Ecologia Industriale (IE) – una Visione Globale.

Ecologia Industriale (IE) – una Visione Globale.

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

http://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

L’Equazione Fondamentale

Un modo utile per focalizzare le risposte più efficienti che la società può fornire alla salvaguardia ambientale e agli stress sociali è quello di esaminare i

principali fattori implicati nella generazione di questi stress.

Equazione fondamentale:

GDP Impatto ambientale Impatto ambientale Popolazione

persona Unità di GDP

  

GDP = prodotto nazionale lordo (misura dell’attività economica e industriale)

(IPAT = C·r·a

)

Dimensione popolazione

Consumo di risorse pro capite

Inquinamento per unità di risorsa consumata

(N° persone) (Unità risorsa./

persone)

(Unità inquin./

unità risorsa)

Materiali Potenzialmente Riciclabili.

Si possono individuare tre importanti classi di uso dei materiali:

(1) Usi che sono economicamente e tecnologicamente compatibili con il riciclo ai prezzi e alle leggi attuali;

(2) Usi che non sono economicamente compatibili con il riciclo ma per i quali il riciclo è tecnicamente fattibile, per esempio, se si risolve il problema della raccolta; e

(3) usi per i quali il riciclo è inerentemente non fattibile.

Certo c'è una indubbia semplificazione in questa classificazione, ma si può trovare un compromesso ragionevole. In termini generali, si può

concordare che i metalli e i catalizzatori industriali (inorganici) appartengano alla prima categoria; altri materiali strutturali e le confezioni, come pure la maggior parte di refrigeranti e solventi, ricadano nella seconda categoria. Questo lascia i rivestimenti, i pigmenti, i pesticidi, gli erbicidi, i germicidi, i conservanti, i

flocculanti, gli anti-congelanti, gli esplosivi, i propellenti, i ritardanti di fiamma, i

detergenti, i fertilizzanti, i combustibili, i lubrificanti e simili nella terza categoria.

Problemi nell'Uso Dissipativo delle Risorse.

Esempi di uso dissipativo : Materiali di Classe 3:



Zolfo



CFC



Ammoniaca



Acido fosforico



Cloro

• (N.B. Benché siano classificati di classe 2 quando si usano in plastiche e solventi)

Sostanza 10⁶ T Usi Dissipativi

Composti chimici

Cloro 25.9 Acidi, sbiancanti, trattamento acque, PVC, solventi, pesticidi, refrigeranti Zolfo 61.5 Acido (H₂SO₄), sbiancanti, prodotti chimici, fertilizzanti, gomma, edilizia Ammoniaca 24.0 Fertilizzanti, detergenti, p. chimici, HNO₃ Acido fosforico 93.6 Fertilizzanti, composti chimici

NaOH 35.8 Sbianca, saponi, composti chimici Na₂CO₃ 29.9 Vetro, Composti chimici

Metalli Pesanti

Solfato di Rame 0.10 Fungicida, alghicida, cons. legno, catal.

Bicromato di Na 0.26 Cromature, Concia, alghicida Ossidi di

Piombo

0.24 Pigmento, vetri, rivestimenti

Solfuro di Zinco 0.46 Pigmento

Ossido di Zinco 0.42 Pigmento, pneumatici Biossido di Ti 1.90 Pigmento

Piombo alchili ? Additivi benzine

Arsenico ? Conservante legno, erbicida

Mercurio ? Fungicida, catalizzatore, produzione Cl₂

Esempio di Uso Dissipativo: Zolfo.



Praticamente tutto lo zolfo estratto è dissipato o

scartato



Soprattutto convertito in acido solforico – usato in composti chimici non- riciclabili



Così lo zolfo finisce con appartenere per lo più alla terza categoria.

Ma… … il gesso!

Zolfo 61.5

Acido solforico 143.4 Usi non acidi

p.es., vulcaniz.

-45.0 (?) 16.5 (?)

Processo Frash 15.0

Piriti 11.1

Sotto-prodotto (carbone, gas, Cu, Zn)

35.4

-59.0 (?)

Fertilizzanti fosfatici

-35 (?)

Raffinazione Petrolio

-3.0

Dilavamento metalli non Fe

-1.0

Chimici e Plastica, mix.

-6.8

Cellulosa e carta

-0.5

*Dati in milioni di metri cubi

-25.0 (?)

(teragrammi/anno, Tg/anno).

Carbonio Azoto Zolfo

Tg/anno % Tg/anno % Tg/anno %

Nell’atmosfera, totale 7,900 4 55.0 12.5 93 55.5

Comb. Fossili e Metallurgia 6,400 45.0 92

Disboscamento, deforestazione 1,500 2.6 1

Volatilizzazione fertilizzanti ^a 7.5

Nel suolo, totale 112.5 21 73.3 23.4

Concimazione 67.5 4.0

Smaltimento rifiuti ^b 5.0 21.0

Piogge acide (antropogenica) 30.0 48.3

Ricaduta (NH₃, NH₄⁺) (antropogenica) 10.0

Nei fiumi e oceani, totale 72.5 25 52.5 21

Ricadute acide (antropogeniche) 55.0 22.5

Smaltimento rifiuti ^b 17.5 30.0

A Assumendo una perdita del 10% dell’ammoniaca sintetica in base ai fertilizzanti applicati ai terreni (75 Tg/anno)

B Produzionetotale (= uso) meno l’uso di fertilizzanti, allocati in discariche. Il resto si assume sia smaltito.

“Tirannie” del Tipo e Grado di Minerale (Kellogg).

