Integration of higher-order effects into life cycle assessment of information and communication technology

dc.contributor.advisorFinkbeiner, Matthias
dc.contributor.authorPohl, Johanna
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlin
dc.contributor.refereeFinkbeiner, Matthias
dc.contributor.refereeHilty, Lorenz
dc.contributor.refereeNaumann, Stefan
dc.date.accepted2022-10-14
dc.date.accessioned2022-11-14T16:27:19Z
dc.date.available2022-11-14T16:27:19Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractThe application of information and communication technology (ICT) is attributed a decisive role in the necessary reduction of energy and resource demand and associated environmental emissions. However, a closer look at the environmental impact of ICT reveals a contradictory picture: On the one hand, the application of ICT has the potential to reduce environmental impacts and counter climate change. On the other hand, ICT's direct energy and resource demands and their associated environmental impact are substantial. So far, it has not been possible to determine the actual environmental impact of various ICT applications. This is due to the lack of suitable approaches to include higher-order effects such as induction and rebound effects in the life cycle assessment (LCA) of ICT. This thesis aims at addressing this gap. With a focus on the application of ICT, this thesis therefore investigates how higher-order effects can be integrated into LCA of ICT. Higher-order effects of ICT are those that stem from the application of ICT, for example optimisation, induction or rebound effects. Three research questions were formulated for this purpose. The first was based on a literature review and identified the various challenges of including higher-order environmental effects of ICT into LCA. These challenges included methodological issues with regard to the definition of goal and scope in LCA of ICT, and the lack of empirical data on use-related higher-order effects. ased on these challenges, the second research question considered how higher-order effects can be properly addressed in the goal and scope definition in LCA. To this end, a conceptual framework \emph{The user perspective in LCA} was developed that firstly outlines various user-driven parameters, such as number and choice of products or intensification of use, and secondly relates these parameters to corresponding LCA modelling characteristics, such as definition of functional unit or system boundaries. Finally, the third research question focused on the operationalisation of the conceptual framework and its application in two case studies. The case of smart homes with smart heating in Germany was used to demonstrate the feasibility of the framework and to gain insights into the environmental assessment of smart home systems (SHS) when higher-order effects are also captured. The study design included the operationalisation of the user-driven parameters, the collection of primary data using an online survey, and the environmental assessment with LCA both of the average SHS in Germany (first case study), and of 375 different SHS in Germany (second case study). For one, findings show that direct environmental effects of the SHS are substantial. For example, heating optimisation in the average SHS must be at least 6\% of the annual heating energy demand over three years in order to balance out the effects of the production and operation of the SHS for the impact categories Climate Change and Primary Energy Demand. Secondly, it was found that user behaviour in the smart home varies greatly and that both the choice of device (induction effect) and the actual heating behaviour (rebound effect) have a decisive influence on the overall environmental performance of the SHS. It follows that the inclusion of user behaviour in LCA of ICT can increase the uncertainty of the results if the data on user behaviour are not appropriately validated. With regard to LCA modelling, it was found that a proper definition of the functional unit is particularly relevant for the integration of higher-order effects into the goal and scope definition. Another challenge can be the handling of multifunctionality when it comes to the inclusion of induction effects. With the development of the conceptual framework \emph{The user perspective in LCA} and its operationalisation and application to the case of smart homes, this research presented a novel approach to integrating higher-order effects into LCA of ICT. This is particularly relevant when investigating the environmental net saving potential of the application of ICT. Future research can tie in with this, for example in the investigation of higher-order ICT effects in other sectors, in the development of further interdisciplinary approaches for investigating product use behaviour, or in the development of databases with representative behavioural data for product assessment.en
dc.description.abstractDer Verwendung von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) wird bei der notwendigen Reduktion von Energie und Ressourcen und den damit verbundenen Umweltauswirkungen eine entscheidende Rolle zugeschrieben. Ein differenzierter Blick auf die Umweltauswirkungen lässt allerdings ein widersprüchliches Bild erkennen: Einerseits kann der Einsatz von IKT in anderen Prozessen und Sektoren Umweltbelastungen reduzieren und dem Klimawandel entgegenwirken. Andererseits sind der direkte Energie- und Ressourcenbedarf der IKT und die damit verbundenen Umweltauswirkungen erheblich. Bislang war es nicht ohne weiteres möglich, die tatsächlichen Umweltauswirkungen verschiedener IKT-Anwendungen zu ermitteln, da es an geeigneten Ansätzen fehlt, um übergeordnete Effekte wie Induktions- und Reboundeffekte, die sich aus der Anwendung der IKT ergeben, in