Life cycle assessment for sustainable process development : critical aspects and tools for designing circular processes within the chemical industry

Abstract

Die Bemühungen um Nachhaltigkeit wurden aufgrund der zunehmend alarmierenden Umweltsituation global intensiviert. Im Safe and Sustainable by Design Rahmenwerk wird neben Standards und Prinzipien der Sicherheit die Methode der Ökobilanzierung (LCA), als Fundament für die Evaluierung des dreidimensionalen Konzepts der Nachhaltigkeit festgelegt. Es wird die Wiedereinbringung von Stoffen und Materialien und damit die Transformation des linearen Wirtschaftssystems zur Kreislaufwirtschaft als erstrebenswertes Konzept angesehen. Im Bereich der chemischen Industrie bemüht man sich durch innovative Ansätze Produkte und Prozesse bereits in der Designphase zukunftsgemäß zu gestalten. Allerdings fehlt es in frühen Designphasen an Schwerpunkten, insbesondere bei der Verwendung von LCA-Methoden, um die Recyclingfähigkeit von Produkten und die Kreislauffähigkeit von Prozessen zu bewerten, damit die richtigen Entscheidungen bei der Technologieentwicklung getroffen werden können. Außerdem wäre es hilfreich, eine Auswahl an Methoden zu haben, die diese wichtigen Beobachtungspunkte früh messbar machen. Hier bieten neben der klassischen LCA weitere Methodengruppen eine Ergänzung, um früh im Design-Prozess das Potenzial einer Technologie für zukunftsorientierte Kreislaufprozesse innerhalb der chemischen Industrie zu bewerten. Innerhalb der Arbeit wurden vier Methodengruppen in einer übergreifenden Vergleichsanalyse bearbeitet, um deren Kriterien auf wesentliche Schlüsselfaktoren zu reduzieren. Dabei wurden von 21 Quellen 138 Vergleichskriterien extrahiert, die auf acht kritische Aspekte für die Entwicklung von chemischen Kreislaufprozessen zusammengefasst werden konnten: Umweltauswirkungen, Sozioökonomische Auswirkungen, Zirkularität, Methodik, Universalität, Zuverlässigkeit, Gesetze und Richtlinien, Prozessparameter. Besonders beim sozioökonomischen Aspekt ist eine geringe Anzahl an Bewertungsmöglichkeiten erkennbar. Außerdem wurde eine Zuordnung von ausgewählten Werkzeugen zu Phasen des Technologiereifeprozesses durchgeführt, welche die gefunden Aspekte bestmöglich quantifizieren. Um die gefundenen Erkenntnisse zu prüfen, wurden zwei Fallstudien zur Betrachtung eines Kreislaufprozesses für Kunststoffverpackungen damit gegenübergestellt. Zusätzlich zum Vergleich mit internationalen Standards, hat sich herausgestellt, dass ein Großteil der Aspekte bereits beachtet und mit den gefundenen Tools bewertet werden. Eine weitere Überprüfung mit Technologien unterschiedlicherer Reifegrade wäre dennoch wünschenswert, um messbare Parameter und effektive Bewertungsmethoden zu definieren.

Sustainability efforts have been intensified globally due to the increasingly alarming environmental situation. Besides safety standards and principles, the method of life cycle assessment (LCA) is set within the Safe and Sustainable by Design framework sets as foundation for evaluating the three-dimensional concept of sustainability. The reintegration of resources and materials and thus the transformation of the linear economic system into a circular economy (CE) is seen as a desirable concept. In the chemical industry, innovative approaches are used to make products and processes future-proof right from the design phase. However, there is a lack of focus points at early design stages, particularly when using LCA methods, to assess the recyclability of products and circularity of processes for making the right decisions in technology development. It would also be helpful to have a selection of methods that make these important factors measurable at an early stage. In addition to traditional LCA other groups of methods can be used to assess the potential of new technologies early during the design process for future-oriented circular processes within the chemical industry. Within the thesis, four method groups were processed in an interdisciplinary comparative analysis to reduce their criteria to essential key factors. A total of 138 comparison criteria were extracted from 21 sources, which could be summarized into 8 critical aspects that are necessary for the development of circular chemical processes: Environmental impact, Socioeconomical impact, Circularity, Methodology, Universality, Reliability, Policy, Process parameters. Results of the comparative analysis show that particularly for socioeconomic aspects the assessment options are limited. Further, selected tools were assigned to the phases of the technology maturity process, which quantify the critical aspects found in the best possible way. For verification of the findings, they were compared with two case studies on a closed-loop process for plastic packaging. In addition to the comparison with international standards, it has turned out that a large part of the aspects is already considered and evaluated with the tools found. For definition of measurable parameters and specifying effective tools a further investigation with technologies of different maturity levels would nevertheless be desirable.