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.

Valutazione del Fattore di Effetto nella metodologia LCA: test sperimentali di tossicità indotti da nanoparticelle di Diossido di Titanio sull’alga Pseudokirchneriella Subcapitata

La nanotecnologia è una scienza innovativa che sviluppa e utilizza materiali di dimensioni nanometriche (< 100 nm). Lo sviluppo e il mercato delle nanoparticelle in merito alle loro interessanti proprietà chimico‐fisiche, é accompagnato da una scarsa conoscenza relativa al destino finale e agli effetti che questi nano materiali provocano nell’ ambiente [Handy et al., 2008]. La metodologia LCA (Life Cycle Assessment – Valutazione del Ciclo di Vita) è riconosciuta come lo strumento ideale per valutare e gestire gli impatti ambientali indotti dalle ENPs, nonostante non sia ancora possibile definire, in maniera precisa, un Fattore di Caratterizzazione CF per questa categoria di sostanze. Il lavoro di questa tesi ha l’obbiettivo di stimare il Fattore di Effetto EF per nanoparticelle di Diossido di Titanio (n‐TiO2) e quindi contribuire al calcolo del CF; seguendo il modello di caratterizzazione USEtox, l’EF viene calcolato sulla base dei valori di EC50 o LC50 relativi agli organismi appartenenti ai tre livelli trofici di un ecosistema acquatico (alghe, crostacei, pesci) e assume valore pari a 49,11 PAF m3/Kg. I valori tossicologici utilizzati per il calcolo del Fattore di Effetto derivano sia da un’accurata ricerca bibliografica sia dai risultati ottenuti dai saggi d’inibizione condotti con n‐TiO2 sulla specie algale Pseudokirchneriella Subcapitata. La lettura dei saggi è stata svolta applicando tre differenti metodi quali la conta cellulare al microscopio ottico (media geometrica EC50: 2,09 mg/L, (I.C.95% 1,45‐ 2,99)), l’assorbanza allo spettrofotometro (strumento non adatto alla lettura di test condotti con ENPs) e l’intensità di fluorescenza allo spettrofluorimetro (media geometrica EC50: 3,67 mg/L (I.C.95% 2,16‐6,24)), in modo tale da confrontare i risultati e valutare quale sia lo strumento più consono allo studio di saggi condotti con n‐TiO2. Nonostante la grande variabilità dei valori tossicologici e la scarsa conoscenza sui meccanismi di tossicità delle ENPs sulle specie algali, il lavoro sperimentale e la ricerca bibliografica condotta, hanno permesso di individuare alcune proprietà chimico‐fisiche delle nanoparticelle di Diossido di Titanio che sembrano essere rilevanti per la loro tossicità come la fase cristallina, le dimensioni e la foto attivazione [Vevers et al., 2008; Reeves et al., 2007]. Il lavoro sperimentale ha inoltre permesso di ampliare l’insieme di valori di EC50 finora disponibile in letteratura e di affiancare un progetto di ricerca dottorale utilizzando il Fattore di Effetto per n‐ TiO2 nel calcolo del Fattore di Caratterizzazione.

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.

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).

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.

Dematerializzazione e risparmio energetico in Hera spa: Analisi LCA e titoli di efficienza energetica.

Il seguente lavoro di tesi è stato svolto in Hera S.p.A. Il caso di studio riguarda il passaggio dalla bolletta cartacea alla bolletta elettronica. In particolare, sono stati messi a confronto i due modelli di bollettazione attraverso l'analisi LCA. In seguito sono stati calcolati i risparmi energetici conseguiti, misurati in tep, attraverso i quali è stato possibile creare una proposta di scheda tecnica per la quantificazione dei risparmi di energia primaria.

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.

Waste management in Forlì-Cesena province: Life Cycle Assessment (LCA) of Forlì incinerator

This work assesses the environmental impact of a municipal solid waste incinerator with energy recovery in Forlì-Cesena province (Emilia-Romagna region, Italy). The methodology used is Life Cycle Assessment (LCA). As the plant already applies the best technologies available in waste treatment, this study focuses on the fate of the residues (bottom and fly ash) produced during combustion. Nine scenarios are made, based on different ash treatment disposing/recycling techniques. The functional unit is the amount of waste incinerated in 2011. Boundaries are set from waste arrival in the plant to the disposal/recovery of the residues produced, with energy recovery. Only the operative period is considered. Software used is GaBi 4 and the LCIA method used is CML2001. The impact categories analyzed are: abiotic depletion, acidification, eutrophication, freshwater aquatic ecotoxicity, global warming, human toxicity, ozone layer depletion, photochemical oxidant formation, terrestrial ecotoxicity and primary energy demand. Most of the data are taken from Herambiente. When primary data are not available, data from Ecoinvent and GaBi databases or literature data are used. The whole incineration process is sustainable, due to the relevant avoided impact given by co-generator. As far as regards bottom ash treatment, the most influential process is the impact savings from iron recovery. Bottom ash recycling in road construction or as building material are both valid alternatives, even if the first option faces legislative limits in Italy. Regarding fly ash inertization, the adding of cement and Ferrox treatment results the most feasible alternatives. However, this inertized fly ash can maintain its hazardous nature. The only method to ensure the stability of an inertized fly ash is to couple two different stabilization treatments. Ash stabilization technologies shall improve with the same rate of the flexibility of the national legislation about incineration residues recycling.

Sviluppo di metodologie per l'analisi di composti organici prodotti dalla fermentazione di frazioni pirolitiche della biomassa

I processi microbiologici rivestono una grande importanza nello sviluppo di combustibili e sostanze chimiche da fonti rinnovabili (biomassa), quali: il biometano e le bioplastiche, come i poli(idrossialcanoati), PHA. I PHA sono poliesteri ottenuti per condensazione di 3-idrossiacidi, il più comune dei quali è il poli(3-idrossibutirrato, PHB). Gli alti costi di produzione del PHA da colture microbiche singole ha portato a valutare nuove strategie, tra cui l’utilizzo di colture microbiche miste (MMC) e substrati di scarto. Il bio-olio ottenuto dalla pirolisi di biomassa potrebbe essere un substrato interessante per la produzione di biogas e PHA. Gli acidi a catena corta (acidi grassi volatili, VFA), infatti, sono i prodotti intermedi nella produzione sia di biogas che di PHA. L’analisi di questi ultimi viene normalmente effettuata tramite GC-FID o GC-MS. La degradazione termica (pirolisi, Py) di PHA produce acidi alchenoici caratteristici, come l’acido crotonico. Il metodo tradizionale per la determinazione del PHA è la metanolisi seguita da un’analisi GC-MS, una procedura laboriosa con uso di solventi clorurati e sostanze corrosive. Lo scopo principale di questa tesi è stato quello di sviluppare un nuovo metodo di analisi dei PHA. Il metodo studiato si basa sulla pirolisi diretta della biomassa e determinazione degli acidi alchenoici prodotti dalla degradazione del PHA in GC-FID. La pirolisi analitica è stata studiata tramite analisi di polimeri puri (per la calibrazione) e poi è stata applicata a campioni batterici derivanti da MMC e a ceppi selezionati. Il confronto con il metodo convenzionale ha dimostrato che la Py/GC-FID è un metodo valido per l’identificazione dei PHA e per la loro quantificazione nelle matrici batteriche. Il pre-trattamento del campione è minimo e non richiede l’uso di solventi e reagenti chimici. Inoltre, è stata applicata una tecnica di analisi dei VFA nei test di biometanazione basata sull’estrazione con una microquantità di dimetilcarbonato.

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).