Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3641
Main Title: Lebenszyklusbasierte Nachhaltigkeitsanalyse von Technologien
Subtitle: Am Beispiel eines Projekts zum Integrierten Wasserressourcenmanagement
Translated Title: Life Cycle Based Sustainability Assessment of Technologies
Translated Subtitle: using the Example of an Integrated Water Resources Management Project
Author(s): Lehmann, Annekatrin
Advisor(s): Finkbeiner, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: ZIEL: Eine Bewertung von Technologien unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten erfordert die Betrachtung verschiedener Dimensionen und verschiedener Betrachtungsebenen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Antwort auf die Forschungsfrage zu geben, wie eine lebenszyklusbasierte, produktbezogene und vergleichende Nachhaltigkeitsanalyse von Technologien umgesetzt werden kann. Die Erörterung erfolgt sowohl theoretisch als auch praktisch am Beispiel einer Fallstudie zur Analyse alternativer Technologien im Rahmen eines Projekts zum Integrierten Wasserressourcen-management (IWRM) in Indonesien. FORSCHUNGSANSATZ: Zur Bearbeitung der Forschungsfrage werden das Konzept des Life Cycle Sustainability Assessments (LCSA) und das Integrative Nachhaltigkeitskonzept der Helmholtz-Gemeinschaft hinsichtlich ihrer Anwendung für vergleichende Technologieanalysen untersucht – insbesondere in Zusammenhang mit Entscheidungsunterstützung in Projekten mit Entwicklungs-kontext. Ein Forschungsbedarf wurde identifiziert. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse bezüglich der Forschungsfrage durch die Bearbeitung folgender Teilziele: 1) die Konkretisierung der Anwendung der Methoden der LCSA, d.h. des Life Cycle Assessments (LCA), des Life Cycle Costings (LCC) und des Social Life Cycle Assessments (SLCA) im Rahmen des Helmholtz-Konzepts, 2) die Analyse der Eignung der SLCA und der Datenbank Social Hotspot Database (SHDB) für eine verglei-chende, lebenszyklusbezogene Technologieanalyse, 3) die Diskussion der Definition der funktionellen Einheit vor dem Hintergrund der Nutzung von Synergien im LCSA- und im Helmholtz-Konzept sowie in Hinblick auf die Wahl geeigneter Technologiealternativen, 4) die Entwicklung eines Integrierten Ansatzes zur vergleichenden Technologieanalyse sowie 5) die Analyse alternativer Technologie-optionen der Wasserversorgung, -aufbereitung und Abwasserentsorgung und die Beschreibung ökologischer, ökonomischer und sozialer Aspekte der betrachteten Technologien in der IWRM-Fallstudie basierend auf dem LCSA-Ansatz. Eine Nachhaltigkeitsanalyse nach dem Helmholtz-Konzept ist nicht Ziel dieser Arbeit. Jedoch wird dieses - mehrere Betrachtungsebenen (z.B. Technologien, Gesamtgesellschaft) umspannende - Konzept bei der Entwicklung des Integrierten Ansatzes zur vergleichenden Technologieanalyse berücksichtigt. Da in der Fallstudie Elemente dieses Ansatzes verwendet werden, stellt sie gleichzeitig ein entsprechendes Anwendungsbeispiel dar. ERGEBNISSE: Der Integrierte Ansatz zur vergleichenden Technologieanalyse nutzt die Synergien des LCSA- und des Helmholtz-Konzepts. Auf theoretischer Ebene wird ein Bezug zwischen den Methoden der LCSA und den Helmholtz-Regeln hergestellt. In Hinblick auf die SLCA werden aus den SLCA guidelines (ein seit 2009 verfügbares Rahmenwerk zur SLCA) für eine vergleichende Technologie-analyse geeignete soziale Indikatoren identifiziert; vorrangig sind dies solche, die Arbeitsbedingungen adressieren. Eine Erhebung dieser Indikatoren mit spezifischen Daten erfolgte in der Fallstudie nicht. Die Analyse sozialer Aspekte der betrachteten Technologien, basierend auf generischen Daten der SHDB (d.h. auf Länder- und Sektorebene) und unter Berücksichtigung des Lebenszyklus, zeigt ein mittleres bis hohes Risiko für das Auftreten negativer sozialer Aspekte (z.B. der Missachtung von Arbeitskonventionen). Zur Erweiterung der SLCA-Methode werden unter Beachtung des Helmholtz-Konzepts zusätzliche Indikatoren zur Beschreibung von Aspekten in Zusammenhang mit einer Technologieimplementierung zur Integration in die SLCA vorgeschlagen (z.B. Akzeptanz von Technologien oder ihre Abhängigkeit von Institutionen). Die Ausprägung dieser