재료유동분석

Material flow analysis

물질 흐름 분석(SFA)이라고도 하는 물질 흐름 분석(Material Flow Analysis, MFA)은 잘 정의된 시스템에서 물질 또는 물질의 흐름과 재고를 정량화하는 분석 방법이다. MFA는 서로 다른 공간적 및 시간적 척도로 인간 활동의 생물학적 물리적 측면을 연구하기 위한 중요한 도구다. 산업 생태학이나 인공, 도시, 사회, 산업 대사의 핵심 방법으로 여겨진다. MFA는 다른 산업 분야나 생태계 내에서 물질, 물질 또는 제품 흐름을 연구하기 위해 사용된다. 예를 들어 폐수처리장을 통한 영양소 흐름을 추적하기 위해 MFA를 단일 산업 설비에도 적용할 수 있다. 재료 흐름과 관련된 원가의 평가와 결합할 때, MFA의 이러한 사업 중심적 적용은 재료 흐름 원가 회계라고 불린다. MFA는 순환경제를 연구하고 물질적 흐름 관리를 고안하는 중요한 도구다. 1990년대 이후, 재료 흐름 분석과 관련된 출판물의 수가 꾸준히 증가하고 있다. MFA 관련 저서를 발간하는 동료 검토 저널에는 산업생태학, 생태경제학, 환경과학, 자원, 보존, 재활용 등이 있다.[1]

방법론

동기

쉼터, 음식, 교통, 통신과 같은 인간의 필요성은 나무, 녹말, 설탕, 철과 강철, 구리, 반도체와 같은 물질을 필요로 한다. 사회가 발전하고 경제활동이 확대되면서 물질적 생산과 사용, 처분이 더 이상 환경과 사회에 대한 원치 않는 영향을 국지적으로나 전세계적으로 방치할 수 없는 수준까지 늘어난다. 물질적 흐름은 매립지 침출이나 기름 유출과 같은 지역 환경 문제의 핵심이다. 지구 온난화에 대한 우려가 높아지면서 이전에 중요하지 않았던 쓰레기 흐름인 이산화탄소가 정치, 과학적인 의제 위에 올려졌다. 선진국의 1차 재료 생산에서 도시 광업으로의 점진적인 전환은 인간 사회 내에서 사용 중이거나 쓸모 없는 재료의 재고량을 상세히 평가해야 한다. 따라서 과학자, 산업체, 정부 기관, NGO는 경제 회계와 모델링을 보완하는 도구가 필요하다. 그들은 물질들이 인류권에 들어오고, 머무르고, 남고, 남고, 남고, 남고, 그 물질들의 흐름과 재고들을 추적하고, 표시하는 체계적인 방법이 필요하다. 물질적 흐름 분석은 그런 방법이다.

기본 원리

MFA는 시스템 접근과 질량 균형이라는 두 가지 기본적이고 잘 확립된 과학적 원리에 기초하고 있다.[2][3] 시스템 정의는 모든 MFA 연구의 출발점이다.

시스템 정의

계량화되지 않은 기본 MFA 시스템.
정량화되지 않은 보다 일반적인 MFA 시스템.

MFA 시스템은 산업 공장, 산업 부문 또는 관심 지역의 모델이다. 시스템 모델의 상세 수준은 연구의 목적에 적합하도록 선택된다. MFA 시스템은 항상 시스템 경계, 하나 이상의 프로세스, 프로세스 간의 자재 흐름 및 프로세스 내의 자재 재고로 구성된다. 시스템과 그 환경 사이의 물리적 교환은 시스템 경계를 가로지르는 흐름을 통해 이루어진다. 시스템이 특정한 산업설비를 나타낸다는 선입견과는 반대로, MFA에서 시스템과 프로세스는 잘 정의되어 있는 한 훨씬 더 크고 추상적인 실체를 나타낼 수 있다. 명시적 시스템 정의는 실무자가 시스템 내에서 이용 가능한 양적 정보를 특정 프로세스 내의 주식으로 또는 프로세스 간 흐름으로 찾을 수 있도록 돕는다. MFA 시스템 설명은 프로세스를 세분화하여 정제하거나 프로세스를 통합하여 단순화할 수 있다.

