber seinen Umweltauswirkungen. Daher ist es unerlässlich, die Prozesse der Stahlindustrie zu analysieren, um ein klares Bild der wichtigsten Umweltauswirkungen zusammen mit möglichen Lösungen zu zeichnen, die die Umsetzung eines Paradigmas der Kreislaufwirtschaft beinhalten.

Stahl hat eine Kombination von Eigenschaften, die bei der Entscheidungsfindung im Konstruktionsstadium berücksichtigt werden müssen. Diese Eigenschaften umfassen (i) chemische, metallurgische und mechanische Eigenschaften, (ii) Korrosionsbeständigkeitseigenschaften, (iii) Feuerbeständigkeitseigenschaften, (iv) Wiederverwertbarkeit, (v) lange Lebensdauer, (vi) Wartungsanforderungen, (vii) hygienische Anforderungen, (viii) Ästhetik und (ix) Umwelteinflüsse.

Stähle können ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Da metallische Bindungen bei der Wiederverfestigung wiederhergestellt werden, erhalten Stähle ihre ursprünglichen Leistungseigenschaften kontinuierlich zurück, selbst nach mehreren Recyclingkreisläufen. Dadurch können sie immer wieder für die gleiche Anwendung verwendet werden. Im Gegensatz dazu verschlechtern sich die Leistungsmerkmale der meisten nichtmetallischen Materialien nach dem Recycling.

Typischerweise haben Stahlprodukte, die über den integrierten Weg hergestellt werden, einen Anteil an zurückgeführtem Prozessschrott, der auf einen Wert zwischen 10 % und 20 % begrenzt ist, während die Stahlprodukte am Ende ihrer Lebensdauer zu Raten zwischen 85 % und 95 % recycelt werden. Die Methode des „recycelten Inhalts“ berücksichtigt nur die heute realisierten Umweltvorteile, im Gegensatz zur „End-of-Life“-Methode, die zusätzlich die zukünftigen Umweltvorteile aus Schrott berücksichtigt, der am Ende der Lebensdauer entsteht. Für die Stahlindustrie ist die „End-of-Life-Recyclingquote“ der am besten geeignete Indikator, während die verfügbaren Mengen an Altschrott nicht ausreichen, um die derzeitige Nachfrage zu decken. Abb. 1 zeigt den Lebenszyklus von Stahl.

Abb. 1 Lebenszyklus von Stahl

Die Produktion von Primärstahl (Neuware) umfasst typischerweise den Erzabbau und die Konzentration, das Schmelzen und Raffinieren, um den Stahl der angegebenen Chemie zu erhalten, wobei eine Reihe von Verarbeitungswegen zur Verfügung stehen. In jeder Stufe werden Verunreinigungen und Nebenprodukte abgetrennt und die Konzentration des Eisens im Endprodukt erhöht. Die Veredelung von Stahl zu ausreichenden Reinheiten erfordert häufig energieintensive und präzise gesteuerte Schmelzschritte, die normalerweise auf der Verwendung fossiler Brennstoffe direkt als Reduktionsmittel oder indirekt für Wärme und Strom basieren. Die Eisen- und Stahlproduktion ist für einen erheblichen globalen industriellen Kohlendioxidausstoß (CO2) verantwortlich.

Im Bergbau- und Aufbereitungsbereich gibt es Verfahren, die darin bestehen, Erze in flüssiger Lösung zu behandeln, um Erz zu konzentrieren, indem es von den zugehörigen Mineralien getrennt wird. Bei einigen Verfahren sind normalerweise keine sehr hohen Temperaturen erforderlich, und die Behandlung kann bei hohen Drücken stattfinden, was Energie erfordert, um die Drücke aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus ist es wahrscheinlicher, dass die Energieintensität der Abbau- und Aufbereitungsprozesse im Laufe der Zeit zunehmen wird, wenn die Minen von hochgradigen zu minderwertigen Erzen wechseln und wenn mit dem Abbau komplexerer Lagerstätten begonnen wird. Der Energieverbrauch kann durch erhöhte Prozesseffizienzen verbessert werden.

Die Pyrometallurgie umfasst die Behandlung von Erzkonzentraten bei hohen Temperaturen, um das Eisen von seinen assoziierten mineralischen Bestandteilen zu entfernen. Dies wiederum erfordert die Verwendung von fossilen Brennstoffen in Heizöfen oder Elektrizität, um die Öfen anzutreiben. Darüber hinaus produziert die Stahlindustrie verschiedene Arten von Stahlprodukten. Diese unterschiedlichen Arten von Stahlprodukten können im selben Stahlwerk und aus denselben primären Produktionsprozessen hergestellt werden. Jedes dieser Produkte benötigt unterschiedliche Verarbeitungswege für die Herstellung der Produkte, die von den Endverbrauchern verwendet werden. Abb. 2 zeigt Prinzipien für die Ökobilanz (LCA).

