Designing the climate-neutrality. How to re-think the construction process of building insulation by growing mycelium-based biocomposites

European Green Deal strategy aims to cut the greenhouse gas (GHG) emissions to achieve climate neutrality by 2050. Buildings are a key leverage point to reduce GHG emissions, but the embodied emissions related with their construction remain often the hidden challenge of any ambitious policy. Considering that a complete material substitution of building elements that necessarily release GHG is not possible (e.g., concrete and steel for foundations), here called “climate-positive”, in this thesis a material GHG neutralization was explored with the use fast-growing biomass insulations. This work, hence, proposes a methodology to design “climate-negative” insulation biobased composites by leveraging their ability to temporarily store carbon dioxide (CO2) in the biomass and delay the emissions in the atmosphere. Moreover, to lower the impacts also in their construction phase, it investigates the creation sustainable materials and production cycles by exploiting the mycelium growth as a binder. To promote the efficient use of resources while still achieving high-performing products, this study: i) verifies that the most suitable building application is the insulating one, together with the inquiring of bio-based materials technical potentials (carbon storage and natural fibrous structure) and limitations (fire safety and durability); ii) it suggests some material selection strategies according to the biomass local availability and industrial scalability; iii) it defines to most suited methodology and related index able to assess the climate negativity targets here advocated to account and reward for negative emissions in the different bio-based product life-cycle stages; iv) it explores the cutting-edge mycelium-based technologies for the constitution of low-energy and waste upcycling architectural products by proposing a laboratory protocol set-up. As a result of the theoretical preliminary research, the design methodology for “growing” climate-negative biocomposite is proposed and applied to 4 biomasses (rice straw, hemp shives, Posidonia Oceanica and bamboo fibers) within the European context, by analyzing both their technical and negative emissions’ potentials. Their specific design and bio-manufacturing methods are specified for each biomass since they play a major role for the final calculation of the GHG emissions (here called Net-GWP). This comprehensive approach can help designers in the materials choice phase of a project while suggesting to policymakers and companies the most promising solutions to achieve the decarbonization of the building and construction sector, but not only.

La strategia europea contenuta nel Green Deal mira a ridurre le emissioni di gas serra (GHG) per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050. Gli edifici rappresentano un punto di leva fondamentale per ridurre le emissioni di gas serra, ma le emissioni incorporate legate alla loro produzione rimangono spesso la sfida nascosta per qualsiasi politica ambiziosa. Considerando che una completa sostituzione dei materiali degli elementi edilizi che rilasciano necessariamente gas serra non è possibile (ad esempio, cemento e acciaio per le fondazioni), qui chiamati "clima-positivi", in questa tesi è stata esplorata una neutralizzazione dei materiali GHG con l'uso di isolanti con biomasse a crescita rapida. Questo lavoro propone quindi una metodologia per la progettazione di isolanti biobased "clima-negativi", sfruttando la loro capacità di immagazzinare temporaneamente l'anidride carbonica (CO2) nelle loro biomassa e di ritardare le emissioni nell'atmosfera. Inoltre, per ridurre gli impatti anche nella fase di costruzione, si studia la creazione di materiali e cicli di produzione sostenibili sfruttando il micelio come legante. Per promuovere l'uso efficiente delle risorse pur ottenendo prodotti altamente performanti, questo studio: i) verifica che l'applicazione edilizia più adatta è quella dell'isolante, insieme all'indagine sulle potenzialità tecniche dei materiali bio-based (stoccaggio del carbonio e struttura fibrosa naturale) e dei limiti (sicurezza antincendio e durabilità); ii) suggerisce alcune strategie di selezione dei materiali in funzione della disponibilità locale di biomassa e alla scalabilità industriale; iii) definisce la metodologia e l'indice in grado di valutare gli obiettivi di negatività climatica qui auspicati per tenere conto e premiare le emissioni negative nelle diverse fasi del ciclo di vita dei prodotti biobased; iv) esplora le tecnologie all'avanguardia basate sui miceli per la costituzione di un sistema di prodotti architettonici a basso consumo energetico e di riciclaggio dei rifiuti, proponendo un protocollo di fabbricazione degli stessi a scala di laboratorio. Come risultato della ricerca teorica preliminare, la metodologia di progettazione per la "biocomposito clima-negativo viene proposta e applicata a 4 biomasse (paglia di riso, canapulo, Posidonia Oceanica e fibre di bambù) nel contesto europeo, analizzando il loro potenziale tecnico e di emissioni negative. Il loro design specifico e i metodi di bio-produzione sono specificati per ogni biomassa, poiché giocano un ruolo importante per il calcolo finale dei gas serra. per il calcolo finale delle emissioni di gas serra (qui chiamato Net-GWP). Questo approccio completo può aiutare i progettisti nella fase di scelta dei materiali di un progetto, suggerendo al contempo ai politici e alle aziende le soluzioni più promettenti per raggiungere la decarbonizzazione del settore edilizio e delle costruzioni, ma non solo.