ENHANCING THE APPLICATION EFFICIENCY OF LIFE CYCLE ASSESSMENT FOR INDUSTRIAL USES

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1 ENHANCING THE APPLICATION EFFICIENCY OF LIFE CYCLE ASSESSMENT FOR INDUSTRIAL USES THÈSE N O 3307 (2005) PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT Institut des sciences et technologies de l'environnement SECTION DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMENT ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Gerald REBITZER Diplom-Ingenieur, Technische Universität Berlin, Allemagne de nationalités américaine et allemande acceptée sur proposition du jury: Prof. O. Jolliet, Dr D. Hunkeler directeurs de thèse Prof. F. Golay, rapporteur Prof. W. Kloepffer, rapporteur Dr S. Seuring, rapporteur Lausanne, EPFL 2005

2 Table of Contents Acknowledgements... V Abstract... VI Zusammenfassung... VII 1 Introduction From Sustainable Development to Life Cycle Management Challenges of Implementing Life Cycle Management Development of a Consistent Framework for the Simplified Application of LCA Background and Rationale State of the Art in Simplified Product System Modeling Using Existing Data and Models Modeling Without Existing Data and Models Conclusions and Resulting Methodological Focus of Research Framework for Simplified Product System Modeling Modular LCA A Decision-Oriented Approach for Product System Modeling Based on Reusable Elements Introduction and Rationale for the Specific Developments Application Criteria for the New Methodology Methodology of the Modular LCA Approach Conclusions Limiting System Boundaries by Baseline Approximation Goal and Scope of the Specific Methodological Developments Iterative Development of the Product System Model Based on Unit Process Specific Cut-offs Establishing a Baseline Based on Input-Output Analysis Life Cycle Costing in LCM Background and Rationale State of the Art in Life Cycle Costing Historic Roots and Developments LCM related Life Cycle Costing Conceptual Framework of Life Cycle Costing in LCM...81 iii

3 3.3.1 Boundaries of LCC The Scope and Definition of LCC Limitations of LCC Perspectives in LCC Relation of LCC to LCA Concluding the Framework Discussion Methodology of Life Cycle Inventory Based LCC Goal of Methodological Developments System Boundaries and Scope Calculating Life Cycle Costs Data Compilation and Aggregation Interpretation of LCC Results Conclusions Analysis of Detailed Case Studies Materials Selection for Passenger Car Front Subframe System Detailed LCA Simplified LCA Application LCI based Life Cycle Costing Municipal Wastewater Treatment Goal and Scope System Modeling Results Conclusions and Recommendations References List of Figures List of Tables Abbreviations Units Glossary Appendices Automotive Front Subframe System LCI Data Curriculum Vitae List of Publications iv

4 Abstract Sustainable development is an issue that is gaining more and more relevance in all areas of society, though specifically in industry. In order to move towards the goal of sustainability, life cycle thinking is an essential element. For the implementation of life cycle thinking in industry life cycle management (LCM) has been proposed as the general concept. However, the assessment of environmental impacts with the method of life cycle assessment, which is essentially the only tool available for this purpose, has been limited in industrial practice due to involved complexity and the resulting necessary effort and know-how. Therefore, this thesis proposed improved methods that enhance the application efficiency of LCA for industrial uses. After a short introduction in Chapter 1, new developments for the more efficient application of LCA for environmental assessments are presented in Chapter 2 both for situations where pre-existing data are available and for studies, where no or very limited information of the involved unit processes and elementary flows exist. This concerns the modeling based on reusable elements as well as limiting system boundaries by recommended cut-offs. Specific and easy to apply recommendations for using cut-off rules are proposed. Chapter 3 explores another path, namely the usage of LCA models for life cycle costing. A consistent framework of the economic life cycle based assessment in sustainable development is proposed and tested. Essentially, one can conclude that the deployment of the systems approach and underlying model of LCA is extremely useful also for conducting economic analyses, while causing very little additional efforts. Chapter 4 elaborates case studies, one for an automotive component, and one for the service of waste water treatment. Detailed LCA results are presented and discussed, and the aforementioned methods in regards to a more efficient LCA from scratch and relating to life cycle costing are tested and demonstrated. The thesis concludes with some concise recommendations for future research and development activities in relation to a better usage of LCA and related life cycle approaches. vi

5 Zusammenfassung Das Leitbild der nachhaltigen Entwicklung (engl. sustainable development) nimmt mehr und mehr an Bedeutung zu, auch oder gerade in Zeiten schwieriger wirtschaftlicher Entwicklungen in vielen Regionen der Erde. Insbesondere in der Industrie wird Nachhaltigkeit zunehmend als Chance begriffen. Für die Umsetzung dieses Leitbilds spielen Lebenszyklusbetrachtungen (Ökobilanzen, engl.: life cycle assessments) eine entscheidende Rolle. In diesem Zusammenhang ist auch Einbindung dieser Ansätze in Managementprozesse und Betriebsabläufe von entscheidender Bedeutung. Ohne eine entsprechende Implementierung, die wiederum eine einfache und verlässliche Anwendung der entsprechenden Methoden voraussetzt, kann und wird Nachhaltigkeit nicht erfolgreich umgesetzt werden können. Existierende Ökobilanzansätze haben oftmals das Problem, dass sie sehr komplex und ihre Anwendung mit einem hohen Aufwand verbunden ist, was das Einsatzgebiet stark einschränkt. Deshalb werden in dieser Dissertation Ansätze vorgeschlagen und entwickelt, die die Anwendung der Ökobilanzmethode in der industriellen Praxis vereinfachen sollen. Nach einer kurzen Einführung (Kapitel 1) werden in Kapital 2 neue Ansätze zur Vereinfachung der Ökobilanzanwendung eingeführt und entwickelt. Dabei ist zu unterscheiden zwischen einem Ansatz (Modular LCA), der das Ziel hat, die Anwendung der Methode auf Basis vorhandener Daten zu erleichtern und Ansätzen, die sich mit den sogenannten Abschneidekriterien befassen. Letzteres ist insbesondere relevant, wenn man das zu modellierende Produktsystem nicht kennt und entscheiden muss, wann die Datenaufnahme abgebrochen werden kann. Einfach anzuwendende Vorgehensweisen und daraus abgeleitete Empfehlungen für die Anwendung von Abschneidekriterien werden vorgestellt. Kapitel 3 dagegen beschäftigt sich mit der Nutzung von Systemmodellen der Ökobilanz für die Lebenzykluskostenrechnung (engl. life cycle costing). Hier wird aufgezeigt, wie das Ökobilanzmodell effizient und einfach für die Berechung von Kosten und die Berücksichtigung der ökonomischen Dimension der Nachhaltigkeit eingesetzt werden kann. Vervollständigt wird die Arbeit durch Ökobilanzfallsstudien aus dem Automobilbereich und für die kommunale Abwasserreinigung (siehe Kapitel 4). Die vorher entwickelten Ansätze hinsichtlich Abschneidekriterien und die Methoden der Lebenzykluskostenrechnung werden angewandt. Abschliessend werden Empfehlungen für weitere Forschungsarbeiten für den verbesserten Einsatz der Ökobilanzmethodik in der Industrie und im Zusammenhang mit weiteren Aspekten der Nachhaltigkeit abgeleitet. vii

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