Μεθοδολογικό πλαίσιο για τον υπολογισμό του ανθρακικού αποτυπώματος και την επίτευξη της ανθρακικής ουδετερότητας σε εταιρείες Ύδρευσης & Αποχέτευσης στην Ελλάδα

Abstract

Climate change constitutes one of the most significant environmental challenges of the modern era. Greenhouse gas (GHG) emissions represent the primary driver behind the increase in global temperatures, the alteration of the hydrological cycle, and the loss of natural ecosystems. Water supply and wastewater plants are directly linked to this phenomenon, as their infrastructure and operation require substantial consumption of energy and fuels, the use of chemical substances, while at the same time producing indirect and direct greenhouse gas emissions through water and wastewater treatment processes. Despite the growing importance of environmental management in the sector, the systematic quantification of carbon emissions and their integration into the strategic planning of water supply and sewerage companies remain limited, particularly with regard to comprehensive and dynamic approaches. This doctoral dissertation aims to develop a theoretical and methodological framework for calculating the carbon footprint of water supply and sewerage infrastructures, utilizing the System Dynamics (SD) methodology. The dissertation establishes a multidimensional framework that combines, on the one hand, international environmental policies and regulatory requirements and, on the other hand, the principles of sustainable development and the circular economy. It includes, of course, the established standards for quantifying greenhouse gas emissions (ISO 14064, GHG Protocol, PAS 2050), as well as the specific operational characteristics of water supply and wastewater plants. In this way, it attempts to bridge the gap between theoretical knowledge, regulatory compliance, and practical decision-support tools for reducing the carbon footprint in the critical sector of water and wastewater services. The dissertation begins with an analysis of the international, European, and national legislative framework for environmental protection and greenhouse gas emission management. It records the main international agreements, such as the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), the Kyoto Protocol, the Paris Agreement, as well as the evolution of European environmental policies that led to the European Green Deal and the climate targets of the 2022–2030 period. Additionally, it examines the role of sustainable development and the circular economy as a fundamental strategic framework for enterprises in the sector. Within this context, the use of standardized sustainability indicators (GRI, SASB) and the implementation of corporate social responsibility principles significantly enhance environmental transparency and accountability practices. Next, the conceptual background of the carbon footprint is explored, including an analysis of the greenhouse effect, the environmental and socio-economic impacts of climate change, and the methods for quantifying emissions. Particular emphasis is placed on the ISO 14064 and GHG Protocol standards, which provide the foundation for the correct recording, verification, and reporting of emissions at the organizational level, as well as the PAS 2050 method for the life cycle of products and services. The critical assessment of relevant literature demonstrates that, despite the availability of tools for static emission reporting offered by existing methodological approaches, these approaches consistently fail to adequately represent the dynamic and multifaceted nature of water and wastewater operational systems, where emissions are shaped through complex multi-factor interdependencies, time delays, and non-linear relationships among key parameters. To address this complex dynamic behavior, the dissertation develops a methodological framework that includes defining system boundaries, identifying emission sources (Scopes 1, 2, and 3), and quantifying the direct and indirect emissions arising from the operation of water supply and sewerage infrastructures. The study identifies and quantifies emission sources from the use of fuels in pumping stations and treatment plants, fugitive emissions from biological processes, emissions from electricity consumption, staff transportation, sludge production and incineration, as