Smart and sustainable projects at the energy-district level. How to assess them based on the co-benefits paradigm

The main topic of this doctoral thesis is the co-benefit concept, here applied as an assessment paradigm to innovative urban projects. In this research, a co-benefit is defined as any positive impact or effect, regardless of the intentionality, exceeding the primary project goal. More specifically, because the projects here analyzed are those aiming at (re)developing smart and sustainable energy districts, CO2 emission reduction and energy savings are considered the twin primary goals. To investigate the applicability of the assessment paradigm, the work focuses both on methodological and operative issues, each developed in a single research. The general topic and the four papers are summarized in chapter 1 “Introduction and research papers presentation”, also including a brief overview of complementary research activities, and then further developed in as many chapters. The core of the work starts with two general investigations concerning (i) the co-benefits identification and classification under the smart-city perspective, and (ii) the application to them of the most suitable monetization techniques. Then, it concludes with two instances of investigative fieldwork into co-benefits, about (iii) the marginal implicit value of energy performance in residential properties, and (iv) the priorities declared by houseowners as they consider a deep-energy retrofit. To identify and classify the co-benefits, with respect to the various project activities, it is necessary to establish a common lexicon among the various expressions and definitions employed by projects. This phase is also needed to define the boundaries of the investigation, as well as the reference scale, and to avoid double counting. In chapter 2 “Overview and taxonomy of co-benefits based on European experiences”, I propose a classification rooted in practical experiences reported by projects dealing with the implementation of green neighborhoods and urban renewable-energy systems. Due to the vastness and diversity of urban projects labeled as smart, sustainable, or both, it was also necessary to identify a subset of them having similar characteristics, here named Smart and Sustainable Energy-District Projects (SSEDPs). Thus, the focus was on 36 finished or still-running SSEDPs funded by the European Union (EU) within two relevant initiatives: “Concerto” and “Smart Cities and Communities”. The anticipated or already experienced co-benefits were extracted by accessing official sources (e.g., websites, reports) and reviewing them with respect to the specialized literature, obtaining 156 different expressions referring to positive impacts. After a thorough and iterative comparison by a group of experts, a short list of 19 key urban co-benefits is extracted. Finally, to show how relevant is the contribution of these projects to improving the quality of life of citizens and urban competitiveness, a smart-city-based taxonomy is elaborated, by sorting the co-benefits into seven groupings: smart natural environment, smart services, smart community, smart governance, smart economy, smart built environment, and smart mobility. Chapter 3 “Economic assessment methodologies” faces the issue of providing an overview of suitable methodologies for economic assessment, and of creating a framework for evaluating the key urban co-benefits recognized by EU-funded SSEDPs. The aim is to explore the feasibility of a co-benefit approach to a cost-benefit analysis (CBA) being applied to the decision-making framework by quantifying, in monetary terms, all the positive effects (benefits or inflow), as well as the negatives (costs or outflow). Due to the specificity of some co-benefits, besides direct-market value, non-market techniques have been identified as applicable to price them. Such techniques investigate consumers’ preferences starting from individual purchasing habits (revealed preferences) or asking them directly about their preferences (stated preferences). It showed that, for a minority of co-benefits, even the monetization of the human capital should be assessed to complete the whole picture. As a result, looking at the reference literature and involving a multidisciplinary team of experts, an “assessment menu” is developed, suggesting indicators and techniques. The menu also includes some estimated values reported by other studies, examples of practical