Critical raw materials in the european automotive sector: contextualisation and corporate-level criticality assessment

Accessibility and sustainable procurement and usage of raw materials deemed as precious, strategic, and rare is a growing worldwide concern. Discussions have been ramping up at industrial and political levels in the last decade. Raw materials that, on the one hand, bear great relevance to a system, and on the other, bear severe accessibility risks, are usually named Critical Raw Materials (CRMs). The European Union has identified a set of strategic sectors dependent on raw materials deemed critical. Among these sectors, there is automotive. Automotive is currently undergoing a disruptive phase, impacted by a few macro-trends, as electrification and softwarization, driven by technological innovation and an overall demand for more sustainable mobility. Coping successfully with these trends might be a matter of survival for automotive enterprises. In this context, the effective and sustainable management of needed CRMs, along the product lifecycle, is one of the main challenges the industry needs to address. CRMs are indeed key to manufacturing components necessary to enable these macro-trends. However, the maturity of European automotive enterprises in managing these issues has been proven to be low. The difficulty of this challenge is further exacerbated by the complexity of the product lifecycle of cars, with tens of thousands of actors involved, and as many components and sub-components. For these reasons, automotive practitioners need specific support in facing the challenge of CRMs management. A key task in the management of CRMs is criticality assessment. Criticality assessment consists of performing an objective, usually quantitative, evaluation of the level of criticality of the raw materials utilized by a system. In this way, it becomes possible to define what materials are of more concern, and subsequently take informed decisions. In a context with complex product lifecycles, long value chains, and many different types of raw materials, criticality assessment should be a crucial step. In academic literature, several criticality assessment tools (CATs) and methods are proposed. They are extremely diverse for a few reasons, starting from the diverse systems for which they are designed to assess criticality (e.g., a country, a company, a specific worldwide industry, etc.). Among the few CATs present in literature assessing criticality at the corporate level, none were found specifically conceived and developed for automotive needs with a rigorous methodology. Thus, in the presented PhD work, the main objective of developing an artifact conceived and designed to support automotive industry practitioners in performing raw materials criticality assessment, to inform their decision-making, has been pursued. The definition of this objective was also driven by the need for such a tool that emerged from exchanges with practitioners from Stellantis N.V., who participated in the research project as detailed in the document. To pursue this objective, it has been imperative to understand how to develop a raw materials CAT tailored for European automotive industry companies. To achieve this, four different questions have been addressed: (i) What is the current state of the art of raw materials criticality assessment? This question was relevant to understanding what was present in the literature and could be reused, and what was missing. (ii) What are the main issues and challenges faced by European automotive companies when dealing with CRMs? (iii) What are the requirements of European automotive practitioners towards a CAT? (iv) What features and elements should the proposed CAT present to satisfy the emerging requirements? The focus of the analysis was limited to electronic components, which, even though necessary for the functioning of cars and CRM-intensive, are often overlooked in literature in favour of other types of sub-assemblies (e.g., Li-Ion batteries). The need to develop a CAT to be directly used by practitioners to support their decision-making is consistent with Design Science Research (DSR) Methodology. This is one of the first cases where a CAT is designed leveraging a widely accepted and rigorous scientific methodology. The adopted methodology is thus a proposal for the design of future CATs. In this way, the design of CATs without a sound scientific background will be avoided in future works. The key points of the proposed methodology involve, besides the adoption of DSR, the investigation and analysis of both the features and needs of the type of systems for which the CAT is developed, combining literature and field investigations. The four sub-questions have been answered through the different stages of the DSR. For problem identification and objectives definition, the means of literature review and exchanges with experts from the industry were adopted. For the design and development of the artifact (i.e., in this case, the proposed CAT), the features of the automotive sector and the general requirements were identified by means of literature review and a set of semi-structured interviews. The interviews were addressed to eight different European automotive companies covering different stages of the value chain. Then, the CAT was designed exploiting feedback and suggestions from both industry experts and peers from academia. For the demonstration, a hypothetical large European automotive company was considered, and the main worldwide players along the materials value chains of the assessed raw materials were mapped. The results of the demonstration were then shared with the same experts from the industry involved in the design. The evaluation of the CAT was performed by submitting a questionnaire about its functionality and usefulness to them. Theoretical implications include the proposal of a methodological approach for the development of scientifically sound CATs, tailored to their application contexts. This PhD work is the first example of such an approach. Future attempts applied to different contexts might lead to the development of a set of CATs addressing different really tailored to the needs of different systems and users. Furthermore, from the analysis of the needs and requirements of the European automotive industry, it emerged that many of them are not met by the current literature. Therefore, to fill these gaps, novel indices have been designed and tested. In terms of practical implications, this is the first CAT that has been designed considering the needs and requirements of the European automotive industry, and is thus tailored to it. While identifying needs and requirements, the readiness of European automotive large companies in managing CRMs has been analysed for the first time, and some suggestions to companies and policy-makers from the results of this analysis are drawn. It is also the first case where the unit of analysis of the CAT is managed to be the actual value chain of the focal company, ensuring the relevance of the results for the users. This also supports the implementation of the Critical Raw Materials Act, which requires large enterprises from strategic sectors (including automotive) to perform periodic stress tests of the safety of their materials supply chains. The mapping of the nine assessed raw materials carried out in this work is the first one identifying the main Worldwide players on the related supply chains. The results of the demonstration are representative of the average situation of a large European automotive company. Finally, in parallel to the PhD project, some strategies to mitigate raw materials criticality have been investigated. Consistent with EU-funded projects with which the Candidate had the chance to get in touch, circular economy strategies and the implementation of circular business models in the automotive sector have been analysed in depth. Concrete pilot cases, in collaboration with large European automotive companies, have been carried out, and their potential has been analysed.

