Towards a sustainable circular economy : a framework for integrating circularity and life cycle sustainability assessments

Luthin, Anna; Traverso, Marzia; Passer, Alexander

doi:43758

Towards a sustainable circular economy : a framework for integrating circularity and life cycle sustainability assessments

Luthin, Anna^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anna Luthin

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024. - Dissertation, University of Melbourne, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Cotutelle-Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Traverso, Marzia (Thesis advisor)^RWTH* ; Passer, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10378
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/996090/files/996090.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Nachhaltigkeit im Bauwesen (316710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
circular economy (frei) ; circularity (frei) ; life cycle assessment (frei) ; life cycle costing (frei) ; life cycle sustainability assessment (frei) ; social life cycle assessment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Kreislaufwirtschaft (Circular Economy, CE) hat sich zu einem übergreifenden Konzept für die Verwirklichung einer nachhaltigen Wirtschaft entwickelt. Kreislaufwirtschaftskonzepte, die eine oder mehrere CE-Strategien anwenden, wie z.B. Vermeidung, Recycling oder Rückgewinnung, haben ein großes Potenzial, die Ausbeutung von primären Rohstoffen und Treibhausgasemissionen zu verringern, Biodiversität zu erhalten und das menschliche Wohlbefinden zu steigern. Obwohl Kreislaufwirtschaft für eine nachhaltige Wirtschaft unerlässlich ist, bedeutet der Übergang von einem linearen zu einem kreislauforientierten Ansatz nicht automatisch, dass dieser nachhaltig ist. Dies liegt daran, dass es zu Trade-offs und einer Verschiebung von Lasten kommen kann. Ein Beispiel hierfür ist die Verringerung der Nutzung primärer Rohstoffe durch die Einführung von Recycling, was gleichzeitig zu höheren Umweltauswirkungen durch den Einsatz von Säuren für Reinigungs- und Recyclingprozesse oder zum Verlust von Arbeitsplätzen in der Bergbauindustrie führen kann. Darüber hinaus können optimale Kreislaufwirtschaftsstrategien abhängig von fallspezifischen Rahmenbedingungen, wie der Robustheit oder Recyclingfähigkeit von Materialien, variieren. Dennoch mangelt es häufig an einer zuverlässigen Ableitung bei der Entscheidung über die Umsetzung von Kreislaufwirtschaftsstrategien und -ansätzen, da nur eine begrenzte Anzahl an Indikatoren, wie beispielsweise Recyclingraten, berücksichtigt werden. Diese können die komplexe Natur der drei Dimensionen der Nachhaltigkeit (Umwelt, Wirtschaft, Soziales) nicht angemessen abbilden. Um Kreislaufwirtschaftskonzepte hinsichtlich ihres Grades an Zirkularität und ihres Beitrags zur Nachhaltigkeit zu bewerten, sind robuste Überwachungs- und Bewertungsmethoden erforderlich. Viele CE-Indikatoren wurden für die Bewertung der Kreislaufwirtschaft entwickelt. Darüber hinaus haben verschiedene Forscher das Potenzial der ganzheitlichen Nachhaltigkeits-bewertung (Life Cycle Sustainability Assessment, LCSA) für den Kreislaufwirtschaftskontext untersucht. LCSA umfasst die parallele Anwendung der Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA), der Lebenszykluskostenrechnung (Life Cycle Costing, LCC) und der Sozialbilanz (Social Life Cycle Assessment, S-LCA) mit Nutzung derselben funktionalen Einheit (FU) und äquivalenter Systemgrenzen. Obwohl sowohl CE-Indikatoren als auch LCSA als relevant erachtet wurden, konnte kein CE-Indikator oder Framework gefunden werden, das die intrinsische Kreislauffähigkeit (z.B. Rückführungsrate) von Kreislaufwirtschaftskonzepten zusammen mit ihren Auswirkungen auf die Nachhaltigkeitsleistung abdeckt. Darüber hinaus wurden mehrere methodische Herausforderungen, wie z.B. die Zuordnung von Lasten am Lebensende (End-of-Life, EoL) für LCA, festgestellt. Ziel dieser Forschungsarbeit war es daher, ein integriertes Framework für den Kreislaufwirtschaftskontext zu entwickeln, das sowohl die technische Kreislauffähigkeit als auch die Komplexität der drei Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigt. Das