|
Miljørigtig udvikling i produktfamilier 7 Ekspansionsventiler7.1 Introduktion til produktfamilienHvorfor interessere sig for det miljømæssige aspekt ved ekspansionsventiler? Ekspansionsventilens funktion er at regulere indsprøjtningen af kølemiddel i fordamperen i et kølesystem. Præcisionen hvormed dette sker er bestemmende for kølesystemets samlede energiforbrug. Ekspansionsventiler anvendes bl.a. i større industrielle køleanlæg og kølediske i supermarkeder.
Figur 7.1
Figur 7.2 Inden for sektoren "Handel og privat service" i Danmark udgør køling 28% af det samlede elforbrug Disse forskellige kølesystemer bruger en betragtelig mængde energi, og er dermed indirekte "ansvarlig" for den miljøpåvirkning produktionen af elektricitet udløser. 7.2 Det undersøgte produktI miljøvurderingen er undersøgt et specifikt produkt nemlig en ekspansionsventil typebetegnelse TE55, der er udviklet - og produceret af Danfoss A/S.
Figur 7.3 Denne (TE55) er en "traditionel" ekspansionsventil, der er forsynet med en mekanisk føler. Der arbejdes på at udvikle en ekspansionsventil med en ny elektronisk føler (ETE), der kan regulere kølesystemet med en større præcision.
Figur 7.4 Produktet er dimensioneret til en levetid på 10 år, hvilket også svarer nogenlunde til den levetid selve kølesystemet normalt har. 7.3 Produktets familieDet er nødvendigt at tage udgangspunkt i et specifikt produkt, for at kunne gennemføre en miljøvurdering. Men selvom miljøvurderingen er baseret på en bestemt ekspansionsventil, er konklusionerne bredt anvendelige og gælder i almindelighed for en række produkter inden for produktfamilien. På grundlag af den detaljerede miljøvurdering af den termostatiske ekspansionsventil TE55, er der gennemført en miljøvurdering med et bredere sigte på beslægtede produkter inden for produktfamilien "kontrol-ventiler". Denne gruppe omfatter afspærringsventiler (simpel åbne/lukke funktion), sikkerhedsventiler, forskellige automatiske ventiler til styring af tryk og temperatur etc. Anvendelser kunne være:
7.4 Produktets tekniske specifikationerFormål med og krav til ekspansionsventilen Ventilens funktion er at regulere indsprøjtningen af kølemiddel i fordamperen i et kølesystem. Disse kølesystemer kan være større industrielle køleanlæg, kølediske i supermarkeder og lign. Dette omfatter blandt andet at styre anlægget så energiforbruget reduceres mest muligt. Den valgte ventil har Danfoss’ typebetegnelse TE55, som er dimensioneret til en levetid på 10 år, hvilket også svarer nogenlunde til den levetid selve kølesystemet normalt har. Der fremstilles også ekspansionsventiler i forskellige størrelser og varianter, der dækker systemer i området fra 0,5 kW til 2 MW (Danfoss, 1996).
Figur 7.4 Betydningen af reguleringen af et kølesystem Som nævnt er ekspansionsventilens funktion at regulere driften af kølesystemet. Jo bedre denne ventil fungerer, jo tættere kan man komme mod en teoretisk optimal drift. Det betyder, at den samme "køleydelse" kan opnås med et mindre energiforbrug og på længere sigt også med et mindre køleanlæg. En mere optimal regulering kan opnås ved at anvende en elektronisk reguleret ventil. En ventil med elektronisk føler kan regulere kølesystemet bedre (reducere overhedning samt kondesatortryk) og derved reducere energiforbruget. Den forbedrede funktion giver sig udslag i forbedret "Coefficient Of Performance" (COP). COP er en direkte salgsparameter for kunden, idet den angiver hvor mange kW køleeffekt der opnås pr. kW optaget anlægseffekt. Denne type ventil byder også på forbedret funktion som følge af flere frihedsgrader grundet den elektroniske styring, som det ikke er muligt at opnå med den mekaniske selvvirkende reguleringsventil. Dette betyder f.eks.:
7.5 MiljøvurderingenMiljøvurderingen af ventilen omfatter materialer, fremstillingsprocesser, brug, bortskaffelse og transport, hjælpestoffer samt energifremstilling. Forbrug og udledninger i forbindelse med administration, udvikling, opvarmning, kantine etc. er ikke taget med. Fremstilling af produktionsudstyret og emballage er heller ikke taget med. Det produktsystem som primært er miljøvurderet, er afgrænset til selve ventilen uden energiforbruget af det kølesystem, som ventilen fungerer i. Imidlertid reducerer ventilen med elektronisk styring (ETE), energiforbruget i kølesystemet ganske betydeligt. Derfor er der efterfølgende gennemregnet scenarier, hvor denne energibesparelse er inkluderet. Det er væsentligt, også at beskrive et produktsystem, som er udvidet til at omfatte denne energibesparelse, når dette nye produkt skal sammenlignes med reference produktet. Der er primært anvendt data, som er tilgængelige i den til UMIP PC værktøjets database, men også specifikke data fra Danfoss A/S’ produktion på fabrikken i Nordborg. For nogle elektroniske komponenter er der anvendt standard data for materialesammensætningen indsamlet af Danfoss Drives A/S. Hvor det har været nødvendigt, er der tilføjet nye enhedsprocesser til UMIP PC værktøjet. 