1

The Norwegian University of Science and Technology

TEP4223 - Final Exam

For candidates taking:

TEP4223 Life Cycle Assessment and Eco-Efficiency Date: 18th December 2007

Time: 9:00-13:00

Academic Supervisor: Anders Hammer Strmman

Office: 73 59 89 48 Mobile: 99 58 14 41

Instructions:

The exam represents 70% of the overall grade. Dictionary is allowed

Only approved calculators are allowed

Pages 1-4 English Pages 5-8 Norsk

2

Problem 1 Basic Algebra (20p)

a) (2p) Assume you have a production system with two nodes, A and B. For each unit of output of A produced it requires 0.6 units of B and 0.1 units of itself. For each unit of B produced, it requires 0.3 units of A and 0.2 units of itself. Draw a figure illustrating this system.

b) (2p) Define the A matrix of this system c) (2p) Interpret the coefficients a11 and a12 d) (3p)Establish the production balance equation of the open Leontief model. Define

necessary matrices and vectors. Interpret each term in the equation. e) (2p) Derive the analytical expression for Leontief inverse (L) from the production

balance. f) (2p) Calculate the Leontief inverse g) (3p) Interpret the coefficients l11 and l12 h) (2p) Calculate the output vector for a functional unit that requires both 1 unit of A and

one unit of B. i) (2p) Explain why the result in h) is equal to the row sum of L.

Problem 2 Contribution Analysis (18p) The following matrices are given:

0 0.6 0.7 1.73 1.22 1.820.3 0 0.5 0.73 1.57 1.290.2 0.1 0 0.42 0.40 1.49

2 0 01 3 0 3 2 0 0

,0 1 0 0 1 3 40 0 4

A L

S C

a) (1p) Based on the given A and L matrix, calculate the process output vector, x, for a

functional unit that requires 100 units of process 2. b) (2p) Assume that the S matrix above is what we know as the stressor matrix. Define

the dimensions of this matrix and explain its contents. c) (2p) Provide an analytical expression for the total amount of stressors generated due to

any functional unit. Calculate this for the given functional unit. d) (2p) Assume that C matrix above is what we know as the characterization matrix.

Define the dimensions of this matrix and explain its contents. e) (2p) Provide an analytical expression for the vector of total impact potentials

generated due to any functional unit. Calculate this for the given functional unit. f) (3p) Provide an analytical expression for what we know as E. Calculate this for the

given case and interpret the result. g) (3p) Provide an analytical expression for what we know as Dpro. Calculated this for

the given case and interpret the result. h) (3p) Provide an analytical expression for what we know as Dstr. Calculate this for the

given case and interpret the result.

3

Problem 3 Life Cycle Phases and Transport (18p)

a) (3p) Explain what we mean by foreground and background systems. Draw a illustrative flowchart. Show how we set up an A and S matrix with a foreground and background system. Define the matrices you use including their dimensions.

b) (3p) Assume you are performing an LCA on the production of aluminium. The production value chain consists of three main steps. 1) mining of bauxite, 2) refining of bauxite into alumina and 3) use of alumina in electrolysis to produce aluminium. Draw a simplified flowchart of the system and explain how you would structure your A matrix to include both the construction and demolition phases as well as the operation phase of this system.

c) (3p) Provide a short explanation and interpretation of the coefficients that link the construction phase with the operation phase. That is, how the construction of the aluminium factory is linked with the aluminium production activity.

d) (6p) Disregard the construction and demolition phase in this question. The production of 1 kg of alumina, requires 2.2 kg of bauxite. The distance between the bauxite mine and the production facility is 1000km. The production of aluminium requires 1.9 kg of alumina. The distance between the alumina refinery and the aluminium production plant is 500km. Draw flow charts and set up the foreground A matrix for this system using:

a. The receiver input model for transport b. The transporter input model for transport

e) (3p) Discuss briefly the pros and cons of these two approaches for modeling transport.

Problem 4 Advanced inventory methods (20p)

a) (5p) Discuss the differences between an input output based dataset and an LCA database.

b) (5p) Explain qualitatively (in words) what hybrid LCA is and explain the motivation for its use?

c) (5p) Explain how the integrated hybrid LCA method works. Define matrices, show equations and explain operations.

d) (5p) Assume that you have a conventional inventory model with a foreground and a background system. This includes that there are no inputs from the foreground system to the background system. Only inputs from the background system to the foreground system. You want to perform a contribution analysis on this system. However instead of calculating Dpro in the conventional manner, you would like to relate the impacts generated in the background system with the foreground processes that draws upon them. Show how you would to do this. Define matrices and comment operations.

Problem 5 Life Cycle Impact Assessment (8p) a) (4p) Explain the conceptual differences between the CML2000 and the Eco Indicator

99 impact assessment methods. b) (4p) Discuss briefly the model uncertainty of characterization factors for global

warming potential versus those for human toxicity potential?

4

Problem 6 Life Cycle Assessment of Transport (16p) a) (5p) Explain conceptually how you would include recycling of materials in a life cycle

assessment of car use. Use flow sheet drawings to supplement your explanation. b) (4p) Assume that you are working for a car manufacturer, who is considering

replacing all the steel, except main drive train components, in the car with aluminium. Provide a short discussion on the environmental implications of this. Assume that around 30% of the original weight is steel that can be replaced with aluminium. (density: steel ~8 ton/m3, aluminium 2.5 ton/m3).

c) (7p) Assume that you are working for an environmental NGO. The EU parliament is considering the following proposed amendments to the Fuel Quality directive (see below). You are asked, because of your knowledge of LCA, to prepare a statement on this proposal.

