Sustainability assessment of packaging: a holistic approach including life cycle assessment, circularity assessment and consideration of the packaged product

Abstract

Verpackungen spielen eine zentrale Rolle in unserer Wirtschaft. Sie ermöglichen Lagerung, Transport und Vertrieb verschiedener Produkte. Trotz ihrer Unverzichtbarkeit in einer moderne Wirtschaft werden Verpackungen als Umweltbelastung wahrgenommen. Wachsende Müllberge, Plastikmüll in der Umwelt, Klimawandel und der durch die Verpackungsproduktion verursachte Ressourcenverbrauch haben für große mediale Aufmerksamkeit für das Thema Verpackungsnachhaltigkeit gesorgt. Öffentlicher Druck und verschärfte regulatorische Rahmenbedingungen zwingen Verpackungshersteller und Inverkehrsetzer verpackter Waren zu Bemühungen, ihre Verpackungen nachhaltiger zu gestalten. Als nachhaltig kann eine Verpackung dann bezeichnet werden, wenn sie das verpackte Produkt bestmöglich schützt, möglichst ressourceneffizient produziert wird und so zirkulär wie möglich ist. Zwischen diesen Zielsetzungen kann es leicht zu Interessenskonflikten kommen. Methoden zur Bewertung von Verpackungsnachhaltigkeit müssen alle relevanten Nachhaltigkeitsindikatoren darstellen, um Lastenverschiebungen zu vermeiden und potentielle Interessenskonflikte aufzuzeigen.Die Ökobilanz stellt eine gut etablierte Bewertungsmethode dar. Allerdings beeinträchtigt die große methodische Vielfalt die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Außerdem wurden in der Vergangenheit die Aspekte der Zirkularität und der Wechselwirkung zwischen den Verpackungen und den verpackten Waren meist nur wenig beleuchtet. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung einer Methode zur ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbewertung von Verpackungen. Ganzheitlich bedeutet, dass neben den Umweltwirkungen der Verpackung auch noch Aspekte der Zirkularität und die potentiellen Umweltwirkungen des verpackten Gutes mitberücksichtigt werden. Ziel ist es, zu ermitteln, welche Indikatoren für Verpackungen relevant sind, und wie diese Indikatoren berechnet werden sollen.Dazu wurde in einem ersten Schritt eine eingehende Analyse bestehender Bewertungsmethoden durchgeführt. Diese Methoden umfassen industrienahe Leitfäden sowie verschiedene Online-Tools zur Nachhaltigkeitsbewertung von Verpackungen. Großes Augenmerk wurde auch auf die europäischen Bemühungen zur Vereinheitlichung der Ökobilanzen im Rahmen der Initiative „Product Environmental Footprint“ gelegt. Auf Basis dieser Erkenntnisse hat der Autor methodische Empfehlungen entwickelt. In einem zweiten Schritt wurde eine Fallstudie gemäß dieser Empfehlungen durchgeführt. Als Untersuchungsgegenstand dienten dabei Mehrschichtfolien für Fleisch. Die Umweltwirkungen sind weitgehend vom Gewicht der Folien und vom Polyamid-Anteil abhängig. Eine einzige Folie konnte als recyclingfähig eingestuft werden. Allerdings schneidet sie in der Ökobilanz selbst bei optimistischen Annahmen zur Recyclingquote schlechter ab als die leichteste, aber nicht-recyclingfähige Variante. Der verpackte Speck weist im Mittel etwa 50 mal höhere Treibhausgasemissionen auf als die Verpackung selbst.Schließlich wurde eine eingehende Analyse verschiedener Ökobilanz-Datenbanken durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Verpackungen modelliert und mit denselben Annahmen, derselben Allokationsmethode und den selben Auswertemethoden berechnet. Dabei wurde jede dieser Verpackungen dreimal modelliert, und zwar mit der GaBi Datenbank, der ecoinvent3.6 Datenbank und der Environmental Footprint Datenbank. Während die Ergebnisse für die Kategorie „Klimawandel“ relativ gut vergleichbar sind, trifft das auf andere Wirkungskategorien nicht zu. Die ecoinvent3.6 Ergebnisse waren fast durchgehend deutlich höher als die anderen, und zwar unabhängig vom untersuchten Verpackungssystem und den ausgewerteten Umweltwirkungskategorien. Die teilweise beträchtlichen Unterschiede bei den Ergebnissen haben mehrere Gründe. Die unterschiedlichen Datenbankanbieter modellieren die Datensätze recht unterschiedlich. Außerdem wurden einige offensichtliche Fehler entdeckt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich die Ökobilanzierung von Verpackungen an den methodischen Empfehlungen des „Product Environmental Footprint“ orientieren soll, da so die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit verbessert werden. Bei den zahlreichen Analysen, die durchgeführt wurden, haben sich folgende Umweltwirkungskategorien als besonders relevant für Verpackungen herausgestellt: Klimawandel, Versauerung, Feinstaubemissionen und Wasserverbrauch. Bei biogenen Verpackungsmaterialien spielt der Landverbrauch eine große Rolle. Wesentliche Indikatoren zur Bewertung der Zirkularität sind der Anteil erneuerbarer Ressourcen, der Rezyklatgehalt, die Kompostierbarkeit, Recyclingrate, Recyclingfähigkeit und Wiederverwendbarkeit. Bei der Recyclingfähigkeitsbewertung muss zwischen Sammlung, Sortierung und stofflicher Wiederverwertung differenziert werden, da etliche Verpackungen zwar theoretisch stofflich verwertbar wären, aber mangels getrennter Sammlung in der Praxis verbrannt oder deponiert werden. Das verpackte Produkt soll in die Betrachtung miteinbezogen werden. Idealerweise sollten die Umweltwirkungen der verpackungsbedingten Lebensmittelabfälle ermittelt werden, und der Verpackung zugerechnet werden. Da dieser Wert aber sehr schwer ermittelbar ist, wird die Berechnung der Food-to-Packaging ratio als praktikabler Kompromiss empfohlen. Da die analysierten Ökobilanz-Datenbanken alle sowohl Stärken, als auch Schwächen haben, und die Anbieter sie ständig verbessern, wird an dieser Stelle auch keine eindeutige Empfehlung für eine bestimmte Datenbank ausgesprochen. Allerdings macht die Analyse klar, dass sinnvolle und interpretierbare Ökobilanz Ergebnisse nur dann erzielt werden können, wenn der Ökobilanzierer fähig ist, die Qualität der verwendeten Daten einzuschätzen und exzellente Kenntnisse über die verwendeten Wirkungsabschätzungsmethoden hat.

