Plastics have increasingly become one of the most essential materials in the world, achieving a fundamental role in several industries, such as packaging, automotive and electronics, due to the unique combination of properties. Plastics' versatility, durability, lightweight nature, and cost-effectiveness have contributed to their increasingly widespread use in the European Union (EU) economy. This widespread is however causing environmental and health challenges, particularly regarding plastic pollution, littering, and greenhouse gases. Plastic debris smaller than 5mm (typically called ‘microplastics’) are also increasingly found in the environment and once dispersed in the environment they only tend to persist but also to transfer within food chains and to be potentially ingested by humans. Additionally, considering that most of plastics is currently being produced via fossil fuels, the plastic value chain represents a significant contributor to GHG emissions, mostly released during the production and manufacturing life cycle stages. As production and consumption of plastic increases, the challenges associated with GHG, littering and microplastics are also expected to become progressively relevant. Despite its relevant added value and noble purpose, circularity in the EU plastic value chain is only increasing slowly. To achieve circularity, is in fact crucial to use secondary recycled plastics in new products for reducing the demand of virgin materials. The pressure on improving plastic waste management intra-EU has also increased due to the decline of waste exports, especially since China’s waste import ban of 2018. Such decline requires further efforts to increase plastic recycling and proper waste management within the EU, although evidence suggests that a significant amount of plastic waste is still being mismanaged (intended as, inadequately disposed waste, which could be disposed in open dumps, in unspecified landfills, unaccounted, inappropriately treated/managed and/or illegally exported). In response to this wide array of multifaceted challenges, the EU has implemented a range of policies, including, among others, the European Green Deal, the EU Plastics Strategy, the Single Use Plastic Directive, and the EU Regulation restricting intentionally added polymers microparticles. These legal actions were put forward in view of promoting recycling, encouraging sustainable alternatives, and to reduce the environmental impact of plastic waste and microplastics. Further, at the international level, the EU is involved in the high ambition coalitions to end plastic pollution via a 'global plastics treaty' ending plastic pollution by 2040. To safeguard and support EU competitiveness and to meet ambitious EU policies targets, an in-depth analysis of the EU value chain is crucial. Several literature analyses emphasises that Material Flow Analysis and Life Cycle Assessment could play a pivotal role in meeting these goals. Consequently, these two approaches (and their combination) were thoroughly explored in the present PhD thesis and briefly introduced in the following sections. This PhD presents a series of analyses devoted to highlight the key methodological challenges and main results towards the development of a full eagle-eyes (“snapshot”) overview of the flow and environmental impacts associated with the whole EU27 2019 plastic value chain from production to end-of-life (including estimates for less-known flows and sectors) and across several impact categories (beyond the sole Climate Change impact). This study aims at providing a knowledge-base of plastic flows and impacts in the EU, together with the various approach and methods that could be used to model them. Results of the sector-specific top-down MFAs highlighted the role of packaging as the most important sector among those assessed, contributing to 33% of the total plastic consumption (around 45Mt). Of the total amount of post-consumer waste being generated (around 29Mt) only 38% was separately collected, with a significant fraction (13%) being mismanaged. Waste being mismanaged played a crucial role in the end-of-life management of plastic waste originated especially from the transport and electronics sectors. The 4.5Mt of recycled plastics produced and consumed in the EU27 territory led to an end-of-life recycling rate not higher than 17%. Losses of plastics (micro-/macro-plastics) mostly occurred during the use phase (39% of the total 2.1Mt of plastic lost along the value chain). Estimates for the 2019 and future scenarios for 2025 were analysed in the context of future EU sustainability and circularity targets for the plastic value chain. Results from the scenarios assessment indicated that the EU target of 10Mt of recycled plastics consumed in the EU could be achieved only if