Method to measure life-cycle greenhouse gas emissions from fuels Annex VI A (new) (Directive 98/70/EC) European Parliament, Amendments 32-121 (PE392.119v01-00) In the reporting on the life-cycle greenhouse gas emissions from all fuels, the following elements will be taken into account: (a) Extraction/production of raw materials, including: - the way in which the extraction took place, measured or estimated per extraction site;

- energy used during extraction including flaring, leakages and other forms of process related energy-use;

- the impact of direct and indirect land-use changes (including displacements of agricultural activity),

- the amount of energy used by the production and application of agrochemical substances per unit of energy;

- impact on soil carbon and emissions linked to agricultural practices, in particular nitrogen fertilizer use;

- the impact of by-products; - use of production machinery fuel per unit;

(b) Transport and distribution, including:

- transport from well to first refining/transfer location on the basis of average CO2 equivalents per unit of energy;

- the number of transportation kilometres from well to refining/transfer location; - the number of transportation kilometres from refining/transfer location to selling

point on the basis of average CO2 equivalents per unit of energy; (c) Conversion/refining, including:

- the amount of energy used in the conversion/refining process per unit of energy; - the amount of CO2 equivalents emitted per unit of energy;

(d) Final product:

- the carbon content per unit of energy.

5

Norges teknisk-naturvitenskaplige universitet

TEP4223 - Eksamen

For kandidater som tar:

TEP4223 Livlpsanalyse og ko-effektivitet Dato: 18de desember 2007

Tid: 9:00-13:00

Veileder under eksamen: Anders Hammer Strmman

Kontor: 73 59 89 48 Mobil: 99 58 14 41

Instruksjoner:

Eksamen representerer 70% av den totale karakteren. Ordbok er tillatt.

Bare godkjente kalkulatorer er tillatt.

Side 1-4 English Side 5-8 Norsk

6

Problem 1 Elementr algebra (20p)

a) (2p) Anta at du har et produksjonssystem bestende av to noder, A og B. For hver enhet som produseres i A kreves 0,6 enheter av B og 0,1 enhet av seg selv. For hver enhet som produseres i B kreves 0,3 enheter av A og 0,2 enheter av seg selv. Tegn en figur som illustrerer dette systemet.

b) (2p) Definer A-matrisen for dette systemet c) (2p) Gi en fortolkning av koeffisientene a11 og a12 d) (3p) Etabler likningen for produksjonsbalanse for en pen Leontiefmodell. Definer

ndvendige matriser og vektorer. Forklar hvert ledd i likningen. e) (2p) Finn det analytiske uttrykket for Leontiefinversen (L) fra produksjonsbalansen. f) (2p) Regn ut Leontiefinversen g) (3p) Gi en fortolkning av koeffisientene l11 og l12 h) (2p) Regn ut produksjonsvektoren (output vector) for en funksjonell enhet som

krever en enhet av node A og en enhet av node B. i) (2p) Forklar hvorfor resultatet i h) er det same som radsummen av L.

Problem 2 Bidragsanalyse (18p) Flgende matriser er gitt:

0 0.6 0.7 1.73 1.22 1.820.3 0 0.5 0.73 1.57 1.290.2 0.1 0 0.42 0.40 1.49

2 0 01 3 0 3 2 0 0

,0 1 0 0 1 3 40 0 4

A L

S C

a) (1p) Basert p A og L, kalkuler produksjonsvektoren, x, for en funksjonell enhet som

krever 100 enheter av prosess 2. b) (2p) Anta at S-matrisen ovenfor er en skalt stressor-matrise. Definer dimensjonene

til matrisen og forklar innholdet. c) (2p) Uttrykk analytisk den totale mengden stressorer generert som en flge av en

funksjonell enhet. Kalkuler denne for den gitte funksjonelle enheten. d) (2p) Anta at C-matrisen ovenfor er en skalt karakteriseringsmatrise. Definer

dimensjonene til matrisen og forklar innholdet. e) (2p) Uttrykk analytisk den totale mengden miljpvirkninger (impact potential)

generert som en flge av en funksjonell enhet. Kalkuler denne for den gitte funksjonelle enheten.

f) (3p) Uttrykk analytisk variabelen vi kjenner som E. Kalkuler denne for det gitte tilfellet og tolk resultatet.

g) (3p) Uttrykk analytisk variabelen vi kjenner som Dpro. Kalkuler denne for det gitte tilfellet og tolk resultatet.

h) (3p) Uttrykk analytisk variabelen vi kjenner som Dstr. Kalkuler denne for det gitte tilfellet og tolk resultatet.

