Examining Socio-Economic Aspects of Sustainable Materials Management - Sustainability assessment and economic optimisation modelling

Abstract

This dissertation considers Sustainable Materials Management (SMM) as one of the cornerstones of the future green economy. The basic question regarding SMM is how to shift the behaviour of society towards meeting its material needs without destabilising the natural system nor jeopardising its future, in other words: how to preserve natural capital and reduce the environmental impacts of material life cycles. Taking into consideration the difficulty of identifying appropriate SMM policies, this dissertation focuses on examining the socioeconomic aspects of SMM. More specifically, it studies the roles that sustainability assessment and economic optimisation methodologies together with policy instruments can and should play in the shift or transition in the management of materials. Forming the first part of this dissertation, chapter 2 investigates the interrelationships between sustainability assessment methodologies like Life Cycle Analysis (LCA), Life Cycle Costing (LCC) and Cost-Benefit Analysis (CBA). Due to methodological disparity of these three tools, conflicting assessment results generate confusion for many policy and business decisions. By providing a framework that shows the interrelationships between the different assessment methodologies, the dissertation helps to interpret and integrate different assessment results. Building on this framework, the dissertation discusses key aspects like reported metrics, different scopes and data requirements for example, that need to be considered when designing and integrating full sustainability assessment methodologies. The added value of the second chapter is illustrated by using the results of a study on automotive glass recycling which was carried out in Flanders (Belgium). Next to the first part of the dissertation that discusses differences, similarities and connections between LCA, LCC and CBA, the second part develops complementary economic optimisation modelling techniques. These models can support policy in developing and implementing sustainable practices with regard to scarce landfill and non-renewable resource reserve problems. In that regard, the dissertation proceeds from structuring an existing product and project related methodological assessment structure on micro level towards the development of economic optimisation models on macro level to simulate the effects policy instruments can have in terms of supporting a transition towards sustainable practices with regard to scarce landfill and non-renewable resource reserves. This way, a complementary methodological structure is created that puts emphasis on different aspects of the ‘real world’. In practice, SMM policies are distinctive because of the complexity of the decision making chain within which they have to operate and the mix of policy instruments that is required throughout a material’s life cycle to support the move towards a circular economy. Policy instruments like extraction, production or consumption taxes and waste taxes all have a distinctive effect and therefore their, sometimes counteracting, results should be considered carefully when developing SMM policies. This all indicates that it can be hard to identify policy that triggers the transition towards a resource-efficient, circular economy. What makes this even harder is the fact that appropriate methodologies combining different elements like waste accumulation, recycling and substitution in a unified framework are lacking. In this regard, economic optimisation modelling techniques can be of great value. The economic optimisation methodologies developed in the second part of the dissertation are based on the well-known Hotelling model, and non-conventional applications and extensions are added. Instead of looking at only pure resource depletion problems, chapters 3 and 4 adapt the standard Hotelling formulation and apply it to landfilling and Enhanced Waste Management (EWM) practices in order to investigate how remaining landfill capacities and waste can be used in the most sustainable way. Carrying out example simulations using Flemish data, chapter 3 studies the effects of levying landfill taxes on remaining landfill capacity use and paves a way for applications higher ranked in the waste hierarchy like recycling for example. As this chapter shows, within the used simulation structure levying a landfill tax has the effect that yearly landfilled volumes decrease considerably, thereby prolonging the time horizon until exhaustion of remaining landfill capacity is reached. Moreover, although discounted profit falls when landfill taxes are used, discounted total welfare increases considerably. In addition to the third chapter, chapter 4 goes one step further by including the so-called EWM concept that includes Waste to Material (WtM) and Waste to Energy (WtE) practices. In carrying out example simulations based on Flemish data, this fourth chapter includes all relevant EWM process flows and input parameters and thereby develops a dynamic optimisation model that originates from the one presented in chapter 3. Doing this, chapter 4 analyses how landfill taxation schemes can be adjusted and transformed into waste taxes in case EWM would be applied, thereby creating a combination that enables sustainable ways of processing future waste streams. As the example simulations show, the optimal tax that optimises welfare in the no EWM scenario is higher than the one in the EWM scenario. This difference is justified by the positive external effects that are generated by EWM practices. Based on the example simulation results, generally applicable insights are given such as the fact that it is not necessarily the case that the higher the tax, the more effective waste management improvements can be realised. By deriving such insights, the third and fourth chapter could provide relevant information about the added value of using landfill and waste taxation systems within circular economy contexts. From a non-renewable resource depletion perspective, the fifth chapter of this dissertation extends the Hotelling type of modelling technique by including aspects such as recycling, substitution and waste accumulation that, to our knowledge, were never combined all together with such a Hotelling model before. Next to being generically designed in order to be applied to different kinds of non-renewable resources, the developed simulation model’s added value comes forward especially when taking into account non-competitive market settings, interacting policy instruments and environmental externalities at different stages of a material’s life cycle. A numerical example about sand extraction is included in the fifth chapter to show typical outcomes and results that can be generated. As the results of these example simulations are all in line with expectations based on theory and logical reasoning, and taking into account the generic design of the model, the provided optimisation model can be of great value as a tool for designing policies supporting the transition towards a more resource-efficient economy. In turn, this can boost economic performance while reducing resource use and negative externalities, and shift the economy towards a more resource-efficient path that should bring competitiveness and new sources of growth and jobs through cost savings from improved efficiency and better management of resources over their whole life cycle.

