Avaliação de ciclo de vida (ACV) Metodologia e Aplicações

Avaliação de ciclo de vida (ACV) Metodologia e Aplicações Fausto Freire fausto.freire@dem.uc.pt com a colaboração dos investigadores do Centro para a Ecologia Industrial, Universidade de Coimbra http://www2.dem.uc.pt/centerindustrialecology/ Gestão eficiente da energia nas organizações industriais, Novembro 214 1

Conteúdos da apresentação ACV: uma ferramenta de gestão energética e ambiental ACV: Introdução, definição Metodologia e fases: I) Objetivo e âmbito (fronteiras do sistema, unidade funcional), II) Inventário, iii) Avaliação de impactes e iv) itnerpretação. Perspetivas e abordagens de ciclo de vida Aplicações Geração de Eletricidade Construção e Edifícios 2

Introdução Compilação dos fluxos de entrada e saída (energia e massa) e avaliação dos impactes ambientais associados a um produto (sistema ou serviço) ao longo do seu ciclo de vida. all rights reserved 3

Introdução Ambiente Recursos, matérias-primas, energia Sistema de ciclo de vida em análise Unidade funcional Resíduos e emissões poluentes 4

Uma abordagem sistémica Processamento de materiais e energia Reciclagem Recursos Extração de matériasprimas Infrastrutura, transporte Construção/ produção Reutilização Utilização Demolição/ Desmantelamento Fim de vida Emissões para o ar, água e solo 5

Principais utilizações da ACV Desenvolvimento e melhoria de produtos, processos e serviços identificação de oportunidades de melhoria e de aspetos críticos Eco-concepção (Eco-design) Análise/Gestão Energética e Ambiental de sistemas Planeamento estratégico e suporte de decisões e medidas públicas Desenvolvimento de indicadores de performance ambiental Declarações Ambientais de Produto, DAP (Env. Product Dec., EPD) Marketing 6

Definição A ISO 144 define ACV como: uma metodologia para avaliar os aspetos ambientais e potenciais impactes associados a um produto* através de: compilação e inventário dos inputs e outputs relevantes de um sistema de produto; avaliação dos potenciais impactes ambientais associados a esses inputs e outputs; e interpretação dos resultados das fases de análise do inventário e de avaliação de impactes, de acordo com o objetivo do estudo. *produto, processo ou serviço 7

O início: da análise energética à ACV Os primeiros estudos surgem nos anos 6/7, essencialmente focados em eficiência energética 1963 fontes de energia alternativas 1966 recipientes de Coca Cola (consumo de recursos vs. emissões para o ambiente) Resource and Env. Profile analysis 1972 energia total, recipientes de bebidas (vidro, plástico alumínio) ref. Boustead (1979) Handbook of Industrial Analysis. O uso de energia era uma prioridade em relação aos resíduos ou emissões. 1992-1997 Guidelines e standards. Primeiro guia de ACV : the CML guide : Heijungs et al. (1992) Normas ISO 144/41/42/43/44,. em 1996 Atualizadas para ISO 144 e 1444 em 26 8

Fases da metodologia Definição do objetivo e do âmbito Análise de inventário Interpretação Avaliação de impactes 9

Definição do objetivo e âmbito A primeira fase de um estudo de ACV consiste em definir: Objetivos do estudo Fronteiras do sistema cradle to grave, cradle to gate, etc. Função e unidade funcional quantificação do serviço, da função do produto Dados empíricos requisitos de qualidade dos dados, dados primários vs. secundários Multi-funcionalidade como são considerados co-produtos, substituição, alocação 1

Objetivos do estudo e destinatário Quantificar os impactes ambientais de um produto? Cumprir legislação/regulamentos/metas? Identificar a origem desses impactes? (oportunidades de melhoria, ecodesign, etc.) Comunicar informação sobre o produto (DAP)? Comparar produtos? 11