0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100.0

10

10

10

10

10

10

Pb Cu Ni

Al

O

da Clay Al

O

da

Bauxite Nichel da Laterite

Qualità del Minerale, % di Metallo

Concentrati da Solfuri Minerali

Rame da Rocce Comuni Piombo da Rocce Comuni

Energ ia, (Jou le per Ton .) di Metallo Recuperato

Metalli da Materiali Primari e Secondari.

0 100 200 300

Acciaio Rame Rame Alluminio

Giga joule/1000Kg

Da scarti medi

da scarti di basso tenore

da scarti di alto tenore

100% scarti in EAF (electric arc furnace) BOF (Basic Oxygen Furnace)

da minerale 1.0%

da minerale 0.3%

da bauxite

Diagramma di Sherwood: Valore vs. Diluzione.

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

1E-08 0,000001

0,0001 0,01

1 100

Prezzo ($/lb)

Diluizione (espressa come concentrazione percentuale) Ossigeno

Rame

Zolfo da gas

Magnesio dall’acqua marina

Bromo da acqua marina Penicillina

Uranio da Minerale Oro estratto Vitamina B₁₂

Radio

Un’Opportunità Economica?

Metallo

Minima concentrazione recuperabile, dal diagramma

di Sherwood (frazione massiva)

Contenuto totale in reflui pericolosi

(ton/anno)

Frazione ricuperabile di

metallo nel refluo

Percentuale di metallo riciclato dal refluo

Antimonio (Sb) 0,00405 17,000 0.74-0.87 35

Arsenico (As) 0.00015 440 0.98-0.99 3

Bario (Ba) 0.0015 59,000 0.95-0.98 1

Berillio (Be) 0.012 5,300 0.54-0.84 11

Cadmio (Cd) 0.0048 16,000 0.82-0,.97 8

Cromo (Cr) 0.0012 90,000 0.68-0.89 5

Rame (Cu) 0.0022 110,000 0.85-0.92 10

Piombo (Pb) 0.074 190,000 0,84-0,95 56

Mercurio (Hg) 0.00012 5,400 0.99 16

Nichel (Ni) 0.0066 3,000,000 1.00 0.1

Selenio (Se) 0.0022 2,000 0,93-0,95 29

Argento (Ag) 0,000035 17,000 0.99-1.00 1

Tallio (Tl) 0.00004 280 0.97-0.99 5

Vanadio (V) 0.0002 4,400 0.74-0.98 1

Zinco (Zn) 0.0012 270,000 0.95-0.98 12

Ecologia: Definizione.

“L’ecologia è la disciplina scientifica che riguarda le relazioni tra gli organismi ed il loro ambiente passato, presente, e

futuro”.

Fonte: Ecological Society of U.E .

Livelli di organizzazione ecologica:

• Comunità*

• Ecosistemi

• Eco regioni

* Reschke, C., 1990. Ecological Communities of New York State. New York Natural Un insieme variabile di popolazioni di

piante ed animali interagenti che condividono un comune ambiente.*

Produttori Primari

 Organismi che catturano l’energia solare che attiva i livelli trofici della

catena alimentare in ecosistemi (1

, 2

e 3

livello trofico)

Livelli Trofici



1

livello trofico: piante in ecosistemi terrestri, membri acquatici quali piante, alghe, fitoplancton, ecc.



2

livello trofico: consumatori primari come animali, zooplancton, insetti, ecc.



3

livello trofico: consumatori secondari quali uccelli, mammiferi carnivori, pesci, ecc.



Livello trofico superiore: uomini nella catena alimentare



Gli inquinanti si accumulano nel corso del trasferimento tra livelli:

per es. PCB, DDT, certi pesticidi, composti del mercurio nei pesci,

metalli pesanti in piante e animali.

Esempi di Comunità.

1 3

4

Definizioni Correlate.

Enfasi sulle interconnessioni tra i vari componenti viventi e non- viventi. Nessuno esiste da solo e nessun evento avviene

indipendentemente dagli altri.

• Ecosistema



qualsiasi area geografica che include tutti gli organismi e le parti non viventi del loro ambiente fisico.

• Biodiversità



La diversità biologica, o biodiversità, si riferisce alla varietà delle forme di vita a tutti i livelli di organizzazione, da quello molecolare a quello del paesaggio.

• Ogni specie gioca un ruolo funzionale nella comunità

• La stabilità è una funzione della biodiversità

• Effetti vistosi a seguito della perdita di una specie

• Impatto rilevante per l’introduzione di una specie esotica

Esempi di Ecosistemi.

1

2

3

4

Cicli Bio-Geo-Chimici Coinvolti nell’Ecologia.

Schema di Ciclo Bio-Geo-Chimico (CHIUSO)

Fonte: Ayres

INORGANICI

Rocce sedimentarie Ferro ferrico

Solfato Carbonato

Fosfato

BIOMASSA

(animata)

BIO-PRODOTTI morte

eliminazione

rigenerazione

NUTRIENTI

CARBONIO AZOTO FOSFORO ZOLFO

rigenerazione sequestro

mobilizzazione

(Inanimati)

sequestro

mobilizzazione

assimilazione (fotosintesi)

Attuali Sistemi Industriali.

• L’unità base di un ecosistema naturale è l’organismo, mentre quella di un sistema industriale è l’azienda

• Gli ecosistemi naturali trattano i materiali in cicli chiusi mentre, in pratica, all’interno dei sistemi industriali i materiali viaggiano in una sola direzione

• I sistemi naturali riciclano completamente i materiali, mentre nei sistemi industriali il livello di riciclaggio è spesso molto basso

• Gli organismi hanno tendenza a concentrare i materiali quali la CO

dall’aria stoccandola in biomassa mentre i sistemi industriali tendono a diluire i

materiali ad un livello a cui non si possono riciclare economicamente, ma hanno ancora potenzialità di inquinare

• La maggiore funzione degli organismi è la riproduzione, mentre lo scopo delle strutture industriali è di generare beni, servizi e guadagni

• Le riserve dei materiali necessari agli ecosistemi naturali sono

essenzialmente costanti (O

, CO

e N

dell’aria per esempio) mentre i sistemi industriali si confrontano con riserve esauribili di materiali (miniere, pozzi).