In dit doctoraatsproefschrift wordt duurzaam materialenbeheer (SMM) als één van de bouwstenen van een toekomstige, groene economie gezien. De centrale vraag die zich binnen SMM stelt, is hoe de maatschappij ertoe aangezet kan worden om aan haar materiaalnoden te voldoen zonder dat daarbij natuurlijke systemen uit balans gebracht worden en zonder dat daarbij de toekomst van de maatschappij in gevaar komt. Met andere woorden: hoe kunnen we ervoor zorgen dat natuurlijk kapitaal gevrijwaard wordt, daarbij rekening houdend met de milieu impacts die ontstaan in de levenscycli van materialen? Dit doctoraatsproefschrift benadrukt de moeilijkheden die gepaard gaan met het identificeren van geschikt SMM beleid en concentreert zich op de socioeconomische aspecten van SMM. Meer bepaald bestudeert dit doctoraatsproefschrift de rollen die duurzaamheid beoordelingsmethodes en economische optimalisatiemethodes samen met beleidsinstrumenten kunnen en zouden moeten spelen bij het bewerkstelligen van een transitie in materialenbeheer. Hoofdstuk 2 vormt het eerste deel van dit doctoraatsproefschrift en gaat de onderlinge relaties na tussen verschillende duurzaamheid beoordelingsmethodes zoals Levenscyclus Analyse (LCA), Levenscyclus Kostenanalyse (LCC) en Kosten-Baten Analyse (CBA). Methodologische dispariteit in deze drie methodes leidt tot conflicterende beoordelingsresultaten die er op hun beurt voor zorgen dat er verwarring ontstaat bij vele beleids- en bedrijfsbeslissingen. Door een gestructureerd kader aan te reiken dat de connecties en samenhang tussen de verschillende beoordelingsmethodes weergeeft, helpt dit doctoraatsproefschrift bij het interpreteren en integreren van verschillende beoordelingsresultaten. Voortbouwend op het verduidelijkend kader behandelt het doctoraatsproefschrift sleutelaspecten zoals bijvoorbeeld rapporteereenheden, verschillende toepassingsgebieden en datavereisten. Met deze sleutelaspecten dient rekening gehouden te worden bij het ontwerpen en integreren van methodes die alle duurzaamheidsaspecten omvatten. De toegevoegde waarde van het tweede hoofdstuk wordt geïllustreerd door gebruik te maken van de resultaten van een IX gevalstudie over de behandeling van automobielglas dat zijn einde levensfase bereikt heeft. Naast het eerste deel van het doctoraatsproefschrift dat de verschillen, gelijkenissen en connecties tussen LCA, LCC en CBA bestudeert, worden er in het tweede deel complementaire economische optimalisatie- en modelleringstechnieken ontwikkeld. Deze modellen kunnen beleidsondersteuning geven bij het ontwerpen en implementeren van duurzame praktijken op gebied van schaarse stortcapaciteit reserves en niet-hernieuwbare grondstofreserves. In dat opzicht gaat dit doctoraatsproefschrift over van het verduidelijken en structureren van een bestaande product en project gerelateerde methodologische beoordelingsstructuur op micro niveau, naar het ontwikkelen van economische optimalisatiemodellen op macro niveau. Met deze modellen kunnen de effecten gesimuleerd worden die beleidsinstrumenten hebben in het ondersteunen van een transitie naar een duurzaam gebruik van resterende stort- en niet-hernieuwbare grondstofreserves. Op die manier wordt er een complementaire methodologische structuur gecreëerd die nadruk legt op verschillende aspecten van de ‘echte wereld’. In praktijk zijn SMM gerelateerde beleidsmaatregelen vaak distinctief door de complexiteit van het besluitvormingsproces waarbinnen het beleid moet functioneren en de mix van beleidsinstrumenten die doorheen een materialencyclus vereist is om de transitie naar een circulaire economie te ondersteunen. Beleidsinstrumenten zoals extractie-, productie- of consumptieheffingen en afvalheffingen hebben allen een onderscheidend effect en daardoor zouden hun, soms tegenstrijdige, resultaten zorgvuldig overwogen moeten worden bij het ontwikkelen van SMM beleid. Dit geeft aan dat het vaak moeilijk is om een optimaal beleid te identificeren dat de transitie naar een grondstoffen-efficiënte, circulaire economie mogelijk maakt. Wat dit zelfs nog moeilijker maakt, is het gebrek aan geschikte methodes die verschillende elementen zoals afvalaccumulatie, recyclage en substitutie combineren in één universeel kader. In dat opzicht kunnen economische optimalisatietechnieken van groot belang zijn. De economische optimalisatiemethodes die ontwikkeld worden in het tweede deel van dit doctoraatsproefschrift zijn gebaseerd op het X welbekende Hotelling model. Hieraan worden verscheidene niet-conventionele toepassingen en extensies