Environmental assessment of bioplastics in a circular economy
Bioplastics have been in the focus of research for several decades now, with the goal to develop sustainable alternatives to conventional fossil-based plastics. Bioplastics have been identified as alternatives against the background of limited fossil resources and climate change. While the focus has been on the development of novel bioplastic types as well as an increase of performance from technical, economical and sustainable perspective, the development of bioplastics for a circular economy was disregarded. An assessment of the conventional plastic value chains shows its current focus on a linear economy and limited recycling share. Lessons learned from the development of conventional plastics should prevent conducting the same mistakes for bioplastics and thus enabling the development of a sustainable circular economy for bioplastics. Therefore, the concept of circular economy has to be connected with the research on and development of bioplastics. This work develops a systematic approach for the environmental assessment of bioplastics in the framework of a circular economy based on life cycle assessment methodology. Thereby an assessment of products from an environmental point of view and the assessment of environmentally preferable end-of-life options for bioplastics is enabled. The status quo of life cycle assessment of different end-of-life options of bioplastics as well as the status quo of circularity indicators for (bio-)plastics is highlighted in two multi-criteria analyses. Both analyses indicate significant research gaps in both areas (e.g. with regards to availability of life cycle assessment information for all relevant bioplastic types or inclusion of multiple life cycles in circularity indicator assessments). Based on the analysis and identified research gaps a systematic approach for bioplastics in a circular economy is proposed taking into account significant aspects (e.g. environmental impacts, end-of-life options, bioplastic types). Relevant aspects within the systematic approach are further analysed in detail (e.g. material quality considered for mechanical recycling) and applied in different bioplastic scenarios. To verify the developed approach, it is applied in a case study on product level for two bioplastic products (bike bottle based on Bio-Polyethylene and measuring cup based on Polylactide). The results show that the approach enables the identification of optimal end-of-life options for bioplastics from an environmental perspective based on life cycle assessment methodology. The choice of end-of-life options and switch to a circular economy has the potential to significantly reduce the environmental impact of bioplastics and further reduce the impact of the plastic industry sector. Nevertheless, particularly data gaps for waste management of bioplastics, technical properties of bioplastic recycling and life cycle assessment information represent significant challenges to sufficiently assess bioplastics within a circular economy in a systematic approach.
Biokunststoffe stehen seit mehreren Jahrzehnten im Fokus der Forschung, um nachhaltige Alternativen zu konventionellen, fossil-basierten Kunststoffen zu entwickeln. Vor dem Hintergrund der begrenzten fossilen Ressourcen und des Klimawandels wurden Biokunststoffe als Alternativen identifiziert. Im Vordergrund stehen derzeit die Entwicklung neuartiger Biokunststofftypen sowie die Steigerung der Leistungsfähigkeit aus technischer, wirtschaftlicher und nachhaltiger Sicht, wobei die Entwicklung von Biokunststoffen für eine Kreislaufwirtschaft nicht im Fokus liegt. Eine Analyse der Wertschöpfungskette konventioneller Kunststoffe zeigt, dass sie derzeit auf eine lineare Wirtschaft und einen begrenzten Recyclinganteil ausgerichtet ist. Die aus der Entwicklung konventioneller Kunststoffe gezogenen Lehren sollten verhindern, dass bei Biokunststoffen die gleichen Fehler begangen werden und somit die Entwicklung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft für Biokunststoffe ermöglichen. Daher muss die Erforschung und Entwicklung von Biokunststoffen von Anfang an mit dem Konzept der Kreislaufwirtschaft verbunden werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung einer systematischen Vorgehensweise zur ökologischen Bewertung von Biokunststoffen im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft basierend auf der Ökobilanz-Methodik. Dadurch wird eine Bewertung von Produkten unter Umweltgesichtspunkten und die Identifikation von ökologisch vorteilhaften End-of-Life Optionen für Biokunststoffe ermöglicht. Der Status quo der Ökobilanzierung verschiedener End-of-Life-Optionen von Biokunststoffen sowie der Status quo von Kreislaufwirtschaftsindikatoren für (Bio-)Kunststoffe wird in zwei Multikriterien-Analysen aufgezeigt. Beide Analysen zeigen signifikante Forschungslücken in beiden Bereichen auf (z.B. in Bezug auf die Verfügbarkeit von Ökobilanzinformationen für alle relevanten Biokunststofftypen oder die Einbeziehung mehrerer Lebenszyklen in die Bewertung von Kreislaufindikatoren). Basierend auf der Analyse und den identifizierten Forschungslücken wird eine systematische Vorgehensweise für die Bewertung von Biokunststoffen in einer Kreislaufwirtschaft vorgeschlagen, die wichtige Aspekte (z.B. Umweltauswirkungen, End-of-Life-Optionen, Biokunststofftypen) berücksichtigt. Relevante Aspekte innerhalb der Vorgehensweise werden weiterhin im Detail analysiert (z.B. Materialqualität für die werkstoffliche Verwertung) und auf verschiedene Biokunststoffszenarien angewendet. Um das entwickelte Konzept zu verifizieren, wird es in einer Fallstudie auf Produktebene für zwei Biokunststofftypen angewendet (eine Fahrradflasche auf der Basis von Bio-Polyethylen und ein Messbecher auf der Basis von Polylactide). Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorgehensweise die Identifizierung optimaler End-of-Life-Optionen für Biokunststoffe aus ökologischer Sicht auf der Grundlage von Ökobilanzmethoden ermöglicht. Die Wahl der End-of-Life-Optionen und die Umstellung auf eine Kreislaufwirtschaft haben das Potenzial, die Auswirkungen von Biokunststoffen erheblich zu reduzieren und die Auswirkungen des Kunststoffsektors weiter zu verringern. Dennoch stellen insbesondere Datenlücken in Bezug auf die Abfallbehandlung von Biokunststoffen, technische Eigenschaften des Recyclings von Biokunststoffen und Informationen zur Ökobilanzierung eine große Herausforderung dar, um Biokunststoffe im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft systematisch zu bewerten.
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