entwickelte Framework zur zirkulären ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbewertung (Circular Life Cycle Sustainability Assessment, C-LCSA) erweitert daher LCSA um die Bewertung der Zirkularität (Circularity Assessment, CA) als zusätzliche Dimension. Es wurde für eine Anwendung im Produktions- und Bausektor konzipiert. Drei Schwerpunkte wurden im Rahmen der Forschung behandelt. Dabei handelt es sich um Verbesserungen der traditionellen lebenszyklusbasierten Bewertungsmethoden, die im Kreislaufwirtschaftskontext benötigt werden, die Integration von Kreislaufwirtschafts- und ganzheitlicher Nachhaltigkeitsbewertung sowie die Identifizierung von Trade-offs. Da LCSA für einen Lebenszyklus entwickelt wurde, musste die Methodik für die Anwendung auf Kreislaufwirtschaftskonzepte präzisiert werden. Die vorgeschlagenen Ergänzungen für das entwickelte Framework basieren auf Diskussionen und Ansätzen, die in der wissenschaftlichen Literatur vorgestellt wurden. In Bezug auf die Ökobilanz erwies sich beispielsweise der Cut-Off-Ansatz, der sich an den technischen Systemgrenzen eines Produktsystems orientiert, als der am besten geeignete Ansatz für die Lastenverteilung am EoL im Rahmen von C LCSA. Außerdem wurde eine umfassende Studie zur S-LCA durchgeführt, da die soziale Säule als die am wenigsten beachtete im Kontext der Kreislaufwirtschaft identifiziert wurde. In dieser Studie wurden relevante Subkategorien (z.B. Aus- und Weiterbildung, soziale Akzeptanz) und eine Reihe sozialer CE-Inventarindikatoren (z.B. Anzahl der geschaffenen Arbeitsplätze mit CE-Aktivitäten, Anzahl der Arbeitsplatzverluste aufgrund der Beendigung von Bergbauaktivitäten) vorgeschlagen, die für Kreislaufwirtschafts-konzepte berücksichtigt werden sollten. Das Überangebot, die Vielfalt und das noch frühe Entwicklungsstadium der CE-Indikatoren erforderten einen systematischen Auswahlprozess, um die am besten geeigneten Indikatoren in C-LCSA aufzunehmen. Daher wurden die 133 identifizierten CE-Indikatoren anhand der Kriterien Levels, Performance, Loops, Unit, Dimension und Transversalität bewertet. Der Material Circularity Indicator (MCI) wurde als der relevanteste CE-Indikator für C-LCSA identifiziert. Um eine Abwägung zwischen verbesserter Kreislauffähigkeit und Auswirkungen auf die Nachhaltigkeitsleistung zu ermöglichen, wurde eine Visualisierung der Ergebnisse in einem Radardiagramm vorgeschlagen, das die vier Dimensionen (Zirkularität, Umwelt, Wirtschaft und Soziales) umfasst. Um sein Potenzial zu demonstrieren, wurde das C-LCSA Framework auf die Produktion eines Industriebodens aus Carbonbetonabfällen (R-CRC-Industrieboden) und auf verschiedene Kreislaufwirtschaftskonzepte für Teppichfliesen angewendet. Da der MCI das Downcycling nicht berücksichtigt, war die Kreislauffähigkeit des R-CRC-Industriebodens hoch (0,8184, wobei 1 den höchsten Grad an Zirkularität anzeigt). Das Erderwärmungspotenzial (167 kg CO2-Äq.), das niedriger war als das ähnlicher Produkte, war ebenfalls vorteilhaft, während das Humantoxizitätspotenzial höher war. Die Kosten überstiegen einen möglichen Verkaufspreis. Die Studie zu den Teppichfliesen zeigte, dass die höchste Zirkularität bei den Fliesen gegeben war, die mit biobasierten und recycelten Materialien hergestellt wurden, kombiniert mit Recycling am EoL (0,76). Während das Erderwärmungspotential dieses Kreislaufwirtschaftskonzept im Vergleich zu den anderen Konzepten am niedrigsten war (8,47 kg CO2-Äquivalent), war die Performance in Bezug auf das Versauerungspotenzial (0,039 kg SO2-Äquivalent) und die Kosten (19,98 USD) vergleichsweise schlechter. In beiden Studien hat das C-LCSA Framework seine Effektivität als zuverlässiges Bewertungsansatz bewiesen, um Zusammenhänge in Bezug auf die Kreislaufwirtschaft und die ganzheitliche Nachhaltigkeitsleistung verschiedener Kreislaufwirtschaftskonzepte transparent darzustellen. C-LCSA leistet einen Beitrag für Wissenschaft und Industrie, indem es einen ganzheitlichen Bewertungsansatz für CE- Konzepte bietet, der von LCSA-Anwendern genutzt werden kann. Die bereitgestellten Guidelines können zudem dazu beitragen, künftige Kreislaufwirtschafts- und Nachhaltigkeitsstudien aufeinander abzustimmen.