toegevoegd. In plaats van enkel te kijken naar pure grondstofuitputting problemen, passen hoofdstukken 3 en 4 de standaard Hotelling formulering aan en worden de ontwikkelde modellen toegepast op stort- en gevorderde afvalbeheerpraktijken (EWM). Dit om te onderzoeken hoe resterende stortcapaciteiten en afval gebruikt kunnen worden op de meest duurzame manier. Door simulaties uit te voeren aan de hand van Vlaamse gegevens gaat hoofdstuk 3 het effect na van het heffen van stortheffingen op het gebruik van resterende stortcapaciteit. Hierdoor wordt er een weg geëffend voor toepassingen die hoger gerangschikt staan in de afvalhiërarchie, zoals recyclage bijvoorbeeld. Zoals hoofdstuk 3 binnen de gecreëerde simulatiestructuur aantoont, heeft een invoering van stortheffingen het effect dat afvalvolumes die jaarlijks gestort worden, drastisch verminderen. Hierdoor wordt een volledige uitputting van resterende stortcapaciteit uitgesteld. Hoewel het verdisconteerde winstcijfer daalt wanneer stortheffingen gebruikt worden, neemt de totale verdisconteerde welvaart aanzienlijk toe. Aansluitend op het derde hoofdstuk, gaat hoofdstuk 4 een stap verder door het EWM concept aan het model toe te voegen. Dit concept omvat zogenaamde Afval naar Materiaal (WtM) en Afval naar Energie (WtE) praktijken. Bij het uitvoeren van de simulaties die gebaseerd zijn op Vlaamse data, voegt hoofdstuk 4 alle relevante EWM processtromen en input parameters toe en wordt er zo een dynamisch optimalisatiemodel ontwikkeld dat voortkomt uit het model dat gepresenteerd wordt in hoofdstuk 3. Door het model op deze manier verder te ontwikkelen, analyseert hoofdstuk 4 hoe stortheffingen aangepast kunnen worden en getransformeerd kunnen worden naar zogenaamde afvalheffingen in het geval dat EWM praktijken toepast zouden worden. Hierdoor wordt er een combinatie gecreëerd die het duurzaam omgaan met toekomstige afvalstromen mogelijk maakt. Zoals de voorbeeldsimulaties in het vierde hoofdstuk aantonen, ligt de optimale, welvaart maximerende stortheffing in het scenario zonder uitoefening van EWM praktijken hoger dan in het scenario waarin deze wel uitgeoefend worden. Dit verschil in heffingen wordt aangestuurd door de positieve externe effecten die door EWM gegenereerd worden. Zich baserend op de simulatieresultaten, verschaft hoofdstuk 4 algemeen toepasbare inzichten zoals bijvoorbeeld het feit dat het niet noodzakelijk het geval is dat hoe hoger de XI stortheffing is, hoe effectiever verbeteringen in afvalbeheer gerealiseerd kunnen worden. Door dergelijk inzichten aan te reiken, zouden het derde en vierde hoofdstuk relevante informatie kunnen verschaffen over de meerwaarde van het gebruik van stort- en afvalheffing systemen binnen de context van de circulaire economie. Het vijfde hoofdstuk van dit doctoraatsproefschrift handelt vanuit het perspectief van niet-hernieuwbare grondstofuitputting en breidt de op Hotelling gebaseerde optimalisatietechniek uit met aspecten zoals recyclage, substitutie en afvalaccumulatie. Dergelijke aspecten werden, voor zover onze kennis reikt, nog niet eerder op een gecombineerde wijze in een Hotelling model verwerkt. Naast het feit dat het ontwikkelde model generiek ontworpen werd opdat het toegepast kan worden op verschillende niet-hernieuwbare grondstoffen, komt de toegevoegde waarde in het bijzonder naar voren wanneer gelet wordt op functies zoals het modelleren van niet-competitieve marktscenario’s, interagerende beleidsinstrumenten en milieu-externaliteiten die kunnen ontstaan in verschillende fases van de materialencyclus. Het vijfde hoofdstuk bevat een numeriek voorbeeld over de ontginning van zand. Aan de hand van deze gevalstudie wordt er getoond wat typische conclusies en resultaten zijn die gegenereerd kunnen worden met behulp van het ontwikkelde model. Aangezien de resultaten van de voorbeeldsimulaties in lijn liggen met wat verwacht kan worden op basis van theoretische en logische redenering, en lettende op het generiek ontwerp van het model, kan besloten worden dat het ontwikkelde model als een betrouwbaar instrument gebruikt kan worden. In praktijk kan het model toegevoegde waarde leveren bij het ontwikkelen van beleid dat de transitie naar een grondstoffen-efficiënte economie ondersteunt. Deze grondstoffen-efficiënte oriëntering zou meer competitiviteit met zich kunnen meebrengen, samen met nieuwe bronnen van groei en werkgelegenheid die gecreëerd kunnen worden door een efficiënter grondstoffengebruik en een beter beheer van deze grondstoffen gedurende hun hele levenscyclus.