Abb. 2 Prinzip der Ökobilanz

Materialwissenschaftlern und Produktentwicklern steht jetzt eine wachsende Zahl von Werkzeugen zur Verfügung, die es ihnen ermöglichen, die Umweltauswirkungen ihrer Materialauswahl zu berücksichtigen, aber im Allgemeinen berücksichtigen diese Werkzeuge eine kleine Anzahl von Umweltendpunkten, und viele Datenlücken bleiben bestehen. Angesichts des erwarteten Anstiegs der globalen zukünftigen Nachfrage nach Stahl und seiner Bedeutung für die heutigen Technologien ist es jedoch wichtig, dass hochgradig reproduzierbare Daten für die lebenszyklusbasierten Umweltbelastungen der Stahlproduktion verfügbar sind und dass die Auswirkungen der Koproduktion mehrerer Stahlsorten berücksichtigt werden Produkte sind klar verständlich.

Menschliche Aktivitäten, für deren Entwicklung Material und Energie benötigt werden, haben irreversible Auswirkungen auf Ökosysteme und die Umwelt, wie z. B. Klimawandel, Erschöpfung natürlicher Ressourcen, Abfallerzeugung und Umweltverschmutzung usw. Die meisten dieser Auswirkungen haben gefährliche Folgen für die menschliche Gesundheit und das Überleben diese Wirkungen haben langfristige Folgen. Im Brundtland-Bericht, der 1987 veröffentlicht wurde, wird nachhaltige Entwicklung definiert als „die Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen“. Als Teilmenge der nachhaltigen Entwicklung, die sich seit fast 25 bis 30 Jahren weltweit entwickelt, spielt die gebaute Umwelt eine sehr wichtige Rolle.

Das Konzept der nachhaltigen Entwicklung, wie es im Brundtland-Bericht definiert wird, ist eine sehr komplexe und dynamische Herausforderung, die Beiträge der unterschiedlichsten Tätigkeitsbereiche erfordert. Der Klimawandel und die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen gehören heute zu den zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen. Damit stehen sie ganz oben auf der politischen Umweltagenda, wo sie wohl auch in absehbarer Zeit bleiben werden

Nachhaltigkeit betrifft den gesamten Produktionszyklus eines Produkts, d. h. von der Rohstoffbeschaffung über Planung, Design, Konstruktion und Betrieb bis hin zu seiner Verwendung und Entsorgung am Ende der Lebensdauer. Es ist eine große und wichtige Herausforderung für die Zukunft in der Stahlindustrie. Die Stahlindustrie hat mehrere Anstrengungen unternommen, um ihren CO2-Fußabdruck zu verringern, indem die Recyclingfähigkeit erhöht und die Prozesse verbessert wurden.

In der nachhaltigen Entwicklung wird die Entwicklung ökonomisch und umweltverträglicher Methoden gefördert. Die Produktion und Verteilung der Materialien erfolgt mit einem Minimum an Transporten. Auch werden solche Materialien verwendet, die möglichst nah verfügbar sind.

Die Stahlnachhaltigkeit besteht aus drei Komponenten, nämlich (i) ökologisch, (ii) sozial und (iii) wirtschaftlich. Die Stahlindustrie ist eine hochwirksame Industrie zur Verbesserung der sozialen, wirtschaftlichen und ökologisch nachhaltigen Entwicklung und entwickelt sich zu einer hochaktiven Industrie in beiden Bereichen Industrie- und Entwicklungsländer. Die Industrie benötigt natürliche Ressourcen aus der Erde für die Herstellung von Stahl, der zum Bau von menschengemachten Strukturen wie Gebäuden, Brücken und Straßen und in Produkten unseres täglichen Lebens verwendet wird.

Zur Bestimmung der Umweltauswirkungen wird eine Lebenszyklusanalyse von Stahl durchgeführt. Drei Aspekte, die die Umweltauswirkungen bestimmen, sind (i) die Herstellung des Stahlprodukts, (ii) die Verwendung des Stahlprodukts und (iii) das Recycling des Altmaterials. Die Umweltauswirkungen werden beeinflusst durch (i) Nutzung natürlicher Ressourcen, (ii) Umweltmanagement und (iii) Verhinderung der Verschmutzung von Luft, Wasser und Land durch Abgase, Flüssigkeiten und Feststoffe.

Die Materialeffizienz des Stahlprodukts wird durch drei Kriterien bestimmt, nämlich (i) reduzieren, (ii) wiederverwenden und (iii) recyceln. Die Rohstoffmengen zur Stahlerzeugung sollen durch Verbesserung der Prozesseffizienzen zur Reduzierung der CO2-Emissionen reduziert werden. Nachdem die Lebensdauer eines Stahlprodukts abgelaufen ist, kann ein Teil des Stahlinhalts des Produkts wiederverwendet werden, ohne dass die Grundeigenschaften des Stahls verloren gehen. Dies macht die Wiederverwendung von Stahl sehr wichtig. Stahl ist zu 100 % recycelbar. Der gesamte Stahlschrott wird zur Herstellung von frischem Stahl wiederverwendet. Darüber hinaus werden Nebenprodukte, die während der Stahlproduktion entstehen, von verschiedenen Industrien verwendet, was den Bedarf an Rohstoffen in diesen Industrien verringert und somit zur Schonung der natürlichen Ressourcen beiträgt.