L’accessibilità e l’approvvigionamento e utilizzo sostenibile delle materie prime considerate preziose, strategiche e rare è una preoccupazione crescente a livello mondiale. Negli ultimi dieci anni, le discussioni su questo tema si sono intensificate sia a livello industriale che politico. Le materie prime che da un lato hanno una grande rilevanza per un sistema e, dall’altro, presentano gravi rischi di accessibilità, vengono solitamente chiamate Materie Prime Critiche (CRMs – Critical Raw Materials). L’Unione Europea ha identificato una serie di settori strategici dipendenti da materie prime considerate critiche, tra cui rientra anche il settore automotive. Quest’ultimo sta attraversando attualmente una fase di trasformazione radicale, impattata da alcuni macro-trend quali elettrificazione e softwarizzazione, guidati dall’innovazione tecnologica e da una domanda crescente di mobilità più sostenibile. Affrontare con successo questi trend potrebbe rappresentare una questione di sopravvivenza per le imprese del settore automobilistico. In questo contesto, la gestione efficace e sostenibile delle CRMs necessarie lungo il ciclo di vita del prodotto rappresenta una delle principali sfide che l’industria deve affrontare. Le CRMs sono infatti fondamentali per la produzione di componenti necessari ad abilitare questi macro-trend. Tuttavia, la maturità delle aziende automobilistiche europee nella gestione di queste problematiche è stata dimostrata essere bassa. La difficoltà della sfida è ulteriormente aggravata dalla complessità del ciclo di vita del prodotto automobilistico, con decine di migliaia di attori coinvolti e altrettanti componenti e sottocomponenti. Per queste ragioni, i professionisti del settore necessitano di supporti specifici per affrontare la sfida della gestione delle CRMs. Un’attività chiave in tal senso è la valutazione della criticità. La CA consiste nell’eseguire una valutazione oggettiva, solitamente quantitativa, del livello di criticità delle materie prime utilizzate da un sistema. In questo modo diventa possibile identificare quali materiali sono maggiormente preoccupanti e quindi prendere decisioni informate. In un contesto con cicli di vita del prodotto complessi, catene del valore lunghe e numerose tipologie diverse di materie prime utilizzate, la valutazione della criticità dovrebbe rappresentare una fase cruciale. Nella letteratura accademica esistono diversi strumenti e metodi per la valutazione della criticità (CATs – Criticality Assessment Tools). Questi strumenti sono estremamente diversi tra loro, per diverse ragioni, a partire dai diversi sistemi a cui si rivolgono (ad esempio: un Paese, un’azienda, un settore industriale globale, ecc.). Tra i pochi CATs presenti in letteratura che valutano la criticità a livello aziendale, nessuno è stato trovato specificamente concepito e sviluppato per le esigenze del settore automobilistico, basandosi su una metodologia solida. Per questo motivo, nel lavoro di dottorato presentato è stato perseguito l’obiettivo principale di sviluppare un artefatto concepito e progettato per supportare i professionisti dell’industria automobilistica nella conduzione della valutazione della criticità delle materie prime, al fine di supportare il processo decisionale. La definizione di tale obiettivo è stata guidata anche dal bisogno di un simile strumento emerso dagli scambi con Stellantis N.V., che ha partecipato al progetto di ricerca come dettagliato nel documento presente. Per perseguire tale obiettivo, è stato necessario comprendere come sviluppare un CAT per materie prime su misura per le aziende del settore automobilistico europeo. A tal fine, sono state affrontate quattro domande chiave: (i) Qual è lo stato dell’arte attuale della valutazione della criticità delle materie prime? (per capire cosa è già disponibile in letteratura e cosa manca) (ii) Quali sono i principali problemi e sfide affrontate dalle aziende automobilistiche europee nella gestione delle CRMs (iii) Quali sono i requisiti dei professionisti del settore automobilistico europeo rispetto a un CAT? (iv) Quali caratteristiche ed elementi dovrebbe avere il CAT proposto per soddisfare i requisiti emersi? Il focus dell’analisi è stato limitato ai componenti elettronici, che, pur essendo fondamentali per il funzionamento delle auto e presentando un’alta intensità di CRMs, sono spesso trascurati in letteratura a favore di altri sottogruppi (ad esempio: batterie agli ioni di litio). Lo sviluppo di un CAT da utilizzare direttamente dai professionisti per supportare il processo decisionale è coerente con la metodologia di Design Science