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Life Cycle Assessment in Technology Development - The Case of Micro Process Engineering

Zschieschang, Eva :
Life Cycle Assessment in Technology Development - The Case of Micro Process Engineering.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Life Cycle Assessment in Technology Development - The Case of Micro Process Engineering
Language: English
Abstract:

Technology development is a sophisticated process including multiple development phases. Already the research phase as the first phase of the development process can significantly determine the later technical, economical and environmental performance of a technology. Due to the high environmental impact of technologies during their life cycle, the use of sustainability analysis methodologies in an early stage of technology development seems valuable. Life Cycle Assessment (LCA) is a methodology to analyze the environmental impact of products during their whole life cycle. This methodology was originally developed to compare different yet functionally analogous products, such as tetra packs and glass bottles. In the last 20 years, life cycle based product analysis became increasingly popular and was adapted to new application fields requiring adaptation also of the LCA methodology itself. Thus, multiple new approaches and methodologies were developed. Due to the lack of a uniform scientific LCA approach, a general LCA methodology towards the analysis of different product types and application fields (i.e. technology development) is currently unavailable. The present work examines the application of LCA in technology development. The study includes an analysis of existing methodological approaches, and the identification of technology-specific requirements for the LCA on the example of a case study. In addition, a new method for the application of LCA in the development of a new technology was designed and successfully applied to the case study. As an example for the development of a complex technology, a microreactor for Fischer-Tropsch synthesis (FTS) in a Gas-to-Liquid (GtL) process was chosen as a case study. The focus of the theoretical work lies in the modeling of the technology development process and how to deal with different models in LCA and technology development. Based on the general systems theory, a model of microreactor development was created. Subsequently, a method for the application of LCA on the model of micro-reactor development was developed. Using this novel methodology, four phases of the microreactor development were analyzed by LCA; design and manufacturing, use of a microreactor for the FTS, application of the microreactor in the GtL process and application of the GtL process for the substitution of gas flaring in offshore oil production. The LCA results obtained with the new methodology provide evidence on environmental effects of various design configurations of the technology under development throughout the development process. The application of this new methodology during the microreactor development process for the first time allows the creation of environmentally optimized GtL processes for site-specific oil production.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Neu- und Weiterentwicklung von Technologien ist ein sehr langwieriger und komplexer Prozess, der sich in verschiedene Entwicklungsphasen untergliedert. Schon in der ersten Phase dieses Entwicklungsprozesses werden die Weichen für die spätere technische, ökonomische sowie die ökologische Performance der Technologie gestellt. Da die ökologischen Auswirkungen von Technologien einen großen Beitrag an den heutigen Umweltproblemen haben, ist die Anwendung von Analysemethoden zur Nachhaltigkeitsuntersuchung von Technologien in der frühen Entwicklungsphase unabdingbar. Die Ökobilanzierung ist eine Analysemethode zur Nachhaltigkeitsuntersuchung. Mit dieser Methode werden die ökologischen Auswirkungen während des gesamten Lebensweges eines Produktes analysiert. Die Ökobilanzierung wurde ursprünglich entwickelt, um unterschiedliche Produkte mit gleicher Funktion nach ökologischen Gesichtspunkten zu vergleichen, z.B. Tetrapacks und Glasflaschen. Im Laufe der letzten 20 Jahre wurde diese lebenszyklus-basierte Analysemethode immer populärer. Eine Erweiterung des Anwendungsspektrums machte jedoch eine Weiterentwicklung der Methode erforderlich. Es entstanden daher viele neue methodische Ansätze. Weil jedoch der Ökobilanzierung bis heute keine einheitliche wissenschaftliche Basis zu Grunde liegt, ist die Anwendung dieser Methode für neue Produkttypen und Anwendungsfelder, wie zum Beispiel die Technologieentwicklung, keineswegs trivial. In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung der Ökobilanzierung in der Technologieentwicklung untersucht. Die Untersuchung beinhaltet die Analyse bestehender methodischer Ansätze, sowie die Identifizierung von technologiespezifischen Anforderungen an die Ökobilanzierung anhand eines Fallbeispiels. Im Weiteren wird eine neue Methode zur Anwendung der Ökobilanzierung in der Technologieentwicklung entworfen, und diese Methode erfolgreich auf das Fallbeispiel angewendet. Als Fallbeispiel für eine komplexe Technologie wird die Entwicklung eines Mikroreaktors für die Fischer-Tropsch Synthese in einem Gas-to-Liquid Prozess ausgewählt. Der theoretische Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Modellierung des Technologieentwicklungsprozesses und dem Umgang mit unterschiedlichen Modellen in Ökobilanzierung und Technologieentwicklung. Auf Basis der allgemeinen Systemtheorie wird ein Modell der Mikroreaktorentwicklung erstellt. Mit Hilfe der neu entwickelten Methode zur Anwendung des Technologieentwicklungsmodells in der Ökobilanzierung werden vier Entwicklungsphasen der Mikroreaktorentwicklung untersucht; die Konstruktion und Fertigung, die Anwendung eines Mikroreaktors für die Fischer-Tropsch Synthese, die Anwendung des Mikroreaktors im GtL-Prozess und die Anwendung des GtL-Prozesses zur Substitution der Erdgasverbrennung bei der Ölförderung auf Bohrinseln. Die gewonnenen Ökobilanzergebnisse liefern Erkenntnisse zu Umweltwirkungen verschiedener Designkonfigurationen der zu entwickelnden Technologie über den gesamten Entwicklungsprozess. Die Anwendung dieser neu entwickelten Methode in der Mikroreaktorentwicklung erlaubt nun die Entwicklung von ökologisch optimierten GtL-Prozessen für standortspezifische Ölförderung.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: technology development; micro process engineering; micro reaction engineering, Fischer-Tropsch synthesis; Gas-to-Liquid process; life cycle assessment; modular server-client-server approach; MSCS approach
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Technologieentwicklung; ÖkobilanzierungUNSPECIFIED
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute IWAR
Date Deposited: 11 Jul 2013 12:16
Last Modified: 11 Jul 2013 12:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-34987
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte and Turek, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 15 March 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3498
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