Fronteiras de sistema Cradle-to-Grave Cradle-to-Gate End-of-life 12

ital nergy A complexidade do(s) Ciclo(s) de Vida lw Capita al w Ener ital pital Ene apital Cap aw Capita A B pital nergy ital Manuf. Cap aw pital w Ene yapital Use nergy C ital Disp. pital Ene nergy pital 13

Sistemas principal e secundário Sistema Secundário Materiais/energia recuperados (impactes evitados) Impactes indirectos Produtos, Materiais, Energia Sistema Principal Output(s) Funcional Impactes directos Recursos primários Ambiente 14

Avaliação de impacte ambiental CFC Pb Cd PAH DUST VOS DDT CO 2 SO 2 NOX P CAMADA DE OZONO METAIS PESADOS CARCINOGENIA SMOG DE VERÃO SMOG DE INVERNO PESTICIDAS EFEITO DE ESTUFA ACIDIFICAÇÃO AUMENTO MARGINAL DE MORTALIDADE SAÚDE DEGRADAÇÃO DO ECOSSISTEMA ECO- INDICADOR EUTROFIZAÇÃO Emissões, intervenções ambientais Impactes ambientais (mid-point) Impactes (danos) (end-point) INDICADOR single-score 15

Abordagens de ciclo de vida Perspetiva de ciclo de vida Abordagem de ciclo de vida Avaliação de ciclo de vida 16

Aplicações ACV da geração de eletricidade em Portugal ACV de edifícios (4 exemplos) 17

ACV da geração de eletricidade em Portugal Objetivos Avaliar os impactes ambientais de ciclo de vida associados à geração de eletricidade em Portugal nos últimos 1 anos Discutir de que forma as alterações recentes no sistema afetaram a performance ambiental da eletricidade gerada em Portugal. Horizonte temporal: 23-212 Categorias de impacte ambiental: Consumo de energia primária fóssil (EF); Aquecimento global (AG); Acidificação (AC); Eutrofização (ET); Depleção da camada de ozono (DO) Pedro Marques e Rita Garcia 18

ACV da geração de eletricidade em Portugal Fronteiras do sistema Pedro Marques e Rita Garcia 19

ACV da geração de eletricidade em Portugal Resultados Pedro Marques e Rita Garcia 2

ACV da geração de eletricidade em Portugal Resultados Pedro Marques e Rita Garcia 21

ACV de edifícios 4 exemplos, baseados em teses de Doutoramento em Sustainable Systems do programa MIT-Portugal, atualmente em curso na Univ de Coimbra: 1. Integrated LCA and thermal dynamic simulation of building envelope retrofit 2. Integrated LCA of six insulation materials applied to a building in Portugal 3. Extended LCA of single-family houses in the Mediterranean climate 4. Integrating transportation in the LCA of buildings 22

1. Integrated LCA and thermal simulation of building envelope retrofit Building envelope retrofit scenarios Roof thermal insulation 3 types of insulation material (rock wool (RW), extruded polystyrene (XPS) and polyurethane foam (PUR)) 3 insulation levels (4, 8 and 12 mm) Exterior walls thermal insulation 2 types of insulation material (rock wool (RW) and expanded polystyrene (EPS)) Inside (4 and 8 mm) or outside (4 mm) Section A Main façade Basement Ground floor First floor Second floor Single-family house drawings Carla Rodrigues ar.carla@gmail.com 23

