Management of Plastic Wastes in Austria: Analysis of the Status Quo and Environmental Improvement Potentials
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Doctoral Thesis Management of plastic wastes in Austria: analysis of the status quo and environmental improvement potentials submitted in satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Science of the Vienna University of Technology, Faculty of Civil Engineering Dissertation Bewirtschaftung von Kunststo˙abfällen in Österreich: Analyse des Ist-Zustandes und Ermittlung von Optimierungspotentiale aus kologischer Sicht ausgefhrt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften eingereicht an der Technischen Universität Wien, Fakultät fr Bauingenieurwesen von Emile Van Eygen, MSc. Matrikelnummer 1241735 1090 Wien Scienti˝c committee Associate Prof. Johann Fellner Institute for Water Quality and Resource Management TU Wien Associate Prof. Mario Grosso Department of Civil and Environmental Engineering Politecnico di Milano Prof. Stefanie Hellweg Institute of Environmental Engineering ETH Zrich Vienna, September 2018 iii Acknowledgements First and foremost, I would like to extend my gratitude to Johann Fellner for giving me the opportunity to start this project, for always being ready to provide guidance and support and for giving me the freedom to explore alternative research areas and deviate from the direction which was originally planned. Furthermore, I would like to thank David Laner for challenging, stimulating and supporting me during the entire research project, and Julia Feketitsch, who started this project and collected a considerable amount of data for the ˝rst paper. I am also grateful to Mario Grosso and Stefanie Hellweg for evaluating the thesis, and to all reviewers and editors of the three papers, who provided valuable and constructive comments which improved the work. The work performed in this thesis was part of the Christian Doppler Laboratory for Anthropogenic Resources. I would thus like to acknowledge the ˝nancial sup- port from the Austrian Federal Ministry for Digital and Economic A˙airs, Altsto˙ Recycling Austria and Borealis, which made this project possible. Furthermore, I would like to thank all project partners, experts and companies who were willing to cooperate and share data that were indispensable for the success of the project. The colleagues at the research centre for waste and resource management deserve a lot of appreciation for the great atmosphere at the institute. You all made the past three years ˛y by, thanks to the interesting discussions and fun we had during the co˙ee breaks, beers after work, day trips, conference visits and (too) many games of table football. Finally, I am thankful to my friends and family for their everlasting support, and to Lea, for enriching the life besides work and without whom I would have not started this endeavour in the ˝rst place. v Abstract The production and consumption of plastics has seen an exceptional growth over the past decades. Simultaneously, concerns around the need for sound management of plastic wastes to prevent adverse e˙ects on environmental and human health and resource use have emerged. This thesis aims to develop a thorough understanding of the societal ˛ows and waste management of plastics to evaluate the potential of a national waste management system to mitigate the environmental problems caused by plastic wastes, using Austria as a case study. In the ˝rst step, the general structure of the plastics economy in Austria is analysed for 2010 to identify the major processes handling plastics and to quantify the ˛ows connecting these processes. This shows that the primary production of polymers amounted to 1100 kt/a, whereas the total plastics consumption in Austria equalled 1300 kt/a. Packaging was the most important application and was responsible for about half of the post-consumer waste generation, while the building & construction sector was responsible for by far the largest stock increase. Two thirds of plastic wastes were incinerated with energy recovery, while the remaining waste was recycled mechanically and chemically. The second step analyses the plastic ˛ows and its composition in the Austrian waste management system for 2013 in more detail, for the sector that produces the largest amount of plastic wastes, packaging. This waste stream amounted to 300 kt/a, half of which was composed of large and small ˝lms while one third consisted of small hollow bodies, including PET bottles. The polymer composition was consequently dominated by LDPE (46 %), PET (19 %) and PP (14 %). 