compatibilita` e sostenibilita` ambientale

COMPATIBILITA’ E SOSTENIBILITA’ AMBIENTALE
DI IMBALLAGGI IN MATERIA PLASTICA PER ALIMENTI:
VALUTAZIONI DI “LIFE CYCLE ASSESSMENT – LCA”
G. Vidotto, M. Piana
Istituto Italiano dei Plastici e Centro di Informazione sul PVC
Milano, 26 giugno 2005
Compatibilità e sostenibilità ambientale di imballaggi in materia plastica per alimenti:
valutazioni di “life cycle assessement - LCA”
1) Compatibilità e sostenibilità ambientale dei manufatti
Le azioni umane ed i manufatti prodotti dall’uomo sono compatibili con l’ambiente quando
soddisfano bisogni e richieste attuali senza compromettere e lasciare, con riferimento ai
vantaggi del presente, prezzi troppo alti da pagare nel futuro; il rispetto di questo criterio
realizza la sostenibilità nell’operare dell’uomo sulla terra.
In realtà ogni azione umana ed oggetto fabbricato hanno come effetto un impatto
sull’ambiente; questo impatto deriva dal processo di produzione del materiale, dalla sua
trasformazione in oggetto-manufatto, dalla sua vita in opera e dalla sua sorte quando
diventa rifiuto. Per essere significativa e confrontabile tra diversi manufatti che svolgono la
stessa funzione e hanno la stessa prestazione in opera, la valutazione dell’impatto
ambientale complessivo di un dato manufatto deve essere condotta secondo uno schema
definito, standardizzato ed uniforme. La norma ISO 14040, emessa nel 1998, fornisce tale
schema di riferimento da seguire nella valutazione dell’impatto ambientale di un
manufatto; questa valutazione, usualmente detta “life cycle assessment-LCA”, viene riferita
all’unità di funzione e prestazione, definita “unità funzionale” dello specifico manufatto. In
accordo con lo schema della ISO 14040, l’analisi del ciclo di vita dell’unità di funzione e
prestazione consiste nella compilazione e valutazione, per il sistema formato da tutti gli
stadi-fasi di vita di un manufatto-unità funzionale, dei flussi (come energia e materie
prime) in entrata nel sistema e di quelli in uscita (come rifiuti ed emissioni) e dei
corrispondenti impatti ambientali. Specificamente, l’effettuazione del LCA di un manufatto
passa attraverso:

la preliminare definizione dell’unità funzionale da valutare e dei suoi confini per
quanto riguarda le fasi di inizio vita (materie prime, produzione di intermedi e del
manufatto), di vita in opera e di fine vita (discarica, combustione, riciclo) del manufatto
usato;
2

l’elaborazione, per tutte le fasi di vita dell’unità funzionale (produzione, vita in opera e
smaltimento), del diagramma di flusso di dettaglio con definizione ed attribuzione a
ciascuna fase dei relativi flussi in entrata ed in uscita;

la valutazione delle entità di modificazione ambientale che si generano nella
produzione, vita in opera e smaltimento dell’unità funzionale-manufatto, compresi il
consumo di energia e di materia ed il rilascio nell’ambiente di emissioni e rifiuti. Sulla
base di queste modificazioni ambientali si definiscono le categorie di impatto
ambientale rilevanti per l’unità funzionale considerata; queste, in termini generali,
comprendono il consumo di risorse, il cambiamento climatico (usualmente chiamato
riscaldamento globale), l’effetto sullo strato di ozono, la tossicità per l’uomo e per le
acque, l’ossidazione fotochimica, l’acidificazione delle piogge e l’eutrofizzazione delle
acque. Gli impatti ambientali per ciascuna categoria vengono espressi utilizzando
fattori di conversione-equivalenza che permettono di riferire l’impatto di una categoria
ad una sola sostanza; così l’impatto sul cambiamento climatico-riscaldamento globale
di ciascuna emissione è espresso in kg equivalenti di CO2 e l’impatto sul consumo di
ozono è espresso in kg equivalenti di CFC11. L’insieme, detto caratterizzazione, degli
impatti di tutte le categorie considerate, ciascuna espressa da un solo valore attraverso
l’uso dei fattori di conversione-equivalenza, rappresenta l’impatto ambientale
complessivo, in tutta la sua vita, dell’unità funzionale-manufatto in esame;

la normalizzazione dei risultati di impatto ambientale delle singole categorie di impatto
attraverso pesatura e riferimento all’impatto globale per esempio in un dato periodo in
una definita area geografica; questa normalizzazione permette di rendere sintetici e
confrontabili gli impatti ambientali di unità funzionali-manufatti di uguale prestazione;

la interpretazione dei risultati di LCA con evidenziazione dell’importanza delle singole
categorie di impatto ambientale per una data unità funzionale e l’eventuale definizione
e decisione di specifiche azioni di modifica e miglioramento.
