Road fright transport decoupling: A comparative analysis between the United Kingdom and Spain

Economic growth has traditionally been linked to road freight transport demand, leading to a steady rise in social and environmental impacts. Concern about this problem has caused the EU to promote a decoupling strategy aimed at boosting sustainable development in European countries by improving the efficiency of transport systems without curbing economic growth. Over the last few years empirical evidence in some countries such as the United Kingdom has shown an increase in GDP while the volume of road freight traffic has remained stable or even decreased. This paper compares recent decoupling trends by analyzing the evolution of road tonne-kms/GDP relationship in the United Kingdom and Spain from 1999 to 2007. This comparison seeks to identify the main differences and key drivers of decoupling in both countries. We first provide an overview of the divergences between both economic structures and levels of road transport intensity. Then we conduct a decomposition analysis in order to identify the variables that explain the evolution of truck traffic per unit of GDP in each country. The results show that the increasing share of services in GDP has substantially contributed to decreasing road transport demand in both cases. Changes in road transport intensity due to improvements in logistic and supply chain management have been more successful in the UK than in Spain.

Asphalt rubber mixtures with warm mix asphalt additives

En los últimos años, debido a la creciente preocupación por el calentamiento global y el cambio climático, uno de los retos más importantes a los que se enfrenta nuestra sociedad es el uso eficiente y económico de energía así como la necesidad correspondiente de reducir los gases de efecto invernadero (GEI). Las tecnologías de mezclas semicalientes se han convertido en un nuevo e importante tema de investigación en el campo de los materiales para pavimentos ya que ofrece una solución potencial para la reducción del consumo energético y las emisiones de GEI durante la producción y puesta en obra de las mezclas bituminosas. Por otro lado, los pavimentos que contienen polvo de caucho procedente de neumático fuera de uso, al hacer uso productos de desecho, ahorran energía y recursos naturales. Estos pavimentos ofrecen una resistencia mejorada a la formación de roderas, a la fatiga y a la fisuración térmica, reducen los costes de mantenimiento y el ruido del tráfico así como prolongan la vida útil del pavimento. Sin embargo, estas mezclas presentan un importante inconveniente: la temperatura de fabricación se debe aumentar en comparación con las mezclas asfálticas convencionales, ya que la incorporación de caucho aumenta la viscosidad del ligante y, por lo tanto, se producen mayores cantidades de emisiones de GEI. En la presente Tesis, la tecnología de mezclas semicalientes con aditivos orgánicos (Sasobit, Asphaltan A, Asphaltan B, Licomont) se incorporó a la de betunes de alta viscosidad modificados con caucho (15% y 20% de caucho) con la finalidad de dar una solución a los inconvenientes de mezclas con caucho gracias a la utilización de aditivos reductores de la viscosidad. Para este fin, se estudió si sería posible obtener una producción más sostenible de mezclas con betunes de alto contenido en caucho sin afectar significativamente su nivel de rendimiento mecánico. La metodología aplicada para evaluar y comparar las características de las mezclas consistió en la realización de una serie de ensayos de laboratorio para betunes y mezclas con caucho y con aditivos de mezclas semicalientes y de un análisis del ciclo de vida híbrido de la producción de mezclas semicalientes teniendo en cuenta la papel del aditivo en la cadena de suministro con el fin de cuantificar con precisión los beneficios de esta tecnología. Los resultados del estudio indicaron que la incorporación de los aditivos permite reducir la viscosidad de los ligantes y, en consecuencia, las temperaturas de producción y de compactación de las mezclas. Por otro lado, aunque la adición de caucho mejoró significativamente el comportamiento mecánico de los ligantes a baja temperatura reduciendo la susceptibilidad al fenómeno de fisuración térmica, la adición de las ceras aumentó ligeramente la rigidez. Los resultados del estudio reológico mostraron que la adición de porcentajes crecientes de caucho mejoraban la resistencia del pavimento con respecto a la resistencia a la deformación permanente a altas temperaturas y a la fisuración térmica a bajas temperaturas. Además, se observó que los aditivos mejoran la resistencia a roderas y la elasticidad del pavimento al aumentar el módulo complejo a altas temperaturas y al disminuir del ángulo de fase. Por otra parte, el estudio reológico confirmó que los aditivos estudiados aumentan ligeramente la rigidez a bajas temperaturas. Los ensayos de fluencia llevados a cabo con el reómetro demostraron una vez más la mejora en la elasticidad y en la resistencia a la deformación permanente dada por la adición de las ceras. El estudio de mezclas con caucho y aditivos de mezclas semicalientes llevado a cabo demostró que las temperaturas de producción/compactación se pueden disminuir, que las mezclas no experimentarían escurrimiento, que los aditivos no cambian significativamente la resistencia conservada y que cumplen la sensibilidad al agua exigida. Además, los aditivos aumentaron el módulo de rigidez en algunos casos y mejoraron significativamente la resistencia a la deformación permanente. Asimismo, a excepción de uno de los aditivos, las mezclas con ceras tenían la misma o mayor resistencia a la fatiga en comparación con la mezcla control. Los resultados del análisis de ciclo de vida híbrido mostraron que la tecnología de mezclas semicalientes es capaz de ahorrar significativamente energía y reducir las emisiones de GEI, hasta un 18% y 20% respectivamente, en comparación con las mezclas de control. Sin embargo, en algunos de los casos estudiados, debido a la presencia de la cera, la temperatura de fabricación debe reducirse en un promedio de 8 ºC antes de que los beneficios de la reducción de emisiones y el consumo de combustible puedan ser obtenidos. Los principales sectores contribuyentes a los impactos ambientales generados en la fabricación de mezclas semicalientes fueron el sector de los combustibles, el de la minería y el de la construcción. Due to growing concerns over global warming and climate change in recent years, one of the most important challenges facing our society is the efficient and economic use of energy, and with it, the corresponding need to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. The Warm Mix Asphalt (WMA) technology has become an important new research topic in the field of pavement materials as it offers a potential solution for the reduction of energy consumption and GHG emissions during the production and placement of asphalt mixtures. On the other hand, pavements containing crumb-rubber modified (CRM) binders save energy and natural resources by making use of waste products. These pavements offer an improved resistance to rutting, fatigue and thermal cracking; reduce traffic noise and maintenance costs and prolong pavement life. These mixtures, however, present one major drawback: the manufacturing temperature is higher compared to conventional asphalt mixtures as the rubber lends greater viscosity to the binder and, therefore, larger amounts of GHG emissions are produced. In this dissertation the WMA technology with organic additives (Sasobit, Asphaltan A, Asphaltan B and Licomont) was applied to CRM binders (15% and 20% of rubber) in order to offer a solution to the drawbacks of asphalt rubber (AR) mixtures thanks to the use of fluidifying additives. For this purpose, this study sought to determine if a more sustainable production of AR mixtures could be obtained without significantly affecting their level of mechanical performance. The methodology applied in order to evaluate and compare the performance of the mixtures consisted of carrying out several laboratory tests for the CRM binders and AR mixtures with WMA additives (AR-WMA mixtures) and a hybrid input-output-based life cycle assessment (hLCA) of the production of WMA. The results of the study indicated that the incorporation of the organic additives were able to reduce the viscosity of the binders and, consequently, the production and compaction temperatures. On the other hand, although the addition of rubber significantly improved the mechanical behaviour of the binders at low temperatures reducing the susceptibility to thermal cracking phenomena, the addition of the waxes slightly increased the stiffness. Master curves showed that the addition of increasing percentages of rubber improved the resistance of the pavement regarding both resistance to permanent deformation at high temperatures and thermal cracking at low temperatures. In addition, the waxes improved the rutting resistance and the elasticity as they increased the complex modulus at high temperatures and decreased the phase angle. Moreover, master curves also attest that the WMA additives studied increase the stiffness at low temperatures. The creep tests carried out proved once again the improvement in the elasticity and in the resistance to permanent deformation given by the addition of the waxes. The AR-WMA mixtures studied have shown that the production/compaction temperatures can be decreased, that the mixtures would not experience binder drainage, that the additives did not significantly change the retained resistance and fulfilled the water sensitivity required. Furthermore, the additives increased the stiffness modulus in some cases and significantly improved the permanent deformation resistance. Except for one of the additives, the waxes had the same or higher fatigue resistance compared to the control mixture. The results of the hLCA demonstrated that the WMA technology is able to significantly save energy and reduce GHG emissions, up to 18% and 20%, respectively, compared to the control mixtures. However, in some of the case studies, due to the presence of wax, the manufacturing temperature at the asphalt plant must be reduced by an average of 8ºC before the benefits of reduced emissions and fuel usage can be obtained. The results regarding the overall impacts generated using a detailed production layer decomposition indicated that fuel, mining and construction sectors are the main contributors to the environmental impacts of manufacturing WMA mixtures.