die Ökobilanz einzubeziehen. Diese Lücke schließt die vorliegende Arbeit. Mit dem Fokus auf die Anwendung von IKT wird untersucht, wie übergeordnete Umwelteffekte in die Ökobilanz von IKT integriert werden können. Als übergeordnete Effekte werden diejenigen Effekte bezeichnet, die durch die Anwendung der IKT entstehen, beispielsweise Optimierung, Induktion, oder auch Rebound. Für die Untersuchung werden drei Forschungsfragen formuliert. Die erste bezieht sich auf die aktuellen Herausforderungen bei der Einbeziehung von übergeordneten IKT-Effekten in die Ökobilanz. Auf der Grundlage einer Literaturrecherche werden verschiedene dieser Herausforderungen identifiziert, beispielsweise methodische Herausforderungen in Bezug auf die Definition von Ziel und Untersuchungsumfang in der Ökobilanz von IKT oder der Mangel an empirischen Daten zu nutzungsbezogenen Effekten. Auf der Grundlage dieser identifizierten Herausforderungen fokussiert die zweite Forschungsfrage darauf, wie die übergeordneten Effekte bei der Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen in der Ökobilanz entsprechend berücksichtigt werden können. Dafür wird das Framework \emph{Die Nutzerperspektive in der Ökobilanz} entwickelt. Darin sind verschiedene nutzergesteuerte Parameter wie Anzahl der Produkte oder die Nutzungsintensität aufgeführt und den entsprechenden Eigenschaften in der Ökobilanz, wie der Definition der funktionalen Einheit und der Systemgrenzen zugeordnet. Die dritte Forschungsfrage konzentriert sich auf die Operationalisierung des Frameworks und dessen Anwendung in zwei Fallstudien. Als Anwendungsfall wird das Smart Home mit smarter Heizungssteuerung in Deutschland verwendet. Ziel ist es, die Machbarkeit des Frameworks zu demonstrieren und Einblicke in die Umweltbewertung von Smart Homes zu gewinnen, wenn auch übergeordnete Effekte erfasst werden. Das Studiendesign umfasst die Operationalisierung der nutzergesteuerten Parameter, die Erhebung von Primärdaten mittels einer Online-Befragung und die Umweltbewertung des durchschnittlichen Smart Homes (Fallstudie 1), sowie von 375 verschiedenen Smart Homes in Deutschland (Fallstudie 2). Die Ergebnisse verdeutlichen zum einen die erheblichen direkten Umweltauswirkungen von Smart Homes. Um die Auswirkungen aus der Produktion und dem Betrieb des Smart Homes in den Wirkungskategorien Treibhauspotential und Primärenergieverbrauch auszugleichen, muss beispielsweise durchschnittlich mindestens 6\% des jährlichen Heizenergiebedarfs über drei Jahre durch Optimierung des Heizenergieverbrauchs eingespart werden. Zum anderen wurde festgestellt, dass das Nutzungsverhalten im Smart Home sehr unterschiedlich ist und sowohl die Wahl der Geräte (Induktionseffekt) als auch das tatsächliche Heizverhalten (Rebound-Effekt) einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamtumweltbewertung des Smart Homes ausüben. Daraus folgt, dass die Einbeziehung des Nutzerverhaltens in die Ökobilanz von IKT die Unsicherheit der Resultate erhöhen kann, wenn diese nutzerspezifischen Daten nicht angemessen validiert werden. Für die Modellierung von übergeordneten Effekten in der Ökobilanz zeigen die Ergebnisse, dass eine korrekte Definition der funktionalen Einheit besonders wichtig ist. Eine Herausforderung kann der Umgang mit Multifunktionalität sein, wenn es um die Einbeziehung von Induktionseffekten geht. Mit der Entwicklung des Frameworks \emph{Die Nutzerperspektive in der Ökobilanz} und dessen Operationalisierung und Anwendung am Beispiel von Smart Homes präsentiert diese Forschung somit einen neuartigen Ansatz zur Integration von übergeordneten Effekten in die Ökobilanz von IKT. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung des Umwelteinsparpotenzials von IKT-Anwendung von Bedeutung. Daran können zukünftige Forschungsarbeiten anknüpfen, beispielsweise bei der Untersuchung des Einsparpotentials von IKT in anderen Sektoren, bei der Entwicklung von weiteren interdisziplinären Ansätzen zur Untersuchung von Produktnutzungsverhalten, oder auch bei der Entwicklung von Datenbanken mit repräsentativen Nutzungsdaten für die Produktbewertung.de
dc.description.sponsorshipBMBF, 01UU1607A, Zwischen Rebound-Risiken und Suffizienz-Chancen: Herausforderungen der Entkopplung von Umweltverbrauch und Wirtschaftswachstum am Beispiel der Digitalisierung von Dienstleistungen. Teilprojekt 1: Gesellschaftspolitik und Produktion
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/17666
dc.identifier.urihttps://doi.org/10.14279/depositonce-16451
dc.language.isoen
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16930
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16931
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16932
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.ddc629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaftende
dc.subject.otherinformation and communication technologyen
dc.subject.otherindirect effecten
dc.subject.otheruser behaviouren
dc.subject.othersmart home systemen
dc.subject.otherrebound effecten
dc.subject.otherInformations- und Kommunikationstechnologiede
dc.subject.otherindirekter Effektde
dc.subject.otherNutzungsverhaltende
dc.subject.otherSmart-Home-Systemde
dc.subject.otherRebound-Effektde
dc.titleIntegration of higher-order effects into life cycle assessment of information and communication technologyen
dc.title.translatedIntegration von übergeordneten Umwelteffekten in die Ökobilanz von Informations- und Kommunikationstechnologiede
dc.typeDoctoral Thesis
dc.type.versionacceptedVersion
tub.accessrights.dnbdomain
tub.affiliationFak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Technischen Umweltschutz::FG Technischer Umweltschutz / Sustainable Engineering
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlin

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