application in similar contexts, and techniques or approaches suggested by analogy to the reference literature. The chapter 4 “A hedonic price model of energy performance of buildings” is tested in the city of Bolzano. This estimation technique identifies price factors (transactions or asking prices) according to the premise that an asset’s price is determined both by the intrinsic characteristics of the good being sold and extrinsic ones. The research constitutes the first attempt at breaking down the local residential property price and including, among the relevant factors, internal characteristics such as the energy performance certificate (EPC) class. By accessing a specialized real-estate website, 1,130 selling advertisements are collected, then geolocated, and analyzed by using Geographic Information System (GIS) software. The aim was to test the presence of spatial autocorrelation, and to eventually correct the estimation based on the ordinary least-squares (OLS) method. In fact, a neglected consideration of spatial relationships, in the presence of spatial dependence would lead to biased results. After a careful refinement of the sample, the evaluation of the marginal contribution of EPC class in the determination of the asking price has been estimated in a 6.3% price premium, moving from lowest class (G) to middle classes (C or D), and a 9.5% when reaching the highest classes (A or B), ceteris paribus. Finally, the OLS-regression result is confirmed, after checking for spatial autocorrelation and testing the Spatial Lag model (the GIS software ArcMap and GeoDa were used). In chapter 5 “A multiple benefits approach to understanding citizen priorities for deep-energy retrofitting”, the focus shifts from a specific co-benefit to a specific target group. Here, priorities declared by houseowners approaching a deep-energy retrofit are shown and weighted, adopting a multi-criteria decision analysis (MCDA) method. According to the test-phase results, a decision tree with five criteria and 15 subcriteria has been designed: four in “thermal and hygrometric comfort”; three in “design and architectural quality”, “acoustic comfort”, and “economic benefits”; and two in “sustainability”. Then, a pool of ten experts in the field of energy refurbishment and building works (selected among those working in South Tyrol) has been interviewed by applying the Analytic Hierarchy Process (AHP) technique, which enables evaluation of qualitative criteria through pairwise comparison. The “Super Decisions” software was used, which is specifically designed to support the data collection and results’ validation of AHP. Not surprisingly, the “economic-benefits” side plays a relevant role (38% of the global importance). However, a cross-sector analysis of expected benefits dealing with better health and well-being of occupants reveals that they cover 41% of the overall motivation. These points should be carefully considered not only in the design phase of a private project but also in the communication strategies and within each participatory phase of any project where the decision-maker (private or public) differs from the occupant. The thesis culminates with chapter 6 “Conclusions”, where achieved results of all the four previously described investigations are briefly summarized and further developments are proposed as an impetus for deeper investigations or cross-cutting research.

Il tema principale di questa tesi di dottorato è costituito dal concetto di “co-beneficio” (in inglese co-benefit), qui inteso come un paradigma di valutazione di progetti urbani innovativi. In questa ricerca, il co-beneficio è definito come un qualsiasi impatto o effetto po-sitivo che ecceda l'obiettivo primario del progetto, indipendentemente dalla intenzionalità o meno con cui esso si manifesta. Nello specifico, poiché i progetti qui analizzati sono volti alla creazione di distretti energetici intelligenti e sostenibili (in inglese Smart and Sustainable Energy District Projects – SSEDPs) o alla rigenerazione di quartieri esistenti, il loro obiettivo primario può essere considerato duplice: riduzione delle emissioni di CO2 e raggiungimento di risparmi energetici. Per studiare l'applicabilità del paradigma di valutazione, il lavoro di tesi si concentra sia su questioni metodologiche che operative, ognuna sviluppata in una singola ricerca. Il tema generale e le quattro ricerche specifiche sono riassunti nel capitolo 1 "Introduzione e presentazione dei