Analisi del ciclo di vita di un laterizio porizzato

edilizia & ecologia
di G. Beccali,
M. Cellura, M. Fontana,
S. Longo, M. Mistretta
Analisi del ciclo di vita
di un laterizio porizzato
I
n Europa l’edilizia rappresenta uno dei maggiori settori economici1
in termini di produttività e occupazione ed è responsabile del 50%
del consumo di risorse naturali, del 40% delle emissioni di gas serra e
del 50% dei rifiuti prodotti [2]. In particolare, il settore industriale dei
materiali da costruzione in Italia rappresenta una voce significativa del
bilancio energetico nazionale, incidendo per il 10% sui consumi energetici complessivi [3]. La produzione totale italiana di laterizi ammonta a circa 21·106 kg, di cui circa il 69% è costituita da mattoni, suddivisi in mattoni e blocchi normali, blocchi alleggeriti, forati e tramezzi,
mattoni a faccia vista [4]. La consistenza del settore edilizio evidenzia
come la riduzione del consumo di risorse e la minimizzazione dei rilasci ambientali rappresentano obiettivi fondamentali da perseguire nella progettazione e nella costruzione di edifici sostenibili [5]. In particolare risultano fondamentali le seguenti strategie [6], [7], [8]:
- minimizzazione dei consumi di energia e di materie prime e selezione merceologica degli stessi (fonti energetiche rinnovabili, sostituzione di prodotti tossici, utilizzo di materie seconde, valutazione
delle opzioni di riuso e riciclaggio ecc.);
- miglioramento dell’efficienza dei processi e dei macchinari;
- adozione di tecnologie a basso impatto ambientale;
- recupero e riciclaggio dei residui di lavorazione e dei prodotti edili
ad elevata energia incorporata;
- minimizzazione del rilascio di sostanze inquinanti nell’atmosfera, nei
corpi idrici e nel suolo.
Numerose aziende sono sempre più orientate ad integrare nei cicli produttivi gli aspetti prestazionali, tecnici ed economici dei manufatti con
aspetti ambientali [9]. Gli impatti ambientali indotti dai cicli produttivi
sono strettamente legati alle scelte effettuate durante la progettazione,
fase in cui vengono selezionati risorse ambientali ed economiche, processi e tecnologie da impiegare [10], [11]. In tale contesto, l’eco-design rappresenta un approccio alla progettazione orientato alla scelta di
materiali, processi e tecniche produttive finalizzati alla minimizzazione degli impatti ambientali durante l’intero ciclo di vita dei prodotti,
dall’acquisizione delle materie prime, alla realizzazione, distribuzione
ed uso, riuso, riciclaggio e smaltimento finale [12], [13], [14].
A supporto di un’incisiva penetrazione sul mercato dei prodotti ecocompatibili e di un ampio coinvolgimento dei consumatori nel privilegiare prodotti e servizi con migliori eco-prestazioni, è stata introdotta
la Dichiarazione Ambientale di Prodotto (DAP), che rientra tra le certificazioni ambientali di prodotto di Tipo III2. La DAP rappresenta un processo volontario con cui un'azienda redige un documento di sintesi delle prestazioni energetiche ed ambientali del proprio prodotto seguendo uno schema prefissato di categorie di parametri [18]. Il presente
lavoro costituisce uno studio di supporto per la redazione di una DAP
relativa ad un laterizio porizzato3, manufatto edile caratterizzato da
Prof. Giorgio Beccali, Ordinario di Tecnica del Controllo Ambientale; prof. Maurizio Cellura, Associato di Fisica Tecnica Ambientale; Mario Fontana, Sonia Longo, Dottorandi di Ricerca in Fisica Tecnica Ambientale, Dipartimento di Ricerche
Energetiche ed Ambientali, Università di Palermo; Marina Mistretta, Ricercatore
in Fisica Tecnica Ambientale, Dipartimento di Arte, Scienza e Tecnica del Costruire, Università Mediterranea di Reggio Calabria.
