Life Cycle Inventory: lignina

Per quanto riguarda l’LCI della lignina, vista la presenza in letteratura di un numero maggiore di studi, rispetto a quelli relativi al bio-olio derivante da letame suino, si è eseguito il medesimo ragionamento effettuato nell’Eurobitume, per quanto concerne il bitume, eseguendo un’allocazione di tipo economica sia per l’emissione di anidride carbonica che per l’energia necessaria alla produzione della lignina Kraft.

Per quanto attiene all’emissione di anidride carbonica si è fatto riferimento allo studio condotto da Khandelwal (2019), il quale ha indagato, attraverso differenti tipologie di allocazione (di massa, di energia ed economica), le relative emissioni di CO2, dovute alla preparazione di un conglomerato bituminoso, tipo ZOAB (Porous Asphalt - Zeer Open Asfalt Beton). I risultati riportati nello stesso, fanno riferimento al conglomerato, anche se in questo lavoro di tesi, si è maggiormente interessati all’emissione di gas serra riferiti alla trasformazione e all’ottenimento della lignina in polvere, attraverso il processo, detto Lignoboost. Come riportato da Khandelwal (2019), questo processo è responsabile della maggior parte delle emissioni dirette di gas serra in atmosfera e quindi si è deciso di assumere tale valore, riportato nello studio, come quello di nostro interesse, in quanto non sono stati rinvenuti valori, riferiti esclusivamente al processo menzionato.

Il valore di emissione di CO2,eq., valutato attraverso un’allocazione di tipo economica, riportato nello studio di Khandelwal (2019), della lignina Kraft, risulta essere pari a:

𝐶𝑂 _{, .}= 59,600 𝑔

𝑡𝑜𝑛= 54,068 𝑔 𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡 𝑡𝑜𝑛

Per quanto riguarda, invece, il valore di energia, seguendo la definizione di “allocazione”, vanno individuati i prodotti o sottoprodotti, derivanti da una stessa filiera, in modo da poter capire come suddividere i flussi, in questo caso, energetici, rispetto al totale.

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Come noto, dal legno, attraverso un processo di lavorazione (processo Kraft) si ottengono: la polpa di cellulosa, destinata all’industria della carta, e uno scarto, detto black liquor, contenete al suo interno la lignina ed altri scarti di lavorazione.

Figura 97 Processo Kraft e sottoprodotti ottenuti (riadattato) (Khandelwal, 2019)).

Per giungere alla suddivisione dei flussi di energia tra polpa di cellulosa e black liquor sono stati ricercati, in letteratura, studi che analizzassero questi due processi distintamente.

Oltre a questo, è stata eseguita una ricerca mirata, anche, sui due rispettivi costi (€/ton) della polpa e della lignina.

Partendo dalla quantificazione delle energie, per quanto riguarda la polpa di cellulosa (o pasta Kraft), è stato preso a riferimento uno studio [4], nel quale viene specificato che esistono differenti stabilimenti per la produzione di pasta di cellulosa, in base al processo:

non integrati²⁹ e integrati³⁰.

29Gli stabilimenti non integrati di pasta (pasta commerciale), producono solo la pasta, che viene quindi venduta sul mercato e, queste, acquistano la stessa, per la loro produzione di carta.

30Negli stabilimenti integrati le attività di produzione della pasta e della carta, si svolgono nello stesso stabilimento.

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- 131 - Nello studio [4], non sono stati trattati:

- i processi a monte, rilevanti dal punto di vista ambientale, come: la gestione forestale, la fabbricazione, in altri stabilimenti, dei prodotti chimici, necessari per la lavorazione e il trasporto delle materie prime alla cartiera;

- le attività a valle, come la stampa.

Inoltre, esistono varie tipologie di fabbriche di pasta Kraft, dette a basso consumo energetico, dove le componenti di energia termica ed elettrica sono indicate di seguito:

- fabbriche non integrate di pasta Kraft sbiancata: 10-14 GJ/Adt³¹ di calore di processo e 0.6-0.8 MWh/Adt di energia elettrica;

- fabbriche integrate di pasta Kraft sbiancata: 14-20 GJ/Adt di calore di processo e 1.2-1.5 MWh/Adt di energia elettrica;

- fabbriche integrate di pasta Kraft non sbiancata: 14-17.5 GJ/Adt di calore di processo e 1-1.3 MWh/Adt di energia elettrica.