mg CFC -11 eq kg SO 2 eq 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 4 8 12 12 4 8 4 8 12 12 4 8 4 8 12 12 4 8 4 8 12 12 kg P eq mg CFC -11 eq kg N eq kg SO 2 eq 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 4 8 12 12 4 8 12 4 8 12 kg P eq kg CO 2 eq kg N eq MJ 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 kg CO 2 eq MJ 1. Integrated LCA and thermal simulation of building envelope retrofit Climate change 25 2 15 1 5 Roof retrofit (selected) results RW XPS PUR Climate change 25 Freshwater eutrophication.1 2.8 15.6 1.4 5.2. Primary energy 4 35 3 25 2 15 1 5 RW 4.6 35 3.5 25.4 2.3 15 1.2.1 5. XPS PUR Primary energy Marine eutrophication LCA of the insulation options: RW, XPS and PUR (, 4, 8 and 12 mm); per FU Total life-cycle impacts Operational energy Construction phase.1 2.8 16.6 12.4 8.2 4. 2 RW RW RW RW 1 8 6 4 2 1 XPS XPS PUR PUR Freshwater eutrophication Ozone depletion 2 XPS XPS 16 12 8 4 PUR PUR Ozone depletion 2 RW XPS PUR RW XPS PUR Marine eutrophication.6 Terrestrial acidification 2..5 1.6.4 1.2.3.2.8.1.4.. RW XPS PUR RW XPS PUR Terrestrial acidification 2. Espessuras superiors a 8mm não são eficientes porque a redução dos impactes na fase de uso não compensa o aumento de impates associados à produção extra de isolamento 16 Carla Rodrigues 12 6 12 1.2 ar.carla@gmail.com 24 8 8 4 16 8 1.6.8

kg CO 2 eq MJ kg SO 2 eq MJ 1. Integrated LCA and thermal simulation of building envelope retrofit 6 Exterior walls (selected) results 5 4 Commercial use LCIA of the insulation options: no insulation, RW and EPS; inside (4 and 8 mm) and outside (4 mm) (per FU) 4 35 3 25 2 15 1 5 No ins. in out in in out in 4 8 4 8 RW Climate Change EPS 6 5 4 Demolition 3 Maintenance Floor 2 Roof Exterior 1 Walls Cooling Heating No ins. 3 2 1 in out in in out in 4 8 4 8 RW Primary EPS No ins. 3. 2.5 2. Demolition 1.5 Maintenance Floor 1. Roof Exterior.5 Walls Cooling Heating. in out in in out in 4 8 4 8 Carla Rodrigues ar.carla@gmail.com 25 No ins. RW Terrestrial Acidification in out in in out in 4 8 4 8 RW EPS EPS Demolition Maintenance Floor Roof Exterior Walls Cooling Heating Demolition Maintenance Floor Roof Exterior Walls Cooling Heating Insulation placed inside of the exterior walls has lower LC impacts than placed outside.

2. Integrated LCA of six insulation materials applied to a building Research goals comparative economic and environmental assessment of six common insulation materials applied to a reference building for new single-family houses in Portugal consequential analysis for each insulation material of 1 mm extra thicknesses to trade off increased embodied emissions of materials and reduced emissions after applying to the building (find out the optimal thickness of each insulation material) three climate zones of Portugal: Beja, Leiria and Bragança. Insulation Cork Board (ICB) Glass Wool (GW) Extruded Polystyrene (XPS) Expanded Polystyrene (EPS) Polyurethane (PUR) Rock Wool (RW) Shiva Saadatian shiva.saadatian@gmail.com 26

2. Integrated LCA of six insulation materials applied to a building Cradle to gate environmental assessment Shiva Saadatian (co-supervision with Prof. Nuno Simões, FCTUC) shiva.saadatian@gmail.com 27

2. Integrated LCA of six insulation materials applied to a building Consequential analysis (1 mm extra insulation) - GWP Shiva Saadatian (co-supervision with Prof. Nuno Simões, FCTUC) shiva.saadatian@gmail.com 28

3. Extended LCA of single-family houses in the Mediterranean climate Main goals To support the development of low-energy houses in a Mediterranean climate, using LCA in order to avoiding problem-shifting. Three objectives: 1) Comparatively assess LC energy and environmental impacts of different passive construction measures for a single family house; 2) Assess the LC differences for different Portuguese locations in order to expand the conclusions to the Mediterranean context. 3) Develop a set of guidelines that correlate climate, expected energy consumption level, and range of potential LC environmental impacts. Helena Monteiro (co-supervision with Prof. Jonh Fernandez, MIT) helena.monteiro@dem.uc.pt 29