Die gesellschaftlichen Auswirkungen von Stahl sind beträchtlich. Die soziale Wirkung wird beeinflusst durch (i) Lebensstandard, (ii) Bildung der Menschen, (iii) Gemeinschaft und (iv) Chancengleichheit für alle.

Ein nachhaltiges Material schadet den Menschen nicht, die an seiner Herstellung arbeiten oder die es während seiner Verwendung, seines Recyclings und seiner endgültigen Entsorgung handhaben. Stahl ist weder bei seiner Herstellung noch bei seiner Verwendung schädlich für den Menschen. Aus diesen Gründen ist Stahl das Hauptmaterial, das in mehreren Anwendungen verwendet wird. Die Sicherheit, wie ein verletzungsfreier und gesunder Arbeitsplatz der Mitarbeiter, hat für die Stahlindustrie oberste Priorität. Stahl verbessert auch die Lebensqualität, indem er technische Fortschritte ermöglicht. Aus diesem Grund sehen die Menschen in allem, was sie in ihrem täglichen Leben verwenden, die Präsenz von Stahl. Tatsächlich ist das heutige Leben ohne Stahl nicht denkbar.

Die wirtschaftliche Komponente der Stahlnachhaltigkeit ist sehr wichtig. Zu den Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit beeinflussen, gehören (i) Produktionskosten, (ii) Gewinn, (iii) Kosteneinsparungen, (iv) Wirtschaftswachstum und (v) die Generierung von Einnahmen für Investitionen durch Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.

Die Lebenszykluskosten (LCC) sind ein wichtiges Kriterium für die ökonomische Komponente der Nachhaltigkeit von Stahl. LCC sind die Kosten eines Vermögenswerts während seines gesamten Lebenszyklus, während die Leistungsanforderungen erfüllt werden (ISO 15686-5). Es ist die Summe aller Kosten im Zusammenhang mit einem Produkt, die während des Lebenszyklus anfallen, der aus (i) Konzeption, (ii) Produktion / Herstellung, (iii) Nutzung / Betrieb und (iv) Lebensende besteht. LCC ist ein mathematisches Verfahren, das hilft, Anlageentscheidungen zu treffen und / oder verschiedene Anlagemöglichkeiten zu vergleichen. Stahl ist nicht teuer, wenn man die Lebenszykluskosten berücksichtigt. Die Kosten für andere Materialien steigen im Laufe der Zeit erheblich, während die Kosten für Stahl normalerweise konstant bleiben.

Neben ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Aspekten der Stahlnachhaltigkeit gibt es drei sich überschneidende Bereiche wie (i) ökologisch-sozial, (ii) sozial-ökonomisch und (iii) wirtschaftlich-ökologisch. Der ökologisch-soziale Bereich umfasst die Sorge um den Schutz der Umwelt und der natürlichen Ressourcen, da sie sowohl lokale als auch globale Auswirkungen haben. Der sozialökonomische Bereich umfasst Bedenken hinsichtlich Ethik, Fairness sowie Gesundheit, Sicherheit und Wohlergehen der Mitarbeiter. Der ökonomisch-ökologische Bereich umfasst Betriebseffizienz, Energieeffizienz und Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Bild 3 zeigt alle Komponenten der Stahlnachhaltigkeit.

Abb. 3 Komponenten der Stahlnachhaltigkeit

Der Schlüssel zur Nachhaltigkeit von Stahl ist die Erkenntnis, dass ein vollständiger Lebenszyklusansatz der beste Weg ist, um die Auswirkungen eines Produkts auf die Umwelt zu bewerten. Daher ist es auch der beste Weg, der Gesellschaft zu helfen, fundierte Entscheidungen über die Verwendung von Materialien und ihre wirtschaftliche Bedeutung zu treffen. Die ausschließliche Fokussierung auf einen Aspekt im Lebenszyklus eines Produkts, wie beispielsweise die Materialherstellung, verzerrt das wahre Bild, da erhöhte Auswirkungen während einer anderen Lebenszyklusphase, beispielsweise der Nutzungsphase, außer Acht gelassen werden können.

Die Auswahl der am besten geeigneten Materialien für jede Anwendung hängt von der Berücksichtigung einer Reihe von technischen und wirtschaftlichen Faktoren ab, darunter beispielsweise Funktionalität, Haltbarkeit und Kosten. Ein weiterer und zunehmend wichtiger Faktor für die Spezifikation der Materialien in einer Welt, in der nachhaltige Entwicklung ein Schlüsselthema ist, ist die damit verbundene Umweltleistung von Materialanwendungen aus Sicht der Herstellung und Produktleistung.

