Circularity and decarbonisation of urban systems: an innovative and systemic approach
On October 2020 during our event Re-think Circular Economy Forum held in Milan we had as one of our guests Paolo Cresci, Head of Sustainable Development at Arup Italy who explained us what is Arup and what it does.
Paolo Cresci introduced Arup, a worldwide company working across every aspect of today’s-built environment. Starting from recent projects and case studies, he illustrated the approach adopted and the results obtained by setting up an integrated approach to Circularity and Decarbonisation. The intervention highlighted the significant elements, relationships and advantages of a synergistic approach for urban transformation. Considering city as a system, the scientist Howard T. Odum created, in 1973, the concept of EMERGY, a model of natural and human ecosystems. In this concept embodied energy is associated to any kind of human action on the planet.
Arup, in partnership with C40, in the last two reports, Deadline 2020 and The future of urban consumption in 1.5 °C world investigated and outlined strategies to set up decarbonisation roadmaps and best practices for our cities. Over the last three years, Arup has also been a strategic partner to the Ellen MacArthur Foundation and contributed to develop the ‘circular economy’ thinking and practices in built environment. The transition to a circular economy will require the application of systems thinking and new approaches to the way we design, operate and maintain built environment assets.
In 2018, Arup Milan, supported by C40’s Reinventing Cities competition, started L’INNESTO, a carbon-neutral social housing project in Milan. By then, they have been involved in some of the major developments in Milan, looking into decarbonization from a quantitative perspective, which considers six main components (energy, materials, mobility, water, waste, land remediation and green infrastructure) and how they can offset the remaining CO2. In a large-scale development it is possible to find the majority of the carbon components as well as challenges that we face in our urban systems. The analysis shows how the embodied carbon is a relevant component and without considering mobility, it counts 50% at least. This percentage is related to the life cycle of the development. If we consider 20/30 years’ time from now, it is crucial to focus on embodied carbon reduction measures. In terms of energy and related carbon we see a positive trend thanks to the possibilities offered by the ongoing energy clean transition, exploiting renewable energy generation on and off-site, which will help to reduce that component. When we move into the embodied carbon, the challenge is higher, the problem is to offset it in the way we produce, deliver, build and re-adapt over time. It is also a matter of time, embodied carbon is generated at the beginning of construction and therefore if we do not act on this component quick enough, and we are not putting in place the solutions to improve and reduce it, we will be in trouble.
Carbon trends: if we project in 30/40 years’ time, the impact of embodied carbon vs operational carbon, we will probably reach a proportion of 80% vs 20%. So, there are two elements here: the variation between the two components and the time to offset these two components. Focusing on carbon measures, it is essential to look at how it is possible to build more efficiently, clever and with less. The percentages of material switching are relevant: the use of timber from 50% to 90% depending on the sector, re-use of building components, material efficiency. Each of these represents a big challenge for the manufacturing industry. Starting from the carbon assessment and reduction strategy developed for L’INNESTO and looking at larger mixed-use developments in Milano, we observe that, in the current construction baseline, materials (without considering mobility) count for more than 50% considering a 20-30 years time perspective.
Depending on the mix of functions of the development we see the possibility to reduce this component from at least 25% to 50%. If the first is easily achievable already now, the second should be considered as the optimum target in the current construction market conditions and likely to be achieved in a 5-10 years time. The reason of this gap is due to the different construction methodologies for the different assets. Here there is an investment aspect as well: using more timber, more recycled materials, using low embodied carbon and pre-fabricated solutions mean an increase of the construction cost so we need to find ways to support this additional effort to foster the embodied carbon shift.
Another element which is pretty evident is that after applying the carbon reduction measures on-site, we still have a significant carbon amount to offset off-site (mainly related to scope 3), that can be estimated in the range of 30-50% depending on the considered carbon components. This CO2 that cannot be offset on-site represents another opportunity for circular economy that should be further investigated.
