Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).

Valorization and recycling of waste biomass and bioplastics into molecules, polymers and catalysts

The enormous amount of goods that world societies consume every day, derives from an immense consumption of energy and raw materials, and leads to an unthinkable amount of wastes. The abuse of fossil-based resources and the mismanaged waste is leading to big environmental pollution and climate change, with consequences on all living beings. To solve this issue and start living in equilibrium with nature, modern societies must stop using fossil fuels massively in favor to clean renewable energies, recycling, and biomass and waste utilization for materials and chemical production. Moreover, bioplastic recycling must be prioritized over their biodegrading and composting. This work is dedicated to the study of new synthetic strategies that fall into these fields.

Applicazione della LCA alla valorizzazione delle risorse primarie e secondarie. Caso studio: analisi del ciclo di vita della gestione integrata dei rifiuti urbani

Il progetto prevede l’applicazione dell’analisi del ciclo di vita al sistema integrato di raccolta, riciclaggio e smaltimento dei rifiuti urbani e assimilati. La struttura di una LCA (Life Cycle Assessment) è determinata dalla serie di norme UNI EN ISO 14040 e si può considerare come “un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici e ambientali relativi a un processo o un’attività, effettuato attraverso l’identificazione dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente. La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale”. Questa definizione si riassume nella frase “ from cradle to grave” (dalla culla alla tomba). Lo scopo dello studio è l’applicazione di una LCA alla gestione complessiva dei rifiuti valutata in tre territori diversi individuati presso tre gestori italiani. Due di questi si contraddistinguono per modelli di raccolta con elevati livelli di raccolta differenziata e con preminenza del sistema di raccolta domiciliarizzato, mentre sul territorio del terzo gestore prevale il sistema di raccolta con contenitori stradali e con livelli di raccolta differenziata buoni, ma significativamente inferiori rispetto ai Gestori prima descritti. Nella fase iniziale sono stati individuati sul territorio dei tre Gestori uno o più Comuni con caratteristiche abbastanza simili come urbanizzazione, contesto sociale, numero di utenze domestiche e non domestiche. Nella scelta dei Comuni sono state privilegiate le realtà che hanno maturato il passaggio dal modello di raccolta a contenitori stradali a quello a raccolta porta a porta. Attuata l’identificazione delle aree da sottoporre a studio, è stato realizzato, per ognuna di queste aree, uno studio LCA dell’intero sistema di gestione dei rifiuti, dalla raccolta allo smaltimento e riciclaggio dei rifiuti urbani e assimilati. Lo studio ha posto anche minuziosa attenzione al passaggio dal sistema di raccolta a contenitori al sistema di raccolta porta a porta, evidenziando il confronto fra le due realtà, nelle fasi pre e post passaggio, in particolare sono stati realizzati tre LCA di confronto attraverso i quali è stato possibile individuare il sistema di gestione con minori impatti ambientali.

Analisi ambientale della coltivazione di biomasse a scopo energetico con metodologia Life Cycle Assessment (LCA)

Lo scopo dello studio è un'analisi comparativa degli impatti ambientali, calcolati utilizzando la metodologia del Life Cycle Assessment, della fase agricola di 9 colture dedicate (lignocellulosiche, oleaginose e cereali) da biomassa, con diifferenti destinazioni energetiche (biocarburanti di I e II generazione ed energia elettrica). E' infine stata eseguita un'analisi "from cradle to grave" considerando anche le diverse tecnice di trasformazione possibili, con dati bibliografici. Sotto tutti i profili (impatto per ettaro, impatto per unità energetica generata, e impatto totale della filiera, risulta un netto vantaggio delle coltrue lignocellulosiche, e fra queste specialmente le poliennali.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

