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A framework for the environmental assessment of circular interventions to steel products

Hagedorn, Wiebke^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wiebke Hagedorn, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Greiff, Kathrin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pauliuk, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03320
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009075/files/1009075.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Anthropogene Stoffkreisläufe und Institut für Aufbereitung, Kokerei und Brikettierung (512110)
2. Fachgruppe für Rohstoffe und Entsorgungstechnik (510000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
circular economy (frei) ; life cycle assessment (frei) ; steel products (frei) ; sustainability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der menschengemachte Klimawandel schreitet voran und stellt eine Bedrohung für die Menschheit dar. Ein wesentlicher Anteil, gemessen an den jährlich ausgestoßenen Treibhausgasen, ist auf die Stahlindustrie zurückzuführen. Ein Lösungsansatz ist eine Kreislaufwirtschaft im weiteren Sinne. Dabei soll durch die Strategien des Schmälerns, Verlangsamens und Schließens von Ressourcenströmen die Materialeffizienz steigen und die Umweltwirkung reduziert werden. Weil die Stahlindustrie das Recycling und die Rückgewinnung bereits weit ausgebaut und umgesetzt hat, sind dessen Verbesserungspotenziale gering. Anders ist es bei den sogenannten 10 Rs, die auf der Produktebene ansetzen. Bisher ist jedoch wenig Wissen vorhanden, wie diese zirkulären Interventionen bei Stahlprodukten umsetzbar sind. Um diese Lücke zu schließen, bedarf es zunächst eines Bewertungsansatzes, der quantifiziert, inwieweit die Umsetzung von zirkulären Interventionen bei Stahlprodukten die Materialeffizienz steigert sowie Umweltwirkungen senkt und somit im Sinne der Kreislaufwirtschaft ist. Gleichzeitig bedarf es Fallbeispiele, wie eine erfolgreiche Anwendung der Kreislaufwirtschaft auf Stahlprodukte erfolgen kann. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines Bewertungsansatzes und das Generieren von Wissen unter welchen Bedingungen zirkuläre Interventionen bei Stahlprodukten ökologisch vorteilhaft sind und wie dieses Wissen abgeleitet werden kann. Die induktive Vorgehensweise beginnt mit der ökologischen Analyse eines Federbügels und die wechselseitigen Beziehungen zwischen Material-, Prozess- und Produktebene. Es folgt die Untersuchung der Anwendung der zirkulären Strategien auf ein Maschinenkreismesser. Anschließend wird auf Basis der Erkenntnisse zur methodischen Vorgehensweise und zu stahlspezifischen Charakteristika von Prozessketten ein Ansatz zur Bewertung der ökologischen Nachhaltigkeit entwickelt. Dieser wird abschließend auf ein zirkuläres Produktsystem im Bereich Stahl angewendet und validiert. Damit generiert diese Dissertation neben Erkenntnissen zur methodischen Vorgehensweise auch Erkenntnisse, wie die Umsetzung von zirkulären Interventionen an Stahlprodukten gelingt. Die erste Fallstudie umfasst die Lebenszyklusanalyse einer Legierungsentwicklung für einen Federbügel. Während die elementspezifische Bilanzierung der geänderten Zusammensetzung auf Materialebene zu einer erhöhten Umweltbelastung der neuen Legierung führte, erreichten die veränderte Prozesskette und das nun mögliche Produktdesign insgesamt eine Reduzierung der Emissionen sowie des Energie- und Ressourcenbedarfs. Die unterschiedlichen Schlussfolgerungen verdeutlichen die Notwendigkeit einer lebenszyklusweiten Bewertung. Darüber hinaus werden relevante Hotspots in den Prozessketten von Stahlprodukten (z.B. Materialproduktion und Wärmebehandlung) sichtbar und die Bedeutung der Materialeigenschaften (zyklische Festigkeit) für die Produktfunktionalität und -gestaltung. Die zweite Fallstudie umfasst eine Ökobilanz und die Anwendung massebasierter Indikatoren zur Analyse von drei zirkulären Interventionen an einem Maschinenkreismesser. Diese umfassen das Umsetzen des axialen Ringwalzens (Schmälern), das Umarbeiten eines großen Maschinenkreismessers zu einem kleineren (Verlangsamen) und das Rückgewinnen von pulverförmigem Stahl aus dem Abfallstrom Schleifschlamm (Schließen). Alle Interventionen zeigten eine Erhöhung der Materialeffizienz sowie die Reduktion der Emissionen und des Energiebedarfs. Zudem wurden die umweltrelevanten Einflüsse der Stahlproduktion, des Energiemixes und der Hilfsprozesse deutlich. Die Studie zeigt auch, dass die Materialeffizienz als massebasierter Indikator nicht mit den Ergebnissen der Ökobilanz korreliert. Aufbauend auf den Erkenntnissen wurde in dieser Arbeit ein Ansatz zur ökologischen Bewertung von zirkulären Interventionen an Stahlprodukten entwickelt. Die Integration der Materialflussanalyse und massebasierten Indikatoren mit der Ökobilanz beseitigt dessen zuvor identifizierte Grenzen der Abbildung der Produktfunktionalität, Materialqualität, der Zeit und der dissipativen Verluste. Die Systemdefinition ist grundlegend für die Definition deskonventionellen Produktsystems sowie der zirkulären Intervention. Die dann erhobenen Daten zu quantitativen und qualitativen Aspekten fließen in ein Materialfluss Modell. Es folgt einerseits die Anwendung von massebasierten Indikatoren zur Quantifizierung der Parameter der Kreislaufwirtschaft und andererseits die Erweiterung des Modells zur Durchführung einer Ökobilanz für die Analyse der Umweltwirkungen. Die Anwendung des Bewertungsansatzes auf eine weitere Fallstudie validiert das Vorgehen und die vorherigen Erkenntnisse. Die Fallstudie umfasst die Fertigung von Handwerkzeugen aus einem Maschinenkreismesser. Zusammenfassend zeigt die Dissertation, wie die Integration der Ökobilanz, der Materialflussanalyse und massebasierter Indikatoren eine ganzheitliche ökologische Bewertung von zirkulären Interventionen an Stahlprodukten ermöglicht. Die Synergie der Methoden führt zur gegenseitigen Aufhebung methodischer Grenzen. Das Einbinden von wesentlichen stahlspezifischen Prozessen (z.B. Stahlproduktion, Wärmebehandlung, Schleifen) und Parametern (z.B. Materialeigenschaften), ermöglicht die lebenszyklusweite Bewertung zirkulärer Interventionen unter Berücksichtig der Materialqualität, Produktfunktionalität und Lebensdauer. Die Fallbeispiele zeigen, dass die zirkulären Interventionen im Bereich Stahl zu Verbesserungen der Materialeffizienz, Emissionen und des Energiebedarfs führen können. Um eine Kompensation der Einsparungen zu verhindern, müssen die Randbedingungen für die darauffolgende Prozessgestaltung bestimmt werden.