7.6 Ekspansionsventilens miljøbelastningMiljøvurderingen er foretaget efter UMIP-metoden, hvor miljøbelastningen vurderes i forhold til en række forskellige miljøeffekttyper, jf. kapitel 5. Resultaterne er vægtet på baggrund af de politiske målsætninger for de enkelte miljøeffekttyper, således at de illustrerer, hvor alvorlig en miljøeffekt og dens mulige konsekvenser vurderes at være i forhold til andre miljøeffekter. Figur 7.5 De vægtede miljøeffektpotentialer for selve ventilen med mekanisk føler fremgår af figur 7.5. Det ses, at materialefase og produktionsfase er dominerende og især miljøeffekterne Økotoksicitet, Persistent toksicitet og Farligt affald. Bidraget fra bortskaffelsen er mindre og transportfasen kan knapt anes. Figur 7.6 De vægtede ressourceforbrug er i figuren vist samlet for livsforløbet, og altså ikke fase opdelt. Ressourceforbruget domineres alt overvejende af materialefasen. Også selvom der i beregningsmodellen er taget højde for genvinding af f.eks. kobber. Det er materialefasens forbrug af messing, der slår igennem på de sparsomme ressourcer kobber, zink og bly. Nikkel stammer fra rustfrit stål og overfladebehandlingen. Sølv, der anvendes i lodderinge og i mindre omfang i elektronik er også synlig. Energiforbruget i det samlede kølesystem Energiforbruget i et udvidede system, der også omfatter kølesystemets energiforbrug, udgør klart den største påvirkning af samtlige miljøeffekter. Ekspansionsventilens pålidelighed er derfor også af meget stor betydning. Det fremgår af resultaterne af miljøvurderingen, at energiforbruget af det kølesystem, som ventilen er en del af, vejer meget tungt både mht. miljøeffektpotentialer og ressourceforbrug. Det ses af figur 7.7 og figur 7.8, hvor systemet er udvidet til også at omfatte den del af kølesystemets energiforbrug, der direkte er knyttet til driften. Brugsfasen, der indeholder kølesystemets energiforbrug, ligger flere størrelseordener over de andre faser, som derfor slet ikke er synlige i diagrammet. Figur 7.7 Figur 7.8 7.7 HOT SPOTSVentilen som en del af et større system Ekspansionsventilen fungerer som en integreret del af et større system (køleanlægget). Den gennemførte miljøvurdering har afdækket det forhold, at miljøpåvirkningerne fra det samlede system er langt større end miljøbelastningen fra selve ekspansionsventilen. Et meget væsentligt bidrag til reduktion af miljøbelastningen består derfor i at sikre at termostatventilen fungerer optimalt, og dermed medvirker til så stor en energibesparelse som mulig. Miljøbelastningen fra den regulerende ventils livscyklus, vil altså blive overgået mange gange af den besparelse selv en beskeden forbedret funktion vil kunne udløse. Sparsomme ressourcer I den elektronisk regulerede ventil udgør sølv det største vægtede ressourceforbrug, selv om det kun indgår i produktet med ca. 1‰. Dette skyldes kun i marginalt omfang anvendelsen af elektronik. Det er anvendelsen af flere sølvholdige lodderinge i den vurderede konstruktion, der slår igennem på det vægtede ressourceforbrug. Overfladebehandling Forniklingen er den mest belastende af de anvendte produktionsprocesser. Det er især effektkategorierne økotoksicitet, persistent toksicitet og farligt affald, der dominerer. Kilden til dette er udledningen af tungmetaller til vandmiljøet i forbindelse med overfladebehandlingen. Det er værd at bemærke, at dette slår så hårdt igennem på trods af, at der er tale om velfungerende overfladebehandlingsanlæg og et moderne og miljøgodkendt renseanlæg. 7.8 Hvordan kan miljøbelastningen nedsættesVurdering af det samlede system Som tidligere nævnt er miljøpåvirkningerne fra det samlede system, som ventilen er en integreret del af, er langt større end miljøbelastningen fra selve ekspansionsventilen. Dette vil også gælde for en lang række andre "kontrolventiler", der administrerer forbrug af energi eller andre ressourcer. Et meget væsentligt bidrag til reduktion af miljøbelastningen består derfor i at sikre, at ventilen fungerer optimalt, og dermed medvirker til så stor en energibesparelse i det samlede system, som muligt. På grundlag af overvejelser om ventilernes karakteristika i brugsfasen, kan man opdele produkterne i 4 kategorier, som det fremgår af det følgende. Tabel 7.1