multiple actions across the value chain are put in practice. These actions should be aimed at improving the end-of-life waste management in the EU, ensuring that most of the plastic waste generated yearly is properly collected, treated, and made available to EU plastic manufacturers as high-quality recycled plastics. LCA findings of the study (calculated according to the Environmental Footprint (EF) method) revealed that the total Climate Change impacts of the EU plastic value chain amounted to 279 Mt CO2 eq. Production and manufacturing stages accounting for a significant share of more than 56% of the Climate Change impacts. The packaging sector contributed on average to around 30% of the total impacts across the various impact categories assessed, resulting in the most impactful sector among the ones assessed. The packaging sector alone dominated the savings due to recycling for the Climate Change impact category, with a total of -2.5 Mt CO2 eq. savings (94% of the total value chain savings). However, as the amount of plastic being sent to recycling facilities amounted only to around 8Mt (compared to the 23Mt of plastic waste properly collected; as estimated in Section 4), the potential savings due to recycling played only a minor role in the overall impacts of the value chain. Sensitivity scenario exploring the effect of shifts in plastic flows in the whole value chain impacts provided interesting results related to the interlinkages between plastics’ life cycle stages. Only ambitious scenarios (exploring the effects of a hypothetical high recovery and efficient plastic value chain) could provide higher impacts’ reductions, in the order of -16% for instance for the Single Score (an aggregated index summarizing all 16 impact categories of the EF). To further push impacts’ reductions, these scenarios should be coupled with a reduction in plastic production, that would guarantee savings in the Climate Change impact category as high as -28% (when the production is reduced by 10Mt). Despite reduction in plastic production, the assumed ambitious improvements in waste management would enable amounts of recyclates in the range 10-15Mt. When assessing the effects of alternative and cleaner electricity and thermal mixes, results indicated how a substitution with cleaner mixes would result in an overall reduction of both production and manufacturing impacts. These shifts would however also influence the performance of the incineration life cycle stage as the substituted energy mixes considers the increase in the share of renewables. When LCA results are monetized via monetary valuation coefficients, the costs range associated with monetized impacts would be in the range of 73 bln€2019 (minimum) and 190 bln€2019 (maximum). If such results are compared with the total costs of the EU plastic value chain (estimated at 284 bln€2019), they would represent a share in the range of 26-67%. Therefore, to account for the externalities’ costs associated with the environmental impacts of the EU plastic value chain, a total of 73-190 bln€2019 should be internalized on top of the estimated costs. Findings of this thesis highlighted how, despite a growing interest in analysing plastic flows, comprehensive EU-level studies detailing such flows at the granular level of multiple sectors/polymers along the whole value chain are currently lacking, especially those including estimates on losses, mismanaged waste, and recycled plastics’ fate. In fact, most reviewed studies contained aggregated data rather than plastic flows quantified by economic sectors, polymers, or product categories. This increased the complexity of identifying hotspots concerning plastic flows in the EU economy. The effort of a hotspot analysis may in fact not be understated, as such assessment could support policymaking in the identification of key life cycle stages/products/polymers and to better define and plan specific targets. Understanding the amounts and impacts of plastic production, consumption, and plastic waste management as well as the potential consequences of plastic pollution are fundamental for meeting several ambitious EU policies. To live up to such ambitions, better sector-specific and polymer-specific data for less-explored sectors (such as textiles and clothing, fishing, and healthcare) coupled with in-depth knowledge of recycled plastics’ fate should in fact be explored. This could represent a starting point for corrective options potentially exploring and recommending actions towards future targets in the plastic value chain (for instance, labelling strategies on plastic products, design with recycling, consumers’ awareness, etc.). Moreover, new estimates of both losses and mismanaged waste flows should not be neglected. In fact, these flows were recognized as key factors negatively