• Il riciclo fornisce riserve essenzialmente costanti di materiali.

Cicli dei Materiali Industriali.

Schema di Ciclo di Materiali Industriali (CHIUSO)

Fonte: Ayres

consumo scarti

CAPITALE PRODUTTIVO

• Macchine

• Strutture

• Terra

• Inventari

PRODOTTI FINALI

MATERIE PRIME E

COMMODITIES

estrazione

AMBIENTE

NATURALE

riciclo scarti

rifabbricazione ricondizionamento

distribuzione dei beni finali

accumulo di beni capitali

sotto-prodotti scarti interni

Processi di produzione

Definizione.



L’ecologia industriale (IE) è lo studio dei mezzi con cui l’umanità può deliberatamente e razionalmente approcciare e mantenere una

auspicabile capacità di operare, data l'attuale evoluzione economica, culturale, e tecnologica.

Graedel e Allenby



Un sistema che "massimizzi l’uso economico dei materiali di scarto e dei prodotto a fine vita come ingressi per altri processi e industrie."

Frosch, 1992



Rappresenta una visione sistemica, inlusiva, integrata di tutte le componenti dell’economia industriale e delle loro relazioni con la biosfera. Essa evidenzia le basi biofisiche delle attività umane: i complessi scenari dei flussi dei

materiali sia all’interno che all’esterno del sistema industriale. Al contrario, gli

approcci correnti considerano l’economia più in termini di unità monetarie

astratte o di flussi energetici. IE considera le dinamiche tecnologiche come

elementi cruciali per raggiungere una transizione dall’attuale sistema non

sostenibile ad un ecosistema industriale in grado di sopravvivere.

Ecologia Industriale: Evoluzione Storica.

Anni 1970: primi scritti e normative ambientali, introduzione di tecnologie del non-scarto; gruppo di Lavoro Giapponese Industria-Ecologia

Anni 1980: misure di fine processo, più lavori ma nessuna attenzione;

l’ecosistema Belga

1989: R. Frosch e N. Gallopoulos in “The Scientific American”; R. Ayres introduce il Metabolismo Industriale:



Basato sul principio di conservazione della massa



Identifica e traccia i flussi d’energia e materiali tra i vari sist emi

1991: Ulteriormente definita da Harden Tibbs come “progettazione delle infrastrutture industriali come una serie di ecosistemi interconnessi fatti dall’uomo che si interfacciano con gli ecosistemi naturali”.

1995: Concertazione tra sistemi industriali e intorno (Graedel / Allenby) 1995: Studio multidisciplinare di sistemi industriali ed economici (IEEE) 1996: Fusione tra pensare i sistemi e ingegneria ed economia dei sistemi

(O’Rourke et al.).

l’Ecologia Industriale (1977).

Derivati dall’applicazione sistematica della teoria dei sistemi. Includono il Secondo Principio della Termodinamica, gerarchia e attrattori:

1. Interfaccia. L’interferenza tra sistemi fatti dall’uomo e gli ecosistemi naturali deve riflettere la capacità limitata degli ecosistemi naturali di fornire energia ed assorbire scarti prima che le loro potenzialità di sopravvivenza siano tanto alterate da non poter mantenersi attiva.

2. Imitazione (Mimicry). Il comportamento e la struttura dei sistemi

sociali a larga scala deve essere il più possibile simile a quello attivo negli ecosistemi naturali.

3. Biotecnologia. Ove fattibile, la funzione di un componente di un

sistema sociale deve esser svolta da un sottosistema della biosfera naturale.

4. Le risorse non-rinnovabili si devono usare solo come spese in conto capitale per attivare le risorse rinnovabili. Le risorse non sono

inerentemente rinnovabili, è come le usiamo che le rende rinnovabili.

Metabolismo Industriale (IM).

Definizione: “La raccolta complessiva integrata dei processi fisici che

convertono le materiale prime e l’energia, più il lavoro, nei prodotti finiti e negli scarti in una condizione (più o meno) stazionaria”. Un ecosistema

industriale funziona tramite gruppi di insiemi industriali, distributori ed altre aziende funzionanti a vantaggio reciproco, riciclando gli scarti e usando l’energia con efficienza per massimizzare la quantità:

L'IM ha analogie con i processi di un organismo vivente: si alimenta con cibi per l’auto-sostentamento e elimina gli scarti. Basato sul principio della

conservazione della massa, applica la chimica verde a livello molecolare e l’ingegneria verde a livello di unità produttive, di aziende, di ecosistemi industriali e anche globalmente.

Differenze: Gli organismi si riproducono da soli, si specializzano, cambiano su lunghi periodi temporali. Le aziende producono prodotti o servizi, non

specializzati, possono cambiare velocemente.

Valore di mercato del prodotto Consumi di materiali ed energia

Ecosistemi Naturali e Industriali.

L’analogia tra sistemi industriali e sistemi naturali:



entrambi hanno cicli di energia e nutrienti/materiali.



strategie della natura per far fronte alla sostenibilità:

• reciclaggio/decomposizione

• rinnovamento

• conservazione e controllo della popolazione

• presenza di tossine

• funzione multiple di un organismo

Integrità Ecologica.

