Marco Piana_AIPE

FEDERCHIMICA - 15 MARZO 2011 - 5°workshop T.A.C.E.C.
Come risparmiare energia
in un processo produttivo:
l’esempio dell’ANALISI DEL
CICLO DI VITA DELL’ EPS
Ing. Marco Piana
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
SETAC 1993
Definizione
Nel corso degli anni AIPE ha condotto studi del tipo LCA
(Lyfe Cycle assessmente) per indagare e definire i carichi ambientali
caratterizzanti i prodotti realizzati in polistirene espanso sinterizzato (EPS)
L’ LCA è un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed
ambientali relativi ad un processo/prodotto, effettuato attraverso l’identificazione
dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente.
La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo
l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la
distribuzione, l’uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento.
Se applicata ad un sistema industriale, la LCA indirizza lo studio di efficienza della struttura
verso la salvaguardia della salute dell’ambiente e dell’uomo, nonché verso il risparmio delle
risorse.
Permette il miglioramento del sistema-processo al fine di massimizzare l’efficienza energeticoambientale globale
Una serie di analisi LCA, redatte in modo continuo, consente di conoscere con precisione l’entità
dell’impatto ambientale e la sua evoluzione nel tempo, e di fissare in modo completo le procedure
operative in campo ambientale, nonché tutta una serie di parametri di riferimento utili alla migliore
gestione del sistema in analisi.
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Principali
studi LCA
commissionati
da AIPE allo
studio LCE di
TORINO
APPROCCIO ALLA METODOLGIA LCA
“E’ impossibile creare qualcosa dal nulla.
Tutti i processi di produzione avranno un impatto ambientale, che si tratti di consumo
energetico o di risorse, di inquinamento atmosferico o di creazione di scarti.
Un produttore in una coscienza ambientale
tenderà a mantenere questo impatto ecologico ridotto ai minimi termini.”
LCA: DEFINIZIONE E STRUTTURA
ISO 14040
LCA
Definizione degli scopi
e degli obiettivi
ISO 14041
Interpretazione
Analisi di inventario
e
miglioramento
ISO 14043
Analisi degli impatti
ISO 14042
E’ uno strumento scientifico per calcolare il carico ambientale di un
prodotto/processo/attività considerando l’intero ciclo di vita.
E’ regolato a livello internazionale dalle norme ISO 14040
RISULTATI FORNITI DA UN’ANALISI LCA
PERCHE’ IMPORTANTE CONDURRE UNO STUDIO LCA
APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA
AL CICLO DI PRODUZIONE DELL’ EPS
studio di settore: analisi dei sistemi industriali per la realizzazione di
prodotti in EPS nei settori “packaging” e “edilizia” con lo scopo di
calcolarne il carico ambientale medio a livello nazionale e fornire una
misura dell’ ECO-EFFICIENZA MEDIA dei processi indagati, per
realizzare una Dichiarazione Ambientale di Prodotto (EPD) settoriale
Campione analizzato: 5 aziende associate AIPE
presenti sul territorio nazionale che si occupano
della formatura di prodotti in EPS a partire da granuli
di PS espandibile
EPS medio: i risultati sono presentati in maniera
complessiva riferendosi a un prodotto in EPS
“medio”, calcolato adottando il principio della media
verticale (media ponderata in base alle produzioni
delle prime 4 aziende l’azienda E essendo
caratterizzata da un’efficienza produttiva di molto
inferiore rispetto alle altre non è stata presa in
esame)
EPS ED LCA:
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Unità funzionale: i risultati sono espressi in riferimento all’ unità di massa di prodotto: 1 kg
di generici manufatti in EPS in uscita dai processi indagati
Confini del sistema: “dalla culla al cancello” (“from cradle to gate”) sia singolarmente, sia in
forma aggregata attraverso una media verticale.
-Per la produzione di un’unità funzionale di manufatti in EPS, si distinguono 2 diversi livelli
principali, o sottosistemi:
1. produzione dei granuli di Polistirene espandibile;
2. formatura dei prodotti in EPS a partire dai granuli di Polistirene espandibile.
Per ognuno si considerano i flussi di materie prime, di semilavorati e di energia in entrata ed in uscita, tutti i
contributi indiretti (es.: produzione e trasporto dei vettori energetici utilizzati, manutenzione dei mezzi, ecc.), i
trasporti intermedi (ove presenti) necessari all’approvvigionamento delle materie prime stesse, nonché tutti i
tipi di reflui direttamente o indirettamente prodotti.
- Fase d’uso dei prodotti in EPS: sono inclusi sia i trasporti relativi ai granuli di PS espandibile
dai produttori alle aziende che effettuano la formatura, sia i trasporti associati ai prodotti finiti in
EPS dalle aziende trasformatrici agli utilizzatori.