influencing the circularity performance of certain plastic sectors (e.g., waste mismanagement in the case of the electronics sector). Another key finding of this thesis is that plastic production and products manufacturing are both of paramount importance in terms of flows and impacts of the plastic value chain. These two life cycle stages accounted for more than half of the total Climate Change impact of the EU value chain, especially because of the high impacts of virgin polymers production. Additionally, future trends on plastic production should be carefully analysed. In fact, albeit higher production amounts would result in higher amounts of recycled plastics being generated, this increase would also translate into even more environmental impacts. When looking at the results of the life cycle assessment analysed in this thesis, the importance of addressing impact categories beyond Climate Change has been recognized. In fact, the evaluation of greenhouse gases emissions is the only focus of most literature studies available to date regarding the estimation of the EU value chain impacts. Analysis going beyond Climate Change should however not be underestimated. For instance, the comparative performance of sorting and recycling activities and incineration with energy recovery activities might diverge when analysing different impact categories. Further, exploring a wider number of impacts categories could more easily accommodate improvements such as the inclusions of new characterization factors (that could be relevant for instance to tackle microplastics impacts). An improvement and rethinking of the value chain is mandatory and should be driven by an up-to-date knowledge of all its many hotspots, towards unveiling the untapped plastic recycling potential of the EU value chain, and to lower the environmental impacts caused by the EU plastic value chain. The findings of this study could prove useful to researchers seeking estimates and information on the EU plastic value chain, with granular details on flows and associated impacts. Researchers could leverage the results of the present thesis to provide updated estimates of plastic flows and to enrich impacts estimates. Such effort should be concentrated, if possible, on those less-examined plastic sectors (e.g., fishing, healthcare) and flows (e.g., losses, waste mismanagement and trade). The need of investigating further the EU plastic value chain is a fundamental step in view of fulfilling EU ambition in assessing its environmental impacts of plastics and therefore boosting its circularity to overcome the ever-growing plastic pollution issues.
I materiali plastici sono diventati sempre più essenziali nel mondo, rivestendo un ruolo fondamentale in diversi settori, come l'imballaggio, l'automobilistico e l'elettronica, grazie alla loro unica combinazione di proprietà. La versatilità, la durabilità, la leggerezza e l'efficienza dei costi delle plastiche hanno contribuito al loro utilizzo sempre più diffuso nell'economia dell'Unione Europea (UE). Tuttavia, questa diffusione sta causando sfide ambientali e sanitarie, in particolare riguardo all'inquinamento da plastica, alla dispersione di rifiuti e alle emissioni di gas serra. I rifiuti di plastica di dimensioni inferiori a 5 mm (solitamente chiamati "microplastiche") sono sempre più presenti nell'ambiente e, una volta dispersi, tendono a persistere e a trasferirsi all'interno delle catene alimentari, potendo essere ingeriti dagli esseri umani. Inoltre, considerando che la maggior parte delle plastiche è attualmente prodotta attraverso combustibili fossili, la catena del valore della plastica rappresenta un contributore significativo alle emissioni di gas serra, principalmente rilasciate durante le fasi di produzione e fabbricazione. Nonostante il suo valore aggiunto rilevante e il nobile scopo, la circolarità nella catena del valore della plastica dell'UE è in aumento solo lentamente. Per raggiungere la circolarità, è fondamentale utilizzare plastiche riciclate secondarie in nuovi prodotti per ridurre la domanda di materiali vergini. La pressione sull'miglioramento della gestione dei rifiuti di plastica all'interno dell'UE è aumentata a causa del declino delle esportazioni di rifiuti, in particolare dopo il divieto di importazione di rifiuti della Cina del 2018. Tale declino richiede ulteriori sforzi per aumentare il riciclaggio della plastica e la gestione appropriata dei rifiuti all'interno dell'UE, anche se le prove suggeriscono che una quantità significativa di rifiuti di plastica è ancora gestita in modo inadeguato (inteso come rifiuti smaltiti in modo inadeguato, che potrebbero essere smaltiti in discariche aperte, in discariche non specificate, non contabilizzati, trattati/ gestiti in modo inadeguato e/o esportati illegalmente). In risposta