research papers", che offre inoltre un breve excursus su attività di ricerca complementari. Poi, le quattro ricerche sono sviluppate in altrettanti capitoli della tesi. Il nucleo del lavoro si apre con due indagini generali relative a (i) identificazione co-benefici e loro classificazione in una logica di smart city, e (ii) definizione delle più opportune tecniche di monetizzazione a loro applicabili. Da qui il lavoro procede con due attività di investigazione e analisi sul campo dei co-benefici, ovvero (iii) determinazione del valore marginale implicito della prestazione energetica nel prezzo di offerta degli immobili residenziali, e (iv) pesatura dei benefici attesi dichiarati dai proprietari immobiliari nel commissionare una ristrutturazione energetica radicale (in inglese deep energy retrofit) della propria residenza. Per identificare e classificare i co-benefici, in relazione alle differenti attività di progetto, è stato necessario stabilire un lessico comune tra le varie espressioni e definizioni rintracciabili in diversi contesti. Si è reso inoltre necessario, nella fase preliminare, definire i confini della ricerca, così come la dimensione di riferimento, per evitare un doppio conteggio dello stesso co-beneficio. Nel capitolo 2 "Descrizione e tassonomia dei co-benefici sulla base delle esperienze europee", si propone una classificazione fondata sulle evidenze riportate dai progetti riguardanti la realizzazione di quartieri sostenibili e di sistemi energetici urbani con integrazione di fonti energetiche rinnovabili. Data la vastità e diversità dei progetti urbani definiti smart, sostenibili, o da entrambe i termini, è stato necessario individuare un sottoinsieme di progetti con caratteristiche simili ed equiparabili. Ad essi è stata attribuita la dicitura di Smart and Sustainable Energy District Projects – SSEDPs. In tal modo, l'attenzione della ricerca si è concentrata su 36 SSEDPs, alcuni già conclusi, altri ancora in esecuzione, finanziati dall’Unione Europea (UE) all’interno di due importanti iniziative: "Concerto" e "Smart Cities and Communities". I co-benefici, attesi o già riscontrati, sono stati ottenuti accedendo alle fonti ufficiali (quali siti web e report) e incrociandoli rispetto alla letteratura specializzata di settore. Si sono così ottenute 156 diverse espressioni riferibili agli impatti positivi. Dopo un confronto approfondito e iterativo condotto da un gruppo di esperti, si è giunti alla formulazione di una lista sintetica di 19 co-benefici urbani di preminente interesse. Infine, per mostrare quanto rilevante sia il contributo di questi progetti al miglioramento della qualità della vita dei cittadini e della competitività urbana, è stata elaborata una tassonomia dei co-benefici basata sulle sette dimensioni della smart city (ambiente naturale, servizi, comunità, governance, economia, ambiente costruito, mobilità). Il capitolo 3 "Metodologie di valutazione economica" affronta il problema di fornire una panoramica di quali possano essere le metodologie adeguate per la valutazione economica dei co-benefici, e di creare un quadro di riferimento applicabile ai principali co-be-nefici urbani evidenziati dagli SSEDPs finanziati dalla UE. L'obiettivo è quello di esplorare la fattibilità di un approccio allargato, incorporante i co-benefici, nella formulazione di ana-lisi costi-benefici (in inglese Cost-Benefit Analysis - CBA), e pertanto di offrire al quadro decisionale una quantificazione monetaria di tutti gli effetti positivi e negativi. A causa della specificità di alcuni co-benefici, oltre alla identificazione diretta del valore di mercato, sono state ipotizzate le tecniche non di mercato strategicamente applicabili per la definizione del loro valore. Tali tecniche permettono di indagare le preferenze dei consumatori a partire da singole abitudini di acquisto (preferenze rivelate) o chiedendo loro diretta-mente di esprimersi sulle preferenze (preferenze dichiarate). Per una minoranza di co-benefici, anche una monetizzazione del valore del capitale umano dovrebbe essere inclusa per completare l'intero quadro. Come risultato, ancora una volta riferendosi alla letteratura scientifica specializzata e coinvolgendo un team multidisciplinare di esperti nel dibattito, è stato possibile sviluppare un "menù di valutazione", suggerendo indicatori e tecniche applicabili ai progetti esaminati. Il menù comprende anche alcuni valori stimati riportati da altri studi, esempi di applicazione pratica in contesti