Analisi del ciclo di vita di un laterizio porizzato

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1 di G. Beccali, M. Cellura, M. Fontana, S. Longo, M. Mistretta Analisi del ciclo di vita di un laterizio porizzato In Europa l edilizia rappresenta uno dei maggiori settori economici 1 in termini di produttività e occupazione ed è responsabile del 50% del consumo di risorse naturali, del 40% delle emissioni di gas serra e del 50% dei rifiuti prodotti [2]. In particolare, il settore industriale dei materiali da costruzione in Italia rappresenta una voce significativa del bilancio energetico nazionale, incidendo per il 10% sui consumi energetici complessivi [3]. La produzione totale italiana di laterizi ammonta a circa kg, di cui circa il 69% è costituita da mattoni, suddivisi in mattoni e blocchi normali, blocchi alleggeriti, forati e tramezzi, mattoni a faccia vista [4]. La consistenza del settore edilizio evidenzia come la riduzione del consumo di risorse e la minimizzazione dei rilasci ambientali rappresentano obiettivi fondamentali da perseguire nella progettazione e nella costruzione di edifici sostenibili [5]. In particolare risultano fondamentali le seguenti strategie [6], [7], [8]: - minimizzazione dei consumi di energia e di materie prime e selezione merceologica degli stessi (fonti energetiche rinnovabili, sostituzione di prodotti tossici, utilizzo di materie seconde, valutazione delle opzioni di riuso e riciclaggio ecc.); - miglioramento dell efficienza dei processi e dei macchinari; - adozione di tecnologie a basso impatto ambientale; - recupero e riciclaggio dei residui di lavorazione e dei prodotti edili ad elevata energia incorporata; - minimizzazione del rilascio di sostanze inquinanti nell atmosfera, nei corpi idrici e nel suolo. Numerose aziende sono sempre più orientate ad integrare nei cicli produttivi gli aspetti prestazionali, tecnici ed economici dei manufatti con aspetti ambientali [9]. Gli impatti ambientali indotti dai cicli produttivi sono strettamente legati alle scelte effettuate durante la progettazione, fase in cui vengono selezionati risorse ambientali ed economiche, processi e tecnologie da impiegare [10], [11]. In tale contesto, l eco-design rappresenta un approccio alla progettazione orientato alla scelta di materiali, processi e tecniche produttive finalizzati alla minimizzazione degli impatti ambientali durante l intero ciclo di vita dei prodotti, dall acquisizione delle materie prime, alla realizzazione, distribuzione ed uso, riuso, riciclaggio e smaltimento finale [12], [13], [14]. A supporto di un incisiva penetrazione sul mercato dei prodotti ecocompatibili e di un ampio coinvolgimento dei consumatori nel privilegiare prodotti e servizi con migliori eco-prestazioni, è stata introdotta la Dichiarazione Ambientale di Prodotto (DAP), che rientra tra le certificazioni ambientali di prodotto di Tipo III 2. La DAP rappresenta un processo volontario con cui un'azienda redige un documento di sintesi delle prestazioni energetiche ed ambientali del proprio prodotto seguendo uno schema prefissato di categorie di parametri [18]. Il presente lavoro costituisce uno studio di supporto per la redazione di una DAP relativa ad un laterizio porizzato 3, manufatto edile caratterizzato da Prof. Giorgio Beccali, Ordinario di Tecnica del Controllo Ambientale; prof. Maurizio Cellura, Associato di Fisica Tecnica Ambientale; Mario Fontana, Sonia Longo, Dottorandi di Ricerca in Fisica Tecnica Ambientale, Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali, Università di Palermo; Marina Mistretta, Ricercatore in Fisica Tecnica Ambientale, Dipartimento di Arte, Scienza e Tecnica del Costruire, Università Mediterranea di Reggio Calabria. Viene presentato uno studio finalizzato alla redazione di una Dichiarazione Ambientale di Prodotto (DAP) relativa ad un laterizio porizzato, manufatto edile caratterizzato da buone proprietà termoisolanti e fonoassorbenti. La valutazione delle prestazioni energetico-ambientali del manufatto è stata condotta in conformità agli standard internazionali della serie ISO Sulla base dei risultati dell analisi sono state individuate alcune soluzioni di miglioramento dell eco-profilo del manufatto in esame. 