Packaging plays a central role in our economy. It enables the storage, transport and distribution of various products. Despite its indispensability in a modern economy, packaging is perceived as an environmental burden. Growing mountains of waste, plastic waste in the environment, climate change and the consumption of resources caused by packaging production have generated a lot of media attention for the topic of packaging sustainability. Public pressure and stricter regulations are forcing packaging manufacturers and distributors of packaged goods to make their packaging more sustainable. Packaging can be described as sustainable if it protects the packaged product in the best possible way, is produced as resource-efficiently as possible and is as circular as possible. Conflicts of interest can easily arise between these objectives. Methods for assessing packaging sustainability need to present all relevant sustainability indicators in order to avoid burden-shifting and to highlight potential conflicts of interest.Life cycle assessment is a well-established assessment method. However, the great methodological diversity impairs the comparability and reproducibility of the results. Furthermore, in the past, the aspects of circularity and the interaction between the packaging and the packaged goods have usually been given little attention.The aim of this doctoral thesis is to develop a holistic approach towards the assessment of packaging sustainability. A methodological framework for the assessment of packaging sustainability is proposed. The objective is to determine, which indicators best describe packaging sustainability, and how to calculate these indicators.In a first step, an overview of existing methodological frameworks, guidelines and assessment tools is given. Then, the author developed a methodological framework for the assessment of packaging sustainability. The proposed framework defines three sustainability aspects of food packaging, namely direct environmental effects of packaging, packaging-related food losses and waste, as well as circularity. It provides a list of key environmental performance indicators and recommends certain calculation procedures for each indicator. The framework is oriented towards the Product Environmental Footprint (PEF) initiative and the Circular Economy Package of the European Union. This methodological approach is applied to a real life example. A case study of multilayer plastic packaging for bacon was conducted. Six different types of multilayer films were analysed. Environmental impacts depend largely on packaging weight and on the content of polyamide. Only one of the packaging variants is recyclable. Nonetheless, the light-weight shrink bag performs better than the recyclable packaging which consists mainly of polyethylene. This highlights a potential conflict of interest between recyclability and resource efficiency. The environmental impacts of the packaged bacon by far exceed the environmental impacts of packaging, indicating that optimum food protection is the clear priority for ecodesign of meat packaging.A detailed analysis was conducted to determine the influence of database selection on life cycle impact results of packaging. Different representative packaging systems were modelled using GaBi, ecoinvent and the Environmental Footprint database. While results for climate change are in the same order of magnitude, results for other impact categories often differ largely. This is mainly due to different data sources and modeling approaches by the databank providers. Errors in the databases as well as in the implementation of the Life Cycle Impact Assessment methods were detected. The use of the ecoinvent database leads almost always to higher results compared to GaBi.As there is a growing demand for easy-to-use LCA tools, many online tools are offered. These so called S-LCA tools allow non-expert users to calculate the environmental impacts of packaging quickly. Important tools are PIQET, GaBi Packaging Calculator, and BEE. These tools are useful for ecodesign purposes, however user-friendliness and speed go at the expense of accuracy and flexibility.In conclusion, the assessment of the environmental sustainability of food packaging has to take into account three aspects: Environmental impact of the packaging, circularity, and packaging related food losses and waste. The calculation of life cycle impacts of packaging should be oriented towards the PEF recommendations. The impact categories climate change, Respiratory effects, Acidification, and Water scarcity turned out to be in most cases among the most relevant impact categories for different packaging materials. Land use is an important indicator for biogenic materials, however the impact assessment method is associated with large uncertainties. Circularity assessment becomes more and more important due to regulatory requirements regarding recycled content and recyclability. Recyclability assessment should always take into account the existing collection and sorting infrastructure. Packaging related food losses and waste are highly relevant, but hard to quantify. A simplified approach is the Food-to Packaging ratio, which compares environmental impacts of the packaged food with the packaging. To obtain meaningful Life Cycle Impact Assessment results, the practitioner needs an excellent understanding of database quality issues as well as of Life Cycle Impact Assessment methods.