Per questo lavoro di tesi, non entrando nel particolare della diversa tipologia di stabilimento, si è deciso di prendere a riferimento un valore medio di energia, pari a:

𝐸 = 14,917 𝑀𝐽

𝑡𝑜𝑛 = 15,533 𝑀𝐽 𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡 𝑡𝑜𝑛

Per quanto riguarda, invece, l’energia necessaria per la precipitazione della lignina, partendo dal black liquor, si è preso a riferimento un differente studio, condotto da Bernier et al. (2013). Questo si è concentrato sull'inventario del ciclo di vita (LCI) della lignina, originata dal processo di produzione della pasta di cellulosa Kraft, eseguendolo tramite la banca dati Ecoinvent 2.2. Il confine del sistema include la precipitazione della lignina dal black liquor, il lavaggio e l’asciugatura ma esclude: la raccolta della legna e il processo di macero. Di seguito si riporta uno schema nel quale vengono mostrate le principali fasi del recupero della lignina in un mulino Kraft ed i corrispondenti limiti del sistema, considerato in questa analisi del ciclo di vita (LCA).

31 Air dried ton: tonnellata “secca”.

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Figura 98 Confine del sistema per l’LCI della lignina Kraft (Bernier et al., 2013).

Di seguito si riporta una tabella riassuntiva, nella quale si possono individuare le informazioni utili al nostro scopo:

Figura 99 Processi Ecoinvent, utilizzati per modellare l’LCI della lignina Kraft (Bernier et al., 2013).

Dalla tabella soprariportata si individua il valore di energia utilizzata e stimata per il processo di estrazione della lignina, valutata pari a:

𝐸 = 31,500 𝑀𝐽

𝑡𝑜𝑛 = 28,576 𝑀𝐽 𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡 𝑡𝑜𝑛

Come evidente, il valore di energia appena riportato, risulta essere molto più alto rispetto a quello ricavato per la sola polpa di cellulosa.

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Questo è dovuto al fatto che per l’estrazione della lignina sono necessarie maggiori lavorazioni, che richiedono un consumo superiore, in termini di energia.

Essendo interessati ad un’allocazione di tipo economico, sono stati reperiti anche i valori di mercato (€/ton) relativi sia alla polpa che alla lignina.

Per quanto riguarda il costo della polpa Kraft, si è fatto riferimento allo studio condotto da Secchi et al. (2019), il quale ha investigato, tramite un LCA e differenti allocazioni, il potenziale utilizzo della lignina non come scarto, ma come un co-prodotto della filiera Kraft. Nel caso specifico, viene riportata l’allocazione economica, in base al prezzo di mercato della lignina, relativo al periodo Ottobre 2013 - Maggio 2015.

Per quanto concerne il costo della polpa, il gruppo di studiosi ha fatto riferimento all’Index Mundi³² [5], portale che raccoglie statistiche di vari settori e differenti risorse, rilevando un prezzo medio della lignina, pari a: 688 €/ton.

Per quanto attiene, invece, al costo della lignina, la ricerca di un unico valore, risulta essere più complessa, in quanto questo dipende dalla qualità della lignina ottenuta, in seguito al processo Kraft. In letteratura sono presenti diversi studi che indicano un costo diverso di lignina che, in base alla sua qualità, può variare dai 310 €/ton ai 2500 €/ton.

Non essendo, pertanto, facilmente determinabile il valore di mercato della lignina, si è preso a riferimento il prezzo indicato nello studio di Secchi et al. (2019), pari a 1500 €/ton, valore medio, tra 1000 e 2000 €/ton, presi come limiti inferiore e superiore, sui quali è stata eseguita, poi, una Sensitivity Analysis, per investigare come varino le percentuali di allocazione, rispettivamente, per polpa e lignina Kraft.

Dallo studio, si evince che, eseguendo un’allocazione di tipo economico, considerando il limite superiore di 2000 €/ton, è stato riportato che il 58 % è stato allocato nella produzione della polpa, mentre il restante 42 % nella lignina.

32 L’Index Mundi, riferito alla polpa di cellulosa (Wood Pulp Monthly Price), riporta il costo di mercato mensile e ne rappresenta un andamento grafico, per diversi orizzonti temporali (se mesi, uno, cinque, dieci, quindici e venti anni).

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Considerando, invece, il costo minimo di 1000 €/ton, è stato ottenuto che il 74% fosse allocato nella produzione della polpa ed il restante 26 % nella lignina. Infine, poi per 1500

€/ton, di costo della lignina, è stato considerato che il 65 % degli impatti fossero allocati nella produzione della polpa ed il restante 35 % nella lignina.

Infine, nell’analisi PaLATE, verrà utilizzato un valore di energia, dovuta alla produzione di lignina, pari a:

𝐸 = 35 % ∙ 𝐸 = 16,246 𝑀𝐽

𝑡𝑜𝑛 = 14,738 𝑀𝐽 𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡 𝑡𝑜𝑛 Ricapitolando:

Tabella 13 Valori LCI di interesse per la lignina, da inserire in PaLATE (ton = short ton).

CO2,eq

[g/ton] Energia [MJ/ton]

54,068 14,738

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