Integrating the food, energy and water nexus on urban rooftops

Abstract

Les estratègies urbanes sostenibles s’estan estenent per tot el món amb l’objectiu comú de millorar els hàbitats on viu la major part de la població. Aquestes estratègies impliquen molts camps diferents i són clau per transformar les ciutats en llocs més sans, justos i ecològics. Les ciutats es basen en un sistema d’economia lineal, i tres dels recursos essencials en les zones urbanes són els aliments, l’energia i l’aigua (FEW). Per això, les ciutats han de trobar solucions circulars, tancant cercles d’energia i materials, i evitant la generació de residus i emissions. Una d’aquestes solucions circulars és l’ús de cobertes infrautilitzades per implementar la producció d’hortalisses, energia o la recollida d’aigua de pluja, és a dir, les cobertes mosaic. Per tant, aquesta tesi avalua els impactes ambientals i socioeconòmics, així com els beneficis de la implementació de la producció d’aliments, les infraestructures d’energia renovable i la recollida d’aigua de pluja, en les cobertes per tal d’aconseguir ciutats autosuficients. Utilitzem un conjunt de metodologies de diferents camps, avaluant les cobertes mosaic des d’una perspectiva ambiental, social i econòmica, i utilitzant diferents enfocaments com el metabolisme urbà, el cicle de vida i la participació pública. Primerament, proposem una guia completa per a implantar amb precisió aquests sistemes en les cobertes urbanes, des dels aspectes tècnics fins als indicadors ambientals, socials i econòmics. Posteriorment, per avaluar les cobertes mosaic, ho apliquem a diferents escales i en diferents zones urbanes. Els dos primers estudis es basen en polígons d’habitatges i el tercer en un municipi amb tres formes urbanes característiques. Avaluem el metabolisme de FEW d’aquestes zones urbanes, concloent que els polígons d’habitatge presenten les taxes més baixes de metabolisme d’electricitat (0,75-0,82 MJ/hora), hortalisses i aigua. En canvi, les zones d’habitatges unifamiliars mostren els índexs més alts en les taxes metabòliques d’hortalisses i electricitat. Pel que fa als diferents indicadors de sostenibilitat, trobem una quota rellevant d’autosuficiència en el subministrament d’hortalisses, 17-115% a través de la implantació de cultius a l’aire lliure o hivernacles, i també en la producció d’energia amb percentatges del 7-71% a través de panells solars. En el cas de l’autosuficiència hídrica, el percentatge és elevat, 66-227%, per al reg dels cultius, però per a usos específics, com fer la bugada i la cisterna del vàter, els percentatges són baixos, 18-38% per a un sol ús. En termes d’indicadors ambientals, els escenaris amb més cobertes que implementen panells fotovoltaics presenten un elevat estalvi de CO2, però simultàniament un elevat impacte ambiental en la seva fase de construcció (98 kg CO2 eq/m2/any). Els indicadors socioeconòmics il·lustren que aquests nous sistemes podrien cobrir entre el 9-71% i el 7-18% de la pobresa energètica i d’aigua, respectivament. Pel que fa als estalvis monetaris, les llars podrien estalviar entre 335-1801 euros/any depenent de l’escenari implementat. Per involucrar les parts interessades en el disseny de futurs escenaris, avaluem la percepció pública d’aquestes estratègies a través de processos participatius i enquestes, revelant que la majoria dels residents prefereixen implementar panells fotovoltaics en les seves cobertes (65-77%). No obstant això, per a la implantació de l’agricultura urbana, el percentatge disposat a acceptar és menor, un 7% en un dels municipis, i en el segon la proporció augmenta fins al 20-21%. Tenint en compte els resultats d’aquesta tesi, les futures línies d’investigació que es proposen són la posada en marxa de diferents projectes pilot en diferents formes urbanes, amb l’objectiu de supervisar i provar les cobertes mosaic, i la inclusió de totes les parts interessades en el disseny d’estratègies urbanes efectives per a la mitigació del canvi climàtic.