34 % of the waste was sent to mechanical recycling, which achieved the current recycling target but leaves large improvements needed to reach the recently increased targets of 50 % and 55 % by 2025 and 2030, respectively. In the third step, the waste management system for plastic packaging is investigated from an environmental performance perspective by using the material ˛ow model de- veloped in step two as a basis for a life cycle assessment. This shows larger bene˝ts than burdens for the overall waste management system for 15 out of the 16 investi- gated impact categories, with the largest contribution to the bene˝ts for most impact categories coming from mechanical recycling. Furthermore, the e˙ect of changes in the recycling rate on the environmental performance is explored as well using three alternative scenarios. For ten out of the 16 impact categories, the more material is mechanically recycled, the higher the overall net bene˝ts are. However, half of the impact categories show a decreasing marginal bene˝t or absolute decrease in the net vi bene˝t, suggesting that depending on the impact category, the optimal recycling rate may lie below 100 %. Furthermore, the response of the di˙erent impact categories varies widely, so no one optimal recycling rate exists across all impact categories. The e˙ects of increasing the recycling rate on the environmental performance of the waste management system should thus be investigated in detail to create a sound basis for proposing recycling targets leading to an environmentally optimal outcome. vii Kurzfassung Die Produktion sowie der Konsum von Kunststo˙en hat in den letzten Jahrzehn- ten massiv zugenommen und damit einhergehend auch die anfallende Menge an Kunststo˙abfällen, die nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt und menschliche Gesundheit verursachen knnen wenn diese nicht ordnungsgemä behandelt wer- den. Die gegenständliche Arbeit zielt darauf ab ein umfassendes Verständnis der gesamten Kunststo˙˛sse am Beispiel Österreichs zu entwickeln und explizit fr die Abfallwirtschaft Optimierungspotentiale zu evaluieren um Umweltbelastungen durch Kunststo˙abfälle zu verringern. Als erster Schritt wurde die Struktur der sterreichischen Kunststo˙wirtschaft fr das Bezugsjahr 2010 analysiert, um die wichtigsten Prozesse zu identi˝zieren und entspre- chende Kunststo˙˛sse zwischen den Prozessen zu quanti˝zieren. Diese Analyse zeig- te, dass sich die Primärproduktion von Polymeren im Jahr 2010 auf rund 1100 kt/a belief, während der gesamte Konsum von Kunststo˙en in Österreich 1300 kt/a be- trug. Verpackungen stellten dabei die wichtigste Anwendung von Kunststo˙en dar und waren fr etwa die Hälfte aller in Österreich anfallenden post-Consumer Kunst- sto˙abfälle verantwortlich, wohingegen der Bausektor den mit Abstand grten La- gerzuwachs von Kunststo˙en verzeichnete. Zwei Drittel der Kunststo˙abfälle wurden einer energetischen Verwertung zugefhrt, während die verbleibenden Abfälle werk- sto˜ich oder rohsto˜ich verwertet wurden. Als zweiter Schritt wurden fr den Verpackungssektor, jenen Sektor welcher die mei- sten Kunststo˙abfälle produziert, die Kunststo˙˛sse und deren Zusammensetzung im sterreichischen Abfallwirtschaftssystem fr das Bezugsjahr 2013 im Detail ana- lysiert. Dieser Abfallstrom belief sich auf 300 kt/a, welcher sich zur Hälfte aus groen und kleinen Folien zusammensetzte und zu einem Drittel aus kleinen Hohlkrpern (in- kl. PET-Flaschen) bestand. Die Polymerzusammensetzung bestand demnach gr- tenteils aus LPDE mit 46 %, PET mit 19 % und PP mit 14 %. Insgesamt wurden 34 % der Kunststo˙verpackungsabfälle einer sto˜ichen Verwertung zugefhrt, wo- durch das aktuelle Recyclingziel von 22.5 % zwar erreicht werden konnte, aber groer Verbesserungsbedarf besteht, um die fr 2025 und 2030 erhhten Ziele von 50 % bzw. 55 % zu erreichen. Als dritter Schritt wurde das aktuelle Abfallwirtschaftssystem fr Kunststo˙ver- packungen aus kologischer Sicht untersucht. Dazu wurde basierend auf der im zwei- ten Schritt entwickelten Material˛ussanalyse eine Ökobilanz erstellt. Die Ergebnisse der Analyse zeigten in 15 von 16 untersuchten Wirkungskategorien grere Nutzen als Belastungen durch die gegenwärtige Abfallbewirtschaftung, wobei der grte Nut- viii zenbeitrag in den meisten Wirkungskategorien durch die sto˜iche Verwertung erzielt wird. Darber hinaus wurde anhand drei verschiedener Szenarien der E˙ekt von ver- änderten Recyclingquoten auf die Umweltauswirkungen untersucht. Fr 10 von 16 Wirkungskategorien konnte gezeigt werden, dass der Netto-Nutzen hher wird, je mehr Material werksto˜ich verwertet wird. Allerdings zeigten die Hälfte der Wir- kungskategorien einen sinkenden Grenznutzen oder eine absolute Verminderung des Netto-Nutzens, wodurch sich schlieen lässt, dass abhängig von der Wirkungskate- gorie die optimale Recyclingquote unter 100 % liegt. Aufgrund der Tatsache, dass eine Steigerung der Recyclingrate die einzelnen Wirkungskategorien unterschiedlich beein˛usst, ergeben sich je nach Wirkungskategorie unterschiedliche Optima fr die Recyclingquote. Um zuknftig eine solide Grundlage