2. Metodologia per l’analisi del ciclo di vita dei sistemi
produttivi
Data la crescente preoccupazione riguardo lo stato dell’ambiente e lo sfruttamento delle risorse naturali sono sempre più numerose le aziende e le industrie che decidono di valutare il proprio impatto sull’ambiente.
Molte attività produttive cercano di fornire prodotti sempre più “verdi”, ossia a minor impatto ambientale. La “performance ambientale” dei prodotti e dei processi è diventata un elemento chiave di valutazione ed è per questo che molte aziende sono alla ricerca di metodologie produttive che minimizzino i loro impatti negativi sull’ambiente.
La Commissione Europea nel febbraio 2001 con la pubblicazione del “Libro Verde sulla Politica Integrata di Prodotto” ha adottato un nuovo approccio alle politiche ambientali (Integrated Product Policy – IPP) che intende migliorare nel modo più efficiente possibile ed economicamente sostenibile le prestazioni ambientali dei prodotti.
Obbiettivo della IPP è ridurre l’impatto dei prodotti lungo l’intero ciclo di vita, influenzando positivamente la parte decisionale della produzione (ecodesign), promuovendo una scelta informata da parte dei consumatori, ed integrando il principio “chi inquina paga” nel prezzo dei prodotti.
2.1 Analisi del Ciclo di Vita
Il termine Life Cicle Assessment (LCA) risale solo al 1990 e fu coniato dalla SETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) e viene definito come “un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo o attività, effettuato attraverso l’identificazione dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente. La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o
attività, comprendendo l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso e lo smaltimento finale del prodotto.”
Successivamente la International Standard Organization (ISO) ha pubblicato la normativa 14040, nella quale definisce la LCA come “la redazione e la valutazione degli ingressi e delle uscite e degli impatti potenziali sull’ambiente di un sistema produttivo”.
Figura 2.1 – Ciclo di vita di un prodotto (Global Access to Recycle World and Eco Resource).
Nonostante la nascita relativamente recente della metodologia LCA già alla fine degli anni ’60 sono stati condotti degli studi con una impostazione simile negli Stati Uniti da parte di EPA (Environmental Protection Agency) e di alcune grandi aziende multinazionali. Queste ricerche affrontavano l’analisi della vita del prodotto “dalla culla alla tomba” (“from craddle
to grave”) con la finalità di una riduzione del consumo di risorse, soprattutto energetiche.
Successivamente negli anni ’70 questo tipo di analisi si è molto diffuso anche in Europa, in modo particolare nei Paesi nordici, dove è più alta la sensibilità ambientale dei consumatori (ecolabelling, marketing ambientale).
Il motivo del successo e del crescente interesse riguardo a questo tipo di analisi è legato alla sua versatilità e all’ampio spettro di applicazioni possibili:
• Identificazione delle fasi critiche dell’intero ciclo di vita del prodotto che più influenzano la performance ambientale;
• Supporto tecnico scientifico alle fasi decisionali (pianificazione strategica, design ambientale, progettazione di nuovi prodotti o processi);
• Strumento di promozione e comunicazione (marketing ambientale);
• Possibilità di confrontare la performance ambientale di prodotti o processi alternativi.
2.2 Struttura dell’analisi del ciclo di vita
La procedura LCA si basa sulla compilazione, quantificazione e valutazione di tutti gli ingressi e le uscite di materiali ed energia e degli impatti ambientali associati attribuibili all’intero ciclo di vita di un prodotto. Secondo la normativa ISO 14040 un’analisi del ciclo di vita deve essere strutturato in quattro fasi principali:
• Goal Definition and Scoping • Inventory Analysis
• Impact Assessment • Interpretation
Goal definition and scoping
La prima fase prevede la definizione degli obiettivi e delle finalità del progetto, in particolar modo si dovranno stabilire l’unità funzionale dello studio, i metodi di allocazione e i confini del sistema.
