Circular economy and digital transformation: a pilot implementation in refrigerant sector

Abstract

This research analyses a digital implementation of circular economy principles in the sector of fluorinated refrigerants (F-gases) across the European Union (EU-27). Beyond the theoretical framework, a pilot implementation was carried out in three countries through the LIFE 3R (Retradeables) research program. The objective of this pilot application was to verify that ambitious regulations can lead to viable and sustainable business models.The LIFE 3R (Retradeables) system leverages Internet of Things (IoT) technologies for data collection from installations, cloud computing for information management and blockchain for quality certification. In this way, it establishes a comprehensive traceability system that addresses existing gaps. The research focuses on how digital innovation can facilitate the transition from linear to circular refrigerant management models, within the framework of the revised European F-Gas Regulation (EU) 2024/573 and the objectives of the European Green Deal. The platform architecture is based on an advanced modular design that enables both scalability and interoperability. It constitutes the first integrated European digital solution combining QR code technology for instant data capture, standardized units with embedded IoT capabilities for quality assessment using machine-learning algorithms and the first electronic platform for trading recovered fluorinated gases (F-gases). In addition, the system introduces a parallel self-certification mechanism that drastically reduces documentation time from 5–10 minutes to less than 30 seconds, while ensuring full compliance with electronic reporting and traceability requirements. The selected architecture provides a unified digital environment that supports simultaneous use by different user profiles, including installation and maintenance technicians, refrigerant distributors, system administrators, and regulatory authorities. The comprehensive methodological approach of the dissertation integrates Life Cycle Assessment (LCA) in accordance with ISO 14040:2006, techno-economic analysis using NPV and IRR, analysis of system uptake through stakeholder network effects, and evaluation of regulatory frameworks. The pilot implementation in three Central European countries (Slovakia, Hungary, and the Czech Republic) validated the technical concept and economic viability of the system, while also identifying significant regulatory challenges, mainly arising from the non-uniform application of waste legislation. The research contributes theoretically to the linkage between circular economy, digital transformation, and climate policy, while also providing practical tools and policy recommendations for harmonizing regulatory frameworks at the European level. The results of the pilot application demonstrate both the technical success and the challenges of the system. The platform recorded 827 tonnes of recovered refrigerants, 632 active users (512 technicians, 89 distributors, and 31 system administrators), 1,247 recovery events, and €468,000 in transactions, while the machine-learning-based quality assessment system achieved an accuracy of 96.8%. Environmental assessment reveals substantial benefits: recovered refrigerants exhibit 152–500 times lower CO₂-equivalent emissions compared to the production of new refrigerants, with the potential for total savings of up to 1.5 Gt CO₂e by 2030 at the EU level. The techno-economic analysis confirms financial viability, with projected NPV of €1.25–2.2 million, IRR of 15–31%, and a payback period of 2.8–4.5 years. The expansion plan across the entire European Union by 2029 offers the potential to avoid 65 million tonnes of CO₂-equivalent emissions and generate annual revenues of €295 million.