Methodologies to measure and to manage the decarbonisation of road transport: the case of Spain

El sector del transporte por carretera es uno de los principales contribuyentes de consumo de combustible y emisiones de España. Por lo tanto, la evaluación de los impactos ambientales del tráfico rodado es esencial para los programas de mitigación del cambio climático y la eficiencia energética. Sin embargo, uno de los retos en la planificación del transporte y el diseño de políticas consiste en la aplicación de metodologías de evaluación de emisiones consistentes, el diseño de estrategias y la evaluación de su eficacia. Las metodologías existentes de evaluación de las emisiones del transporte por carretera, utilizan diferentes niveles de análisis y períodos. Sin embargo, estos análisis son puntuales y no existe una continuidad en el análisis de diferentes estrategias o políticas. Esta tesis doctoral proporciona conocimientos y herramientas para el análisis de las políticas destinadas a reducir las emisiones de tráfico, tomando España como caso de estudio. La investigación se estructura en dos partes: i) el desarrollo y aplicación de metodologías para el análisis de factores y políticas que contribuyen en la evolución de las emisiones GEI del transporte por carretera en España; desde una perspectiva nacional; y ii) el desarrollo y aplicación de un marco metodológico para estimar las emisiones del tráfico interurbano y de evaluar estrategias centradas en la operación del tráfico y en la infraestructura. En resumen, esta tesis demuestra la idoneidad de utilizar diferentes herramientas para analizar las emisiones de tráfico desde diferentes puntos de vista. Desde el diseño de políticas de mitigación y eficiencia energética a nivel nacional, a estrategias centradas en la operación del tráfico interurbano y la infraestructura. Road transport is one of the major contributors to fuel consumption and emissions in Spain. Consequently, assessing the environmental impacts of road traffic is essential for climate change mitigation and energy efficiency programs. However, one of the key challenges of policy makers and transport planners consists of implementing consistent assessment emissions methodologies, applying mitigation strategies, and knowing their effectiveness. Current state-of-the-art emissions assessment methodologies estimate emissions from different levels and periods, using different approaches. Nevertheless, these studies are timely and they usually take different methodologies for analysing different strategies or policies, regardless of the assessment as a whole. This doctoral thesis provides knowledge and methodologies for analysing policies designed to reduce road traffic emissions, using the case study of Spain. The research procedure consists of two main scopes: i) the development and application of methodologies for analysing key factors and policies driving the GHG emissions of road transport in Spain; from a national perspective; and ii) the development and application of a road traffic emissions model for assessing operational and infrastructure strategies of the interurban road network at segment level. In summary, this thesis demonstrates the appropriateness to use different tools to analyse road traffic emissions at different levels: from appropriate nationwide mitigation and energy efficiency policies, to strategies focused on the operation of interurban traffic and infrastructure.

Planning and Management of Mobility in Natural Protected Areas

The paper describes some relevant results of an on-going research aiming to elaborate a methodology to help the mobility management in natural parks, compatible with their protection missions: it has been developed a procedure to reproduce the mobility-environment relationships in various operational conditions. The final purpose is the identification of: a) the effects of various choices in transport planning, both at long term and strategic level; b) the most effective policies of mobility management. The work is articulated in the following steps: 1) definition of protected area on the basis of ecological and socio-economic criteria and legislative constraints; 2) analysis of mobility needs in the protected areas; 3) reconstruction of the state of the art of mobility management in natural parks at European level; 4) analysis of used traffic flows measurement methods; 5) analysis of environmental impacts due to transport systems modelling (air pollution and noise only); 6) identification of mitigation measures to be potentially applied. The whole methodology has been tested and validated on Italian case studies: i) the concerned area has been zoned according to the land-use peculiarities; ii) the local situations of transport infrastructure (roads and parking), services (public transport systems) and rules (traffic regulations) have been mapped with references to physical and functional attributes; iii) the mobility, both systematic and touristic, has been represented in an origin-destination matrix. By means of an assignment model the flows have been distributed and the corresponding average speeds to quantify gaseous and noise emissions was calculated, the criticalities in the reference scenario have been highlighted, as well as some alternative scenarios, including both operational and infrastructural measures have been identified. The comparison between projects and reference scenario allowed the quantification of effects (variation of emissions) for each scenario and a selection of the most effective management actions to be taken.

