Design and evaluation of recycling and recovery infrastructures for glass and carbon fiber reinforced plastics : an application in the wind energy industry

Sommer, Valentin; Letmathe, Peter; Walther, Grit

doi:HT021385893

Design and evaluation of recycling and recovery infrastructures for glass and carbon fiber reinforced plastics : an application in the wind energy industry

Sommer, Valentin^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Valentin Sommer, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak08

Hauptberichter/Gutachter
Walther, Grit (Thesis advisor)^RWTH* ; Letmathe, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05229
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/847297/files/847297.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GFK CFK Windenergie (frei) ; mathematische Optimierung (frei) ; reverse logistics (frei) ; waste management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 330

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit basiert auf drei Publikationen, die in Fachzeitschriften mit Peer-Review veröffentlicht wurden. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Bereich der Abfallwirtschaft und des nachhaltigen Materialmanagements, indem sie einen Analyseansatz entwickelt, um ex-ante wirtschaftlich und ökologisch optimale Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen für zukünftige Abfälle aus glas- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) zu planen. Der Analyseansatz wird auf eine Fallstudie aus der Windenergiebranche angewendet. Die Arbeit besteht aus einem einleitenden Vorwort, einem Hauptteil, in dem die drei Publikationen vorgestellt werden, und einer Schlussfolgerung. Das Vorwort beginnt mit der Feststellung, dass die Abfallwirtschaft als Schlüssel zur Erreichung einer Kreislaufwirtschaft angesehen wird. In diesem Zusammenhang wird die Notwendigkeit anspruchsvoller Analysen begründet, um die Entscheidungsträger mit relevanten Informationen zu unterstützen, bevor große Mengen neuartiger Abfälle anfallen. Es wird dargelegt, wie dies speziell für die Planung des Managements zukünftiger GFK/CFK-Abfälle gilt. Die Relevanz der angewandten Fallstudie in der Windenergiebranche wird durch aktuelle Diskussionen zwischen Praktikern und Wissenschaftlern über die Herausforderungen im Abfallmanagement begründet. Anschließend wird der allgemeine Rahmen der Planungsaktivitäten dargestellt, indem die Abfallmaterialien GFK und CFK sowie die Abfallbehandlungsoptionen nach dem Stand der Technik vorgestellt und aus wirtschaftlicher, ökologischer, rechtlicher und technischer Sicht charakterisiert werden. In diesem Zusammenhang wird das Planungsproblem dieser Arbeit beschrieben und es werden die Anforderungen an den Analyseansatz abgeleitet. Die anschließende Literaturrecherche zur Reverse Logistics stellt das Planungsproblem dieser Arbeit in den Kontext der betriebs- und volkswirtschaftlichen Literatur. Dabei wird ein Überblick über die aktuelle Forschung gegeben und die Charakteristika des Planungsproblems für eine adäquate Modellierung literaturkonform eingeordnet. Der Hauptteil der Arbeit wird durch drei Veröffentlichungen strukturiert, in denen der Analyseansatz entwickelt wird. Der Ansatz besteht aus fortschrittlichen Methoden, die eine Ex-ante-Planung der Bewirtschaftung von Abfallströmen ermöglichen. Seine Anwendung liefert relevante Informationen für politische Entscheidungsträger und Investoren. Um eine Grundlage für die Ex-ante-Planung der Abfallbewirtschaftung von GFK/CFK-Abfällen zu schaffen, werden zunächst die anfallenden Abfallströme geschätzt. Es wird ein Schätzungsansatz entwickelt, der auf einer Simulationsstudie, einer Regressionsanalyse und einer stochastischen Verteilungsfunktion basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in der EU zwischen 2020 und 2030 mehr als 500.000 [t] GFK-/CFK-Abfälle aus der Windenergieindustrie anfallen werden. Für diese Abfallströme sind die optimalen Behandlungsaufbereitungswege für diese Abfallströme noch unbekannt, und die erforderlichen Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen sind noch nicht vorhanden. Zweitens wird zur Analyse der optimalen Behandlungswege aus wirtschaftlicher Sicht ein Entscheidungshilfesystem zur Planung wirtschaftlich optimaler Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen für GFK/CFK-Abfälle als integriertes gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell für die Standort-, Technologie- und Kapazitätsauswahl entwickelt. Darin werden die resultierenden Infrastrukturen durch den Kapitalwert (NPV) bewertet. Der Einfluss politischer Vorgaben, wie z.B. Recycling- und Verwertungsziele, sowie der Einfluss der Sekundärmarktentwicklung auf die Wahl der Behandlungspfade und auf den Kapitalwert wird analysiert. Drittens, um mögliche Unterschiede zwischen wirtschaftlich und ökologisch und ökologisch optimalen Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen aufzuzeigen, wird das Entscheidungshilfesystem auf einen multikriteriellen Entscheidungsansatz erweitert. Zur Bewertung der Umweltauswirkungen der einzelnen Behandlungsoptionen wird eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Die Auswirkungen politischer Regelungen auf den wirtschaftlichen und ökologischen Gesamtnutzen bzw. die Umweltbelastung werden durch Szenarioanalysen analysiert. Insgesamt liefert die Anwendung des entwickelten Entscheidungshilfesystems auf die geschätzten GFK/CFK-Abfallströme Informationen für politische Entscheidungsträger und Investoren über die Wahl der Technologien sowie die daraus resultierenden wirtschaftlichen (und ökologischen) Belastungen und Vorteile. Die Ergebnisse der Bewertung aus ökonomischer und ökologischer Sicht zeigen, dass unabhängig von politischen Regelungen die optimale Behandlung für CFK das chemische Recycling durch Solvolyse ist. Im Gegensatz dazu ist die optimale Behandlung für GFK entweder die Verbrennung (wirtschaftlich vorteilhaft), das mechanische Recycling (ökologisch vorteilhaft) oder das chemische Recycling durch Solvolyse (erforderlich im Falle bestimmter politischer Vorschriften). Außerdem wird gezeigt, dass angemessene Recyclingziele zu guten Lösungen aus ökologischer Sicht bei geringen zusätzlichen Kosten führen. Im Gegenteil, hohe Recyclingziele zu einer Verschlechterung der Lösungen nicht nur aus wirtschaftlicher, sondern auch aus ökologischer Sicht führen. In der Schlussfolgerung werden die wichtigsten Ergebnisse und die Beiträge der Arbeit zusammengefasst. Darin werden die Vorteile fortschrittlicher Methoden bei der Ex-ante-Planung der Abfallbewirtschaftung sowie die spezifischen Erkenntnisse für die Beteiligten hervorgehoben. Obwohl diese Arbeit einen umfassenden Ansatz für die Analyse der Abfallbewirtschaftung innovativer Materialien im Allgemeinen und für GFK/CFK-Abfälle im Besonderen bietet, gibt es weiterhin Einschränkungen, die diskutiert werden. Dementsprechend wird die Arbeit mit einem Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten abgeschlossen.

