Original title:
Process Design and Optimisation supported by Life Cycle Assessment for a Sustainable Plastic Value Chain
Translated title:
Process Design and Optimisation supported by Life Cycle Assessment for a Sustainable Plastic Value Chain
Authors:
Si, Chunyan ; JIA, Xuexiu (referee) ; Aviso, Kathleen B. (referee) ; Fan, Yee Van (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2025
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[eng][cze]
Výzvy udržitelnosti napříč hodnotovým řetězcem plastů – od těžby surovin až po nakládání na konci životního cyklu – zůstávají zásadní překážkou pro rozvoj oběhového hospodářství. Ačkoli je posuzování životního cyklu (LCA) široce využíváno k vyčíslování environmentálních dopadů, často nedokáže postihnout dynamickou, víceaktérovou a vícerozměrnou povahu rozhodovacích procesů. Tato dizertační práce řeší tuto mezeru vývojem integrovaného metodologického rámce, který kombinuje LCA s doplňkovými analytickými nástroji na podporu kontextově specifických rozhodnutí o udržitelnosti. Rámec je strukturován podle klíčových fází hodnotového řetězce plastů: výroba surovin, výroba produktů, spotřeba a užívání, a nakládání na konci životního cyklu (EOL). Ve fázi výroby surovin byla provedena systematická rešerše literatury a metaanalýza 130 recenzovaných studií hodnocení životního cyklu (LCA), aby byly identifikovány výkonnostní kompromisy bioplastů ve srovnání s plasty na bázi fosilních paliv. Fáze výroby produktů je zkoumána pomocí modelu systémové dynamiky, který simuluje časovou zpětnou vazbu mezi tokem materiálu, environmentálními dopady a zásahy do produktových strategií. Zapojení spotřebitelů je řešeno pomocí Stackelbergova herního modelu, který zkoumá interakci mezi regulátory a spotřebiteli v rámci různých motivačních schémat. Ve fázi konce životnosti (EOL) je použit kooperativní herní přístup k spravedlivějšímu rozdělení environmentálních zátěží mezi zúčastněné strany v systému nakládání s plastovým odpadem, aby se zvýšil jejich podíl na recyklaci plastů. Posouzení sociálních dopadů je provedeno v celém hodnotovém řetězci a komplexní hodnocení udržitelnosti je vytvořeno integrací environmentálních, ekonomických a sociálních dimenzí za účelem podpory vyváženého rozhodování. Klíčová zjištění ukazují na značnou variabilitu environmentální výkonnosti bioplastů, která je ovlivněna typem surovin a metodickými volbami; nelineární dopady zásahů do produktových strategií na dlouhodobé přechody materiálových toků; zásadní roli sladění pobídek při snižování úniku plastů a podpoře udržitelné spotřeby; a důležitost přijatelných mechanismů rozdělování zátěží pro podporu dlouhodobé spolupráce mezi aktéry v oblasti recyklace plastů. Hodnocení sociálních dopadů dále identifikuje zranitelnost specifických skupin zúčastněných stran, zatímco integrované hodnocení udržitelnosti umožňuje lepší pochopení kompromisů a synergických efektů mezi environmentálními, ekonomickými a sociálními dimenzemi. Tato dizertace přispívá jak k teoretickému, tak praktickému rozvoji tím, že integruje LCA s dynamickými a strategickými modelovacími nástroji a nabízí přenositelný rámec pro řešení složitých problémů udržitelnosti v materiálových systémech. Získané poznatky mají za cíl podpořit výzkumníky, tvůrce politik a průmyslové aktéry při vývoji adaptivnějších a inkluzivnějších strategií pro udržitelné řízení plastů a dalších oblastí.
The sustainability challenges across the plastic value chain, ranging from raw material extraction to end-of-life management, remain a critical barrier to circular economy advancement. While Life Cycle Assessment (LCA) has been widely adopted to quantify environmental impacts, it often falls short in addressing the dynamic, multi-actor, and multi-dimensional nature of decision-making. The current thesis addresses this gap by developing an integrated methodological framework that combines LCA with complementary analytical tools to support context-specific sustainability decisions. The framework is structured around the key stages of the plastic value chain, i.e., raw material production, product manufacturing, consumption and use, and end-of-life (EOL) treatment. For raw material production stage, a systematic literature review and meta-analysis of 130 peer-reviewed LCA studies is conducted to identify performance trade-offs of bioplastics compared to fossil-based plastics. The product manufacturing stage is examined using a system dynamics model that simulates temporal feedback among material flows, environmental impacts, and product strategy interventions. Consumer engagement is addressed through a Stackelberg game-theoretic model that explores the interaction between regulators and consumers under different incentive schemes. In the EOL phase, a cooperative game-theoretic approach is applied to allocate environmental burdens more fairly among stakeholders in the plastic waste management system to increase their contribution for plastic recycling. A social impact assessment is conducted across the entire value chain, and a holistic sustainability evaluation is developed by integrating environmental, economic, and social dimensions to support balanced decision-making. The findings highlight the substantial variation in the environmental performance of bioplastics, driven by differences in feedstock types and methodological choices; the non-linear impact of product strategy interventions on long-term material transitions; the critical role of incentive alignment in reducing plastic leakage and fostering sustainable consumption; and the importance of accepted burden allocation mechanisms in supporting long-term collaboration among stakeholders in plastic recycling. The social impact assessment further identifies stakeholder-specific vulnerabilities, while the integrated sustainability evaluation enables a clearer understanding of trade-offs and synergies across environmental, economic, and social dimensions. This thesis contributes to both theoretical and practical advancements by integrating LCA with dynamic and strategic modelling tools, offering a transferable framework for tackling complex sustainability issues in material systems. The insights aim to support researchers, policymakers, and industry stakeholders in developing more adaptive and inclusive strategies for sustainable plastic governance and beyond.
Keywords:
Metodiky specifické pro jednotlivé fáze; Plastový hodnotový řetězec; Posuzování životního cyklu (LCA); Udržitelné rozhodování; Zapojení zúčastněných stran; Řízení konce životnosti; End-of-Life (EOL) Management; Life Cycle Assessment (LCA); Plastic Value Chain; Stage-specific Methodologies; Stakeholder Engagement; Sustainable Decision-Making
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/255567
guest ::
