The Circular Bioeconomy as a Regional Concept: Assessing the Regional Potential of Innovative Residue-Based Bioeconomic Technologies and their Prospective Life Cycle Environmental Impacts

The bioeconomy (BE) concept has gained considerable political interest in the past two decades and is promoted as an alternative to the current fossil-based economy with the aim of increasing sustainability. BE can be understood as a broad concept, including all sectors and systems that produce biological resources or use them to produce food, feed, bio-based products, bioenergy and services. It aims to ensure food and resource security, reduce dependence on fossil fuels, strengthen competitiveness, economic growth and job creation, while protecting the climate. However, there are increasing doubts as to whether the growing demand for biomass can be met sustainably. The expansion of cultivated land, intensification of primary production and increased biomass competition are associated with ecological and social risks. These include GHG emissions and biodiversity losses due to land use change, the eutrophication of fresh water and acidification of soils and increases in food prices. The circular bioeconomy (CBE) concept has been developed as a reaction to these problems and aims at an efficient and sustainable valorization of bio-resources. CBE is regarded as a concept that varies from region to region, especially when the focus is on the use of bio-residues, which are mostly traded on regional markets. Although the concept aims to improve sustainability, the actual sustainability benefits of CBE implementations have not been conclusively proven. Accordingly, to avoid unanticipated negative side-effects of large-scale CBE implementations, a thorough ex-ante assessment and planning of the CBE transition process under consideration of regional conditions is necessary. This thesis presents a novel integrated assessment approach to support the planning and assessment of CBE implementation at regional level. It combines methodological guidelines for (1) the selection of CBE technologies for a region based on a comprehensive assessment of their regional potential for a successful sustainable implementation with (2) a regionalized, prospective and consequential life cycle assessment (LCA) of the selected CBE technologies. Under the umbrella of the integrated assessment approach, this thesis proposes novel methods and methodological advancements. The development of the methods and their partial application to case studies are outlined in three publications. The first publication develops from a comprehensive catalog of success criteria for CBE implementation and the discussion of the region-specificity of these criteria a matching approach for CBE technologies and regions. The multi-criteria structured approach enables the selection of CBE technologies, based on their potential for successful and sustainable implementation in a specific region. The second publication presents a novel method to quantify the overall bio-residue potential of a region, which is (a) comprehensive in terms of the bio-residue categories and source sectors covered, (b) applicable at the regional level, (c) suitable to quantify industrial bio-residues, and (d) based on openly available, regularly updated, consistently categorized statistical data. This publication also demonstrates the application of the developed method to three study regions: the Federal Republic of Germany (GER), the Frankfurt Rhine-Main metropolitan region (FRM) and the city of Frankfurt/Main (Ffm). In the third publication, a regionalized, prospective, consequential LCA is carried out for a case study on insect rearing on a feed substrate based on apple pomace. Along this case study, methodological advancements are proposed. These include guidance on how to integrate regional conditions related to the valorized by-product into consequential LCA and how to model the diversion of the by-product from its current utilization pathway. Furthermore, suggestions are made for streamlining an existing scheme for upscaling innovative technologies to an industrial scale for consideration in prospective LCA. The discussion of the region-specificity of CBE success criteria shows that the majority of criteria are region-specific. Furthermore, the quantification of bio-residue potentials in GER, FRM and Ffm demonstrates significant differences between the study regions considering their characteristics as bio-residue suppliers. Differences occur in terms of the relevance of source sectors and residue categories, in the spatial densities of residue generation and the temporal trends of its annual generation. Accordingly, this thesis supports the notion of CBE as a highly regional concept and underscores the importance of reflecting regional conditions in effective CBE transition planning. The case study on bio-residue potentials further illustrates that the quantification of industrial bio-residues, which is often regarded as being possible to a limited extent for reasons of confidentiality, is feasible with a top-down approach based on waste factors, even at a high spatial resolution. However, the high spatial resolution is accompanied by uncertainties caused by data gaps and a high level of aggregation of the residue categories and source sectors. The analysis also shows that urban industrial bio-residues have meaningful potential due to their considerable spatial density. Finally, the LCA case study on insect rearing shows that the analyzed process chain still needs to be optimized to achieve a reduction of environmental impacts in most categories. Only regarding land use and eutrophication of fresh water, the replacement of soybean meal with black soldier fly larvae is advantageous. However, the identification of further optimization potential regarding an optimized composition of the feed substrate and the feeding rate shows that the upscaling underestimates the potential for environmental impact reduction in industrial implementation. Overall, the results indicate that this CBE technology has the potential to reduce environmental impacts in the long term. The LCA results also show that diverting a by-product from its current utilization pathway to a new one can contribute significantly to environmental impacts. It should therefore be considered in LCA models, as suggested in our methodological framework. In light of the results of this thesis, which substantiate the regional nature of the CBE concept and show that the environmental performance of CBE implementations is not advantageous in any case, it is concluded that the planning of the CBE transition must be thoroughly accompanied by an integrated assessment, as proposed in this thesis, to guide the transition process in a sustainable direction.