a queste molteplici sfide, l'UE ha implementato una serie di politiche, tra cui, tra le altre, il Green Deal europeo, la Strategia dell'UE sulla plastica e la Direttiva sulla plastica monouso. Queste azioni legislative sono state adottate al fine di promuovere il riciclaggio, incoraggiare alternative sostenibili e ridurre l'impatto ambientale dei rifiuti di plastica e delle microplastiche. Inoltre, a livello internazionale, l'UE è coinvolta in ambiziose iniziative per porre fine all'inquinamento da plastica attraverso un "trattato globale sulla plastica" che ponga fine all'inquinamento da plastica entro il 2040. Per salvaguardare e sostenere la competitività dell'UE e raggiungere gli obiettivi ambiziosi delle politiche dell'UE, è fondamentale un'analisi approfondita della catena del valore dell'UE. Diverse fonti in letteratura sottolineano che l'analisi del flusso dei materiali e la valutazione del ciclo di vita possono svolgere un ruolo cruciale nel raggiungimento di questi obiettivi. Di conseguenza, questi due approcci (e la loro combinazione) sono stati esplorati in modo approfondito nella presente tesi di dottorato. Questa tesi presenta una serie di analisi dedicate a evidenziare le sfide metodologiche chiave e i principali risultati verso lo sviluppo di una visione d'insieme completa ("istantanea") dei flussi e degli impatti ambientali associati alla catena del valore della plastica dell'UE27 nel 2019, dalla produzione alla fine della vita (inclusi stime per flussi e settori meno noti) e in diverse categorie di impatto (al di là dell'unico impatto del cambiamento climatico). I risultati delle analisi del settore hanno evidenziato il ruolo dell'imballaggio come il settore più importante tra quelli valutati, contribuendo al 33% del consumo totale di plastica (circa 45 milioni di tonnellate). Della quantità totale di rifiuti post-consumo generati (circa 29 milioni di tonnellate), solo il 38% è stato raccolto separatamente, con una frazione significativa (13%) gestita in modo inadeguato. I rifiuti gestiti in modo inadeguato hanno svolto un ruolo cruciale nella gestione della fine della vita dei rifiuti di plastica originati in particolare dai settori dei trasporti e dell'elettronica. I 4,5 milioni di tonnellate di plastica riciclata prodotta e consumata nel territorio dell'UE27 hanno portato a un tasso di riciclaggio di fine della vita non superiore al 17%. Le perdite di plastica (micro-/macro-plastica) sono avvenute principalmente durante la fase di utilizzo (39% del totale di 2,1 milioni di tonnellate di plastica persa lungo la catena del valore). Le stime per il 2019 e gli scenari futuri per il 2025 sono stati analizzati nel contesto degli obiettivi di sostenibilità e circularità dell'UE per la catena del valore della plastica. I risultati della valutazione degli scenari hanno indicato che l'obiettivo dell'UE di 10 milioni di tonnellate di plastica riciclata consumata nell'UE potrebbe essere raggiunto solo se vengono attuate molteplici azioni lungo la catena del valore. Tali azioni dovrebbero essere finalizzate a migliorare la gestione dei rifiuti di fine della vita nell'UE, garantendo che la maggior parte dei rifiuti di plastica generati annualmente sia raccolta, trattata e resa disponibile ai produttori di plastica dell'UE come plastica riciclata di alta qualità. I risultati della valutazione del ciclo di vita (calcolati secondo il metodo ‘Environmental Footprint’ raccomandato dalla Commissione Europea) hanno rivelato che gli impatti totali sul cambiamento climatico della catena del valore della plastica dell'UE ammontano a 279 milioni di tonnellate di CO2 equivalente. Le fasi di produzione e fabbricazione rappresentano una quota significativa di più del 56% degli impatti sul cambiamento climatico. Il settore dell'imballaggio ha contribuito in media a circa il 30% degli impatti totali nelle diverse categorie di impatto valutate, risultando il settore più impattante tra quelli valutati. Il settore dell'imballaggio da solo ha dominato i risparmi dovuti al riciclaggio per la categoria di impatto del cambiamento climatico, con un totale di -2,5 milioni di tonnellate di CO2 equivalente di risparmi (94% del valore totale della catena del valore). Tuttavia, poiché la quantità di plastica inviata alle strutture di riciclaggio ammonta solo a circa 8 milioni di tonnellate (rispetto ai 23 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica raccolti in modo appropriato; come stimato nella Sezione 4), i risparmi potenziali dovuti al riciclaggio hanno svolto un ruolo minore negli impatti complessivi della catena del valore. Gli scenari sensibilità adibiti ad esplorare l'effetto degli spostamenti dei flussi di plastica sugli impatti della catena del valore hanno fornito risultati interessanti relativi alle interconnessioni tra le fasi del ciclo