Die Quantifizierung der Umweltbelastungen pro Lebenszyklusphase und der Vernetzung der Produktionssysteme von Stahlprodukten ist erforderlich, um globale Veränderungen in Technologie, Materialsubstitution und Produktkritikalität im Hinblick auf ihre Lieferkettenanfälligkeit und ihr Versorgungsrisiko zu modellieren. Ein umfassendes Verständnis ermöglicht ein besseres Management der Auswirkungen und Vorteile von Stahlprodukten und eine fundierte nachhaltige Ressourcennutzung.

Stahl ist ein sehr langlebiges Material, das in vielen qualifizierten Anwendungen verwendet wird. Wie alle Materialien wirken sich auch seine Herstellung und Verwendung auf vielfältige Weise auf die Umwelt aus. Die Bewertung der gesamten Umweltauswirkungen von Produkten erfordert einen integrierten Ansatz, der das Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg betrachtet. Diese Bewertung wird als „Lebenszyklusanalyse (LCA)“ bezeichnet.

Die Bewertung der Nachhaltigkeit der Projekte kann mit Hilfe einer Reihe von Instrumenten durchgeführt werden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden. Eine der vollständigsten und detailliertesten Analysemethoden, die auf dem Konzept des Lebenszyklus basiert, ist LCA. Es betrachtet den gesamten Lebenszyklus eines Produkts oder Systems, von der Rohstoffgewinnung über die Materialherstellung und den Energiebedarf bis hin zur Nutzung und End-of-Life-Behandlung. Durch eine solche systematische Übersicht werden Umweltbelastungen identifiziert und ggf. vermieden. Ökobilanzen können dabei helfen, Möglichkeiten zur Verbesserung der Umweltleistung der Projekte an verschiedenen Punkten ihres Lebenszyklus zu identifizieren. Ziel einer LCA ist es, das vollständige Umweltprofil eines Produkts über seinen gesamten Lebenszyklus zu erstellen und die Ergebnisse mit Hilfe von Umweltkennzahlen verständlicher darzustellen.

Die ersten Studien zum Lebenszykluskonzept wurden in den Zeiträumen der späten sechziger und frühen siebziger Jahre durchgeführt. Das Lebenszykluskonzept von Produkten oder Funktionen wurde in den USA im Bereich des öffentlichen Beschaffungswesens entwickelt. Aber die erste Erwähnung des „Lebenszyklus“ mit diesem Namen erfolgte in einem Bericht über die Lebenszyklusanalyse der Kosten, der 1959 von Novick für die RAND Corporation erstellt wurde. Damals wurde die „Lebenszyklusanalyse“ (noch keine Bewertung) für die Kosten verwendet von Waffensystemen, einschließlich Kauf, Verwendung und End-of-Life-Operationen. Die Lebenszyklusanalyse wurde auch als Instrument zur Verbesserung der Haushaltsverwaltung durch die Regierung eingesetzt.

1972 wurde der Gesamtenergieverbrauch bei der Herstellung verschiedener Arten von Getränkebehältern, einschließlich Glas, Kunststoff, Stahl und Aluminium, von Ian Boustead im Jahr 1979 berechnet, wodurch seine Methodik auf eine Vielzahl von Materialien anwendbar ist. Das öffentliche Interesse nahm zu und in dieser Zeit wurden verschiedene Lebenszyklusstudien durchgeführt. 1992 wurden von der Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) Workshops zur Lebenszyklusbewertung (LCA) abgehalten, einer davon konzentrierte sich auf die Bewertung der Auswirkungen des Lebenszyklus und der andere auf die Datenqualität.

1993 wurden Leitlinien für „Life-cycle Assessment:A Code of Practice“ veröffentlicht, die auch als „LCA Bible“ bekannt sind. In den 1990er Jahren wurde LCA auch von verschiedenen Gruppen untersucht, die verschiedene Richtlinien veröffentlichten, wie z. B. niederländische Richtlinien zur Ökobilanz, und nordische Länder, insbesondere schwedische, finnische, dänische und norwegische Autoren, veröffentlichten nordische Richtlinien zur Ökobilanz. Das UN-Umweltprogramm veröffentlichte die „Lebenszyklusanalyse:Was ist und wie man es macht“. Die Europäische Umweltagentur hat außerdem „Life-cycle Assessment:A Guide to Approaches, Experiences and Information Sources“ veröffentlicht. Die Produkte werden in einer LCA-Studie als Gut oder Dienstleistung definiert. Ökobilanzen werden manchmal auch als „Lebenszyklusansatz“, „Wiege-bis-Grab-Analyse“ oder „Lebenszyklusanalyse“ bezeichnet. Eine vollständige Cradle-to-Grave-Studie betrachtet die Produktion vom Rohmaterial (Cradle) über die Nutzungsphase bis zum Lebensende (Grab).