Planning and management of mobility in natural protected areas

The final purpose is the identification of: a) the effects of various choices in transport planning, both at long term and strategic level; b) the most effective policies of mobility management. The preliminary work was articulated in the following steps: 1) definition of protected area on the basis of ecological and socio-economic criteria and legislative constraints; 2) analysis of mobility needs in the protected areas; 3) reconstruction of the state of the art of mobility management in natural parks at European level; 4) analysis of used traffic flows measurement methods; 5) analysis of environmental impacts due to transport systems modelling (limited to air pollution and noise); 6) identification of mitigation measures to the potentially applied. The whole methodology has been firstly tested on the case study of the National Park of ?Gran Sasso and Monti della Laga? and further validated on the National Park of ?Gargano?, both located Italy: i) the concerned area has been zoned according to the land-use peculiarities; ii) the local situations of transport infrastructure (roads and parking), services (public transport systems) and rules (traffic regulations) have been mapped with references to physical and functional attributes; iii) the mobility, both systematic and touristic, has been synthetically represented in an origin-destination matrix. By means of an assignment model it has been determined the distribution of flows and the corresponding average speeds to quantify gaseous and noise emissions. On this basis the environmental criticalities in the reference scenario have been highlighted, as well as some alternative scenarios including both operational and infrastructural measures have been identified. The comparison between the projects and the reference scenario allowed the quantification of the effects (variation of emissions) for each scenario and a selection of the most effective management actions to be taken.

Costes y opciones técnicas para la implantación de las próximas tecnologías de generación eléctrica sostenible

En este proyecto hemos realizado un análisis sobre la sostenibilidad de las tecnologías de generación más representativas desde un punto de vista sostenible. El objetivo de este proyecto es valorar cuantitativamente la sostenibilidad utilizando para ello los tres pilares de la sostenibilidad, para ello nos hemos apoyado en estudios sobre impactos medioambientales, seguridad en el suministro y costes de generación. Todo esto nos ha llevado a la conclusión de que aunque no existe una tecnología que satisfaga todas las necesidades, las nuevas tecnologías de generación, como las renovables, ganan en competitividad si añadimos un punto de vista sostenible. ABSTRACT In this paper, we have done an analysis about the sustainability of the power generation technologies most representative form a sustainable point of view. The objective of this paper is to evaluate quantitatively the sustainability using for this the three pillars of sustainability, for this we have relied on studies about environmental impacts, security supply and generation costs. All this led us to the conclusion that although there is no technology that satisfies all the necessities, the new generation technologies, such as the renewable, gains in competitiveness if we add a sustainable point of view.

Development and implementation of an air quality integrated assessment modelling system for the Iberian Peninsula