well as CO₂ removals through natural processes. In addition, it examines economic instruments and mechanisms that can support the transition toward carbon neutrality, such as emissions trading systems and guarantees of origin for green energy. The central element of the dissertation is the development of a dynamic model for calculating the carbon footprint using System Dynamics. By employing Causal Loop Diagrams and Stock & Flow Diagrams, this methodological approach enables the dynamic representation of the complex behavior of a greenhouse gas emission management model in water supply and sewerage companies. This approach allows for the visualization of interdependencies among critical parameters, time delays, and feedback loops that shape the overall trajectory of emissions. Thus, it facilitates the identification of optimal intervention strategies for improving the environmental performance of companies. The model is developed at a conceptual level, including the formulation of basic equations, operational parameters, and the potential dynamic effects of different operational scenarios or emission mitigation strategies. It is grounded in documented international practices and standards, offering a reusable framework for future empirical studies. The contribution of this dissertation is structured along three distinct axes. First, it offers theoretical added value by providing an integrated synthesis of international literature, regulatory requirements, and emission calculation methods in the water supply and sewerage sector, consolidating existing knowledge from water and wastewater management, environmental accounting, and dynamic modeling into a unified framework tailored to the needs of the industry. Second, it introduces methodological innovation by proposing a dynamic tool (System Dynamics) for calculating the carbon footprint, capable of supporting strategic decisions for sustainable water management. Finally, it offers practical value by providing water supply and wastewater plants with an adaptable methodological framework for estimating their emissions, with the potential for application across different operational environments and geographical scales. The main findings of the dissertation highlight that greenhouse gas emissions in the water supply and sewerage sector are primarily influenced by energy consumption, fuel use, chemical substances employed in water and wastewater treatment processes, as well as direct and indirect emission sources across the system’s infrastructures. The application of System Dynamics enables the dynamic representation and analysis of relationships among variables that affect the overall emission balance, surpassing the limitations of static quantification methods and contributing to the development of more comprehensive strategies for calculating and managing the carbon footprint. The dissertation concludes by identifying limitations and proposing future research directions, including the empirical application of the model, the integration of advanced machine learning methods and life cycle analysis, as well as the linking of results with carbon market mechanisms and policy-level decision-making systems. Overall, this dissertation provides an innovative theoretical and methodological tool for quantifying and understanding the carbon footprint of water supply and wastewater plants, enhancing their capacity to contribute meaningfully to the global effort to address climate change. In conclusion, the dissertation finds that calculating the carbon footprint through a systemic approach can serve as a key tool for transitioning toward more sustainable, resilient, and low-emission water and wastewater infrastructures. The adoption of such models can strengthen the ability of water utilities to meet international regulatory requirements, support compliance with ISO 14064 and the GHG Protocol, and embed environmental sustainability practices into their operational planning.

