Come già descritto nella parte generale, l’approccio scientifico impiegato in questo studio è quello della valutazione del ciclo di vita, pertanto la parte sperimentale sarà suddivisa seguendo proposto per la metodologia: definizione degli obiettivi e del campo di applicazione, analisi di inventario, valutazione degli impatti ed interpretazione. Come già detto, lo studio è stato eseguito impiegando il software SimaPro 7.3.3 e il database Ecoinvent 2.2, entrambi descritti nel paragrafo precedente.
6.1 DEFNIZIONE DEGLI OBIETTIVI E DEGLI SCOPI.
6.1.1 Definizione degli obiettivi
L’obiettivo di questo lavoro di Tesi consiste nell’applicazione della metodologia LCA a processi chimici; si tratta di un settore poco studiato mediante l’approccio del ciclo di vita, a causa delle molte difficoltà, sia nella reperibilità di dati attendibili sia nella modellazione di sistemi spesso molto complessi. In particolare, in questo studio, l’obiettivo è quello di confrontare due processi di produzione dell’acrilonitrile al fine di valutare e confrontare i rispettivi impatti ambientali. I due sistemi oggetto di indagine sono rispettivamente il processo usato a livello industriale partendo da propene e quello alternativo (sviluppato quasi solo a livello pilota) che produce acrilonitrile alimentando propano.
I motivi che hanno condotto lo studio verso la reazione di ammonossidazione sono principalmente due: il primo riguarda la grande importanza commerciale dell’acrilonitrile, il quale (come detto in precedenza) rappresenta un monomero estremamente versatile e diffuso. Il secondo motivo, di non minore importanza, riguarda la reazione di ammonossidazione da propano, la quale, oltre a garantire un ampio guadagno in termini economici (benché variabile in base alle quotazioni del petrolio), sembrerebbe avere maggiore sostenibilità ambientale, partendo da materia prima più semplice, non trasformata. Proprio per questo secondo motivo si è voluto verificare l’effettivo impatto del processo nel suo intero ciclo di vita, confrontandolo con quello più largamente diffuso da propene.
6.1.2 Definizione degli scopi
Vengono di seguito riportati i criteri adottati per l’analisi, in accordo con le norme ISO 14040 e 14044.
6.2 DEFINIZIONE DEI CONFINI DEL SISTEMA
Il presente lavoro è un’analisi LCA from cradle to gate,dalla culla al cancello, poiché lo studio del sistema si sviluppa dalla fase di estrazione e produzione delle materie prime (propene e propano) fino all’ottenimento del prodotto finito, non prendendo in considerazione le fasi di trasporto ed impiego dello stesso una volta uscito dalla fabbrica di produzione.
Nello studio è compresa infatti l’analisi a monte che coinvolge la produzione del propene (tramite due vie: steam e catalytic cracking) e del propano (tramite reforming della nafta). In questa fase per ogni voce, sia negli input che negli output ai processi, vengono considerati i contributi relativi all’estrazione delle materie prime, al trasporto, alla produzione della materia prima e alla produzione di calore.
Per quel che riguarda la fase a valle dell’intero sistema, cioè il processo di produzione di acrilonitrile vengono inclusi nei confini tutti gli input di materia ed energia, i contributi dovuti all’impianto e al trasporto, inoltre viene considerato nella modellazione anche lo scambio termico del processo, il recupero energetico di propene o propano non reagito, il catalizzatore ed i processi di trattamento dei principali sottoprodotti.
Di seguito, in Figura 17, vengono mostrati schematicamente i confini del sistema considerati.
Figura 17. Confini del sistema considerati
Nello studio vengono considerati tutti i legami tra il sistema qui sopra rappresentato e l’ambiente, comprendendo tutti gli input ed output senza porre limiti di carico ambientale.
Non è semplice dare dei confini temporali a questo lavoro. Di fatti, le informazioni utilizzate non derivano direttamente da impianti specifici, poiché ogni azienda custodisce con cura tutti i dati relativi ai propri processi, rendendo molto complicata la loro reperibilità. Pertanto la maggior parte dei dati contenenti le specifiche di ciascun processo sono stati quindi rintracciati nei brevetti pubblicati, dalla fine degli anni ’80 ai primi anni 2000, dalle aziende produttrici.
6.3 DEFINIZIONE DELL’UNITÁ FUNZIONALE
La scelta dell’unità funzionale, sulla base della quale verranno poi confrontati i processi ed i carichi ambientali, è stata eseguita tenendo in considerazione lo scopo dello studio. Si è deciso pertanto di prendere in considerazione ciò che rappresenta la funzione principale del processo: la produzione di acrilonitrile, scegliendo come unità funzionale 1kg di acrilonitrile prodotto, sia per i processi che impiegano propene sia per quelli che partono da propano. Questa unità funzionale ha permesso di svincolare lo studio dalla produttività annua di acrilonitrile, garantendo una possibilità di confronto anche con processi ancora in fase di sviluppo.
6.3.1 Criteri di allocazione
I processi di ammonossidazione di propene e propano hanno come principali sottoprodotti l’acetonitrile e l’acido cianidrico.
Pertanto, al fine di indagare gli impatti ambientali relativi alla sola produzione del prodotto desiderato, è stato necessario effettuare un’allocazione sulla base dei rapporti in massa tra l’acrilonitrile e i maggiori sottoprodotti. Sono stati calcolati nuovi fattori allocazione per ogni scenario considerato, sia da propene che da propano, sulla base di specifiche di processo quali: resa, conversione e selettività.
In base a queste informazioni, per ogni scenario è stata considerata la massa totale in uscita, data dalla somma di quella di acrilonitrile, acetonitrile ed acido cianidrico, calcolando il contributo di 1kg di acrilonitrile rispetto alla massa totale: il valore che si ottiene rappresenta il fattore di allocazione per il nostro processo (Tabella 3). Dato che i vari processi da propene e propano hanno selettività diverse, per ogni processo è stato necessario calcolare il rispettivo fattore di allocazione.
Coproducts kg/ton ACN Fattore di allocazione
ACN 1 0,88
AcN 0,03 0,03
HCN 0,1 0,09
Tabella 3. Esempio di calcolo del fattore di allocazione, riferito al processo di ammonossidazione del propilene (Cavani et al. 2008).
Gli scenari oggetto d’indagine sono stati creati usando come base il processo Sohio, che parte da propene, preesistente nel database di riferimento (Ecoinvent 2.2, Boustead 2005). Per questo motivo i nuovi fattori di allocazione sono stati utili a modificare i valori di quei processi per i quali non è stato possibile trovare ulteriori informazioni se non quelle già presenti in database, come: sostanze emesse in aria ed acqua, trasporti, informazioni relative all’infrastruttura dell’impianto chimico, produzione di energia, calore e acqua utilizzati impianto.