ANALISI DEL CICLO DI VITA DEL MATERIALE (LCA)

ANALISI DEL CICLO DI VITA DEL MATERIALE (LCA)
Momenti
Fasi dell'analisi
Produzione
(tecnologia)
Inventario
Servizio
(durata, funzioni)
Dinamica
Fine vita
(smaltimento)
Validazione
Dati di processo (efficienza della produzione)
DOCUMENTAZIONE
Modelli di comportamento (predizione)
Prove sui componenti
Confronto con l'esperienza
INVENTARIO DEL CICLO DI VITA (LCI)



Consumo energia
−
Da fonti rinnovabili
−
Da fonti non rinnovabili
Emissioni nell'aria
−
Ossidi di carbonio/d'azoto/di zolfo
−
Composti organici volatili non metanici (COVNM)
Emissioni nell'acqua
−
Biologic oxygen demand (BOD) (solo le sostanze biologicamente attive)
−
Chemical oxygen demand (COD) (tutte le sostanze ossidabili chimicamente)
−
Cloro
ANALISI DINAMICA DEL CICLO DI VITA

Considera cambiamenti nel tempo −

Tiene conto delle incertezze
−

es.: le emissioni di gas nocivi da un materiale non sono più trascurabili (ftalati dai giocattoli in PVC) es.: un componente è progettato per durare x anni, ma dura molto meno (difetti casuali non prevedibili)
Valuta le decisioni politiche/sociali
−
es.: fine degli incentivi sull'incenerimento dei materiali (aumento dei costi non calcolabile a priori) VALIDAZIONE CICLO DI VITA

Controllo per eventuale modifica:
−
−
Dati di partenza
Presupposti/assunzioni/semplificazioni −
Proprietà del materiale
−
Prestazioni finali
Problemi della validazione del ciclo di vita, p.es. nei polimeri: Sostenibilità dell'intero processo produttivo (influsso dei plastificanti/dipendenza 
dall'applicazione)
Caratteristiche locali della filiera di produzione/smaltimento

