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).

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).

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).

Assessment and optimization of chemical industrial processes from a life cycle perspective

During the PhD program in chemistry, curriculum in environmental chemistry, at the University of Bologna the sustainability of industry was investigated through the application of the LCA methodology. The efforts were focused on the chemical sector in order to investigate reactions dealing with the Green Chemistry and Green Engineering principles, evaluating their sustainability in comparison with traditional pathways by a life cycle perspective. The environmental benefits associated with a reduction in the synthesis steps and the use of renewable feedstock were assessed through a holistic approach selecting two case studies with high relevance from an industrial point of view: the synthesis of acrylonitrile and the production of acrolein. The current approach wants to represent a standardized application of LCA methodology to the chemical sector, which could be extended to several case studies, and also an improvement of the current databases, since the lack of data to fill the inventories of the chemical productions represent a huge limitation, difficult to overcome and that can affects negatively the results of the studies. Results emerged from the analyses confirms that the sustainability in the chemical sector should be evaluated from a cradle-to-gate approach, considering all the stages and flows involved in each pathways in order to avoid shifting the environmental burdens from a steps to another. Moreover, if possible, LCA should be supported by other tools able to investigate the other two dimensions of sustainability represented by the social and economic issues.

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.

Applicazione della metodologia LCA ai cereali: Il caso della cooperativa agricola Capa Cologna

L’agricoltura e la trasformazione dei prodotti agro-alimentari hanno un forte impatto sull’ambiente. Su questo aspetto converge l’attenzione sia delle politiche nazionali ed internazionali sia del singolo consumatore. E’ quindi sempre più necessario valutare questo impatto lungo tutta la filiera dei prodotti agro-alimentari per capire dove e come intervenire per aumentarne le prestazioni ambientali. La presente tesi, svolta in collaborazione con la società di ingegneria ambientale E&NGI srl, si propone quindi di analizzare, attraverso la metodologia di Life Cycle Assessment, gli impatti del ciclo di vita di grano e mais, prodotti, trasportati e trattati dalla cooperativa agricola Capa Cologna, in provincia di Ferrara. I cereali sono stati seguiti dalla produzione fino ai cancelli dell’azienda e i dati relativi a tutti i flussi uscenti ed entranti dal processo produttivo sono stati raccolti in campo o ottenuti dall’applicazione di modelli previsionali o, quando necessario, ricavati da banche dati esistenti. Questi flussi hanno costituito un inventario implementato nel software Gabi 6. Successivamente i flussi sono stati convertiti in impatti potenziali utilizzando due metodi (CML 2001 e USEtox) e selezionando sette categorie d’impatto potenziale: esaurimento delle risorse abiotiche, acidificazione, eutrofizzazione, effetto serra, assottigliamento della fascia di ozono stratosferico, smog fotochimico ed ecotossicità acquatica. Dall’analisi è emerso che per entrambi i cereali la fase del ciclo di vita maggiormente impattante è quella di coltivazione. Ciò è dovuto, soprattutto, alla produzione dei fertilizzanti chimici, dei fitofarmaci e alle loro emissioni in ambiente. Sui metodi per la stima di queste emissioni è stata svolta un’analisi di sensitività. Infine, non essendo ipotizzabile intervenire nella fase agricola, in quanto la cooperativa deve seguire un rigido disciplinare, si sono proposte azioni di miglioramento sull’impianto di Capa Cologna. In particolare, si è proposto uno scenario alternativo in cui l’impianto è alimentato ad energia solare fotovoltaica.

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.

Applicazione delle metodologie LCA ed LCC per la valutazione ambientale ed economica della produzione del pellet realizzato tramite scarti agricoli di potature degli uliveti

Nel seguente lavoro è stata sviluppata una analisi ambientale ed economica del ciclo di vita del pellet, realizzato con scarti agricoli dalle potature degli uliveti. L’obiettivo di tale lavoro è dimostrare se effettivamente l’utilizzo del pellet apporti vantaggi sia dal punto di vista ambientale sia da quello economico. In tale progetto si sviluppano quindi un LCA, Life cycle analysis, e un LCC, Life Cycle Cost, secondo gli steps standard suggeriti da tali metodologie. Per effettuare l’analisi del ciclo di vita è stato utilizzato il software Simapro che ha permesso di valutare gli impatti ambientali sulle varie categorie di impatto incluse. In particolare sono stati considerati due metodologie, una midpoint ed una endpoint, ossia l’Ecoindicator 99 e il CML2 baseline 2000. Per le valutazioni finali è stata poi utilizzata la normativa spagnola sugli impatti ambientali, BOE 21/2013 del 9 dicembre, che ci ha permesso di caraterizzare le varie categorie d’impatto facendo emergere quelle più impattate e quelle meno impattate. I risultati finali hanno mostrato che la maggior parte degli impatti sono di tipo compatibile e moderato; pochi, invece, sono gli impatti severi e compatibili, che si riscontrano soprattutto nella categoria d’impatto “Fossil Fuels”. Per quanto riguarda invece l’analisi economica, si è proceduto effettuando una valutazione iniziale fatta su tutto il processo produttivo considerato, poi una valutazione dal punto di vista del produttore attraverso una valutazione dell’investimento ed infine, una valutazione dal punto di vista del cliente finale. Da queste valutazioni è emerso che ciò risulta conveniente dal punto di vista economico non solo per il produttore ma anche per l’utente finale. Per il primo perché dopo i primi due anni di esercizio recupera l’investimento iniziale iniziando ad avere un guadagno; e per il secondo, poiché il prezzo del pellet è inferiore a quello del metano. Quindi, in conclusione, salvo cambiamenti in ambito normativo ed economico, l’utilizzo del pellet realizzato da scarti di potature di uliveti risulta essere una buona soluzione per realizzare energia termica sia dal punto di vista ambientale, essendo il pellet una biomassa il cui ciclo produttivo non impatta severamente sull’ambiente; sia dal punto di vista economico permettendo al produttore introiti nell’arco del breve tempo e favorendo al cliente finale un risparmio di denaro sulla bolletta.