Η παρούσα έρευνα, αναλύει μια ψηφιακή υλοποίηση κυκλικής οικονομίας στον τομέα των φθοριούχων ψυκτικών μέσων (F-Gas) στην Ευρώπη των 27 χωρών. Πέρα από τη θεωρητική παρουσίαση, πραγματοποιήθηκε και δοκιμαστική εφαρμογή σε 3 χώρες, μέσω του ερευνητικού προγράμματος LIFE 3R (Retradeables). Στόχος της δοκιμαστικής αυτής εφαρμογής, αποτέλεσε η επιβεβαίωση ότι φιλόδοξα ρυθμιστικά πλαίσια μπορούν να οδηγήσουν σε βιώσιμα επιχειρηματικά μοντέλα. Το σύστημα LIFE 3R (Retradeables) αξιοποιεί τεχνολογίες διασυνδεδεμένων συσκευών (IoT), για συλλογή δεδομένων από τις εγκαταστάσεις, υπολογιστικό νέφος (cloud computing) για διαχείριση πληροφοριών και blockchain για πιστοποίηση ποιότητας. Με το τρόπο αυτό, δημιουργεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα ιχνηλασιμότητας, που αντιμετωπίζει τα υφιστάμενα κενά. Η έρευνα, εστιάζει στο πώς η ψηφιακή καινοτομία, μπορεί να διευκολύνει τη μετάβαση από γραμμικά σε κυκλικά μοντέλα διαχείρισης ψυκτικών, εντός του πλαισίου του αναθεωρημένου Ευρωπαϊκού Κανονισμού F-Gas (EU) 2024/573 και των στόχων της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας. Η αρχιτεκτονική της πλατφόρμας, βασίζεται σε μια εξελιγμένη αρθρωτή δομή (modular design), που επιτρέπει αφενός την επεκτασιμότητα και αφετέρου την δια λειτουργικότητά της. Αποτελεί την πρώτη ολοκληρωμένη Ευρωπαϊκή ψηφιακή λύση που συνδυάζει τεχνολογία QR code για άμεση συλλογή πληροφοριών, πρότυπες μονάδες με ενσωματωμένες δυνατότητες διασύνδεσης (IoT) για αξιολόγηση ποιότητας με αλγορίθμους μηχανικής μάθησης και τη πρώτη ηλεκτρονική πλατφόρμα για εμπορία ανακτημένων φθοριούχων αερίων (F-gases). Επιπλέον δε, το σύστημα εισάγει παράλληλο τρόπο αυτο-πιστοποίησης, που μειώνει δραστικά τον χρόνο τεκμηρίωσης από 5-10 λεπτά σε λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα, ενώ παράλληλα διασφαλίζει πλήρη συμμόρφωση με τις απαιτήσεις ηλεκτρονικής αναφοράς και ιχνηλασιμότητας. Η επιλεγμένη αρχιτεκτονική, παρέχει ένα ενιαίο ψηφιακό σύστημα όπου επιτρέπει τη ταυτόχρονη χρήση του, από διαφορετικά προφίλ χρηστών (τεχνικών εγκαταστάσεων και συντήρησης, διανομέων ψυκτικών μέσων, διαχειριστές συστήματος, ρυθμιστικών αρχών). Η ολοκληρωμένη μεθοδολογική προσέγγιση της διατριβής συνδυάζει Ανάλυση Κύκλου Ζωής (LCA) σύμφωνα με το πρότυπο ISO 14040:2006, τεχνοοικονομική ανάλυση με χρήση NPV/IRR, ανάλυση επέκταση χρήσης του συστήματος μέσω δικτύου ενδιαφερομένων (network effect) και αξιολόγηση ρυθμιστικών πλαισίων. Η πιλοτική εφαρμογή σε τρεις χώρες της Κεντρικής Ευρώπης (Σλοβακία, Ουγγαρία, Τσεχία) επιβεβαίωσε την τεχνική πρόταση και την οικονομική βιωσιμότητα του συστήματος, ενώ παράλληλα εντόπισε σημαντικές ρυθμιστικές προκλήσεις, προερχόμενες κυρίως από την μη ενιαία εφαρμογή της νομοθεσίας περί αποβλήτων. Η έρευνα, συμβάλλει θεωρητικά στη διασύνδεση της κυκλικής οικονομίας, με τον ψηφιακό μετασχηματισμό και την κλιματική πολιτική, ενώ παρέχει πρακτικά εργαλεία και πολιτικές συστάσεις για την εναρμόνιση των ρυθμιστικών πλαισίων σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. Τα αποτελέσματα της πιλοτικής εφαρμογής, καταδεικνύουν τόσο την τεχνική επιτυχία όσο και τις προκλήσεις του συστήματος. Η πλατφόρμα κατέγραψε 827 τόνους ανακτημένων ψυκτικών υγρών, 632 ενεργούς χρήστες (512 τεχνικούς, 89 διανομείς, 31 διαχειριστές συστημάτων - administrators), 1.247 συμβάντα ανάκτησης και €468.000 σε συναλλαγές, ενώ το σύστημα μηχανικής μάθησης για αξιολόγηση ποιότητας επέτυχε ακρίβεια 96.8%. Η περιβαλλοντική αξιολόγηση αποκαλύπτει δραματικά οφέλη, ενδεικτικά τα ανακτημένα ψυκτικά παρουσιάζουν 152-500× χαμηλότερες εκπομπές CO₂ ισοδυνάμου σε σύγκριση με την παραγωγή νέων, με δυνατότητα συνολικής εξοικονόμησης 1.5 Gt CO₂e έως το 2030 σε επίπεδο ΕΕ. Η τεχνοοικονομική ανάλυση επιβεβαιώνει τη βιωσιμότητα με προβλέψεις NPV €1.25-2.2M, IRR 15-31%, και περίοδο απόσβεσης 2.8-4.5 έτη. Tο σχέδιο επέκτασης στο σύνολο της Ευρωπαϊκής ένωσης έως το 2029, προσφέρει τη δυνατότητα αποφυγής 65 εκατομμυρίων τόνων CO₂eq και ετήσιο έσοδο €295M.