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Viene presentato uno studio finalizzato alla redazione di una Dichiarazione Ambientale di Prodotto
(DAP) relativa ad un laterizio porizzato, manufatto
edile caratterizzato da buone proprietà termoisolanti
e fonoassorbenti. La valutazione delle prestazioni
energetico-ambientali del manufatto è stata condotta in conformità agli standard internazionali della
serie ISO 14040. Sulla base dei risultati dell’analisi
sono state individuate alcune soluzioni di miglioramento dell’eco-profilo del manufatto in esame.
1
2
3
Nel 2006 la produzione edile è stata di 1.196 miliardi di euro registrando il
più alto valore di crescita dal 1999 [1]
Le certificazioni di Tipo I sono dei marchi rilasciati da organismi accreditati a
prodotti che soddisfano un set minimo di requisiti ambientali (esempio tipico è
l’Ecolabel). Le certificazioni di Tipo II sono autocertificazioni sulle prestazioni
ambientali dei propri prodotti, non soggette ad un controllo da parte di un
organismo terzo. Le certificazioni di Tipo III sono dichiarazioni ambientali che
riportano dati ambientali quantitativi in base a parametri prestabiliti e, dove
rilevante, informazioni ambientali aggiuntive [15], [16], [17].
Laterizio porizzato: laterizio forato ed alleggerito ottenuto aggiungendo al normale impasto di argilla sostanze che, durante la cottura, sviluppano dei gas e
producono piccoli fori nella massa, aumentandone le caratteristiche termoisolanti rispetto al laterizio normale.
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FIGURA 1 - Diagramma di flusso del processo di produzione del laterizio porizzato
buone proprietà termoisolanti e fonoassorbenti. L’obiettivo è quello di
valutare le prestazioni energetico-ambientali connesse al ciclo di vita
del manufatto, al fine di fornire informazioni che siano [19]:
- Credibili: i dati, per poter essere convalidati e diffusi, devono essere verificati da un organismo terzo accreditato ed indipendente;
- Rilevanti: il pubblico deve avere la garanzia che tutti i principali
aspetti ambientali siano stati presi in considerazione;
- Comparabili: le informazioni sono classificate e raggruppate secondo gruppi prefissati di indicatori, permettendo così all'utente di confrontare le prestazioni ambientali di prodotti appartenenti alla stessa categoria.
Il bilancio energetico-ambientale del prodotto è stato eseguito tramite
la metodologia dell'Analisi del Ciclo di Vita [20], [21] e in riferimento
alle regole per la redazione di una DAP, sviluppate in conformità alle
indicazioni della ISO TR 14025 [22].
termiche. Le piccole cavità presenti diffusamente nella massa del laterizio sono ottenute mescolando all’argilla cruda granuli di materiali
combustibili che sublimano durante la cottura, senza lasciare residui.
Unità funzionale
L’unità funzionale (u.f.) è definita come l’unità di riferimento con cui vengono normalizzati i dati raccolti e a cui si rapportano i risultati dell’analisi.
La definizione di unità funzionale deve risultare congruente con la funzione del sistema in esame e rappresenta un indice delle prestazioni del
sistema stesso, ovvero del servizio reso all’utente [20]. Con riferimento alle
indicazioni fornite dallo Swedish Environmental Management Council in
merito alle regole per la DAP di manufatti in argilla, l’u.f. prescelta è rappresentata da 1.000 kg di laterizi porizzati pronti per la vendita [24].
Definizione dei confini del sistema
Caso studio: Il laterizio porizzato
L’eco-profilo del laterizio porizzato è stato definito in accordo alle indicazioni dei requisiti specifici di prodotto (Product Categories RulesPCR4) per materiali da costruzione in laterizio [24]. I risultati ottenuti
hanno consentito di definire gli impatti ambientali associati al prodotto esaminato e di identificare i punti critici all’interno del processo produttivo, sui quali intervenire per il miglioramento delle prestazioni del
manufatto. Il blocco esaminato ha una massa di 15,5 kg e dimensioni
0,30 m x 0,25 m x 0,25 m. Esso è impiegato come materiale di tompagno5 in zone sismiche. La conduttività termica equivalente è pari a
0,23 W/(m°C), valore che conferisce al materiale buone prestazioni
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Per quel che riguarda lo sviluppo e l’ampiezza dell’analisi, si includono tutte le fasi del processo produttivo del manufatto, dall’estrazione
4
5
Le PCR costituiscono il documento identificativo di ogni singolo gruppo di prodotti e forniscono delle regole comuni (parametri tecnici e funzionali del gruppo, campo di applicazione dello studio LCA, aspetti ambientali rilevanti) a cui
il produttore di un bene o il fornitore di un servizio devono fare riferimento al
fine di produrre una DAP conforme al sistema [23].
