NEW MODEL TO ACHIEVE THE WATER MANAGEMENT AS A COMPETITIVE TOOL FOR INDUSTRIAL PROCESSES

The issue of freshwater use and related impacts is central to international debate. The reason is that freshwater, even though renewable, is a scarce resource with limited availability in a growing number of regions all over the world. The consequent increasing competitiveness on freshwater resources is recognized to affect companies by exposing them to several environmental and market risks. In this contest, businesses clearly showed interest in freshwater management tool so that, in recent year, the scientific community has been working on the development of suitable models and methods. Even though several experiences can be identified in the literature, most significant researches are taking place within the framework of the Life Cycle Assessment, an internationally accepted methodology to assess potential environmental impacts of products, processes and organizations. When focusing on freshwater related issue it is also known as Water Footprint assessment. Current methods, specifically developed to address this issue, present limits in term of transparency, completeness and comprehensiveness. These limitations prevent companies to understand their water environmental hot-spots and therefore to set effective environmental and market performance improvement strategies. The present research focuses on the development of a new model to achieve the freshwater management as a competitive tool for industrial processes. To do so the specific objective of the research was to develop a set of indicators to overcome identified limits and to test its applicability in real case studies. To define the set of indicators, the methodology of the research took into consideration the Life Cycle Assessment framework adopting the criteria agreed within the UNEP-SETAC (United Nation Environmental Program – Society of Environmental Toxicology and Chemistry) Water Use Life Cycle Initiative; to test and discuss its applicability and effectiveness, the methodology of the multiple case studies was adopted. The case studies were selected considering their significance in term of freshwater scarcity and their capability to represent life cycle processes in different locations and therefore to address the issue of regionalization. The four products studied in this research were: a water collection system, an organic oat beverage, an organic strawberry jam and a tomato sauce. The development of the set of indicators is addressed in the first part of the research. To guarantee transparency and effective life cycle impact assessment analysis, the entire environmental impact chain was modelled in order to separately address consumptive and degradative freshwater use. To guarantee completeness and comprehensiveness and therefore to avoid potential environmental burden shifting, a so called water footprint profile covering accepted freshwater related impact methods, was created. The applicability and effectiveness of the proposed set of indicators is presented in the second part of this work. The four case studies were conducted according to the Life Cycle Assessment stages. Results of the applicability of the proposed set of indicators highlighted the importance of regionalization and comprehensiveness and allowed to understand the importance of considering degradative and consumptive freshwater use separately. It was in fact possible to define environmental impact reduction strategies in each of the case studies presented. The research activities were carried out at the Department of Industrial Engineering (Dipartimento di Ingegneria Industriale-DII) at the University of Padova (Italy) and at the Golisano Institute for Sustainability of the Rochester Institute of Technology (New York State –USA). The results of the research activities are summarized in 5 chapters. Chapter 1 includes an introduction of the issue of freshwater scarcity and presents the evolution of models to address freshwater use and related impacts starting from the virtual water assessment to the most recent development within the Life Cycle Assessment framework. Limits of current models and methods are presented. Objective and structure of the research are also described. Chapter 2 reports on materials and methods used in the present research, from the description of the general framework of Life Cycle Assessment studies to the specific criteria used in the indicators definition. Set of developed indicators is therefore presented by specifying procedures for their application and describing the solutions adopted to conform to internationally accepted requirements (such as ISO 14046). Chapter 3 presents the results of the application of the identified set of indicators in four different case studies. To identify potential strategies for companies and to test the effectiveness of the proposed set of indicators, a sensitivity analysis on results is performed. Chapter 4 presents the discussion on results with reference to published literature, the UNEP-SETAC Water Use Life Cycle Initiative criteria, the ISO 14046 principles and objectives of the research. Chapter 5 reports on the conclusion and perspectives for future research.