시스템 정의에서 프로세스, 주식 및 흐름의 배열을 명시하는 것 옆에, 실무자는 또한 연구된 시스템의 척도와 지표 요소 또는 자료를 명시할 필요가 있다. 공간적 척도는 시스템이 적용되는 지리적 실체를 설명한다. 특정 산업 분야를 대표하는 시스템은 미국, 중국, 특정 세계 지역 또는 전 세계에 적용될 수 있다. 시간 척도는 시스템이 정량화되는 시점 또는 시간 범위를 설명한다. 시스템의 지표요소 또는 재료는 측정되고 질량균형이 유지되는 물리적 실체다. 이름에서 알 수 있듯이 지표원소는 카드뮴과 같은 특정 화학원소나 CO와2 같은 물질이다. 일반적으로 재료나 제품도 공정 잔액이 설정될 수 있는 한 지표로 사용할 수 있다. 보다 일반적인 지표의 예로는 승용차, 철강과 같은 재료 또는 에너지와 같은 다른 물리적 양이 있다.

MFA는 실무자들이 예를 들어 Brunner와 Rechberger의 2.1장에서 MFA 방법의 주요 참고문헌 [4]중 하나인 '물질', '보조물' 또는 '선물'이라는 용어를 정확히 사용하도록 요구한다.

  • 화학 원소는 "원자 번호로 구별되는 원자의 한 종류로 구성된 순수한 화학 물질"[5]이다.
  • 물질은 "모든 (화학) 원소 또는 균일한 단위로 구성된 화합물이다. 모든 물질은 독특하고 동일한 체질로 특징지어지며 따라서 균질하다." 브런너&레흐버거의 2.1.1장부터.[4]
  • 재화는 "양호적 또는 음의 경제적 가치를 지닌 물질의 경제 실체"로 정의된다. 상품은 하나 또는 여러 가지 물질로 구성되어 있다." 브런너와 레흐버거의 2.1.2장부터.[4]
  • MFA에서 재료라는 용어는 "물질과 재화 모두를 포괄하는 용어"로 사용된다. 브루너&레흐버거의 2.1.3장부터.[4]
정량화가 있는 일반적인 MFA 시스템.

공정균형

MFA의 주요 목적 중 하나는 계통 원소의 신진대사를 정량화하는 것이다. MFA는 경제적 회계와 달리 비경제적 폐기물 흐름, 환경으로의 배출, 비시장적 천연자원도 포괄한다.

경제회계(상단)와 물리적회계(하단)에서의 산업공정 모델.

공정균형은 MFA를 강력한 회계 및 분석 도구로 만드는 첫 번째 순서 물리적 원칙이다. 시스템 내 프로세스의 특성에 따라 적용되는 균형이 결정된다. 예를 들어 공정 '정유소'의 경우, 각 화학 원소에 대한 질량 균형을 설정할 수 있는 반면, 원자력 발전소에서는 이것이 불가능하다. 자동차 제조 공장은 강철의 균형을 존중하지만 제철소는 그렇지 않다.

측정 또는 통계 데이터에 의해 MFA 시스템을 정량화할 때 질량 및 기타 공정 잔액을 점검하여 정량의 정확성을 보장하고 흐름 또는 공정 누락과 같은 시스템에서 발생할 수 있는 데이터 불일치 또는 잘못된 인식을 밝혀야 한다. 상충되는 정보는 데이터 검증과 조정을 통해 조정될 수 있으며, STAN-소프트웨어는 많은 MFA 애플리케이션에 적합한 기본적인 조정 기능을 제공한다.[6]

다양한 공간 및 시간 척도의 MFA 응용 사례

MFA 연구는 다양한 공간적, 시간적 척도와 다양한 요소, 물질, 상품에 대해 수행된다. 그것들은 광범위한 프로세스 체인과 재료 주기를 다룬다. 몇 가지 예:

  • 국가 또는 지역 규모의 MFA(물질 흐름 회계라고도 함): 이러한 유형의 연구에서는 경제와 자연 환경 사이의 물질적 교류가 분석된다. 시스템의 자원 집약도를 평가하기 위해 몇 가지 지표를 계산한다.[7][8]
  • 기업 자재 흐름 분석 또는 산업 공급망을 통한 MFA에는 다음과 같은 많은 기업이 포함된다. 기업 내 자재 흐름 분석의 목표는 재활용 및 폐기물 감축 등 자재와 에너지가 보다 효율적으로 사용되도록 생산 공정을 정량화한 후 최적화하는 것이다. 기업은 재료유동원가회계에서 얻은 결과를 활용해 운영비를 절감하고 환경성과를 개선할 수 있다.
  • 제품의 수명 주기 동안: 편성이 라이프사이클 평가의 핵심인 라이프사이클 재고는 명시적인 시스템 정의와 프로세스 균형에 기초하기 때문에 MFA 방법론을 따른다.

역사적 발전

  • 질량 균형이나 물질의 보존은 고대 그리스에서 이미 상정되어 있으며, 화학공학으로, 마지막으로 환경과학으로 가는 길을 찾은 곳에서 앙투안 라부아지에(Brunner&Rechberger에서 cf. 2.1.3장)[4]에 의해 현대 화학에 소개되었다.
  • 다른 반향적 기여는 산크토리우스와 테오도르 바일이 했다.
  • 데니스 메도우스는 1971년 베스트셀러 '성장의 한계'를 공동 집필하면서 경제의 물리적 토대를 널리 알렸다. 메도우 외 연구진은 자원 재고 분석에 근거하여 예측했다. 환경 과학 용어집을 참조하라.
  • MFA의 방법론은 1980년대와 1990년대에 개발되었다. 개발은 여러 연구 그룹에서 동시에 일어났다. MFA 방법론에 관한 중앙 간행물로는 바치니와 바더(1996년),[9] 브루너와 레흐베르거(2004년),[4] 바치니와 브루너(2012년),[10] 반데르 보엣 외 등이 있다. (2002).[11]
  • 우퍼탈 연구소에서 일했던 프리드리히 슈미트-블렉은 MFA 관련 개념인 MIPS(Material Input Per Service Unit)를 개발했다.[12][13]
  • UNEP 자원 패널은[14] 유엔 환경 프로그램에 의해 2007년에 설치되었다. 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)[15]과 유사하게, 그것은 많은 분야와 기관의 전문가들을 모아 사회적 신진대사에 관한 연구 현황을 검토하고 최근의 연구결과를 정책 입안자와 이해관계자들에게 전달한다.

최근 개발

  • MFA 개념은 EU와[16] 일본과 같은 몇몇 나라와 지역의 국가 계정에서 사용되고 있거나 통합되고 있다.[17] MFA는 또한 통합환경경제회계시스템에서도 사용된다.
  • 여러 국제회의나 다른 회의들은 매년 물질 흐름 분석과 지속 가능한 개발에 관한 국제 회의인 [18]세계 자원 포럼을 포함하여 연구자들과 정책입안자들이 서로 회의하고 결과와 아이디어를 교환할 수 있는 플랫폼을 제공한다.
  • MFA-IO는 통화 및 물리적 입력-출력 표를 이용하여 경제 전체의 MFA 시스템을 구축하기 위한 접근방식이다.[19]
  • 오스트리아 빈의 SERI(Sustainable Europe Research Institute)는 materialflows.net이라는 데이터베이스를 개발했다.[20]
  • 다이나믹 MFA는 MFA 시스템의 장기적 정량화를 목표로 하고 있으며, 물리적 주식과 흐름의 역사적 발전 패턴을 활용하여 향후 몇 년, 수십 년 동안 강력한 시나리오를 만든다.[21]
  • 일본은 MFA 연구의 핫스팟으로 발전했다. 그 나라는 광물 자원이 부족하여 에너지 운송 회사, 광석 및 기타 원자재 수입에 의존하고 있다. 일본 정부는 재료 사이클에 대한 연구를 장려하고 3-R 개념도 출범시켰다.[22]