7

Problem 3 Livslpsfaser og transport (18p)

a) (3p) Forklar hva vi mener med forgrunns- og bakgrunnssystem. Tegn et illustrativt flytskjema. Vis hvordan vi setter opp en A- og S-matrise med et forgrunns- og bakgrunnssystem. Beskriv matrisene du bruker inkludert dimensjonene.

b) (3p) Anta at du utfrer en LCA p produksjon av aluminium. Verdikjeden bestr av tre hovedsteg: 1) Utvinning av bauxitt fra gruve, 2) raffinering av bauxitt til alumina, 3) bruk av alumina i elektrolyse for produsere aluminium. Tegn et enkelt flytskjema av systemet og forklar hvordan du vil strukturere A-matrisen for inkludere bde konstruksjons- og rivningsprosessen i tillegg til driftsfasen av systemet.

c) (3p) Gi en kort forklaring og tolkning av koeffisientene som kobler konstruksjons- og driftsfasen, dvs. hvordan konstruksjonen av aluminiumsfabrikken er koblet opp mot aluminiumsproduksjonsaktiviteten.

d) (6p) Ignorer konstruksjon og riving i denne oppgaven. For produsere 1 kg alumina kreves 2,2 kg bauxitt. Distansen fra bauxittgruven til aluminafabrikken er 1000 km. Produksjon av en kg aluminium krever 1,9 kg alumina. Distansen fra aluminafabrikken til aluminiumsfabrikken er 500 km. Tegn flytskjema og sett opp A-matrisen for dette systemet med:

a. Mottakerinput (receiver input) modell for transport b. Transportinput (transporter input) modell for transport

e) (3p) Diskuter kort fordeler og ulemper med disse to tilnrmingene til modellere transport.

Problem 4 Avanserte inventarmodeller (20p)

a) (5p) Diskuter forskjellen mellom et krysslpsbasert datasett og en LCA database. b) (5p) Forklar kvalitativt (med ord) hva hybrid LCA er, og hva som er motivasjonen for

dens bruk. c) (5p) Forklar hvordan metodikken med integrert hybrid LCA fungerer. Definer

matriser, vis ligninger og forklar fremgangsmten. d) (5p) Anta at du har en konvensjonell inventar- modell med et forgrunns og et

bakgrunnssystem. Dette inkluderer at det er ingen flyt fra forgrunn til bakgrunnssystemet, men bare fra bakgrunn til forgrunnsystemet. Du nsker foreta en bidragsanalyse p dette systemet. I stedet for kalkulere Dpro som p vanlig mte, nsker du relatere miljpvirkningene generert i bakgrunnssystemet med innvirkningen fra forgrunnsprosessene. Hvis hvordan du kan gjre dette. Definer matrisene og kommenter fremgangsmte.

Problem 5 Livslpskonsekvensanalyse (8p) a) (4p) Forklar den konseptuelle forskjellen mellom CML2000 og EcoIndicator 99

konsekvensanalysemetode. b) (4p) Diskuter kort usikkerheten i karakeriseringsfaktorene for globalt

oppvarmingspotensial versus menneskelig toksisitets potensial.

8

Problem 6 Livslpsanalyse av transport (16p) a) (5p) Forklar konseptuelt hvordan du ville inkludere gjenvinning av materialer i en

livslpsanalyse av bilbruk. Bruk flytskjemafigurer for supplere forklaringen. b) (4p) Anta at du jobber for en bilprodusent som vurderer erstatte alt stl, unntatt

drivverk, med aluminium. Diskuter kort de miljmessige implikasjonene av dette. Anta at 30 % av den originale vekten er av stl som kan bli erstattet med aluminium (massetetthet: stl: ~8 tonn/m3, aluminium 2.5 tonn/m3).

c) (7p) Anta at du jobber for en miljorganisasjon. EU parlamentet vurderer flgende korrigeringer som drivstoffkvalitetsdirektiv (se nedenfor). Du blir spurt - p grunn av din kunnskap om livslpsanalyse - om utarbeide en redegjrelse for dette forslaget.

Method to measure life-cycle greenhouse gas emissions from fuels Annex VI A (new) (Directive 98/70/EC) European Parliament, Amendments 32-121 (PE392.119v01-00) In the reporting on the life-cycle greenhouse gas emissions from all fuels, the following elements will be taken into account: (a) Extraction/production of raw materials, including: - the way in which the extraction took place, measured or estimated per extraction site;

- energy used during extraction including flaring, leakages and other forms of process related energy-use;

- the impact of direct and indirect land-use changes (including displacements of agricultural activity),

- the amount of energy used by the production and application of agrochemical substances per unit of energy;

- impact on soil carbon and emissions linked to agricultural practices, in particular nitrogen fertilizer use;

- the impact of by-products; - use of production machinery fuel per unit;

(b) Transport and distribution, including:

- transport from well to first refining/transfer location on the basis of average CO2 equivalents per unit of energy;

- the number of transportation kilometres from well to refining/transfer location; - the number of transportation kilometres from refining/transfer location to selling

point on the basis of average CO2 equivalents per unit of energy; (c) Conversion/refining, including:

- the amount of energy used in the conversion/refining process per unit of energy; - the amount of CO2 equivalents emitted per unit of energy;

(d) Final product:

- the carbon content per unit of energy.

1

The Norwegian University of Science and Technology

TEP4223 - Final Exam

For candidates taking:

TEP4223 Life Cycle Assessment and Eco-Efficiency Date: 15th December 2008

Time: 9:00-13:00

Academic Supervisor: Anders Hammer Strmman

Office: 73 59 89 48 Mobile: 91 89 79 93

Instructions:

The exam represents 60% of the overall grade. Dictionary is allowed

Only approved calculators are allowed

Pages 1-4 English Pages 5-8 Norsk

2

Problem 1 Basic Algebra (10p) a) 2p) Define the basic production balance. Name the variables, state dimensions and

interpret the terms in the equation. b) 2p) Interpret the coefficients of the requirements matrix

a. aij b. aii

c) 2p) Rearrange and solve for the Leontief inverse. d) 2p) Interpret the coefficients of the Leontief inverse

a. lij b. lii

e) 2p) In which cases will the coefficient a. lii = 1 b. lii > 1

Problem 2 Life Cycle Inventory Modeling (20p) You have been asked by the company Eco-travel to assess the environmental impacts associated with their new North Pole adventure trip. In this package they offer tourists a last chance to visit the North Pole before it melts. The trips are undertaken during the harshest part of the winter season when the polar ice cap is still solid. The tourists embark by plane that carries 48 people from Troms to the North Pole. The plane is a brand new cargo airplane with a specially modified undercarriage for tough snow and ice landings. This undercarriage must be replaced every 500th landing. The plane has an expected life time of 7500 hours. The inputs required from the background system for the construction of the un-modified airplane are given by the vector a_pc. The inputs for the modification of the undercarriage of the airplane are given in the vector a_unc. Operation of the airplane per round trip is given by the vector a_aop (this includes fuel required for Troms-North Pole-Troms). The distance from Troms to the North Pole is 2250 km. Assume an average cruise speed of 450 km/hr. The tourist season at the pole lasts 30 days. During the season the cargo plane makes two flights with fuel supplies. Each flight carries 7000 kg of the supply. Food supplies are brought in together with the passengers. The requirements of food from the background system are given by the vector a_food. The North Pole eco-resort consists of 30 custom made aluminium igloos. The igloos accommodate 48 tourists and 12 staff. These igloos have an expected lifetime of 5 yrs. The requirements from the background system for the construction of one igloo are given in the vector a_igloo. These have also been flown in by the cargo plane. One igloo completely fills the cargo hull of the plane, so the plane has to take one round trip per igloo at the beginning and the end of the season. Heating and electricity for the whole facility uses 300 kg of fuel every day. At the North Pole, a landing strip is prepared at the beginning of the season by a full track vehicle (FTV) this requires 48 hours of FTV operation. Each day the FTV spends 2 hours maintaining the landing strip. The construction of the FTV is given by the vector a_fc. The FTV is also used for 3 hour excursions for the tourists each day except arrival and departure day. The operation per hour of the FTV requires 20 kg fuel. The FTV is also flown in by the cargo plane. Each stay is 5 days.

3

You are to analyze the impacts per visitor for a five day period.

a) 10p) Draw a flow chart of the foreground system including the values of the process requirements.

b) 5p) Set up the matrix for the foreground system Af, and Abf. c) 5p) Define units of each column in the A matrix.

Problem 3 Contribution Analysis (24p) Assume that the requirements and stressor matrix and functional for a system is known. For a given functional unit

a) 2p) show analytically how to calculate the total stressors generated. b) 2p) show analytically how to calculate the stressors emitted directly by the process

delivering the functional unit. c) 2p) show analytically how to calculate what percentages of the total stressors are

generated by the individual processes. d) 3p) Define a matrix with foreground system and a background system. Define and

explain the various sub-matrices. e) 4p) Discuss the modelling choices related the Afb matrix. f) 2p) Assume no requirements of foreground processes by the background system.

Show analytically how to calculate the stressors induced in the background system by each foreground process.

g) 2p) Provide a Taylor series representation of the Leontief inverse. h) 1p) Define the convergence criteria for the series. i) 3p) Explain how a Taylor series representation of the Leontief inverse can be of use in

contribution analysis. j) 3p) For the case in d), assume no requirements of foreground processes by the

background system. For a given demand placed upon the foreground system, yf, determine analytically, as a function of yf, the stressors generated in the foreground and background system at the second tier.

Problem 4 Allocation (20p) You have been asked to assess a power plant which will be built next to a refinery. The purpose of the power plant is to produce electricity to the refinery and to the grid. In addition the plant shall deliver heat to the refinery. The plant is a combined heat and power plant with CO2 capture. The method for CO2 capture is what is known as pre-combustion-capture. That means that the CO2 is captured before the fuel is burnt. This is done by producing Hydrogen and burning this in the power plant rather than natural gas. This technology is chosen because some of the produced hydrogen can be sent to the refinery instead of being used to produce electricity and heat. Hydrogen is used to remove sulphur, which causes SO2 emissions, from the gasoline produced there. In simple words, the power plant has three products: Electricity, Heat and Hydrogen. These are produced in the following ratios: 2100 GWh/yr of Electricity, 950 GWh/yr of Heat and 1050 GWh/yr of Hydrogen. The total emission from this production is 80kton of CO2-eq. These products are priced as follows. 200 NOK/MWh electricity, 120 NOK/Mwh of heat and 175 NOK/MWh of Hydrogen.

a) 4p) Apply partitioning on economic basis to determine the impacts per MWh. b) 4p) Apply partitioning on energy basis to determine the impacts per MWh for the

different products.

4

Alternate methods for production of the individual products can be performed with the following GWP impacts. Electricity from natural gas power plant without CO2 capture, 220 kg CO2-eq / MWh: Heat from oil, 290 kg CO2-eq / MWh.

c) 4p) Calculate the emission intensity of hydrogen (kg CO2 per MWh) using the substitution approach.

d) 8p) Discuss potential issues associated with using the substitution approach.