3
Valutazioni di LCA, riferite ad una data unità funzionale, effettuate in accordo alla ISO
14040, sono capaci di fornire risposte adeguate per metodologia e quantitative nella
sostanza, qualora esistano tutte le informazioni necessarie, alle domande sull’impatto
ambientale e sulla sostenibilità relativa di un dato manufatto riferito ad una definita
situazione di vita rispetto ad altri alternativi.
2) Valutazione del ciclo di vita LCA di imballaggi in materia plastica per alimenti
I manufatti in materia plastica e l’industria che produce le materie plastiche ed i
corrispondenti manufatti sono stati e sono estesamente esaminati e studiati per il loro
impatto sull’ambiente e sull’uomo, essenzialmente perché sono relativamente giovani (50
anni circa di vita industriale), hanno avuto una crescita ed una diffusione applicativa
molto veloci fino a diventare prodotti di massa utilizzati in tutti i settori della vita civile ed
industriale e perché alcuni intermedi e prodotti della filiera produttiva hanno e possono
avere problemi di impatto sull’uomo e sull’ambiente. Anche la sorte dei manufatti in
materia plastica a fine vita in esercizio è stata ed è estesamente esaminata; le motivazioni e
gli scopi sono essenzialmente quelli di sviluppare ed adottare estesamente l’uso di
tecnologie capaci di recuperare dai manufatti usati le materie prime e l’energia in essi
contenute come alternativa al loro smaltimento in discarica.
Questa nota riporta, in forma riassuntiva, i risultati di analisi del ciclo di vita – LCA
effettuate da M. Levi [1, 2] del Politecnico di Milano (Dipartimento di Chimica, Materiali
ed Ingegneria Chimica “Giulio Natta”) con il supporto dell’Istituto Italiano dei Plastici e
del Centro di Informazione sul PVC, di imballaggi plastici per alimenti. Le valutazioni di
impatto ambientale hanno seguito lo schema operativo della norma ISO 14040, con analisi
completa del ciclo
di vita degli imballaggi esaminati. Questi imballaggi hanno
specificamente compreso:
-
film flessibili in polietilene lineare LDPE ed a base di policloruro di vinile PVC, per
alimenti freschi (come formaggi, carne e frutta);
-
film rigidi in polietilentereftalato PET e PVC pure per alimenti e per riferimento un
imballaggio in cartoncino cromo per lo stesso settore applicativo.
4
2.1) Film flessibili in LDPE e PVC per alimenti
I film flessibili in LDPE ed a base di PVC sono estesamente utilizzati in Italia ed in Europa
nell’imballaggio di alimenti freschi come formaggi, carni e frutta. Le unità funzionali di
imballaggi di uguale prestazione, scelte ed esaminate da M. Levi [1, 2] per la valutazione
LCA, corrispondono alle quantità di film di pari superficie necessarie affinchè gli alimenti
normalmente imballati nei film in LDPE ed a base di PVC, abbiano lo stesso tempo di
conservazione. Le unità funzionali in LDPE ed a base di PVC esaminate sono definite come
specificato in tabella 1 ed i loro confini sono schematicamente rappresentati nella tabella 2
per l’unità in LDPE ed in tabella 3 per l’unità a base di PVC.Per la valutazione degli
impatti ambientali delle singole fasi di vita di ciascuna unità funzionale in film flessibile
sono stati utilizzati, per le materie plastiche LDPE e PVC, i dati della Banca Dati APME
(Associazione Europea dei produttori di materie plastiche) [3] ed i dati della Banca Dati
BUWAL (dell’Agenzia Federale Svizzera per l’ambiente, le foreste ed il paesaggio) [4].
