Assessment of decarbonization potential for circular economy value chains using simplified lifecycle assessment approach : Methodological development and case studies in the Turku region
Uusi-Kinnala, Krista (2023)
Uusi-Kinnala, Krista
2023
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan maisteriohjelma - Master's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-04-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304053492
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304053492
Tiivistelmä
The study aimed to develop and test a simplified life cycle assessment (SLCA) based tool for evaluating decarbonization potential in circular economy value chains. Climate change mitigation is one of the sustainable development goals. Creating carbon sinks, where the once-emitted CO2 can be stored or absorbed, is one way to slow down the accumulation of CO2 in the atmosphere. Being able to quantify a company’s potential to create carbon sinks is crucial to meeting the EU and regional emission goals. There was no suitable tool available for the presented issue.
The study was executed in two parts: first, the SLCA-based tool was developed and then the tool was tested with three circular economy value chains and their improvement scenarios in the Turku region. The development of the calculator started with a literature review of the value chain in question, then the most impactful flows were determined and after that, the data collection was done. Finally, the method was applied to a spreadsheet calculator, and the global warming potential and decarbonization potential results were analyzed and interpreted. The assessment system boundary was set to gate-to-gate and only the parts of the process that would be changing were assessed in the comparison study.
Three case studies were assessed: municipal solid waste incineration (MSWI) with a monoethanolamine (MEA) carbon capture unit, a biogas plant with carbon capture from membrane separation, and a comparison of natural and recycled aggregate production. The recycled aggregate raw material was demolished concrete. For the MSWI and biogas case, the decarbonization potential scenarios were identified in collaboration with industry experts and for the aggregate case, both scenarios were already in use.
The annual decarbonization potentials of the MSWI, biogas, and aggregate cases were 19.6 kt CO2-eq/a, 5.7 kt CO2-eq/a, and 9.97 kt CO2-eq/a respectively. When compared to Turku’s annual emissions the studied value chains would decrease the emissions by 3%, 0.8%, and 1.5% respectively. The analysis showed that the MSWI case had the greatest decarbonization potential, but the operational emission from the MEA unit was 171 kg CO2-eq/t CO2 captured. The biogas case resulted in less decarbonization potential but the operational emissions of only compressing the already very concentrated CO2 stream were only 8.4 kg CO2-eq/t CO2 captured. The aggregate case was more affected by the choice of renewable fuel than the replacing natural aggregate with recycled aggregate.
The SLCA approach could be used in a circular economy context and the performance of different improvement scenarios could be compared. The method was sensitive to assumptions due to its simple functionality. For future studies, the simplified method should be compared to full LCA, and the captured CO2 management should be investigated in environmental assessment. The presented method was intended to be used in case-by-case comparison studies for a simple first calculation step to quantify the decarbonization potential. Applying the method requires still expertise to avoid misleading assumptions, but the method can present valuable knowledge when comparing different improvement scenarios. The decarbonization potential assessment showed, that the CE improvement scenarios can create a 5% decrease in the area’s emissions. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää ja testata yksinkertaistettuun elinkaariarviointiin (SLCA) perustuva työkalu, jolla voidaan tutkia potentiaalisia hiilinieluja kiertotalouden arvoketjuissa. Ilmastonmuutoksen hillitseminen on yksi kestävän kehityksen tavoitteista ja hiilinielujen lisääminen on yksi tapa hidastaa hiilidioksidin kerääntymistä ilmakehään. Hiilinielu adsorboi tai pidättää hiilidioksidia, joka muuten päätyisi ilmakehään. Jotta yritykset voivat saavuttaa alueelliset ja EU:n hiilineutraaliustavoitteet, pitää potentiaalisten hiilinielujen laajuus määrittää. Määritykseen sopivaa työkalua ei ollut käytettävissä.
Työ suoritettiin kahdessa vaiheessa: ensin kehitettiin SLCA metodiin perustuva työkalu ja toisessa vaiheessa työkalua pilotoitiin määrittämällä kolmen kiertotalouden arvoketjun hiilinielupotentiaali Turun alueella. Työkalun kehitys aloitettiin kirjallisuuskatsauksella tutkittavista arvoketjuista, seuraavaksi tunnistettiin vaikuttavimmat materiaalivirrat ja suoritettiin tutkimusaineiston kokoaminen. Aineiston avulla muodostettiin Excel-laskuri. Viimeiseksi ilmastovaiku-tus (GWP) ja hiilinielupotentiaali analysoitiin ja tulkittiin. Ilmastovaikutuksen arviointi rajattiin koskemaan vain tuotantoprosessia ja laskentaan otettiin mukaan vain yksikköprosessit, jotka muuttuivat kehitysskenaarion lisäämisen myötä.