Problem 5 Recycling (18p) a) Define a generalized closed loop model for recycling with the following nodes - Virgin material production - Recycled material production - Production/manufacturing - Product use - Waste collection. Introduce appropriate variables for material losses and ratio for virgin vs. recycled material.

a. 3p) Provide a flow-sheet illustration with labels and nomenclature b. 2p) Establish the A matrix for this system.

b) 4p) Interpret the Leontief inverse of the A matrix established above and provide a rationale for a one directional model for recycling.

c) Then, develop a one directional model for recycling a. 3p) Provide a flow-sheet illustration with labels and nomenclature b. 2p) Establish the A matrix for this system.

d) 4p) Discuss where to break the circle. Use a car as an example.

Problem 6 Impact assessment (8p) a) 4p) Define the model used for the Human Toxicity indicator in the CML indicator set.

Define and provide nomenclature for the different variables. Explain conceptually what type of modelling must be undertaken. Provide an illustration to explain interaction between modelling and indicator calculations.

b) 4p) With outset in your knowledge of impact assessment methods, discuss uncertainty in LCA.

5

Norges Teknisk- Naturvitenskaplige Universitet

TEP4223 - Eksamen

For studenter som tar:

TEP4223 LCA og koeffektivitet Dato: 15. desember 2008 Klokkeslett: 9:00-13:00

Faglig ansvarlig:

Anders Hammer Strmman Kontor: 73 59 89 48 Mobil: 91 89 79 93

Instrukser:

Eksamen representerer 60% av den endelige karakteren. Ordbok er tillatt.

Bare godkjente kalkulatorer er tillatt.

Side 1-4 English Side 5-8 Norsk

6

Oppgave 1 Grunnleggende algebra (10p) a) 2p) Definer den grunnleggende produksjonsbalansen. Navngi variabler, angi

dimensjoner og forklar de ulike leddene i ligningen. b) 2p) Forklar koeffisientene i behovsmatrisen:

a. aij b. aii

c) 2p) Ls ligningen for den inverse Leontiefmatrisen. d) 2p) Forklar koeffisientene til den inverse Leontiefmatrisen:

a. lij b. lii

e) 2p) I hvilket tilfelle vil koeffisienten a. lii = 1 b. lii > 1

Oppgave 2 Modellering av Livssyklusinnhold (20p) Du har ftt i oppdrag av bedriften Eco-travel beregne miljpvirkningene knyttet til deres nye eventyrreise til Nordpolen. I denne pakken s tilbyr de turister en siste sjanse for beske Nordpolen fr den smelter. Turene vil bli arrangert under den hardeste delen av vintersesongen, nr isen er solid. Turistene blir fraktet til fra Troms til Nordpolen med et fly som har plass til 48 personer. Flyet er et helt nytt fraktefly med spesialtilpasset landingsstell for harde landinger p sn og is. Dette understellet m skiftes ut etter hver 500de landing. Flyet har en forventet levetid p 7500 timer. Varer og tjenester som trengs for konstruksjon av det ikke-modifieserte flyet er gitt ved vektoren a_fk. Varer og tjenester som som trengs for modifisering av flyets understell er gitt ved vektoren a_unk. Bruk av flyet per tur-retur er gitt ved vektoren a_fb (dette inkluderer bruk av drivstoff). Distansen Troms-Nordpoen er ca. 2250 km. Anta en gjennomsnittlig marsjhastighet p 450 km/t. Turistsesongen varer i 30 dager. I lpet av sesongen flyr flyet inn to drivstofforsyninger p 7000kg. Matforsyninger blir fraktet inn sammen med passasjerene. Behovet for mat, fra bakgrunnsystemet, per opphold er gitt i vektoren a_mat. ko-feriestedet p Nordpolen bestr av 30 spesiallagede igloer av aluminium. Igloene gir husly til 48 turister og 12 personale. Disse igloene har en forventet levetid p 5 r. Behovene for konstruksjon av en iglo er gitt ved vektoren a_iglo. Igloene blir ogs fraktet til Nordpolen med flyet. Flyet har plass til bare en iglo, slik at flyet m fly en reise tur-retur for hver iglo i begynnelsen og slutten av hver sesong. For generere varme og elektrisitet for hele anlegget brukes det 300kg drivstoff hver dag. I starten av hver sesong lages en landingsstripe p Nordpolen. Til dette brukes et beltekjrety, som til sammen bruker 48 timer p prosessen. Hver dag brukes beltekjretyet i 2 timer til vedlikehold av landingsstripen. Konstruksjonen av beltekjretyet er gitt ved vektoren a_bkk. Beltekjretyet brukes ogs for en 3 timers ekskursjon hver dag, bortsett fra ankomstdag og avreisedag. Ved bruk forbruker beltekjretyet 20 kg drivstoff per time. Beltekjretyet blir fraktet til Nordpolen med en flygning med frakteflyet. Hvert opphold varer i 5 dager.

7

Du skal analysere miljpvirkninger per beskende for et opphold p fem dager. a) 10p) Tegn et prosessdiagram av forgrunnsystemet og inkluder verdiene for interne

behov mellom forgrunnsprosessene. b) 5p) Sett opp matrisen for forgrunnsystemet Af og Abf c) 5p) Angi enhetene for hver kolonne i A-matrisen.