최첨단 MFA 실시

최첨단 MFA는 다음과 같은 단계로 구성된다.[4]

  • 명시적 시스템 정의 설정: 지리적 및 시간적 범위, 프로세스(주식 포함 가능) 및 흐름과 함께 시스템 경계를 지정하십시오. 시스템을 정량화할 재료(제품, 물질 또는 표시기 요소)를 지정하십시오. 각 스톡이 프로세스와 연결되고 각 흐름이 한 프로세스를 다른 프로세스에 연결하는지 확인하십시오. 흐름은 또한 시스템 경계 밖에서 시작하거나 끝날 수 있다.
  • 시스템 변수를 정의하고 이름을 지정하십시오. 시스템 변수에는 다음이 포함된다. 프로세스 내의 모든 주식, 프로세스 간의 모든 흐름, 외부 또는 시스템 경계 밖으로 나가는 모든 흐름. 때로는 주식을 고려하지 않고 순주변동만 관심사다. 각 변수에 대해서는 그것이 주식인지 흐름인지 분명해야 하며, 이러한 구별은 이름이나 선택한 수학 기호에 반영할 필요가 있다.
  • 시스템 변수를 문헌, 측정 또는 모델링된 데이터와 연결하여 정량화하십시오.
  • 모든 프로세스와 시스템 전체에 대한 매스 밸런스 점검을 수행한다.
  • 선택 사항: 위에 표시된 상자 및 화살표 구성표를 사용하거나 Sankey 다이어그램을 사용하여 시스템을 시각화하십시오.
  • 계량화된 시스템 변수 목록 및 매스 밸런스 점검과 함께 명시적 시스템 정의를 보고하여 MFA를 문서화한다.

물질과 물질 흐름 분석의 차이

'보조유동분석(SFA)'에서 '보조물'이라는 용어는 항상 화학물질을 지칭하는 반면, '물질유동분석(MFA)'에서 '물질'이라는 용어는 범위가 훨씬 넓다. 브루너와 레흐버거에[4] 따르면 '물질'이라는 용어는 물질 AND 재화로 구성되며, 이 넓은 범위의 이유는 MFA를 화학적 원소나 물질뿐만 아니라 철강, 목재 또는 자동차나 건물과 같은 제품에도 적용하고자 하기 때문이다. 따라서 사용단계에서 출입하는 차량을 기록함으로써 객차 비행대에 대한 MFA를 실시할 수 있다.

다른 방법과의 관계

MFA는 다른 핵심 산업 생태학적 방법 수명주기 평가(LCA)와 입출력(I/O) 모델을 보완한다.[23] 이들 모두가 시스템 접근법을 공유하면서 서로 다른 방법들 사이에 일부 중복이 존재하며 어느 정도로는 질량 균형 원리가 있다. 방법은 주로 목적, 범위, 데이터 요구사항이 다르다.

MFA 연구는 특정 물질의 전체 사이클(광업, 생산, 제조, 사용, 폐기물 처리)을 주어진 지리적 경계와 시간 범위 내에서 다루는 경우가 많다. 재료주는 MFA에 명시되어 있어 이 방법은 자원 부족과 오래된 고철로부터의 재활용과 관련된 연구에 적합하다. 시계열(동적 모델링)과 평생 모델의 공통 사용은 MFA를 재료 사용의 장기 추세를 평가하는 데 적합한 도구로 만든다.

