Life cycle assessment of biodiesel production from micro-algae: a case study in Denmark

Le sperimentazioni riguardanti la produzione di biodiesel da alghe sono state condotte solo in laboratorio o in impianti pilota e il processo produttivo non è ancora stato sviluppato su scala industriale. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare la potenziale sostenibilità ambientale ed energetica della produzione industriale di biodiesel da microalghe nella realtà danese ipotizzando la coltivazione in fotobioreattori. La tesi ha analizzato le diverse tecnologie attualmente in sperimentazione cercando di metterne in evidenza punti di forza e punti di debolezza. La metodologia applicata in questa tesi per valutare la sostenibilità ambientale ed energetica dei processi analizzati è LCA strumento che permette di effettuare la valutazione sull’intero ciclo di vita di un prodotto o di un processo. L’unità funzionale scelta è 1 MJ di biodiesel. I confini del sistema analizzato comprendono: coltivazione, raccolta, essicazione, estrazione dell’olio, transesterificazione, digestione anaerobica della biomassa residuale e uso del glicerolo ottenuto come sottoprodotto della transesterificazione. Diverse categorie d’impatto sono state analizzate. In questo caso studio, sono stati ipotizzati 24 diversi scenari differenziati in base alle modalità di coltivazione, di raccolta della biomassa, di estrazione dell’olio algale. 1. la produzione di biodiesel da microalghe coltivate in fotobioreattori non appare ancora conveniente né dal punto di vista energetico né da quello ambientale. 2. l’uso di CO2 di scarto e di acque reflue per la coltivazione, fra l’altro non ancora tecnicamente realizzabili, migliorerebbero le prestazioni energetiche ed ambientali del biodiesel da microalghe 3. la valorizzazione di prodotti secondari svolge un ruolo importante nel processo e nel suo sviluppo su larga scala Si conclude ricordando che il progetto di tesi è stato svolto in collaborazione con la Danish Technical University of Denmark (DTU) svolgendo presso tale università un periodo di tirocinio per tesi di sei mesi

Analisi life cycle assessment (LCA) di un tetto verde il caso studio dei laboratori unibo di via Terracini.

Negli ultimi decenni, in varie parti del Mondo cosi come in Italia, si è assistito a un rapido aumento di strutture abitative, fabbricati ad uso industriale, residenziale e rurale. La continua sottrazione di terreno per tali scopi ha portato a un aumento di tutta una serie di problematiche ambientali. Con la diminuzione delle aree verdi si è andati incontro a una diminuzione della trattenuta idrica del terreno, all'aumento della velocità di scolo dell'acqua e del tempo di corrivazione con conseguenze sempre più drammatiche per le aree urbanizzate nei periodi di forti piogge. Inoltre, c'è da ricordare, che una diminuzione delle aree a verde comporta, oltre al cambiamento a livello paesaggistico, anche una diminuzione della capacità delle piante di trattenere le polveri inquinanti e di produrre ossigeno. Tutti questi fattori hanno portato allo studio di soluzioni tecnologiche che potessero unire i bisogni di verde della collettività con la necessità di una gestione sostenibile delle acque meteoriche. Tra esse, una che sta trovando notevole applicazione è la creazione di aree verdi sulla copertura degli edifici. Secondo le loro caratteristiche, queste aree verdi sono denominate tetti verdi e/o giardini pensili. La struttura si compone di strati di coltivazione e drenaggio con diversa profondità e una copertura vegetale. La vegetazione utilizzata può andare da specie con bassissime richieste manutentive (tipo estensivo) ad altre con maggiori necessità (tipo intensivo), come i tappeti erbosi. Lo scopo di questa tesi è stato quello di approntare una sperimentazione sul nuovo tetto verde realizzato presso la sede di Ingegneria, via Terracini 28, volta a stimare i costi economici e ambientali sostenuti per la realizzazione dello stesso, per poi confrontarli con i benefici ambientali legati al risparmio idrico ed energetico su scala edificio e urbana. Per la stima dei costi ambientali dei materiali utilizzati, dalla nascita al fine vita, si è utilizzato il metodo LCA- Life Cycle Assessment- e il software Sima Pro

