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Comparison of a system expansion and allocation approach for the handling of multi-output processes in life cycle assessment – a case study for nano-cellulose and biogas production from elephant manure

Theresa Krexner
Theresa Krexner
, 
Iris Kral
Iris Kral
, 
Andreas Gronauer
Andreas Gronauer
, 
Francisco Javier Medel-Jiménez
Francisco Javier Medel-Jiménez
 et 
Alexander Bauer
Alexander Bauer
   | 23 juin 2022
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment's Cover Image
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Publié en ligne: 23 juin 2022
Pages: 113 - 121
Reçu: 31 août 2021
Accepté: 18 oct. 2021
DOI: https://doi.org/10.2478/boku-2021-0012
Mots clés
© 2021 Theresa Krexner et al., published by Sciendo
This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 3.0 License.

Figure 1

Overview of the “system expansion” approach based on utilization equality. Based on Grahl and Klöpffer (2009)Abbildung 1. Überblick über den „Systemerweiterungsansatz“ basierend auf „Nutzengleichheit“; basierend auf Grahl and Klöpffer (2009)
Overview of the “system expansion” approach based on utilization equality. Based on Grahl and Klöpffer (2009)Abbildung 1. Überblick über den „Systemerweiterungsansatz“ basierend auf „Nutzengleichheit“; basierend auf Grahl and Klöpffer (2009)

Figure 2

Overview of the “system expansion” approach based on the “avoided burden principle.” Based on Grahl and Klöpffer (2009)Abbildung 2. Überblick über den „Systemerweiterungsansatz“ mit dem „avoided burden Prinzip“, basierend auf Grahl and Klöpffer (2009)
Overview of the “system expansion” approach based on the “avoided burden principle.” Based on Grahl and Klöpffer (2009)Abbildung 2. Überblick über den „Systemerweiterungsansatz“ mit dem „avoided burden Prinzip“, basierend auf Grahl and Klöpffer (2009)

Figure 3

Overview of the new NFC production route with the valuable outputs biogas and NFC; the highlighted process 2) biogas production is the multi-output process within the production processNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 3. Überblick über den innovativen NFC Produktionsweg mit den vermarktbaren Outputs Biogas und NFC; der hervorgehobene Prozess 2) Biogas production ist der Multi-output Prozess des Produktionsprozesses
Overview of the new NFC production route with the valuable outputs biogas and NFC; the highlighted process 2) biogas production is the multi-output process within the production processNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 3. Überblick über den innovativen NFC Produktionsweg mit den vermarktbaren Outputs Biogas und NFC; der hervorgehobene Prozess 2) Biogas production ist der Multi-output Prozess des Produktionsprozesses

Figure 4

System diagram with the “system expansion” approach with “utilization equality.” Both the outputs, the product NFC and the co-product biogas, are handled as outputs from the same system, making it a multi-output system. The dashed line illustrates the system boundary; orange processes contribute to biogas and NFC production and blue processes solely to NFC productionNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 4. Systemdiagramm mit dem „Systemerweiterungsansatz“ mit „Nutzengleichheit“: Das System wird gesamtheitlich betrachtet und beinhaltet beide Outputs, NFC und das Koppelprodukt Biogas, was es zu einem Multi-output System macht; die gestrichelte Linie markiert die Systemgrenzen; orange Prozesse tragen zur Produktion von Biogas und NFC bei, blaue Prozesse nur zur NFC Produktion
System diagram with the “system expansion” approach with “utilization equality.” Both the outputs, the product NFC and the co-product biogas, are handled as outputs from the same system, making it a multi-output system. The dashed line illustrates the system boundary; orange processes contribute to biogas and NFC production and blue processes solely to NFC productionNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 4. Systemdiagramm mit dem „Systemerweiterungsansatz“ mit „Nutzengleichheit“: Das System wird gesamtheitlich betrachtet und beinhaltet beide Outputs, NFC und das Koppelprodukt Biogas, was es zu einem Multi-output System macht; die gestrichelte Linie markiert die Systemgrenzen; orange Prozesse tragen zur Produktion von Biogas und NFC bei, blaue Prozesse nur zur NFC Produktion