La mejora de la calidad del aire es una tarea eminentemente interdisciplinaria. Dada la gran variedad de ciencias y partes involucradas, dicha mejora requiere de herramientas de evaluación simples y completamente integradas. La modelización para la evaluación integrada (integrated assessment modeling) ha demostrado ser una solución adecuada para la descripción de los sistemas de contaminación atmosférica puesto que considera cada una de las etapas involucradas: emisiones, química y dispersión atmosférica, impactos ambientales asociados y potencial de disminución. Varios modelos de evaluación integrada ya están disponibles a escala continental, cubriendo cada una de las etapas antesmencionadas, siendo el modelo GAINS (Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies) el más reconocido y usado en el contexto europeo de toma de decisiones medioambientales. Sin embargo, el manejo de la calidad del aire a escala nacional/regional dentro del marco de la evaluación integrada es deseable. Esto sin embargo, no se lleva a cabo de manera satisfactoria con modelos a escala europea debido a la falta de resolución espacial o de detalle en los datos auxiliares, principalmente los inventarios de emisión y los patrones meteorológicos, entre otros. El objetivo de esta tesis es presentar los desarrollos en el diseño y aplicación de un modelo de evaluación integrada especialmente concebido para España y Portugal. El modelo AERIS (Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain) es capaz de cuantificar perfiles de concentración para varios contaminantes (NO2, SO2, PM10, PM2,5, NH3 y O3), el depósito atmosférico de especies de azufre y nitrógeno así como sus impactos en cultivos, vegetación, ecosistemas y salud como respuesta a cambios porcentuales en las emisiones de sectores relevantes. La versión actual de AERIS considera 20 sectores de emisión, ya sea equivalentes a sectores individuales SNAP o macrosectores, cuya contribución a los niveles de calidad del aire, depósito e impactos han sido modelados a través de matrices fuentereceptor (SRMs). Estas matrices son constantes de proporcionalidad que relacionan cambios en emisiones con diferentes indicadores de calidad del aire y han sido obtenidas a través de parametrizaciones estadísticas de un modelo de calidad del aire (AQM). Para el caso concreto de AERIS, su modelo de calidad del aire “de origen” consistió en el modelo WRF para la meteorología y en el modelo CMAQ para los procesos químico-atmosféricos. La cuantificación del depósito atmosférico, de los impactos en ecosistemas, cultivos, vegetación y salud humana se ha realizado siguiendo las metodologías estándar establecidas bajo los marcos internacionales de negociación, tales como CLRTAP. La estructura de programación está basada en MATLAB®, permitiendo gran compatibilidad con software típico de escritorio comoMicrosoft Excel® o ArcGIS®. En relación con los niveles de calidad del aire, AERIS es capaz de proveer datos de media anual y media mensual, así como el 19o valor horario más alto paraNO2, el 25o valor horario y el 4o valor diario más altos para SO2, el 36o valor diario más alto para PM10, el 26o valor octohorario más alto, SOMO35 y AOT40 para O3. En relación al depósito atmosférico, el depósito acumulado anual por unidad de area de especies de nitrógeno oxidado y reducido al igual que de azufre pueden ser determinados. Cuando los valores anteriormente mencionados se relacionan con características del dominio modelado tales como uso de suelo, cubiertas vegetales y forestales, censos poblacionales o estudios epidemiológicos, un gran número de impactos puede ser calculado. Centrándose en los impactos a ecosistemas y suelos, AERIS es capaz de estimar las superaciones de cargas críticas y las superaciones medias acumuladas para especies de nitrógeno y azufre. Los daños a bosques se calculan como una superación de los niveles críticos de NO2 y SO2 establecidos. Además, AERIS es capaz de cuantificar daños causados por O3 y SO2 en vid, maíz, patata, arroz, girasol, tabaco, tomate, sandía y trigo. Los impactos en salud humana han sido modelados como consecuencia de la exposición a PM2,5 y O3 y cuantificados como pérdidas en la esperanza de vida estadística e indicadores de mortalidad prematura. La exactitud del modelo de evaluación integrada ha sido contrastada estadísticamente con los resultados obtenidos por el modelo de calidad del aire convencional, exhibiendo en la mayoría de los casos un buen nivel de correspondencia. Debido a que la cuantificación de los impactos no es llevada a cabo directamente por el modelo de calidad del aire, un análisis de credibilidad ha sido realizado mediante la comparación de los resultados de AERIS con los de GAINS para un escenario de emisiones determinado. El análisis reveló un buen nivel de correspondencia en las medias y en las distribuciones probabilísticas de los conjuntos de datos. Las pruebas de verificación que fueron aplicadas a AERIS sugieren que los resultados son suficientemente consistentes para ser considerados como razonables y realistas. En conclusión, la principal motivación para la creación del modelo fue el producir una herramienta confiable y a la vez simple para el soporte de las partes involucradas en la toma de decisiones, de cara a analizar diferentes escenarios “y si” con un bajo coste computacional. La interacción con políticos y otros actores dictó encontrar un compromiso entre la complejidad del modeladomedioambiental con el carácter conciso de las políticas, siendo esto algo que AERIS refleja en sus estructuras conceptual y computacional. Finalmente, cabe decir que AERIS ha sido creado para su uso exclusivo dentro de un marco de evaluación y de ninguna manera debe ser considerado como un sustituto de los modelos de calidad del aire ordinarios. ABSTRACT Improving air quality is an eminently inter-disciplinary task. The wide variety of sciences and stakeholders that are involved call for having simple yet fully-integrated and reliable evaluation tools available. Integrated AssessmentModeling has proved to be a suitable solution for the description of air pollution systems due to the fact that it considers each of the involved stages: emissions, atmospheric chemistry, dispersion, environmental impacts and abatement potentials. Some integrated assessment models are available at European scale that cover each of the before mentioned stages, being the Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies (GAINS) model the most recognized and widely-used within a European policy-making context. However, addressing air quality at the national/regional scale under an integrated assessment framework is desirable. To do so, European-scale models do not provide enough spatial resolution or detail in their ancillary data sources, mainly emission inventories and local meteorology patterns as well as associated results. The objective of this dissertation is to present the developments in the design and application of an Integrated Assessment Model especially conceived for Spain and Portugal. The Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain (AERIS) is able to quantify concentration profiles for several pollutants (NO2, SO2, PM10, PM2.5, NH3 and O3), the atmospheric deposition of sulfur and nitrogen species and their related impacts on crops, vegetation, ecosystems and health as a response to percentual changes in the emissions of relevant sectors. The current version of AERIS considers 20 emission sectors, either corresponding to individual SNAP sectors or macrosectors, whose contribution to air quality levels, deposition and impacts have been modeled through the use of source-receptor matrices (SRMs). Thesematrices are proportionality constants that relate emission changes with different air quality indicators and have been derived through statistical parameterizations of an air qualitymodeling system (AQM). For the concrete case of AERIS, its parent AQM relied on the WRF model for meteorology and on the CMAQ model for atmospheric chemical processes. The quantification of atmospheric deposition, impacts on ecosystems, crops, vegetation and human health has been carried out following the standard methodologies established under international negotiation frameworks such as CLRTAP. The programming structure isMATLAB ® -based, allowing great compatibility with typical software such as Microsoft Excel ® or ArcGIS ® Regarding air quality levels, AERIS is able to provide mean annual andmean monthly concentration values, as well as the indicators established in Directive 2008/50/EC, namely the 19th highest hourly value for NO2, the 25th highest daily value and the 4th highest hourly value for SO2, the 36th highest daily value of PM10, the 26th highest maximum 8-hour daily value, SOMO35 and AOT40 for O3. Regarding atmospheric deposition, the annual accumulated deposition per unit of area of species of oxidized and reduced nitrogen as well as sulfur can be estimated. When relating the before mentioned values with specific characteristics of the modeling domain such as land use, forest and crops covers, population counts and epidemiological studies, a wide array of impacts can be calculated. When focusing on impacts on ecosystems and soils, AERIS is able to estimate critical load exceedances and accumulated average exceedances for nitrogen and sulfur species. Damage on forests is estimated as an exceedance of established critical levels of NO2 and SO2. Additionally, AERIS is able to quantify damage caused by O3 and SO2 on grapes, maize, potato, rice, sunflower, tobacco, tomato, watermelon and wheat. Impacts on human health aremodeled as a consequence of exposure to PM2.5 and O3 and quantified as losses in statistical life expectancy and premature mortality indicators. The accuracy of the IAM has been tested by statistically contrasting the obtained results with those yielded by the conventional AQM, exhibiting in most cases a good agreement level. Due to the fact that impacts cannot be directly produced by the AQM, a credibility analysis was carried out for the outputs of AERIS for a given emission scenario by comparing them through probability tests against the performance of GAINS for the same scenario. This analysis revealed a good correspondence in the mean behavior and the probabilistic distributions of the datasets. The verification tests that were applied to AERIS suggest that results are consistent enough to be credited as reasonable and realistic. In conclusion, the main reason thatmotivated the creation of this model was to produce a reliable yet simple screening tool that would provide decision and policy making support for different “what-if” scenarios at a low computing cost. The interaction with politicians and other stakeholders dictated that reconciling the complexity of modeling with the conciseness of policies should be reflected by AERIS in both, its conceptual and computational structures. It should be noted however, that AERIS has been created under a policy-driven framework and by no means should be considered as a substitute of the ordinary AQM.