Tre aspetti dell’auto-organizzazione:

1. Benessere attuale

– Salute ecologica del sistema.

2. Resilienza

– Capacità di risposta dell’ecosistema allo Stress.

3. Capacità di svilupparsi

– Potenzialità del sistema di continuare ad auto- organizzarsi.

(Kay and Regier 2000)

Ricordarsi che l’IE è lo studio dei flussi di materiali ed energia nelle attività industriali e di consumo, del relativo effetto sull’ambiente e dell’influenza dei fattori economici, politici, regolatori e sociali sui flussi, uso e trasformazioni delle risorse.

L’obiettivo dell’IE è una migliore comprensione delle modalità di integrazione delle esigenze ambientali con le attività economiche.

Tale integrazione è necessaria per promuovere lo sviluppo sostenibile, a livello globale, regionale e locale, che risulti in:

• Uso sostenibile delle risorse

• Salute ecologica e umana

• Equità ambientale (Robert White 1994)

CONTESTO

Struttura dell’Ecologia Industriale.

Valutazione della scarsità e

effetti ambientali dell’uso e flussi delle risorse Mappatura

di riserve e flussi

di materiali e energia

Processi di trasformazione - Attori e fattori

Obiettivi Specifici della IE.

• Sistemi Industriali (cambiamenti tecnologici e ambiente)



visti nel contesto dell’ambiente circostante, non a se stante (LCA, gestione del prodotto, …)

• Ottimizzazione dell’intero ciclo dei materiali (dematerializzazione, DFE)



da materiali vergini a quelli finiti



da componenti a prodotto



da prodotto obsoleto a riciclo ("metabolismo industriale“)

• Ottimizzazione risorse, energia, capitale



parchi eco-industriali;



politica ambientale;



eco-efficienza

Economia

«Standard»

Chiusura ciclo Dematerializzazionee Ingresso

Risorse

Uscita Rifiuti

Economia Sostenibile

Entrambe le Economie Hanno lo Stesso GDP

Ecologia Industriale: Prospettive.

Cinque prospettive:

1. Abitabilità a lungo termine

2. Mitigazione delle alterazioni apportate ai cicli che reggono la vita 3. Scopi globali piuttosto che problematiche transitorie

4. Identificare ed evitare le istanze in cui l’attività umana sopraffà la natura

5. Comprendere e modificare i comportamenti anziché condannarli.

Ora

Azione immediata Rivoluzione

industriale

Visione a Lungo termine

Stadio di sviluppo

Ricettacolo di Scarti.

Ecosfera Antroposfera Fonte di:

Materiali, Energia,

Acqua Terra

Ricettacolo di:

Scarti ed Emissioni Bisogni e

Desideri Radiazione Solare

(T_eff ~ 6000K

soprattutto UV, visibile e IR)

Radiazione della Terra (T_eff ~ 300K

soprattutto IR)

Servizi

Prodotti

Produzione

La produzione Industriale e i sistemi di consumo usano l'ambiente come fonte di risorse e ricettacolo di scarti ed emissioni

Il GRANDE

Quadro:

Industriale e Relativi Flussi di Materiali e Energia.

Riciclo,

rifabbricazione Oggetti recuperati

e prime vergini

Comunicazioni

Trasporto

Materiali riciclati

Fabbricazione di beni

Flusso di energia

Flusso di energia

Lavorazione del materiale

Componenti, materiali riciclabili Componenti recuperati

Settored’uso

Sostenibilità

Ecologia Industriale

Aziendale

 proget. per l’ambiente

 prevenzione inquinamento

 eco-efficienza

 contabilità verde

Interaziendale

 simbiosi industriale

 cicli di vita prodotto

 iniziative nel settore industriale

Regionale / Globale

 budget e cicli

 studi di flussi di materiali ed energia (metabolismo industriale)

A tutti i livelli, l’ecologia industriale intende fornire strumenti e conoscenze per l’analisi e la progettazione verso soluzioni più sostenibili.

L’Ecologia Industriale Opera a tre Livelli.

Ecologia Industriale – Una Visione di Sistemi.

Attrezzature Industriali Materiali

Energia

Prodotti

Sottoprodotti nell’aria

Nel suolo Nell’acqua

OTTIMIZZAZIONE:

Efficienza delle risorse efficienza energetica Efficienza emissioni Efficiena economica

Attrezzature Industriali Materiali

Energia

Prodotti

Sottoprodotti Scala Locale

Scala Globale

Materiali Riciclati

COMPRENSIONE:

Metabolismo?

impatti e risorse Amb.?

Attori, barriere, drivers?

Soluzioni tecn. e org.?

I Sei Principali Elementi della IE.

Ecosistemi Industriali — cooperazione promossa tra varie industrie in modo che lo scarto di un processo di produzione sia la materia prima per un altro.

Bilanciamento di ingressi e uscite industriali rispetto alle restrizioni dei sistemi naturali — Identificazione dei modi in cui l’industria può interfacciarsi senza pericoli con la natura in termini di territorio, intensità e tempistica, nonché sviluppo di indicatori per il monitoraggio in tempo reale.

Dematerializzazione dei prodotti industriali in uscita — sforzarsi di diminuire l’intensità di materiali e energia nelle produzioni industriali.

Miglioramento dell’efficienza dei processi industriali — ri-progettare i processi e i modelli di produzione per la massima conservazione delle risorse.

Sviluppo delle fonti rinnovabili di energia per la produzione industriale —

creazione di un sistema di energia mondiale che funzioni come parte integrale degli eco-sistemi industriali.

Adozione di nuove politiche economiche di sviluppo nazionali e internazionali —

Integrazione di contabilità economica e ambientale nelle opzioni politiche.

