Unfolding the systemic role of emerging end-of-life technologies towards a circular economy of plastics

Transitioning to a circular economy (CE) of plastics has been advanced as a possible solution to face the ongoing plastic waste crisis and find alternative ways to handle plastic materials. Despite several advantages linked to CE, its development is still constrained by numerous challenges and limited traceability of plastic material/pollution flows. In light of these gaps, this research aims to (i) advance knowledge of the elements and dynamics that characterize the CE transition, from the perspective of a complex system, and (ii) investigates the role in CE and influence of emerging recycling and monitoring technologies, via visualization of the dynamic changes in system’s behaviors with firm-specific implications. The empirical analysis was carried out in the context of the Lombardy region (Italy) and along the U.S.-Mexico international border (California), using a mixed methods approach. The analysis shows initial progress towards a CE of plastics over the past decade; however, the CE transition is still hampered by (i) high waste management costs, (ii) technological and infrastructural inefficiencies, and (iii) environmental concerns, which have also hampered the integration of emerging end-of-life management technologies in existing value chains. Furthermore, these barriers have manifested in different ways and at different speeds across the value chain, requiring actor-specific interventions. The results of the analysis show that, firstly, the successful integration of mechanical and chemical recycling would require structural system’s changes aimed at (i) leveraging economies of scale for recycled plastics; (ii) regulating harmful substances that can impact recycling outputs; (iii) deploying a balanced mix of technologies; and (iv) improving waste collection and sorting. Secondly, the adoption of integrated pollution monitoring would help (i) identify the loopholes in existing value chains and waste management systems; (ii) deliver comprehensive data on the composition of mismanaged plastic wastes; (iii) define needs and priorities along the value chain to guide policies; and (iv) provide science-based guidelines for industrial stakeholders to manage their leakages. Based on the results, this thesis contributes to four main areas of research and practice. First, it contributes to theory building through the development of a conceptual framework to assess the effects of CE factors on individual value chain players. Second, it overcomes the methodological limitations of existing CE models by introducing system dynamics-based modeling and integrated monitoring to assess recycling and monitoring technologies, respectively. Third, it provides a detailed representation of material flows, stocks, prominent actors, and dynamics that characterize the industrial system. Finally, the results provide decision-support to industrial practitioners and policy makers to define priority actions based on a better understanding of the needs that characterize the ongoing CE transition.

La transizione verso un’economia circolare (CE) della plastica è stata avanzata come possibile soluzione per affrontare l’attuale crisi dei rifiuti di plastica e trovare alternative per gestire le plastiche. Nonostante i numerosi vantaggi della CE, lo sviluppo è ancora limitato da numerose sfide e dalla limitata tracciabilità dei flussi di materie plastiche/inquinamento. Alla luce di questi gap, questa ricerca mira a (i) avanzare la conoscenza degli elementi e delle dinamiche che caratterizzano la transizione alla CE, dalla prospettiva dei sistemi complessi e (ii) indagare il ruolo nella CE e l’impatto di tecnologie emergenti di riciclo e del monitoraggio, visualizzando cambiamenti dinamici nei comportamenti del sistema con implicazioni specifiche per le aziende. L’analisi empirica è stata condotta nel contesto della regione Lombardia (Italia) e lungo il confine internazionale tra Stati Uniti e Messico (California), utilizzando un approccio metodologico misto. L’analisi mostra iniziale progresso verso la CE della plastica nell’ultimo decennio; tuttavia, la transizione è ancora ostacolata da (i) elevati costi di gestione dei rifiuti, (ii) inefficienze tecnologiche e infrastrutturali e (iii) barriere ambientali, che ostacolano anche l’integrazione di tecnologie emergenti per la gestione del fine vita nelle catene del valore esistenti. Inoltre, queste barriere si manifestano in modi differenti e a diverse velocità lungo la catena del valore, necessitando interventi specifici per gli stakeholders. I risultati mostrano che il successo dell’integrazione di riciclo meccanico e chimico richiederebbe cambiamenti strutturali del sistema volti a (i) sfruttare le economie di scala per la plastica riciclata; (ii) regolamentare le sostanze nocive che possono avere un impatto sugli output del riciclo; (iii) l'implementazione di un mix equilibrato di tecnologie; e (iv) migliorare la raccolta e la differenziazione dei rifiuti. L’adozione di monitoraggio integrato dell’inquinamento può aiutare a (i) identificare le lacune nelle catene del valore esistenti e nei sistemi di gestione dei rifiuti; (ii) fornire dati completi sulla composizione di rifiuti plastici mal gestiti; (iii) definire bisogni e priorità lungo la catena del valore per guidare le politiche; e (iv) fornire linee guida basate sulla scienza affinché gli attori industriali possano gestire le perdite. Sulla base dei risultati, questa tesi contribuisce a quattro aree di ricerca e pratica. In primo luogo, contribuisce in ambito teorico allo sviluppo di un framework concettuale per valutare gli effetti dei fattori influenti nella transizione alla CE sui singoli attori della catena del valore. In secondo luogo, supera i limiti metodologici dei modelli CE esistenti introducendo modelli basati sulla dinamica dei sistemi e monitoraggio integrato per valutare rispettivamente le tecnologie di riciclaggio e monitoraggio. In terzo luogo, fornisce una rappresentazione dettagliata di flussi materiali, scorte, attori principali e dinamiche che caratterizzano il sistema industriale. Infine, i risultati forniscono supporto decisionale agli attori industriali e ai policy maker per definire le azioni prioritarie basate su una migliore comprensione delle necessità che caratterizzano la transizione CE in corso.