Sustainability assessment of energy saving measures: A multi-criteria approach for residential buildings retrofitting—A case study of the Spanish housing stock

The building sector is well known to be one of the key energy consumers worldwide. The renovation of existing buildings provides excellent opportunities for an effective reduction of energy consumption and greenhouse gas emissions but it is essential to identify the optimal strategies. In this paper a multi-criteria methodology is proposed for the comparative analysis of retrofitting solutions. Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost (LCC) are combined by expressing environmental impacts in monetary values. A Pareto optimization is used to select the preferred strategies. The methodology is exemplified by a case study: the renovation of a representative housing block from the 1960s located in Madrid. Eight scenarios have been proposed, from the Business as Usual scenario (BAU), through Spanish Building Regulation requirements (for new buildings) up to the Passive House standard. Results show how current renovation strategies that are being applied in Madrid are far from being optimal solutions. The required additional investment, which is needed to obtain an overall performance improvement of the envelope compared with the common practice to date, is relatively low (8%) considering the obtained life cycle environmental and financial savings (43% and 45%, respectively).

Modelización del proceso de eliminación de la contaminación de suelos con hidrocarburos mediante desorción térmica “in situ” Comprobación de Modelo

El objetivo definitivo de esta investigación es contribuir con la profundización del conocimiento en las tecnologías de remediación, específicamente las térmicas, debido a que la contaminación de suelos es motivo de preocupación por ser uno de los graves impactos ambientales que origina el hombre con sus actividades, especialmente las industriales, afectando a la salud de los seres humanos, y el medio ambiente, representando elevados costes de saneamiento y en ocasiones problemas graves de salud de las comunidades aledañas. Se establecen tres fases de investigación. En la primera se diseña el sistema de termodesorción a escala piloto, se desarrolla las corridas experimentales, la segunda con corridas en laboratorio para investigar sobre los parámetros que intervienen en el proyecto. Se hacen las corridas respectivas para determinar la eficacia del sistema, y la tercera fase que consiste en comparar los modelos teóricos de Hartley, con los de Hartley Graham –Bryce y el de Hamaker para determinar su aproximación con los resultados reales. Apoyado en investigaciones anteriores, se diseñó y construyó un sistema de desorción térmica, el cual consiste en un horno tipo caja con 4 calentadores (resistencias), y una campana con un filtro para evitar la contaminación atmosférica, así mismo, se diseñó un sistema de control que permitió hacer las corridas con 1/3 de la potencia, con una relación de encendido apagado 3:1 respectivamente. Para validar los resultados obtenidos en el estudio matemático, se compararon dos modelos con la finalidad cuál de ellos se aproxima más a la realidad, se tomaron los ensayos con sus tiempos de operación a las temperaturas y se trabajó a distintas bandas de temperaturas para verificar la fiabilidad del proceso matemático. La temperatura es un variable importante en los procesos de desorción, como los son también la humedad del suelo, pues esta va influir directamente en el tiempo de remediación, por lo que es importante tomarla en cuenta. De igual forma el tipo de suelo va influir en los resultados, siendo las arenas más aptas para este tipo de remediación. Los resultados de la modelización son presentados para temperaturas constantes, el cual difiere de la realidad, pues el proceso de calentamiento es lento y va en accenso dependiendo del contenido de humedad y de las propiedades del suelo. La experimentación realizada concluye con buenos resultados de la aplicación de sistemas de desorción de acuerdo a las variables de Panamá. Con relación al grado de cumplimiento respecto a las normativas actuales relacionadas a los límites máximos permitidos. Los resultados garantizan las posibilidades del proceso de remediación térmica de suelos contaminados con combustibles en rango de diésel, garantizando niveles aceptables de limpieza en un tiempo menor a otras metodologías no destructivas pudieran tomar. ABSTRACT The ultimate goal of this investigation is to enhance the pool of knowledge related to remediation technologies, specifically thermal desorption. The motivation for this study is based on concerns due to pollution of land as one of the most serious environmental impacts caused by anthropogenic effects, specially industrial activities, affecting human health and the environment in general, which represents high reclamation costs, and in some cases, serious health issues in nearby communities. Three phases have been established for this study. The first phase involves the design of a thermal desorption system as a pilot experiment, and associated tests. The second phase consists of laboratory testing to investigate the parameters that affect the investigation, as well as to determine the efficacy of the system. The third phase covers the comparison of theorical models as proposed by Hartley, Hartley Graham – Bryce, and Hamaker, as well as the evaluation of these models versus the laboratory results. Supported by previous researches, the thermal desorption system was designed and installed as a “box” type oven with four heaters (resistances) and one absorption hood with a filter to avoid atmospheric contamination. In the same way, a control system was designed allowing testing with 1/3 of the power, with an on/off rate of 3:1 respectively. In order to validate the results, two mathematical models were compared to identify which model is closer to the experimental results; test results were documented with respective durations and temperatures; and experiments were executed using different ranges of temperature to validate the consistency of the mathematical process. Temperature is an important variable that should be considered for the desorption processes, as well as the humidity content within the soil, that has direct influence over the required duration to achieve remediation. In the same manner, the type of soil also influences the results, where sands are more efficient for this type of remediation process. The results from this experiment are according to constant temperatures, which is not a complete representation of the reality, as the heating process is slow and the temperature gradually increases according to the humidity content and other properties of the soil. The experiment shows good results for the application of thermal desorption systems according to the variables in Panama, as well as the level of compliance required to fulfill current regulations and mandatory maximum limits. The results guarantee the possibility of soil thermo-remediation as a resource to clean sites that have been polluted with diesel-like combustibles, allowing acceptable levels in a period of time that is lower than with other non-destructive remediation technics.