di vita della plastica. Solo scenari ambiziosi (che esplorano gli effetti di una catena del valore della plastica ipoteticamente ad alto recupero ed efficiente) potrebbero fornire riduzioni degli impatti più elevati, dell'ordine del -16% ad esempio per il cosiddetto ‘Single Score’ (un indice aggregato che riassume tutte le 16 categorie di impatto dell’Environmental Footprint). Per ulteriori riduzioni degli impatti, questi scenari dovrebbero essere accoppiati con una riduzione della produzione di plastica, che garantirebbe risparmi nella categoria di impatto del cambiamento climatico fino al -28% (quando la produzione è ridotta di 10 milioni di tonnellate). Nonostante la riduzione della produzione di plastica, i miglioramenti ambiziosi nella gestione dei rifiuti assicurerebbero quantità di riciclato nell'intervallo 10-15 milioni di tonnellate. Quando i risultati della valutazione del ciclo di vita sono monetizzati attraverso coefficienti di valutazione monetaria, i costi associati agli impatti monetizzati sarebbero compresi tra 73 miliardi di euro 2019 (minimo) e 190 miliardi di euro 2019 (massimo). Se tali risultati vengono confrontati con i costi totali della catena del valore della plastica dell'UE (stimate a 284 miliardi di euro 2019), rappresenterebbero una quota compresa tra il 26% e il 67%. Pertanto, per tenere conto dei costi delle esternalità associati agli impatti ambientali della catena del valore della plastica dell'UE, un totale di 73-190 miliardi di euro 2019 dovrebbe essere internalizzato in aggiunta ai costi stimati. I risultati di questa tesi hanno evidenziato come, nonostante un crescente interesse nell'analizzare i flussi di plastica, studi approfonditi a livello dell'UE che dettagliano tali flussi a livello granulare di più settori/polimeri lungo l'intera catena del valore siano attualmente carenti, in particolare quelli che includono stime su perdite, rifiuti gestiti in modo inadeguato e destino dei riciclati di plastica. In effetti, la maggior parte degli studi esaminati conteneva dati aggregati piuttosto che flussi di plastica quantificati per settori economici, polimeri o categorie di prodotti. Ciò ha aumentato la complessità dell'identificazione dei punti critici relativi ai flussi di plastica nell'economia dell'UE. Lo sforzo di un'analisi dei punti critici non può essere sottovalutato, poiché tale valutazione potrebbe sostenere la definizione delle politiche nell'identificazione di fasi del ciclo di vita/prodotti/polimeri chiave e definire meglio e pianificare obiettivi specifici. Comprendere le quantità e gli impatti della produzione, del consumo e della gestione dei rifiuti di plastica, nonché le possibili conseguenze dell'inquinamento da plastica, sono fondamentali per raggiungere diversi obiettivi ambiziosi delle politiche dell'UE. Per soddisfare tali ambizioni, dati settoriali e polimerici specifici per settori meno esplorati (come tessili e abbigliamento, pesca e sanità) accoppiati con una conoscenza approfondita del destino dei riciclati di plastica dovrebbero essere esplorati. Ciò potrebbe rappresentare un punto di partenza per opzioni correttive che potrebbero esplorare e raccomandare azioni verso obiettivi futuri nella catena del valore della plastica (ad esempio, strategie di etichettatura sui prodotti di plastica, progettazione con riciclaggio, consapevolezza dei consumatori, ecc.). Inoltre, nuove stime di flussi di perdite e rifiuti gestiti in modo inadeguato non dovrebbero essere trascurate. In effetti, tali flussi sono stati riconosciuti come fattori chiave che influenzano negativamente le prestazioni di circolarità di determinati settori della plastica (ad esempio, la gestione inadeguata dei rifiuti nel caso del settore dell'elettronica). Un altro risultato fondamentale di questa tesi è che la produzione di plastica e la fabbricazione di prodotti sono entrambe di importanza fondamentale in termini di flussi e impatti della catena del valore della plastica. Queste due fasi del ciclo di vita rappresentano più della metà dell'impatto totale del cambiamento climatico della catena del valore dell'UE, a causa degli alti impatti della produzione di polimeri vergini. Inoltre, le tendenze future sulla produzione di plastica dovrebbero essere analizzate con attenzione. In effetti, sebbene quantità di produzione più elevate potrebbero generare quantità più elevate di plastica riciclata, tale aumento si tradurrebbe anche in impatti ambientali più elevati. Quando si esaminano i risultati della valutazione del ciclo di vita analizzati in questa tesi, l'importanza di affrontare categorie di impatto al di là del cambiamento climatico è stata riconosciuta. In effetti, la valutazione delle emissioni di gas serra è l'unico focus della maggior parte degli studi della letteratura disponibili fino ad oggi relativamente alla