This doctoral thesis is based on three publications that were published in peer-reviewed journals. The thesis contributes to the field of waste management and sustainable material management by developing an analysis approach to ex-ante plan economically and environmentally optimal recycling and recovery infrastructures for future glass- and carbon fibre reinforced plastic (GFRP/CFRP) waste. The analysis approach is applied to a case study from wind energy industry. The thesis is composed of a framing preface, a main part presenting the three publications, and a conclusion. The preface begins by stating that waste management is considered as key to achieve a circular economy. In this respect, the need for sophisticated analyses is motivated to support the decision makers with relevant information before large quantities of novel waste masses occur. It is outlined how this specifically applies to planning the management of future GFRP/CFRP waste. The relevance of the applied case study in wind energy industry is motivated by current discussions between practitioners and academia concerning challenges in the waste management. Afterwards, the general framework of the planning activities is presented by introducing the waste materials GFRP and CFRP as well as the state-of-the-art waste treatment options and characterizing them from an economic, environmental, regulatory and technical perspective. In this respect, the planning problem of this thesis is described and the requirements for the analysis approach are derived. The subsequent literature review on Reverse Logistics places the planning problem of this thesis in the context of literature from the field of business and economics. Herein, an overview of recent research is presented and the characteristics of the planning problem for adequate modelling are classified consistent with the literature. The main part of the thesis is structured by three publications in which the analysis approach is developed. The approach consists of advanced methodologies that enable ex-ante planning of the management of waste streams. Its application generates relevant information for political decision makers and investors. First, to provide a foundation for the ex-ante planning of the waste management of GFRP/CFRP waste, the upcoming waste streams are estimated. An estimation approach is developed based on a simulation study, regression analysis and a stochastic distribution function. The results show that more than 500.000 [t] of GFRP/CFRP waste from the wind energy industry will occur in the EU between 2020 and 2030. For these waste streams, the optimal treatment paths are still unknown and the required recycling and recovery infrastructures are still missing. Second, to analyze the optimal treatment paths from an economic perspective, a decision support system to plan economically optimal recycling and recovery infrastructures for GFRP/CFRP waste is developed as an integrated mixed integer linear optimization model for location, technology and capacity selection. Herein, the resulting infrastructures are evaluated by the net present value (NPV). The impact of political regulations, such as recycling and recovery targets as well as the impact of secondary market development on the choice of treatment paths and on the NPV is analyzed. Third, to demonstrate potential differences between economically and environmentally optimal recycling and recovery infrastructures, the decision support system is extended to a multi-objective decision-making approach. Life Cycle Assessment is conducted to evaluate the environmental impact of each treatment option. The impact of political regulations on the overall economic and environmental benefit/ burden is analyzed by scenario analyses. In total, the application of the developed decision support system on the estimated GFRP/CFRP waste streams provides information for political decision makers and investors on the choice of technologies as well as the resulting economic (and environmental) burdens and benefits. The results of the evaluation from the economic and environmental perspective show that regardless of political regulations, the optimal treatment for CFRP is chemical recycling through solvolysis. In contrast, the optimal treatment for GFRP is either incineration (economically favored), mechanical recycling (environmentally favored) and chemical recycling through solvolysis (required in case of certain political regulations). Besides, it is shown that adequate recycling targets lead to good solutions from an environmental perspective at little additional costs. In contrast, high recycling targets lead to a deterioration of the solutions not only from an economic but also from an environmental perspective. In the conclusion, the main findings and the contributions of the thesis are summarized. Herein, the demonstration of the advantage of advanced methods in the ex-ante planning of waste management as well as the specific insights for stakeholders are emphasized. Although this thesis provides a comprehensive approach for analyzing the waste management of innovative materials in general and for GFRP/CFRP waste in particular, there remain limitations that are discussed. In line with this, the thesis is concluded by the outlook on further research opportunities.

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