Life cycle of the QBO-modulated 11-year solar cycle signals in the Northern Hemispheric winter

This paper provides some insights on the quasi-biennial oscillation (QBO) modulated 11-year solar cycle (11-yr SC) signals in Northern Hemisphere (NH) winter temperature and zonal wind. Daily ERA-40 Reanalysis and ECMWF Operational data for the period of 1958-2006 were used to examine the seasonal evolution of the QBO-solar cycle relationship at various pressure levels up to the stratopause. The results show that the solar signals in the NH winter extratropics are indeed QBO-phase dependent, moving poleward and downward as winter progresses with a faster descent rate under westerly QBO than under easterly QBO. In the stratosphere, the signals are highly significant in late January to early March and have a life span of 30-50 days. Under westerly QBO, the stratospheric solar signals clearly lead and connect to those in the troposphere in late March and early April where they have a life span of 10 days. As the structure changes considerably from the upper stratosphere to the lower troposphere, the exact month when the maximum solar signals occur depends largely on the altitude chosen. For the low-latitude stratosphere, our analysis supports a vertical double-peaked structure of positive signature of the 11-yr SC in temperature, and demonstrates that this structure is further modulated by the QBO. These solar signals have a longer life span (3-4 months) in comparison to those in the extratropics. The solar signals in the lower stratosphere are stronger in early winter but weaker in late winter, while the reverse holds in the upper stratosphere.

The use of life-cycle assessment to evaluate the environmental impacts of growing genetically modified, nitrogen use-efficient canola

Agriculture, particularly intensive crop production, makes a significant contribution to environmental pollution. A variety of canola (Brassica napus) has been genetically modified to enhance nitrogen use efficiency, effectively reducing the amount of fertilizer required for crop production. A partial life-cycle assessment adapted to crop production was used to assess the potential environmental impacts of growing genetically modified, nitrogen use-efficient (GMNUE) canola in North Dakota and Minnesota compared with a conventionally bred control variety. The analysis took into account the entire production system used to produce 1 tonne of canola. This comprised raw material extraction, processing and transportation, as well as all agricultural field operations. All emissions associated with the production of 1 tonne of canola were listed, aggregated and weighted in order to calculate the level of environmental impact. The findings show that there are a range of potential environmental benefits associated with growing GMNUE canola. These include reduced impacts on global warming, freshwater ecotoxicity, eutrophication and acidification. Given the large areas of canola grown in North America and, in particular, Canada, as well as the wide acceptance of genetically modified varieties in this area, there is the potential for GMNUE canola to reduce pollution from agriculture, with the largest reductions predicted to be in greenhouse gases and diffuse water pollution.

Life cycle GHG assessment of fossil fuel power plants with carbon capture and storage

The evaluation of life cycle greenhouse gas emissions from power generation with carbon capture and storage (CCS) is a critical factor in energy and policy analysis. The current paper examines life cycle emissions from three types of fossil-fuel-based power plants, namely supercritical pulverized coal (super-PC), natural gas combined cycle (NGCC) and integrated gasification combined cycle (IGCC), with and without CCS. Results show that, for a 90% CO2 capture efficiency, life cycle GHG emissions are reduced by 75-84% depending on what technology is used. With GHG emissions less than 170 g/kWh, IGCC technology is found to be favorable to NGCC with CCS. Sensitivity analysis reveals that, for coal power plants, varying the CO2 capture efficiency and the coal transport distance has a more pronounced effect on life cycle GHG emissions than changing the length of CO2 transport pipeline. Finally, it is concluded from the current study that while the global warming potential is reduced when MEA-based CO2 capture is employed, the increase in other air pollutants such as NOx and NH3 leads to higher eutrophication and acidification potentials.

Reliability in the whole life cycle of building systems

Purpose – The purpose of this research is to show that reliability analysis and its implementation will lead to an improved whole life performance of the building systems, and hence their life cycle costs (LCC). Design/methodology/approach – This paper analyses reliability impacts on the whole life cycle of building systems, and reviews the up-to-date approaches adopted in UK construction, based on questionnaires designed to investigate the use of reliability within the industry. Findings – Approaches to reliability design and maintainability design have been introduced from the operating environment level, system structural level and component level, and a scheduled maintenance logic tree is modified based on the model developed by Pride. Different stages of the whole life cycle of building services systems, reliability-associated factors should be considered to ensure the system's whole life performance. It is suggested that data analysis should be applied in reliability design, maintainability design, and maintenance policy development. Originality/value – The paper presents important factors in different stages of the whole life cycle of the systems, and reliability and maintainability design approaches which can be helpful for building services system designers. The survey from the questionnaires provides the designers with understanding of key impacting factors.