Oppgave 3- Kontribusjonsanalyse (24p) Anta at behov- og utslippsmatrise, samt funksjonell enhet for et system er kjent. For en gitt funksjonell enhet

a) 2p) vis analytisk hvordan man kalkulerer totalt genererte utslipp. b) 2p) vi analytisk hvordan man kalkulerer utslippene direkte fra prosessen som

ettersprres direkte av den funksjonelle enheten. c) 2p) vis analytisk hvordan man kalkulerer hvilken prosentandel av de totale utslippene

som er generert av de ulike individuelle prosessene. d) 3p) Definer en matrise med et forgrunnsystem og et bakgrunnsystem. Definer og

forklar de forskjellige delmatrisene. e) 4p) Diskuter de ulike modelleringsvalgene forbundet med Afb-matrisen. f) 2p) Anta at det er ingen behov fra forgrunnsystemet til bakgrunnsystemet. Vis

analytisk hvordan man kan kalkulere utslippene som er blitt generert i bakgrunnsystemet fordelt p hver forgunnprosess.

g) 2p) Vis en Taylor-rekkeutvikling av den inverse Leontiefmatrisen. h) 1p) Definer konvergenskriteriet for rekken. i) 3p) Forklar hvordan en Taylor-rekkeutvikling av den inverse Leontiefmatrisen kan bli

brukt i bidragsanalyse. j) 3p) For tilfellet i d), anta at det er ingen behov fra forgrunnsystemet til

bakgrunnsystemet. For en gitt ettersprsel for forgrunnsystemet, yf: avgjr analytisk, som en funksjon av yf, utslippene generert i forgrunnsystemet og bakgrunsystemet i det andre produksjons laget (tier).

Oppgave 4 Allokering (20p) Du har ftt i oppdrag vurdere et kraftverk som vil bli bygget ved siden av et raffineri. Meningen med kraftverket er produsere elektrisitet til raffineriet og til strmnettet. I tillegg skal kraftverket levere varme til raffineriet. Kraftverket er et kombinert varme- og kraftverk med CO2-fangst. Metoden for CO2-fangst er kjent som fr-forbrennings-fangst. Her blir CO2 fanget fr brenslet blir brent. Dette blir gjort ved frst produsere hydrogen for s brenne dette i kraftverket i stedet for naturgass. Denne teknologien er valgt fordi noe av det hydrogenet som blir produsert kan bli levert til raffineriet i stedet for bli brukt til produsere elektrisitet og varme. Hydrogen blir brukt til fjerne svovel, som danner SO2-utslipp fra bensinen som blir produsert der. Med andre ord; kraftverket har tre produkter: Elektrisitet, varme og hydrogen. Disse blir produsert i flgende forhold: 2100 GWh/r elektrisitet, 950 GWh/r varme, og 1050 GWh/r hydrogen. Det totale utslippet generert ved denne produksjonen er 80kt CO2-ekvivalenter. Produktene har flgende pris: 200 NOK/MWh elektrisitet, 120 NOK/MWh varme, og 175 NOK/MWh hydrogen.

a) 4p) Bruk allokering ved partisjonering p konomisk grunnlag for bestemme miljinnvirkning per MWh for de forskjellige produktene.

8

b) 4p) Bruk fordeling basert p energi for bestemme miljpvirkningene per MWh. Alternative metoder for produksjon av de forskjellige produktene kan bli tatt i bruk med flgene GWP pvirkning: Elektrisitet fra et naturgasskraftverk uten CO2-fangst med 220 kg CO2-ekvivalenter/MWh. Varme fra oljebasert varmekraftverk med utslipp p 290 kg CO2-ekvivalenter/MWh.

c) 4p) Regn ut utslippsintensiteten til hydrogen (kg CO2-ekvivalenter/MWh) ved bruk av substitusjonsmetoden.

d) 8p) Diskuter potensielle sprsml knyttet til bruk av substitusjonsmetoden.

Oppgave 5 Resirkulering (18p) a) Definer en generalisert lukket lkkemodell for resirkulering med flgende noder: Produksjon av ubrukt material Produksjon av resirkulert material Produksjon/fabrikasjon Bruk av produktet Avfallsinnsamling Introduser variabler for tap av materiale og forhold for ubrukt versus resirkulert materiale.

a. 3p) Tegn et flytskjema med merking og nomenklatur. b. 2p) Etabler A-matrisen for dette systemet.

b) 4p) Tolk den inverse Leontief matrisen fra A-matrisen etablert ovenfor og gi en forklaring for bruk av en enveismodell for resirkulering.

c) Lag en enveismodell for resirkulering a. 3p) Tegn et flytskjema med merking og nomenklatur. b. 2p) Etabler A-matrisen for dette systemet

d) 4p) Diskuter hvor br man bryte sirkelen? Bruk en bil som et eksempel.

Oppgave 6 Konsekvensanalyse (8p) a) 4p) Definer modellen som blir brukt for Human Toxicity indikatoren i CML

indikatorsettet. Definer og gi nomenklatur for de forskjellige variablene. Forklar konseptuelt hvilken type modellering som m foretas. Gi en illustrasjon for forklare interaksjonen mellom modellering og indikatorkalkulasjoner

b) 4p) Med utgangspunkt i din kunnskap om konsekvensanalysemetoder, diskuter usikkerhet i LCA.

1

The Norwegian University of Science and Technology

TEP4223 - Final Exam

For candidates taking:

TEP4223 Life Cycle Assessment and Eco-Efficiency Date: 8th of August 2009

Time: 9:00-13:00

Academic Supervisor: Anders Hammer Strmman

Mobile: 91 89 79 93

Instructions: The exam represents 60% of the overall grade.