Η κλιματική αλλαγή αποτελεί μία από τις σημαντικότερες περιβαλλοντικές προκλήσεις της σύγχρονης εποχής. Οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (ΑτΘ) συνιστούν τον κύριο μοχλό επιδείνωσης των παγκόσμιων θερμοκρασιών, της μεταβολής του υδρολογικού κύκλου και της απώλειας φυσικών οικοσυστημάτων. Οι εγκαταστάσεις ύδρευσης και αποχέτευσης συνδέονται άμεσα με το φαινόμενο αυτό, καθώς, οι υποδομές και η λειτουργία τους απαιτεί σημαντική κατανάλωση ενέργειας και καυσίμων, χρήση χημικών ουσιών, ενώ παράλληλα παράγουν έμμεσες και άμεσες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου μέσω διεργασιών επεξεργασίας νερού και λυμάτων. Παρά την αυξανόμενη σημασία της περιβαλλοντικής διαχείρισης στον τομέα, η συστηματική ποσοτικοποίηση των εκπομπών άνθρακα και η ενσωμάτωσή της στον στρατηγικό σχεδιασμό των εταιρειών ύδρευσης και αποχέτευσης παραμένουν περιορισμένες, ιδιαίτερα σε επίπεδο ολοκληρωμένων και δυναμικών προσεγγίσεων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός θεωρητικού και μεθοδολογικού πλαισίου για τον υπολογισμό του ανθρακικού αποτυπώματος υποδομών ύδρευσης και αποχέτευσης, αξιοποιώντας τη μεθοδολογία της Συστημικής Δυναμικής (System Dynamics – SD). Η διατριβή δημιουργεί ένα πολυδιάστατο πλαίσιο που συνδυάζει αφενός τις διεθνείς περιβαλλοντικές πολιτικές και κανονιστικές απαιτήσεις και αφετέρου τις αρχές της βιώσιμης ανάπτυξης και της κυκλικής οικονομίας. Εμπεριέχει φυσικά τα πρότυπα ποσοτικοποίησης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (ISO 14064, GHG Protocol, PAS 2050), καθώς και τα ιδιαίτερα λειτουργικά χαρακτηριστικά των εταιρειών ύδρευσης και αποχέτευσης. Με τον τρόπο αυτό, επιχειρείται η γεφύρωση του κενού μεταξύ θεωρητικής γνώσης, κανονιστικής συμμόρφωσης και πρακτικών εργαλείων υποστήριξης αποφάσεων για τη μείωση του ανθρακικού αποτυπώματος στον κρίσιμο τομέα των υπηρεσιών ύδρευσης και αποχέτευσης. Η διατριβή ξεκινά με την ανάλυση του διεθνούς, ευρωπαϊκού και εθνικού νομοθετικού πλαισίου για την περιβαλλοντική προστασία και τη διαχείριση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Καταγράφονται οι βασικές διεθνείς συμφωνίες, όπως η Σύμβαση-Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για τις κλιματικές μεταβολές (UNFCCC), το Πρωτόκολλο του Κιότο, η Συμφωνία του Παρισιού, καθώς και η εξέλιξη των ευρωπαϊκών περιβαλλοντικών πολιτικών που οδήγησαν στην Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία και στους κλιματικούς στόχους της περιόδου 2022–2030. Επιπλέον, διερευνάται ο ρόλος της βιώσιμης ανάπτυξης και της κυκλικής οικονομίας ως θεμελιώδους στρατηγικού πλαισίου για τις επιχειρήσεις του κλάδου. Σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση τυποποιημένων δεικτών βιωσιμότητας (GRI, SASB) και η εφαρμογή αρχών εταιρικής κοινωνικής ευθύνης ενισχύουν σημαντικά την περιβαλλοντική διαφάνεια και τις πρακτικές λογοδοσίας. Στη συνέχεια, διερευνάται το εννοιολογικό υπόβαθρο του ανθρακικού αποτυπώματος, με ανάλυση του φαινομένου του θερμοκηπίου, των περιβαλλοντικών και κοινωνικοοικονομικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, καθώς και των μεθόδων ποσοτικοποίησης των εκπομπών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα πρότυπα ISO 14064 και GHG Protocol, τα οποία προσφέρουν το θεμέλιο για την ορθή καταγραφή, επαλήθευση και αναφορά των εκπομπών σε επίπεδο οργανισμού, καθώς και στη μέθοδο PAS 2050 για τον κύκλο ζωής προϊόντων και υπηρεσιών. Η κριτική αποτίμηση της σχετικής βιβλιογραφίας καταδεικνύει ότι, παρά την παροχή εργαλείων στατικής αποτύπωσης των εκπομπών ΑτΘ από τις υφιστάμενες μεθοδολογικές προσεγγίσεις, παραμένει εμφανής η αδυναμία τους να αναπαραστήσουν επαρκώς τη δυναμική και πολυσύνθετη φύση των λειτουργικών συστημάτων ύδρευσης και αποχέτευσης, στα οποία οι εκπομπές διαμορφώνονται μέσω σύνθετων πολυπαραγοντικών αλληλεξαρτήσεων, χρονικών υστερήσεων και μη γραμμικών σχέσεων μεταξύ κρίσιμων παραμέτρων. Για την αντιμετώπιση αυτής της πολύπλοκης δυναμικής, η διατριβή αναπτύσσει ένα μεθοδολογικό πλαίσιο που περιλαμβάνει τον καθορισμό των ορίων του συστήματος, την αναγνώριση των πηγών εκπομπών (Scope 1, 2 και 3), καθώς και τη διαδικασία ποσοτικοποίησης των άμεσων και έμμεσων εκπομπών που προκύπτουν από τη λειτουργία των υποδομών ύδρευσης και αποχέτευσης. Η μελέτη εντοπίζει και ποσοτικοποιεί τις πηγές εκπομπών από τη χρήση καυσίμων στα αντλιοστάσια και στις μονάδες επεξεργασίας, τις διάχυτες εκπομπές από βιολογικές διεργασίες, τις εκπομπές από κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, τη μεταφορά προσωπικού, την παραγωγή και καύση ιλύος, καθώς και τις απορροφήσεις CO₂ μέσω φυσικών διεργασιών. Επιπλέον, εξετάζονται τα οικονομικά εργαλεία και μηχανισμοί που μπορούν να υποστηρίξουν τη μετάβαση προς την ανθρακική ουδετερότητα, όπως τα συστήματα εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπών και οι εγγυήσεις προέλευσης πράσινης ενέργειας. Το κεντρικό στοιχείο της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός δυναμικού μοντέλου υπολογισμού του ανθρακικού αποτυπώματος με τη χρήση της Συστημικής Δυναμικής. Μέσω της αξιοποίησης διαγραμμάτων αιτιακού βρόχου (Casual Loop Diagram) και αποθέματος-ροής (Stock & Flow Diagram), η παρούσα μεθοδολογική προσέγγιση καθιστά δυνατή τη δυναμική αναπαράσταση της πολύπλοκης συμπεριφοράς ενός μοντέλου διαχείρισης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε εταιρείες ύδρευσης και αποχέτευσης. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την οπτικοποίηση των σχέσεων αλληλεξάρτησης μεταξύ κρίσιμων παραμέτρων, των χρονικών καθυστερήσεων, αλλά και των βρόχων ανατροφοδότησης που διαμορφώνουν τη συνολική πορεία των εκπομπών. Έτσι, διευκολύνεται ο εντοπισμός των βέλτιστων στρατηγικών παρέμβασης για τη βελτίωση της περιβαλλοντικής επίδοσης των εταιρειών.Το μοντέλο αναπτύσσεται σε εννοιολογικό επίπεδο, περιλαμβάνοντας τη διατύπωση βασικών εξισώσεων, τις παραμέτρους λειτουργίας και τις πιθανές δυναμικές επιδράσεις διαφορετικών σεναρίων λειτουργίας ή στρατηγικών μετριασμού εκπομπών, ενώ βασίζεται σε τεκμηριωμένες διεθνείς πρακτικές και πρότυπα, παρέχοντας ένα επαναχρησιμοποιήσιμο πλαίσιο για μελλοντικές εμπειρικές μελέτες. Η συνεισφορά της παρούσας διατριβής διαρθρώνεται σε τρεις διακριτούς άξονες. Αφενός προσφέρει θεωρητική προστιθέμενη αξία, καθώς παρέχει μια ολοκληρωμένη σύνθεση της διεθνούς βιβλιογραφίας, των κανονιστικών απαιτήσεων και των μεθόδων υπολογισμού εκπομπών στον τομέα των εταιρειών ύδρευσης και αποχέτευσης, ενοποιώντας υφιστάμενες γνώσεις από τη διαχείριση νερού και λυμάτων, την περιβαλλοντική λογιστική και τη δυναμική μοντελοποίηση σε ένα ενιαίο πλαίσιο προσαρμοσμένο στις ανάγκες του κλάδου. Αφετέρου εισάγει μεθοδολογική καινοτομία, προτείνοντας ένα δυναμικό εργαλείο (Συστημική Δυναμική) υπολογισμού του ανθρακικού αποτυπώματος, ικανό να υποστηρίξει στρατηγικές αποφάσεις για βιώσιμη διαχείριση υδάτων. Ενώ τέλος, παρέχει πρακτική αξία, προσφέροντας στους οργανισμούς ύδρευσης και αποχέτευσης ένα προσαρμόσιμο μεθοδολογικό πλαίσιο για την εκτίμηση των εκπομπών τους, με δυνατότητα εφαρμογής σε διαφορετικά λειτουργικά περιβάλλοντα και γεωγραφικές κλίμακες. Τα κύρια ευρήματα της διατριβής αναδεικνύουν ότι οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (ΑτΘ) στον τομέα των εταιρειών ύδρευσης και αποχέτευσης επηρεάζονται κυρίως από την κατανάλωση ενέργειας, τη χρήση καυσίμων, τις χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στις διεργασίες επεξεργασίας νερού και λυμάτων, καθώς και από τις άμεσες και έμμεσες πηγές εκπομπών που εντοπίζονται στις επιμέρους υποδομές του συστήματος. Η εφαρμογή της Συστημικής Δυναμικής παρέχει τη δυνατότητα δυναμικής αποτύπωσης και ανάλυσης των σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών που επηρεάζουν το συνολικό ισοζύγιο εκπομπών, υπερβαίνοντας τους περιορισμούς των στατικών μεθόδων ποσοτικοποίησης και συμβάλλοντας στη διαμόρφωση πιο ολοκληρωμένων στρατηγικών υπολογισμού και διαχείρισης του ανθρακικού αποτυπώματος. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την επισήμανση περιορισμών, ενώ προτείνονται μελλοντικές έρευνες για την εμπειρική εφαρμογή του μοντέλου, την ενσωμάτωση προηγμένων μεθόδων μηχανικής μάθησης και ανάλυσης κύκλου ζωής, καθώς και τη σύνδεση με μηχανισμούς αγορών άνθρακα και συστήματα λήψης αποφάσεων σε επίπεδο πολιτικής. Συνολικά, η παρούσα διατριβή παρέχει ένα καινοτόμο θεωρητικό και μεθοδολογικό εργαλείο για την ποσοτικοποίηση και κατανόηση του ανθρακικού αποτυπώματος των εταιρειών ύδρευσης και αποχέτευσης, ενισχύοντας τη δυνατότητα των οργανισμών αυτών να συμβάλουν ουσιαστικά στην παγκόσμια προσπάθεια αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Συμπερασματικά, η διατριβή καταλήγει ότι ο υπολογισμός του ανθρακικού αποτυπώματος με συστημική προσέγγιση μπορεί να αποτελέσει βασικό εργαλείο για τη μετάβαση σε πιο βιώσιμες, ανθεκτικές και χαμηλών εκπομπών υποδομές ύδρευσης και αποχέτευσης. Η υιοθέτηση τέτοιων μοντέλων μπορεί να ενισχύσει την ικανότητα των επιχειρήσεων ύδατος να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της διεθνούς νομοθεσίας, να υποστηρίξει τη συμμόρφωση με τα πρότυπα ISO 14064 και GHG Protocol, καθώς και να ενσωματώσει πρακτικές περιβαλλοντικής βιωσιμότητας στον επιχειρησιακό σχεδιασμό τους.