Im November 1993 begann die LCA-Standardisierung bei ISO (The International Organization for Standardization) mit dem Technical Committee (TC 207) Subcommittee SC 5 in Paris. Der Standard basierte auf dem von SETAC entwickelten Code of Practice. Gegenwärtig hat die ISO eine Reihe von Standards herausgegeben, die als 14040-Serie und Technische Berichte für Ökobilanzen bezeichnet werden. Diese ISO 14040-Normenserie umreißt den Ansatz und die Strenge, an die sich die LCA-Übung halten muss, einschließlich der Notwendigkeit, dass unabhängige Dritte die Arbeit kritisch überprüfen.

Die Normenreihe ISO 14000 umfasst ISO 14001 zu Umweltmanagementsystemen. Die Normenreihe ISO 14040 umfasst ISO 14040 mit dem Titel „Principles and Framework“, ISO 14041 mit dem Titel „Ziel- und Umfangsdefinition und Bestandsanalyse“, ISO 14042 mit dem Titel „Life-cycle Impact Assessment“ (LCIA), ISO 14043 mit dem Titel 'Life-cycle interpretation', ISO 14040 mit Titel 'Requirements and Guideline', ISO 14047 mit Titel 'Examples of Application of ISO 14042', ISO 14048 mit Title 'Data Documentation Format' und ISO14049 mit Title 'Examples of Application of ISO 14041'. Gemäß der Normenreihe ISO 14040 wird LCA für Produktentwicklung und -verbesserung, strategische Planung, öffentliche Politikgestaltung, Marketing und andere Zwecke verwendet.

LCA ist ein Instrument zur Bewertung der Umweltaspekte von Produkten in allen Phasen ihres Lebenszyklus. LCA ist in der Norm ISO 14040 definiert als „Zusammenstellung und Bewertung der Inputs, Outputs und potenziellen Umweltauswirkungen eines Produktsystems während seines gesamten Lebenszyklus“. Der Lebenszyklus eines Produkts umfasst alle Prozesse von der Rohstoffbeschaffung über die Materialgewinnung und -herstellung bis hin zur Nutzung und endgültigen Entsorgung einschließlich Verwertungsmöglichkeiten. Jeglicher Transport in diesen Phasen ist ebenfalls abzurechnen,

LCA umfasst alle Phasen einschließlich Transport in der Produktion und auch Betriebsphase von Waren und Dienstleistungen. In einer vergleichenden LCA-Studie sollen nicht die Produkte selbst verglichen werden, sondern auch die Funktion dieser Produkte einbezogen werden. LCA hat einen ganzheitlichen Ansatz, der die Umweltauswirkungen in einen einheitlichen Rahmen stellt, wo und wann immer sie auftreten.

LCA ist derzeit eine der anerkanntesten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Nachhaltigkeitsbewertung. Es basiert auf der Erhebung und Verwaltung von Umweltverträglichkeitsdaten, die am häufigsten aus verfügbaren „Life Cycle Inventory (LCI)“-Datenbanken stammen. LCA-Methodik und LCI-Daten helfen der Industrie, (i) Informationen für die Kunden und deren Kunden bereitzustellen, (ii) den Beitrag von Stahl zur Umweltleistung von Produktsystemen in verschiedenen Anwendungen zu verstehen, (iii) Technologiebewertung zu unterstützen ( Benchmarking, Bestimmung und Priorisierung von Umweltverbesserungsprogrammen), (iv) Folgenabschätzungen durchführen, um die Auswirkungen seiner eigenen Prozesse auf die Umwelt zu reduzieren und eng mit seinen Kunden zusammenzuarbeiten, um Kenntnisse über die Gesamtauswirkungen der Stahlnutzung der Produkte zu erlangen auf die Umwelt über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, und (v) das öffentliche Wissen über die Umweltvorteile des Lebenszyklus der Verwendung von Stahl in Anwendungen und darüber, wo er zur Verbesserung der Umweltleistung wirksam sein kann, zu erhöhen. LCA spielt auch eine wichtige Rolle bei den organisatorischen Anforderungen an die Umwelt- und Treibhausgasberichterstattung, der Marketing- und Vertriebsunterstützung und der Sicherstellung der Einhaltung von Vorschriften und freiwilligen Initiativen wie Umweltproduktdeklarationen.

Gegenwärtig wird weltweit erkannt, dass Produktdesign und Verbraucherverhalten die Gesamtumweltleistung und -effizienz eines Produkts beeinflussen können. Unternehmen, die die Produkte herstellen, achten verstärkt auf die Herstellung, Nutzung und das Ende der Lebensdauer, was für die Designer, die die Materialien spezifizieren, ein zunehmend wichtiger Faktor ist. LCA ist „ein ganzheitlicher Ansatz, der auf einer robusten Methodik basiert, um Wissenschaft durch quantitative Bewertung der Umweltauswirkungen von Produkten während ihres gesamten Lebenszyklus in Erkenntnisse umzuwandeln“.

Unter den verfügbaren Werkzeugen und Methoden zur Bewertung der ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Leistung von Materialien und Verbraucherprodukten (einschließlich ihrer Auswirkungen auf den Klimawandel und die natürlichen Ressourcen) bietet LCA einen umfassenden Ansatz, der die potenziellen Auswirkungen aller Phasen der Herstellung und des Produkts berücksichtigt Verwendung und Ende der Lebensdauer (Wiederverwendung, Recycling oder Entsorgung). Es basiert auf einer soliden Methodik und einer transparenten Berichterstattung und ist daher ein wichtiges Instrument zur Unterstützung der Politikgestaltung.

