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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 Cover

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

Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment
Volume 72 (2021): Issue 3 (September 2021)
By: Theresa Krexner,  Iris Kral,  Andreas Gronauer,  Francisco Javier Medel-Jiménez and  Alexander Bauer  
Open Access
|Jun 2022

Figures & Tables

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

OutputUnitAmountMass allocation factors
BiogasVolume (m3/year)1,229,177*
Density (t/m3)0.0012
mass (t/year)14750.757
NFCmass (t/year)4720.243
Totalmass (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

UnitAmountReference
BiogasVolume (m3/year)1,229,177Krexner (2020)
MethaneVolume (m3/year)746,410Krexner (2020)
Energy content (kWh/m3)9.97Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2016)
CHPEfficiency (%el)38Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2016)
(kWhel/year)2,827,851Own 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 expansionMass allocationEconomic allocation
(kg CO2 eq./kg NFC)
Overall system4.303.624.30
5%–95% Interpercentile range3.92–5.093.25–4.293.96–5.08
Biogas production0.900.220.90
NFC production3.403.403.40

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

Mass (kg)Price (€)Price (€/kg NFC)Reference
NFC1794794Nanografi Nano Technology (2021)
0.5466932Nanografi Nano Technology (2021)
0.514772954Cellulose 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

OutputUnitAmountReferenceEconomic allocation factors
BiogasSupply per year (kWhel/year)2,827,851Own calculation, see Table 3
Economic value (€/kWhel)0.19BMWFW (2018)0.00073
Total value (€)537,291Own calculation
NFCMass per year (t/year)472Own calculation
Economic value (€/t)1,560,233Own calculation, see Table 4
Total value (€)737,541,227Own calculation0.999
TotalValue of biogas and NFC (€)738,078,519
DOI: https://doi.org/10.2478/boku-2021-0012 | Journal eISSN: 2719-5430 | Journal ISSN: 0006-5471
Journal RSS Feed
Language: English
Page range: 113 - 121
Submitted on: Aug 31, 2021
Accepted on: Oct 18, 2021
Published on: Jun 23, 2022
Published by: Universität für Bodenkultur Wien
In partnership with: Paradigm Publishing Services
Publication frequency: 4 issues per year
Keywords:
life cycle assessment,
system expansion,
utilization equality,
allocation
Related subjects:
Life sciences,
Ecology,
Life sciences, other

© 2022 Theresa Krexner, Iris Kral, Andreas Gronauer, Francisco Javier Medel-Jiménez, Alexander Bauer, published by Universität für Bodenkultur Wien
This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 3.0 License.

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