Materiale
-
LDPE
-
PVC
-
PET
PVC
-
Cartoncino cromo
Settore applicativo
Imballaggio flessibile
Unità funzionale
Film flessibile per alimenti da:
- 3,5 gr
con fine vita in discarica ed
in inceneritore
- 2,5 gr
Imballaggio rigido
Scatola per cioccolatini da:
- 26
gr con fine vita in discarica ed in
- 22 inceneritore
gr
- 24 gr
fine vita in discarica,
inceneritore e riciclo
Tabella 1: unità funzionali di imballaggi flessibili e rigidi per alimenti
5
6
Materie Prime
Energia
Produzione LDPE
Conversione a film
Energia
LDPE (3.5 g)
Estrusione
Film LDPE (3.5 g)
Emissioni
Tabella 2: limiti al contorno dell’unità funzionale in LDPE per imballaggio alimentare
7
Materie Prime
Energia
Produzione PVC
Butandiolo
Acido Adipico
Energia
Energia
Plastificazione
PVC
PVC (2 g)
Additivazione per estrusione
Policondensazione
Plastificante
polimerico
Energia
PVC plastificato (2.5 g)
Estrusione in bolla
Produzione
plastificante
Film PVC flessibile (2.5 g)
Conversione a film
Emissioni
Tabella 3: limiti al contorno dell’unità funzionale in PVC flessibile per imballaggio alimentare
8
del
I valori di impatto ambientale di derivazione APME per la produzione in Europa
Occidentale di 1 kg di LDPE e PVC, le categorie di impatto ambientale rilevanti in
sostanziale accordo al metodo CML-2000 del “Centre of Environmental Science 2000”
dell’Università di Leiden (Olanda) [5] e gli indicatori di categoria di impatto risultanti
dalla sostanza equivalente di conversione su cui è stata unificata ciascuna categoria di
impatto, sono indicati e riportati in tabella 4.
Categoria d’impatto
Consumo di risorse (*)
Cambiamento climatico
(tempo 100 anni)
Consumo strato di ozono (**)
Tossicità per l’uomo (***)
Ecotossicità per l’acqua (***)
Ecotossicità per la terra (***)
Ossidazione fotochimica
Acidificazione
Eutrofizzazione
Unità
kg Sb eq
LDPE
0,0394
PVC
0,0256
PET
0,0365
kg CO2 eq
2,06
2,11
4,35
x
0,0157
0,00172
0,00951
0,000461
0,00991
1,95E-5
x
0,0432
0,00507
0,0111
0,000499
0,00984
4,05E-5
x
0,408
0,00767
0,0109
0,00267
0,05
5,61E-5
kg CFC-11 eq
kg 1,4-DB eq
kg 1,4-DB eq
kg 1,4-DB eq
Kg C2H4 eq
Kg SO2 eq
Kg PO4--- eq
(*)
Il consumo delle risorse è espresso ed unificato in kg di antimonio/kg di
minerali e combustibili fossili estratti
(**) Valutato su scala geografica globale e scala temporale infinita; questo impatto
non è disponibile nella Banca dati APME
(***) Le tossicità sono espresse ed unificate in kg di 1,4 diclorobenzolo e si
riferiscono ad esposizioni per un tempo infinito; i dati qui riportati pur
significativi e confrontabili non sono, anche per mancanza di conoscenze in
particolare per l’impatto sull’acqua marina, descrittivi in maniera esaustiva
della totale (reale e potenziale) ecotossicità dei processi-prodotti esaminati
Tabella 4: caratterizzazione degli impatti ambientali associati alla produzione di
1 kg di LDPE, PVC e PET
Utilizzando per ogni fase dei processi produttivi, di vita in opera e di fine vita dell’unità
funzionale i dati di impatto ambientale delle banche dati APME e BUWAL e dati calcolati
direttamente quando non disponibili nelle Banche Dati specialistiche (come nel caso della
produzione dei plastificanti), M. Levi [1, 2] ha ottenuto le valutazioni di LCA di tutte le
unità funzionali esaminate.