Indikatoren wird im IWRM-Fallbeispiel beschrieben. Bei der Definition der funktionellen Einheit (für die LCSA) können aus den Helmholtz-Regeln abgeleitete Kriterien einer nachhaltigen Entwicklung in diese integriert werden. In der IWRM-Fallstudie erfolgt das am Beispiel der Abwasserbehandlung. Dadurch zeigt die vorliegende Arbeit zudem eine Möglichkeit auf, wie verschiedene Analysemethoden (z.B. LCSA und sozio-ökonomische Analysen) im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse von Technologien komplementär genutzt werden können. Die quantitative Analyse ökologischer und ökonomischer Aspekte der Technologien mit der LCA und LCC identifizierte die Energieversorgung der betrachteten Technologien als den Prozess mit dem größten Beitrag zu potentiellen Umweltwirkungen und Kosten für Nutzer der Technologien. Als Technologien mit den tendenziell geringsten potentiellen Umweltwirkungen im Vergleich zu den Alternativen wurden in der Fallstudie unter den getroffenen Annahmen folgende identifiziert: das unterirdische Sperrwerk mit Kleinwasserkraftanlage zur Förderung von Wasser aus Karsthöhlen (Wasserversorgung), UV-Desinfektion sowie Chlorung (Hygienisierung) und ein von fünf Haushalten gemeinsam genutzter Septic tank (Abwasserbehandlung). Auch aus ökonomischer Sicht können diese Technologien, verglichen mit den betrachteten Alternativen, tendenziell als die günstigsten betrachtet werden. Da das Sperrwerk beispielsweise mit hohen Errichtungskosten verbunden ist und sich diese schätzungsweise nach 22 Jahren amortisieren, gilt diese Einschätzung aber nur dann, wenn die Technologie entsprechend lange genutzt wird. Trifft diese Voraussetzung zu, besteht bei der integrierten Betrachtung der LCA- und LCC-Ergebnisse in dieser Fallstudie kein Zielkonflikt. DISKUSSION: Der Integrierte Ansatz zur vergleichenden Technologieanalyse wurde u.a. basierend auf der IWRM-Fallstudie entwickelt und wird in dieser angewendet, ist jedoch prinzipiell für eine lebenszyklusbezogene Nachhaltigkeitsanalyse von Technologien auch über den Entwicklungskontext hinaus anwendbar. In Bezug auf solche Analysen besteht ein Forschungsbedarf derzeit sowohl hinsichtlich der Methodik und Anwendbarkeit einzelner Methoden (z.B. SLCA), als auch hinsichtlich der Frage, wie komplementäre Methoden der Nachhaltigkeitsanalyse gemeinsam genutzt werden können. Der vorgestellte Integrierte Ansatz zur vergleichenden Technologieanalyse ist hierfür relevant, weil er zum einen Vorschläge zur Erweiterung bestehender Methoden (SLCA) macht und zum anderen aufzeigt, wie Lebenszyklusanalysen gemeinsam mit komplementären Methoden bzw. im Rahmen existierender Nachhaltigkeitskonzepte wie dem Helmholtz-Konzept genutzt werden können. Herausforderungen in Bezug auf die IWRM-Fallstudie ergeben sich methodisch vorrangig aufgrund der Tatsache, dass die Methoden der LCSA bislang noch nicht zur Technologieanalyse im Entwicklungskontext angewendet wurden. Praktische Herausforderungen bestehen insbesondere hinsichtlich der Verfügbarkeit spezifischer Daten für das Untersuchungsgebiet. So enthalten LCA-Datenbanken beispielsweise derzeit keine spezifischen Daten für Indonesien, weshalb hier auf europäische Daten zurückgegriffen wird. Die LCA- ebenso wie die LCC-Ergebnisse dienen daher eher für einen relativen Vergleich der Technologien und zum Aufzeigen von Tendenzen, nicht von absoluten Werten. In Hinblick auf die SLCA ist eine Berücksichtigung des gesamten Lebenswegs derzeit aufgrund der Datenverfügbarkeit fraglich. Die existierende Datenbank SHDB liefert zwar relevante Informationen zur Beschreibung sozialer Aspekte in Zusammenhang mit Technologien, für eine vergleichende Analyse sind diese jedoch - zumindest in der IWRM-Fallstudie - als nicht geeignet einzuschätzen. Die vorliegende Arbeit liefert Antworten zur Umsetzung einer lebenszyklusbasierten Nachhaltigkeitsanalyse von Technologien. Basierend auf dem Konzept des Life Cycle Sustainability Assessments wird unter Berücksichtigung des Integrativen Nachhaltigkeitskonzepts der Helmholtz-Gemeinschaft ein Integrierter Ansatz zur vergleichenden Technologieanalyse vorgeschlagen und dieser am Beispiel eines Projekts zum Integrierten Wasserressourcenmanagement angewendet.