Influencia de las restricciones medioambientales en el sector eléctrico

El objetivo de esta tesis es la caracterización de la generación térmica representativa de la existente en la realidad, para posteriormente proceder a su modelización y simulación integrándolas en una red eléctrica tipo y llevar a cabo estudios de optimización multiobjetivo económico medioambiental. Para ello, en primera instancia se analiza el contexto energético y eléctrico actual, y más concretamente el peninsular, en el que habiendo desaparecido las centrales de fuelóleo, sólo quedan ciclos combinados y centrales de carbón de distinto rango. Seguidamente se lleva a cabo un análisis de los principales impactos medioambientales de las centrales eléctricas basadas en combustión, representados sobre todo por sus emisiones de CO2, SO2 y NOx, de las medidas de control y mitigación de las mismas y de la normativa que les aplica. A continuación, a partir de las características de los combustibles y de la información de los consumos específicos, se caracterizan los grupos térmicos frente a las funciones relevantes que definen su comportamiento energético, económico y medioambiental, en términos de funciones de salida horarias dependiendo de la carga. Se tiene en cuenta la posibilidad de desnitrificación y desulfuración. Dado que las funciones objetivo son múltiples, y que están en conflicto unas con otras, se ha optado por usar métodos multiobjetivo que son capaces de identificar el contorno de puntos óptimos o frente de Pareto, en los que tomando una solución no existe otra que lo mejore en alguna de las funciones objetivo sin empeorarlo en otra. Se analizaron varios métodos de optimización multiobjetivo y se seleccionó el de las ε constraint, capaz de encontrar frentes no convexos y cuya optimalidad estricta se puede comprobar. Se integró una representación equilibrada de centrales de antracita, hulla nacional e importada, lignito y ciclos combinados en la red tipo IEEE-57, en la que se puede trabajar con siete centrales sin distorsionar demasiado las potencias nominales reales de los grupos, y se programó en Matlab la resolución de flujos óptimos de carga en alterna con el método multiobjetivo integrado. Se identifican los frentes de Pareto de las combinaciones de coste y cada uno de los tres tipos de emisión, y también el de los cuatro objetivos juntos, obteniendo los resultados de costes óptimos del sistema para todo el rango de emisiones. Se valora cuánto le cuesta al sistema reducir una tonelada adicional de cualquier tipo de emisión a base de desplazarse a combinaciones de generación más limpias. Los puntos encontrados aseguran que bajo unas determinadas emisiones no pueden ser mejorados económicamente, o que atendiendo a ese coste no se puede reducir más allá el sistema en lo relativo a emisiones. También se indica cómo usar los frentes de Pareto para trazar estrategias óptimas de producción ante cambios horarios de carga. ABSTRACT The aim of this thesis is the characterization of electrical generation based on combustion processes representative of the actual power plants, for the latter modelling and simulation of an electrical grid and the development of economic- environmental multiobjective optimization studies. In this line, the first step taken is the analysis of the current energetic and electrical framework, focused on the peninsular one, where the fuel power plants have been shut down, and the only ones remaining are coal units of different types and combined cycle. Then it is carried out an analysis of the main environmental impacts of the thermal power plants, represented basically by the emissions of CO2, SO2 y NOx, their control and reduction measures and the applicable regulations. Next, based on the combustibles properties and the information about the units heat rates, the different power plants are characterized in relation to the outstanding functions that define their energy, economic and environmental behaviour, in terms of hourly output functions depending on their load. Optional denitrification and desulfurization is considered. Given that there are multiple objectives, and that they go in conflictive directions, it has been decided the use of multiobjective techniques, that have the ability of identifying the optimal points set, which is called the Pareto front, where taken a solution there will be no other point that can beat the former in an objective without worsening it in another objective. Several multiobjective optimization methods were analysed and pondered, selecting the ε constraint technique, which is able to find no convex fronts and it is opened to be tested to prove the strict Pareto optimality of the obtained solutions. A balanced representation of the thermal power plants, formed by anthracite, lignite, bituminous national and imported coals and combined cycle, was integrated in the IEEE-57 network case. This system was selected because it deals with a total power that will admit seven units without distorting significantly the actual size of the power plants. Next, an AC optimal power flow with the multiobjective method implemented in the routines was programmed. The Pareto fronts of the combination of operative costs with each of the three emissions functions were found, and also the front of all of them together. The optimal production costs of the system for all the emissions range were obtained. It is also evaluated the cost of reducing an additional emission ton of any of the emissions when the optimal production mix is displaced towards cleaner points. The obtained solutions assure that under a determined level of emissions they cannot be improved economically or, in the other way, at a determined cost it cannot be found points of lesser emissions. The Pareto fronts are also applied for the search of optimal strategic paths to follow the hourly load changes.

Desarrollo sostenible de la construcción naval: dinámica evolutiva y eco-innovación en el sector de reparaciones europeo