The applicability of non-local LCI data for LCA

This study evaluated how applicable European Life Cycle Inventory (LCI) data are to assessing the environmental impacts of the life cycle of Brazilian triple superphosphate (TSP). The LCI data used for the comparison were local Brazilian LCI data, European LCI data in its original version from the ecoinvent database and a modified version of the European LCI data, which had been adapted to better account for the Brazilian situation. We compared the three established datasets at the level of the inventory as well as for their environmental impacts, i.e. at the level of Life Cycle Environmental Assessment (LCIA). The analysis showed that the European LCIs (both the original and the modified ones) considered a broader spectrum of background processes and environmental flows (inputs and outputs). Nevertheless, TSP production had in all three cases similar values for the consumption of the main raw materials. The LCIA results obtained for the datasets showed important differences as well. Therefore we concluded that the European data in general lead to much higher environmental impacts than the Brazilian data. The differences between the LCIA results obtained with the Brazilian and the European data can be basically explained by the methodological differences underlying the data. The small differences at the LCI level for selected inputs and outputs between the Brazilian and the European LCIs from ecoinvent indicate that the latter can be regarded as applicable for characterizing the Brazilian TSP.

LIFE CYCLE ASSESSMENT OF BIOFUEL PRODUCED FROM ALGAE

Algae are considered a promising source of biofuels in the future. However, the environmental impact of algae-based fuel has high variability in previous LCA studies due to lack of accurate data from researchers and industry. The National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts (NAABB) project was designed to produce and evaluate new technologies that can be implemented by the algal biofuel industry and establish the overall process sustainability. The MTU research group within NAABB worked on the environmental sustainability part of the consortium with UOP-Honeywell and with the University of Arizona (Dr. Paul Blowers). Several life cycle analysis (LCA) models were developed within the GREET Model and SimaPro 7.3 software to quantitatively assess the environment viability and sustainability of algal fuel processes. The baseline GREET Harmonized algae life cycle was expanded and replicated in SimaPro software, important differences in emission factors between GREET/E-Grid database and SimaPro/Ecoinvent database were compared, and adjustments were made to the SimaPro analyses. The results indicated that in most cases SimaPro has a higher emission penalty for inputs of electricity, chemicals, and other materials to the algae biofuels life cycle. A system-wide model of algae life cycle was made starting with preliminary data from the literature, and then progressed to detailed analyses based on inputs from all NAABB research areas, and finally several important scenarios in the algae life cycle were investigated as variations to the baseline scenario. Scenarios include conversion to jet fuel instead of biodiesel or renewable diesel, impacts of infrastructure for algae cultivation, co-product allocation methodology, and different usage of lipid-extracted algae (LEA). The infrastructure impact of algae cultivation is minimal compared to the overall life cycle. However, in the scenarios investigating LEA usage for animal feed instead of internal recycling for energy use and nutrient recovery the results reflect the high potential variability in LCA results. Calculated life cycle GHG values for biofuel production scenarios where LEA is used as animal feed ranged from a 55% reduction to 127% increase compared to the GREET baseline scenario depending on the choice of feed meal. Different allocation methods also affect LCA results significantly. Four novel harvesting technologies and two extraction technologies provided by the NAABB internal report have been analysis using SimaPro LCA software. The results indicated that a combination of acoustic extraction and acoustic harvesting technologies show the most promising result of all combinations to optimize the extraction of algae oil from algae. These scenario evaluations provide important insights for consideration when planning for the future of an algae-based biofuel industry.