- Per quanto riguarda il fine vita (essendo analisi “dalla culla al cancello”) le uniche fasi
analizzate in questo studio riguardano il riciclo degli scarti EPS sia di tipo chiuso, interno al
processo aziendale stesso, sia di tipo aperto, in cui gli scarti sono destinati a realtà esterne
all’azienda stessa.
- NON vengono qui contemplati i destini di discarica e di termovalorizzazione che si
presentassero per eventuali scarti di produzione o a fine vita..
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei CONFINI DEL SISTEMA analizzato
U.F. =1 Kg di generici manufatti in EPS
Processo di produzione della MATERIA PRIMA:
POLISTIRENE ESPANDIBILE
ANALISI LCA: I DUE SOTTOSISTEMI ANALIZZATI
1. Produzione dei granuli di PS espandibile
Polistirene
Polistirene
Polistirene antiurto
espandibile
compatto
HIPS
2. Formatura dei prodotti in EPS
EPS: PROCESSO DI TRASFORMAZIONE
Granuli POLISTIRENE ESPANDIBILE :
0,3 – 2,8 mm diametro
1030 Kg/m3
650 Kg/m3 massa apparente
FASI DEL PROCESSO DI PRODUZIONE:
1. PRE-ESPANSIONE
2. MATURAZIONE
3. STAMPAGGIO
Stampaggio di blocchi e taglio a lastre
Stampaggio di lastre e altri manufatti
Stampaggio continuo
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei
principali flussi
di energia e di
materiali relativi
all’ azienda A
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei
principali flussi
di energia e di
materiali relativi
all’ azienda B
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei
principali flussi
di energia e di
materiali relativi
all’ azienda C
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei
principali flussi
di energia e di
materiali relativi
all’ azienda D
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Dettaglio dei
principali
flussi di
energia e di
materiali
relativi all’
azienda E
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
RIASSUNTO PRINCIPALI RISULTATI (intesi per Kg di prodotto EPS)
RISULTATI ENERGETICI + RISULTATI AMBIENTALI
ANALISI CICLO DI VITA EPS:
RISULTATI ENERGETICI (dati in MJ/Kg MJ per 1 Kg di prodotti in EPS)
DETTAGLIO VALORI GER: Fonti energetiche suddivise in
RINNOVABILI e NON per le singole aziende e l’azienda media
[28] Il
[29]
valore negativo è dovuto all’elevato quantitativo di “recovered Energy” e corrisponde quindi al recupero energetico.
Energia elettrica impiegata direttamente in azienda.
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
Risultati energetici complessivi
(dati espressi in MJ per kg di prodotto)
Classificazione e caratterizzazione delle
emissioni (dati espressi al kg di prodotto)
EPS “medio”
dati espressi al m3 di prodotto
considerando una massa volumica di 20 Kg/m3
ANALISI CICLO DI VITA EPS:
RISORSE NON ENERGETICHE E RIFIUTI
Consumi di risorse non energetiche (dati espressi in g/Kg)
Produzione di rifiuti (dati espressi in g/Kg)
LCA DELL’ EPS: INTERPRETAZIONE E MIGLIORAMENTO
ANALISI DEI RISULTATI ENERGETICI
Suddivisione del GER delle
singole aziende nei 2
sottosistemi indagati:
1. produzione di granuli di Ps
espandibile;
2. formatura prodotti in EPS)
si evidenza il contributo
rilevante del primo
sottosistema rispetto ai
consumi energetici complessivi
L’energia feedstock inclusa nel valore GER rappresenta una quota pari a 51,2 MJ/Kg)
Aziende D e B: consumi energetici bassi, il contributo al GER della sola produzione dei
granuli (sottosistema 1) è prosimo al 90 %
L’azienda E risulta la meno efficiente, ma poiché la sua produzione è inferiore alle altre,
influirebbe sull’azienda “media” con un peso inferiore, ~ 5%, per cui non è stata considerata nel
calcolo dell’EPS medio poiché poco rappresentativa
LCA DELL’ EPS: INTERPRETAZIONE E MIGLIORAMENTO
ANALISI DEI RISULTATI AMBIENTALI – GWP100
Suddivisione del GWP delle singole aziende
nei 2 sottosistemi indagati
Azienda A e C: il contributo
della produzione dei granuli
influisce per il 50 % sul GWP
- Azienda B e D: il contributo
del primo sottosistema è
maggiore, rispettivamente
vale 87% e 75%
- Azienda E: meno efficiente
ANALISI CICLO DI VITA EPS
INFUENZA DEL CONTENUTO DI EPS RICICLATO
Analisi preliminare per valutare
l’influenza dell’utilizzo di scarti di EPS
nel medesimo ciclo produttivo (riciclo chiuso)
-come riferimento è stata presa l’azienda A in quanto gli indicatori di riferimento GER
(A) e GWP100 (A) sono i più prossimi a quelli dell’EPS “medio”, completi e verificati
Andamento indicativo
del GER e GWP100
all’aumentare della
percentuale di utilizzo
di scarti di EPS
(Dati riferiti al Kg di EPS)
Nella procedura di calcolo non
si è incluso il trattamento degli
scarti di EPS al fine di renderli
idonei al riciclo (raccolta,
trasporto, frantumazione)
ANALISI CICLO DI VITA EPS
INFLUENZA DEL CONTENUTO DI EPS RICICLATO
BENEFICI DERIVANTI DALL’USO DI EPS RICICLATO
ANALISI NEL CASO DI:
Riciclo del 50% di EPS (per azienda A)
Riciclo del 90% di EPS (per azienda A)
Riciclo del 0% di EPS (per azienda “media”)
In tutti gli studi realizzati dal 2005 ad oggi
sono emersi evidenti benefici derivanti dall’uso del riciclato
sia nei prodotti riguardanti l’edilizia sia il packaging.