  • I/O 분석에 비해 MFA 시스템에서 고려하는 공정의 수는 대개 훨씬 적다. 한편, 질량 균형은 부산물이나 폐기물의 흐름이 MFA 연구에서 간과되지 않도록 하는 반면 I/O 표에서는 이러한 흐름들이 경제적 가치의 부족으로 인해 포함되지 않는 경우가 많다. 물리적 I/O 모델은 경제적 표보다 훨씬 덜 흔하다. 재료주는 입출력 분석에서 다루지 않고 주식에 대한 추가분만 자본축적의 형태로 포함할 수 있다.
  • 수명주기 재고자산은 개별 제품과 관련된 많은 다양한 재료에 대한 수요를 기록하는 반면, MFA 연구는 일반적으로 많은 다른 제품에서 사용되는 단일 재료에 초점을 맞춘다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Resources, Conservation and Recycling".
  2. ^ 마리나 피셔-코왈스키, 물질 흐름 분석의 지적 역사, 파트 I, 1860-1970, 산업 생태학 저널 2(1), 1998, 페이지 61-78, doi:10.1162/jiec.1.61
  3. ^ 마리나 피셔-코왈스키, 물질 흐름 분석의 지적 역사 파트 II, 1970-1998, 산업 생태학 저널 2(4), 1998, 페이지 107-136, doi:10.1162/jiec.1162/jiec.198.2.4.107.
  4. ^ Jump up to: a b c d e f g h Brunner, P.H.; Rechberger, H. (2004). Practical Handbook of Material Flow Analysis. Lewis Publishers, New York. ISBN 978-1-56670-604-9.
  5. ^ IUPAC, 화학용어 종합편찬, 제2편. ("금책")(1997년). 온라인 수정 버전: (2006–) "화학 요소"
  6. ^ "Home". www.stan2web.net.
  7. ^ Eurostat (2013). Economy-wide Material Flow Accounts (EW-MFA) (Report). Eurostat.
  8. ^ Krausmann, Fridolin; Weisz, Helga; Eisenmenger, Nina; Schütz, Helmut; Haas, Willi; Schaffartzik, Anke (2015). "Economy-wide Material Flow Accounting - Introduction and Guide. Social Ecology Working paper 151". Social Ecology Working Paper. Institute of Social Ecology, Alpen-Adria University, Klagenfurt/Graz/Vienna. ISSN 1726-3808.
  9. ^ 바치니와 바더 1996, '지역대사 스토프하우샬트'(지역대사), 스펙트룸 아카데미셔 베를라크, 하이델베르크(독일), ISBN 3-86025-235-6
  10. ^ 바치니 P. & Brunner P.H. (2012) 인류권의 대사, 분석, 평가, 설계. 제2판, 케임브리지, MA. ISBN 9780262016650
  11. ^ '주식 특성에 따른 미래배출량 예측', 생태경제학, 2002, 41(2), 223-234.
  12. ^ "Wuppertal Institute". Retrieved 3 July 2011.
  13. ^ Schmidt-Bleek, Friedrich (1994), "MIPS: Ein neues ökologisches Maß", Wieviel Umwelt braucht der Mensch?, pp. 97–141, doi:10.1007/978-3-0348-5650-8_4, ISBN 978-3-0348-5651-5
  14. ^ "UNEP". Retrieved 3 July 2011.
  15. ^ "IPCC". Retrieved 3 July 2011.
  16. ^ "Accounting in the EU". Retrieved 3 July 2011.
  17. ^ "Accounting in Japan" (PDF). Archived from the original (PDF) on 27 September 2011. Retrieved 3 July 2011.
  18. ^ "World Resources Forum". Retrieved 16 September 2019.
  19. ^ Nakamura, S.; Kondo, Y. (2009). Waste Input-Output Analysis. Concepts and Application to Industrial Ecology. Springer. ISBN 978-1-4020-9901-4.
  20. ^ "materialflows.net". Retrieved 3 July 2011.
  21. ^ 다니엘 B. 뮐러, 재료 흐름 예측을 위한 주식 역학--네덜란드 주택에 대한 사례 연구, 생태 경제 59(1), 2006, 페이지 142-156, doi:10.1016/j.ecollecon. 2005.09.025.
  22. ^ "3R in Japan". Retrieved 3 July 2011.
  23. ^ Gao, Jiyao; You, Fengqi (2018). "Dynamic Material Flow Analysis-Based Life Cycle Optimization Framework and Application to Sustainable Design of Shale Gas Energy Systems". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6 (9): 11734–11752. doi:10.1021/acssuschemeng.8b01983.

추가 읽기

  • Baccini, P.; Bader, H.-P. (1996). Regionaler Stoffhaushalt. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Germany). ISBN 978-3-86025-235-2.

외부 링크