Obiettivi dell’Ecologia Industriale.

Atmosfera Idrosfera Geosfera Biosfera

Combustione dei Combustibili

Fossili

L’emissione di idrocarburi

parzialmente incombusti ed ossidi di azoto causa lo smog

fotochimico; piogge acide causate dalle emissioni di ossidi di zolfo;

effetto serra

Inquinamento dell’acqua dalle acque acide di miniera, sottoprodotti della produzione di petrolio, piogge acide,

Alterazione del suolo dall’estrazione del carbone

Effetti indiretti

Produzione e Lavorazione

Industriale

Emissioni di gas, vapori, e particelle, gas serra, gas acidi,

Inquinamento, in pericolo le limitate fonti di acqua

Scarti solidi e pericolosi dalle industrie estrattive

Distribuzione di sostanze tossiche.

Produzione di Raccolti

Gas serra a seguito della deforestazione

Acqua usata per irrigare, l’acqua che ritorna nella idrosfera ha alta salinità, contaminazione da parte di fertilizzanti, erbicidi

Il terreno superficiale si può perdere per erosione da parte dell’acqua o dei venti.

Può distruggere l’intero ecosistema e sostituirlo, perdita di specie o diversità coltivando pochi tipi di piante.

Produzione di Bestiame

Gli animali producono il gas serra metano per la presenza di batteri metaniferi nei loro sistemi

digerenti.

Si richiedono grandi quantità di acqua, i rifiuti azotati di concime e urina causano contaminazione da nitrati nelle acque sotterranee, grandi quantità di scarti che consumano ossigeno contaminano le acque superficiali.

Distruzione del terreno (p. es. foreste pluviali) per fornire alimentazione al bestiame, l’aumento dei pascoli ha causato il

deterioramento del terreno.

Perdita della diversità delle specie (p. es.

clonando).

Fonte: Industrial Ecology: Environmental Chemistry and Hazardous Waste

Tecniche di Contabilità Ambientale.

Classificazione delle tecniche fisico-economiche di contabilità ambientale.

Le tecniche si differenziano per:



dimensioni del sistema come contenitore delle forze guida dietro i flussi di materiali e talvolta di energia



confini del sistema degli stadi metabolici



livello di dettaglio



livello di aggregazione dei flussi di materiali ed energia indotti

dall’uomo.

Tecniche di Contabilità Ambientale (2).

Tra le numerose proposte, Ie più significative sono:

•

Ingressi e Uscite Totali dei Materiali

•

Analisi delle Sostanze o Flusso dei Materiali

•

Tabelle Chimico-Fisiche di Ingresso-Uscita

•

Analisi del Flusso delle Sostanze

•

Analisi dei Tracciati Ecologici

•

Spazio Ambientale

•

Intensità di Materiale per Unità di Servizio

•

Valutazione del Ciclo di Vita

•

Indice di Sostenibilità di un Processo

•

Livelli di riciclaggio.

Tecniche di Contabilità Ambientale (3).

Ingressi e Uscite Totali dei Materiali (TMR, TMRO)

Quantifica lo scambio fisico del flusso aggregato di materiali tra le economie nazionali e l’ambiente.

 Ingressi: estrazione di risorse interne

 Uscite: rilasci interni nell’ambiente e esportazioni.

350

3400

3100 3900

260 280

0.03 170

230

© STAF Project, Yale University

Utilizzo del Rame in Ingresso (10

g Cu/anno, 1994).

Tecniche di Contabilità Ambientale (4).

Tabelle Chimico-Fisiche di Ingresso-Uscita (PIOT)

 Tracciano come le risorse naturali entrano, sono lavorate, si muovono nel mondo economico, si usano, e ritornano all’ambiente naturale come residui.

 Hanno la capacità di valutare il carico cumulativo

ambientale a seguito della copertura fisica esaustiva

della movimentazione.

L’Approccio Riserve e Flussi.

P F U W

I/E

RISERVE

MINERALE

I/E = Importazioni/Esportazioni P = Produzione

F = Fabbricazione e Produzione, U = Uso

W = Trattamento rifiuti

Paesi Europei

Paesi Asiatici

Altre nazioni

Nove regioni

Pianeta Terra

Multilivello

H. Brattebe 2004

Tecniche di Contabilità Ambientale (5).

Analisi del Flusso delle Sostanze o dei Materiali (SFA, MFA)

 Focalizzato su uno specifico materiale attraverso il

metabolismo di una regione geografica predeterminata

relativamente estesa.

Confini del sistema Giappone 280

18 Scorie Catodo

0.3 2

Concentrati 1100

Blister 1

1200

80 34

120 Minerale

Prodotti semifiniti 500

Prod. Cu

950

vecch 120 i scarti

200 Vecchi scarti

Scarti In discarica, dissipati

180 Scarti

500 Prod. leghe

240 Catodo

170 Scarti

nuovi, lingotti 52 180

16

7 Riserve

Uso

Riserve 700

Lit. -2 Ambiente ⁺²⁰⁰

Fabbricazione e Produzione

Trattamento Rifiuti

Importazioni/Esportazioni ^-830

Ritagli rilavorati

Produzione laminatoi, fonderie, raffinaz.

Nuove Scorie

Riserve e Flussi Annuali, 1990-2000 (kt).

Ciclo del Rame in Europa (kt/anno 2012).

Il Ciclo Globale del Rame, (kt/anno) 1990-2000.

