Evaluation of coupled resource systems using the Austrian phosphorus and nitrogen budget as an example

Abstract

Der beträchtliche Anstieg des Ressourcenverbrauchs im Laufe des vergangenen Jahrhunderts und die damit verbundenen Umweltprobleme, haben sich zur einer der größten globalen Herausforderungen unseres Zeitalters entwickelt. Die entscheidende Rolle, die Wechselwirkungen zwischen Ressourcen für die Bemühungen um nachhaltigere Produktions- und Konsummuster spielen, wird zunehmend erkannt. Trotzdem fokussieren Materialflussanalysen (MFAs) derzeit häufig auf eine einzelne Substanz oder differenzieren nur sehr grob zwischen verschiedenen Materialien. In der vorliegenden Dissertation wird eine Methode zur simultanen MFA mehrerer Substanzen entwickelt, wobei der Güterlayer, der die Gesamtmasse jedes im System befindlichen Flusses angibt, als verbindendes Element dient. Die Methode wird anhand einer Fallstudie des österreichischen Phosphor- (P) und Stickstoff- (N) Systems getestet. P und N sind ein hervorragendes Beispiel für zwei stark miteinander verwobene Stoffe und spiegeln die Herausforderungen nachhaltigen Ressourcenmanagements gut wider: Einerseits sind sowohl P als auch N essenzielle Nährstoffe und deshalb für die Sicherstellung globaler Ernährungssicherheit unerlässlich. Emissionen von P und N sind jedoch einer der Hauptgründe für aquatische und terrestrische Eutrophierung und können, im Fall von N auch zu Luftverschmutzung und Klimawandel beitragen. Während Bedenken zur Ressourcenknappheit und Qualität von P zunehmen, weist die Gewinnung von N-Dünger aus atmosphärischem N2 mittels Haber-Bosch Prozess einen äußerst hohen Energieverbrauch auf. Die gekoppelte MFA bestätigt die engen Verbindungen zwischen dem P und N System in Österreich. Darüber hinaus zeigt eine Analyse verschiedener Maßnahmen, die von der derzeitige weitgehend lineare Nutzung hin zu mehr Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit führen sollen, zahlreiche Synergien und Zielkonflikte auf. Diese treten sowohl zwischen den beiden Nährstoffen, als auch zwischen einzelnen Maßnahmen auf, wobei Synergien deutlich überwiegen. Durch die Kopplung steigt die Modellkomplexität jedoch stark an; die Detailliertheit in der natürliche und industrielle Prozesse dargestellt werden, gewährleistet zwar eine gute Repräsentativität der Wirklichkeit, beeinträchtigt aber die Vergleichbarkeit zu anderen Studien, sowie die Erweiterung des Modells auf weitere Substanzen. Deshalb wird in einem zweiten Schritt eine mehrschichtige MFA-Struktur entwickelt, die auf der obersten Ebene einen gemeinsamen Referenzrahmen für die Analyse verschiedener Regionen, Substanzen und Skalen bereitstellt und weitergehende Detaillierung in Subsystemen ermöglicht. Der größte Vorteil dieser Struktur liegt in dem hohen Grad an Transparenz. Die Zuordnung von Flüssen und Prozessen realer, komplexer Systeme zu den aggregierten Flüssen und Systemen des generischen Systems erfordert immer subjektive Entscheidungen. Besonders in Systemen wie dem in dieser Dissertation untersuchten P-N Haushalt in Österreich, in denen Biomasseflüsse eine bedeutende Rolle spielen, können mehrere gleichwertige Interpretationen bezüglich der Unterscheidung von Kuppelprodukten und Nebenprodukten, sowie zwischen natürlichen und industriellen Prozessen bestehen. Solche unvermeidbaren Mehrdeutigkeiten treten auch bei anderen Evaluierungsmethoden wie der Ökobilanz oder Kreislaufwirtschafts-Indikatoren auf, in der mehrschichtigen MFA-Struktur treten sie jedoch explizit zu Tage, was die Systemvergleichbarkeit erhöht. MFA stellt nur den ersten Schritt in der Evaluierung von Ressourcensystemen dar; um den Grad der Nachhaltigkeit der derzeitigen Ressourcennutzung zu beurteilen oder adäquate Maßnahmen für künftiges Management zu entwickeln, muss sie von einer Auswertungs- oder Designphase begleitet werden. Dafür stehen bereits ausgereifte Methoden wie die Ökobilanzierung oder Umweltverträglichkeitsstudien zur Verfügung und werden beständig weiterentwickelt. Diese Methoden bedürfen jedoch großer Mengen an Daten und Ressourcen, weshalb einfache und anschauliche Indikatoren für überblicksmäßige Bewertungen und öffentliche Kommunikation oft bevorzugt werden. Zwei solcher Indikatoren werden im dritten Teil der Dissertation eingehender untersucht: Circularity (C), die den Anteil des Recycling am gesamten Systemdurchsatz quantifiziert, und Substance Concentration Efficiency (SCE) ein auf der statistischen Entropie (H) beruhender Indikator, der den Grad, zu dem eine Substanz im System konzentriert oder verdünnt wird, misst. Die Analyse wird wieder am Fallbeispiel des österreichischen P-N Systems durchgeführt. Auch in dieser Untersuchung stellt die Definition einer gemeinsamen Referenzgrundlage einen entscheidenden Schritt dar. Beide Indikatoren weisen die höchsten Verbesserungspotentiale bei einer Kombination verschiedener Maßnahmen auf. Während jedoch Maßnahmen, die auf veränderte Konsumgewohnheiten und Emissionsreduktionen abzielen, in Bezug auf SCE effektiver erscheinen, wird bei C Recycling stärker gewichtet. Aufgrund der besseren Erfassung von Dematerialisierung und Änderungen in der Prozesseffizienz, scheint SCE für die meisten Anwendungsfälle der aussagekräftigere Indikator zu sein. Trotzdem sollten die Grenzen eines einfachen, überblicksmäßigen Indikators darin, die Nachhaltigkeit des Systems ganzheitlich widerzuspiegeln, nie außer Acht gelassen werden. Abschließend kann festgehalten werden, dass es für die in dieser Dissertation vorgestellte gekoppelte MFA auf Basis eines generischen Referenzrahmens zwei Anwendungsbereiche gibt: Einerseits kann sie in eine ganzheitliche Bewertung, die neben physischen Masseflüssen auch Umweltauswirkungen, sowie ökonomische und soziale Aspekte miteinbezieht, integriert werden. Andererseits kann sie für erste, indikative Bewertungen ohne hohen Daten- und Ressourcenaufwand genutzt werden. In beiden Fällen kann sie wertvolle Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Ressourcen liefern und zum besseres Verständnis nachhaltiger Managementpraktiken beitragen.

