Enhancement of environmental distance-to target weighting in life cycle assessment
Creators: name: Muhl, Marco Wolfgang
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: LCIA
subject: distance to target
subject: weighting
subject: policy targets
subject: science-based targets
subject: ecological scarcity method
subject: regionalization

description: The need for handling trade-offs as an outcome of complex environmental assessments like life cycle assessment (LCA) is crucial for decision-making. In this context, weighting as an optional element of LCA can support decision-makers in industry, government, and non-governmental organizations. Weighting is defined as “the process of converting indicator results of different impact categories by using numerical factors based on value-choices” (ISO 14044 2006). An increased interest in weighting methods in science, policy, and companies has led to several methodological developments in this field. An example is distance-to-target (DtT) weighting which calculates weighting factors from the distance of desired policy-based or science-based targets to the current environmental situation in a certain region or country. Nonetheless, existing methods still have several gaps and challenges which was the starting point for this thesis, e.g. regarding their focus on a limited amount of countries and regions, the handling of policy targets with different legal characters, and inconsistent time horizons for fulfillment. In addition, the a missing implementation of EU science-based and policy-based targets within the same weighting method. Derived from the gaps and challenges, the overall goal of the thesis is the enhancement of distance-to-target weighting, by developing various regional perspectives and methodological approaches. To achieve this goal, two research questions were formulated. The first research question addressed the issue of how DtT weighting can be improved by the use of different perspectives and methodological adaptations. The second research question focused on how DtT weighting approaches can be implemented in a European context. For the improvement of DtT weighting in LCA, novel global weighting perspectives like the producer-regions and worst-case regions approaches were established, which can be applied next to the existing and widely used consumer-regions approach. With the analysis of short-term targets as well as the consideration of binding targets only into additional weighting sets, important parameters in policy-based weighting showed between 43% - 60% lower weighting results in comparison to the existing practice. Furthermore, the integration of science-based targets into the Ecological Scarcity Method showed a new application for DtT weighting. The practical applicability of all methodological approaches and perspectives was shown with the application in different case studies within this thesis. For the implementation of different DtT weighting approaches in a European context, 123 policy-based eco-factors for a total of 11 environmental issues for the EU were derived based on the Ecological Scarcity Method. In addition, science-based eco-factors based on ecological thresholds (carrying capacities) for Europe and the EU were developed for a total of ten impact categories. The science-based and policy-based weighting approaches can be used in parallel or as stand-alone approaches and can provide an enhanced basis for decision-making. The application in case studies for the EU showed that the environmental issue climate change dominated the science-based weighting results by up to 92%. Whereas EU policy-based weighting results were determined not only by climate change (up to 64%) but also by other air pollutants with their respective potential environmental impacts in photochemical ozone formation, acidification, and terrestrial eutrophication. The different perspectives and methodological approaches developed in this thesis have the potential to foster decision-making in a European context. With the provision of policy-based and science-based weighting sets for the EU, LCA practitioners can apply them to future environmental assessments. With the development of additional perspectives besides the existing consumer-regions weighting, also global value chains and the countries involved, can be incorporated into weighting results.