An integrated dynamic whole life costing analysis for air distribution systems

Air distribution systems are one of the major electrical energy consumers in air-conditioned commercial buildings which maintain comfortable indoor thermal environment and air quality by supplying specified amounts of treated air into different zones. The sizes of air distribution lines affect energy efficiency of the distribution systems. Equal friction and static regain are two well-known approaches for sizing the air distribution lines. Concerns to life cycle cost of the air distribution systems, T and IPS methods have been developed. Hitherto, all these methods are based on static design conditions. Therefore, dynamic performance of the system has not been yet addressed; whereas, the air distribution systems are mostly performed in dynamic rather than static conditions. Besides, none of the existing methods consider any aspects of thermal comfort and environmental impacts. This study attempts to investigate the existing methods for sizing of the air distribution systems and proposes a dynamic approach for size optimisation of the air distribution lines by taking into account optimisation criteria such as economic aspects, environmental impacts and technical performance. These criteria have been respectively addressed through whole life costing analysis, life cycle assessment and deviation from set-point temperature of different zones. Integration of these criteria into the TRNSYS software produces a novel dynamic optimisation approach for duct sizing. Due to the integration of different criteria into a well- known performance evaluation software, this approach could be easily adopted by designers in busy nature of design. Comparison of this integrated approach with the existing methods reveals that under the defined criteria, system performance is improved up to 15% compared to the existing methods. This approach is interpreted as a significant step forward reaching to the net zero emission building in future.

Road Design for Future Maintenance : Life-cycle Cost Analyses for Road Barriers

The cost of a road construction over its service life is a function of design, quality of construction as well as maintenance strategies and operations. An optimal life-cycle cost for a road requires evaluations of the above mentioned components. Unfortunately, road designers often neglect a very important aspect, namely, the possibility to perform future maintenance activities. Focus is mainly directed towards other aspects such as investment costs, traffic safety, aesthetic appearance, regional development and environmental effects. This doctoral thesis presents the results of a research project aimed to increase consideration of road maintenance aspects in the planning and design process. The following subgoals were established: Identify the obstacles that prevent adequate consideration of future maintenance during the road planning and design process; and Examine optimisation of life-cycle costs as an approach towards increased efficiency during the road planning and design process. The research project started with a literature review aimed at evaluating the extent to which maintenance aspects are considered during road planning and design as an improvement potential for maintenance efficiency. Efforts made by road authorities to increase efficiency, especially maintenance efficiency, were evaluated. The results indicated that all the evaluated efforts had one thing in common, namely ignorance of the interrelationship between geometrical road design and maintenance as an effective tool to increase maintenance efficiency. Focus has mainly been on improving operating practises and maintenance procedures. This fact might also explain why some efforts to increase maintenance efficiency have been less successful. An investigation was conducted to identify the problems and difficulties, which obstruct due consideration of maintainability during the road planning and design process. A method called “Change Analysis” was used to analyse data collected during interviews with experts in road design and maintenance. The study indicated a complex combination of problems which result in inadequate consideration of maintenance aspects when planning and designing roads. The identified problems were classified into six categories: insufficient consulting, insufficient knowledge, regulations and specifications without consideration of maintenance aspects, insufficient planning and design activities, inadequate organisation and demands from other authorities. Several urgent needs for changes to eliminate these problems were identified. One of the problems identified in the above mentioned study as an obstacle for due consideration of maintenance aspects during road design was the absence of a model for calculating life-cycle costs for roads. Because of this lack of knowledge, the research project focused on implementing a new approach for calculating and analysing life-cycle costs for roads with emphasis on the relationship between road design and road maintainability. Road barriers were chosen as an example. The ambition is to develop this approach to cover other road components at a later stage. A study was conducted to quantify repair rates for barriers and associated repair costs as one of the major maintenance costs for road barriers. A method called “Case Study Research Method” was used to analyse the effect of several factors on barrier repairs costs, such as barrier type, road type, posted speed and seasonal effect. The analyses were based on documented data associated with 1625 repairs conducted in four different geographical regions in Sweden during 2006. A model for calculation of average repair costs per vehicle kilometres was created. Significant differences in the barrier repair costs were found between the studied barrier types. In another study, the injuries associated with road barrier collisions and the corresponding influencing factors were analysed. The analyses in this study were based on documented data from actual barrier collisions between 2005 and 2008 in Sweden. The result was used to calculate the cost for injuries associated with barrier collisions as a part of the socio-economic cost for road barriers. The results showed significant differences in the number of injuries associated with collisions with different barrier types. To calculate and analyse life-cycle costs for road barriers a new approach was developed based on a method called “Activity-based Life-cycle Costing”. By modelling uncertainties, the presented approach gives a possibility to identify and analyse factors crucial for optimising life-cycle costs. The study showed a great potential to increase road maintenance efficiency through road design. It also showed that road components with low investment costs might not be the best choice when including maintenance and socio-economic aspects. The difficulties and problems faced during the collection of data for calculating life-cycle costs for road barriers indicated a great need for improving current data collecting and archiving procedures. The research focused on Swedish road planning and design. However, the conclusions can be applied to other Nordic countries, where weather conditions and road design practices are similar. The general methodological approaches used in this research project may be applied also to other studies.