The tremendous increase in resource consumption over the past century and the environmental problems it entails has become one of the main global challenges of our times. In the efforts towards more sustainable production and consumption patterns the crucial role of resource interactions is increasingly recognized. Nevertheless, to date Material flow analyses (MFAs) still often focus on a specific substance or distinguish between different materials on a very coarse basis only. In the current PhD thesis a method for simultaneous MFA of several substances is developed using the goods layer, which indicates the total mass of each flow within the system, as the coupling vehicle. This method is tested on a case study of the Austrian phosphorus (P) and nitrogen (N) system. P and N constitute an excellent example for two tightly interwoven substances and reflect the challenges of sustainable resource management well: On the one hand both are essential nutrients and therefore crucial for ensuring global food security. However, emissions of P and N are a main cause for aquatic and terrestrial eutrophication and, in the case of N, may also contribute to air pollution and climate change. While P is a scarce resource and concerns about future availability and quality are rising, the production of N fertilizer from atmospheric N2 via the Haber-Bosch process is very energy intensive. The coupled MFA confirms the close links between the Austrian P and N systems. Furthermore an analysis of several policy actions to move from the current largely linear to a more circular and sustainable resource use reveals numerous synergies and trade-offs both between the two nutrients and between the individual measures, where the former clearly outweigh the latter. However, coupling significantly raises model complexity and while the level of detail on which natural and industrial processes are shown ensures good representation of reality, it hampers comparability to other studies and model extension to additional substances. Therefore, in a second step, a multi-level MFA structure is developed that provides a common reference framework for analysis of different regions, substances and scales on the top-layer and enables detailed representation of processes in sub-systems. Its high level of transparency proves to be the main advantage of the generic structure. Allocating flows and processes of a real, complex system to the aggregated flows and processes of the generic one is always requires subjective choices. Especially in systems like the Austrian P-N system studied in this thesis, in which biomass flows play an important role, multiple equally valid interpretations regarding the distinction between co-products and by-products or between natural and industrial processes may be possible. Such unavoidable ambiguities also exist in other assessment method such as life cycle assessment or circular economy indicators; however, the multi-level MFA structure developed in this thesis makes them more explicit and thus enhances system comparability. MFA only constitutes the first step in resource system assessment; in order to evaluate the state of sustainability of current resource use or to develop adequate policy measures for future management, it has to be followed by an evaluation or design step. Several sophisticated methods such as life cycle assessment or environmental impact assessment exist for this purpose and are constantly being developed further. These methods are highly data and resource intensive though, which is why more simple and illustrative indicators are often preferred for preliminary assessments and public communication. Two such indicators are analyzed in the third part of this thesis: Circularity (C), which quantifies the share of recycling on total system throughput and Substance Concentration Efficiency, an indicator based on statistical entropy (H), which measures the extent to which a substance is concentrated or diluted within a system. Once again, the Austrian P-N system is used as a case study. Also in this analysis, the definition of a common reference basis constitutes a crucial step. Both indicators show highest improvement potentials for a combination of different measures; however, while for SCE measures aiming at changed consumption behavior and reducing emissions seem to be more effective, recycling efforts are valued higher in C. Due to the fact that it captures effects of dematerialization and process efficiency, SCE seems to be the more meaningful indicator for most applications. Nevertheless, the limits of a simple, preliminary indicator in representing full system sustainability should always be kept in mind. In conclusion, coupled MFA based on a common reference framework as presented in this thesis can be applied in two ways: it can be integrated in more holistic assessments, which, apart from physical mass flows, also take environmental impacts, as well as economic and social aspects into account, or it can serve as a basis for coarse, indicative, low data- and resource-demanding assessments. In both cases, it can provide valuable insights in resource interactions and thus enhance understanding of sustainable management practices.