9
Per la normalizzazione degli impatti ambientali delle diverse categorie di impatto sono
stati usati i fattori di pesatura, riportati in tabella 5, pure di derivazione dal “Centre of
Environmental Science” dell’Università di Leiden (Olanda) [5]; questi fattori praticamente
pesano e riferiscono l’impatto ambientale trovato per ogni categoria all’impatto
complessivo causato dalle emissioni nel 1995 in Europa Occidentale.
Fattore moltiplicativo di
normalizzazione
6.66E-11
2.12E-13
1.2E-8
1.32E-13
1.98E-12
2.12E-11
1.21E-10
3.66E-11
8.02E-11
Categoria d’impatto
Consumo di risorse
Cambiamento climatico
Consumo strato di ozono
Tossicità per l’uomo
Ecotossicità per l’acqua
Ecotossicità per la terra
Ossidazione fotochimica
Acidificazione
Eutrofizzazione
Tabella 5: fattori moltiplicativi di normalizzazione riferiti alle emissione in Europa
Occidentale nel 1995 (Centre of Environmental Science-2000– Leiden UniversityOlanda)
La tabella 6 riporta i risultati normalizzati dell’analisi LCA delle unità funzionali film
flessibili in LDPE ed a base di PVC con fine vita in discarica per entrambi; gli impatti
ambientali complessivi delle unità funzionali in LDPE ed a base di PVC sono confrontabili,
anche se non equivalenti; specificatamente i film a base di PVC hanno minor impatto
ambientale per quanto riguarda il consumo di risorse ed il riscaldamento globale e quelli a
base di polietilene LDPE mostrano minore impatto sulla tossicità per l’uomo e per l’acqua
anche se le differenze tra i due materiali per queste e per le altre categorie di impatto sono
modeste o praticamente trascurabili.
10
2E-14
1,5E-14
1E-14
5E-15
0
consumo risorse
PVC plastificato
riscaldamento
globale
consumo ozono
tossicità per
l’uomo
ecotossicità
per l’acqua
ecotossicità
per la terra
ossidazione
fotochimica
acidificazione
eutrofizzazione
LDPE
Tabella 6: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali in PVC flessibile ed in LDPE con fine vita in discarica; normalizzazione
CML 2000
11
L’esame dei pesi relativi degli impatti ambientali delle singole fasi costituenti le unità
funzionali di film flessibili esaminate mostra che la produzione dei polimeri LDPE e PVC
ha impatto complessivo prevalente (dal 70 al 90%) per le categorie consumo di risorse,
riscaldamento globale, ossidazione fotochimica ed acidificazione, la trasformazione ed il
tipo di fine vita hanno impatti relativamente importanti sulle tossicità e l’eutrofizzazione
ed i trasporti hanno impatti sempre relativamente modesti. Lo smaltimento dei film in
discarica consente di ridurre al minimo le emissioni di gas serra e l’impatto sul
riscaldamento globale, ma fa perdere i vantaggi che l’incenerimento con recupero di
energia permette. Nel caso dei film in LDPE l’impatto vantaggioso dell’incenerimento sul
consumo di risorse significativo ed intorno al 9% con appesantimento notevole però del
riscaldamento globale e modesti effetti prevalentemente positivi sulle altre categorie di
impatto; per i film a base di PVC, il recupero energetico dal loro incenerimento è modesto
(intorno al 2%) con qualche appesantimento nel riscaldamento globale, effetti positivi sulla
tossicità delle acque e negativo sulla tossicità per l’uomo.
2.2) Film rigidi in PET e PVC ed in cartoncino per imballaggio di alimenti
Le unità funzionali degli imballaggi rigidi di pari prestazioni esaminate da M. Levi [1, 2]
sono scatole per cioccolatini costituite dalle materie plastiche PET e PVC e da cartoncino
cromo. Queste unità funzionali di uguale prestazione, costituite da materiali differenti,
sono definite in tabella 1, che riporta anche gli scenari di fine vita presi in considerazione
nelle valutazioni di LCA. I confini delle unità funzionali esaminate sono stati definiti e per
la valutazione degli impatti ambientali di ciascuna unità funzionale in materia plastica
sono stati utilizzati i dati delle Banche dati APME e BUWAL [3, 4] e per quella in
cartoncino cromo i dati di BUWAL 4.
