Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4027
Main Title: Water footprint
Subtitle: Assessing impacts of water use along product life cycles
Translated Title: Der Wasserfußabdruck
Translated Subtitle: Bewertung von Wassernutzung in Produktlebenszyklen
Author(s): Berger, Markus
Advisor(s): Finkbeiner, Matthias
Referee(s): Finkbeiner, Matthias
Hellweg, Stefanie
Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Wasserknappheit ist ein relevantes Problem für mehr als 1 Milliarde Menschen auf der Erde. Aus diesem Grund ist die Analyse des Wasserverbrauchs entlang der Wertschöpfungskette von Produkten von zunehmender Bedeutung in aktuellen Nachhaltigkeitsdiskussionen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, das Konzept des Wasserfußabdruckes weiterzuentwickeln, indem verschiedene Ansätze des Wasserfußabdruckes bewertet und angewendet werden, methodische Heraus-forderungen identifiziert werden und eine neue Methodik zum Wasserfußabdruck entwickelt wird. In einer umfangreichen Literaturrecherche sind mehr als 30 Methoden, Werkzeuge und Datenbanken zur Bestimmung des Wasserfußabdrucks identifiziert und diskutiert worden. Die Umfänge der Wasserfußabdruckansätze unterschieden sich hinsichtlich der Art der betrachteten Wassernutzung, der Unterscheidung von Gewässerarten, der Einbeziehung von Qualitätsaspekten und der Berücksichtigung von zeitlichen und regionalen Aspekten wie z.B. Wasserknappheit und Sensitivität der Bevölkerung oder von Ökosystemen. Da die fortschrittlichsten Methoden die höchsten Anforderungen an die Inventardaten stellen, muss der Zielkonflikt zwischen Genauigkeit und Anwendbarkeit in zukünftigen Datenbank- und Methodenentwicklungen adressiert werden. Da die meisten der Bilanzierungs- und Wirkungsabschätzungsmethoden kaum in der Praxis angewendet wurden, wird in dieser Arbeit eine Auswahl von Methoden in verschiedenen Fallstudien getestet. Als weltweit erste Wasserfußabdruckstudie für komplexe industrielle Produkte, wurden der Wasserverbrauch und die daraus resultierenden Konsequenzen entlang der Lebenszyklen der Volkswagenmodelle Polo, Golf und Passat untersucht. Mithilfe von Inventardatenbanken wurde der Gesamtwasserverbrauch auf Materialgruppen aufgeteilt und anschließend entsprechend der Importmixanteile oder Produktionsstandorte verschiedenen Ländern zugewiesen. Basierend auf diesen regionalisierten Wasserinventaren, wurden die Konsequenzen für die menschliche Gesundheit, Ökosysteme, und Ressourcen mithilfe aktueller Wirkungsabschätzungsmethoden bestimmt. Der Wasserverbrauch entlang des Lebensweges reicht von 52 – 83 m³/Auto. Mehr als 95% des Wassers wird während der Herstellung verbraucht – hauptsächlich durch die Produktion von Eisen, Stahl, Edelmetallen und Kunststoffen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wasserverbrauch in 43 Ländern stattfindet und dass nur 10% direkt am Produktionsstandort bei Volkswagen verbraucht werden. Konsequenzen für die menschliche Gesundheit werden von Wasserverbrauch in Südafrika und Mosambik dominiert, der aus der Produktion von Platingruppenmetallen und Aluminium resultiert. Konsequenzen für Ökosysteme und Ressourcen resultieren überwiegend aus dem Wasserverbrauch der Europäischen Werkstoffherstellung. Basierend auf der Literaturrecherche und den Fallstudien werden methodische Herausforderungen und mögliche Lösungen präsentiert. Eine Unzulänglichkeit besteht in der aktuellen Definition des Wasserverbrauchs entsprechend der verdunstet Wasser per se als verbraucht betrachtet wird. Kontinentale Verdunstungsrecyclingraten von bis zu 100% innerhalb kurzer zeitlicher und räumlicher Distanzen zeigen, dass diese Definition nicht gültig ist und überarbeitet werden sollte. Die meisten Wirkungsabschätzungsmethoden nutzen das Verhältnis von Wasserentnahme oder –verbrauch zu -verfügbarkeit um die regionale Wasserknappheit zu beschreiben. Da diese Verhältnisse von zwei Größen – Entnahme und Verfügbarkeit – beeinflusst werden, können aride Regionen als unkritisch gelten, wenn nur kleine Anteile der geringen erneuerbaren Vorkommen genutzt werden. Neben der Vernachlässigung von Sensitivitäten auf zusätzliche Wassernutzungen, berücksichtigen derartige Indikatoren weder Grund- noch Oberflächenwasservorkommen, welche die Wasserknappheit zeitweise abmildern können. Um die Unzulänglichkeiten bestehender Wasserfußabdruckmethoden zu überwinden, wurde das “water accounting and vulnerability evaluation” (WAVE) Model entwickelt. Auf der Inventarebene wird zum ersten Mal das atmosphärische Verdunstungsrecycling innerhalb von hydrologischen Einzugsgebieten untersucht, das den Wasserverbrauch um bis zu 33% reduzieren kann. Anstatt Schäden vorherzusagen, analysiert das WAVE Model die Vulnerabilität von Einzugsgebieten auf Frischwassermangel. Basierend auf der lokalen Wasserknappheit beschreibt der “water depletion index” (WDI) das Risiko, dass ein Wasserverbrauch zu einer Aufzehrung der Frischwasserressourcen führt. Die Wasserknappheit von mehr als 11.000 Einzugsgebieten wird mithilfe des Verhältnisses von jährlichem Wasserverbrauch zu Verfügbarkeit bestimmt. Zusätzlich berücksichtigt der WDI die Existenz von Seen und Grundwasserspeichern, die in Wasserknappheitsberechnungen bislang vernachlässigt wurden. Indem der WDI in (semi-)ariden Einzugsgebieten auf den höchsten Wert gesetzt wird, wird neben der relativen auch die absolute Wasserknappheit berücksichtigt. Hierdurch werden mathematische Artefakte früherer Indikatoren verhindert, die in Wüsten keine Knappheit anzeigen wenn der Wasserverbrauch gleich null ist. Wie in einer Fallstudie zu Biokraftstoffen gezeigt wurde, kann das WAVE Model dabei helfen volumetrische Wasserfußabdrücke zu interpretieren und so zu einer nachhaltigen Nutzung der globalen Frischwasserressourcen beitragen.