Confini del Sistema (Sistema Chiuso): "STAF World"

Nuovi Scarti 580 Catodo

1,550 Ritagli, Scorie 250

10,710

Lit. - 10,710 Ritagli rilavorati

11,550

1,360

680 Minerale

Prodotti

11,650

Vecchi Scarti

Discarica, dissipati

1,810 Rifiuti

3,850

Riserve +3,110

2,040

Trattamento Reflui Produzione

laminatoi, fonderie, raffinaz.

Uso 7,800 Fabbricazion

e e

produzione

Riserve 200

Riserve

Cu

Il Rame si usa principalmente in circuiti elettrici e idraulici → costituisce una buona misura di un materiale standard essenziale.

Fin al 2000 (2015):

• 10 (13) kg a testa per le nazioni ( molto) sviluppate

• 0.6 (6) kg a testa in Cina

• 0.2 (4) kg a testa in India

10 15 20 25 30 35 40

Anno

Consumi di rame raffinato (milioni di Ton)

1900-2007 Totale = 608 mt

2007-2030 Totale = 680 mt

2007 = 18,084

Prezzi del Rame – Grafico di 45 Anni di Storia.

Anno

Prezzi ($/libbra)

1 libbra = 0.45359237 chilogrammi Source: https://www.macrotrends.net/1476/copper-prices-historical-chart-data

1990-2000

Tutti I risultati sono in Mg/y of Argento (1Mg = 1 tonnellata). Le linee tratteggiate indicano dati meno affidabili; i numeri negli ovali sono errori di chiusura nel bilancio di massa. STAF, Yale University

Confini del sistema “US”

Argento

Ambiente Litosfera

Minerale

2,620 Ritagli 525

Dilav.

360 Nuovi cascami

Vecchi cascami 2,200

4,230

120 485

2,660 5,600 Ag raffinato

950

Prodotti Semi-Finiti 960

Scarti 70

Vecchi cascami 25

Scarti

3,345

Gestione reflui Fabbricazione

&

Gestione Produzione

1870 Riserve

RaffinatoAg 25

Prodotti Uso 890 Riserve

Discarica 1,900 Scarti

all’amb.

905

Importazioni/Esportazioni 1,510

1,565

Concentrato 525

Ag

Ciclo Globale dello Zinco, (kt/anno) 2000-2007.

Scala: kt Zn/y

< 100 100 - 279 280 - 794

795 - 2239 240 - 6499 > 6500

Litosfera

-7,800 Ambiente + 3,033

Contorno del Sistema Zinco

Gestione reflui Uso

4,534

Fabbricazione &

Produzione

Prodotti Discariche

2,267 6,869

7,127 Ref. Zinco

Produzione Macinare, Fondere,

Raffinare_Riserve¹⁵⁰

7,800 Minerale

Ritagli

1,030 363 499 849 Smaltimento 618

Nuovi cascami

330 Scarti

Vecchi cascami 1,212

Scarto in Discarica Dissipato

1,673 Riserve

STAF, Yale University

Zn

Riserve Note di Alcuni Elementi.

Elemento Riserve (10

kg)

Emivita (anni)

Localizzazione delle maggiori riserve

Al 20,000 220 Australia, Brasile, Guinea

Fe 66,000 120 Australia, Canada, Russia

Mn 800 100 Russia, Gabon, S. Africa

Cr 400 100 Russia, S. Africa, Zimbabwe

Cu 300 36 Cile, Russia, USA, Zaire

Zn 150 21 Australia, Canada, USA

Pb 71 20 Australia, Canada, USA, Russia

Ni 47 55 Canada, Russia, Cuba, N.Caled.

Sn 5 28 Brasile, Cina, Indonesia, Malesia

U 2.8 58 Australia, Russia, S. Africa, USA

Recupero di Elementi Poco Abbondanti.

Alcune moderne tecnologie dette a basso carbonio sono di fatto preoccupazioni diffuse per la sostenibilità futura di un vasto numero di elementi.

Per affrontare il problema dei metalli in rapido esaurimento, quali indio ed argento, bisogna apportare significative

innovazioni nelle tecnologie di recupero che convertono rifiuti in risorse.

Per realizzare questa

ambizione si richiede un misto multi-disciplinare di chimica, ingegneria e biotecnologia.

Numero di anni rimanenti di metalli rari e preziosi se il consumo e lo smaltimento continua alla velocità attuale.

Fonte: Research Agenda for Process Intensification Towards a Sustainable World of 2050, (2011). www.ispt.nl

Tecniche di Contabilità Ambientale (6).

Analisi dei Tracciati Ecologici (EFA)

 Un indicatore della sostenibilità dell’economia umana rispetto alla capacità naturale residua della terra di fornire risorse.

 Converte i flussi di materiali ed energia in aree di terra

richiesti per produrre le risorse usate in tali attività, e

confronta le aree richieste con le aree disponibili.

Tecniche di Contabilità Ambientale (7).

Spazio Ambientale (ES)

 Confronta la richiesta di risorse con lo spazio ambientale disponibile e i limiti di sostenibilità.

Tali limiti sono confrontati a livello di usi dei singoli

individui.

Tecniche di Contabilità Ambientale (8).

Intensità dei Materiali per Unità di Servizio (MIPS)

 Implica l’identificazione di tutti i fabbisogni primari di materiali ed energia di uno specifico prodotto, per esempio: un’automobile.

 Connette gli ingressi richiesti ai beni come unità funzionali,

per es.: chilometri per passeggero forniti da un’auto. Il

risultato è un’unità di intensità del materiale.

Tecniche di Contabilità Ambientale (9).

Indice di Sostenibilità del Processo (SPI)

 Calcola l’area totale di terreno richiesta da qualsiasi processo, tecnologia, o altra attività economica per fornire in condizione di sostenibilità il flusso di risorse di materiali naturali ed energia e garantire

l’assimilazione degli scarti.