• L’unità funzionale rappresenta l’unità di misura del servizio oggetto dello studio su cui verranno normalizzate tutte le grandezze del sistema. È quindi l’unità di riferimento con cui verranno esposti tutti i dati e i risultati del LCA. La definizione di un’adeguata unità funzionale agevola la possibilità di confronti tra sistemi diversi che offrono lo stesso prodotto, permette una facile interpretazione delle
informazioni raccolte ed il confronto con altri studi analoghi. La scelta è dettata fortemente dallo scopo che si prefigge lo studio. Nel caso di LCA comparativi è fondamentale definire correttamente questa unità, in quanto i due prodotti devono fornire lo stesso servizio; qualora ciò non fosse possibile si raccomanda specificatamente di indicare le differenze di prestazioni non eliminabili (ISO 14040 – 5.1.2.4 “Comparisons between Systems”).
• Il metodo di allocazione è necessario per ripartire i carichi ambientali e i consumi di risorse all’interno di un sistema che fornisce più prodotti. I metodi più utilizzati si basano sulla massa, contenuto energetico o prezzo di mercato.
• I confini del sistema sono fondamentali per delimitare il campo di studio ed evitare il rischio di perdita di rappresentatività della realtà o troppo esteso. In teoria uno studio LCA dovrebbe avere come soli input materie prime ed energia e come unico output le emissioni (solide, liquide gassose e calore). Alla filiera del prodotto si connetterebbero tutti i processi di produzione dei semilavorati, di trasporto, di estrazione delle materie prime, di produzione dei macchinari, rendendo di fatto il sistema illimitato e lo studio di difficile realizzazione. Per questo motivo bisogna operare una delimitazione del sistema, trascurando in prima approssimazione i processi ritenuti poco significativi rispetto al processo principale (p.e. la produzione dei macchinari). Anche questa decisione è fortemente influenzata dalle finalità dello studio.
Inventory analysis
L’analisi di inventario o Life Cicle Inventory costituisce la parte principale e più impegnativa in termini di risorse necessarie dell’intero studio di LCA. In questa fase si devono quantificare tutti i flussi di materia ed energia che attraversano il sistema riferiti all’unità funzionale. La costruzione di un diagramma di flusso anche semplificato aiuta ad
aumentare l’affidabilità e l’accuratezza dello studio. Una volta raccolti i dati vengono organizzati all’interno di un modello che evidenzia gli scambi tra i singoli processi della catena produttiva e tra il sistema e l’ambiente esterno.
Per una buona qualità dello studio è importante che i dati siano per quanto possibile raccolti direttamente sul campo (dati primari), in alternativa ai dati diretti ci si serve di dati derivati (dati secondari), ricavati da letteratura o banche dati già esistenti.
Impact assessment
Nella fase di valutazione degli impatti i dati dell’inventario vengono organizzati ed aggregati attraverso operazioni di classificazione e caratterizzazione.
La fase di classificazione consiste nella scelta di opportune categorie di impatto che si desidera analizzare, in stretta connessione con gli obbiettivi prefissati nello studio. Tutti i dati riguardo all’uso delle materie prime e dell’energia ed alle emissioni inquinanti raccolti nella fase di inventario vengono attribuiti alle categorie d’impatto definite.
Nella successiva fase di caratterizzazione si passa da un approccio qualitativo ad uno quantitativo. Per le diverse categorie di impatto infatti vengono stimati gli effetti pesati di diverse sostanze, sulla base di fattori di conversione riconosciuti scientificamente.
Talvolta si può procedere con una fase successiva di normalizzazione dei dati per fornire ai decisori un unico indicatore in cui sono aggregati i vari impatti.
Figura 2.2 – Schema dei passaggi che dalla fase di inventario conducono alla valutazione (Girardi, Politecnico di Milano)
Interpretation
La fase conclusiva dello studio è quella di interpretazione dei risultati (Life cycle interpretation) e consiste in una tecnica sistematica volta ad identificare, quantificare, controllare e valutare le informazioni provenienti dalle fasi precedenti di inventario e valutazione degli impatti.