Työssä tutkittiin kolme arvoketjua: hiilidioksidin talteenotto hyötyvoimalaitoksen savukaa-suista monoetanoliamiinilla (MEA), hiilidioksidin talteenotto biokaasun membraaniprosessista kompressoimalla ja luonnonkivimurskeen sekä betonimurskeen tuotantoprosessien vertailu. Arvoketjujen mahdollisia parannuskohteita kehitettiin yhteistyössä alan ammattilaisten kanssa.
Hyötyvoimalaitoksen tapauksessa vuotuinen hiilinielupotentiaali oli 19,6 kt CO2-ekv/a. Biokaasulaitoksen tapauksessa vuotuinen hiilinielupotentiaali oli 5,7 kt CO2-ekv/a. Murskeiden tapauksessa varsinaista hiilinielua ei syntynyt, mutta vuotuinen päästövähennys oli 9,97 kt CO2-ekv/a. Tutkimuksesta kävi ilmi, että hyötyvoimalaitos voisi tuottaa suurimman nielun, mutta MEA prosessin operoinnin päästöt olivat suuret, 171 kg CO2-ekv/t CO2 talteenotettu. Biokaasulaitoksen tapauksessa hiilidioksidi saatiin helpommin talteen pelkästään kompressoimalla membraaniprosessin CO2-rikas poistokaasu ja talteenoton päästöt olivat vain 8,4 kg CO2-ekv/t CO2. Murskeiden tapauksessa huomattiin, että käyttämällä uusiutuvaa polttoainetta, saataisiin suurempi päästövähennys aikaan kuin vaihtamalla luonnonkivimurske betonimurskeeseen.
Yksinkertaistettua elinkaariarviointia voitiin hyödyntää kiertotalouden prosessien arvioimisessa ja kehitysskenaarioiden tehokkuutta voitiin vertailla keskenään. Koska metodi oli hyvin yksinkertainen, tehdyt oletukset vaikuttivat helposti tuloksiin. Tulevissa tutkimuksissa yksinkertaistettua metodia tulisi verrata perusteelliseen elinkaariarviointiin ja talteen otetun hiilidioksidin vaatimien prosessien ympäristövaikutus tulisi ottaa mukaan tutkimukseen. Työssä esitetty metodi oli tarkoitettu käytettäväksi tapauskohtaisesti yksinkertaiseksi ensimmäiseksi askeleeksi hiilinielupotentiaalin määritykseen. Metodin käyttäminen vaatii silti ammattitaitoa, jotta harhaanjohtavilta oletuksilta vältytään. Kaiken kaikkiaan metodi tarjoaa arvokasta tietoa vaihtoehtoisista kehitysskenaarioista ja tutkituilla kiertotalouden prosessien kehittämisellä saataisiin 5 % vähennys Turun päästöihin.
The study was executed in two parts: first, the SLCA-based tool was developed and then the tool was tested with three circular economy value chains and their improvement scenarios in the Turku region. The development of the calculator started with a literature review of the value chain in question, then the most impactful flows were determined and after that, the data collection was done. Finally, the method was applied to a spreadsheet calculator, and the global warming potential and decarbonization potential results were analyzed and interpreted. The assessment system boundary was set to gate-to-gate and only the parts of the process that would be changing were assessed in the comparison study.
Three case studies were assessed: municipal solid waste incineration (MSWI) with a monoethanolamine (MEA) carbon capture unit, a biogas plant with carbon capture from membrane separation, and a comparison of natural and recycled aggregate production. The recycled aggregate raw material was demolished concrete. For the MSWI and biogas case, the decarbonization potential scenarios were identified in collaboration with industry experts and for the aggregate case, both scenarios were already in use.
The annual decarbonization potentials of the MSWI, biogas, and aggregate cases were 19.6 kt CO2-eq/a, 5.7 kt CO2-eq/a, and 9.97 kt CO2-eq/a respectively. When compared to Turku’s annual emissions the studied value chains would decrease the emissions by 3%, 0.8%, and 1.5% respectively. The analysis showed that the MSWI case had the greatest decarbonization potential, but the operational emission from the MEA unit was 171 kg CO2-eq/t CO2 captured. The biogas case resulted in less decarbonization potential but the operational emissions of only compressing the already very concentrated CO2 stream were only 8.4 kg CO2-eq/t CO2 captured. The aggregate case was more affected by the choice of renewable fuel than the replacing natural aggregate with recycled aggregate.