Valutazioni ambientali mediante life cycle assessment (LCA) sui mattoni in terra cruda: il caso studio di pabillonis

Il documento parte da una analisi generale sulle tecnologie site-specific, concentrandosi poi maggiormente sulle costruzioni in terra cruda. Viene descritta l'analisi del ciclo di vita fatta sui mattoni in terra cruda e sulla parete realizzata con questi mattoni, messa poi a confronto con una parete realizzata in laterizi. Infine è presenta l'analisi dei costi esterni sul ciclo di vita dei mattoni in terra cruda.

Life Cycle Assessment di un impianto integrato di trattamento della frazione organica dei rifiuti. Il caso di Voltana di Lugo (RA)

La metodologia Life Cycle Assessment (LCA) è un metodo oggettivo di valutazione e quantificazione dei carichi energetici ed ambientali e degli impatti potenziali associati ad un processo o attività produttiva lungo l’intero ciclo di vita. Il lavoro presentato in questa tesi ha avuto come obiettivo l’analisi del ciclo di vita dell’impianto di trattamento della FORSU (la frazione organica di rifiuti solidi urbani) di Voltana di Lugo, in provincia di Ravenna. L’impianto attuale si basa sull'utilizzo accoppiato di digestione anaerobica a secco (sistema DRY) e compostaggio. Si è voluto inoltre effettuare il confronto fra questo scenario con quello antecedente al 2012, in cui era presente solamente il processo di compostaggio classico e con uno scenario di riferimento in cui si è ipotizzato che tutto il rifiuto trattato potesse essere smaltito in discarica. L’unità funzionale considerata è stata “le tonnellate di rifiuto trattate in un mese“, pari a 2750 t. L’analisi di tutti i carichi energetici ed ambientali dell’impianto di Voltana di Lugo è stata effettuata con l’ausilio di “GaBi 5”, un software di supporto specifico per gli studi di LCA. Dal confronto fra lo scenario attuale e quello precedente è emerso che la configurazione attuale dell’impianto ha delle performance ambientali migliori rispetto alla vecchia configurazione, attiva fino a Dicembre 2012, e tutte e due sono risultate nettamente migliori rispetto allo smaltimento in discarica. I processi che hanno influenzato maggiormente gli impatti sono stati: lo smaltimento del sovvallo in discarica e la cogenerazione, con produzione di energia elettrica da biogas. Il guadagno maggiore, per quanto riguarda lo scenario attuale rispetto a quello precedente, si è avuto proprio dal surplus di energia elettrica prodotta dal cogeneratore, altrimenti prelevata dal mix elettrico nazionale.

Building Information Modelling (BIM) Effectiveness in Performing Life Cycle Assessment of Building

The scope of this project is to study the effectiveness of building information modelling (BIM) in performing life cycle assessment in a building. For the purposes of the study will be used “Revit” which is a BIM software and Tally which is an LCA tool integrated in Revit. The project is divided in six chapters. The first chapter consists of a theoretical introduction into building information modelling and its connection to life cycle assessment. The second chapter describes the characteristics of building information modelling (BIM). In addition, a comparison has been made with the traditional architectural, engineering and construction business model and the benefits to shift into BIM. In the third chapter it will be a review of the most well-known and available BIM software in the market. In chapter four life cycle assessment (LCA) will be described in general and later on specifically for the purpose of the case study that will be used in the following chapter. Moreover, the tools that are available to perform an LCA will be reviewed. Chapter five will present the case study that consists of a model in a BIM software (Revit) and the LCA performed by Tally, an LCA tool integrated into Revit. In the last chapter will be a discussion of the results that were obtained, the limitation and the possible future improvement in performing life cycle assessment (LCA) in a BIM model.