Il tema dell’utilizzo dell’acqua dolce e degli impatti ambientali a esso associati sono centrali all’interno del dibattitto internazionale. La ragione principale di quest’attenzione sta nel fatto che l’acqua dolce, sebbene rinnovabile, sia presente in quantità limitata in un numero crescente di regioni in tutto il pianeta. La conseguente accresciuta competizione per accedere a queste risorse ha delle conseguenze concrete nel mondo delle imprese che si trovano a dover affrontare rischi di natura ambientale e di mercato. In questo contesto, le aziende hanno mostrato un notevole interesse verso gli strumenti per la gestione delle risorse idriche tanto da spingere la comunità scientifica a moltiplicare gli sforzi per lo sviluppo di modelli e metodi adatti a garantire un utilizzo più sostenibile di queste risorse. Sebbene si possano identificare diverse esperienze in letteratura, gli sviluppi più significativi si sono avuti all’interno del contesto del Life Cycle Assessment, una metodologia ampiamente accettata a livello internazionale per la quantificazione e valutazione dei potenziali impatti ambientali di prodotti, processi ed organizzazioni. Quando ci si concentra sul tema risorse idriche questo approccio è conosciuto con il nome di Water Footprint. I modelli attuali, sviluppati nello specifico per trattare questa problematica, presentano dei limiti in termini di trasparenza, completezza e comprensività. Queste limitazioni non consentono al mondo delle imprese di comprendere i propri hot-spot ambientali riguardanti l’acqua e quindi di definire opportune strategie ambientali e di mercato per il miglioramento della competitività di prodotti e processi. La presente ricerca si focalizza sulla creazione di un modello innovativo per tradurre la gestione dell’acqua dolce in uno strumento per la competitività dei processi. L’obiettivo della ricerca è stato quello di sviluppare un set di indicatori per superare i limiti evidenziati e quindi verificarne l’applicabilità in dei casi di studio reali. Nella definizione del set di indicatori, la metodologia della ricerca ha preso in considerazione il contesto metodologico del Life Cycle Assessment (analisi di ciclo di vita) nel rispetto dei requisiti presentati in materia da parte dell’ UNEP-SETAC Water Use Life Cycle Initiative. Per mettere alla prova e discutere l’efficacia degli indicatori così creati è stata adottata la metodologia del caso di studio multiplo. La scelta dei casi di studio è stata compiuta in funzione della loro criticità in tema di utilizzo della risorsa idrica e in funzione della loro capacità di presentare processi localizzati in regioni con condizioni climatiche e di disponibilità di acqua dolce differenti. I quattro prodotti scelti per questa ricerca sono: un sistema di collettamento e recupero delle acque piovane, una bevanda a base di avena biologica, una marmellata di fragole biologiche ed una salsa di pomodoro per il condimento della pasta. Lo sviluppo del set di indicatori è affrontato nella prima parte della ricerca. Per garantire la trasparenza e l’efficacia dell’analisi degli impatti di ciclo di vita, l’intera catena di valutazione ambientale è stata modellata al fine di quantificare separatamente gli effetti del consumo e dell’uso degradativo dell’acqua dolce. Per garantire completezza e comprensività, così da evitare il problema del burden-shifting, è stato sviluppato un Water Footprint Profile che considera i metodi più accettati e diffusi nella quantificazione degli impatti ambientali relativi all’acqua dolce. L’applicabilità ed efficacia del set di indicatori è presentata nella seconda parte della ricerca. I quattro casi di studio sono stati condotti nel rispetto dei requisiti del Life Cycle Assessment. I risultati dell’applicabilità del set di indicatori proposto, ha messo in luce l’importanza della regionalizzazione e della comprensività e hanno permesso di capire l’importanza di valutare in modo separato il consumo e l’uso degradativo dell’acqua dolce. In ogni caso di studio è stato possibile determinare una strategia per la riduzione dei consumi di acqua dolce. Le attività di ricerca sono state condotte presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova (Italia) e presso il Golisano Institute for Sustainability del Rochester Institute of Technology (New York State –USA). I risultati della ricerca sono presentati in cinque capitoli. Capitolo 1: include un’introduzione al problema della scarsità d’acqua dolce e presenta l’evoluzione dei modelli per considerare l’utilizzo di acqua dolce ed i relativi impatti a partire dal concetto di virtual water fino alle recenti evoluzioni all’interno del contesto del Life Cycle Assessment. Sono quindi chiariti i limiti dei modelli e metodi attuali. Infine sono presentati gli obiettivi e la metodologia di ricerca. Capitolo 2: riferisce in merito ai materiali e metodi adottati dalla ricerca, dalla descrizione del modello generale degli studi di Life Cycle Assessment fino ai criteri considerati per la definizione degli indicatori. Questi sono poi presentati specificandone procedure applicative e soluzioni di conformità agli standard accettati a livello internazionale tra cui l’ISO 14046. Capitolo 3: presenta i risultati dell’applicazione del set di indicatori in quattro diversi casi di studio. Per la definizione delle strategie di riduzione degli impatti sull’acqua dolce e per verificare l’efficacia degli indicatori, è stata condotta un’analisi di sensitività e contribuzione specifica in ogni caso di studio. Capitolo 4: presenta le discussioni dei risultati ottenutici con riferimento ai modelli pubblicati in letteratura, ai criteri dell’ UNEP-SETAC Water Use Life Cycle Initiative, dei principi della norma ISO 14046 e degli obiettivi della ricerca. Capitolo 5 presenta le conclusioni e le indicazioni per futuri sviluppi della ricerca.