stima degli impatti della catena del valore dell'UE. Tuttavia, l'analisi che va al di là del cambiamento climatico non dovrebbe essere sottovalutata. Ad esempio, la prestazione comparativa delle attività di (pre-)selezione e riciclaggio e delle attività di incenerimento con recupero di energia potrebbe divergere quando si analizzano diverse categorie di impatto. Inoltre, esplorare un numero più ampio di categorie di impatto potrebbe più facilmente accogliere miglioramenti come l'inclusione di nuovi fattori di caratterizzazione (che potrebbero essere rilevanti, ad esempio, per affrontare gli impatti delle microplastiche). Un miglioramento e una rielaborazione della catena del valore sono obbligatori e dovrebbero essere guidati da una conoscenza aggiornata di tutti i suoi punti critici, al fine di svelare il potenziale di riciclaggio della plastica non sfruttato della catena del valore dell'UE e di ridurre gli impatti ambientali causati dalla catena del valore della plastica dell'UE. I risultati di questo studio potrebbero essere utili ai ricercatori che cercano stime e informazioni sulla catena del valore della plastica dell'UE, con dettagli granulari sui flussi e sugli impatti associati. I ricercatori potrebbero sfruttare i risultati della presente tesi per fornire stime aggiornate dei flussi di plastica e arricchire le stime degli impatti. Tale sforzo dovrebbe essere concentrato, se possibile, su quei settori della plastica meno esaminati (ad esempio, pesca, sanità) e flussi (ad esempio, perdite, gestione inadeguata dei rifiuti e commercio). La necessità di investigare ulteriormente la catena del valore della plastica dell'UE è un passo fondamentale per adempiere alle ambizioni dell'UE nella valutazione degli impatti ambientali della plastica e quindi aumentare la sua circolarità per superare le sempre più crescenti questioni di inquinamento da plastica.
Combining material flow analysis and life cycle assessment of the european plastic value chain. Unveiling hotspots and solutions towards increased circularity and sustainability
AMADEI, ANDREA MARTINO
2024/2025
Abstract
Plastics have increasingly become one of the most essential materials in the world, achieving a fundamental role in several industries, such as packaging, automotive and electronics, due to the unique combination of properties. Plastics' versatility, durability, lightweight nature, and cost-effectiveness have contributed to their increasingly widespread use in the European Union (EU) economy. This widespread is however causing environmental and health challenges, particularly regarding plastic pollution, littering, and greenhouse gases. Plastic debris smaller than 5mm (typically called ‘microplastics’) are also increasingly found in the environment and once dispersed in the environment they only tend to persist but also to transfer within food chains and to be potentially ingested by humans. Additionally, considering that most of plastics is currently being produced via fossil fuels, the plastic value chain represents a significant contributor to GHG emissions, mostly released during the production and manufacturing life cycle stages. As production and consumption of plastic increases, the challenges associated with GHG, littering and microplastics are also expected to become progressively relevant. Despite its relevant added value and noble purpose, circularity in the EU plastic value chain is only increasing slowly. To achieve circularity, is in fact crucial to use secondary recycled plastics in new products for reducing the demand of virgin materials. The pressure on improving plastic waste management intra-EU has also increased due to the decline of waste exports, especially since China’s waste import ban of 2018. Such decline requires further efforts to increase plastic recycling and proper waste management within the EU, although evidence suggests that a significant amount of plastic waste is still being mismanaged (intended as, inadequately disposed waste, which could be disposed in open dumps, in unspecified landfills, unaccounted, inappropriately treated/managed and/or illegally exported). In response to this wide array of multifaceted challenges, the EU has implemented a range of policies, including, among others, the European Green Deal, the EU Plastics Strategy, the Single Use Plastic Directive, and the EU Regulation restricting intentionally added polymers microparticles. These legal actions were put forward in view of promoting recycling, encouraging sustainable alternatives, and to reduce the environmental impact of plastic waste and microplastics. Further, at the international level, the EU is involved in the high ambition coalitions to end plastic pollution via a 'global plastics treaty' ending plastic pollution by 2040. To safeguard and support EU competitiveness