El impacto ambiental directo de la construcción naval, que se refiere a la construcción, mantenimiento y reparación de buques, no es de ninguna manera pequeño. La construcción de buques depende de un gran número de procesos que por sí mismos constituyen un riesgo significativo de daño medio ambiental en el entorno de los astilleros y que conducen a emisiones significativas de gases de efecto invernadero. Además, la construcción naval utiliza algunos materiales que no sólo puede llevar a graves consecuencias para el daño ambiental durante su producción y su uso en el proceso de construcción de la nave, sino también posteriormente durante la reparación de buques, el funcionamiento y las actividades de reciclaje. (OECD 2010) El impacto ambiental directo de la construcción naval constituye de por sí, un desafío importante para la industria. Pero este impacto no queda limitado a su entorno inmediato, aunque la Construcción Naval no es directamente responsable de la repercusión en el medio ambiente de la operación y el reciclaje de buques comerciales, si es una parte integral de estas actividades. (OECD 2010) En esta tesis se sugiere que el sector de la construcción naval puede y debe aceptar sus responsabilidades ambientales no solo en el entorno del astillero; también en la operación de los buques, sus productos; tomando conciencia, a través de un enfoque de ciclo de vida, del desempeño ambiental de la industria en su conjunto. Es necesario intensificar esfuerzos a medida que el impacto ambiental de la industria es cada vez más visible en el dominio público, en pro de un crecimiento verde que permita aumentar la capacidad de actividad o producción económica al tiempo que reduce o elimina, los impactos ambientales. Este será un imperativo para cualquier futura actividad industrial y exigirá naturalmente conocimiento ambiental intrincado perteneciente a todos los procesos asociados. Esta tesis - aprovechando como valiosa fuente de información los desarrollos y resultados del proyecto europeo: “Eco_REFITEC”. FP7-CP-266268, coordinado por el autor de esta Tesis, en nombre de la Fundación Centro Tecnológico SOERMAR - tiene como primer objetivo Investigar la interpretación del concepto de Construcción Naval y Transporte Marítimo sostenible así como las oportunidades y dificultades de aplicación en el sector de la Construcción y reparación Naval. Ello para crear o aumentar el entendimiento de la interpretación del concepto de transporte marítimo sostenible y la experiencia de su aplicación en particular en los astilleros de nuevas construcciones y reparación. Pretende también contribuir a una mejor comprensión de la industria Marítima y su impacto en relación con el cambio climático, y ayudar en la identificación de áreas para la mejora del desempeño ambiental más allá de las operaciones propias de los astilleros; arrojando luz sobre cómo puede contribuir la construcción naval en la mejora de la eficiencia y en la reducción de emisiones de CO2 en el transporte marítimo. Se espera con este enfoque ayudar a que la Industria de Construcción Naval vaya abandonando su perspectiva tradicional de solo mirar a sus propias actividades para adoptar una visión más amplia tomando conciencia en cuanto a cómo sus decisiones pueden afectar posteriormente las actividades aguas abajo, y sus impactos en el medio ambiente, el cambio climático y el crecimiento verde. Si bien cada capítulo de la tesis posee su temática propia y una sistemática específica, a su vez retoma desde una nueva perspectiva cuestiones importantes abordadas en otros capítulos. Esto ocurre especialmente con algunos ejes que atraviesan toda la tesis. Por ejemplo: la íntima relación entre el transporte marítimo y el sector de construcción naval, la responsabilidad de la política internacional y local, la invitación a buscar nuevos modos de construir el futuro del sector a través de la consideración de los impactos ambientales, económicos y sociales a lo largo de ciclo de vida completo de productos y servicios. La necesidad de una responsabilidad social corporativa. Estos temas no se cierran ni terminan, sino que son constantemente replanteados tratando de enriquecerlos. ABSTRACT The direct environmental impact of shipbuilding, which refers to construction, maintenance and repair of vessels, is by no means small. Shipbuilding depends on a large number of processes which by themselves constitute significant risks of damage to the shipyards‘ surrounding environment and which lead to significant emissions of greenhouse gases. In addition, shipbuilding uses some materials which not only may carry serious implications for environmental harm during their production and usage in the ship construction process, but also subsequently during ship repairing, operation, and recycling activities. (OECD 2010) The direct environmental impact of shipbuilding constitutes a major challenge for the industry. But this impact is not limited on their immediate surroundings, but while not being directly responsible for the impact on the environment from the operation and final recycling of commercial ships, shipbuilding is an integral part of these activities. (OECD 2010) With this in mind, this thesis is suggested that the shipbuilding industry can and must take up their environmental responsibilities not only on their immediate surroundings, also on the ships operation, becoming aware through a “life cycle” approach to ships, the environmental performance of the industry as a whole. As the environmental impact of the industry is becoming increasingly visible in the public domain much more effort is required for the sake of “green growth” which implies the ability to increase economic activity or output while lowering, or eliminating, environmental impacts. This will be an imperative for any future industrial activity and will naturally demand intricate environmental knowledge pertaining to all associated processes. This thesis making use as a valuable source of information of the developments and results of an European FP7-collaborative project called "Eco_REFITEC, coordinated by the author of this thesis on behalf of the Foundation Center Technology SOERMAR, has as its primary objective to investigate the interpretation of a sustainable Shipbuilding and Maritime Transport concept and the challenges and opportunities involved in applying for the Shipbuilding and ship repair Sector. It is done to improve the current understanding regarding sustainable shipping and to show the application experience in shipbuilding and ship repair shipyards. Assuming that sustainability is more than just an act but a process, this academic work it also aims to contribute to a much better understanding of the maritime industry and its impact with respect to climate change, and help in identifying areas for better environmental performance beyond the shipyard's own operations; shedding light on how shipbuilding can contribute in improving efficiency and reducing CO2 emissions in shipping. It is my hope that this thesis can help the Shipbuilding Industry to abandon its traditional perspective where each simply looks at its own activities to take a broader view becoming aware as to how their decisions may further affect downstream activities and their impacts on the environment, climate change and green growth. Although each chapter will have its own subject and specific approach, it will also take up and re-examine important questions previously dealt with. This is particularly the case with a number of themes which will reappear as the thesis unfolds. As example I will point to the intimate relationship between the shipping and shipbuilding industry, the responsibility of international and local policy, the call to seek other ways of building the future of the sector through the consideration of the environmental, economic and social impacts over the full life cycle of the products and services, the need for a corporate social responsibility. These questions will not be dealt with once and for all, but reframed and enriched again and again.

Comparative Life Cycle Assessment of the Conventional Façade SOS Natura and the Natural Water Tank Façade

The construction industry produces great environmental impacts to the planet. In order to tackle this problem, the European Union has put into effect Regulation No 305/2011, which compels the construction products manufacturers to carry out environmental performance studies of these products and thus make public the impact they cause on the environment. The aim of this research is to make known the environmental impacts of the SOS Natura Conventional Façade (CF) solution, obtained within the research project "SOS Natura, Vegetal Architectural Solutions" developed by the Department of Construction and Technology in Architecture of the School of Architecture of the Technical University of Madrid (Spain). In addition, we report an environmental comparative with the Natural Water Tank Façade (NWTF), studied previously by the same work group and included in the same research project.We present as well an uncertainty analysis for both façades. Following the study conducted we conclude that the NWTF profile has a slightly better environmental behaviour when compared to the CF profile for the entire life cycle in most of the impact categories analysed in this study. However it should also be noted that, in detail and at stage level, the NWTF presents a higher environmental impact than the CF.

