Mitigating the environmental impacts of Urban Agriculture: innovative materials, GHG emissions analysis and new by-products

L’agricultura urbana (AU) consisteix en el desenvolupament d’activitats agrícoles dins i al voltant de les ciutats. Actualment, aquestes pràctiques estan creixent en tot el món per fer front al creixement de la població (tant a les zones urbanes com a nivell planetari), reduir les conseqüències ambientals de proporcionar aliments a les ciutats i augmentar-ne l’autosuficiència alimentaria. Un dels espais lliures amb gran disponibilitat, i d’interès per les practicants de l’AU, són les cobertes dels edificis. En concret, les cobertes de les naus industrial podrien ser d’interès per la instal·lació de cultius intensius amb objectius comercials, com els hivernacles en coberta. Els hivernacles en coberta poden ser connectats amb l’edifici sobre el qual estan instal·lats, amb la finalitat de generar un intercanvi de fluxos (aigua, energia i CO2) entre els dos sistemes. Aquestes estratègies poden ser de gran interès per reduir els impactes ambientals dels hivernacles en coberta, obtingudes principalment per la reducció de les distancies de transport dels aliments, l’atenuació de les pèrdues d’aliments durant el seu transport i la reutilització del packaging pel transport. No obstant això, no s’han detectat millores ambientals en la resta d’etapes de cicle de vida; per tant, sembla ser que encara manca realitzar una recerca més profunda sobre aquests aspectes. La present tesis doctoral pretén cobrir aquest àmbit de recerca a través d’intentar donar resposta a les següents preguntes: • Pot un sistema passiu fet amb materials de canvi de fase substituir els sistemes convencionals de calefacció agrícoles i reduir la petjada de carboni dels hivernacles en coberta? • Pot l’aire residual dels edificis ser utilitzat per l’enriquiment carbònic dels hivernacles en coberta? • Es possible millorar la precisió del càlcul de la petjada de carboni dels hivernacles en coberta? • És la creació de subproductes, a partir dels residus agrícoles, una estratègia per fixar el CO2 capturat pels cultius dels hivernacles en coberta? La principal metodologia de recerca aplicada, per respondre les preguntes plantejades, és l’anàlisi de cicle de vida (ACV). A més a més, altres materials i mètodes han sigut utilitzats d’acord amb els requeriments de les línies de recerca estudiades; com per exemple: un sistema de cambra oberta; anemòmetres; piranòmetres; sensors de CO2; sensors de temperatura o cromatògrafs de gasos i líquids. Els resultats obtinguts mostren que la creació de subproductes, amb residus de l’AU, podria ser l’estratègia estudiada amb major viabilitat per minimitzar els impactes ambientals dels hivernacles en coberta. L’ús de residus agrícoles per produir subproductes evita la gestió final d’aquests residus. A més a més, els subproductes obtinguts tenen un gran potencial per fixar les emissions de CO2 capturades pels cultius de l’AU. Els materials de canvi de fase, en canvi, no podran ajudar a minimitzar les conseqüències ambientals dels sistemes de calefacció agrícoles actuals fins que el seu preu i impactes mediambientals, generats durant la seva producció, es redueixin. Malgrat això, gràcies a les elevades concentracions de CO2 dels espais tancats d’habitatges i edificis d’oficines, l’aire residual d’aquests immobles podria ser injectat dins els hivernacles en coberta (situats sobre el mateix edifici) per enriquir amb carboni els cultius. Finalment, a dia d’avui i d’acord amb la recerca realitzada, la petjada de carboni dels hivernacles en coberta podria no haver sigut calculada amb precisió. L’ús de factors de d’emissions de nitrogen no específics, per calcular les emissions de N2O de cultius realitzats en hivernacles en coberta, podria haver causat una sobreestimació del 7.5% de la petjada de carboni calculada. En futures recerques, podria ser de gran interès profunditzar amb més detall les línies de recerca iniciades i començar noves recerques sobre altres aspectes metodològics detectats, encara pendents d’estudi.La agricultura urbana (AU) consiste en el desarrollo de actividades agrícolas dentro y en los extrarradios de las ciudades. En la actualidad, estas prácticas están creciendo para hacer frente al crecimiento de la población (tanto en las zonas urbanas como a nivel planetario), reducir las consecuencias ambientales de proporcionar alimentos a las ciudades y aumentar su autosuficiencia alimentaria. Uno de los espacios libres con gran disponibilidad, y de interés para las practicantes de la AU, son las cubiertas de los edificios. Las cubiertas de las naves industriales podrían ser de interés para la instalación de cultivos intensivos con fines comerciales, como son los invernaderos en cubierta. Los invernaderos en cuberita pueden ser conectados con el edificio sobre el cual están instalados, con la finalidad de generar un intercambio de flujos (agua, energía y CO2) entre los dos sistemas. Estas estrategias pueden ser de gran interés para mitigar los impactos ambientales de los invernaderos en cubierta, principalmente debido a la reducción de las distancias de transporte de los alimentos, la atenuación de las pérdidas de alimentos durante su transporte y la reutilización del packaging para el transporte. Sin embargo, no se han detectado mejoras ambientales en el resto de las etapas de ciclo de vida. La presente tesis pretende cubrir este vacio a través de intentar dar respuesta a las siguientes preguntas: • ¿Puede un sistema pasivo hecho con materiales de cambio de fase substituir los sistemas convencionales de calefacción agrícolas y reducir la huella de carbono de los invernaderos en cubierta? • ¿Puede el aire residual de los edificios ser utilizado para el enriquecimiento carbónico de los invernaderos en cubierta? • ¿Es posible mejorar la precisión del