Der erste Schritt bei dem Versuch, den Kreislauf der Produktlebenszyklen durch mehr Recycling und Wiederverwendung zu „schließen“, besteht darin, solche Produktsysteme unter Umweltgesichtspunkten durch Ökobilanzen effektiv und systematisch zu analysieren.

LCA ist ein Werkzeug zur Quantifizierung und Bewertung von Umweltbelastungen und -auswirkungen im Zusammenhang mit Produktsystemen und -aktivitäten, angefangen bei der Gewinnung von Rohstoffen in der Erde bis hin zum Ende des Lebens und der Abfallentsorgung. Das Tool wird zunehmend von Industrien, Regierungen und Umweltgruppen verwendet, um bei der Entscheidungsfindung für umweltbezogene Strategien und Materialauswahl zu helfen.

LCI ist eine strukturierte, umfassende und international standardisierte Methode. Es quantifiziert alle relevanten Emissionen und verbrauchten Ressourcen sowie die damit verbundenen Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen und Ressourcenvernichtungsprobleme, die mit dem gesamten Lebenszyklus von Produkten verbunden sind. LCI ist eine der Phasen einer Ökobilanz. LCI-Daten quantifizieren Material, Energie und Emissionen, die mit einem funktionierenden System verbunden sind (z. B. die Herstellung von 1 kg warmgewalztem Coil). Diese LCI-Daten sind die Grundlage für vollständige LCAs, einschließlich LCIA, über breitere Grenzen und vollständige Produktlebenszyklen hinweg. Darüber hinaus können diese Daten verwendet werden, um einzelne Probleme wie den CO2-Fußabdruck von Produkten anzugehen.

Aus verschiedenen LCI-Datenbanken sind aussagekräftige Studiendaten zum Energieverbrauch im gesamten Lebenszyklus und zu den weiteren Umweltauswirkungen von Stählen verfügbar. Stahl ist ein wichtiger Bestandteil für eine Vielzahl von Marktanwendungen und Produkten, beispielsweise in der Automobil-, Bau- und Verpackungsbranche. Die Stahlindustrie hat schon sehr früh die Notwendigkeit erkannt, eine solide Methodik zur Erfassung weltweiter LCI-Daten zu entwickeln, um die Märkte und Kunden zu unterstützen. Die LCI-Daten der Stahlindustrie der World Steel Association quantifizieren „cradle to gate“ Inputs (Ressourcenverbrauch, Energie) und Outputs (Umweltemissionen) der Stahlproduktion aus (i) der Gewinnung von Ressourcen und der Verwendung von recycelten Materialien, (ii) der Produktion von Stahlprodukten bis zum Tor des Stahlwerks und (iii) Rückgewinnung und Recycling von Stahl am Ende der Lebensdauer.

Das ULCOS (Ultra-Low Carbondioxid Steelmaking)-Konsortium, das sich aus europäischen Stahlunternehmen, Energie- und Engineering-Partnern, Forschungsinstituten und Universitäten zusammensetzt, versucht derzeit, Technologien zur Reduzierung der CO2-Emissionen der Stahlproduktion zu entwickeln und verwendet LCA als eine seiner wichtigsten Umweltbewertungen Werkzeug. Die Forschung hat bisher über 80 Technologien zur CO2-Reduktion untersucht, einige davon in die engere Wahl gezogen und bewertet nun unter anderem ihre Umwelteigenschaften über die Nutzung des Lebenszyklus-Paradigmas. Insbesondere wurde eine LCI der integrierten klassischen Stahlherstellungsroute mit Prozesssimulationssoftware kombiniert, um die CO2-Emissionen potenziell nachhaltigerer Prozesse zu modellieren, die neue Technologien, Reduktionsmittel und Methoden zur Abscheidung und Speicherung von CO2 beinhalten.

LCA ermöglicht die Bewertung eines Produktsystems aus ökologischer Sicht, indem alle Lebenswegstadien des Produkts von der Rohstoffgewinnung bis zur endgültigen Entsorgung des Produkts ganzheitlich betrachtet werden. Es wird normalerweise als Instrument verwendet, um die systemweiten (Cradle-to-Gate oder Cradle-to-Grave) Umweltbelastungen von Produkten, Dienstleistungen und Technologien zu quantifizieren. Ein solches Instrument wurde in der Vergangenheit verwendet, um die Umweltleistung von Stahlproduktsystemen zu bewerten.