LCA-GIS Integrated approach for a Sustainable Land Use Under Energy Crops

In genere, negli studi di vocazionalità delle colture, vengono presi in considerazione solo variabili ambientali pedo-climatiche. La coltivazione di una coltura comporta anche un impatto ambientale derivante dalle pratiche agronomiche ed il territorio può essere più o meno sensibile a questi impatti in base alla sua vulnerabilità. In questo studio si vuole sviluppare una metodologia per relazionare spazialmente l’impatto delle colture con le caratteristiche sito specifiche del territorio in modo da considerare anche questo aspetto nell’allocazione negli studi di vocazionalità. LCA è stato utilizzato per quantificare diversi impatti di alcune colture erbacee alimentari e da energia, relazionati a mappe di vulnerabilità costruite con l’utilizzo di GIS, attraverso il calcolo di coefficienti di rischio di allocazione per ogni combinazione coltura-area vulnerabile. Le colture energetiche sono state considerate come un uso alternativo del suolo per diminuire l’impatto ambientale. Il caso studio ha mostrato che l’allocazione delle colture può essere diversa in base al tipo e al numero di impatti considerati. Il risultato sono delle mappe in cui sono riportate le distribuzioni ottimali delle colture al fine di minimizzare gli impatti, rispetto a mais e grano, due colture alimentari importanti nell’area di studio. Le colture con l’impatto più alto dovrebbero essere coltivate nelle aree a vulnerabilità bassa, e viceversa. Se il rischio ambientale è la priorità, mais, colza, grano, girasole, e sorgo da fibra dovrebbero essere coltivate solo nelle aree a vulnerabilità bassa o moderata, mentre, le colture energetiche erbacee perenni, come il panico, potrebbero essere coltivate anche nelle aree a vulnerabilità alta, rappresentando cosi una opportunità per aumentare la sostenibilità di uso del suolo rurale. Lo strumento LCA-GIS inoltre, integrato con mappe di uso attuale del suolo, può aiutare a valutarne il suo grado di sostenibilità ambientale.

Integration of MFA and LCA methodologies: the anthropogenic aluminium cycle in Italy

MFA and LCA methodologies were applied to analyse the anthropogenic aluminium cycle in Italy with focus on historical evolution of stocks and flows of the metal, embodied GHG emissions, and potentials from recycling to provide key features to Italy for prioritizing industrial policy toward low-carbon technologies and materials. Historical trend series were collected from 1947 to 2009 and balanced with data from production, manufacturing and waste management of aluminium-containing products, using a ‘top-down’ approach to quantify the contemporary in-use stock of the metal, and helping to identify ‘applications where aluminium is not yet being recycled to its full potential and to identify present and future recycling flows’. The MFA results were used as a basis for the LCA aimed at evaluating the carbon footprint evolution, from primary and electrical energy, the smelting process and the transportation, embodied in the Italian aluminium. A discussion about how the main factors, according to the Kaya Identity equation, they did influence the Italian GHG emissions pattern over time, and which are the levers to mitigate it, it has been also reported. The contemporary anthropogenic reservoirs of aluminium was estimated at about 320 kg per capita, mainly embedded within the transportation and building and construction sectors. Cumulative in-use stock represents approximately 11 years of supply at current usage rates (about 20 Mt versus 1.7 Mt/year), and it would imply a potential of about 160 Mt of CO2eq emissions savings. A discussion of criticality related to aluminium waste recovery from the transportation and the containers and packaging sectors was also included in the study, providing an example for how MFA and LCA may support decision-making at sectorial or regional level. The research constitutes the first attempt of an integrated approach between MFA and LCA applied to the aluminium cycle in Italy.

Life Cycle Assessment of Peach Nectar: a comparative analysis between conventional and bioenergy-from-waste integrated food chains

Modern food systems are characterized by a high energy intensity as well as by the production of large amounts of waste, residuals and food losses. This inefficiency presents major consequences, in terms of GHG emissions, waste disposal, and natural resource depletion. The research hypothesis is that residual biomass material could contribute to the energetic needs of food systems, if recovered as an integrated renewable energy source (RES), leading to a sensitive reduction of the impacts of food systems, primarily in terms of fossil fuel consumption and GHG emissions. In order to assess these effects, a comparative life cycle assessment (LCA) has been conducted to compare two different food systems: a fossil fuel-based system and an integrated system with the use of residual as RES for self-consumption. The food product under analysis has been the peach nectar, from cultivation to end-of-life. The aim of this LCA is twofold. On one hand, it allows an evaluation of the energy inefficiencies related to agro-food waste. On the other hand, it illustrates how the integration of bioenergy into food systems could effectively contribute to reduce this inefficiency. Data about inputs and waste generated has been collected mainly through literature review and databases. Energy balance, GHG emissions (Global Warming Potential) and waste generation have been analyzed in order to identify the relative requirements and contribution of the different segments. An evaluation of the energy “loss” through the different categories of waste allowed to provide details about the consequences associated with its management and/or disposal. Results should provide an insight of the impacts associated with inefficiencies within food systems. The comparison provides a measure of the potential reuse of wasted biomass and the amount of energy recoverable, that could represent a first step for the formulation of specific policies on the integration of bioenergies for self-consumption.