Research (DSR). Questo rappresenta uno dei primi casi in cui un CAT viene progettato sulla base di una metodologia scientifica solida e ampiamente accettata. La metodologia adottata si configura, pertanto, come una proposta per la progettazione di futuri CAT. In tal modo, si intende prevenire, in studi futuri, lo sviluppo di CAT privi di un solido fondamento scientifico. I punti salienti della metodologia proposta includono, oltre all'adozione della DSR, l'analisi approfondita e l'investigazione sia delle caratteristiche intrinseche sia delle specifiche esigenze del tipo di sistema per il quale il CAT viene sviluppato, combinando indagini di letteratura e di campo. Le quattro domande sono state affrontate attraverso le diverse fasi della DSR. Per l’identificazione del problema e la definizione degli obiettivi, sono state condotte revisioni della letteratura ed interazioni con esperti del settore. Per la progettazione e lo sviluppo dell’artefatto (cioè il CAT proposto), le caratteristiche del settore automobilistico e i requisiti generali sono stati identificati attraverso una revisione della letteratura e una serie di interviste semistrutturate. Le interviste sono state condotte con otto diverse aziende automobilistiche europee, coprendo diversi stadi della catena del valore. Successivamente, il CAT è stato progettato sfruttando feedback e suggerimenti provenienti sia da esperti industriali che da colleghi accademici. Per la fase di dimostrazione, è stata presa in considerazione un'ipotetica grande azienda automobilistica europea, e sono stati mappati i principali attori globali lungo le catene del valore delle materie prime valutate. I risultati della dimostrazione sono stati poi condivisi con gli stessi esperti del settore industriale coinvolti nella fase di progettazione. Infine, la valutazione del CAT è stata effettuata sottoponendo loro un questionario sulla sua funzionalità e utilità. Infine, nell’ambito del progetto di dottorato, sono state analizzate alcune strategie per mitigare la criticità delle materie prime. Le implicazioni teoriche includono la proposta di un approccio metodologico per lo sviluppo di CAT scientificamente solidi, calibrati in funzione dei rispettivi contesti applicativi. Il presente lavoro di dottorato rappresenta il primo esempio di tale approccio. Eventuali sviluppi futuri, applicati a differenti contesti, potrebbero condurre alla definizione di un set di CAT specificamente orientati a soddisfare le esigenze dei diversi sistemi e utenti. Inoltre, dall’analisi dei bisogni e dei requisiti dell’industria automobilistica europea è emerso che molti di essi non risultano attualmente soddisfatti dalla letteratura esistente. Per colmare tali lacune, sono stati progettati e testati nuovi indici. Dal punto di vista delle implicazioni pratiche, si tratta del primo CAT concepito tenendo conto delle esigenze e dei requisiti specifici dell’industria automobilistica europea, risultando pertanto pienamente customizzato su di essa. Nel processo di identificazione dei bisogni e dei requisiti, è stato inoltre analizzato per la prima volta il livello di prontezza delle grandi imprese automobilistiche europee nella gestione delle CRMs, e da tale analisi sono state tratte alcune raccomandazioni operative rivolte sia alle aziende sia ai decisori politici. Si tratta anche del primo caso in cui l’unità di analisi del CAT corrisponde effettivamente alla catena del valore reale dell’impresa oggetto di studio, garantendo così una piena rilevanza dei risultati per gli utenti finali. Questo approccio contribuisce inoltre a supportare l’attuazione del Critical Raw Materials Act, che impone alle grandi imprese dei settori strategici (incluso quello automobilistico) di effettuare test periodici di stress sulla sicurezza delle proprie catene di approvvigionamento di materiali. La mappatura delle nove materie prime analizzate condotta in questo lavoro rappresenta il primo esercizio volto a identificare i principali attori globali lungo le rispettive catene di approvvigionamento. I risultati della fase dimostrativa sono rappresentativi della situazione media di una grande impresa automobilistica europea. In coerenza con i progetti finanziati dall’Unione Europea con cui il candidato ha avuto modo di entrare in contatto, e in parallelo al dottorato di ricerca, sono state analizzate in profondità le strategie di economia circolare e l’implementazione di modelli di business circolari nel settore automobilistico. Sono stati realizzati casi pilota concreti, anche in collaborazione con grandi aziende automobilistiche europee, e ne è stato analizzato il potenziale.