Human-induced climate change is progressing and threatens the basis of existence for human beings. The steel industry accounts for a significant proportion of the greenhouse gases emitted each year. One solution for its reduction is the Circular Economy in a broader sense. The strategies of narrowing, slowing, and closing resource flows are intended to increase material efficiency and reduce the environmental impact. Because the steel industry is a leading industry for closing resource flows by implementing recycling and recovery, the potential for improvement is low. In contrast, the so-called 10 Rs, which start at product level, have a large untapped environmental saving potential. To date, little is known about how these circular interventions can be applied to steel products so that they are more material-efficient and environmentally sustainable and thus improved in terms of the Circular Economy. To close this gap, an assessment approach is required that quantifies the extent to which the implementation of circular interventions in steel products is in line with the Circular Economy. At the same time, it is essential to understand how the Circular Economy can be successfully applied to steel products. The aim of this dissertation is to develop an assessment approach for environmental sustainability and to generate knowledge about circular interventions for steel products. The inductive proceeding starts with investigating the mutual relationships between material, process, and product level by using the example of a U-bolt. The application of circular strategies to a machining knife is then analysed. An approach for assessing environmental sustainability is developed on the basis of the findings related to the methodology and steel specific characteristics of process chains. The proceeding is applied and validated to several steel products as part of a circular intervention. In addition to findings on the methodological proceeding, this dissertation also generates insights into how circular interventions can be successfully implemented on steel products. The first case study comprises the Life Cycle Assessment of an alloy development for a U-bolt. While the element-specific balancing of the changed composition at material level led to an increased environmental impact of the new alloy, the changed process chain and the now possible product design achieved an overall reduction in missions as well as energy and resource demand. The different conclusions emphasise the need for a lifecycle-wide assessment. Furthermore, relevant hotspots in the process chains of steel products (e.g. material production and heat treatment) become visible and the importance of material characteristics (cyclic strength) for product functionality and design. The second case study involves a Life Cycle Assessment and the application of mass-based indicators to analyse three circular interventions on a machining knife. These include axial ring rolling (narrowing), reworking a large machining knife into a smaller one (slowing) and recovering steel from the waste stream of grinding sludge (closing). All interventions showed an increase in material efficiency as well as a reduction in emissions and energy demand. In addition, the environmentally relevant influences of steel production, the energy mix and the auxiliary processes became clear. The study also shows that material efficiency as a mass-based indicator does not correlate with the results of the Life Cycle Assessment. Based on the findings, an approach for the environmental assessment of circular interventions on steel products was developed in this thesis. The integration of the Material Flow Analysis and mass-based indicators with the LCA eliminates its previously identified limitations of including product functionality, material quality, time, and dissipative losses. The system definition is fundamental for the definition of the conventional product system and the circular intervention. Then, the data collected on quantitative and qualitative aspects are incorporated into a material flow model of steel. This is followed on the one hand by the application of mass based indicators to quantify the parameters of the Circular Economy and on the other hand by the extension of the model to carry out a Life Cycle Assessment to analyse environmental sustainability. The application of the assessment approach to a further case study validates the procedure and the previous findings. The case study involves the production of hand tools from a machining knife. The results show that the circular intervention achieves only significant improvements regarding the resource and energy demand, provided that the increased functionality leads to a reduction in production volume. In summary, the dissertation shows how the integration of Life Cycle Assessment, Material Flow Analysis and mass-based indicators enables a holistic environmental assessment of circular interventions on steel products. The synergy of the methods, as the strengths of the individual approaches, overcome the individual limits. The integration of key characteristics of steel (e.g. steel production, heat treatment, grinding) and related parameters (e.g. material characteristics) enables the lifecycle-wide assessment of circular interventions, taking into account material quality, product functionality and lifetime. The case studies show that circular interventions in the steel sector can lead to improvements in material efficiency, emissions, and energy demand. To prevent the savings from being offset, the boundary conditions for the subsequent process design must be determined.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030984744

Interne Identnummern
RWTH-2025-03320
Datensatz-ID: 1009075

Beteiligte Länder
Germany