- Il GER associato alla produzione di EPS diminuisce quasi del 30%, se l’azienda integra
nel proprio ciclo di produzione una % di riciclato pari al 90% del materiale utilizzato per il
medesimo bene.
- Analogamente per il GWP, l’utilizzo di EPS riciclato permette una riduzione del contributo
all’effetto serra in maniera ancora più sostanziale: il riciclo chiuso beni in EPS post
consumo con l’inserimento di tali rifiuti fino a costituire il 90% del nuovo prodotto, permette
di evitare il 50% delle emissioni.
ANALISI CICLO DI VITA EPS
INFLUENZA EPS RICICLATO: dettaglio per i 3 casi studiati
Risultati energetici complessivi
(dati espressi in MJ per kg di prodotto)
Classificazione e caratterizzazione delle
emissioni (dati espressi al kg di prodotto)
RICICLO DEL 50 % DI EPS
RICICLO DEL 90 % DI EPS
ANALISI CICLO DI VITA EPS
INFLUENZA CONTENUTO EPS RICICLATO
Risultati energetici complessivi
(dati espressi in MJ per kg di prodotto)
Classificazione e caratterizzazione delle
emissioni (dati espressi al kg di prodotto)
RICICLO 0 % DI EPS
(azienda “media”)
dati espressi al m3 di prodotto
considerando una massa volumica di 20 Kg/m3
ANALISI CICLO DI VITA EPS
RICICLO DELL’EPS
Pratica diffusa e comunemente attuata, per il recupero degli scarti industriali di
produzione e di manufatti post-uso.
CLS ALLEGGERITO
SBOCCHI DI RIUTILIZZO
Utilizzo nella produzione di nuovi articoli in EPS
Trasformazione in granulo di polistirene compatto
Utilizzo come inerte leggero in calcestruzzi e malte Combustione con produzione di calore (potere
calorifico dell’EPS di circa 10.000 kCal/kg)
TECNOLOGIE di TRASFORMAZIONE:
- Adeguamento fisico: frantumazione, macinazione,
compattazione
- Estrusione
- Estrusione con degasaggio
CLS leggero
Densità CLS : 100 – 1400 Kg/m3
λ CLS : 0,08 – 0,4 W/mK
Sfere di polistirene espanso:
Фmedio = 1 – 6 mm
Densità (in mucchio): 25 Kg/m3
ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS
OSSERVAZIONI CONCLUSIVE
In un’ottica di miglioramento, i sistemi sui quali è possibile agire al fine di ridurre i carichi
ambientali complessivi associati alla produzione dell’EPS sono:
produzione dei granuli di PS espandibile: poiché la produzione della materia prima
rappresenta uno dei maggiori fattori di impatto, appare chiaro come un aumento delle efficienze
di produzione, sia dal punto di vista energetico sia dal punto di vista del consumo di risorse e
delle emissioni, contribuisca ad una cospicua riduzione dei carichi ambientali totali;
la produzione di manufatti in EPS: in questo caso un’azione di incremento/miglioramento
delle efficienze energetiche e di emissione degli stabilimenti porterebbe ad una diminuzione dei
principali indicatori di impatto
la gestione efficace del fine vita per il riciclo dell’EPS: l’utilizzo di sfridi interni (closed
loop) e, soprattutto, di provenienza esterna (open loop) di EPS nel ciclo produttivo consente un
decremento generale dei principali indicatori di impatto;
Eco-design: questa considerazione riguarda in particolare il settore “packaging”, dove un
approccio di Eco-design consentirebbe di progettare prodotti che a parità di funzione presentano
un peso inferiore, portando ad un risparmio generale di energia e di risorse e, di conseguenza,
ad una diminuzione dei carichi ambientali complessivi.
