Design and evaluation of recycling and recovery infrastructures for glass and carbon fiber reinforced plastics : an application in the wind energy industry

Sommer, Valentin; Walther, Grit (Thesis advisor); Letmathe, Peter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Diese Doktorarbeit basiert auf drei Publikationen, die in Fachzeitschriften mit Peer-Review veröffentlicht wurden. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Bereich der Abfallwirtschaft und des nachhaltigen Materialmanagements, indem sie einen Analyseansatz entwickelt, um ex-ante wirtschaftlich und ökologisch optimale Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen für zukünftige Abfälle aus glas- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) zu planen. Der Analyseansatz wird auf eine Fallstudie aus der Windenergiebranche angewendet. Die Arbeit besteht aus einem einleitenden Vorwort, einem Hauptteil, in dem die drei Publikationen vorgestellt werden, und einer Schlussfolgerung. Das Vorwort beginnt mit der Feststellung, dass die Abfallwirtschaft als Schlüssel zur Erreichung einer Kreislaufwirtschaft angesehen wird. In diesem Zusammenhang wird die Notwendigkeit anspruchsvoller Analysen begründet, um die Entscheidungsträger mit relevanten Informationen zu unterstützen, bevor große Mengen neuartiger Abfälle anfallen. Es wird dargelegt, wie dies speziell für die Planung des Managements zukünftiger GFK/CFK-Abfälle gilt. Die Relevanz der angewandten Fallstudie in der Windenergiebranche wird durch aktuelle Diskussionen zwischen Praktikern und Wissenschaftlern über die Herausforderungen im Abfallmanagement begründet. Anschließend wird der allgemeine Rahmen der Planungsaktivitäten dargestellt, indem die Abfallmaterialien GFK und CFK sowie die Abfallbehandlungsoptionen nach dem Stand der Technik vorgestellt und aus wirtschaftlicher, ökologischer, rechtlicher und technischer Sicht charakterisiert werden. In diesem Zusammenhang wird das Planungsproblem dieser Arbeit beschrieben und es werden die Anforderungen an den Analyseansatz abgeleitet. Die anschließende Literaturrecherche zur Reverse Logistics stellt das Planungsproblem dieser Arbeit in den Kontext der betriebs- und volkswirtschaftlichen Literatur. Dabei wird ein Überblick über die aktuelle Forschung gegeben und die Charakteristika des Planungsproblems für eine adäquate Modellierung literaturkonform eingeordnet. Der Hauptteil der Arbeit wird durch drei Veröffentlichungen strukturiert, in denen der Analyseansatz entwickelt wird. Der Ansatz besteht aus fortschrittlichen Methoden, die eine Ex-ante-Planung der Bewirtschaftung von Abfallströmen ermöglichen. Seine Anwendung liefert relevante Informationen für politische Entscheidungsträger und Investoren. Um eine Grundlage für die Ex-ante-Planung der Abfallbewirtschaftung von GFK/CFK-Abfällen zu schaffen, werden zunächst die anfallenden Abfallströme geschätzt. Es wird ein Schätzungsansatz entwickelt, der auf einer Simulationsstudie, einer Regressionsanalyse und einer stochastischen Verteilungsfunktion basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in der EU zwischen 2020 und 2030 mehr als 500.000 [t] GFK-/CFK-Abfälle aus der Windenergieindustrie anfallen werden. Für diese Abfallströme sind die optimalen Behandlungsaufbereitungswege für diese Abfallströme noch unbekannt, und die erforderlichen Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen sind noch nicht vorhanden. Zweitens wird zur Analyse der optimalen Behandlungswege aus wirtschaftlicher Sicht ein Entscheidungshilfesystem zur Planung wirtschaftlich optimaler Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen für GFK/CFK-Abfälle als integriertes gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell für die Standort-, Technologie- und Kapazitätsauswahl entwickelt. Darin werden die resultierenden Infrastrukturen durch den Kapitalwert (NPV) bewertet. Der Einfluss politischer Vorgaben, wie z.B. Recycling- und Verwertungsziele, sowie der Einfluss der Sekundärmarktentwicklung auf die Wahl der Behandlungspfade und auf den Kapitalwert wird analysiert. Drittens, um mögliche Unterschiede zwischen wirtschaftlich und ökologisch und ökologisch optimalen Recycling- und Verwertungsinfrastrukturen aufzuzeigen, wird das Entscheidungshilfesystem auf einen multikriteriellen Entscheidungsansatz erweitert. Zur Bewertung der Umweltauswirkungen der einzelnen Behandlungsoptionen wird eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Die Auswirkungen politischer Regelungen auf den wirtschaftlichen und ökologischen Gesamtnutzen bzw. die Umweltbelastung werden durch Szenarioanalysen analysiert. Insgesamt liefert die Anwendung des entwickelten Entscheidungshilfesystems auf die geschätzten GFK/CFK-Abfallströme Informationen für politische Entscheidungsträger und Investoren über die Wahl der Technologien sowie die daraus resultierenden wirtschaftlichen (und ökologischen) Belastungen und Vorteile. Die Ergebnisse der Bewertung aus ökonomischer und ökologischer Sicht zeigen, dass unabhängig von politischen Regelungen die optimale Behandlung für CFK das chemische Recycling durch Solvolyse ist. Im Gegensatz dazu ist die optimale Behandlung für GFK entweder die Verbrennung (wirtschaftlich vorteilhaft), das mechanische Recycling (ökologisch vorteilhaft) oder das chemische Recycling durch Solvolyse (erforderlich im Falle bestimmter politischer Vorschriften). Außerdem wird gezeigt, dass angemessene Recyclingziele zu guten Lösungen aus ökologischer Sicht bei geringen zusätzlichen Kosten führen. Im Gegenteil, hohe Recyclingziele zu einer Verschlechterung der Lösungen nicht nur aus wirtschaftlicher, sondern auch aus ökologischer Sicht führen. In der Schlussfolgerung werden die wichtigsten Ergebnisse und die Beiträge der Arbeit zusammengefasst. Darin werden die Vorteile fortschrittlicher Methoden bei der Ex-ante-Planung der Abfallbewirtschaftung sowie die spezifischen Erkenntnisse für die Beteiligten hervorgehoben. Obwohl diese Arbeit einen umfassenden Ansatz für die Analyse der Abfallbewirtschaftung innovativer Materialien im Allgemeinen und für GFK/CFK-Abfälle im Besonderen bietet, gibt es weiterhin Einschränkungen, die diskutiert werden. Dementsprechend wird die Arbeit mit einem Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten abgeschlossen.

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