3. Extended LCA of single-family houses in the Mediterranean climate Methods Use phase with building dynamic simulation (e+ : DesignBuilder) Life-Cycle Assessment (LCA) Building alternatives studied: - 5 Envelope insulation levels ( to 12 cm) - 4 Total ventilation levels (1,2 ac/h to,3 ac/h) - 2 Window glazing (single and double glazing) - 3 Exterior wall envelopes (double brick, concrete and wood walls) - 4 Heating systems Helena Monteiro (in co-supervision with Prof. Jonh Fernandez, MIT) helena.monteiro@dem.uc.pt 3

3. Extended LCA of single-family houses in the Mediterranean climate Final energy for heating and cooling (kwh/y) Helena Monteiro (in co-supervision with Prof. Jonh Fernandez, MIT) helena.monteiro@dem.uc.pt 31

3. Extended LCA of single-family houses in the Mediterranean climate Selected results and conclusions The heating system is crucial; Heat pump systems effective reduce LC primary energy. Combining two simple passive construction measures (a high envelope insulation level, and an air tight envelope) may lead to important LC energy savings The most important LC process depends on the heating system and the alternative construction adopted. Pre-use phase should not be neglected, specially for buildings with lower energy consumption (heat pump systems). LC NRen Primary (GJ) double glazing Helena Monteiro (in co-supervision with Prof. Jonh Fernandez, MIT) helena.monteiro@dem.uc.pt 32

4. Integrating transportation in the LCA of buildings How does the location of a building influence transportation impacts? building construction building use users transportation (commuting to work/school) Joana Bastos in co-supervision with Prof. Stuart Batterman, UMICH) joana.bastos@dem.uc.pt 33

4. Integrating transportation in the LCA of buildings An apartment in the city and a semidetached house in the suburbs Apartamento Campo Grande Moradia S. Antão do Tojal Joana Bastos (in co-supervision with Prof. Stuart Batterman, UMICH) joana.bastos@dem.uc.pt 34

4. Integrating transportation in the LCA of buildings Commuting NRE and GHG associated with a house in Lisbon Análise de sensibilidade: a mesma moradia, em 6 localizações (1 e 2, na cidade; 3 a 6 nos subúrbios) Joana Bastos joana.bastos@dem.uc.pt 35

Principais Referências Bastos, Joana; Batterman, Stuart A; Freire, Fausto. 214. "Life-cycle energy and greenhouse gas analysis of three building types in a residential area in Lisbon", and Buildings, vol. 69, 1: pp. 344-353. http://dx.doi.org/1.116/j.enbuild.213.11.1 Garcia, R., Marques, P., Freire, F. (214). Life-cycle assessment of electricity in Portugal. Journal of Applied, vol. 134, pp. 563-572. http://dx.doi.org/1.116/j.apenergy.214.8.67 Monteiro, H., Freire, F. (212)."Life-Cycle Assessment of a house with alternative exterior walls: comparison of three impact assessment methods". and Buildings, vol. 47, pp.572-583. http://dx.doi.org/1.116/j.enbuild.211.12.32 Rodrigues, C., Freire, F. (214) Integrated life-cycle assessment and thermal dynamic simulation of alternative scenarios for the roof retrofit of a house, Building and Environment, vol. 81, pp. 24-215. http://dx.doi.org/1.116/j.buildenv.214.7.1 Seyedeh Shiva Saadatian. (214). Economic and Environmental Life Cycle Assessment of Insulation in Buildings. for Sustainability Master Thesis. Grade: 17 (out of 2.) University of Coimbra, Portugal outras referências em: http://www2.dem.uc.pt/centerindustrialecology/publications.htm 36

Obrigado! Questões/comentários Fausto Freire fausto.freire@dem.uc.pt Centro para a Ecologia Industrial, Universidade de Coimbra http://www2.dem.uc.pt/centerindustrialecology/ Gestão eficiente da energia nas organizações industriais, Novembro 214 37