Dictionary is allowed Only approved calculators are allowed

Pages 1-4 English Pages 5-8 Norsk

2

Problem 1 Basic Algebra (10p) a) 2p) Define the basic production balance. Name the variables, state dimensions and

interpret the terms in the equation. b) 2p) Interpret the coefficients of the requirements matrix

a. aij b. aii

c) 2p) Rearrange and solve for the Leontief inverse. d) 2p) provide an interpretation of the coefficients of the Leontief inverse

a. lij b. lii

e) 2p) Explain how the presence of feedback loops influence the value of ljj

Problem 2 Life Cycle Inventory Modeling (15p) The company Carbon Neutral Travel (CNT) provides services that include estimation of carbon emissions from travel and facilitating purchase of emission quotas to offset these. The company has just been approached by the company Hurtigruten in Norway. They sell Cruise vacations on ships sailing along the Norwegian coast. They now want to offer carbon neutral travel for their customers. They request a concept which provides full carbon neutrality. This naturally includes emissions associated with transport, but also the emissions from the food, excursions, etc. That is, the full life cycle emissions of the travel service provided. As a member of the staff of CNT, you are assigned to assess the emissions from the trip with Hurtigruten from Bergen to Kirkenes and back to Bergen. The functional unit is CO2 emissions per person, per round trip. The overall length of the trip is A km. The duration of the trip is B days. The fuel consumption is C kg/km and the carbon emission intensity of the fuel is D kg CO2/kg fuel. The ship handles E passengers and requires a crew of F persons. The ship travels G km/yr and has an expected life time of H yrs. The trip has 4 excursions by bus which in total accumulates to I km driven. The busses has a fuel consumption of J kg/km and the carbon emission intensity of the fuel is K kg CO2/kg fuel. Each bus carries L passengers including driver and guide. The busses travels M km/yr and has an expected life time of N yrs. Each passenger has a full pension (all meals included). The total amount of food required for the whole round trip is O kg of fish, P kg meat, Q of potatoes and vegetables, and R kg of bakery products and S kg of beverages.

a) 6p) Draw a flow chart of the foreground system including the values of the process

requirements. b) 8p) Set up the Aff matrix and indicate the Abf matrix and define the units for the

columns in the foreground system. Add processes you feel are required.

Problem 3 Contribution Analysis (18p) Assume that the requirements and matrix and functional unit for a system are known.

a) 2p) Define the stressor matrix. List dimensions and interpret coefficients.

3

b) 2p) Define the characterization matrix. List dimensions and interpret coefficients. c) 2p) Show analytically how to calculate the total impacts caused by the functional unit. d) 2p) Show analytically how to calculate the impacts broken down on contributing

processes for a given functional unit. e) 2p) Show analytically how to calculate the impacts broken down on contributing

stressors for a given functional unit. f) 2p) Show analytically how to calculate the output in tier 3 of a taylor series expansion

of the inverse. g) 2p) Define the error caused by only assessing impacts up until tier 3. h) 4p) Show how to calculate the impacts upstream of each process in tier 3. That is,

what are the impacts caused upstream by each process in tier 3.

Problem 4 Process and Hybrid LCA (25p)

a) 5p) List some of the most used process based LCI databases. Provide some insight into the pros and cons of these databases. Also comment on their structure.

b) 5p) Discuss the differences between input-output and process based LCI data and provide motivation for Hybrid LCA methods.

c) 3p) Provide a formal description of the tiered hybrid approach d) 3p) Provide a formal description of the IO-based hybrid approach e) 4p) Provide a formal description of the integrated hybrid approach. f) 5p) Discuss the utility of the three different methods

Problem 5 Transportation (16 p) a) Explain the three different approaches we have investigated for modelling

transportation processes in LCA. Draw flowcharts and define matrices. a. 4p) Approach A b. 4p) Approach B c. 4p) Approach C

b) 4p) Discuss the utility of the different approaches.

Problem 6 LCA results and findings (16p) a) 6p) Electricity: Provide key LCA results on GWP per kWh for several electricity

generation technologies. Give average numbers or ranges. b) 8 p) Transportation: State assumptions you make.

a. 2p) What is the GWP per km for a conventional gasoline car today. b. 2p) What is the % breakdown of GWP onto different life cycle stages, fuel

production, car operation and car production. c. 2p) What is the % breakdown of AP onto different life cycle stages, fuel

production, car operation and car production. d. 4p) Discuss briefly how these findings are of importance for policies aiming at

the development of sustainable road transport.

Norges Teknisk- Naturvitenskaplige Universitet

TEP4223 - Eksamen

For studenter som tar:

TEP4223 LCA og koeffektivitet Dato: 8. august 2009

Klokkeslett: 9:00-13:00

Faglig ansvarlig: Anders Hammer Strmman

Mobil: 91 89 79 93

Instrukser: Eksamen representerer 60% av den endelige karakteren.

Ordbok er tillatt. Bare godkjente kalkulatorer er tillatt.

Side 1-4 English Side 5-8 Norsk

Problem 1 Grunnleggende Algebra (10p)

a) 2p) Definer den grunnleggende produksjonsbalansen. Navngi variabler, angi dimensjoner og forklar de ulike leddene.

b) 2p) Forklar koeffisientene i behovsmatrisen. a. aij b. aii

c) 2p) Ls ligningen for den inverse Leontiefmatrisen. d) 2p) Fortolk koeffisientene til den inverse Leontiefmatrisen

a. lij b. lii

e) 2p) Forklar hvordan tilstedevrelsen av tilbakekoblingslkker pvirker verdien av lji.