Life cycle assessment per manufatti in plastica: Il caso di contenitori per rifiuti sanitari

Per lo svolgimento della tesi ci si è rivolti ad un'azienda particolarmente conosciuta per la sua attenzione alle tematiche ambientali: la Mengozzi Rifiuti Sanitari S.p.A.. L'impianto, sito a Forlì, comprende una sezione dedicata alla gestione di contenitori in materiale plastico per rifiuti sanitari e una sezione per la termovalorizzazione di questi. Si è incentrato lo studio sulla prima parte dell'impianto che si occupa della produzione, del trasporto verso la struttura in cui è utilizzato, del ritorno in azienda e del riuso per più cicli previa sanificazione fino al riciclo per lo stampaggio di nuovi contenitori. Si è pensato di prendere in considerazione i bidoni che sono gestiti dalla Mengozzi S.p.A. e se ne è svolta un'analisi LCA comparativa tra il contenitore effettivamente in carico all'azienda e un altro ipotetico con le medesime caratteristiche strutturali ma gestito diversamente (incenerito dopo un solo utilizzo). Essendo il contenitore di plastica si è inoltre svolta una comparazione tra 2 materiali termoplastici di massa aventi caratteristiche molto simili, quali sono il polietilene ad alta densità (HDPE) e il polipropilene (PP). Il software che è stato utilizzato per condurre l'analisi è SimaPro 7.3 e il metodo lo svizzero IMPACT 2002+. Nello svolgimento si sono considerati 12 bidoni monouso che hanno in pratica la stessa funzione dell'unico bidone sanificato dopo ogni utilizzo e infine riciclato. Dall'analisi è emerso (come facilmente ipotizzabile) che il bidone riusato genera un impatto ambientale nettamente minore rispetto a quello monouso mentre non vi è apprezzabile differenza tra differente tipologia di materiale termoplastico costituente il bidone stesso: L'importanza della scelta della più adeguata modalità di gestione del fine vita e del materiale di composizione in termini ambientali è più marcata a causa di un'attenzione sempre crescente verso le tematiche di sostenibilità.

Life cycle assessment comparativa di processi di estrazione di poliidrossialcanoati da colture batteriche

I materiali plastici trovano ampie applicazioni in ogni aspetto della vita e delle attività industriali. La maggior parte delle plastiche convenzionali non sono biodegradabili e il loro accumulo è una minaccia per il pianeta. I biopolimeri presentano vantaggi quali: la riduzione del consumo delle risorse e la riduzione delle emissioni CO2, offrendo un importante contributo allo sviluppo sostenibile. Tra i biopolimeri più interessanti troviamo il poliidrossibutirrato (PHB), l’oggetto di questo studio, che è il più noto dei poliidrossialcanoati. Questo polimero biodegradabile mostra molte somiglianze con il polipropilene. La tesi consiste nell’applicazione del Life Cycle Assessment a processi di estrazione del PHB da colture batteriche. In essa sono valutate le prestazioni ambientali di 4 possibili processi alternativi, sviluppati dal CIRI EA, che utilizzano il dimetilcarbonato (DMC) e di 3 processi che utilizzano solventi alogenati (cloroformio, diclorometano, dicloroetano). Per quanto riguarda i processi che utilizzano come solvente di estrazione il DMC, due sono gli aspetti indagati e per i quali differiscono le alternative: la biomassa di partenza (secca o umida), e il metodo di separazione del polimero dal solvente (per evaporazione del DMC oppure per precipitazione). I dati primari di tutti gli scenari sono di laboratorio per cui è stato necessario realizzare un up scaling industriale di tutti i processi. L’up scaling è stato realizzato in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile Chimica Ambientale e dei Materiali. La valutazione delle prestazioni ambientali è stata fatta rispetto a tutte le categorie d’impatto raccomandate dall’Handbook della Commissione Europea, di queste solo alcune sono state analizzate nel dettaglio. Tutti i risultati mostrano un andamento simile, in cui gli impatti dei processi che utilizzano DMC sono inferiori a quelli dei solventi alogenati. Fra i processi che impiegano DMC, l’alternativa più interessante appare quella che impiega biomassa di partenza secca e raccolta del PHB per precipitazione.