Freshwater scarcity is a relevant problem for more than 1 billion people around the globe. Therefore, the analysis of water consumption along the supply chain of products is of increasing relevance in current sustainability discussions. This thesis aims at enhancing the concept of water footprinting by reviewing and applying various water footprint approaches, identifying methodological challenges, and developing a novel water footprint method. In a comprehensive literature review more than 30 water footprint methods, tools, and databases have been identified and discussed. The scopes of water footprint approaches differ regarding the types of water use accounted for, the distinction of watercourses, the inclusion of quality aspects, and the consideration of temporal and regional aspects such as water scarcity and sensitivity of population or ecosystems. As the most advanced methods require the highest resolution inventory data, the trade-off between precision and applicability needs to be addressed in future database and method developments. As most of the water accounting and impact assessment methods have hardly been applied in practice, in this work a selection of methods has been tested in various case studies. Representing the first water footprint study of complex industrial products, water consumption and resulting impacts have been analyzed along the life cycles of Volkswagen’s car models Polo, Golf, and Passat. Based on inventory databases freshwater consumption throughout the cars’ life cycles has been allocated to material groups and assigned to countries according to import mix shares or location of production sites. By means of these regionalized water inventories, consequences for human health, ecosystems, and resources have been determined by using recently developed impact assessment methods. Water consumption along the life cycles of the three cars ranges from 52 – 83 m3/car. More than 95% of the water is consumed in the production phase, mainly resulting from producing iron, steel, precious metals, and polymers. Results show that water consumption occurs in 43 countries worldwide and that only 10% is consumed directly at Volkswagen’s production sites. Impacts on health tend to be dominated by water consumption in South Africa and Mozambique, resulting from the production of precious metals and aluminum. Consequences for ecosystems and resources are mainly caused by water consumption of material production in Europe. Based on the review and case studies, methodological challenges in water footprinting have been identified and potential solutions have been presented. A key challenge is the current definition of water consumption according to which evaporated water is regarded as lost for the originating drainage basin per se. Continental evaporation recycling rates of up to 100% within short time and length scales show that this definition is not valid and needs to be revised. Most impact assessment methods use ratios of annual withdrawal or consumption to availability to denote regional water scarcity. As these ratios are influenced by two metrics – withdrawal and availability – arid regions can appear uncritical if only small fractions of the little renewable supplies are used. Besides neglecting sensitivities to additional water uses, such indicators consider neither ground nor surface water stocks which can buffer water shortages temporally. Tackling the shortcomings of existing water footprint methods, the water accounting and vulnerability evaluation (WAVE) model has been developed. On the accounting level, atmospheric evaporation recycling within drainage basins is considered for the first time, which can reduce water consumption volumes by up to 33%. Rather than predicting impacts, WAVE analyzes the vulnerability of basins to freshwater depletion. Based on local blue water scarcity, the water depletion index (WDI) denotes the risk that water consumption can lead to depletion of freshwater resources. Water scarcity is determined by relating annual water consumption to availability in more than 11,000 basins. Additionally, WDI accounts for the presence of lakes and aquifers which have been neglected in water scarcity assessments so far. By setting WDI to the highest value in (semi-)arid basins, absolute freshwater shortage is taken into account in addition to relative scarcity. This avoids mathematical artefacts of previous indicators which turn zero in deserts if consumption is zero. As illustrated in a case study of biofuels, WAVE can help to interpret volumetric water footprint figures and, thus, promotes a sustainable use of global freshwater resources.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-50302
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4324
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4027
Exam Date: 16-Dec-2013
Issue Date: 11-Apr-2014
Date Available: 11-Apr-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Ökobilanz
Verdunstungsrecycling
Wasserfußabdruck
Wassernutzung
Wasserverbrauch
Evaporation recycling
Life cycle assessment
Water consumption
Water footprint
Water use
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