A new data-driven life cycle assessment tool at the urban scale: the case of the Milan building stock analysis to reduce the related environmental potential impacts

Given the ambitious targets for greenhouse gas emissions reduction set by the European Union and the importance of cities in achieving these goals, there is an increasing need to analyze a city’s environmental footprint with a life cycle approach. The life cycle assessment is considered the leading methodology for environmental metrics, permitting a holistic environmental perspective on cities. Developing a complete life cycle assessment can be difficult and time-consuming, particularly discouraging to non-experts. Life cycle assessment software applications are aimed at single product evaluation, making urban scale, data management and environmental assessment complicated or impractical, mainly due to the massive data processing required. The novelty of this work is a new tool, utilizing a data-driven approach, that allows an extensive environmental evaluation of buildings (following the EN 15978 standard). The tool was applied to analyze the city of Milan. Approximately 240 000 building units were investigated and compared using as activity data the information described in the energy performance certificates of building units, collected in the OpenData CENED database (for the Lombardy Region), plus information from other libraries, i.e., the Geoportal of the Lombardy Region, TABULA, and the cadastre of thermal plants. The tool uses ecoinvent 3.9.1 EN 15804 as a secondary database and the Environmental Footprint 3.1 EN 15804 and the Cumulative Energy Demand (primary energy – not renewable) – characterization methods. It corresponds to about 35% of the total floor area of the city, equal to 81 km2. The results show that the use phase implies the largest contribution to the environmental burdens, with an average of 80% and 60%, considering climate change and the total of the 20 impact categories analyzed, respectively. Vice versa building construction materials account for 20% and 40% of the entire building stock. When analyzing new constructions (nearly Zero Energy Buildings), the contribution drops to 49% and 46% for the operational phase and rises to 51% and 54% for the construction materials. Of practical relevance, no scientific research has ever been carried out on a plurality of buildings and energy systems at an urban scale. Thus, the research's novelty can also be traced to the innovative outcomes obtained by testing the tool in Milan. For instance, the global warming potential outcomes can be used as benchmark values (i.e., targets, reference, and limits) required by the recast Energy Performance of Buildings Directive (2023). The results for Residential, Commercial, and Retail building units (old and new) are 58, 65, and 84 kg CO2eq / (m2 of net area * year), respectively, considering space heating, domestic hot water, and controlled mechanical ventilation. Actions linked with: (i) improving energy systems, (ii) the decarbonization of energy carriers (i.e., electricity and natural gas), (iii) the retrofitting of envelopes, and (iv) low carbon construction materials, are also investigated by running the tool developed. The outcomes obtained were used to verify pieces of legislation listed in the “Fit for 55” and “REPowerEU” for delivering European climate targets. The scenarios lead to the conclusion (for Milan) that the reduction of greenhouse gas emissions by at least 55% (by 2030) is achievable only by retrofitting at a rate of 1.6% per year both energy systems and envelopes, plus also acting on the decarbonization of energy carriers.

Dati gli ambiziosi obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra fissati dall'Unione Europea e l'importanza delle città nel raggiungimento di questi obiettivi, è sempre più necessario analizzare la loro impronta ambientale con un approccio basato sul ciclo di vita. La valutazione del ciclo di vita è considerata la metodologia leader per le metriche ambientali. Lo sviluppo di una valutazione completa del ciclo di vita può essere difficile e richiedere molto tempo, scoraggiando soprattutto i non esperti. Le applicazioni software per la valutazione del ciclo di vita sono finalizzate alla valutazione di un singolo prodotto, rendendo complicata o poco pratica la gestione dei dati su scala urbana e la valutazione ambientale a causa dell'elaborazione massiva dei dati. La novità di questo lavoro è un nuovo strumento, che consente un’analisi del profilo ambientale estesa degli edifici (secondo lo standard EN 15978). Lo strumento è stato applicato per analizzare la città di Milano. Circa 240 000 unità immobiliari sono state analizzate e confrontate utilizzando come dati di attività le informazioni descritte negli attestati di prestazione energetica degli edifici, raccolte nella banca dati OpenData CENED (per Regione Lombardia), più altre informazioni provenienti dal Geoportale di Regione Lombardia, TABULA, e il catasto degli impianti termici. Lo strumento utilizza come database per i dati secondari ecoinvent 3.9.1 EN 15804 ed i metodi di caratterizzazione Environmental Footprint 3.1 EN 15804 e Cumulative Energy Demand (energia primaria – non rinnovabile). I risultati hanno mostrato che la fase di utilizzo implica il maggior contributo tra i carichi ambientali, con una media dell’80% e del 60% considerando rispettivamente il cambiamento climatico ed il totale delle 20 categorie di impatto analizzate. Viceversa, i materiali da costruzione rappresentano il 20% e il 40% dell'intero patrimonio edilizio. Analizzando le nuove costruzioni, il contributo scende al 49% e al 46% per la fase operativa e sale al 51% e al 54% per i materiali da costruzione. Come rilevanza pratica, nessuna ricerca scientifica è mai stata condotta su una pluralità di edifici e sistemi energetici a scala urbana. Pertanto, la novità della ricerca può essere ricondotta anche ai risultati innovativi ottenuti dalla sperimentazione dello strumento su Milano. Ad esempio, i risultati del potenziale di riscaldamento globale possono essere utilizzati come valori di riferimento richiesti dalla nuova Direttiva sulle performance energetiche degli edifici. I risultati per le unità immobiliari (vecchie e nuove) con destinazione d’uso residenziale, uffici e commerciale sono rispettivamente 58, 65 e 84 kg CO2eq / (m2 di superficie netta * anno), considerando il riscaldamento degli ambienti, l'acqua calda sanitaria e la ventilazione meccanica controllata. Inoltre, sono state valutate grazie allo strumento azioni legate al: (i) l’ammodernamento dei sistemi energetici e degli involucri, (ii) la decarbonizzazione dei vettori energetici (cioè, elettricità e gas naturale), e (iii) l’impiego di materiali da costruzione a basse emissioni di climatiche. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per verificare i provvedimenti legislativi elencati nei documenti "Fit for 55" e "REPowerEU" per raggiungere gli obiettivi climatici europei. Gli scenari portano a concludere (per Milano) che per ridurre le emissioni di gas serra del 55% entro il 2030 si dovrà agire con un tasso di ristrutturazione del 1,6% (per involucri ed impianti termici) oltre a decarbonizzazione i vettori energetici.