Las estrategias urbanas sostenibles se están extendiendo por todo el mundo con el objetivo común de mejorar los hábitats donde vive la mayoría la población. Estas estrategias abarcan muchos campos diferentes y son clave para transformar las ciudades en lugares más sanos, justos y ecológicos. Las ciudades suelen basarse en un sistema de economía lineal, y tres de los recursos esenciales en las zonas urbanas son los alimentos, la energía y el agua (FEW). Por ello, las ciudades deben encontrar soluciones circulares, cerrando círculos de energía y materiales, y evitando la generación de residuos y emisiones. Una de estas soluciones circulares es el uso de cubiertas infrautilizadas para implementar la producción de hortalizas, energía o la recolección de agua de lluvia, es decir, las cubiertas mosaico. Para ello, esta tesis evalúa los impactos ambientales y socioeconómicos, así como los beneficios de la implementación de la producción de alimentos, las infraestructuras de energía renovable y la recolección de agua de lluvia, en las cubiertas con el fin de lograr ciudades autosuficientes. Utilizamos un conjunto de metodologías de diferentes campos, evaluando las cubiertas mosaico desde una perspectiva ambiental, social y económica, y utilizando diferentes enfoques. Primeramente, proponemos una guía completa para implantar con precisión estos sistemas en las cubiertas, desde los aspectos técnicos hasta los indicadores ambientales, sociales y económicos. Posteriormente, lo aplicamos a diferentes escalas y zonas urbanas. Los dos primeros estudios se basan en polígonos de viviendas y el tercero en un municipio con tres formas urbanas características. Evaluamos el metabolismo de FEW de estas zonas urbanas, concluyendo que los polígonos de vivienda presentan las tasas más bajas de metabolismo de electricidad (0,75-0,82 MJ/hora), hortalizas y agua. Por el contrario, las zonas de viviendas unifamiliares muestran los índices más altos en las tasas metabólicas de hortalizas y electricidad. Respecto a los diferentes indicadores de sostenibilidad, encontramos una cuota relevante de autosuficiencia en el suministro de hortalizas, 17-115% a través de la implantación de cultivos al aire libre o invernaderos, y también en la producción de energía con porcentajes del 7-71% a través de paneles solares. En el caso de la autosuficiencia hídrica, el porcentaje es elevado, 66-227%, para el riego de los cultivos, pero para usos específicos, como el lavado de la ropa y las cisternas, los porcentajes son bajos, 18-38% para un solo uso. En cuanto a los indicadores ambientales, los escenarios con más cubiertas que implementan paneles fotovoltaicos presentan un elevado ahorro de CO2, pero simultáneamente un elevado impacto ambiental en su fase de construcción (98 kg CO2 eq/m2/año). Los indicadores socioeconómicos ilustran que estos nuevos sistemas podrían cubrir entre el 9-71% y el 7-18% de la pobreza energética y de agua, respectivamente. En cuanto a los ahorros monetarios, los hogares podrían ahorrar entre 335-1801 euros/año dependiendo del escenario implementado. Para involucrar a las partes interesadas en el diseño de futuros escenarios, evaluamos la percepción pública de estas estrategias a través de procesos participativos y encuestas, revelando que la mayoría de los residentes prefieren implementar paneles fotovoltaicos en sus cubiertas (65-77%). Sin embargo, para la implantación de la agricultura urbana, el porcentaje dispuesto a aceptar es menor, un 7% en uno de los municipios, y en el segundo la proporción aumenta hasta el 20-21%. Teniendo en cuenta los resultados de esta tesis, las futuras líneas de investigación que se proponen son la puesta en marcha de diferentes proyectos piloto en distintas formas urbanas, con el objetivo de supervisar y probar las cubiertas mosaico, y la inclusión de todas las partes interesadas en el diseño de estrategias urbanas efectivas para la mitigación del cambio climático.

Sustainable urban strategies are worldwide spreading with the common goal of improving the habitats where most population lives, i.e., cities. These strategies cover many different fields and are key to transforming cities into healthier, fairer, and greener sites. Cities are often based on a linear economy system, and three of the most essential resources required in urban areas are food, energy and water (FEW). Hence, cities must find circular solutions, closing loops of energy and materials, and avoiding the generation of waste and emissions. Therefore, one of these circular solutions is the use of underutilized rooftops to implement the production of vegetables, energy or rainwater harvesting, i.e., the Roof Mosaic approach named by authors. To this end, this dissertation aims to assess the environmental and socio-economic impacts, and the benefits of the implementation of food production, renewable energy infrastructures and rainwater harvesting, on available rooftops for the purpose of self-sufficient cities. We use a set of different methodologies from different fields, assessing the Roof Mosaic from an environmental, social and economic perspective, and using different approaches such as urban metabolism, life cycle and public participation. We first propose a complete guideline to the accurate implementation of these systems on urban roofs, from the technical aspects to environmental, social and economic indicators. Subsequently, to assess the Roof Mosaic, we apply it at different scales and different urban areas. The two first studies are based on housing estates, and the third is based on a municipality with three characteristic urban forms. We evaluate the FEW metabolism of these urban areas, concluding that housing estates have the lowest electricity (0.75-0.82 MJ/hour), vegetable and water metabolic rates. In contrast, the single-family housing areas display the highest rates in vegetable and electricity metabolic rates. Regarding the different sustainability indicators, we find a relevant share of self-sufficiency in vegetable supply, from 17 to 115% through the implementation of open-air farming or greenhouses on roofs, and also in energy production with percentages of 7-71% through solar panels. In the case of water self-sufficiency, the percentage is high 66-227% for the irrigation of crops, but for specific uses, such as flushing and laundry the percentages are low, from 18-38% for single use, or laundry or flushing. In terms of environmental indicators, scenarios with more rooftops implementing photovoltaic panels depict high CO2 savings but simultaneously high environmental impacts in their construction phase (98 kg CO2 eq/m2/year). Socio-economic indicators illustrate that these new FEW systems could cover between 9-71% and 7-18% of energy and water poverty, respectively. Concerning monetary savings, households could save between 335-1801 ?/year depending on the scenario implemented. To engage stakeholders in the design of future scenarios, we evaluate the public perception of these strategies through participatory processes and surveys, revealing that most residents prefer to implement photovoltaic panels on their rooftops (65-77%). However, for the implementation of urban rooftop farming, the percentage willing to accept is lower. In one of the municipalities only 7%, and in the second one the proportion augments to 20-21%. Therefore, there is a necessity for policies aimed at the use of rooftops for other systems than photovoltaic panels such as open-air farming, rooftop greenhouses or green roofs. Considering the findings of this dissertation, future research lines proposed are setting up different pilot projects in different urban forms and types of residents, aiming to monitor and test the Roof Mosaic and the inclusion of all stakeholders in the design of urban strategies to match their preferences and needs with effective climate change solutions in cities.