Il prodotto, impiegato in pareti monostrato, risulta fonoassorbente per i rumori a basse frequenze, come quelli del traffico stradale. Utilizzato in pareti doppie esso risulta fonoassorbente per i suoni con frequenze medio-alte, come
quelli del parlato provenienti da ambienti contigui.
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delle materie prime alla produzione e distribuzione del prodotto finito.
Non si considera la fase di demolizione dell’edificio, di cui i laterizi
sono materiali costituenti. La stima della quantità dei rifiuti derivanti dai
laterizi durante tale demolizione risulta infatti alquanto complessa, a
causa delle diverse tecniche e tecnologie di costruzione e di demolizione [24]. La Figura 1 illustra il diagramma di flusso relativo al processo produttivo considerato, dall’estrazione delle materie prime alla
distribuzione alle utenze del prodotto finito.
Descrizione del processo produttivo
L’argilla, estratta in cava con escavatore meccanico, viene trasportata
e stoccata in azienda. Il processo di lavorazione ha inizio con la granulazione della materia prima attraverso un frangizolle e tre laminatoi, di cui il primo ha funzione di sgrossatura, il secondo di semifinitura ed il terzo di finitura. Successivamente, l’argilla è avviata ad
un’impastatrice, quindi a un quarto laminatoio e ad una seconda impastatrice dove avviene la miscelazione con acqua preriscaldata e polistirene. A cottura avvenuta il polistirene sublima consentendo la formazione di piccole cavità all’interno del mattone. L’impasto passa ad
una mattoniera munita di eliche rotanti, che lo avviano verso uno stam-
TABELLA 1 - Analisi di inventario
del laterizio porizzato per u.f.
Unità di mis. Totale
po da cui fuoriescono, per estrusione, dei parallelepipedi di diversa
lunghezza che vengono tagliati tramite taglierina munita di fili di
acciaio armonico intrecciato e sistemati in appositi scaffali detti “gabbie”. Gli eventuali scarti di processo sono riutilizzati insieme all’argilla
grezza in un nuovo ciclo di produzione.
Le gabbie sono inserite in una camera di essiccazione, lungo la quale
la temperatura varia da 40 °C in ingresso a circa 70-80 °C in uscita.
Alla fine del processo di essiccazione i mattoni, estratti meccanicamente
dalle gabbie, vengono avviati al processo di cottura in un forno alimentato da olio combustibile. All’uscita dal forno i mattoni vengono
imballati con nastro in poliestere, disposti su pallet e distribuiti alle utenze, dislocate nelle nove province della Sicilia.
Qualità dei dati e analisi di inventario
Nella fase di inventario sono stati calcolati i flussi di materia ed energia connessi al ciclo di vita del laterizio in esame, le relative emissioni
in aria e acqua e la produzione di rifiuti solidi [25]. Il processo di produzione del laterizio è stato suddiviso nelle seguenti unità di processo:
- estrazione/approvvigionamento delle materie prime e dei combustibili;
- manifattura del prodotto;
- essiccazione e cottura;
- selezione meccanica e imballaggio;
- trasporto in azienda delle materie prime e dei combustibili e distribuzione del prodotto finito.