The SLCA approach could be used in a circular economy context and the performance of different improvement scenarios could be compared. The method was sensitive to assumptions due to its simple functionality. For future studies, the simplified method should be compared to full LCA, and the captured CO2 management should be investigated in environmental assessment. The presented method was intended to be used in case-by-case comparison studies for a simple first calculation step to quantify the decarbonization potential. Applying the method requires still expertise to avoid misleading assumptions, but the method can present valuable knowledge when comparing different improvement scenarios. The decarbonization potential assessment showed, that the CE improvement scenarios can create a 5% decrease in the area’s emissions.
Työ suoritettiin kahdessa vaiheessa: ensin kehitettiin SLCA metodiin perustuva työkalu ja toisessa vaiheessa työkalua pilotoitiin määrittämällä kolmen kiertotalouden arvoketjun hiilinielupotentiaali Turun alueella. Työkalun kehitys aloitettiin kirjallisuuskatsauksella tutkittavista arvoketjuista, seuraavaksi tunnistettiin vaikuttavimmat materiaalivirrat ja suoritettiin tutkimusaineiston kokoaminen. Aineiston avulla muodostettiin Excel-laskuri. Viimeiseksi ilmastovaiku-tus (GWP) ja hiilinielupotentiaali analysoitiin ja tulkittiin. Ilmastovaikutuksen arviointi rajattiin koskemaan vain tuotantoprosessia ja laskentaan otettiin mukaan vain yksikköprosessit, jotka muuttuivat kehitysskenaarion lisäämisen myötä.
Työssä tutkittiin kolme arvoketjua: hiilidioksidin talteenotto hyötyvoimalaitoksen savukaa-suista monoetanoliamiinilla (MEA), hiilidioksidin talteenotto biokaasun membraaniprosessista kompressoimalla ja luonnonkivimurskeen sekä betonimurskeen tuotantoprosessien vertailu. Arvoketjujen mahdollisia parannuskohteita kehitettiin yhteistyössä alan ammattilaisten kanssa.
Hyötyvoimalaitoksen tapauksessa vuotuinen hiilinielupotentiaali oli 19,6 kt CO2-ekv/a. Biokaasulaitoksen tapauksessa vuotuinen hiilinielupotentiaali oli 5,7 kt CO2-ekv/a. Murskeiden tapauksessa varsinaista hiilinielua ei syntynyt, mutta vuotuinen päästövähennys oli 9,97 kt CO2-ekv/a. Tutkimuksesta kävi ilmi, että hyötyvoimalaitos voisi tuottaa suurimman nielun, mutta MEA prosessin operoinnin päästöt olivat suuret, 171 kg CO2-ekv/t CO2 talteenotettu. Biokaasulaitoksen tapauksessa hiilidioksidi saatiin helpommin talteen pelkästään kompressoimalla membraaniprosessin CO2-rikas poistokaasu ja talteenoton päästöt olivat vain 8,4 kg CO2-ekv/t CO2. Murskeiden tapauksessa huomattiin, että käyttämällä uusiutuvaa polttoainetta, saataisiin suurempi päästövähennys aikaan kuin vaihtamalla luonnonkivimurske betonimurskeeseen.
Yksinkertaistettua elinkaariarviointia voitiin hyödyntää kiertotalouden prosessien arvioimisessa ja kehitysskenaarioiden tehokkuutta voitiin vertailla keskenään. Koska metodi oli hyvin yksinkertainen, tehdyt oletukset vaikuttivat helposti tuloksiin. Tulevissa tutkimuksissa yksinkertaistettua metodia tulisi verrata perusteelliseen elinkaariarviointiin ja talteen otetun hiilidioksidin vaatimien prosessien ympäristövaikutus tulisi ottaa mukaan tutkimukseen. Työssä esitetty metodi oli tarkoitettu käytettäväksi tapauskohtaisesti yksinkertaiseksi ensimmäiseksi askeleeksi hiilinielupotentiaalin määritykseen. Metodin käyttäminen vaatii silti ammattitaitoa, jotta harhaanjohtavilta oletuksilta vältytään. Kaiken kaikkiaan metodi tarjoaa arvokasta tietoa vaihtoehtoisista kehitysskenaarioista ja tutkituilla kiertotalouden prosessien kehittämisellä saataisiin 5 % vähennys Turun päästöihin.