Life cycle assessment e analisi economica dell'utilizzo di pneumatici fuori uso nelle linee ferroviarie

La presente tesi si propone di determinare quale sia la situazione del mercato italiano e spagnolo sui pneumatici fuori uso (PFU) e quale sia il migliore metodo di costruzione degli elementi elastici da PFU. I risultati dell'analisi di mercato mostrano che l'introduzione del principio di responsabilità del produttore, introdotto in Italia solo nel 2011, sta portando ottimi risultati, e il problema di raccolta degli PFU è in via di risoluzione. Gli studi dinamici documentano che gli under rail paid (URP) costruiti da PFU rispettano tutte le necessità tecniche per l'utilizzo nelle linee ferroviarie sia convenzionali che ad alta velocità. Invece il Life Cycle Assessment (LCA) dimostra che il processo di costruzione degli URP da PFU decostruiti impatta meno rispetto a quello dei PFU triturati. I risultati del Life Cycle Cost (LCC) fanno propendere per un utilizzo degli URP nelle vie ferroviarie in quanto si ha una diminuzione dei costi di manutenzione.

Utilizzo della metodologia Life Cycle Assessment combinata al modello RothC per valutare gli impatti ambientali in aziende vitivinicole a diverso regime di conduzione

A causa del riscaldamento globale, tutti i settori produttivi sono incentivati ad attuare strategie e tecnologie volte a ridurre le emissioni climalteranti. Per il settore agricolo, una gestione più sostenibile del suolo permetterebbe di rimuovere CO2 dall’atmosfera, stoccandola come C organico nel suolo. Il presente studio si pone l’obiettivo di quantificare gli impatti della produzione dell’uva e del vino imbottigliato dal punto di vista degli aspetti ambientali più rilevanti, approfondendo particolarmente il cambiamento climatico attraverso la metodologia Life Cycle Assessment (LCA). Inoltre, attraverso la determinazione delle dinamiche del C organico nel suolo mediante il modello RothC, lo studio cerca di capire se l'integrazione dei risultati di uno studio LCA con quelli del modello RothC possano fornire informazioni aggiuntive utili a un miglioramento della performance ambientale del prodotto agricolo. Il caso studio riguarda due aziende vitivinicole, situate in Emilia-Romagna che attuano due diverse tipologie di gestione (naturale e convenzionale). La metodologia LCA è stata applicata ad entrambi gli scenari selezionando i parametri metodologici più appropriati a seconda dello scenario in esame, e.g. i confini del sistema e l’unità funzionale, mentre, il modello RothC è stato applicato unicamente alla fase di coltivazione dell’uva. I risultati LCA mostrano le migliori prestazioni per la produzione dell’uva dell’azienda naturale per quasi tutte le categorie d’impatto, incluso il cambiamento climatico. Nella produzione del vino imbottigliato, la fase di coltivazione e quella di imbottigliamento risultano le più impattanti. I risultati di RothC evidenziano invece migliori prestazioni da parte dell’azienda convenzionale. L’integrazione dei risultati LCA con quelli di RothC rappresentano dunque un’operazione cruciale nel determinare quale sia l’effettivo impatto delle aziende agricole sul cambiamento climatico e come migliorarlo in futuro.

Uso combinato della metodologia Life Cycle Assessment e del modello RothC per stimare le prestazioni ambientali della produzione di uva in due aziende a conduzione convenzionale