I dati impiegati nell’analisi sono stati reperiti tramite indagini di campo
e/o ricavati da fonti bibliografiche di settore. In particolare, i dati relativi al ciclo di produzione sono stati rilevati presso un’azienda siciliana
che produce manufatti in argilla, con riferimento alla produzione annuale nel 2005. Dall’indagine di campo sono stati rilevati i seguenti dati:
- consumi di materie prime (argilla, acqua e polistirene)
- consumo di combustibili (olio combustibile, metano e gasolio) ed
energia elettrica
- consumo di materiale di imballaggio (nastro in poliestere e pallet)
- modalità dei mezzi di trasporto utilizzati e relative distanze percorse
- produzione di rifiuti pericolosi (stracci, toner e cartucce, plastica, olio
minerale esausto e olio lubrificante) e non pericolosi (scarti di processo).
Per quel che riguarda l’eco-profilo delle materie prime, dei combustibili, degli imballaggi, dell’energia elettrica e delle fasi di trasporto, si è fatto riferimento a database LCA [26]. Per la mancanza di dati specifici di
processo, la stima delle emissioni atmosferiche derivanti dalla sublimazione del polistirene durante la cottura dei laterizi è stata effettuata in
riferimento a dati di letteratura relativi a processi assimilabili [27].
Consumo
di energia
Non rinnovabili
Rinnovabili
Totale
MJ
MJ
MJ
4449,50
102,10
4551,60
Consumo
di risorse
Argilla
Barite
Bauxite
Calcite
Ferro
Ghiaia
Piombo
Rame
Sabbia
Acqua
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
1020
0,06
0,02
0,09
0,40
1,30
0,004
0,06
0,10
320·103
Emissioni
in aria
Biossido di carbonio
Metano
Monossido di carbonio
NMVOC
Ossidi di azoto
Ossidi di zolfo
Polveri
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
306,90
0,40
0,30
0,60
1,30
1,90
0,10
Calcio
Cloruri
COD
Ioni sodio
Oli
Solfati
Sostanze inorganiche
disciolte
Sostanze sospese
TOC
kg
kg
kg
kg
kg
kg
kg
0,05
1,60
0,03
0,20
0,07
0,10
0,80
kg
kg
0,10
0,06
Risultati dell’analisi di inventario
Rifiuti non pericolosi
Rifiuti pericolosi
kg
kg
20,30
0,03
L’eco-profilo dell’u.f. è riportato in Tabella 1. Dall’analisi dei risultati si evince che la produzione dell’u.f. comporta complessivamente un consumo di
energia primaria pari a circa 4.552 MJ, di cui il 98% deriva da fonti non
Emissioni
in acqua
Rifiuti solidi
86
Allocazione
La procedura di allocazione in un processo multi-input/output consiste
nella ripartizione nel sistema di prodotto dei flussi in ingresso e in uscita di un’unità di processo [20]. L’azienda indagata, oltre ai laterizi porizzati che rappresentano il 3,3 % dell’intera produzione, realizza diversi
manufatti, quali laterizi per tompagnamento e per tramezzi, pannelli in
laterocemento, travetti, lastre e pannelli in cemento armato, laterizi a
faccia vista (mattoni, coppi e tegole). I consumi per unità di massa per
tutti i tipi di laterizio prodotti risultano equivalenti, pertanto l’allocazione
degli impatti è stata effettuata in accordo al criterio della massa.
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rinnovabili. La Figura 2 illustra l’incidenza di ogni fase del ciclo di vita del
prodotto sul consumo complessivo di energia. Da essa si evince che:
- l’estrazione dell’argilla incide per l’1% (45 MJ/u.f.), essenzialmente per le operazioni di scavo;
- le fasi di trasporto delle materie prime, dei combustibili e del prodotto finito implicano un consumo complessivo di energia pari a circa 550
MJ/u.f. (12 % del consumo energetico totale), essenzialmente dovuto
all’impiego di gasolio come combustibile per autotrazione [28];
- il processo di lavorazione incide per il 23% (1.064 MJ/u.f.), di cui
il 48% è dovuto all’energia elettrica impiegata per l’alimentazione
dei macchinari e il 52% alla produzione/approvvigionamento degli
input di processo (acqua, gasolio, polistirene);
- il contributo della fase di imballaggio, pari all’1% del consumo energetico totale, è dovuto principalmente all’energia di feedstock6 dei
materiali impiegati;
- il consumo più rilevante si verifica nei processi di cottura e di essiccazione (circa 2.850 MJ/u.f.), di cui il 49% è dovuto all’impiego di
olio combustibile BTZ (1.396 MJ/u.f.) per l’alimentazione del forno,
il 38% è dovuto all’impiego di gas metano per il processo di essiccazione (1.083 MJ/u.f.) e il rimanente 13% è rappresentato dal consumo di energia elettrica (370 MJ/u.f.).