Circular economy (CE) has emerged as an umbrella concept for achieving a sustainable economy. CE approaches that apply one or more CE strategies, such as refuse, recycling, or recover, hold significant potential for mitigating primary resource exploitation and greenhouse gas emissions, preserving biodiversity, or enhancing social well-being. However, despite the necessity of CE for fostering a sustainable economy, the transition from a linear economy to CE is not inherently sustainable as trade-offs and burden shifting might occur. An example of this is the reduction of primary resource consumption through implemented recycling that, simultaneously, might lead to higher environmental impacts stemming from the use of acids for cleaning and recycling processes or job losses in the mining industry. Moreover, the optimal CE strategies to be implemented may vary depending on case-specific circumstances, such as the robustness or recyclability of materials. Still, the selection process of CE strategies and implementation of CE approaches often lacks reliable derivation by relying on limited indicators such as recycling rates – failing to consider the complex nature of the three dimensions of sustainability (environmental, economic, social). To assess CE approaches in terms of their degree of circularity and their contribution to sustainability, robust monitoring and assessment methods are required. Many CE indicators have been introduced to assess circularity. Moreover, several researchers have assessed the potential of life cycle sustainability assessment (LCSA), applying in parallel life cycle assessment (LCA), life cycle costing (LCC), and social life cycle assessment (S-LCA) to the same functional unit (FU) and equivalent system boundaries, in the CE context. While both methodologies were found relevant, no CE indicator or assessment framework was found that could cover the intrinsic circularity (e.g., recirculation rate) of CE approaches together with their impact on sustainability performance. Moreover, several methodological limitations, such as end-of-life (EoL) allocations for LCA were identified. Thus, this research aimed to develop an integrated framework for the CE context – considering both the technical circularity and the complexity of the three dimensions of sustainability. Therefore, the developed circular life cycle sustainability assessment (C LCSA) framework added circularity assessment (CA) as an additional dimension to LCSA. The framework was designed for application in the manufacturing and construction sectors. Three main topics were addressed within the research. These were required enhancements and refinements of traditional life cycle methodologies in the CE context, integration of circularity and life cycle sustainability assessments, and trade-off identification. Being developed for one life cycle, LCSA required refinements for its application to CE approaches. Refinements proposed for the developed framework stemmed from discussions and proposed adaptions presented in the academic literature. In terms of LCA, for example, the cut-off approach emerged as the most appropriate EoL allocation approach for C-LCSA, aligning with the technical system boundaries. An in-depth study for S-LCA that was conducted as the social pillar was identified as the least addressed in the CE context, moreover, proposed relevant subcategories (e.g., training and education, social acceptance) and a set of social circularity inventory indicators (e.g., number of jobs created that involve CE activities, number of job losses due to the end of mining activities) to be considered for CE approaches. The oversupply, diversity, and early stage of development of CE indicators required a systematic selection process to include the most appropriate indicators in C-LCSA. Therefore, the 133 CE indicators identified were evaluated using the criteria: levels, performance, loops, unit, dimension, and transversality. The material circularity indicator (MCI) was identified as the most relevant CE indicator for C-LCSA. Visualization of the results within a radar chart that includes the four dimensions assessed with the framework (circularity, environmental, economic, social) was proposed to enable trade-off identification between improved circularity and impacts on sustainability performance. To demonstrate its applicability and potential, C-LCSA was applied to the production of an industrial floor made from carbon-reinforced concrete scrap (R-CRC industrial floor) and on different CE approaches of carpet tiles. As the MCI did not consider downcycling, the circularity of the R-CRC industrial floor was high (0.8184, with 1 indicating the highest level of circularity). The global warming potential (GWP, 167 kg CO2 eq.), which was lower than that of similar products, was also favorable, while the human toxicity potential (HTP) was higher. Costs, however, exceeded a possible selling price. The study on the carpet tiles showed that the highest circularity was given by the tiles produced with bio-based and recycled feedstock combined with recycling at the EoL (0.76). While the GWP of this CE approach was most favorable (8.47 kg CO2 eq.), it was unfavorable in terms of the acidification potential (AP, 0.039 kg SO2 eq.) and costs (US$19.98). In both studies, C-LCSA has proven its effectiveness as a reliable framework to transparently reveal interlinkages in terms of circularity and the overall sustainability performance of different CE approaches. C-LCSA contributes to academia and industry by providing a guided and holistic assessment framework for CE approaches to be applied by LCSA practitioners. The guidance provided, moreover, holds the potential to align future circularity and sustainability studies in the CE context.

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