and to meet ambitious EU policies targets, an in-depth analysis of the EU value chain is crucial. Several literature analyses emphasises that Material Flow Analysis and Life Cycle Assessment could play a pivotal role in meeting these goals. Consequently, these two approaches (and their combination) were thoroughly explored in the present PhD thesis and briefly introduced in the following sections. This PhD presents a series of analyses devoted to highlight the key methodological challenges and main results towards the development of a full eagle-eyes (“snapshot”) overview of the flow and environmental impacts associated with the whole EU27 2019 plastic value chain from production to end-of-life (including estimates for less-known flows and sectors) and across several impact categories (beyond the sole Climate Change impact). This study aims at providing a knowledge-base of plastic flows and impacts in the EU, together with the various approach and methods that could be used to model them. Results of the sector-specific top-down MFAs highlighted the role of packaging as the most important sector among those assessed, contributing to 33% of the total plastic consumption (around 45Mt). Of the total amount of post-consumer waste being generated (around 29Mt) only 38% was separately collected, with a significant fraction (13%) being mismanaged. Waste being mismanaged played a crucial role in the end-of-life management of plastic waste originated especially from the transport and electronics sectors. The 4.5Mt of recycled plastics produced and consumed in the EU27 territory led to an end-of-life recycling rate not higher than 17%. Losses of plastics (micro-/macro-plastics) mostly occurred during the use phase (39% of the total 2.1Mt of plastic lost along the value chain). Estimates for the 2019 and future scenarios for 2025 were analysed in the context of future EU sustainability and circularity targets for the plastic value chain. Results from the scenarios assessment indicated that the EU target of 10Mt of recycled plastics consumed in the EU could be achieved only if multiple actions across the value chain are put in practice. These actions should be aimed at improving the end-of-life waste management in the EU, ensuring that most of the plastic waste generated yearly is properly collected, treated, and made available to EU plastic manufacturers as high-quality recycled plastics. LCA findings of the study (calculated according to the Environmental Footprint (EF) method) revealed that the total Climate Change impacts of the EU plastic value chain amounted to 279 Mt CO2 eq. Production and manufacturing stages accounting for a significant share of more than 56% of the Climate Change impacts. The packaging sector contributed on average to around 30% of the total impacts across the various impact categories assessed, resulting in the most impactful sector among the ones assessed. The packaging sector alone dominated the savings due to recycling for the Climate Change impact category, with a total of -2.5 Mt CO2 eq. savings (94% of the total value chain savings). However, as the amount of plastic being sent to recycling facilities amounted only to around 8Mt (compared to the 23Mt of plastic waste properly collected; as estimated in Section 4), the potential savings due to recycling played only a minor role in the overall impacts of the value chain. Sensitivity scenario exploring the effect of shifts in plastic flows in the whole value chain impacts provided interesting results related to the interlinkages between plastics’ life cycle stages. Only ambitious scenarios (exploring the effects of a hypothetical high recovery and efficient plastic value chain) could provide higher impacts’ reductions, in the order of -16% for instance for the Single Score (an aggregated index summarizing all 16 impact categories of the EF). To further push impacts’ reductions, these scenarios should be coupled with a reduction in plastic production, that would guarantee savings in the Climate Change impact category as high as -28% (when the production is reduced by 10Mt). Despite reduction in plastic production, the assumed ambitious improvements in waste management would enable amounts of recyclates in the range 10-15Mt. When assessing the effects of alternative and cleaner electricity and thermal mixes, results indicated how a substitution with cleaner mixes would result in an overall reduction of both production and manufacturing impacts. These shifts would however also influence the performance of the incineration life cycle stage as the substituted energy mixes considers the increase in the share of renewables. When LCA results are monetized via monetary valuation coefficients, the costs range associated with monetized impacts would be in the range of 73 bln€2019 (minimum) and 190 bln€2019 (maximum). If such results are compared with the total costs of the EU plastic value chain (estimated at 284 bln€2019), they would represent a share in the range of 26-67%. Therefore, to account for the externalities’ costs associated with the environmental impacts of the EU plastic value chain, a total of 73-190 bln€2019 should be internalized on top of the estimated costs. Findings of this thesis highlighted how, despite a growing interest in analysing plastic flows, comprehensive EU-level studies detailing such flows at the granular level of multiple sectors/polymers along the whole value chain are currently lacking, especially those including estimates on losses, mismanaged waste, and recycled plastics’ fate. In fact, most reviewed studies contained aggregated data rather than plastic flows quantified by economic sectors, polymers, or product categories. This increased the complexity of identifying hotspots concerning plastic flows in the EU economy. The effort of a hotspot analysis may in fact not be understated, as such assessment could support policymaking in the identification of key life cycle stages/products/polymers and to better define and plan specific targets. Understanding the amounts and impacts of plastic production, consumption, and plastic waste management as well as the potential consequences of plastic pollution are fundamental for meeting several ambitious EU policies. To live up to such ambitions, better sector-specific and polymer-specific data for less-explored sectors (such as textiles and clothing, fishing, and healthcare) coupled with in-depth knowledge of recycled plastics’ fate should in fact be explored. This could represent a starting point for corrective options potentially exploring and recommending actions towards future targets in the plastic value chain (for instance, labelling strategies on plastic products, design with recycling, consumers’ awareness, etc.). Moreover, new estimates of both losses and mismanaged waste flows should not be neglected. In fact, these flows were recognized as key factors negatively influencing the circularity performance of certain plastic sectors (e.g., waste mismanagement in the case of the electronics sector). Another key finding of this thesis is that plastic production and products manufacturing are both of paramount importance in terms of flows and impacts of the plastic value chain. These two life cycle stages accounted for more than half of the total Climate Change impact of the EU value chain, especially because of the high impacts of virgin polymers production. Additionally, future trends on plastic production should be carefully analysed. In fact, albeit higher production amounts would result in higher amounts of recycled plastics being generated, this increase would also translate into even more environmental impacts. When looking at the results of the life cycle assessment analysed in this thesis, the importance of addressing impact categories beyond Climate Change has been recognized. In fact, the evaluation of greenhouse gases emissions is the only focus of most literature studies available to date regarding the estimation of the EU value chain impacts. Analysis going beyond Climate Change should however not be underestimated. For instance, the comparative performance of sorting and recycling activities and incineration with energy recovery activities might diverge when analysing different impact categories. Further, exploring a wider number of impacts categories could more easily accommodate improvements such as the inclusions of new characterization factors (that could be relevant for instance to tackle microplastics impacts). An improvement and rethinking of the value chain is mandatory and should be driven by an up-to-date knowledge of all its many hotspots, towards unveiling the untapped plastic recycling potential of the EU value chain, and to lower the environmental impacts caused by the EU plastic value chain. The findings of this study could prove useful to researchers seeking estimates and information on the EU plastic value chain, with granular details on flows and associated impacts. Researchers could leverage the results of the present thesis to provide updated estimates of plastic flows and to enrich impacts estimates. Such effort should be concentrated, if possible, on those less-examined plastic sectors (e.g., fishing, healthcare) and flows (e.g., losses, waste mismanagement and trade). The need of investigating further the EU plastic value chain is a fundamental step in view of fulfilling EU ambition in assessing its environmental impacts of plastics and therefore boosting its circularity to overcome the ever-growing plastic pollution issues.| File | Dimensione | Formato | |
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