Il caso studio del presente elaborato di Tesi è da considerarsi un lavoro facente parte degli studi At Early Stage (AES), metodologia di analisi che trova già diverse applicazioni al settore dell’industria chimica [35] [39] [40]. La metodologia AES consiste in una valutazione preliminare degli impatti e dei consumi associati ad un processo o prodotto prima che esso sia trasferito su scala industriale. Ogni qualvolta si propone un’innovazione è infatti importante capire fin da subito la sua fattibilità economica ed ambientale, prima di concentrare tempo e risorse al suo sviluppo industriale. Questo tipo di ricerca è volto a valutare vantaggi e svantaggi, mediante un’analisi del ciclo di vita semplificata, a seguito dell’applicazione di alcuni principi fondamentali della green chemistry. Come anticipato in precedenza, questo tipo di valutazioni sta prendendo sempre più piede, sia a livello di ricerca accademica che industriale. Sono in aumento infatti sia gli articoli che utilizzano l’approccio AES per valutare la realizzabilità futura di diverse innovazioni sia le imprese che si affidano a questo strumento per decidere in che direzione dedicare i propri sforzi di ricerca. BASF [41] e Chimex [42], sono solamente due esempi di multinazionali chimiche che, tramite valutazioni AES, stanno includendo i principi della green chemistry all’interno delle loro produzioni.
La metodologia LCA è stata applicata come strumento scientifico per condurre analisi AES delle varie vie di produzione di bio-TA. Un’ampia descrizione dell’intera metodologia è stata già effettuata nel capitolo 4 dell’elaborato. In questa sezione verranno pertanto descritte tutte le fasi dell’applicazione di tale metodologia al caso studio in questione, entrando nei dettagli delle assunzioni e delle decisioni prese per la costruzione dei modelli degli scenari.
6.1. Definizione di obiettivi e scopi
Il presente studio ha l’obiettivo di applicare la metodologia LCA a processi appartenenti al settore chimico-industriale, in modo specifico alla produzione di acido tereftalico (TA) da fonti rinnovabili. Lo scopo è quello di mettere a confronto diverse vie di produzione di bio-TA analizzandone gli impatti ambientali al fine di
individuare quale possa essere la via più sostenibile. Cinque sono gli scenari indagati: due (Gevo® e BioForming®) già esistenti a livello industriale, mentre gli altri ancora in via di sviluppo (scala di laboratorio). Inoltre, verrà proposto il confronto tra il tradizionale precursore di TA, il p-xilene (PX), e l’innovativo utilizzo di p-cimene, di cui ultimamente è stata proposta una sua ossidazione ad acido tereftalico [27].
La decisione di effettuare questa analisi è dovuta all’estrema importanza che il TA riveste nell’attuale industria chimica, esso, come già visto, rappresenta il tassello mancante alla produzione di 100% bio-PET ed ha un mercato in continuo accrescimento. Nota la grande rilevanza, non solo scientifica ma anche sociale, ricoperta dalla possibilità di produrre uno dei principali polimeri da fonti rinnovabili, con il presente elaborato si intende eseguire una prima analisi di screening delle tante vie proposte, cercando di individuare quella che, su scala industriale, potrebbe garantire il minor impatto sull’ambiente.
6.2. Definizione dei confini del sistema
I confini del sistema di questo lavoro si estendono dalla fase di produzione ed estrazione delle materie prime fino alla formazione del prodotto finito, non vengono invece considerate le fasi di trasporto, utilizzo e smaltimento dello stesso. Quest’ultime fasi si ipotizzano di fatti identiche per ciascun prodotto, mentre l’aspetto innovativo è collocato a monte della filiera. Un approccio che segue questa tipologia di analisi viene comunemente definito from cradle to gate, poiché prende in considerazione solo tutti gli aspetti dall’estrazione delle materie prime alla sintesi del composto di interesse (cancello aziendale).
Il sistema si sviluppa sostanzialmente in due macro-processi: la produzione di p- xilene/p-cimene e la loro ossidazione ad acido tereftalico.
Per la fase a monte di tutto il sistema, ossia quella di produzione delle materie prime (isobutanolo per il processo Gevo®, zucchero per i processi BioForming®, DMF + acroleina ed HMF + etilene e limonene per il processo da p-cimene), sono stati considerati i contributi relativi all’estrazione e alla produzione dei reagenti, nonché gli aspetti energetici necessari per farlo. Mentre, per quanto riguarda i processi intermedi, che dalle materie prime formano (in due o tre passaggi) il prodotto di interesse, le richieste energetiche sono state volontariamente escluse
Rimangono così da considerare solo le emissioni relative ad ogni scenario, poiché tutti i sottoprodotti di tipo organico vengono inclusi nel calcolo dell’allocazione. In Figura 22 vengono mostrati, in modo schematico, i confini del sistema comuni ad ogni scenario. Essi saranno poi specificati più nel dettaglio durante la fase di inventario relativa ad ogni processo.
Figura 22 - Confini del sistema considerati
Dal punto di vista temporale e geografico non è possibile individuare dei veri e propri confini del sistema in esame, in quanto i dati reperiti derivano da più fonti indipendenti. Le informazioni utilizzate in questo lavoro sono state principalmente rintracciate dai brevetti e/o da articoli pubblicati nell’arco di tempo 2011-2016. Laddove le fonti omettevano alcune informazioni, è stato necessario integrarle con assunzioni e pareri di esperti. Le informazioni reperite ed i processi già esistenti nel database contengono dati relativi alle aree geografiche di interesse per lo studio (principalmente europee e americane).
6.3. Definizione dell’unità funzionale
Come accennato sopra, lo scopo di questo elaborato di Tesi è quello di confrontare le prestazioni ambientali di cinque differenti vie di produzione di bio-TA. Pertanto, al fine di standardizzare la modellazione e la valutazione degli impatti è stata scelta come unità funzionale la produzione di 100 kg di acido tereftalico. In questo modo è stato possibile riferire tutti gli ingressi e le uscite di ogni processo ad un’unica unità di riferimento. Ciò garantisce un confronto univoco tra i vari scenari, senza che le differenze di produttività (kg/h) dei diversi processi incidano sui risultati finali. Questa assunzione è necessaria soprattutto quando, come nel caso studio corrente, si vogliano confrontare processi già sviluppati a livello industriale con altri ancora in fase di studio.
6.4 Criteri di allocazione
Poiché i sottoprodotti ed i reagenti non convertiti sono esclusivamente molecole organiche, ed in molti casi di tipo aromatico, abbiamo assunto che ad esse potesse essere assegnato un valore di mercato non indifferente. Pertanto è stato scelto di effettuare un’allocazione così da riferire gli impatti ambientali al solo prodotto di interesse (TA). Tale assunzione evita di estendere i confini del sistema, immaginando ad esempio una combustione di tali specie. Questa assunzione è giustificata anche dal fatto che non sono stati inclusi nei confini del sistema gli aspetti energetici dei processi, per cui bruciare gli effluenti per ottenere recupero energetico sarebbe stato in contraddizione con quanto assunto. Al fine di effettuare l’allocazione seguendo il medesimo criterio logico per tutti gli scenari, essa conteggia, oltre al prodotto principale, tutte le specie organiche presenti in uscita dai reattori. Ne risulta pertanto che gli unici output conteggiati dai modelli sono costituiti dalle emissioni di H2O e CO2 (Figura 22).