Lo studio ha applicato la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) con l’obiettivo di valutare i potenziali impatti ambientali derivanti dalla coltivazione dell’uva in due aziende a conduzione convenzionale del ravennate, denominate DZ e NG. Successivamente è stato applicato il modello RothC per simulare scenari sulla variazione del Soil Organic Carbon (SOC) e valutare in che misura le diverse pratiche agronomiche di gestione del suolo influenzino la variazione del SOC e la relativa emissione di CO2. Infine, i risultati dell’LCA sono stati integrati con quelli del modello RothC. Gli esiti dell’LCA indicano che, generalmente, sui diversi aspetti ambientali l’azienda DZ ha impatti superiori a quelli di NG soprattutto a causa di un maggiore utilizzo di fertilizzanti e pesticidi. Per quanto riguarda il contributo al riscaldamento globale (GWP), DZ mostra un impatto circa doppio di quello di NG. Il modello RothC ha individuato quali pratiche culturali aumentano il SOC mitigando le emissioni di CO2eq., in particolare: l’inerbimento perenne, la scelta di forme di allevamento con elevata produzione di residui culturali e l’utilizzo di ammendanti. L’integrazione dei valori dei due strumenti ha permesso di ottenere un bilancio globale di CO2eq. in cui le emissioni totali rispetto al GWP aumentano in DZ e diminuiscono in NG, portando a un impatto di DZ circa tre volte superiore rispetto a quello di NG. Fertilizzazione, potatura e lavorazione del suolo sono pratiche considerate nel calcolo del GWP in termini di consumo ed emissione dei processi produttivi, ma non come input di carbonio fornibili al suolo, determinando sovra o sottostima delle effettive emissioni di CO2eq. Questo studio dimostra l’utilità di incentivare la diffusione dell’applicazione integrata dei due strumenti nel settore viticolo, determinante per la comprensione e quantificazione delle emissioni di CO2 associate alla fase di coltivazione, sulla quale quindi indirizzare ottimizzazioni e approfondimenti.

Towards the sustainable production of methyl methacrylate: A comparative analysis of industrial chemical production processes using life cycle assessment methodology

Increasing environmental awareness has been a significant driving force for innovations and process improvements in different sectors and the field of chemistry is not an outlier. Innovating around industrial chemical processes in line with current environmental responsibilities is however no mean feat. One of such hard to overhaul process is the production of methyl methacrylate (MMA) commonly produced via the acetone cyanohydrin (ACH) process developed back in the 1930s. Different alternatives to the ACH process have emerged over the years and the Alpha Lucite process has been particularly promising with a combined plant capacity of 370,000 metric tonnes in Singapore and Saudi Arabia. This study applied Life Cycle Assessment methodology to conduct a comparative analysis between the ACH and Lucite processes with the aim of ascertaining the effect of applying principles of green chemistry as a process improvement tool on overall environmental impacts. A further comparison was made between the Lucite process and a lab-scale process that is further improvement on the former, also based on green chemistry principles. Results showed that the Lucite process has higher impacts on resource scarcity and ecosystem health whereas the ACH process has higher impacts on human health. On the other hand, compared to the Lucite process the lab-scale process has higher impacts in both the ecosystem and human health categories with lower impacts only in the resource scarcity category. It was observed that the benefits of process improvements with green chemistry principles might not be apparent in some categories due to some limitations of the methodology. Process contribution analysis was also performed and it revealed that the contribution of energy is significant, therefore a sensitivity analysis with different energy scenarios was performed. An uncertainty analysis using Monte Carlo analysis was also performed to validate the consistency of the results in each of the comparisons.

Life cycle assessment (LCA) of a bio-fuel cell fed with waste biomass: potential for scale-up and process optimization

In this Thesis, a life cycle analysis (LCA) of a biofuel cell designed by a team from the University of Bologna was done. The purpose of this study is to investigate the possible environmental impacts of the production and use of the cell and a possible optimization for an industrial scale-up. To do so, a first part of the paper was devoted to studying the present literature on biomass, and fuel cell treatments and then LCA studies on them. The experimental part presents the work done to create the Life Cycle Inventory and Life Cycle Impact Assessment. Several alternative scenarios were created to study process optimization. Reagents and energy supply were changed. To examine whether this technology can be competitive, a comparison was made with some biofuel cell use scenarios with traditional biomass treatment technologies. The result of this study is that this technology is promising from an environmental point of view in case it is possible to recover nutrients in output, without excessive energy consumption, and to minimize the use of energy used to prepare the solution.