 L’obiettivo è di valutare la compatibilità di un processo

con i suoi limiti di sostenibilità.

Analisi del Ciclo di Vita (LCA):

definizione degli obiettivi

e finalità

Valutazione dell’impatto:

- benessere ecologico - benessere umano

- sfruttamento delle risorse

Analisi degli inventari

- consumi di materiali ed energia - produzione

- uso

- trattamento scarti

Valutazione dei miglioramenti

Guidelines for Life Cycle Assessment: A code of practice, F Consoli et al, 1993

Tecniche di Contabilità Ambientale (10).

Vedere il relativo capitolo.

Livelli di Riciclaggio e Utilità Intrinseca.

Fonte della materia prima Materiale

Fabbricazione Assemblaggio

Prodotto

Quantità di materiali ed energia implicata

Basso livello di riciclaggio

Alto livello di riciclaggio

LCA e Alternative nella Chiusura del Ciclo.

Terra e biosfera Acquisizione

materie prime Lavorazione

primaria Materiali ingegnerizzati e di specialità

Produzione e assemblaggio

Utilizzo e assistenza

Raccolta

Trattamento discarica

Riciclo

Rifabbricazione

Riuso

Circuito aperto

Recupero

Scarti

DFE e LCD.

Progettazione del ciclo di vita (Life cycle design - LCD):

 un approccio orientato ai sistemi per progettare sistemi di prodotti più ecologicamente ed economicamente

sostenibili.

Progettazione per l’ambiente (Design for the environment - DfE):

 obiettivo simile ma sviluppato da un approccio

“progettato per x” (dove x = funzionalità, affidabilità).

DFE: Parametri e Strategie.

PARAMETRI DA CONSIDERARE NELLO SVILUPPARE I REQUISITI AMBIENTALI :



Materiali e Energia



Benessere Ecologico



Residui



Sicurezza e Salute Umana

STRATEGIE PER RAGGIUNGERE I REQUISITI AMBIENTALI:



Estensione temporale (durabilità) del Prodotto



Estensione temporale (durabilità) del Materiale



Scelta dei Materiali



Distribuzione Efficiente



Pratiche Migliorate di Gestione

Politica e Normative Ambientali.

• La visione globale IE offre un appropriato contesto per assegnare una priorità ai rischi ed identificare i punti di alto potere di cambiamento.

• Le metodologie IE, quali il metabolismo industriale fornisce i mezzi per valutare opzioni di politica alternativa.

• Le strutture organizzative possono beneficiare dalle strategie IE imparando dalle dinamiche e dai principi degli ecosistemi,

particolarmente dai loro processi di regolazione e di auto-regolazione.

• La IE può assistere nelle scelte politiche e nei finanziamenti alla ricerca in ampi settori quali energia, trasporti, agricoltura, e nello sviluppare strategie sostenibili più efficienti

• Apre molte opportunità di impiego tramite la domanda di nuove

tecnologie e processi e di nuove applicazioni di quelle vecchie.

Risorse

Flusso:

1. Materiali 2. Energia 3. Emissioni

Effetti:

1. Sull’uomo

2. Sull’ambiente 3. Sull’economia

Elementi di Ecologia Industriale.

metabolismo Industriali (studiato dagli

ingegneri industriali

Interazioni tra industria e

ambiente

Metabolismo Ambientale (studiato da scienziati ambientali

Forme di Sviluppo Eco-Industriale (EID).

Parchi Eco-Industriali (EIP)



Attività co-localizzate



“Cicli chiusi” con sottoprodotti significativi



Miglioramento continuo dell’ambiente e della società

Reti Eco-Industriali



EIP Virtuali: Reti regionali di scambio dei rifiuti



Ottimizzazione delle efficienze nel flusso dei materiali ed economie di scala mediante recupero e scambio di risorse



Le EIN possono favorire le economie di scala richieste per

sviluppare un mercato dei sottoprodotti

Definizione di EIP

Un parco eco-industriale (EIP) o complesso è una comunità di

produttori e fornitori di servizi

localizzati assieme su una proprietà comune. I membri del consorzio

cercano prestazioni valide ambientali, economiche e sociali tramite la

collaborazione nell’affrontare le problematiche ambientali e delle risorse incluse l’informazione, l’energia, l’acqua, i materiali, le infrastrutture e l’habitat naturale.

Lavorando assieme, la comunità dei consorziati recupera un beneficio collettivo maggiore della somma dei benefici individuali che ogni

compagnia realizzerebbe solo

ottimizzando le sue sole prestazioni.

Trattamento rifiuti

rifiutiZero Materie

prime e Gestione Prodotto

Concetto di EIP

Produzione Rifiuti Immagine Sociale

Ricicli riuso

Zero

Parchi Eco-Industriali: Simbiosi Industriale.

L’esempio più noto è quello del parco di Kalundborg Questo implica principalmente 5 aziende:

•

La centrale termica “Aesnes”, alimentata a carbone

•

La raffineria “Statoil”

•

Una azienda di cartongesso,

"Gyproc"

•

Un’azienda biotec, la Novo Nordisk

•

L’acquedotto municipale e la fornitura di calore.

Centrale termica Impianto

produzione gesso serre

Impianto farmaceutico Fattorie locali

Allevamento pesci al cementificio

Industria acido solforico

zolfo Acqua calda

Raffineria Stayoil

vapore di processo

Acqua calda

ceneri

Surplus gas

gesso

condensato

Scarti chimici fanghi

Vapore &

calore Gas in

eccesso

Produzione Fertilizzanti Liquidi

Raffineria Statoil

Centrale Termica E2

Ind. Farmac.