Carbon by asset: if you consider a typical mixed-use development, there are many types of building and functions, each of them with specific characteristics. By analysing more in depth, the combinations of embodied carbon reduction targets for each specific asset we can see that in 20 years time (cumulative figure) the embodied carbon is 70% vs 30% of energy and in 50 years, we will reach the equivalent number between embodied and operational carbon, so 50%-50%. This gives a clear idea of the importance of action on embodied carbon. The targets they want to achieve in these ongoing developments are as follow: 1-5 year time of development -25%; 6-10 years -50% for embodied carbon reduction, which is currently a real challenge in buildings.
In conclusion, Paolo Cresci highlighted that today they have analysed and compared two main components, energy and embodied carbon, to have a better understanding of the role of embodied carbon and the contribution Circular Economy shall provide. We need to work all together. In Arup’s last report Realising the Value of Circular Economy in Real Estate, they define 8 essential figure actions as a methodology to takle this challenge and foster a positive transition to circularity and decarbonisation of the built environment.
If you want to know more about it read the final report of the event.
Italiano
Durante il nostro evento Re-think Circular Economy Forum tenutosi a Milano nell’Ottobre 2020 abbiamo avuto tra i nostri ospiti anche Paolo Cresci, Head of Sustainable Development di Arup Italia che ci ha spiegato cosa è Arup e cosa fa.
Paolo Cresci ha iniziato presentando Arup, un’azienda che opera a livello mondiale e che lavora su ogni aspetto dell’ambiente costruito. Partendo da progetti e casi studio recenti, lo speaker ha illustrato il metodo adottato e i risultati ottenuti impostando un approccio integrato alla circolarità e alla decarbonizzazione. L’intervento ha cercato di evidenziare gli elementi significativi, le relazioni e i vantaggi di un approccio sinergico per la trasformazione urbana. Considerando la città come un sistema, lo scienziato Howard T. Odum ha creato, nel 1973, il concetto di EMERGIA, un modello di ecosistemi naturali e umani. In questo concetto l’energia incorporata è associata a qualsiasi tipo di azione umana sul pianeta.
Arup, in collaborazione con C40, negli ultimi due rapporti, Deadline 2020 e The future of urban consumption in 1.5 °C world, ha indagato e delineato strategie per impostare tabelle di marcia di decarbonizzazione e best practices per le nostre città. Negli ultimi tre anni, Arup è stato anche un partner strategico della Ellen MacArthur Foundation e ha contribuito a sviluppare il pensiero e le pratiche dell’Economia Circolare nell’ambiente costruito. La transizione verso un’economia circolare richiederà l’applicazione del pensiero sistemico e nuovi approcci al modo in cui progettiamo, gestiamo e manteniamo i beni dell’ambiente costruito.
Nel 2018, Arup Milano, supportata dal concorso Reinventing Cities di C40, ha avviato L’INNESTO, un progetto di edilizia sociale a zero emissioni di carbonio a Milano. Da allora, sono stati coinvolti in alcuni dei principali progetti di Milano, esaminando la decarbonizzazione da una prospettiva quantitativa, che considera sei componenti principali (energia, materiali, mobilità, acqua, rifiuti, bonifica del territorio e infrastrutture verdi) e come possono compensare la CO2 rimanente. In uno sviluppo su larga scala è possibile trovare la maggior parte delle componenti di carbonio così come le sfide che affrontiamo nei nostri sistemi urbani. L’analisi mostra come il carbonio incorporato sia una componente rilevante e, senza considerare la mobilità, ne conta almeno il 50%. Questa percentuale è legata al ciclo di vita dello sviluppo. Se consideriamo 20/30 anni da ora, è cruciale concentrarsi sulle misure di riduzione del carbonio incorporato.
Per quanto riguarda l’energia e il relativo carbonio vediamo un trend positivo grazie alle possibilità offerte dalla transizione energetica pulita in corso, sfruttando la generazione di energia rinnovabile in loco e non, che aiuterà a ridurre tale componente. Quando ci spostiamo nel carbonio incorporato, la sfida è più complessa, il problema è compensarlo nel modo di produrre, consegnare, costruire e riadattare nel tempo. È infatti anche una questione di tempo, poiché il carbonio incorporato si genera all’inizio della costruzione e quindi se non agiamo su questa componente abbastanza velocemente, e non mettiamo in atto le soluzioni per migliorarla e ridurla, saremo nei guai.