GOAL: A comprehensive sustainability analysis of technologies requires the consideration of different dimensions and levels. The goal of this work is to provide an answer of how a life cycle based, pro-duct related and comparative technology analysis can be realised. The research question is discussed both from a theoretical and from a practical perspective taking the example of a case study which aims at analysing alternative technologies within an Integrated Water Resources Management project (IWRM) in Indonesia. RESEARCH APPROACH: To answer the research question, the concept of Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) and the Integrative Sustainability Concept of the Helmholtz-Association are analysed regarding their applicability for comparative technology analyses. A particular focus is given on the decision support process for projects with a development background. The present work identified a gap in the current scientific knowledge. This research provides new insights to the research question by presenting: 1) a concretisation of applying the methods of LCSA, namely Life Cycle Assessment (LCA), Life Cycle Costing (LCC) and Social Life Cycle Assessment (SLCA), within the Helmholtz-concept, 2) examination of the usability of SLCA and the Social Hotspot Database (SHDB) for a life cycle based, comparative technology analysis, 3) discussion of the definition of the functional unit regarding the use of synergies between the LCA- and the Helmholtz-concept as well as regarding the choice of appropriate technology options, 4) Development of an Integrated approach for a comparative technology analysis, 5) Analysis and description of alternative technologies for water supply, water treatment and sanitation and description of related environmental, economical and social aspects in the IWRM case study based on the product related LCSA approach for the IWRM case study. Although a sustainability analysis based of the Helmholtz-concept (which covers different levels, e.g. technologies, society) is not purpose of this thesis, this concept was considered when developing the Integrated approach for a comparative technology analysis. The IWRM-case study represents an example of this approach as it applies elements of it for analysing alternative technology options. RESULTS: The Integrative approach for a comparative technology analysis uses synergies of the LCSA- and the Helmholtz-concept. On a theoretical level, relations between the methods of LCSA and the Helmholtz-rules are demonstrated. Regarding SLCA, suitable indicators for a comparative technology analysis are identified from the SLCA guidelines (a framework for SLCA, available since 2009) - these are indicators that are mainly addressing working conditions. A site specific assessment of these indicators was not conducted within the IWRM-case study. The analysis of social aspects, based on generic data provided by the SHDB (i.e. on country- and on sector level) identified medium to high risks that negative social aspects occur (e.g. potential of not adopting labour conventions). In consideration of the Helmholtz-concept, additional social indicators are proposed to be integrated in the SLCA method, namely indicators which describe aspects related to technology implementation (e.g. acceptance of technologies or institutional dependencies). These indicators are described in the IWRM-case study. When defining the functional unit (for LCSA), criteria for a sustainable development, that are derived e.g. from the Helmholtz-rules, could be considered and integrated. In the case study, this is done exemplarily for the alternative sanitation technologies. Thus, this thesis also develops new possibilities how different methods (e.g. LCSA and socio-economic assessments) could be used complementarily within a sustainability analysis of technologies. The quantitative analysis of environmental and economical aspects of technologies using LCA and LCC reveals that the technologies' energy supply is the process contributing most to potential environmental impacts and to costs for technology users. The technologies showing the least potential environmental impacts compared to its alternatives (and based on the assumptions taken in the case studies) are: the underground dam and hydro power plant for water supply from carst caves (water supply), UV-disinfection and Chlorination (hygienisation) and a septic tank shared by five households (sanitation). The analysis from an economical perspective argues that these technologies can also be considered as being the most cost-effective ones, compared to its alternatives. Due to the high initial costs of the hydropower plant, and an estimated amortisation time of approximately 22 years, this is only valid, if the technology is operated over this respective time. Applying this assumption, the integrated interpretation of the LCA- and LCC-results does not lead to trade-offs. DISCUSSION: The Integrative approach for a comparative technology analysis was developed based on the IWRM-case study (and is tested within this study). However, it can be used for sustainability analysis of technologies in different contexts as well. Despite of the extensive research performed, additional research is required for sustainability analyses of technologies, both regarding methodological challenges and applicability of certain methods (e.g. SLCA) and regarding the ques-tion how different methods for sustainability analysis can be complementarily used. The proposed Integrative approach is relevant, as it suggests a possibility for a further development of the SLCA method and because it shows an example, how life cycle analyses could be used together with frameworks of existing sustainability concepts, such as the Helmholtz-concept. Regarding the IWRM case study, methodological challenges mainly derive from the fact, that the methods of LCSA have not yet been used for technology analyses in a developing context. Practical challenges occur mainly regarding the data availability. Since existing LCA databases for example do not (yet) provide specific data for Indonesia, mostly European average data is used in this work. Consequently, the LCA- and LCC-results are rather suitable for a relative comparison of technologies and for revealing tendencies than for providing absolute values. Regarding SLCA, so far, the possibilities to consider the whole life cycle are limited due the lack of data. Though the existing database SHDB provides relevant data on social aspects related to technologies, these information cannot be considered appropriately for a comparative technology analysis - at least not for the IWRM-case study. The present work provides answers on how a life cycle based sustainability analysis of technologies can be realised. Based on the Concept of Life Cycle Sustainability Assessment and considering the Integrative Sustainability Concept of the Helmholtz-Association, an Integrated approach for a comparative technology analysis is proposed and applied to a case study
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40129
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3938
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3641
Exam Date: 4-Apr-2013
Issue Date: 19-Jun-2013
Date Available: 19-Jun-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Helmholtz-Konzept
IWRM
LCSA
Nachhaltigkeitsanalyse
Technologien
Helmholtz-concept
IWRM
LCSA
Sustainability assessment
Technologies
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/
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