LCA-Treiber werden durch das „nationale freiwillige Richtlinienprinzip“ unterstützt, da sie (i) Waren und Dienstleistungen anbieten, die während ihres gesamten Lebenszyklus zur Nachhaltigkeit beitragen, (ii) eine optimale Ressourcennutzung über den Lebenszyklus des Produkts von der Entwicklung bis zur Entsorgung sicherstellen, und (iii) sicherzustellen, dass alle wie Designer, Produzenten, Mitglieder der Wertschöpfungskette, Kunden und Recycler miteinander verbunden sind und nachhaltigen Konsum fördern. LCA hilft auch bei der „Geschäftsverantwortungsberichterstattung“, da es Berichte über die Produkte oder Dienstleistungen liefert, deren Design soziale oder ökologische Bedenken, Risiken und/oder Chancen berücksichtigt hat, und da es Einzelheiten zur Reduzierung während der Beschaffung / Produktion / Verteilung und Nutzung durch enthält Verbraucher in Bezug auf den Ressourcenverbrauch (Energie, Wasser, Rohstoffe usw.) pro Produkteinheit

Typischerweise beginnt die LCA-Studie mit der Ziel- und Umfangsdefinition als erste Phase und fährt mit der Bestandsanalysephase fort, fährt mit der Folgenabschätzungsphase fort und endet als letzte Phase mit der Interpretation. LCA ist ein rechnerischer (mathematischer) Prozess, bei dem die Praktiker möglicherweise zu anderen Phasen wie der Ziel- und Umfangsdefinition zurückkehren müssen. Die Beziehung zwischen diesen Phasen ist in Abb. 4 dargestellt, die den LCA-Rahmen zeigt, der von ISO 14040 übernommen wurde.

Abb. 4 Rahmen für die Ökobilanz  

Der Lebenszyklus eines Produkts wird als Produktsystem modelliert, das eine oder mehrere definierte Funktionen erfüllt. Ein Produktsystem wird mit seiner Funktion definiert und in eine Menge von Einheitsprozessen unterteilt, die durch Flüsse miteinander verbunden sind. Einheitsprozesse umfassen Inputs und Outputs des Produktsystems und erzeugen die Outputs für andere Prozesse als Ergebnis seiner Aktivitäten. Ein Produktsystem kann auch andere Produktsysteme durch Produktflüsse verknüpfen.

Das Ziel einer LCA-Studie besteht darin, (i) beabsichtigte Anwendung und Zielgruppe der Studie, (ii) Gründe für die Durchführung der Studie und (iii) ob die Ergebnisse der Studie in vergleichenden Aussagen verwendet und offengelegt werden sollen die Öffentlichkeit. Der Anwendungsbereich umfasst (i) Definition des Produktsystems, (ii) Funktionen und Funktionsaspekte, (iii) Einheitensystemgrenze, (iv) Zuordnungsverfahren, (v) Wirkungskategorien, (vi) Datenanforderungen, (vii) Annahmen, ( viii) Einschränkungen, (ix) anfängliche Anforderungen an die Datenqualität, (x) Art der kritischen Überprüfung und (xi) ob Art und Format des Berichts für die Studie erforderlich sind. Der Umfang soll in Breite, Tiefe und Detailliertheit für das Studium ausreichen. Die Systemgrenze definiert die Einheitsprozesse, die gemäß der Ziel- und Umfangsdefinition der Studie in das System aufgenommen werden sollen.

Der Hauptzweck der Funktionseinheit besteht darin, ein Bezugssystem bereitzustellen, das messbar ist. Um dies zu ermöglichen und die Vergleichbarkeit von LCA-Ergebnissen zu gewährleisten, muss auch ein Referenzfluss bestimmt werden. Der Bezugsdurchfluss bedeutet die Menge an Produkten, die zur Erfüllung der Funktion benötigt wird. Wenn beispielsweise eine lackierte Oberfläche untersucht wird, ist es nicht sinnvoll, zwei verschiedene Lacksorten mit einer funktionellen Einheit von einem Liter Lack zu vergleichen. Dies liegt daran, dass zwei verschiedene Arten von Farben nicht die gleiche Leistung erbringen. Stattdessen ist es sachgerecht, als funktionelle Einheit „ein Quadratmeter lackierte Fläche mit einem bestimmten Beschichtungsgrad und einer Nutzungsdauer von 10 Jahren“ festzulegen.

In der Bestandsanalysephase werden relevante Ein- und Ausgangsdaten des Produktsystems gesammelt und berechnet. Die Bestandsanalyse ist ein Rechenprozess. Während Daten gesammelt werden und mehr über das System gelernt wird, können neue Datenanforderungen oder Einschränkungen auftreten. Manchmal ist eine Überarbeitung des Ziels oder des Umfangs der Studie erforderlich. Beispiele für zu erhebende Datenarten sind Rohstoffe, Energieinputs, Emissionen in Luft und Wasser, Outputs etc. In dieser Phase, in der es um produktübergreifende Systeme und Recyclingsysteme geht, sind Allokationsverfahren zu berücksichtigen Rücksichtnahme. Es ist möglich, die Ein- und Ausgänge den verschiedenen Produkten gemäß Zuordnungsverfahren zuzuordnen. Diese Phase ist einer der zeitaufwändigsten und teuersten Prozesse in einer LCA-Studie. 