Problem 2 Livssyklusmodellering (15p) Bedriften Carbon Neutral Travel (CNT) tilbyr tjenester som inkluderer estimering av karbonutslipp i forbindelse med reise, og forenkler kjp av utslippskvoter for kompensere for disse. Bedriften har nylig blitt kontaktet av firmaet Hurtigruten i Norge. De selger cruiseferier p skip som seiler langs Norskekysten. De vil n tilby karbonnytrale reiser for sine kunder. De har etterspurt et konsept som tilbyr full karbonnytralitet. Dette inkluderer ikke bare utslipp knyttet til transport, men ogs utslipp fra mat, ekskursjoner, osv. Alts, alle livssyklusutslipp knyttet til reisen. Som ansatt i CNT er du satt til ansl utslippene fra turen med Hurtigruten fra Bergen til Kirkenes og tilbake igjen. Den funksjonelle enheten er CO2-utslipp per person, per rundreise. Lengden p hver tur er p A km. Varigheten for hver tur er p B dager. Drivstofforbruket er p C kg/km, og intensiteten p karbonutslippet til drivstoffet er D kg CO2/kg drivstoff. Skipet har en kapasitet p E passasjerer og trenger ett mannskap p F personer. Skipet reiser G km/r og har en forventet levetid p H r. Reisen har 4 ekskursjoner med buss, og det kjres totalt I km med buss samlet sett. Bussene har et drivstofforbruk p J kg/km og intensiteten p karbonutslippet til drivstoffet er K kg CO2/kg drivstoff. Hver buss har en kapasitet p L passasjerer, inkludert frer og guide. Bussen kjrer M km/r og har en forventet levetid p N r. Hver passasjer har full servering (all mltider inkludert). Den totale mengden mat som trengs for en hel rundreise er O kg fisk, P kg kjtt, Q kg poteter og grnnsaker, R kg bakeriprodukter og S kg drikkevarer.

a) 6 p) Tegn et flytskjema av forgrunnssystemet, inkludert verdiene for behovene til prosessene.

b) 8 p) Sett opp Aff og Sf matrisen, indiker Abf-matrisen og definer enhetene for kolonnene i forgrunnsystemet. Legg til prosesser du mener det er behov for.

c) Problem 3 Kontribusjonsanalyse (18p) Anta at behovsmatrisen, og den funksjonelle enheten for et system er kjent.

a) 2p) Definer utslippmatrisen. Gi dimensjoner og forklar koeffisienter.

b) 2p) Definer karakteriseringsmatrisen. Gi dimensjoner og forklar koeffisienter. c) 2p) Vis analytisk hvordan man kan beregne de totale indikatorverdiene forrsaket

av en gitt funksjonell enheten. d) 2p) Vis analytisk hvordan man, for en gitt funksjonell enhet, kan beregne bidraget

til de totale indikatorverdiene fra ulike prosesser. e) 2p) Vis analytisk hvordan man, for en gitt funksjonell enhet, kan beregne bidraget

til de totale indikatorverdiene fra ulike utslipp. f) 2p) Vis analytisk hvordan man kan kalkulere produksjon til og med lag (tier) 3 av

en Taylorrekkeekspansjon av den inverse Leontiefmatrisen. g) 2p) Definer et utrykk for feilen ved bare beregne miljindikatorverdier opp til og

med lag 3? h) 4p) Vis hvordan man kan beregne pvrikninger oppstrms av hver prosess i lag 3.

Alts, hva er pvirkningene forrsaket oppstrms av hver prosess i lag 3?

Problem 4 Prosess og Hybrid LCA (25p)

a) 5p) Nevn noen av de mest brukte prosessbasert LCI databasene. Hva er fordelene og ulempene med de forskjellige databasene? Kommenter deres struktur.

b) 5p) Diskuter forskjellene mellom krysslps- og prosessbasert LCI-data. Hva er fordelene med bruke Hybrid LCA metoder?

c) 3p) Gi en formell beskrivelse av den lagvise (tiered) hybridmetoden. d) 3p) Gi en formell beskrivelse av den krysslpsbaserte hybridmetoden. e) 4p) Gi en formell beskrivelse av den integrerte hybridmetoden. f) 5p) Diskuter nytteverdien av de tre forskjellige metodene.

Problem 5 Transport (16p)

a) Forklar de tre forskjellige fremgangsmtene vi har sett p for modellering av transportprosesser I LCA. Tegn flytskjema og definer matriser.

a. 4p) Fremgangsmte A b. 4p) Fremgangsmte B c. 4p) Fremgangsmte C

b) Diskuter nytteverdien av de forskjellige metodene.

Problem 6 LCA resultater (16p)

a) 6p) Elektrisitet: Gi LCA-resultater for GWP per kWh for ulike teknologier for elektrisitetsgenererings. Gi gjennomsnittsverdier og eller minimum og maksimum tall.

b) 8p) Transport: Gi strrelse og type av bilen du rapporterte tall for a. 2p) Hva er GWP per km for en vanlig bensinbil i dag? b. 2p) Hva er den prosentvise fordelingen av GWP i de forskjellige

livssyklusstadiene for drivstoffproduksjon, bruk av bil, og bilproduksjon? c. 2p) Hva er den prosentvise fordelingen av AP i de forskjellige

livssyklusstadiene drivstoffproduksjon, bruk av bil, og bilproduksjon?

d. 4p) Diskuter kort hvorfor disse resultatene er viktige for virkemiddelutforming rettet mot utvikling av brekraftig transport.