Secondo le norme ISO la fase di Life Cycle Interpretation ha due obbiettivi principali. Il primo è di analizzare i risultati, produrre le conclusioni, esporre le limitazioni e fornire le raccomandazioni sulla base delle informazioni raccolte nelle fasi precedenti in maniera trasparente e corretta. Il secondo obbiettivo è quello di fornire una presentazione dei
risultati facilmente comprensibile, completa e consistente in accordo con gli scopi e finalità prefissati nelle fasi preliminari dello studio LCA.
2.3 Software GaBi 4.4
GaBi 4.4 è il software utilizzato a supporto dell’analisi LCA, un programma sviluppato dalla PE International GmbH in collaborazione con il dipartimento di ingegneria IKP dell’Università di Stoccarda.
GaBi è un programma modulare che consente di creare bilanci di ciclo di vita di prodotti e servizi e di analizzare ed interpretare i risultati secondo i metodi di valutazione tecnici, economici e di impatto ambientale desiderati, standardizzato secondo le norme della serie ISO 14040.
Contiene più di settanta categorie di impatti e metodi di valutazione, più di duemila data sets di produzione di materiali “dalla culla alla tomba”, ottomila modelli di processi di intermedi chimici e centinaia di progetti LCA documentati (relativi a trasporti, produzione di energia, lavorazioni agricole ed industriali).
Struttura
Il software permette la creazione di progetti in cui modellare l’intero ciclo di vita del prodotto o servizio oggetto di studio. Il programma calcola i potenziali impatti ambientali del sistema di produzione sulla base di piani. All’interno di un piano il sistema oggetto di studio è costituito da processi e flussi. Il piano rappresenta il sistema delimitato dai confini definiti in fase preliminare, i processi sono tutte le attività che hanno luogo e i flussi rappresentano tutti gli input ed output che attraversano il sistema.
• Flussi
I flussi connettono piani e processi all’interno del sistema oppure definiscono gli input/output del sistema stesso.
I flussi che entrano nel sistema dall’ambiente esterno (risorse naturali) e quelli che escono dal sistema (emissioni) sono detti flussi elementari. L’analisi di inventario (LCI) è la raccolta di input/output di tutti i flussi elementari associati al sistema produttivo.
• Processi
Il software fornisce numerosi processi già compilati per un’ampia varietà di prodotti e dà la possibilità di crearne di nuovi per modellare il progetto secondo le esigenze di utilizzo. All’interno del processo vengono definite le proporzioni tra i flussi in ingresso e le quantità e la composizione dei flussi in uscita.
GaBi gestisce tre tipi differenti di processi:
o Basic processes; sono processi “gate to gate” in cui non sono presenti flussi elementari e contengono solo i dati di una specifica fase di lavorazione. o Cradle to gate processes; sono processi che includono già al loro interno
tutto il ciclo di vita del prodotto. I flussi in ingresso sono solo flussi elementari.
o Partly linked processes; sono processi “cradle to gate”, ma che contengono uno o più input aperti (flussi non elementari).
• Parametri
All’interno dei processi è possibile costruire dei parametri che consentono di variare le quantità dei flussi, delle rese del processo e determinare le relazioni tra input e output.
• Piani
Il piano definisce i limiti del sistema analizzato, al suo interno si inseriscono i processi e flussi che portano alla realizzazione del prodotto. I bilanci e le analisi statistiche prodotte dal software vengono elaborate su tutti i processi, emissioni, ingressi di materie prime del piano.
GaBi analyst
La funzione GaBi Analyst analizza le differenze del bilancio di uno studio LCA al variare dei parametri introdotti per modellizzare il sistema e consente di valutare le opzioni di miglioramento del sistema produttivo. Sono possibili 4 tipologie differenti di analisi:
• “Scenario analysis”: effettua un confronto tra due scenari di ciclo di vita analizzando l’impatto di diverse condizioni al contorno.
