Bio-based insulation materials : an opportunity for the renovation of European residential building stock. Evaluation of carbon uptake benefits through a dynamic life cycle assessment (DLCA)

European Union, as party to the Paris Agreement, shall contribute to hold the increase in the global average temperature to well below 2°C, that, according to the Fifth Assessment Report of IPCC, implies the Carbon budget shall not be exceeded. Building sector in Europe is responsible for 36% of the GHG emissions, and its renovation represents a priority. A common tendency dealing with energy efficiency is to focus only on operational energy, neglecting the impacts coming from materials production, on site construction, and disposal. Actually, such environmental burdens may result to be cumbersome, especially if a short-term perspective is considered. The task of the present work is to investigate and holistically assess the benefits deriving from the use of bio-based, renewable materials for the energy retrofit of the European residential building stock. Applying a dynamic LCA, that allow the consideration of a dynamic time horizon and a consistent accounting of the biogenic CO2, the work aims to show how much the choice of the insulation material can affect the overall Carbon balance. A simulation of 200 years starting from 2018 at the current renovation rate is performed. Five different external walls alternatives for the building retrofit, including fast-growing bio-based, wood, mineral and polystyrene solutions, for three different end of life scenarios, are investigated. Results show that, beside to the primary goal of increasing passive performances, a large-scale use of bio-based building insulation materials can lead to a climate mitigation effect, as the biomass regrowth induce a beneficial Carbon sink effect since the first years. Furthermore, renovation rate has proved to be by far the most important parameter to control; for achieving its rise, modular pre-assembled facades should be encouraged. Addressing rapidly the transition toward a zero-carbon society is the priority. In this perspective, bio-based materials represent an opportunity that should not be wasted.

Il presente lavoro è frutto di un progetto congiunto tra Politecnico di Milano e ETH Zürich nell'ambito dell'accordo Swiss-European Mobility Programme. Le linee guida del lavoro sono state definite presso il Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito del Politecnico di Milano, mentre il pieno sviluppo della tesi si è svolto presso la Chair di Sustainable Construction del dipartimento di Civil, Environmental and Geomatic Engineering presso ETH Zürich. Convinti che tale collaborazione tra gli istituti avrebbe portato a validi nuovi approfondimenti nel campo della ricerca della sostenibilità, essa è stata concepita con l’intento comune di comprendere i benefici ambientali dei nuovi prodotti isolanti naturali biogenici (bio-based) per la riqualificazione energetica dell'involucro dell'edificio. L'Unione europea, quale parte dell'accordo di Parigi, è tenuta a contribuire a mantenere l'aumento della temperatura media globale ben al di sotto dei 2°C. Secondo la quinta relazione di valutazione dell'IPCC il rispetto di tale limite ambientale globale implica l’imposizione di un tetto massimo al rilascio di gas clima-alteranti in atmosfera (Carbon budget). Con il potenziale emissivo rimanente dobbiamo avviare urgentemente la transizione verso una società a zero emissioni in modo da annullare l’interferenza antropogenica nel cambiamento climatico. Il settore dell'edilizia in Europa è responsabile del 36% delle emissioni di gas serra e la sua riqualificazione energetica rappresenta una priorità. Una tendenza comune in materia di efficienza energetica è quella di concentrarsi solo sull'energia operativa, trascurando gli impatti provenienti dall’energia grigia, cioè le emissioni prodotte nelle varie fasi di ciclo vita del prodotto: produzione, trasporto, costruzione, sostituzione, smaltimento. In realtà, tali oneri ambientali possono risultare ingombranti, soprattutto se si considera una prospettiva a breve termine. Il compito del presente lavoro è quello di indagare e valutare in modo olistico i vantaggi derivanti dall'utilizzo di materiali biogenici come paglia, canapa, legno, ecc. per la riqualificazione dell'edilizia residenziale