Con riferimento al ciclo di vita del prodotto il consumo di acqua risulta pari a 320·103 kg/u.f.. In Figura 3 è mostrato il contributo percentuale delle varie fasi del ciclo di vita a tale consumo. Dalla figura si evince che la lavorazione del manufatto rappresenta la fase di maggiore
incidenza (57%), mentre le rimanenti fasi contribuiscono al consumo
complessivo di risorsa idrica nelle seguenti percentuali:
- essiccazione e cottura: 39,5%;
- estrazione dell’argilla: 0,3%;
- imballaggio: 3,2%.
Con riferimento alla fase di lavorazione, il consumo complessivo di
acqua è pari a 182,47·103 kg/u.f., di cui appena lo 0,26% (478
kg/u.f.) avviene direttamente nel processo, mentre il 99,74%
(181,99·103 kg/u.f) è da attribuire a:
- approvvigionamento della risorsa (0,55%);
- produzione dell’energia elettrica7 (98,68%);
- produzione del polistirene (0,66%);
- produzione del combustibile (0,11%).
Nella fase di essiccazione e cottura il consumo di acqua è dovuto esclusivamente alla produzione di energia elettrica.
Analisi degli impatti ambientali
FIGURA 2 - Consumo di energia: incidenza percentuale
delle diverse fasi del ciclo di vita del laterizio porizzato
- Formazione di ossidanti fotochimici (POCP);
- Acidificazione potenziale (AP);
- Eutrofizzazione potenziale (NP);
- Assottigliamento dello strato di ozono (ODP).
Le emissioni di gas serra causate dalla produzione del laterizio porizzato sono pari a 321 kgCO2eq/u.f.. Il contributo potenziale all’effetto
serra dei processi di essiccazione e cottura rappresenta il 67,3%
dell’impatto complessivo, ossia 216 kgCO2eq/u.f., di cui il 9% (19,6
kgCO2eq/u.f. ) è dovuto alla combustione del polistirene. Il processo di
lavorazione incide per il 18,7% (circa 60 kgCO2eq/u.f.), la fase dei trasporti per il 13%, mentre il rimanente 1% è imputabile all’estrazione
dell’argilla e alla fase di imballaggio. L’indicatore relativo all’ODP risulta trascurabile (2,4·10-4 kg CFC-11eq). I contributi all’AP e NP sono
rispettivamente di 0,08 kmol H+ e 8 kg O2, mentre l’indicatore POCP
assume un valore pari a 0,11 kg C2H4.
Analisi di miglioramento
Sulla base dei risultati ottenuti, sono state individuate le seguenti possibili
ipotesi di miglioramento del processo produttivo del manufatto in esame:
1. Sostituzione dell’olio combustibile con gas metano nei forni;
2. Sostituzione dell’olio combustibile impiegato nei forni con fonti rinnovabili (biomasse).
3. Sostituzione del polistirene impiegato nel processo, con possibili
materiali naturali alternativi (tra i possibili si annoverano pula di riso8,
Sulla base dei risultati di inventario è stata eseguita l’analisi degli impatti ambientali per il manufatto in esame. Le emissioni relative al processo analizzato sono state raggruppate, attraverso un processo di classificazione e successiva caratterizzazione, in accordo al gruppo di indicatori proposto dallo schema di certificazione EPD [22]:
- Effetto serra potenziale su un orizzonte temporale di 100 anni (GWP100)
6
7
8
L’energia di feedstock è definita come il calore prodotto dalla combustione di
una materia prima in input che non è utilizzata come risorsa energetica in un
sistema di prodotto, ed è espressa in termini di potere calorifico superiore o
inferiore [21]. Essa quantifica il potenziale energetico dei materiali (come legno
o plastica) quando, alla fine della loro vita utile, sono utilizzati come combustibili per un recupero di calore [29].