Das Konzept der Bioökonomie (BE) hat in den letzten zwei Jahrzehnten erhebliches politisches Interesse geweckt und wird als alternatives Wirtschaftskonzept propagiert, um die derzeit auf fossilen Rohstoffen basierende Wirtschaft zu ersetzen und die Nachhaltigkeit zu verbessern. Die BE kann als ein weit gefasstes Konzept verstanden werden, das alle Sektoren und Systeme umfasst, die biologische Ressourcen produzieren oder sie zur Herstellung von Lebensmitteln, Futtermitteln, biobasierten Produkten, Bioenergie und Dienstleistungen nutzen. Es zielt darauf ab, die Lebensmittel- und Ressourcensicherheit zu gewährleisten, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, die Wettbewerbsfähigkeit, das Wirtschaftswachstum und die Schaffung von Arbeitsplätzen zu stärken und gleichzeitig das Klima zu schützen. Es bestehen jedoch zunehmend Zweifel, ob die wachsende Nachfrage nach Biomasse nachhaltig gedeckt werden kann. Die Ausweitung der Anbauflächen, die Intensivierung der Primärproduktion und die zunehmende Konkurrenz um Biomasse sind mit ökologischen und sozialen Risiken verbunden. Dazu gehören Treibhausgasemissionen und Verluste an biologischer Vielfalt aufgrund von Landnutzungsänderungen, die Eutrophierung von Süßwasser und die Versauerung von Böden sowie der Anstieg von Lebensmittelpreisen. Das Konzept der zirkulären Bioökonomie (CBE) wurde als Reaktion auf diese Probleme entwickelt und zielt auf eine effiziente und nachhaltige Verwertung von Bioressourcen ab. Die Art wie eine CBE implementiert werden kann, unterscheidet sich von Region zu Region, insbesondere dann, wenn ein Schwerpunkt auf der Nutzung von Bioreststoffen liegt, die meist auf regionalen Märkten gehandelt werden. Obwohl das Konzept darauf abzielt, die Nachhaltigkeit zu verbessern, wurden die tatsächlichen Nachhaltigkeitsvorteile von CBE-Implementierungen nicht abschließend nachgewiesen. Um unvorhergesehene negative Nebeneffekte einer groß angelegten Umsetzung des CBE-Konzeptes zu vermeiden, ist daher eine sorgfältige Ex-Ante Bewertung und Planung des CBE-Transformationsprozesses unter Berücksichtigung der regionalen Gegebenheiten notwendig. In dieser Arbeit wird ein neuartiger integrierter Bewertungsansatz vorgestellt, der die Planung und Bewertung der Implementierung einer CBE auf regionaler Ebene unterstützt. Der Ansatz kombiniert methodische Leitlinien für (1) die Auswahl von CBE-Technologien für eine Region auf der Grundlage einer umfassenden Bewertung ihres regionalen Potenzials für eine erfolgreiche nachhaltige Umsetzung und für (2) ein regionalisiertes, prospektives und folgenorientiertes Life Cycle Assessment (LCA) der ausgewählten CBE-Technologien. Unter dem Dach des integrierten Bewertungsansatzes werden im Rahmen dieser Arbeit neuartige Methoden und methodische Weiterentwicklungen vorgeschlagen. Die Entwicklung der Methoden und ihre auszugsweise Anwendung auf Fallstudien werden in drei Publikationen dargestellt. Die erste Publikation entwickelt aus einem umfassenden Katalog an Erfolgskriterien für die Implementierung von CBE und der Diskussion, inwieweit diese Kriterien regionsspezifische Ausprägungen haben, einen Matching-Ansatz für CBE-Technologien und Regionen. Der multikriterielle und strukturierte Ansatz ermöglicht die Auswahl von CBE-Technologien auf der Grundlage ihres Potenzials für eine erfolgreiche und nachhaltige Umsetzung in einer bestimmten Region. In der zweiten Veröffentlichung wird eine neue Methode zur Quantifizierung des gesamten biogenen Reststoffpotenzials einer Region vorgestellt, die (a) hinsichtlich der erfassten Reststoffkategorien und Herkunftssektoren umfassend ist, (b) auf regionaler Ebene anwendbar ist, (c) zur Quantifizierung industrieller biogener Reststoffe geeignet ist und (d) auf offen zugänglichen, regelmäßig aktualisierten und konsistent kategorisierten statistischen Daten beruht. In dieser