Decarbonization of a warehouse building: a life cycle assessment of embodied and operational carbon

The construction sector is responsible for a significant share of global greenhouse gas (GHG) emissions, yet warehouse buildings which are one of the fastest growing types of facilities of the built environment remain under-represented in the life cycle assessment (LCA) existing body of literature. This thesis aims to address that gap by performing a whole-life carbon assessment on a case study of a modern prefabricated warehouse building located in Bologna, Italy, as a contribution to the decarbonization of the industrial building sector. The baseline scenario results of material inventory obtained using One Click LCA and an energy model developed in IES-VE produced a whole-life global warming potential (GWP) of 786.6 kgCO2e/m2, split almost equally between embodied carbon (392.1 kgCO2e/m2) and operational carbon (394.5 kgCO2e/m2). Three decarbonization axes were developed: structural embodied carbon reduction through alternative concrete mixes and low-carbon steel reinforcement, building envelope embodied carbon reduction through a timber frame panel system and reduction of operational carbon through a roof-integrated photovoltaic (PV) system with battery storage. The comparative analysis of 46 concrete mix designs from peer-reviewed literature identified CEM V/B composite cement as the best-performing solution with a 74% lower GWP per cubic meter than the baseline OPC concrete. The timber frame envelope reduced the envelope’s GWP by 34.7% and the 1,800 kWp photovoltaic system with 750 kWh of battery storage integrated, cut operational carbon by 86%. These three strategies combined reduced the whole-life building GWP by 46.8%, reaching 418.3 kgCO2e/m2 or 42.0 kgCO2e/m3. The results confirm the importance of the combined effect between embodied and operational carbon optimization for decarbonization, and contribute as a benchmark to a field that still lacks comparable whole-life warehouse case studies.

Il settore delle costruzioni è responsabile di una quota significativa delle emissioni globali di gas serra (GHG); tuttavia, gli edifici adibiti a magazzino, pur rappresentando una delle tipologie di strutture in più rapida crescita all’interno dell’ambiente costruito, risultano ancora sottorappresentati nella letteratura esistente sulla valutazione del ciclo di vita (LCA). Questa tesi mira a contribuire a colmare tale lacuna attraverso una valutazione del carbonio lungo l’intero ciclo di vita applicata a un caso studio di un moderno edificio prefabbricato adibito a magazzino, situato a Bologna, in Italia, contribuendo così al percorso di decarbonizzazione del settore degli edifici industriali. I risultati dello scenario di riferimento, ottenuti a partire dall’inventario dei materiali elaborato con One Click LCA e da un modello energetico sviluppato in IES-VE, hanno evidenziato un potenziale di riscaldamento globale (GWP) lungo l’intero ciclo di vita pari a 786,6 kgCO₂e/m², ripartito quasi equamente tra carbonio incorporato (392,1 kgCO₂e/m²) e carbonio operativo (394,5 kgCO₂e/m²). Sono stati sviluppati tre assi di decarbonizzazione: la riduzione del carbonio incorporato nella struttura attraverso miscele alternative di calcestruzzo e armature in acciaio a basse emissioni, la riduzione del carbonio incorporato nell’involucro edilizio attraverso un sistema di pannelli con telaio in legno, e la riduzione del carbonio operativo tramite un sistema fotovoltaico integrato in copertura con accumulo a batteria. L’analisi comparativa di 46 miscele di calcestruzzo tratte dalla letteratura scientifica peer-reviewed ha individuato il cemento composito CEM V/B come la soluzione con le migliori prestazioni, con un GWP per metro cubo inferiore del 74% rispetto al calcestruzzo di riferimento a base di cemento Portland ordinario (OPC). L’involucro con telaio in legno ha ridotto il GWP dell’involucro del 34,7%, mentre il sistema fotovoltaico da 1.800 kWp, integrato con 750 kWh di accumulo a batteria, ha ridotto il carbonio operativo dell’86%. Complessivamente, le tre strategie combinate hanno ridotto il GWP dell’edificio lungo l’intero ciclo di vita del 46,8%, raggiungendo 418,3 kgCO₂e/m², equivalenti a 42,0 kgCO₂e/m³. I risultati confermano l’importanza dell’effetto combinato tra ottimizzazione del carbonio incorporato e del carbonio operativo ai fini della decarbonizzazione, e contribuiscono a fornire un benchmark per un ambito di ricerca che presenta ancora una carenza di casi studio comparabili su magazzini valutati lungo l’intero ciclo di vita.