Modellizzazione del materiale ricorrendo ad analogie appropriate (es. tenere 
conto dell'invecchiamento) SPECIFICAZIONE FATTORI DI RISCHIO:
CATEGORIE DI IMPATTO E LORO MISURAZIONE
Riscaldamento globale
kg equlvalenti di CO2
Impoverimento ozono
kg equivalenti CFC­11
Riduzione risorse abiotiche
(minerali)
kg equivalenti di antimonio (Sb)
Eutrofizzazione
kg equivalenti di PO43­
Acidificazione
(piogge acide)
kg equlvalenti di SO2
Ecotossicità
Tossicità per l'uomo
Ossidazione fotochimica
Ecosistemi d'acqua dolce
Ecosistemi marini
Ecosistemi terrestri
kg equivalenti 1,4­diclorobenzene (DB)
kg equivalenti di acetilene (C2H2 )
APPLICAZIONE: PRODUZIONE CONTENITORI PER UOVA IN POLISTIRENE O IN CARTA RICICLATA
N.B. Tutti i processi sono assunti come ideali
Questo è un esempio di LCA “cradle to gate” (fino alla produzione). Se le politiche di smaltimento sono controllabili si ha un LCA “cradle to grave”
Se si intende valutare il riciclo del prodotto si ha l'LCA circolare “cradle to cradle”
LCA ENERGIA/MATERIALI
N.B. Influenza dei mezzi di trasporto e di produzione di energia usati su LCA
RISPARMIO DI ENERGIA PER KG BIOPOLIMERI
La variabilità del consumo di energia e gas serra per i biopolimeri dipende
da due fattori principali:
se l'energia viene recuperata
o meno a fine del processo
(in caso di incenerimento)
e dalla geometria in cui si vuole ottenere
il polimero (pellicola, granulo per stampaggio ad iniezione o random,
“loose fill” per termoformatura).
CASO N.1: CONFRONTO TRA LCA
NELLA PRODUZIONE PHA E PE/PP
Micro­organismi ricombinanti o naturali
Produzione in vitro attraverso polimerasi
PHA (enzima)
Metodi di produzione PHA
Con piante geneticamente modificate
Digestione anaerobica rifiuti biologici
Melasse zuccherine (canna o barbabietola)
Sorgenti di carbonio
(per microorganismi)
Acidi grassi di origine vegetale
Amido di varia origine (riso, patate, ecc.)
Siero del latte
Proprietà comparative PHB vs. PP/PE
Dati sulla produzione PHB da biomasse
Tipici valori LCA poliolefine
(PE, PP)
Il PHB, essendo costituito da catene polimeriche particolarmente lunghe e ramificate,
è consigliato per la progettazione mirata di proprietà come la cristallinità, il modulo elastico,
la resistenza e la tenacità, cosa non sempre possibile coi polimeri ottenuti
da amido di origine agricola.
Anche il rendimento in polimero rispetto al peso di biomassa è relativamente
poco variabile.
FERMENTAZIONE: CONDIZIONI DI PROCESSO
L'alimentazione della coltura batterica nel complesso induce una certa eutrofizzazione,
per rilevante presenza di fosfati, e acidità oltre che di glucosio e di lievito.
Il batterio più utilizzato è il Cupriavidus Necator, utilizzato dall'industria biochimica
per la decomposizione dei cloropolifenili.
Emissioni di anidride carbonica e fabbisogno totale di energia
Schema di processo PHB
L'impatto ambientale del processo include in particolare le diverse fasi
di lavaggio, oltre che il consumo energetico per la centrifugazione.
Particolarmente impattante è la re­sospensione del polimero in un bagno enzimatico a base di serina, e poi la purificazione finale in atmosfera
leggermente alcalina (pH=8) con idrossido di potassio,
che elimina le parti non polimerizzabili.
Notevole fattore energetico
è quello dell'elettricità
necessaria per l'agitazione
nei reattori chimici
Richieste di portate e di elettricità per 1000 kg PHB
Notare come l'impatto
derivi fortemente dalle
politiche energetiche
adottate
Totale “cradle to gate” del PHB
I vantaggi maggiori per il
PHB si hanno nell'ossidazione
fotochimica, e nella ridotta
perdita di ozono, laddove c'è maggiore eutrofizzazione
e comparabile ecotossicità
ed acidificazione
Confronto della LCA dei vari polimeri
CASO N.2: AGGIUNTA ARGILLA MONTMORILLONITICA A BIOPOLIMERO
Metodi per la produzione di compositi con strati di silicati:
1. Intercalare il polimero dalla soluzione si fa rigonfiare il silicato stratificato modificato organicamente (OMLS) in cloroformio o toluene e lo si mescola con la soluzionme di polimero alla rimozione del solvente
2. Polimerizzazione intercalata: si fa rigonfiare l'OMLS in una soluzione di monomero o in un monomero liquido, poi si polimerizza
3. Intercalare in fusione: si riscalda l'OMLS al di sopra del punto di rammollimento del polimero, poi lo si introduce staticamente o sotto l'effetto di forze di taglio.
CONFRONTO DELL'ARGILLA CON LE FIBRE VEGETALI (E CON LE FIBRE DI VETRO) COME RINFORZO DI POLIMERI
China reed = Specie di canna d'acqua
Se l'argilla modificata ha effettivamente un effetto di rinforzo sul polimero, si può valutare
il suo impatto ambientale rispetto a quello
di altri tipici rinforzi, come le fibre di vetro
e le fibre vegetali.
Il processo produttivo dell'argilla contribuisce
solo marginalmente all'eutrofizzazione,
quindi il confronto con le fibre estratte
da piante può essere positivo.
Tuttavia la valutazione dell'impatto ambientale
per pesi uguali di rinforzo non è corretto:
vanno confrontati gli impatti di uguali effetti
dei rinforzi rispetto all'applicazione, quindi per esempio due compositi
con la stessa resistenza a rottura, anche se ottenuti con diverse quantità di rinforzo.
PRODUZIONE OMMT Per la produzione di argilla modificata (OMMT)
è necessario sintetizzare dei sali alchilici,
che avendo una parte idrofobica
consentono l'assemblaggio con la
formazione di nanostrati.
Questo comporta che si utilizzino materie
prime, come l'ammoniaca e l'isobutilene,
il cui impatto ambientale va pure considerato.
CASO N.3: PRODUZIONE PHB DA AMIDO DI MAIS
Coltivazione del granturco
Processi ed impatti correlati:
Fertilizzanti
Trasporto della biomassa
dalla fabbrica al mulino
Prodotti chimici vari agricoli
Carburanti
Macinazione ad umido
Fermentazione PHB
Processo di recupero Prodotti chimici non agricoli
E' difficile l'inclusione del processo di
smaltimento nell'LCA in questo caso,
perché anche il modo d'attacco da parte
dei micro­organismi del compost varia
in funzione delle caratteristiche del
processo e dei materiali dai quali
la fermentazione è ottenuta.
In realtà poi l'impatto ambientale viene
modificato sostanzialmente dalla quantità
e dall'utilizzo dei co­prodotti (per esempio
nel caso del mais, lo “stover”, costituito da
ciò che resta sul campo, foglie e steli,
che viene utilizzato per produrre bio­etanolo,
o i semi).
Sotto Sistema A e Sistema B sono raggruppati rispettivamente gli impatti dei
co­prodotti nella macinazione ad umido e
nella fermentazione e recupero del PHB
Energia non rinnovabile e gas serra
associati con un kg di PHB
Effetto dei metodi di allocazione (uso di coprodotti nello stesso processo) sul consumo
di energia non rinnovabile e sui gas serra
Usando come base il sistema alternativo,
si vede l'effetto che ha l'allocazione di risorse,
p.es. come carburante (glucosio dalla fermentazione,
chicchi dalla macinazione, stover dalla coltivazione)
CONCLUSIONI: PROBLEMI DELL'ANALISI LCA SUI BIOPOLIMERI
Controllo del processo di produzione agricola o biochimica (batterica) in modo da poter valutare e tenere il più possibile ridotto e costante l'effetto di eutrofizzazione e di produzione di gas serra
Valutazione della significatività dei co­prodotti e possibile allocazione nello stesso processo
Confronto tra l'impatto ambientale tra prodotti con proprietà uguali e non solo per quantità di prodotto (specie nel caso di compositi)
LCA da effettuarsi il più possibile con dati dalla letteratura scientifica, piuttosto che commerciali (che spesso non tengono conto della variabilità del prodotto)