Innovation and technology policy (ITP) for catching up: a three phase life cycle framework for industrializing economies

Includes bibliography

Life Cycle Assessment comparativo tra il processo di co-digestione della frazione organica dei rifiuti solidi urbani e dei fanghi di depurazione disidratati e il sistema di gestione attuale. Il caso di Bagnacavallo (RA)

Waste management is becoming, year after year, always more important both for the costs associated with it and for the ever increasing volumes of waste generated. The discussion on the fate of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) leads everyday to new solutions. Many alternatives are proposed, ranging from incineration to composting passing through anaerobic digestion. “For Biogas” is a collaborative effort, between C.I.R.S.A. and R.E.S. cooperative, whose main goal is to generate “green” energy from both biowaste and sludge anaerobic co-digestion. Specifically, the project include a pilot plant receiving dewatered sludge from both urban and agro-industrial sewage (DS) and the organic fraction of MSW (in 2/1 ratio) which is digested in absence of oxygen to produce biogas and digestate. Biogas is piped to a co-generation system producing power and heat reused in the digestion process itself, making it independent from the national grid. Digestate undergoes a process of mechanical separation giving a liquid fraction, introduced in the treatment plant, and a solid fraction disposed in landfill (in future it will be further processed to obtain compost). This work analyzed and estimated the impacts generated by the pilot plant in its operative phase. Once the model was been characterized, on the basis of the CML2001 methodology, a comparison is made with the present scenario assumed for OFMSW and DS. Actual scenario treats separately the two fractions: the organic one is sent to a composting plant, while sludge is sent to landfill. Results show that the most significant difference between the two scenarios is in the GWP category as the project "For Biogas" is able to generate “zero emission” power and heat. It also generates a smaller volume of waste for disposal. In conclusion, the analysis evaluated the performance of two alternative methods of management of OFMSW and DS, highlighting that "For Biogas" project is to be preferred to the actual scenario.

Studio sull’evoluzione temporale degli impatti dell’inceneritore di Coriano (Rimini) mediante Life Cycle Assessment

Lo scopo del progetto di tesi è stato quello di indagare come è variato nel tempo l’impatto dell’impianto di incenerimento situato a Coriano, in provincia di Rimini, a seguito dell’introduzione di soluzioni tecnologiche sempre più evolute al fine di una maggiore tutela ambientale. Lo studio è stata condotto utilizzando la tecnica del Valutazione del Ciclo di Vita (LCA, Life Cycle Assesment), che consente di quantificare gli impatti utilizzando indicatori precisi e di considerare il processo in tutti i suoi dettagli. I risultati evidenziano una progressiva diminuzione dell’impatto complessivo dell’impianto, dovuto sia alle operazioni di adeguamento relative alle attività di incenerimento, sia all’introduzione di un sistema sempre più efficiente di recupero energetico. I confini del sistema sono infatti stati ampliati per poter includere nello studio l’energia elettrica generata dal recupero del calore prodotto durante la combustione. Sono stati valutati rapporti causa-effetto tra i risultati ottenuti ed alcune informazioni correlate al processo, quali composizione dei rifiuti e variazione temporale del mix energetico in Italia. Sono infine state effettuate valutazioni relativamente alla comparazione dell’impianto studiato con altre realtà territoriali ed impiantistiche e sono state prese in esame alcune tra le tecnologie più innovative applicabili al processo, soprattutto per quel che riguarda la depurazione dei fumi.

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

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

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.

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.