Towards a Smart Campus Digital Twin: Promoting Awareness and Sustainability Through Wayfinding and Real-Time Environmental Data

The newly inaugurated Navile District of the University of Bologna is a complex created along the Navile canal, that now houses various teaching and research activities for the disciplines of Chemistry, Industrial Chemistry, Pharmacy, Biotechnology and Astronomy. A Building Information Modeling system (BIM) gives staff of the Navile campus several ways to monitor buildings in the complex throughout their life cycle, one of which is the ability to access real-time environmental data such as room temperature, humidity, air composition, and more, thereby simplifying operations like finding faults and optimizing environmental resource usage. But smart features at Navile are not only available to the staff: AlmaMap Navile is a web application, whose development is documented in this thesis, that powers the public touch kiosks available throughout the campus, offering maps of the district and indications on how to reach buildings and spaces. Even if these two systems, BIM and AlmaMap, don't seem to have many similarities, they share the common intent of promoting awareness for informed decision making in the campus, and they do it while relying on web standards for communication. This opens up interesting possibilities, and is the idea behind AlmaMap Navile 2.0, an app that interfaces with the BIM system and combines real-time sensor data with a comfort calculation algorithm, giving users the ability not just to ask for directions to a space, but also to see its comfort level in advance and, should they want to, check environmental measurements coming from each sensor in a granular manner. The end result is a first step towards building a smart campus Digital Twin, that can support all the people who are part of the campus life in their daily activities, improving their efficiency and satisfaction, giving them the ability to make informed decisions, and promoting awareness and sustainability.

Design of an indirectly fired gas turbine integrated with an organic rankine cycle unit for combined heat and power production

In the last years, the European countries have paid increasing attention to renewable sources and greenhouse emissions. The Council of the European Union and the European Parliament have established ambitious targets for the next years. In this scenario, biomass plays a prominent role since its life cycle produces a zero net carbon dioxide emission. Additionally, biomass can ensure plant operation continuity thanks to its availability and storage ability. Several conventional systems running on biomass are available at the moment. Most of them are performant either in the large-scale or in the small power range. The absence of an efficient system on the small-middle scale inspired this thesis project. The object is an innovative plant based on a wet indirectly fired gas turbine (WIFGT) integrated with an organic Rankine cycle (ORC) unit for combined heat and power production. The WIFGT is a performant system in the small-middle power range; the ORC cycle is capable of giving value to low-temperature heat sources. Their integration is investigated in this thesis with the aim of carrying out a preliminary design of the components. The targeted plant output is around 200 kW in order not to need a wide cultivation area and to avoid biomass shipping. Existing in-house simulation tools are used: They are adapted to this purpose. Firstly the WIFGT + ORC model is built; Zero-dimensional models of heat exchangers, compressor, turbines, furnace, dryer and pump are used. Different fluids are selected but toluene and benzene turn out to be the most suitable. In the indirectly fired gas turbine a pressure ratio around 4 leads to the highest efficiency. From the thermodynamic analysis the system shows an electric efficiency of 38%, outdoing other conventional plants in the same power range. The combined plant is designed to recover thermal energy: Water is used as coolant in the condenser. It is heated from 60°C up to 90°C, ensuring the possibility of space heating. Mono-dimensional models are used to design the heat exchange equipment. Different types of heat exchangers are chosen depending on the working temperature. A finned-plate heat exchanger is selected for the WIFGT heat transfer equipment due to the high temperature, oxidizing and corrosive environment. A once-through boiler with finned tubes is chosen to vaporize the organic fluid in the ORC. A plate heat exchanger is chosen for the condenser and recuperator. A quasi-monodimensional model for single-stage axial turbine is implemented to design both the WIFGT and the ORC turbine. The system simulation after the components design shows an electric efficiency around 34% with a decrease by 10% compared to the zero-dimensional analysis. The work exhibits the system potentiality compared to the existing plants from both technical and economic point of view.