From life cycle assessment to absolute environmental sustainability of plastics from alternative carbon feedstocks

Bachmann, Marvin; Bardow, André; von der Aßen, Niklas Vincenz

doi:43528

From life cycle assessment to absolute environmental sustainability of plastics from alternative carbon feedstocks = Von der Lebenszyklusanalyse zu absoluter ökologischer Nachhaltigkeit von Kunststoffen aus alternativen Kohlenstoffquellen

Bachmann, Marvin^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMarvin Bachmann

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge zur technischen Thermodynamik ; 50

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bardow, André (Thesis advisor) ; von der Aßen, Niklas Vincenz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06179
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988442/files/988442.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik (412110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
alternative carbon feedstocks (frei) ; life cycle assessment (frei) ; planetary boundaries (frei) ; plastics (frei) ; sustainability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kunststoffe sind trotz ihrer Umweltauswirkungen zu einem unverzichtbaren Bestandteil unserer modernen Gesellschaft geworden. Um die Treibhausgasemissionen der Kunststoffindustrie zu verringern, wurden Strategien zur Herstellung auf Basis alternativer Kohlenstoffquellen wie Kunststoffabfälle, Biomasse, CO2 und Hüttengase vorgeschlagen. Frühere Studien haben die Klimavorteile der Nutzung dieser Rohstoffe gezeigt. Allerdings identifiziert diese Arbeit kritische wissenschaftliche Lücken in der aktuellen Bewertungspraxis, einschließlich unerforschter ökologischer Synergien in der Nutzung alternativer Rohstoffe, nicht berücksichtigte systemweite Umweltauswirkungen und eine unzureichende Bewertung anderer Umweltauswirkungen als die des Klimawandels. Um die derzeitige Bewertungspraxis zu verbessern, untersucht diese Arbeit Umweltsynergien durch die kombinierte Nutzung von Biomasse und CO2. Die Ergebnisse zeigen, dass die kombinierte Nutzung 13 % mehr Treibhausgasemissionen einspart als deren individuelle Nutzung. Darüber hinaus spart die kombinierte Nutzung etwa 25 % an begrenzten Ressourcen und mindert die Verschiebung der Umweltauswirkungen vom Klimawandel zu anderen Umweltkategorien. Weiterhin führt diese Arbeit eine vergleichende Ökobilanz alternativer Synthesegas-Verfahren durch, wobei sowohl direkte als auch systemweite Umweltauswirkungen berücksichtigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass bio- und hüttengasbasiertes Synthesegas die klimafreundlichsten Optionen sind, obwohl systemweite Umweltauswirkungen diese Vorteile verringern. Systemweite Umweltauswirkungen resultieren aus der Verwendung von limitierten Rohstoffen. Daher unterstreicht diese Arbeit die Relevanz der Betrachtung der konventionellen Nutzung limitierter Rohstoffe in Ökobilanzen. Zuletzt bewertet diese Arbeit die absolute Umweltverträglichkeit von Kunststoffen aus alternativen Kohlenstoffquellen. Durch die Kombination eines globalen Modells der Kunststoffindustrie mit dem Planetary Boundary Framework bestimmt diese Arbeit die planetaren Fußabdrücke von Kunststoffen. Die Ergebnisse zeigen, dass die aktuelle fossilbasierte Kunststoffindustrie stark unnachhaltig ist, während durch eine ausgewogene Lösung aus verbesserten Recyclingtechnologien und der Nutzung von Biomasse und CO2 bis 2030 eine absolute Umweltverträglichkeit erreicht werden kann. Allerdings können technologische Verbesserungen allein den vorhergesagten Anstieg der Kunststoffnachfrage bis 2050 nicht bewältigen. Daher muss die Gesellschaft ihre Wahrnehmung von Kunststoffen als Wegwerfprodukt ändern, um den Übergang zu einer ökologisch nachhaltigen Kunststoffindustrie zu unterstützen.

Plastics have become indispensable part of our modern society, but their environmental impact has raised concerns globally. Efforts to reduce greenhouse gas emissions encompass the production of plastics from alternative carbon feedstocks, namely plastic waste, biomass, CO2, and steel mill off-gases (mill gas). Previous studies have shown the climate benefits of using these feedstocks, but this thesis identifies critical scientific gaps in the current assessment practice. These scientific gaps include unexplored environmental synergies, disregarded system-wide environmental impacts, and insufficient consideration of other environmental impacts than climate change. To address these scientific gaps, this thesis explores environmental synergies from combined utilization of biomass and CO2. The results show that combined utilization saves about 13 % more greenhouse gas emissions than the individual utilization of either biomass or CO2. In addition, combined utilization saves about 25 % of limited resources and mitigates burden shifting from climate change to other environmental impacts. Furthermore, this thesis conducts a comparative life cycle assessment of alternative syngas pathways, considering both direct environmental impacts and system-wide environmental consequences. The results identify bio- and mill gas-based syngas as the most climate-beneficial options, although system-wide impacts diminish these benefits. System-wide environmental impacts result from using limited feedstocks that have already been used in other applications. Accordingly, this thesis highlights the need to consider the conventional use of limited feedstocks in life cycle assessments. Lastly, this thesis assesses the absolute environmental sustainability of plastics from alternative carbon feedstocks. Combining a model of the global plastics industry with the planetary boundary framework, this thesis determines the planetary footprints of plastics from fossil and alternative sources. The results demonstrate that the current fossil-based plastics industry is highly unsustainable, while a balanced solution involving improved recycling technologies, biomass utilization, and carbon capture and utilization can lead to a scenario in which plastics comply with their assigned safe operating space in 2030. However, technological improvements alone cannot address the predicted increase in plastic demand by 2050. Therefore, society must change its perception of plastics as cheap and disposable and embrace their value to support the transition towards an environmentally sustainable plastics industry.

OpenAccess:
PDF
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