Tendenze del carbonio: se proiettiamo tra 30/40 anni l’impatto del carbonio incorporato rispetto al carbonio operativo, probabilmente arriveremo a una proporzione dell’80% rispetto al 20%. Quindi, ci sono due elementi qui: la variazione tra le due componenti e il tempo per compensare queste due componenti. Concentrandosi sulle misure di carbonio, è essenziale guardare come è possibile costruire in modo più efficiente, intelligente e con meno. Le percentuali di cambio di materiale sono rilevanti: l’uso del legno dal 50% al 90% a seconda del settore, il riutilizzo dei componenti edilizi, l’efficienza dei materiali. Ognuno di questi rappresenta una grande sfida per l’industria manifatturiera. Partendo dalla valutazione del carbonio e dalla strategia di riduzione sviluppata per L’INNESTO e guardando ai grandi sviluppi ad uso misto a Milano, osserviamo che, nell’attuale baseline delle costruzioni, i materiali (senza considerare la mobilità) contano per più del 50% considerando una prospettiva temporale di 20-30 anni.
A seconda del mix di funzioni dello sviluppo vediamo la possibilità di ridurre questa componente da almeno il 25% al 50%. Se la prima è facilmente realizzabile già ora, la seconda dovrebbe essere considerata come l’obiettivo ottimale nelle attuali condizioni del mercato delle costruzioni e probabile da raggiungere tra 5-10 anni. La ragione di questo divario è dovuta alle diverse metodologie di costruzione per i diversi beni. Qui c’è anche un aspetto legato agli investimenti: usare più legno, più materiali riciclati, usare soluzioni a basso contenuto di carbonio e prefabbricate significa un aumento del costo di costruzione, quindi dobbiamo trovare il modo di sostenere questo sforzo aggiuntivo per favorire il passaggio al carbonio incorporato.
Un altro elemento abbastanza evidente è che dopo aver applicato le misure di riduzione del carbonio in loco abbiamo ancora una quantità significativa di carbonio da compensare fuori dal sito (principalmente legato all’ambito 3), che può essere stimato nell’intervallo del 30-50% a seconda dei componenti di carbonio considerati. Questa CO2 che non può essere compensata in loco rappresenta un’altra opportunità per l’economia circolare da poter approfondire.
Carbonio per asset: se si considera un tipico sviluppo ad uso misto, ci sono molti tipi di edifici e funzioni, ognuno dei quali con caratteristiche specifiche. Analizzando più in profondità le combinazioni di obiettivi di riduzione del carbonio incorporato per ogni specifico asset, possiamo vedere che tra 20 anni (dato cumulativo) il carbonio incorporato è il 70% contro il 30% dell’energia e tra 50 anni, raggiungeremo il numero equivalente tra carbonio incorporato e operativo, quindi 50%-50%. Questo dà una chiara idea dell’importanza dell’azione sul carbonio incorporato. Gli obiettivi che vogliono raggiungere sono: 1-5 anni di sviluppo -25%; 6-10 anni -50% per la riduzione del carbonio incorporato, che è attualmente una vera sfida negli edifici.
In conclusione, ad oggi hanno analizzato e confrontato due componenti principali, l’energia e il carbonio incorporato, per avere una migliore comprensione del suo ruolo e il contributo che l’economia circolare sarà in grado di fornire. Dobbiamo lavorare tutti insieme. Nell’ultimo rapporto di Arup, Realising the Value of Circular Economy in Real Estate, vengono definite 8 azioni essenziali come metodologia per affrontare questa sfida e favorire una transizione positiva verso la circolarità e la decarbonizzazione dell’ambiente costruito.
Se vuoi saperne di più leggi il report finale dell’evento.