Figure 5

System diagram with the allocation approach. The system is handled like a single-output system due to the allocation approach with the product NFC. The dashed line illustrates the system boundaries; orange processes contribute to biogas and NFC production and blue processes solely to NFC productionNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 5. Systemdiagramm mit dem Allokationsansatz: nur das Hauptprodukt NFC wird als Output betrachtet, die Umweltwirkungen des Biogases werden alloziert; orange Prozesse tragen zur Produktion von Biogas und NFC bei, blaue Prozesse nur zur NFC Produktion
System diagram with the allocation approach. The system is handled like a single-output system due to the allocation approach with the product NFC. The dashed line illustrates the system boundaries; orange processes contribute to biogas and NFC production and blue processes solely to NFC productionNFC, nanofibrillated celluloseAbbildung 5. Systemdiagramm mit dem Allokationsansatz: nur das Hauptprodukt NFC wird als Output betrachtet, die Umweltwirkungen des Biogases werden alloziert; orange Prozesse tragen zur Produktion von Biogas und NFC bei, blaue Prozesse nur zur NFC Produktion

Figure 6

Relative GWP of the overall system with the different approaches of multi-output handlingGWP, global warming potentialAbbildung 6. Relatives Treibhausgaspotenzial (GWP) des Gesamtsystems für die verschiedenen Ansätze mit multi-outputs umzugehen
Relative GWP of the overall system with the different approaches of multi-output handlingGWP, global warming potentialAbbildung 6. Relatives Treibhausgaspotenzial (GWP) des Gesamtsystems für die verschiedenen Ansätze mit multi-outputs umzugehen

Calculation of mass allocation factors based on the produced mass of biogas and NFC in 1 yearTabelle 1. Berechnung der Massen-Allokationsfaktoren basierend auf der produzierten Masse von Biogas und NFC in einem Jahr

Output Unit Amount Mass allocation factors
Biogas Volume (m3/year) 1,229,177*
Density (t/m3) 0.0012
mass (t/year) 1475 0.757
NFC mass (t/year) 472 0.243
Total mass (t/year) 1947

Calculation of kW hel per year based on the biogas and methane contentTabelle 3. Berechnung der kWhel pro Jahr basierend auf dem produzierten Biogas und dessen Methangehalt

Unit Amount Reference
Biogas Volume (m3/year) 1,229,177 Krexner (2020)
Methane Volume (m3/year) 746,410 Krexner (2020)
Energy content (kWh/m3) 9.97 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2016)
CHP Efficiency (%el) 38 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2016)
(kWhel/year) 2,827,851 Own calculation

Comparison of GWPs of the overall system, the biogas and NFC production with the system expansion, mass allocation, and economic allocation approachesTabelle 5. Vergleich des Treibhausgaspotenzials (GWP) des Gesamtsystems, der Biogas- und NFC-Produktion mit dem „Systemerweiterungs“-, Massenallokations- und ökonomischen Allokationsansatzes

System expansion Mass allocation Economic allocation
(kg CO2 eq./kg NFC)
Overall system 4.30 3.62 4.30
5%–95% Interpercentile range 3.92–5.09 3.25–4.29 3.96–5.08
Biogas production 0.90 0.22 0.90
NFC production 3.40 3.40 3.40

Calculation of average market price of NFCTabelle 4. Berechnung des durchschnittlichen Marktpreises von NFC

Mass (kg) Price (€) Price (€/kg NFC) Reference
NFC 1 794 794 Nanografi Nano Technology (2021)
0.5 466 932 Nanografi Nano Technology (2021)
0.5 1477 2954 Cellulose Lab (2019)
Mean 1560

Calculation of economic allocation factors based on the feed-in tariff for electricity from biogas plants and the market value of NFCTabelle 2. Berechnung der ökonomischen Allokationsfaktoren basierend auf dem Einspeisetarif für Strom aus Biogas und dem Marktwert von NFC

Output Unit Amount Reference Economic allocation factors
Biogas Supply per year (kWhel/year) 2,827,851 Own calculation, see Table 3
Economic value (€/kWhel) 0.19 BMWFW (2018) 0.00073
Total value (€) 537,291 Own calculation
NFC Mass per year (t/year) 472 Own calculation
Economic value (€/t) 1,560,233 Own calculation, see Table 4
Total value (€) 737,541,227 Own calculation 0.999
Total Value of biogas and NFC (€) 738,078,519
eISSN:
2719-5430
Langue:
Anglais
Périodicité:
4 fois par an
Sujets de la revue:
Life Sciences, Ecology, other
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