Escenarios hacia una economía circular de los plásticos: caracterización del sector del envasado y evaluación de la idoneidad del reciclado open loop de la fracción mezclada de los residuos de envase

Abstract

(English) This thesis aims to deepen in the understanding of the circular economy of plastics through a scientific and design approach. It has focused on packaging waste as it is the sector with the highest priority and contribution to the European legislation for the transition to a circular economy of plastics. This legislation states that at least 50% of its plastic waste must be available to be recycled by 2025. The waste production and management system was first characterized using MFA (material flow analysis) and LCA (life cycle assessment). The second part of the research is focused on understanding the mixed fraction of waste and the behaviour of the materials obtained from its open loop recycling. That was conducted characterizing the materials and their application. Using the principles of “cascade recovery”, a suitability indicator has been modelled, useful for design decisions and the definition of circularity policies. The main results indicate that the effective recycling rate in Spain for 2017 (the last year for which figures are available) is 11%, far below the 50% required by European regulations and even further away from the 70% declared by the official organism in charge of its management and monitoring. The figures are also difficult to improve, even if selective collection were to increase, due to the high presence of around 50% of film plastics, with very low recyclability. In order to achieve the EU’s objectives, an alternative solution based on technically and economically viable solutions has been proposed. Even though it would greatly improve the circularity of the system, it would also lead to an increase in GHG emissions and a pressure on forest resources that is not sutainable. The second part of the thesis focused on the characterisation of the mixed fraction of plastics, as it is the material stream that will play the most important role in a scenario of massive selective collection. It is also the least known fraction. The recycled materials obtained have been characterised in terms of composition, shaping processes, mechanical properties, environmental impact and aesthetic features. On this basis, an investigation has been conducted into the range of applications that have been manufactured using that material over the last 20 years. An environmental modelling of open loop recycling has been developed by evaluating the substitution of different types of materials and comparing it to a hypothetical close loop recycling of plastics. According to the results, the environmental performance of open loop recycling is superior to that of close loop recycling in almost all scenarios and is therefore a preferable alternative in terms of CO2 emissions. In the third block of the investigation, the potential for implementation in the mixed plastic market is defined. The suitability of the different applications taking into account both the ecological credentials, as well as the aesthetics and the industrial operation has been determined. The results indicate that applications such as road markings and reusable industrial packaging are highly suitable applications for mixed recycled plastics with a large potential market. However, an important problem has been detected in terms of aesthetics and smell for use in domestic products. Once the most suitable applications and their respective market shares have been determined, the consequences at a national scale of the massive introduction of a new flow of materials such as mixed recycled plastic has been evaluated. The results obtained indicate that open loop recycled plastic has a greater potential for improving the circularity of plastics than close loop recycled plastic, with a greater potential for reducing CO2 emissions and with a greater potential market.

(Español) La tesis que se presenta ha tenido como objetivo profundizar en el entendimiento de la economía circular de los plásticos a través de la ciencia y desde el diseño. Se ha centrado en los residuos procedentes de envases, por ser el sector con mayor contribución y prioritario en la normativa europea para la transición hacia una economía circular de los plásticos, que obliga a que al menos el 50% de sus residuos de plástico esté en disposición de ser reciclados en 2025. Una vez caracterizado el sistema de producción y gestión de residuos mediante el análisis de flujo de materiales (MFA) y el análisis de ciclo de vida (ACV), la segunda parte de la investigación se ha enfocado en entender la fracción mezcla de los residuos y el comportamiento de los materiales obtenidos de su reciclado open loop, mediante una caracterización de los materiales y de su aplicación. Basado en los principios del aprovechamiento en cascada, se ha modelizado un indicador de idoneidad útil para la toma de decisiones de diseño y para la definición de las políticas de circularidad. Los principales resultados indican que la tasa de reciclado en España para el año 2017 (el ultimo con cifras datos disponibles) es del 11%, muy lejos del 50% que obliga la normativa europea y más lejos aún del 70% que declara el organismo oficial encargado de su gestión y recuento. Además, por la alta presencia de plásticos film (aproximadamente el 50% del total de residuos) con muy baja reciclabilidad, se hace difícil mejorar las cifras de manera realista, aunque creciera la recogida selectiva. Para lograrlo, se ha propuesto una alternativa basada en materiales renovables y se ha concluido que, aunque mejoraría de manera la circularidad del sistema, supondría un incremento en las emisiones de GEI y una presión insostenible sobre los recursos forestales. La segunda parte de la tesis se ha centrado en la caracterización de la fracción mezclada de los plásticos, por ser el flujo de materiales que mayor protagonismo adquirirá en un escenario de recogida selectiva masiva, y a la vez por ser la fracción menos conocida. Se han caracterizado los materiales reciclados obtenidos a nivel de composición, de procesos de conformación, de propiedades mecánicas, de impacto ambiental y de características estéticas. A partir de aquí, se ha realizado una investigación del conjunto de aplicaciones que se han comercializado, con el material estudiado, en los últimos 20 años. Se ha realizado una modelización ambiental del reciclado open loop, evaluando la sustitución de diferentes tipos de materiales y comparando con un hipotético reciclado close loop de los plásticos. Los resultados indican, que el desempeño ambiental del reciclado open loop es superior al close loop en casi todos los escenarios y por tanto una alternativa deseable en términos de emisiones de CO2. En el tercer bloque de la investigación se definido el potencial de implementación en mercado del plástico mezcla determinando la idoneidad de las diferentes aplicaciones teniendo en cuenta tanto las credenciales ecológicas, como la estética o la operativa industrial. Los resultados indican, que aplicaciones como la señalización viaria y el embalaje industrial reutilizable son aplicaciones altamente idóneas para los plásticos reciclados mezcla y con un gran mercado potencial. En cambio, se ha detectado un problema importante en términos estéticos y de olor para su uso en productos domésticos. Una vez determinadas las aplicaciones más idóneas y sus respectivas cuotas de mercado, se ha evaluado las consecuencias a escala nacional que tendría la introducción masiva de un nuevo flujo de materiales como es el plástico mezcla reciclado. Los resultados obtenidos indican que el plástico reciclado open loop presenta un potencial de mejora de la circularidad de los plásticos mayor que el reciclado close loop, con un mayor potencial de reducción de emisiones de CO2 y con un mayor mercado potencial.