EIA-RIMA insuficiente como avaliação de impactos ambientais enquanto busca de sustentabilidade urbana: o caso de São Sebastião

O presente trabalho comprova que o atual instrumento EIA-RIMA - Estudo de Impacto Ambiental e seu respectivo Relatório de Impacto Ambiental, é insuficiente enquanto busca de sustentabilidade urbana no Litoral Norte do Estado de São Paulo, especificamente no município de São Sebastião. O método de analise dos EIA-RIMA sempre enfatizam os ganhos econômicos e atenuam os impactos negativos, apesar das fragilidades naturais, estruturais e restrições legais incidentes. A tese comprova que os instrumentos utilizados no âmbito do processo de licenciamento ambiental dos empreendimentos, como a ampliação do porto comercial de São Sebastião, estão pouco comprometidos com o real desenvolvimento sustentável da cidade e região. As especificidades geográficas, sobretudo as facilidades de interface do território terrestre com o marítimo, proporcionadas pelas características naturais do Canal de São Sebastião, sempre ofereceram condições privilegiadas para o abrigo de embarcações, característica decisiva na escolha do lugar como cidade portuária, vinculada aos mais importantes ciclos econômicos do país. Agora, em 2015, está prestes a entrar em um novo ciclo, principalmente com a ampliação do porto comercial, duplicação da rodovia dos Tamoios e da SP-055 e a exploração da camada pré-sal na Bacia de Santos. A região já apresenta todos os problemas de uma ocupação acelerada em um território ambientalmente frágil, localizado em estreita faixa litorânea, composta de um lado pela Serra do Mar e do outro pelo Oceano Atlântico. Se não houver um planejamento urbano e regional que considere as características e capacidade de suporte deste território, a zona costeira entrará em colapso. Saber dosar o uso de suas potencialidades sem esgotá-las será o desafio de nossa geração. Os Estudos de Impactos Ambientais precisam ser aperfeiçoados para que ações mitigadoras alcancem muito mais do que o mínimo, alinhadas a investimentos, tecnologias inovadoras, infraestruturas necessárias e obrigatórias que sejam pensadas de maneira conjunta e cumulativa nas diversas esferas do poder, com efetiva participação pública, caso contrário, o crescente interesse econômico e político tenderá à destruição irreversível do patrimônio histórico e natural deste território. O EIA está se transformando em um poderoso instrumento político de ordenamento territorial que acaba por definir critérios e parâmetros de uso e ocupação, desempenhando uma função que não lhe compete, além de aprofundar o desencontro entre uma vida urbana de qualidade e um ambiente equilibrado em nome do desenvolvimento econômico e a serviço dos interesses privados.

Efeitos da mecanização agrícola da cultura da cana-de-açúcar nos processos erosivos: dimensionamento de terraços com base na Equação Universal de Perdas de Solo (EUPS)

A cultura da cana-de-açúcar é a segunda maior movimentação econômica na cadeia do agronegócio no Brasil. Gera riquezas através da fabricação de açúcar, etanol e cogeração de energia elétrica, além de outros subprodutos. Considerada fonte de energia renovável, a cana-de- açúcar a princípio tinha sua imagem associada a impactos negativos principalmente devido as queimadas realizadas nas lavouras para colheita manual. Nos últimos anos, baseado em decretos e no Protocolo Agro-ambiental, essa prática vem sendo abolida. Para se manter e até mesmo aumentar o rendimento das colhedoras nos canaviais, os gestores têm adotado práticas para reduzir os terraços agrícolas, com impacto nos sistemas de conservação de solos. Assim, este trabalho teve como objetivo identificar os impactos ambientais provocados pela mecanização agrícola decorrente do mau manejo e dimensionamento dos mecanismos de conservação do solo. Neste estudo também se realizou uma análise à Equação Universal de Perdas de Solo (EUPS), como ferramenta para o dimensionamento de terraços agrícolas. O estudo foi realizado em uma microbacia hidrográfica, denominada Ribeirão da Bocaina, localizada na UGRHI-13 (Tietê - Jacaré). Foi possível identificar a variabilidade amostral do solo para o dimensionamento conservacionista, gerando curvas de nível com Desníveis Verticais (D.V) desuniformes, contrariando a sistemática atual de terraços que respeita cotas múltiplas ou mesmo dimensionamentos empiristas, segundo o conhecimento local e o histórico recente da área. Algumas sugestões também foram feitas afim de torná-la uma ferramenta ainda mais eficiente, considerando condições particulares à cultura da cana-de-açúcar, tais como a influência da palhada, sulcos de plantio e diversos tipos de terraços como meios de controle à erosão. A metodologia foi satisfatória, no que tange a compreensão pelos meios de correlação entre as práticas conservacionistas e modelos de predição de perda de solo, trazendo luz à ciência na interpretação das ferramentas existentes e as lacunas a serem preenchidas.

Proposta de modelo para o desenvolvimento de projetos minerais sustentáveis no Brasil.

A mineração brasileira, assim como todo o setor da industria de transformação, tem perdido competitividade ao longo do tempo, além disso o Brasil necessita tornar suas operações mais sustentáveis e agregar valor a sua produção industrial. A mineração é um setor onde esta questão se torna mais crítica, pois além de poder gerar forte impacto ambiental, a produção é fortemente baseada em commodities, com baixo valor agregado. Um dos caminhos para superar os obstáculos ao crescimento sustentável da mineração no Brasil é o desenvolvimento de projetos minerais inovadores. As condições estabelecidas pelo governo brasileiro para incentivo à inovação são muito abrangentes, práticas e atrativas; os recursos para financiamento são abundantes e os mecanismos para operacionalização extremamente profissionais. No entanto, na maioria das empresas brasileiras estão presentes a aversão ao risco, a falta das práticas de planejamento e de gestão de projetos e a visão de curto prazo focada na atuação corretiva, fatores que não favorecem o ambiente inovador nas empresas. Ou seja, o grande desafio para a mudança da mineração brasileira, tornando-a mais sustentável e competitiva, está na forma de pensar dos seus lideres; pois as condições existentes para desenvolvimento tecnológico estão disponíveis, mas as empresas necessitam aprender a utilizá-las. Este é um trabalho de pesquisa aplicada, que apresenta uma proposta de metodologia para desenvolvimento de projetos minerais sustentáveis, que foi utilizada por algumas empresas e obteve resultados muito positivos; com isto, é possível estabelecer um caminho que favoreça a mudança da cultura predominante, facilitando o desenvolvimento de inovações na mineração e contribuindo para o seu ganho de competitividade e sustentabilidade. A aplicação da metodologia proposta foi aplicada em um caso hipotético de mineração de ferro e os resultados foram muito positivos, demonstrando que o projeto inovador e sustentável seria muito mais competitivo que um tradicional, principalmente, em momentos de mercado em baixa.