description: Die Notwendigkeit des Umgangs mit Zielkonflikten als Ergebnis komplexer Umweltbewertungen, wie der Ökobilanz (LCA), ist für die Entscheidungsfindung von großer Bedeutung. In diesem Zusammenhang kann die Gewichtung als optionales Element der Ökobilanz Entscheidungsträger in Industrie, Regierung und Nichtregierungsorganisationen unterstützen. Gewichtung ist definiert als „ein Verfahren zur Umwandlung der Indikatorwerte verschiedener Wirkungskategorien unter Verwendung numerischer Faktoren, die auf Werthaltungen beruhen“ (ISO 14044 2006). Das zunehmende Interesse an Gewichtungsmethoden in Wissenschaft, Politik und Unternehmen hat zu mehreren methodischen Entwicklungen auf diesem Gebiet geführt. Ein Beispiel dafür ist die Distance-to-Target (DtT) Gewichtung, bei der Gewichtungsfaktoren entsprechend dem Abstand zwischen angestrebten politik- oder wissenschaftsbasierten Zielen und der aktuellen Umweltsituation in einer bestimmten Region oder einem Land berechnet werden. Nichtsdestotrotz weisen die bestehenden Methoden immer noch einige Schwachstellen und Herausforderungen auf, die den Ausgangspunkt für diese Arbeit bildeten, z.B. in Bezug auf ihren Fokus auf eine begrenzte Anzahl von Ländern und Regionen, den Umgang mit politischen Zielen mit unterschiedlichem rechtlichen Charakter und uneinheitlichen Zeithorizonten für die Erfüllung. Hinzu kommt die fehlende Umsetzung von wissenschaftsbasierten und politikbasierten EU-Zielen innerhalb der gleichen Gewichtungsmethode. Abgeleitet aus den Schwachstellen und Herausforderungen, ist das übergeordnete Ziel der Arbeit, die Verbesserung der Distance-to-Target Gewichtung durch die Entwicklung verschiedener regionaler Perspektiven und methodischer Ansätze. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei Forschungsfragen formuliert. Die erste Forschungsfrage befasste sich mit der Frage, wie die DtT-Gewichtung durch die Verwendung unterschiedlicher Perspektiven und methodischer Anpassungen verbessert werden kann. Die zweite Forschungsfrage konzentrierte sich darauf, wie DtT-Gewichtungsansätze in einem europäischen Kontext umgesetzt werden können. Zur Verbesserung der DtT-Gewichtung in der Ökobilanz wurden neuartige globale Gewichtungsperspektiven wie der Produzenten-Regionen- und der Worst-Case-Regionen-Ansatz entwickelt, die neben dem bestehenden und weit verbreiteten Konsumenten-Regionen-Ansatz angewendet werden können. Mit der Analyse von kurzfristigen Zielen sowie der Berücksichtigung von lediglich verbindlichen Zielen durch zusätzliche Gewichtungssets zeigten wichtige Parameter in der politikbasierten Gewichtung zwischen 43% - 60% niedrigere Gewichtungsergebnisse im Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise. Darüber hinaus wurde mit der Integration von wissenschaftsbasierten Zielen in die Methode der Ökologischen Knappheit eine neue Anwendung für die DtT-Gewichtung aufgezeigt. Die praktische Anwendbarkeit aller methodischen Ansätze und Perspektiven wurde durch die Anwendung in verschiedenen Fallstudien im Rahmen dieser Arbeit gezeigt. Für die Umsetzung verschiedener DtT-Gewichtungsansätze im europäischen Kontext wurden 123 politikbasierte Ökofaktoren für insgesamt 11 Umweltthemen für die EU auf Basis der Methode der ökologischen Knappheit bestimmt. Darüber hinaus wurden wissenschaftsbasierte Ökofaktoren auf der Grundlage von ökologischen Schwellenwerten ("Carrying Capacities") für Europa und die EU für insgesamt zehn Wirkungskategorien entwickelt. Die wissenschaftsbasierten und politikbasierten Gewichtungsansätze können parallel oder als eigenständige Ansätze verwendet werden und eine verbesserte Grundlage für die Entscheidungsfindung bieten. Die Anwendung in Fallstudien für die EU zeigte, dass das Kategorie Klimawandel die wissenschaftsbasierten Gewichtungsergebnisse um bis zu 92% dominierte. Die Ergebnisse der auf der EU-Politik basierenden Gewichtung wurden hingegen nicht nur durch den Klimawandel (bis zu 64 %) bestimmt, sondern auch durch andere Luftschadstoffe mit ihren jeweiligen potenziellen Umweltauswirkungen (photochemische Ozonbildung, Versauerung und terrestrische Eutrophierung). Die verschiedenen Perspektiven und methodischen Ansätze, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, haben das Potenzial, die Entscheidungsfindung in einem europäischen Kontext zu fördern. Mit der Bereitstellung von politik- und wissenschaftsbasierten Gewichtungssätzen für die EU können LCA-Experten diese bei zukünftigen Umweltbewertungen anwenden. Mit der Entwicklung zusätzlicher Perspektiven neben der bestehenden Konsumenten-Regionen-Gewichtung können auch globale Wertschöpfungsketten und die beteiligten Länder in die Gewichtungsergebnisse einbezogen werden.