Primary exergy cost of goods and services: an input - output approach

Among the large multiplicity of natural resources, the class of non-renewable primary energy-resources, mainly fossil fuels, plays a crucial role in sustaining the human economies and their productive activities. Political initiatives as well as research efforts are thus facing the issue of the increasingly scarcity of fossil fuels by promoting a rational use of primary fuels through the so-called energy saving practice. This thesis defines and formalizes the Exergy based Input – Output framework (ExIO), a comprehensive and novel methodology able to evaluate the primary fossil fuels requirements due to production of goods and services within a given economy in a Life Cycle perspective. The main features of the developed framework are aimed at dealing with the flaws of current state of the art methodologies. Specifically, Exergy is assumed by the ExIO as the best suited thermodynamic based metric for fossil fuels characterization and for energy conversion systems analysis. Moreover, the mathematical formulation of ExIO is based on Input – Output analysis, which allows to define standardized time and space boundaries for any analyzed system or product, encompassing its whole Life Cycle. The approach relies on standard and freely available data sources, making its application simpler and faster than traditional methods. The Hybrid-ExIO approach have been developed to increase the accuracy of results and to analyze energy conversion systems in detail, leading to the definition of quantitative criteria and suited indicators in order to identify and to optimize the primary fossil fuels requirements of system’s products. Furthermore, the Bioeconomic ExIO model has been proposed as a partially closed Input – Output model to account for the side effects that working hours required for goods and services production have on the total primary fossil fuels consumption. Advantages and drawbacks of ExIO framework have been highlighted and discussed. Finally, the method has been applied to different case studies: (1) analysis of goods and services produced by national economies, (2) Thermoeconomic analysis of a Waste to Energy power plant and a (3) comparative evaluation of cleaning dishes by hand washing and dishwasher.

Tra tutte le risorse naturali, la classe delle risorse non rinnovabili energetiche (combustibili fossili) riveste un ruolo cruciale nel supportare le attività economiche umane e i sistemi produttivi in generale. Molte iniziative politiche e attività di ricerca sono quindi focalizzate sulla questione della scarsità di combustibili fossili attraverso il cosiddetto risparmio energetico, definito come insieme di iniziative che mirano a razionalizzare i consumi di energia primaria. Questa tesi definisce e formalizza il Exergy based Input – Output framework (ExIO), una metodologia innovativa capace di valutare i consumi primari di combustibili fossili necessari alla produzione e al ciclo di vita di beni e servizi specifici in un dato contesto economico. La metodologia ExIO è stata sviluppata allo scopo di colmare le lacune delle metodologie esistenti e le sue peculiarità sono di seguito brevemente descritte. Il metodo ExIO assume l’exergia come grandezza termodinamica adeguata alla caratterizzazione dei combustibili fossili e alla valutazione dei processi di conversione dell’energia. La formulazione matematica del metodo ExIO è basata sull’analisi Input – Output, la quale standardizza la definizione dei contorni temporali e spaziali del sistema analizzato, includendo il suo completo ciclo di vita. L’approccio impiega basi di dati standardizzate, costantemente aggiornate e disponibili gratuitamente, rendendo la sua applicazione più semplice e veloce rispetto alle metodologie tradizionali. L’approccio Hybrid-ExIO è stato sviluppato al fine di aumentare l’accuratezza dei risultati e di analizzare sistemi di conversione dell’energia in dettaglio. Criteri quantitativi e indicatori specifici sono stati definiti al fine di identificare e ottimizzare il consumo primario di combustibili dei sistemi di conversione dell’energia. Il modello Bioeconomic-ExIO è stato proposto come un modello Input – Output parzialmente chiuso al fine di valutare l’effetto esternale che il consumo di ore di lavoro necessario alle attività produttive ha sul consumo primario di combustibili fossili. Vantaggi e svantaggi della metodologia ExIO sono stati evidenziati e discussi. Infine, il metodo è stato applicato ad alcuni casi studio: (1) analisi della produzione di beni e servizi in diversi contesti economici; (2) analisi Termoeconomica di un impianto Waste to Energy; (3) analisi comparativa di due soluzioni differenti per il lavaggio delle stoviglie in ambito domestico.