simili, e le tecniche o approcci suggeriti per analogia alla letteratura di riferimento. Nel capitolo 4 "Un modello di prezzo edonico per l’analisi della prestazione energetica negli edifici" è testato nella città di Bolzano. Questa tecnica di stima individua i fattori determinanti il prezzo dell’immobile (applicabile alle transazioni quanto ai prezzi di offerta, come in questo caso) in base alla premessa che esso sia determinato da caratteristiche intrinseche del bene stesso posto in vendita e da caratteristiche estrinseche. La ricerca costituisce un primo tentativo di scomporre il prezzo di offerta degli immobili residenziali di Bolzano comprendendo tra i fattori rilevanti intrinseci anche la classe riportata dall'attestato di certificazione energetica (in inglese Energy performance certificate - EPC). Ac-cedendo a un portale internet immobiliare specializzato, sono stati raccolti 1.130 annunci, successivamente geolocalizzati e analizzati utilizzando sistemi informativi geografici (in inglese Geographic Information System - GIS). Lo scopo di questo passaggio, aggiuntivo rispetto ad un classico modello edonico, è stato quello di verificare la presenza di auto-correlazione spaziale, ed eventualmente correggere la stima ottenuta sulla base del metodo dei minimi quadrati (in inglese Ordinary Least Squares - OLS). Questo poiché, come evidenziato dalla letteratura, una non considerazione delle relazioni spaziali, in presenza di forte dipendenza spaziale, porterebbe a risultati distorti della stima. Dopo un attento affinamento del campione, il contributo marginale della classe energetica nella determinazione del prezzo di offerta, prendendo come base di riferimento gli immobili in classe peggiore (G), è stato stimato in un aumento del 6,3% per le classi medie (C o D), e del 9,5% per le classi più elevate (A o B), ceteris paribus. Infine, il risultato del modello di regressione dei minimi quadrati è stato confermato, dopo averlo verificato nella componente di autocorrelazione spaziale testando il modello spatial-Lag (per queste fasi sono stati utilizzati i software GIS ArcMap e GeoDa). Nel capitolo 5 "Un approccio basato sui benefici multipli per la comprensione delle priorità dei cittadini nelle ristrutturazioni energetiche", l'attenzione è stata spostata dall’analisi di un co-beneficio specifico a quella di un target specifico. Qui, le priorità dichiarate dai proprietari di immobili residenziali che si approcciano ad un deep energy retrofit della propria abitazione sono espresse e ponderate adottando un metodo di analisi di decisone multi-criteri (in inglese Multi-Criteria Decision Analysis - MCDA). Sulla base dei risultati di una prima fase test, è stato disegnato un albero del processo decisionale articolato in cinque criteri e 15 sotto-criteri, così suddivisi: quattro in "comfort termico e igrometrico"; tre in "design e qualità architettonica", "comfort acustico", "benefici economici"; due in "sostenibilità". Successivamente, un gruppo di dieci esperti nel campo della ristrutturazione energetica e nel settore dell’edilizia residenziale (selezionati tra quelli attivi in Alto Adige), è stato intervistato applicando la tecnica dell’Analytic Hierarchy Process (AHP), che con-sente la valutazione di criteri qualitativi attraverso il confronto a coppie. In questo studio è stato utilizzato il software "Superdecision", che è specificamente progettato per suppor-tare la raccolta dei dati e la validazione dei risultati AHP. Dai risultati ottenuti emerge, come era intuibile dato il contesto normativo attuale, che la dimensione dei "benefici economici" gioca un ruolo considerevole nella scelta (38% della rilevanza globale). Tuttavia, un'analisi trasversale dei benefici attesi che coinvolgono aspetti della salute e del benessere degli occupanti rivela che questi coprono il 41% della motivazione complessiva. Lo studio evidenzia quindi come tali punti debbano essere attentamente considerati non solo in fase di redazione dei singoli progetti, ma anche nelle strategie di comunicazione e all'interno di ciascuna fase di partecipazione nel caso di progetti nei quali il decisore (pubblico o privato) non corrisponda all'occupante. La tesi termina con il capitolo 6 "Conclusioni", dove sonno riepilogati i percorsi delle quattro indagini precedentemente descritte e sono brevemente riassunti i risultati. Sono inoltre evidenziati possibili sviluppi futuri, proposti come un impulso per indagini più approfondite o per ricerche trasversali.