Energibalance Man kan nu udføre en miljøvurdering af en "kontrolventil" ved simpelthen at opstille en "energibalance" for den brugssituation, der er relevant for et aktuelt produkt. For produkter, der har indflydelse på energioptimering kan man gøre sig nogle overvejelser over, hvilken betydning kontrolventilen har for systemets energiforbrug og holde dette op mod et kendt reference scenario. Der vil selvfølgelig også være situationer, hvor den energibesparelse en forbedring af ventilens funktion vil udløse, ikke kan opveje den øgede belastning fra ventilens livscyklus. Udover at vurdere energiforbruget under den almindelige drift, kan det også være relevant at vurdere, om eventuelle funktionsfejl på ventilen vil kunne udløse et øget energiforbrug. Dette kan være fuldstændigt nedbræk, eller det at en ventil er ude af justering og derved regulerer mindre optimalt. Selve ventilen Det er meget vigtigt, at have forholdet mellem miljøbelastningerne fra det samlede system og selve ventilen for øje, når man under produktudviklingen indfører ændringer begrundet i miljøforhold eller af andre årsager. Men det skal selvfølgelig ikke afholde produktudvikleren fra at fokusere på de forbedringspotentialer, der direkte relaterer til ventilen. De væsentligste miljøforbedringspotentialer ligger inden for følgende områder: Materialevalg Der ligger en forbedringsmulighed i at vælge et materiale, der er mindre miljøbelastende, og som er baseret på ressourcer, der er mere rigelige. Det skal bemærkes, at et andet materialevalg i nogle tilfælde kan muliggøre et andet konstruktionsprincip, der udløser en materialebesparelse. For nogle ekspansionsventiler, hvor man har skiftet basismateriale fra messing til rustfrit stål, har det således samtidigt været muligt at opnå en materialebesparelse. Det er særligt vigtigt at være opmærksom på, at de helt sparsomme ressourcer som f.eks. sølv og guld kan slå ret hårdt i gennem i miljøvurderingen. Foruden at de er meget sparsomme, skyldes dette også, at de indgår i produktet i små mængder, og derved må formodes at gå tabt, da genvindingen retter sig mod de ressourcer/materialer, der forekommer i størst mængde. Der ligger et miljøforbedringspotentiale i at undgå, at bruge materialer med disse ressourcer. I den elektronisk regulerede ventil udgør sølv det største vægtede ressourceforbrug, selv om det kun indgår i produktet med ca. 1‰. De mest almindelige materialer, man kunne tænke sig at fremstille ventiler af, er nedenstående gradueret således at det første materiale er mest miljøbelastende og det sidste mindst:
Dette udsagn må selvfølgelig tages med det forbehold, at der kan være andre forhold i miljøvurderingen, der gør det miljømæssigt fornuftigt at vælge et mere miljøbelastende materiale. Overfladebehandling Forniklingsprocessen er årsag til væsentlige belastninger, selv hvor der er tale om et velfungerende anlæg med tilhørende miljøgodkendt renseanlæg. Et andet potentiale for miljøforbedring ligger derfor i simpelthen at undgå overfladebehandling og anvende materialer, der ikke kræver overfladebehandling. Et eksempel på dette er, at man i stedet for at fremstille en ventil i forniklet messing, anvender rustfrit stål uden overfladebehandling. For det aktuelle referenceprodukt TE55 bliver den øverste del af ventilhuset nu fremstillet i rustfrit stål, hvorved man undgår brugen af fornikling. Gennemførte forbedringer En ting er, hvad man ud fra rent teoretiske overvejelser kan tænke sig at gennemføre af ændringer. Noget ganske andet er, hvad det rent faktisk har været muligt at gennemføre af ændringer ude i "det virkelige liv", hvor der uophørligt stilles krav om stigende effektivitet, lønsomhed, tilbagebetalingstid m.m. Derfor er det interessant at se på, hvad udviklingsmedarbejdere hos Danfoss A/S har været i stand til at gennemføre af miljømæssige forbedringer. Flere af disse forbedringer udløser også forbedringer af teknisk og økonomisk art. Dette er behandlet i det næste kapitel. 7.9 Forretningsmæssig vurderingSelv meget væsentlige miljøforbedringspotentialer bliver ikke realiseret, med mindre at det forretningsmæssigt hænger sammen. Derfor skal man afklare en række forhold, inden man sætter miljøforbedringerne i søen. Det er nødvendigt at få svar på spørgsmål som:
Gennemførte forbedringer I forbindelse med afviklingen af nærværende projekt, har der parallelt været udviklet videre på de elektronisk regulerede ventiler hos Danfoss A/S. Den elektroniske aktuator (den del af produktet der får ventilen til åbne eller lukke) har nu været igennem en produktmodning og er forbedret på følgende områder:
Potentielle forbedringer Udover de konkret gennemførte forbedringer, er der vurderet forbedringspotentialer, som kan blive aktuelle ved udviklingen af næste generation af produktserien. Dette omfatter bl.a. integration af en "magnetventil funktion" og en forenkling af elektronikken. Kundeopfattelse Markedet for elektroniske ventiler er i øjeblikket i stærk udvikling af følgende årsager:
En række af de opnåede miljøforbedringer opfattes af kunderne som positive. En del af dette skyldes formodentlig, at kunden samtidig opnår en øget funktionalitet og en bedre driftsøkonomi. De rent konstruktionsmæssige ændringer, der er blevet foretaget ses af kunden som en kvalitetsforbedring, idet et mere strømliniet og kompakt design er opnået. Flere montageprocesser spares af kunden, idet ventilen har multifunktionalitet. Bortskaffelses erklæringen godtages idet det er søgt at minimere materialeforbruget. Værdien i at udarbejde en miljøguideline og præsentere kunden for en miljøvurdering og en bortskaffelses erklæring, kan ikke måles i kroner og ører; men det kan være en medvirkende faktor til at blive foretrukket, når kunden skal vælge leverandør. Miljøvurdering som katalysator i udviklingen Når man i et produktudviklingsforløb systematisk "tvinges" til at gennemgå produktets livscyklus, vil det i nogle tilfælde inspirere til at nye ideer opstår, eller at andre forbedringspotentialer, som ikke nødvendigvis behøver at være af miljømæssig karakter, afdækkes. Ved et sådant forløb får man måske mulighed for at se produktet i "et nyt lys" eller fra "en ny vinkel". Det kan i sig selv, eller i kombination med miljøvurderingens fokusering, frembringe nye alternativer. Mht. produktionen vil det ofte være en gevinst at få frasorteret de farlige og miljøbelastende processer. Herved kan investeringsbehovet reduceres – da en del specialudstyr kan undgås. 7.10 Retningslinier og anbefalingerDet kan konkluderes, at en indsats for miljøforbedring især skal koncentrere sig om at nedbringe energiforbruget under drift af det system, som ventilen indgår i, og reducere forbruget af sparsomme ressourcer. Ved flere produkter er det eftervist, at den reelt mest betydende faktor for produktet, er enhedens evne til at reducere et anlægs energiforbrug. Brugen af sparsomme ressourcer skal reduceres. Det kan gøres, som de tidligere beskrevne eksempler viser, ved at reducere den mængde materiale, der indgår i et produkt og ved at undgå de meget sparsomme ressourcer, der indgår i små mængder, og derfor ikke vil blive genindvundet ved en bortskaffelsesproces. Vær kritisk med valg af overfladebelægning. Det bedste er selvfølgelig at undgå overfladebehandling. Dette kan, som der tidligere er vist eksempler på, gøres ved at vælge et andet materiale. De forskellige aktører har forskellige handlemuligheder og følgende fokuspunkter bør altid overvejes: Produktudviklere
Kunder, rådgivere og andre, der projekterer anlæg med ekspansionsventiler og andre "kontrolventiler"
Miljøguideline for produkt- og procesudvikling Danfoss A/S’s Automatik division har parallelt med dette projekt udarbejdet en "Miljøguideline for produkt- og procesudvikling", der skal hjælpe organisationen med at leve op til miljømålsætningen om at: "Udvise miljøhensyn ved produkt- og procesudvikling", og beskriver væsentlige forhold, der skal overvejes gennem et produktudviklingsprojekts forløb. Denne guideline er vedlagt som bilag til nærværende håndbog. En sådan guideline må nødvendigvis indeholde en række virksomhedsspecifikke forhold, som ikke umiddelbart kan anvendes af andre virksomheder. Til gengæld kan den udmærket fungere som inspiration kilde for andre virksomheder, der på samme måde ønsker at systematisere og kvalitetssikre deres miljøindsats i forbindelse med produkt- og procesudviklingen.
|