12
I risultati della caratterizzazione di impatto ambientale delle tre scatole esaminate con fine
vita in discarica sono in tabella 7; gli impatti ambientali complessivi di ciascuna unità
funzionale sono stati normalizzati utilizzando i fattori di tabella 5 ed i risultati
normalizzati per le unità funzionali in PET e PVC con fine vita in discarica sono riportati in
tabella 8 e quelle delle unità funzionali in PVC e cartoncino cromo, pure con fine vita in
discarica, in tabella 9.
I risultati di tabella 8 e di tabella 9 indicano che l’imballaggio in PVC si caratterizza per
valori di impatto ambientale minori di quello a base di PET per tutte le categorie di
impatto, mentre l’imballaggio in cartoncino cromo si caratterizza rispetto a quello in PVC,
per minor consumo di energia e minor impatto sul riscaldamento globale, ma maggior
impatto sulla tossicità dell’acqua e dell’uomo e sulla eutrofizzazione. Il confronto degli
impatti ambientali delle scatole in materia plastica ed in cartoncino può essere in qualche
misura influenzato dai fatti che i dati di impatto provengono da banche dati differenti con
possibile non completa sovrapponibilità dei confini delle relative unità funzionali
esaminate e che il consumo di risorse abiotiche (minerali e combustibili fossili) non
comprende la fonte rinnovabile legno in quanto la CO2 emessa nel suo recuperocombustione viene assunta completamente bilanciata dall’assorbimento di CO2 nella
crescita dell’albero.
13
Categoria d’impatto
Consumo di risorse
Cambiamento climatico
Consumo strato di ozono (*)
Tossicità per l’uomo
Ecotossicità per l’acqua
Ecotossicità per la terra
Ossidazione fotochimica
Acidificazione
Eutrofizzazione
Unità di sostanza
equivalente
kg Sb eq
kg CO2 eq
kg CFC-11 eq
kg 1,4-DB eq
kg 1,4-DB eq
kg 1,4-DB eq
kg C2H4 eq
kg SO2 eq
kg PO4-- eq
Scatola PVC
Scatola PET
Scatola cartoncino cromo
0,000744
0,0755
2,45E-9
0,00212
0,000171
0,000258
2,44E-5
0,000526
8,08E-6
0,00144
0,179
2,89E-9
0,0107
0,000278
0,000282
9,0E-5
0,00176
9,6E-6
0,000319
0,0424
2,49E-8
0,0147
0,00115
0,000163
1,98E-5
0,000567
3,98E-5
(*) Non sono inclusi i dati di produzione delle materie plastiche, non disponibili nella banca dati APME
Tabella 7: caratterizzazione degli impatti ambientali delle unità funzionali scatola per cioccolatini in PVC, PET e cartoncino
cromo con fine vita in discarica
14
2E-13
1,5E-13
1E-13
5E-14
0
consumo risorse
scatola PVC
disc
riscaldamento
globale
consumo
ozono
tossicità per
l’uomo
ecotossicità
per l’acqua
ecotossicità
per la terra
ossidazione
fotochimica
acidificazione
eutrofizzazione
scatola PET
disc
Tabella 8: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali scatola di PET e PVC con fine vita in discarica; normalizzazione
CML2000
15
1,5E-13
1,25E-13
1E-13
7,5E-14
5E-14
2,5E-14
0
consumo di
risorse
scatola PVC
riscaldamento
globale
consumo di
ozono
tossicità per
l’uomo
ecotossicità
per l’acqua
ecotossicità
per la terra
ossidazi one
fotochimica
acidificazione
eutrofizzazione
scatola cartoncino
Tabella 9: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali scatola di PVC e di cartoncino con fine vita in discarica;
normalizzazione CML2000
16
Anche per le unità funzionali di imballaggi rigidi in materia plastica, la fase con impatto
ambientale prevalente (intorno al 75% sul totale) è la produzione del polimero, seguita
dalla fase di trasformazione in manufatto che pesa intorno al 20% e dalla fase di fine vita
che pesa intorno al 5%. L’impatto ambientale della fase di fine vita varia a seconda che il
manufatto usato viene smaltito in discarica, riciclato o bruciato con recupero di energia.
