Forscher entwickeln Index zur Quantifizierung der zirkulären Bioökonomie

Angesichts der Herausforderungen, den Klimawandel zu mildern und Ressourcen für eine wachsende Bevölkerung bereitzustellen, rückt die Entwicklung von Kreislaufwirtschaften für eine nachhaltige Produktion immer stärker in den Fokus. Doch um Strategien und Auswirkungen bewerten zu können, sind zuverlässige Messgrößen erforderlich.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben einen Zirkularitätsindex entwickelt, der eine umfassende Methode zur Quantifizierung der Zirkularität in bioökonomischen Systemen bietet. In einem neuen Artikel beschreiben sie die Methode und wenden sie auf zwei Fallstudien an – einen Mais-/Sojabohnenanbaubetrieb und das gesamte US-amerikanische Lebensmittel- und Landwirtschaftssystem.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Ressourcen, Erhaltung und Recycling.

„Das traditionelle Wirtschaftssystem ist linear – wir produzieren, verteilen, verwenden und entsorgen Produkte. Um die Nachhaltigkeit zu erhöhen, müssen wir eine Kreislaufwirtschaft entwickeln. Anstatt nur natürliche Ressourcen zu verwenden, müssen wir Abfallstoffe zurückgewinnen, wiederverwenden und recyceln“, sagte Hauptautor Yuanhui Zhang, Professor am Department of Agricultural and Biological Engineering (ABE) des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences und des Grainger College of Engineering an der U. of I.

„Die zirkuläre Bioökonomie ist zu einem heißen Thema in der Forschung geworden, aber die meisten Studien sind lediglich beschreibend und es gibt keine Möglichkeit, Auswirkungen zu messen. Um die Technologie voranzubringen, brauchen wir Messungen, um Effekte zu quantifizieren, Benchmarks zu etablieren, Ansätze zu vergleichen und Schwachstellen zu identifizieren“, sagte er.

In dem Papier geben die Forscher eine schrittweise Übersicht über den Zirkularitätsindex (CI), der die Zirkularität auf einer Skala von 0 bis 1 misst. Null bedeutet, dass das System vollständig linear ist, und 1 bedeutet, dass es vollständig zirkulär ist. Der Index umfasst acht Kategorien: Nehmen, Herstellen, Verteilen, Verwenden, Entsorgen, Wiederherstellen, Neuherstellen und Wiederverwenden. Der CI wird berechnet, indem verfügbare Daten in jede dieser Kategorien eingegeben werden.

Zhang und seine Kollegen demonstrieren in zwei Fallstudien, wie man den CI einsetzt. Die erste untersucht den Stickstoffkreislauf auf einer Mais- und Sojafarm im Mittleren Westen der USA. Die Forscher geben Produktions- und Ertragsdaten für einen Zeitraum von 8 Jahren ein und vergleichen die Wirkung zweier verschiedener Düngemittelbehandlungen: Harnstoff und Mist. Sie errechnen einen CI von 0,687 für Harnstoff und 0,86 für Mist, was darauf hindeutet, dass die Verwendung von Mistdünger eine Kreislaufwirtschaft ermöglicht.

In der zweiten Fallstudie untersuchen Zhang und seine Kollegen das US-amerikanische Nahrungsmittel- und Landwirtschaftssystem und konzentrieren sich dabei auf den Energieverbrauch. Auf Grundlage nationaler Daten des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA), der US-Umweltschutzbehörde (EPA) und des Energieministeriums (DOE) vergleichen sie das aktuelle System mit einem Ansatz, der auf dem Rahmenwerk „Environment-Enhancing Food Energy and Water System“ basiert, das die Rückgewinnung, Aufbereitung und Wiederverwendung organischer Abfälle beinhaltet. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass das bestehende System einen KI von 0,179 hat, während der EE-FEWS-Ansatz zu einem KI von 0,84 führen würde.

„Unser derzeitiges Produktionssystem basiert hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen, mit etwas Einsatz von Sonnen- und Windenergie. Aber Bioabfälle werden nur sehr wenig verwertet. Wenn wir Lebensmittelabfälle und Dünger verwerten und in Energie und Dünger umwandeln, können wir sie wieder in die landwirtschaftlichen Systeme zurückführen, aus denen sie stammen. Der Einsatz des EE-FEWS-Rahmens würde die Kreislaufwirtschaft der US-Bioökonomie erheblich verbessern“, erklärte Zhang.

Die CI ist eine skalierbare Methode, die je nach Interessenschwerpunkt auf verschiedene Ressourcentypen und -systeme angewendet werden kann. Ressourcen können Mineralien wie Kohlenstoff oder Stickstoff oder nicht-mineralische wie Wasser oder Energie sein. Systeme können von einem Prozess oder einem Bauernhof bis hin zu einem Industriesektor, einer Volkswirtschaft oder sogar der Weltwirtschaft reichen.

„Wir wissen, dass es wichtig ist, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren, erneuerbare Ressourcen zu erhöhen und unseren Wasserverbrauch zu minimieren. Aber um dies effektiv zu tun, müssen wir wissen, wie viel und wo die Schwachstellen und Kompromisse liegen. Der CI liefert eine einzige Zahl, mit der man eine Basislinie festlegen, Systeme vergleichen und die besten Handlungsstrategien bestimmen kann“, sagte Zhang.

Der CI kann als Indikator zur Unterstützung politischer Initiativen wie der nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen dienen. Er hat auch einen potenziellen kommerziellen Wert; so können Lebensmittelunternehmen den Verbrauchern beispielsweise ihre Kreislaufwirtschaft in der Produktion nachweisen.