Il consumo di acqua per la produzione di energia elettrica è dovuto essenzialmente all’utilizzo della risorsa (99%) in turbina [26].
Cascame della trebbiatura del riso costituito dalle brattee (glume e glumette)
che avvolgono il granello, (generalmente usata per imballaggi e in aggiunta
ai mangimi).
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FIGURA 3 - Consumo di acqua: incidenza percentuale
delle fasi del ciclo di vita del laterizio porizzato
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FIGURA 4 - Ipotesi di miglioramento: variazione dei consumi energetici e del GWP
cellulosa9, sansa di olive10 o farina di legno11) In particolare, sono stati
stimati i benefici connessi alla sostituzione con materiale cellulosico. Nella prima ipotesi il consumo di energia primaria risulterebbe pari a 4.285
MJ/u.f., con una riduzione di circa il 6% rispetto allo stato attuale. Il contributo all’effetto serra risulterebbe pari a circa 287 kgCO2eq/u.f., con
una riduzione globale dell’11%. Nell’ipotesi in cui l’olio combustibile fosse sostituito con biomassa i consumi energetici si ridurrebbero a 4.260
MJ/u.f., raggiungendo l’obiettivo del 30% dei consumi rappresentato da
fonti rinnovabili (contro il 2% della situazione attuale). Sotto tale ipotesi il
contributo all’effetto serra scenderebbe al 68% di quello attuale (219
kgCO2eq/u.f.). Le fasi di manifattura, trasporto ed utilizzo in azienda del
polistirene incidono per il 12% sui consumi energetici totali (553 MJ/u.f.)
e per l’11% sull’effetto serra potenziale complessivo (35 kgCO2eq/u.f.).
Nell’ipotesi in cui esso sia sostituito con cellulosa naturale, si otterrebbe
una riduzione del carico energetico di circa il 10% e dell’effetto serra
potenziale del 4,5%. La Figura 4 illustra il consumo di energia e il contributo all’effetto serra del laterizio porizzato alla luce delle ipotesi di miglioramento proposte. La possibilità di migliorare le prestazioni energeticoambientali del prodotto va analizzata considerando la fattibilità economica degli interventi, in modo da consentire al produttore un recupero
dell’investimento iniziale in tempi brevi.
Conclusioni
Nello studio sono state valutate le prestazioni energetiche ed ambientali di un laterizio porizzato prodotto in un’azienda manifatturiera in
Sicilia. La produzione di 1.000 kg di laterizio comporta il consumo
energetico di circa 4,5 GJ e l’emissione di 321 kg CO2eq. Si è osservato che la quota più significativa dei consumi energetici (oltre il 60%)
e delle emissioni di CO2eq è imputabile alle fasi di essiccazione e cot-
88
tura, a causa del largo impiego di combustibili fossili. Infine sono state valutate delle ipotesi di miglioramento del processo produttivo, relative alla sostituzione dell’olio combustibile con altre fonti a minor impatto (gas metano o biomasse) ed alla sostituzione del polistirene con materiali naturali surrogabili. Lo studio è stato eseguito nell’ambito del progetto di ricerca “Ruolo del settore edilizio sul cambiamento climatico:
“GENIUS LOCI”, finalizzato alla definizione di interventi per la riduzione delle emissioni di gas serra nel settore edilizio (Progetto finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca a carico del FISR- Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca).
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La Termotecnica, Dicembre 2005, pp.70-74.
9
10
11
Ottenuta dal riciclaggio della carta.
Residuo solido dell’estrazione dell’olio dalle olive, costituito da detriti di buccia, polpa e nocciolo (generalmente usata come concime, combustibile o per
alimentare il bestiame).
Ottenuta dalla macinazione degli scarti della prima lavorazione del legno
quindi senza la presenza di collanti, vernici ecc.
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edilizia & ecologia
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