Valutazione della sostenibilità ambientale tramite metodologia LCA di sistemi per lo sfruttamento di fonti alternative di energia e materiali

La dissertazione ha riguardato l’analisi di sostenibilità di un sistema agronomico per la produzione di olio vegetale a fini energetici in terreni resi marginali dall’infestazione di nematodi. Il processo indagato ha previsto il sovescio di una coltura con proprietà biofumiganti (brassicacea) coltivata in precessione alla specie oleosa (soia e tabacco) al fine di contrastare il proliferare dell’infestazione nel terreno. Tale sistema agronomico è stato confrontato attraverso una analisi di ciclo di vita (LCA) ad uno scenario di coltivazione della stessa specie oleosa senza precessione di brassica ma con l’utilizzo di 1-3-dicloropropene come sistema di lotta ai nematodi. Allo scopo di completare l’analisi LCA con una valutazione dell’impatto sull’uso del suolo (Land use Impact) generato dai due scenari a confronto, sono stati costruiti due modelli nel software per il calcolo del Soil Conditioning Index (SCI), un indicatore quali-quantitativo della qualità del terreno definito dal Dipartimento per l’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (USDA).

Approccio multidisciplinare per le valutazioni ambientali: Problematiche e sinergie in un uso combinato delle metodologie life cycle assessment (lca) e risk assessment (ra)

In questo lavoro di tesi si è elaborato un quadro di riferimento per l’utilizzo combinato di due metodologie di valutazione di impatti LCA e RA, per tecnologie emergenti. L’originalità dello studio sta nell’aver proposto e anche applicato il quadro di riferimento ad un caso studio, in particolare ad una tecnologia innovativa di refrigerazione, basata su nanofluidi (NF), sviluppata da partner del progetto Europeo Nanohex che hanno collaborato all’elaborazione degli studi soprattutto per quanto riguarda l’inventario dei dati necessari. La complessità dello studio è da ritrovare tanto nella difficile integrazione di due metodologie nate per scopi differenti e strutturate per assolvere a quegli scopi, quanto nel settore di applicazione che seppur in forte espansione ha delle forti lacune di informazioni circa processi di produzione e comportamento delle sostanze. L’applicazione è stata effettuata sulla produzione di nanofluido (NF) di allumina secondo due vie produttive (single-stage e two-stage) per valutare e confrontare gli impatti per la salute umana e l’ambiente. Occorre specificare che il LCA è stato quantitativo ma non ha considerato gli impatti dei NM nelle categorie di tossicità. Per quanto concerne il RA è stato sviluppato uno studio di tipo qualitativo, a causa della problematica di carenza di parametri tossicologici e di esposizione su citata avente come focus la categoria dei lavoratori, pertanto è stata fatta l’assunzione che i rilasci in ambiente durante la fase di produzione sono trascurabili. Per il RA qualitativo è stato utilizzato un SW specifico, lo Stoffenmanger-Nano che rende possibile la prioritizzazione dei rischi associati ad inalazione in ambiente di lavoro. Il quadro di riferimento prevede una procedura articolata in quattro fasi: DEFINIZIONE SISTEMA TECNOLOGICO, RACCOLTA DATI, VALUTAZIONE DEL RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DEGLI IMPATTI, INTERPRETAZIONE.

Valutazione ambientale di tecnologie di bonifica per acquiferi contaminati attraverso la metodologia LCA

La bonifica di acquiferi contaminati è una pratica che oggi dispone di diverse soluzioni a livello tecnologico, caratterizzate tuttavia da costi (ambientali ed economici) e problematiche tecniche di entità tale da rendere in alcuni casi poco conveniente la realizzazione dell’intervento stesso. Per questo motivo sempre maggiore interesse viene rivolto nell’ambito della ricerca alle tecnologie di bioremediation, ovvero sistemi in cui la degradazione degli inquinanti avviene ad opera di microorganismi e batteri opportunamente selezionati e coltivati. L’impiego di queste tecniche consente un minor utilizzo di risorse ed apparati tecnologici per il raggiungimento degli obiettivi di bonifica rispetto ai sistemi tradizionali. Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi ha l’obiettivo di fornire, tramite l’utilizzo della metodologia LCA, una valutazione della performance ambientale di una tecnologia di bonifica innovativa (BEARD) e due tecnologie largamente usate nel settore, una di tipo passivo (Permeable Reactive Barrier) ed una di tipo attivo (Pump and Treat con Carboni Attivi).

PCM-based battery thermal management systems, energy saving materials and LCA strategy for automotive

This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.