Veröffentlichung wird auch die Anwendung der entwickelten Methode auf drei Untersuchungsregionen demonstriert: die Bundesrepublik Deutschland (GER), die Metropolregion Frankfurt Rhein-Main (FRM) und die Stadt Frankfurt am Main (Ffm). In der dritten Veröffentlichung wird ein regionalisiertes, prospektives und folgenorientiertes LCA für eine Fallstudie zur Insektenaufzucht auf einem Apfeltrester-basierten Futtersubstrat durchgeführt. Entlang dieser Fallstudie werden methodische Weiterentwicklungen des LCA vorgeschlagen. Dazu gehören Anleitungen zur Integration regionaler Informationen zum genutzten Nebenprodukt ins LCA und zur Modellierung der Umleitung des Nebenproduktes von seinem derzeitigen Nutzungspfad. Darüber hinaus wird ein bestehendes Schema für das Upscaling innovativer Technologien auf einen industriellen Maßstab zur Anwendung in prospektiven LCAs weiterentwickelt. Die Diskussion der Frage, inwieweit die CBE-Erfolgskriterien sich in Regionen unterscheiden, zeigt, dass die Mehrzahl der Kriterien regionsspezifisch ist. Darüber hinaus zeigt die Quantifizierung der biogenen Reststoffpotenziale in GER, FRM und Ffm deutliche Unterschiede der Studienregionen hinsichtlich ihrer Eigenschaften als Lieferant für biogene Reststoffe. Unterschiede ergeben sich in der Relevanz der Herkunftssektoren und Reststoffkategorien, in der räumlichen Dichte des Reststoffaufkommens und in der zeitlichen Entwicklung des jährlichen Aufkommens. Dementsprechend stützt diese Arbeit die These, dass CBE ein stark regional geprägtes Konzept ist, und unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung regionaler Gegebenheiten für eine effektive Planung des CBE-Transitionsprozesses. Die Fallstudie zu biogenen Reststoffpotenzialen zeigt zudem, dass die Quantifizierung industrieller biogener Reststoffe, die aus Gründen der Vertraulichkeit oft als begrenzt möglich eingestuft wird, mit einem auf Abfallfaktoren basierenden Top-Down-Ansatz auch bei hoher räumlicher Auflösung möglich ist. Die hohe räumliche Auflösung geht jedoch mit Unsicherheiten einher, die durch Datenlücken und ein hohes Aggregationsniveau der Reststoffkategorien und Herkunftssektoren verursacht werden. Die Analyse zeigt außerdem, dass städtische industrielle biogene Reststoffe aufgrund ihrer beträchtlichen räumlichen Dichte ein bedeutsames Potenzial haben. Schließlich zeigt die LCA-Fallstudie zur Insektenaufzucht, dass die analysierte Prozesskette noch optimiert werden muss, um in den meisten Wirkungskategorien zu einer Reduzierung von Umweltwirkungen zu führen. Lediglich im Hinblick auf die Landnutzung und die Eutrophierung von Süßwasser ist der Ersatz von Sojamehl durch Larven der Schwarzen Soldatenfliege vorteilhaft. Die Identifizierung weiterer Optimierungspotenziale hinsichtlich einer optimierten Zusammensetzung des Futtersubstrats und der Fütterungsrate zeigt jedoch, dass das Upscaling die Potenziale zur Verminderung der Umweltwirkungen bei einer industriellen Umsetzung unterschätzt. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese CBE-Technologie das Potenzial hat, die Auswirkungen auf die Umwelt langfristig zu verringern. Die LCA-Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Umlenkung eines Nebenprodukts von seinem aktuellen auf einen neuen Verwertungsweg einen erheblichen Anteil an den Umweltwirkungen haben kann. Sie sollte daher in LCA-Modellen berücksichtigt werden, wie in unserem methodischen Rahmen vorgeschlagen. Die Ergebnisse dieser Thesis, die zum einen den regionalen Charakter des CBE-Konzeptes bestätigen und zum anderen zeigen, dass die Umweltperformance von CBE-Implementierungen nicht in jedem Fall vorteilhaft ist, weisen darauf hin, dass der Transitionsprozess hin zur CBE sorgfältig von einer integrierten Bewertung, wie in dieser Thesis vorgeschlagen, begleitet werden muss, um ihn in eine nachhaltige Richtung zu lenken.