ANALISI CICLO DI VITA EPS - EDIFICIO
FASE DI UTILIZZO DI UN EDIFICIO:
è una fase che ha un peso determinante per consumi energetici ed emissioni
di CO2 (maggiore rispetto la fase di edificazione):
la costruzione di un appartamento costa 5 tonnellate equivalenti di petrolio (tep)
L’alloggio poi consuma mediamente 1 tep all’anno per il suo esercizio.
In 50 anni quindi il flusso di energia che attraversa un’abitazione è superiore
a 50 tep.
I consumi in fase di costruzione possono essere meglio definiti come energia
grigia, ovvero tutta l’energia impiegata per le fasi di realizzazione, trasporto,
installazione, dismissione o sostituzione del prodotto e delle componenti.
La qualità dei materiali impiegati in fase di realizzazione determina un’elevata
percentuale dei consumi in fase di utilizzo di un edificio.
ANALISI CICLO DI VITA EPS - EDIFICIO
Ad esempio:
gli isolanti termici, che incidono per meno del 2% nel costo totale
di 5 tep (mediamente circa 0,1 tep per alloggio, cioè meno del 2 per
mille dei consumi totali), determinano un diverso livello di
sostenibilità in fase d’esercizio, dimezzando o riducendo ad un
quarto i costi di gestione dell’edificio stesso.
Nonostante nel prodotto edificio sia percentualmente meno rilevante
l’energia grigia (o inglobata) rispetto a quella necessaria per il suo
funzionamento, il libro bianco ENEA 2004 pone giustamente l’accento
sull’importanza della scelta qualitativa dei prodotti e utilizza proprio gli
isolanti termici come esempio di investimento energetico di
immediato e vantaggioso ritorno.
obiettivo prioritario di una nuova progettazione sostenibile:
dovrebbe essere quello di selezionare opportunamente materiali e
componenti dell’edificio allo scopo di ridurre, in prima istanza,
soprattutto i suoi consumi energetici più rilevanti (circa il 90%)
imputabili alla fase di esercizio.
Tutto questo naturalmente cercando di ottenere le migliori prestazioni in
fase di esercizio a fronte dei minori costi ambientali in fase di
realizzazione.
ANALISI CICLO DI VITA EPS
Relativamente alla fase d’uso e di fine vita del prodotto EPS si evidenzia che:
le prestazioni tecniche del materiale EPS medio possono essere ricondotte essenzialmente
alla sua resistenza termica, ovvero
durata delle lastre in EPS per isolamento termico di edifici: vita utile in esercizio coincide con
quella della struttura in cui viene utilizzato;
alla fine del ciclo di vita, il materiale disponibile può essere avviato a riciclo o a
termovalorizzazione in modo da recuperarne l’energia feedstock contenuta (pari a circa 40
MJ/kg).
ANALISI CICLO DI VITA EPS
CONFRONTO TRA MATERIALI ISOLANTI
Tabella riassuntiva riportante i valori dei principali indicatori espressi al
kg di prodotto e al m3 per differenti tipologie di isolanti per l’edilizia.
I valori di GER e GWP espressi al kg, nonché densità e conducibilità termica, dei diversi materiali fanno
riferimento a un precedente studio realizzato per AIPE e aggiornati con i dati disponibili sul mercato.
I valori riguardanti l’EPS si riferiscono, invece, ai risultati ottenuti nel presente studio
ANALISI CICLO DI VITA EPS
RISPARMI PER UN EDIFICIO
Esempio:
Valutazione dei benefici dell’utilizzo di isolante in
una costruzione considerando una parete con
una stratigrafia “tipo”
Mantenendo costanti tutte le caratteristiche e modificando via via lo spessore
dell’isolante si può quantificare la conseguente riduzione di fabbisogno energetico per
mantenere le stesse condizioni climatiche interne.
ANALISI CICLO DI VITA EPS
RISPARMI PER UN EDIFICIO
Percentuale di emissione di CO2 evitata in funzione dello spessore di isolante
(situazione a 10 anni di vita)
Il grafico evidenzia la
situazione a 10 anni: la
situazione ad un solo anno
non sarebbe
ragionevole in quanto non
terrebbe conto della vita
utile dell’isolante dal
momento che l’impatto
della produzione
dell’isolante viene generato
il primo anno ma il
beneficio si ottiene
soprattutto
negli anni successivi.
ANALISI CICLO DI VITA EPS
RISPARMI PER UN EDIFICIO
Percentuale di emissione di CO2 evitata
in funzione dello spessore di isolante
(situazione a 10 anni di vita)
la situazione ad un solo anno non sarebbe
ragionevole in quanto non terrebbe conto
della vita utile dell’isolante dal momento
che l’impatto della produzione dell’isolante
viene generato il primo anno ma il beneficio
si ottiene soprattutto
negli anni successivi.
Percentuale di energia
risparmiata in funzione degli
anni di vita dell’edificio per un
isolante in EPS con spessore di
5 cm.