Development of a circularity indicator combining material depletion and carbon footprint of products with a dynamic approach : a PV panels case study

The world is facing one of the most dramatic crises ever and many threats are now endangering the Earth (United Nations Environment Programme, 2020). Firstly, some areas are facing a scarcity of raw materials (Ellen MacArthur Foundation, 2015) due to overexploitation of natural reserves (Martins & Castro, 2020). Material depletion highlights how the production pace of today’s society is no longer sustainable (Geissdoerfer et al., 2017). On the other hand, the global temperature has constantly been rising in the last decades (IPCC, 2018). This has many drawbacks on the planet’s ecosystems (Tanaka et al., 2017). The above situation has made it clear that it is necessary to switch from linear economy to circular economy. Circularity implies that materials, after years of utilization, are interpreted as nutrients for new products in a biological-like metabolism, rather than waste (M. Z. Hauschild et al., 2018). Because of that, products tend to have subsequent lives after the first (Ellen MacArthur Foundation, 2015). However, the transition towards circularity must also consider the climate change issue (Niero & Kalbar, 2019). Indeed, every recycling process prevents raw materials from being consumed, but it can also generate a certain amount of GHGs emissions: it is nonsense to give a second life to a product if the recycling process has an enormous negative impact on the environment in terms of GHGs (Niero & Kalbar, 2019). The goal of the present thesis work is the development of a methodology that allows evaluating different circularity strategies on the basis of both the aforementioned issues (i.e., material depletion and global warming potential). The developed indicator, called C3A (Carbon Circular Cycle Assessment), provides a rank among different processes, in order to understand which one could be the less harmful for the planet. The methodology has been designed and then tested on a case study concerning solar panels. Three EoL scenarios have been analyzed: no recycle, partial recycle, and complete recycle. For each one of the three EoL scenarios three different energy mixes were considered: fossil (base scenario), partially renewable (real scenario), and fully renewable (improved scenario). The indicator was developed thanks to the collaboration between Politecnico di Milano, the Italian Demetra Società Cooperativa Sociale Onlus and the Spanish Eco Intelligent Growth (EIG).

Il pianeta sta fronteggiando una delle più drammatiche crisi ambientali di sempre e molte minacce stanno mettendo in pericolo l’ambiente (United Nations Environment Programme, 2020). In primo luogo, alcune aree stanno riscontrando una carenza di materie prime (Ellen MacArthur Foundation, 2015) a causa del sovrasfruttamento delle riserve naturali (Martins & Castro, 2020). Questo fenomeno mette in evidenza che il ritmo produttivo della società odierna non è più sostenibile (Geissdoerfer et al., 2017). In aggiunta, la temperatura globale sta aumentando costantemente (IPCC, 2018) con molteplici ripercussioni negative sugli ecosistemi terrestri (Tanaka et al., 2017). Questa situazione ha reso sempre più evidente la necessità di una transizione da un modello economico “lineare” ad un’economia circolare. La circolarità prevede che i materiali, dopo anni di utilizzo, non siano visti come scarti, bensì come nutrienti per nuovi prodotti in un ciclo comparabile a quello biologico (M. Z. Hauschild et al., 2018). Come conseguenza, i prodotti possono avere vite successive alla prima (Ellen MacArthur Foundation, 2015). Inoltre, la transizione verso la circolarità dovrebbe tenere in considerazione anche i cambiamenti climatici (Niero & Kalbar, 2019). Infatti, se da un lato il riciclo di materiale permette di preservare le risorse naturali, dall’altro potrebbe produrre una quantità notevole di emissioni di gas serra: non avrebbe quindi senso riciclare un prodotto se il riciclo stesso danneggiasse l’ambiente con una quantità di emissioni troppo elevata (Niero & Kalbar, 2019). L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di sviluppare una metodologia che permetta di valutare diverse strategie di circolarità tenendo in considerazione entrambe le problematiche menzionate (sfruttamento delle risorse naturali e potenziale effetto sul riscaldamento globale). L’indicatore sviluppato, denominato C3A (Carbon Circular Cycle Assessment), fornisce una graduatoria tra differenti processi, al fine di capire quale sia il meno dannoso per il pianeta. La metodologia è stata dapprima ideata e, successivamente, testata su un caso di studio relativo a dei pannelli solari. In particolare, sono stati analizzati tre scenari di fine vita: nessun riciclo, riciclo parziale e riciclo completo del prodotto. Per ognuna delle tre casistiche si sono considerati tre diversi mix energetici: mix fossile (scenario base), mix parzialmente rinnovabile (scenario reale) e mix completamente rinnovabile (scenario migliorato). L’indicatore è nato da una stretta collaborazione tra Politecnico di Milano, Demetra Società Cooperativa Sociale Onlus, avente sede in Italia, e la spagnola Eco Intelligent Growth (EIG).