Novo Nordisk/

Novozymes A/S Fattorie

Lago Tissø

Cemento;

strade Piscicoltura

Impianto Gyproc Nordic East di

Pannelli

Acqua

Fanghi di lievitazione

(trattati) Calore

Fanghi di lavaggio

Vapore Acqua calda Acqua di raffred- damento

vapore

Recuperi di nichel e vanadio

A.S. Soilrem

Acqua calda

Municipalità di Kalundborg Riscaldamento del

Distretto

Impianto di Trattamento Reflui Zolfo

Residui organici

Ceneri volanti

Fanghi

Gas (integr.)

Acque reflue

Acqua

Acqua

Calore

Simbiosi Industriale a Kalundborg (DK).

Flussi Fisici: Scambio di Rifiuti.

MUNICIPALITA’

KALUNDBORG BIOTECH

BONIFICHE

GYPROC NOVO NORDISK

CENTRALE TERM.

ASNÆS

RAFFINERIA STATOIL

Biomassa

Biomassa

Ceneri

Vanadio

Nichel

Ceneri Gesso fertilizzante

liquido

Bacino Riuso

Fertiliz.

Lieviti

Fango

Altro Az.

pesce fango

lieviti

Scambi Energetici.

MUNICIPALITA’

KALUNDBORG BIOTEC

BONIFICA

GYPROC NOVO NORDISK

CENTRALE TERM ASNÆS

RAFFINERIA STATOIL

Biomassa

Vapore

Ceneri

Vanadio

Nichel

Calore fertilizzanti

liquidi

Bacino riuso

Gas

Altro

All.

pesci Fango

lieviti

Scambi di Acque.

MUNICIPALITA’

KALUNDBORG BIOTECH

BONIFICHE

GYPROC NOVO NORDISK

Centrale Term.

ASNÆS

STATOIL REFINERY

Biomassa

Acque superf.

Ceneri

Vanadio

Nichel

Acque di raffr.

fertilizzanti liquidi

bacino Riuso

Acque reflue

Altro

All.

pesci Brodo

lieviti

Tramite la Simbiosi Industriale?

Flussi Fisici



Energia



Acqua



Scarti/recupero/riciclo/sostituzione



Trasporti

Altri ambiti



Informazione



Addestramento



Funzioni regolatorie



Commercializzazione

Componenti.



Primarie: Interazione - Metabolismo Industriale



Ottimizzazione Risorse : flusso energia/acqua/materiali (chiudere il cerchio, chimica verde, energia rinnovabile, cascata risorse)



Progettazione prodotto e sistema (efficienza e efficacia, progettazione ambiente costruito quale architettura verde, conservazione aree umide, ecologia del territorio)



Gestione dell’Informazione (efficacia)



Di supporto: Inter-relazioni tra gli elementi nel sistema industriale – Simbiosi Industriale



Partecipazione utenti e comunicazioni (industria, governo,

cittadini, NPO, università, ricercatori, ecc.) – politiche e gestione, economia e finanza, risorse umane, educazione, ricerca e

sviluppo ...



Sistema di monitoraggio, infrastrutture condivise, servizi e

infrastrutture comuni.

Catena del Valore e i 4 Principi della IE.

Immissione Risorse

Metabolismo Industriale (Diversità)

Risorse

(Prospettiva)

Altri

Partecipazione multi-utenti (Località) Politiche nazionali e regionali

Gestione complesso (coord. & cooperazione)

Di s up po rto Primario

Gestione Integrata degli Scarti.

Utilizzatori

Industrie Famiglie

Settori servizi e commerciali

Facilitazioni e Regolamenti Governativi Collettore

Collettore

Collector Collettore

Parco Eco-industriale Risorse

recupero Infrastrutture

Processore 1

Prod. 1

Prod. 2 Servizi

Costruzione e demolizione

Collettore Produttori

Interventi Governativi Finanza

Educazione e ricerca

Comunicazioni

Una EIP Serve la Produzione Regionale.

Settore manifatturiero Impianto 1

Impianto 2 Impianto 3

Impianto 4

Impianto 5

Collettori

Centrale Termica Parco Eco-industriale

Processore

Manif. Servizi Scarti di frutta e Verdura

Scarti di carta Carta riciclata

Solventi Solventi usati

Sfrisi metallici

Vapore

Vapore &

Gesso

Acqua di processo

Acqua calda & vapore Acqua calda

Impianto recupero scarti

Recupero Risorse come Hub per l’EIP.

Servizi Recupero Risorse

Gestione Patrimonio Industriale

Household drop-off

Collector drop-off

Industry drop-off

Retail store

Wholesale Routing &

sorting

Trasformatori

Servizi

Produzione Famiglie

Servizi e commercio

Collettori

Produttori

Costruzione & Demolizione Fattorie

Interventi Governativi

Le società di raccolta possono far parte dei servizi di recupero risorse e EIP o indipendenti.

Utilities

All’interno del Parco Eco-Industriale (EIP).

EIP

Servizio Recupero Risorse

Collettori

Fonti &

Clienti Fonti &

Clienti

Gestione EIP:

1. Gestione proprietà 2. Associazione inquilini

Incubatore attività

Beni comuni Servizi condivisi

Industria pesce Trattam. solventi

Riparazione e ri- fabbricazione

Centro comm.

R&D

Alim. Animale

componenti edifici solari Consulenti Amb.

Compostaggio

Trattamento

Costruzione &

demolizione

Governo Finanza

Un modello

concettuale, non una mappa

Trattam.

materiali

Produttore (beni riciclati)

Telecomunicazioni