• “Parameter variation”: consente di valutare l’effetto della variazione di un parametro al fine di individuarne il valore ottimale da raggiungere.
• “Sensitivity analysis”: valuta quanto i risultati finali dello studio siano influenzati dalle scelte fatte, ossia fornisce indicazioni su quanto sia sensibile il bilancio in relazione ai vari parametri e quali di questi incidono di più sulle emissioni.
• “Monte Carlo analysis”: fornisce informazioni sulla stabilità globale dello studio.
Il metodo CML 2001
Il programma fornisce numerosi metodi di analisi degli impatti ambientali, tra questi è stato utilizzato il metodo CML 2001 per il calcolo delle emissioni dei diversi casi studio.
Tale metodo è stato sviluppato dal Centre of Environmental Science dell’Università di Leiden (CML) nel 2001 e successivamente aggiornato più volte, fino all’ultima versione disponibile del novembre 2009.
Il modello CML 2001 prevede la caratterizzazione degli impatti ambientali in dieci categorie differenti:
• Esaurimento delle risorse naturali
Il fattore di esaurimento delle risorse naturali è determinato per l’estrazione di minerali e dei combustibili fossili (espresso in kg Antimonio equivalenti/kg estrazione). È considerato un problema a scala globale.
• Cambiamento climatico
I fattori di conversione utilizzati sono quelli sviluppati dall’International Panel on Climate Change (IPCC). Viene espresso come Global Warming Potential in 100 anni in kg di CO2
equivalente/kg emissione. È considerato un problema a scala globale. • Esaurimento dell’ozono stratosferico
Riprende il modello sviluppato dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO) e definisce il potenziale di esaurimento dello strato di ozono di differenti gas in kg CFC-11 equivalente/kg di emissione). È considerato un problema a scala globale.
• Tossicità verso l’uomo
Riguarda gli effetti delle sostanze tossiche sull’uomo. I fattori di caratterizzazione sono espressi come potenziale di tossicità umana (HTP) e misurati in 1,4-diclorobenzene equivalente/kg di emissione. La scala varia tra locale e globale.
• Ecotossicità in acqua dolce
Il potenziale di ecotossicità (FAETP) è calcolato sulla base dell’esposizione e degli effetti delle sostanze tossiche. I fattori di caratterizzazione sono espressi in 1,4 diclorobenzene equivalente/kg. La scala del problema può essere globale, continentale e regionale.
• Ecotossicità marina
Analoga alla ecotossicità in acqua dolce, riferita all’ecosistema marino. • Ecotossicità terrestre
Analoga alla ecotossicità in acqua dolce, riferita all’ecosistema terrestre. • Ossidazione fotochimica
Valuta la formazione di sostanze reattive (principalmente ozono) che incidono sulla salute umana e l’ecosistema. Il potenziale di creazione fotochimica di ozono (POCP) per l’emissione di sostanze in atmosfera è calcolato sulla base del modello UNECE Trajectory ed è espresso in kg di etilene equivalente/kg di emissione. Ha scala variabile da locale a continentale.
• Acidificazione
Esprime il potenziale di acidificazione (AP) per le emissioni in atmosfera, calcolato con il modello adattato RAINS 10, che permette la valutazione del destino e della deposizione delle sostanze acidificanti. AP è espresso in kg di SO2 equivalente/kg di emissione. La
scala del problema varia da locale a continentale. • Eutrofizzazione
Include gli impatti dovuti all’alto livello di concentrazione di macronutrienti nell’ambiente causato da emissioni in atmosfera, nelle acque e nel suolo. Il potenziale di nitrificazione (NP) è espresso in kg di PO4 equivalente/kg di emissione. La scala dell’impatto varia da
