Tools und Methoden zur quantitativen Gegenüberstellung der ökologischen Vorteile von R-Strategien mit einem konventionellen Herstellungsprozess zur Förderung der Kreislaufwirtschaft

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Circular-Economy-Strategien auf die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen von E-Bike-Motoren. Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer integrierten Bewertungsmethodik, mit der verschiedene R-Strategien mit einem konventionellen linearen Produktionssystem verglichen werden können. Der Fokus lag dabei auf der Herstellung eines E-Bike-Motors in Ungarn, dessen Nutzung und End-of-Life-Behandlung in Deutschland betrachtet wurden. Als funktionelle Einheit wurde ein E-Bike-Motor mit einer Lebensdauer von 15.000 km bzw. 10 Jahren definiert.Methodisch basiert die Arbeit auf der Kombination von Life Cycle Assessment (LCA) und Life Cycle Costing (LCC). Die Umweltbewertung wurde mithilfe der Software GaBi ts (Sphera) unter Verwendung von Datenbanken wie ecoinvent durchgeführt. Die ökonomische Bewertung erfolgte über ein eigens entwickeltes Excel-basiertes LCC-Modell mit Monte-Carlo-Simulationen zur Berücksichtigung von Unsicherheiten. Insgesamt wurden vier Szenarien modelliert: ein lineares Basisszenario sowie drei zirkuläre Szenarien mit unterschiedlichen Kombinationen von R-Strategien. Zusätzlich wurden individuelle Prozesse und Materialflüsse modelliert, um spezifische Circular-Economy-Ansätze für E-Bike-Motoren abzubilden. Die Ergebnisse unterstreichen das hohe Potenzial von Circular-Economy-Strategien, sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile zu generieren. Während das lineare Basisszenario Lebenszykluskosten von 361 EUR und Emissionen von 124 kg CO2-Äquivalent verursachte, konnten durch die Anwendung der R-Strategien deutliche Verbesserungen erzielt werden. Das beste zirkuläre Szenario (Szenario 1) reduzierte die Lebenszykluskosten auf rund 300 EUR (−16,9 %) und den CO2-Fußabdruck auf 94,7 kg CO2-Äquivalent (−23,6 %). Besonders effektiv zeigten sich dabei Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung sowie zur Rückführung von Komponenten und Materialien. Die vorliegende Arbeit belegt somit, dass eine integrierte Betrachtung mittels LCA und LCC ein wertvolles Instrument ist, um nachhaltige und wirtschaftlich tragfähige Produktentwicklungen in der E-Bike-Branche zu fördern.

This thesis investigates the influence of circular economy strategies on the environmental and economic performance of e-bike motors. The main objective of the study was to develop an integrated assessment methodology capable of quantitatively comparing different R-strategies with a conventional linear production system. The analysis focused on an e-bike motor manufactured in Hungary, while the use phase and end-of-life treatment were assumed to take place in Germany. The functional unit was defined as one e-bike motor operating over a lifetime of 15,000 km and approximately ten years.Methodologically, the study combines Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Costing (LCC). The environmental assessment was implemented using GaBi ts software from Sphera together with databases such as ecoinvent. The economic assessment was conducted through a custom Excel-based LCC model supported by Monte Carlo simulations to address uncertainties in circular processes and cost parameters. Four scenarios were modeled: one conventional baseline scenario and three circular scenarios integrating different combinations of R-strategies. Additional foreground processes and material flows were developed to represent circular economy pathways specific to e-bike motor systems. The results underscore the significant potential of circular economy strategies to generate both ecological and economic benefits. While the linear baseline scenario incurred life-cycle costs of 361 EUR and emissions of 124 kg CO2-equivalent per motor, the application of R-strategies yielded substantial improvements. The best-performing circular scenario (Scenario 1) reduced life-cycle costs to approximately 300 EUR (−16.9 %) and the carbon footprint to 94.7 kg CO2-eq (−23.6 %). Particularly effective were measures aimed at extending product lifespan as well as the recovery and reintegration of components and materials. This thesis thus demonstrates that the integrated application of LCA and LCC constitutes a valuable tool for evaluating sustainable product strategies in the e-bike industry and for supporting future circular economy approaches.