Modelli decisionali per la definizione di scenari energetici carbon-neutral

Climate change and air pollution are the two major environmental challenges that critically impact health, economy, and biodiversity. While climate change and air pollution differ in spatial scales, temporal dynamics, and impacts, they share many common emissions sources, such as fossil fuel combustion. Therefore, actions to mitigate one of the problems often yield co-benefits or trade-offs in the other. This research formulates and applies an integrated assessment model to address these challenges. IAM provides a multidisciplinary framework for analyzing the interactions between human activities, emissions, and environmental impacts. The model is applied to evaluate policy strategies, emphasizing the role of the transport sector, which significantly contributes to CO2 and nitrogen oxides (NOx), a precursor of air pollutants. The study investigates innovative solutions, including adopting battery-electric vehicles and biomethane-powered solid oxide fuel cell vehicles, to identify pathways that align climate neutrality targets with air quality improvements. The study area is the Po Valley in Northern Italy, characterized by high population density, numerous industrial poles, and extensive agricultural activities. This region frequently exceeds European air quality standards for PM2.5 and NO2, largely due to the formation of secondary pollutants promoted by its enclosed geographic conformation. Methodologies applied include scenario analysis and multi-objective optimization, combining the application of end-of-pipe measures and energy transition strategies to address these challenges. The key findings demonstrate that integrated strategies can achieve substantial reductions in GHG emissions and air pollutants and provide significant health and economic benefits. In particular, policies targeting the transport sector, combined with the adoption of renewable energy adoption and stricter emission standards for domestic heating emerge as particularly effective. By integrating advanced modeling techniques, this thesis provides helpful insights for policymakers tasked to meet European climate objectives and air quality directives. The study concludes by addressing the challenges of validating the results obtained with integrated assessment models and proposing an approach for assessing the reliability of the results obtained. The approach uses a methodology commonly applied in climate change modelling and consists of comparing different integrating assessment models operating on a common simulation domain.

Il cambiamento climatico e l'inquinamento atmosferico rappresentano due delle principali sfide che l’umanità si trova ad affrontare oggi, con impatti significativi sulla salute umana, sull'economia e sugli ecosistemi. Sebbene il cambiamento climatico e l'inquinamento atmosferico differiscano per scala spaziale, dinamiche temporali e impatti, condividono molteplici fonti di emissione, come quelle legate all’utilizzo di combustibili fossili. Pertanto, le azioni volte a mitigare uno dei due problemi spesso generano co-benefici anche per l’altro. Questa tesi adotta un approccio integrato per identificare strategie efficienti volte a ridurre le emissioni di gas serra e migliorare la qualità dell'aria. A tal fine, viene utilizzato un modello di valutazione integrata, uno strumento multidisciplinare in grado di analizzare le interazioni tra le attività umane, le emissioni ed i loro impatti sull’ambiente e sulla salute umana. Il modello consente di definire strategie di riduzione delle emissioni, con particolare attenzione sul settore dei trasporti, che è il settore maggiormente responsabile delle emissioni di CO2 e degli ossidi di azoto (NOx), precursori di importanti inquinanti atmosferici. Lo studio esplora soluzioni innovative, tra cui l'adozione di veicoli elettrici a batteria e veicoli con celle a combustibile a ossidi solidi alimentate da biometano, al fine di identificare strategie che integrino gli obiettivi di neutralità climatica con il miglioramento della qualità dell'aria. L'area di studio è rappresentata dalla Pianura Padana, nel nord Italia, caratterizzata da un'elevata densità di popolazione, numerose attività industriali e importanti attività agricole. Questa regione supera frequentemente gli standard europei di qualità dell'aria per PM2.5 e NO2, principalmente a causa della formazione di inquinanti secondari, la cui generazione è favorita dalla sua conformazione geografica chiusa. Le metodologie applicate includono l'analisi di scenario e l'ottimizzazione multi-obiettivo, combinando l’applicazione di misure end-of-pipe con strategie di transizione energetica. I risultati principali dimostrano che un approccio integrato può ottenere riduzioni significative delle emissioni di gas serra e degli inquinanti atmosferici, offrendo al contempo importanti benefici economici e per la salute. In particolare, le politiche energetiche rivolte al settore dei trasporti, combinate con l'adozione di energie rinnovabili e standard di emissione più rigorosi per il riscaldamento domestico, si rivelano particolarmente efficaci. Integrando tecniche avanzate di modellazione, questa tesi fornisce indicazioni utili per i decisori politici impegnati a rispettare le direttive europee in materia di clima e qualità dell'aria. Lo studio si conclude affrontando le sfide legate alla validazione dei risultati ottenuti con modelli di valutazione integrata e proponendo un approccio per valutare l’affidabilità dei risultati ottenuti. Questo approccio riprende una metodologia utilizzata nell’ambito della modellazione sul cambiamento climatico, ma scarsamente utilizzata per la qualità dell’aria e consiste nel confronto tra diversi modelli che operano su un medesimo dominio di simulazione.