Per gli imballaggi rigidi in PVC e PET qui esaminati gli impatti ambientali complessivi per
smaltimento in discarica ed in inceneritore con recupero di energia sono sostanzialmente
simili a causa da una parte del relativamente ridotto recupero energetico effettuato nella
termovalorizzazione dei due polimeri e dall’altra degli impatti negativi associati
all’incenerimento. Per gli imballaggi in cartoncino cromo invece la termovalorizzazione in
inceneritore consente un significativo (9% circa) risparmio di risorse con impatti positivi su
quasi tutte le categorie e pertanto è nettamente preferibile allo smaltimento in discarica.
3) Considerazioni conclusive
Le valutazioni di LCA degli imballaggi flessibili e rigidi in LDPE, a base di PVC e di PET
qui esaminati sono risultate influenzate prevalentemente dalla fase di produzione del
polimero, seguita dalla trasformazione e produzione del manufatto e dalla fase di fine vita.
Gli imballaggi flessibili per alimenti in LDPE ed a base di PVC hanno mostrato nella
valutazione di LCA impatti ambientali complessivi non molto dissimili con vantaggio per
quelli in PVC nel consumo di risorse. Gli imballaggi rigidi in PET per alimenti, hanno
mostrato, nelle valutazioni LCA, impatti ambientali maggiori per tutte le categorie rispetto
a quelli in PVC, mentre quelli in cartoncino cromo presentano, rispetto a quelli in PVC,
vantaggi per l’impatto sul consumo di risorse e sul riscaldamento globale e svantaggi per
la tossicità ambientale per l’acqua e per l’uomo, l’acidificazione delle acque e
l’eutrofizzazione. Le valutazioni di LCA sono specifiche ed associate alle unità funzionali
esaminate ed alle loro caratteristiche fisiche e costituzionali, quali esse derivano dalla loro
produzione e da tutte le fasi di vita; cambiando le fasi di vita, si modifica la risultante
valutazione di LCA. La fase di fine vita con smaltimento in discarica, incenerimento con
recupero di energia e riciclo influenza la valutazione di LCA; l’entità dell’influenza
17
dipende per ogni specifico manufatto-materiale dall’insieme dei diversi impatti positivi e
negativi che accompagna la fase di fine vita adottata.
Le valutazioni di LCA qui riportate ed effettuate da M. Levi [1, 2] su unità funzionali di
imballaggi per alimenti hanno permesso di individuare in termini quantitativi i punti forti
ed i punti deboli di ciascuna unità funzionale attraverso il valore degli impatti ambientali
di ciascuna categoria ed attraverso il valore dell’impatto complessivo; su questa base
anche se, in particolare per le categorie di impatto consumo di ozono ed ecotossicità i
valori riportati non sono esaustivi e completi, le valutazioni di LCA rendono significativi i
confronti tra diverse unità funzionali di uguale prestazione costituite da materiali diversi
evidenziando le aree che più necessitano di nuove conoscenze per progredire.
Riferimenti
1) M. Levi, V. Acierno: Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica
“Giulio Natta – Politecnico di Milano 2005”
2) M. Levi, V. Acierno: Plastic Pipes & Fittings 55, 88, 2005
3) Boustead: Ecoprofiles of plastics and intermediates: methodology APME – Brussel
(1999); Ecoprofiles of the European Plastic Industry (1999)
4) Life Cycle Inventories for packaging, Swiss Agency for Environment, Forests and
Landscape, Berna 1996; http://www.ecoinvent.ch./en/index.htm
5) Centre of Environmental Science (CML) – Leiden-University-Holland
Ricerca svolta da Marinella Levi e Vanessa Acierno (Politecnico di Milano, Dipartimento di
Chimica Giulio Natta) su “Analisi ambientale del ciclo di vita di film rigidi e flessibili” ; gli
estensori di questa nota-riassunto sono grati a M. Levi ed V. Acierno per aver consentito a
questa comunicazione dei risultati del loro lavoro.
18