The educational learning lifecycle and the cloud computing

Currently, student dropout rates are a matter of concern among universities. Many research studies, aimed at discovering the causes, have been carried out. However, few solutions, that could serve all students and related problems, have been proposed so far. One such problem is caused by the lack of the "knowledge chain educational links" that occurs when students move onto higher studies without mastering their basic studies. Most regulated studies imparted at universities are designed so that some basic subjects serve as support for other, more complicated, subjects, thus forming a complicated knowledge network. When a link in this chain fails, student frustration occurs as it prevents him from fully understanding the following educational links. In this proposal we try to mitigate these disasters that stem, for the most part, the student?s frustration beyond his college stay. On one hand, we make a dissertation on the student?s learning process, which we divide into a series of phases that amount to what we call the "learning lifecycle." Also, we analyze at what stage the action by the stakeholders involved in this scenario: teachers and students; is most important. On the other hand, we consider that Information and Communication Technologies ICT, such as Cloud Computing, can help develop new ways, allowing for the teaching of higher education, while easing and facilitating the student?s learning process. But, methods and processes need to be defined as to direct the use of such technologies; in the teaching process in general, and within higher education in particular; in order to achieve optimum results. Our methodology integrates, as another actor, the ICT into the "Learning Lifecycle". We stimulate students to stop being merely spectators of their own education, and encourage them to take an active part in their training process. To do this, we offer a set of useful tools to determine not only academic failure causes, (for self assessment), but also to remedy these failures (with corrective actions); "discovered the causes it is easier to determine solutions?. We believe this study will be useful for both students and teachers. Students learn from their own experience and improve their learning process, while obtaining all of the "knowledge chain educational links? required in their studies. We stand by the motto "Studying to learn instead of studying to pass". Teachers will also be benefited by detecting where and how to strengthen their teaching proposals. All of this will also result in decreasing dropout rates.

Life cycle assessment of concentrated solar power (CSP) and the influence of hybridising with natural gas

Purpose Concentrating Solar Power (CSP) plants based on parabolic troughs utilize auxiliary fuels (usually natural gas) to facilitate start-up operations, avoid freezing of HTF and increase power output. This practice has a significant effect on the environmental performance of the technology. The aim of this paper is to quantify the sustainability of CSP and to analyse how this is affected by hybridisation with different natural gas (NG) inputs. Methods A complete Life Cycle (LC) inventory was gathered for a commercial wet-cooled 50 MWe CSP plant based on parabolic troughs. A sensitivity analysis was conducted to evaluate the environmental performance of the plant operating with different NG inputs (between 0 and 35% of gross electricity generation). ReCiPe Europe (H) was used as LCA methodology. CML 2 baseline 2000 World and ReCiPe Europe E were used for comparative purposes. Cumulative Energy Demands (CED) and Energy Payback Times (EPT) were also determined for each scenario. Results and discussion Operation of CSP using solar energy only produced the following environmental profile: climate change 26.6 kg CO2 eq/KWh, human toxicity 13.1 kg 1,4-DB eq/KWh, marine ecotoxicity 276 g 1,4-DB eq/KWh, natural land transformation 0.005 m2/KWh, eutrophication 10.1 g P eq/KWh, acidification 166 g SO2 eq/KWh. Most of these impacts are associated with extraction of raw materials and manufacturing of plant components. The utilization NG transformed the environmental profile of the technology, placing increasing weight on impacts related to its operation and maintenance. Significantly higher impacts were observed on categories like climate change (311 kg CO2 eq/MWh when using 35 % NG), natural land transformation, terrestrial acidification and fossil depletion. Despite its fossil nature, the use of NG had a beneficial effect on other impact categories (human and marine toxicity, freshwater eutrophication and natural land transformation) due to the higher electricity output achieved. The overall environmental performance of CSP significantly deteriorated with the use of NG (single score 3.52 pt in solar only operation compared to 36.1 pt when using 35 % NG). Other sustainability parameters like EPT and CED also increased substantially as a result of higher NG inputs. Quasilinear second-degree polynomial relationships were calculated between various environmental performance parameters and NG contributions. Conclusions Energy input from auxiliary NG determines the environmental profile of the CSP plant. Aggregated analysis shows a deleterious effect on the overall environmental performance of the technology as a result of NG utilization. This is due primarily to higher impacts on environmental categories like climate change, natural land transformation, fossil fuel depletion and terrestrial acidification. NG may be used in a more sustainable and cost-effective manner in combined cycle power plants, which achieve higher energy conversion efficiencies.

Life Cycle Assessment as a tool to promote sustainable Thermowood boards: a Portuguese case study

The present work aims to develop the Life Cycle Assessment study of thermo-modified Atlanticwood® pine boards based on real data provided by Santos & Santos Madeiras company. Atlanticwood® pine boards are used mainly for exterior decking and cladding facades of buildings. The LCA study is elaborated based on ISO 14040/44 standard and Product Category Rules for preparing an environmental product declaration for Construction Products and Construction Services. The inventory analysis and, subsequently, the impact analysis have been performed using the LCA software SimaPro8.0.4. The method chosen for impact assessment was EPD (2013) V1.01. The results show that more than ¾ of ‘Acidification’, ‘Eutrophication’, ‘Global warming’ and ‘Abiotic depletion’ caused by 1 m3 of Atlanticwood® pine boards production is due to energy consumption (electricity + gas + biomass). This was to be expected since the treatment is based on heat production and no chemicals are added during the heat treatment process.