Die Ökobilanzphase ist ein relativer Ansatz, der auf einer funktionalen Einheit basiert, die sorgfältig geplant werden muss, um das Ziel und den Umfang der Studie umzusetzen. Ziel dieser Phase ist es, die potenziellen Umweltauswirkungen des Produkts oder der Dienstleistung gemäß den Ergebnissen der Sachbilanzanalyse in ihrem Lebenszyklus zu bewerten. Die Folgenabschätzungsphase umfasst zwei Elemente, nämlich (i) obligatorisch und (ii) optional. Verbindliche Elemente sind (i) die Auswahl von Wirkungskategorien, Kategorieindikatoren und Charakterisierungsmodellen sowie (ii) die Klassifizierung und Charakterisierung. Die optionalen Elemente sind Normalisierung, Gruppierung, Gewichtung und Datenqualitätsanalyse.

Es gibt zwei Hauptmethoden für die Folgenabschätzung. Dies sind die problemorientierte Methode (Mittelpunkte) und die schadensorientierte Methode (Endpunkte). Die Mid-Point-Methode beinhaltet Umweltauswirkungen wie Klimawandel, Versauerung, Eutrophierung, potenzielle photochemische Ozonbildung und Toxizität für den Menschen. Die Endpunktmethode ist eine schadensorientierte Methode, die Ströme in verschiedene Umweltschadensgruppen wie Menschen und Ressourcen einteilt. Die verschiedenen Wirkungskategorien und ihre Definitionen sind in Tab 1 aufgeführt.

Tab. 1 Häufig verwendete Wirkungskategorien in einer LCA
Auswirkungskategorie	Definition
Erderwärmung	Anstieg der Durchschnittstemperatur der Erde
Erschöpfung von Mineralien und fossilen Brennstoffen	Consumption of non-renewable energy or material resources
Photochemical oxidation (smog)	Emission of substances (VOCs, nitrogen oxides) to air
Human toxicity	Human exposure to an increased concentration of toxic substances in the environment
Ozone depletion	Increase of stratospheric ozone breakdown
Eutrophication	Increased concentration of chemical nutrients in water and on land
Water use	Consumption of water
Land use	Modification of land for various uses
Acidification	Emission of acidifying substances to air and water
Ecotoxicity	Emission of organic substances and chemicals to air, water and land
Note:LCA – Life cycle assessment, VOCs – Volatile organic compounds

Life cycle interpretation is the final phase of the LCA, in which the results of study is summarized and discussed. In this phase of LCA, the results of the inventory analysis and the impact assessment are evaluated together.  Life cycle interpretation reveals   conclusion which is to be consistent with the defined goal and scope and which offers suggestions.

Among the tools available to evaluate environmental performance, LCA provides a holistic approach to evaluate environmental performance by considering the potential impacts from all stages of manufacture, product use and end-of-life stages. This is referred to as the cradle-to-grave approach. LCA is well established as a sound environmental assessment tool which is easy to implement, and cost effective and produces affordable and beneficial solutions for material decision making and product design.

The use of LCA is becoming more widespread since it takes into account the environmental impacts of the manufacturing processes of a product, the extraction of the raw materials used by these processes, the use and maintenance of the product by the consumer, its end–of-life (reuse, recycling or disposal) as well as the various methods of transport occurring between every link of the chain. Presently, there is an increasing number of national or regional databases are available which cover major industrial sectors. Many manufacturing organizations have LCA departments and there are more and more LCA software packages are now available. It is also now a subject which is taught at universities.

In Europe, an environmental product declaration (EPD) is a standardized way of quantifying the environmental impact of a product or system following life cycle analysis. For a steelmaker, it is also strategically important to demonstrate this life-style approach (in terms of governments and policies) so that the long service-life, re-use and multi-recycling characteristics of steel are adequately appreciated and measured.

The LCA data can also be used for other purposes including (i) eco-design / design for recycling applications, (ii) benchmarking of specific products, (iii) procurement and supply chain decisions, (iv) inclusion in ‘Type I Ecolabel’ criteria for products, (v) inclusion in life cycle based ‘Type III environmental product declarations’ for specific products, and (vi) the analysis of specific indicators, e.g. carbon footprints or primary energy consumption.

Thinking in life cycles has an important advantage. With LCA, the whole lifespan of a product can be evaluated i.e. the production, use and disposal at the end of life. Environmental impacts occur along the entire supply chain i.e. at the production site itself as well as in the extraction of raw materials and their transport, and at power plants supplying the energy to the production site. Capturing both direct and indirect impacts can help to avoid shifting environmental burden from one life cycle stage to another. Environmental regulations which only regulate one phase (use) of a product’s life cycle can create unintended consequences, i.e. increased CO2 emissions.  Correct modelling of the recycling potential of steel products at the end-of-life phase is critical for our sector to compete with other materials and demonstrate the performance of steel solutions to meet the demand for ‘best in class’ sustainable uses.