cálculo de la huella de carbono de los invernaderos en cubierta? • ¿Es la creación de subproductos, a partir de residuos agrícolas, una estrategia para fijar el CO2 capturado por los cultivos de los invernaderos en cubierta? La principal metodología de investigación aplicada es el análisis de ciclo de vida (ACV). Además, otros materiales y métodos fueron utilizados según los requerimientos de las líneas de investigación; por ejemplo: un sistema de cámara abierta; anemómetros; piranómetros; sensores de CO2 y de temperatura; o cromatógrafos de gases y líquidos. Los resultados obtenidos muestran que la creación de subproductos, con residuos de la AU, podría ser la estrategia estudiada con una mayor viabilidad para minimizar los impactos ambientales de los invernaderos en cubierta. El uso de residuos agrícolas para producir subproductos evita la gestión final de estos residuos. Asimismo, los subproductos obtenidos tienen un gran potencial para fijar las emisiones de CO2 capturadas por los cultivos de la AU. Los materiales de cambio de fase, en cambio, no podrán ayudar a minimizar los impactos ambientales de los sistemas de calefacción agrícolas actuales hasta que su precio e impactos ambientales, generados durante su producción, se reduzcan. Gracias a las elevadas concentraciones de CO2 de los espacios cerrados de las viviendas y edificios de oficinas, el aire residual de estos inmuebles podría ser inyectado dentro de los invernaderos en cubierta para enriquecer con carbono los cultivos. Finalmente, a día de hoy y de acuerdo con la investigación realizada, la huella de carbono de los invernaderos en cubierta podría no haber sido calculada con precisión. El uso de factores de emisiones de nitrógeno no específicos, para calcular las emisiones de N2O de los cultivos realizados en invernaderos en cubierta, podría haber causado una sobreestimación del 7.5% de la huella de carbono calculada. En futuras investigaciones, podría ser de gran interés profundizar con más detalle las líneas de investigación iniciadas y empezar nuevas investigaciones sobre otros aspectos metodológicos detectados, todavía pendientes de estudio.Urban agriculture (UA) consist of farming operations taking place in and around cities. At present, these practices are growing all around the world to face the increasing world and urban population, reduce the environmental implications of feeding urban areas and increase food self-sufficiency in cities. An interesting vacant space for UA practitioners is the roof of buildings. The roof of industrial buildings may be of great interest for the installation of intensive crops for commercial purposes, such as rooftop greenhouse (RTGs). RTGs can be connected with the building they are placed on to exchange water, heat or CO2 flows. These types of RTGs are named integrated RTGs (i-RTGs). i-RTGs, for example, can use the rainwater harvested by the building to irrigate crops, take advantage of the thermal inertia of the building to warm crops without using heating systems or use the residual air of the building, with high CO2 concentration due to human respiration or other processes, to increase the CO2 concentration of crops. These strategies are of great interest to mitigate the environmental burdens of i-RTGs. In comparison with conventional decentralized agriculture, previous studies show that i-RTGs could reduce the environmental implications of feeding cities. Benefits are mainly obtained due to reduced food transportation distances, minimized food losses during transportation and improved packaging logistics which allows its reutilization. However, no advantages were detected for the other life cycle stages; therefore, further research is still lacking in this area. This doctoral thesis aims to fill this gap by addressing the following research questions: • Can passive systems made with phase change materials (PCMs) replace conventional heating in greenhouses and reduce the carbon footprint of i-RTGs? • Can the residual air of a building be used for CO2 enrichment in i-RTGs? • Could the GHG emissions of i-RTGs be calculated with more accuracy? • Is the creation of new by-products, with UA wastes, a strategy to sink the CO2 emissions captured by crops grown in i-RTGs? Life cycle assessment (LCA) was the main method used to answer these questions. In addition, other specific methods and materials (i.e.; open chamber system, pyranometers; anemometers; temperature sensors; CO2 sensors and gas or liquids chromatography) were used according to the requirements of each specific research line. The results evidence that the creation of by-products with UA wastes could be the strategy studied with the higher feasibility to reduce the environmental implications of i-RTGs. When waste biomass generated in i-RTGs is used to produce new by-products, biomass waste management is avoided. Moreover, the new by-products obtained have the potential to fix the CO2 emissions captured by crops, for a long time. The use of PCMs to reduce the energy consumption of conventional heating systems in greenhouses and i-RTGs will not be of interest until PCMs prices go down and the efficiency of its production increases. However, due to the high CO2 concentration in household and office buildings, the residual air from their ventilation systems could be used for the carbon enrichment of i-RTGs. Finally, according to research done, the carbon footprint of i-RTGs has not been calculated with accuracy until today. The application of non-specific nitrogen emission factors to calculate the direct N2O emissions in crops grown in i-RTGs could have caused the overestimation of their carbon footprint by 7.5%. In the near future, further research would be of interest to address in more detail the new topics studied during this dissertation and develop research on other methodological aspects detected