europea. Il tratto distintivo di questi materiali naturali è da un lato di essere rinnovabili, dunque di avere un potenziale rigenerativo sufficientemente rapido, dall’altra di avere un’impronta ecologica negativa dovuta alla rimozione di importanti quantità di anidride carbonica per effetto della fotosintesi. Lo studio approfondito di soluzioni a base vegetale implica la necessità di modellare in maniera coerente il bilancio della CO2 biogenica. Dunque viene rimossa la semplificazione secondo cui essa viene considerata nulla, in luogo di un modello che tenga conto dell’effettiva evoluzione delle emissioni/assorbimenti durante il ciclo di vita per poterne valorizzare lo stoccaggio temporaneo. Questa esigenza viene soddisfatta attraverso l’applicazione di una LCA dinamica, che inoltre permette di ottenere come output l’impatto ambientale come funzione del tempo, ovviando così alle incoerenze sulla considerazione degli orizzonti temporali insite in un LCA tradizionale. Con questo strumento il lavoro mira a mostrare quanto la scelta del materiale isolante possa influenzare l'equilibrio carbonico complessivo. Una volta delineate le principali problematiche ambientali e i principali target del settore edilizio europeo (cap.2). Viene proposta una panoramica sugli isolanti biogenici e sulla loro possibile applicazione in edilizia (cap.3). Nel seguito il parco residenziale europeo viene analizzato e caratterizzato facendo rifermento a sette macro-aree (GeoClusters), in modo tale da modellare una possibile evoluzione del miglioramento delle prestazioni dell'involucro nel tempo considerando i tassi di rinnovo attuali (cap.4). Successivamente viene illustrato il modello di calcolo; esso riunisce e rielabora spazialmente e temporalmente dati concernenti sia il patrimonio edilizio europeo sia la valutazione di impatto ambientale delle tecnologie in esame; infine si applica un LCA dinamico da cui si ottengono i risultati finali in termini di forzante radiativo (cap.5). La simulazione copre un arco temporale di 200 anni a partire dal 2018 e comprende lo studio di cinque diverse alternative per l'isolamento delle pareti esterne, tra cui soluzioni bio-based a crescita rapida, legno, minerali e polistirene, per tre diversi scenari di fine vita. La stima dei benefici indotti dalla ricrescita della biomassa, è basata sull'ipotesi di base secondo cui a seguito dell’installazione di un componente edilizio biogenico contenente un certo quantitativo di Carbonio, una corrispondente quantità di anidride carbonica viene sequestrata dall'atmosfera e stoccata nella nuova biomassa che si rigenera a partire dall'anno successivo alla posa in opera dell’elemento. I risultati mostrano che un'utilizzazione su vasta scala di materiali da costruzione naturali può portare, accanto al soddisfacimento dell’obiettivo primario di migliorare le prestazioni passive dell’edificio, all’ulteriore effetto di trasformare i carichi ambientali, incorporati nella riqualificazione, in benefici. Tale effetto di mitigazione climatica viene attivata fin dai primi anni nel caso di materiali biogenici a crescita rapida, ed è dovuta al bilancio di Carbonio complessivamente negativo delle operazioni. A partire da questo concetto si possono aprire anche nuove prospettive di programmazione degli interventi di recupero, rispetto alle attuali normative: affiancando ad esempio i target energetici esistenti con dei target ambientali in cui il potenziale rigenerativo, e dunque di stoccaggio della CO2 sia considerato. D'altra parte, il tasso di ristrutturazione annuo è risultato di gran lunga il più importante parametro da controllare infatti un suo incremento comporta un’amplificazione degli effetti indotti dagli interventi, siano essi benefici, isolanti naturali, o dannosi, isolanti convenzionali. Si ritiene inoltre che spingere la prefabbricazione elementi modulari di facciata per il retrofit possa contribuire alla velocizzazione transizione. Puntare senza sconti a una società a zero emissioni e farlo rapidamente nel rispetto del Carbon budget sono elementi centrali per poter mantenere viva la speranza di evitare danni irreversibili all’ecosistema. In questa prospettiva, l’uso di materiali biogenici (bio-based) per la riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente, rappresentano un'opportunità che non dovrebbe essere lasciata incolta.