1 Nel 2006 la produzione edile è stata di miliardi di euro registrando il più alto valore di crescita dal 1999 [1] 2 Le certificazioni di Tipo I sono dei marchi rilasciati da organismi accreditati a prodotti che soddisfano un set minimo di requisiti ambientali (esempio tipico è l Ecolabel). Le certificazioni di Tipo II sono autocertificazioni sulle prestazioni ambientali dei propri prodotti, non soggette ad un controllo da parte di un organismo terzo. Le certificazioni di Tipo III sono dichiarazioni ambientali che riportano dati ambientali quantitativi in base a parametri prestabiliti e, dove rilevante, informazioni ambientali aggiuntive [15], [16], [17]. 3 Laterizio porizzato: laterizio forato ed alleggerito ottenuto aggiungendo al normale impasto di argilla sostanze che, durante la cottura, sviluppano dei gas e producono piccoli fori nella massa, aumentandone le caratteristiche termoisolanti rispetto al laterizio normale. 84 La Termotecnica Gennaio/Febbraio 2009

2 FIGURA 1 - Diagramma di flusso del processo di produzione del laterizio porizzato buone proprietà termoisolanti e fonoassorbenti. L obiettivo è quello di valutare le prestazioni energetico-ambientali connesse al ciclo di vita del manufatto, al fine di fornire informazioni che siano [19]: - Credibili: i dati, per poter essere convalidati e diffusi, devono essere verificati da un organismo terzo accreditato ed indipendente; - Rilevanti: il pubblico deve avere la garanzia che tutti i principali aspetti ambientali siano stati presi in considerazione; - Comparabili: le informazioni sono classificate e raggruppate secondo gruppi prefissati di indicatori, permettendo così all'utente di confrontare le prestazioni ambientali di prodotti appartenenti alla stessa categoria. Il bilancio energetico-ambientale del prodotto è stato eseguito tramite la metodologia dell'analisi del Ciclo di Vita [20], [21] e in riferimento alle regole per la redazione di una DAP, sviluppate in conformità alle indicazioni della ISO TR [22]. Caso studio: Il laterizio porizzato L eco-profilo del laterizio porizzato è stato definito in accordo alle indicazioni dei requisiti specifici di prodotto (Product Categories Rules- PCR 4 ) per materiali da costruzione in laterizio [24]. I risultati ottenuti hanno consentito di definire gli impatti ambientali associati al prodotto esaminato e di identificare i punti critici all interno del processo produttivo, sui quali intervenire per il miglioramento delle prestazioni del manufatto. Il blocco esaminato ha una massa di 15,5 kg e dimensioni 0,30 m x 0,25 m x 0,25 m. Esso è impiegato come materiale di tompagno 5 in zone sismiche. La conduttività termica equivalente è pari a 0,23 W/(m C), valore che conferisce al materiale buone prestazioni termiche. Le piccole cavità presenti diffusamente nella massa del laterizio sono ottenute mescolando all argilla cruda granuli di materiali combustibili che sublimano durante la cottura, senza lasciare residui. Unità funzionale L unità funzionale (u.f.) è definita come l unità di riferimento con cui vengono normalizzati i dati raccolti e a cui si rapportano i risultati dell analisi. La definizione di unità funzionale deve risultare congruente con la funzione del sistema in esame e rappresenta un indice delle prestazioni del sistema stesso, ovvero del servizio reso all utente [20]. Con riferimento alle indicazioni fornite dallo Swedish Environmental Management Council in merito alle regole per la DAP di manufatti in argilla, l u.f. prescelta è rappresentata da kg di laterizi porizzati pronti per la vendita [24]. Definizione dei confini del sistema Per quel che riguarda lo sviluppo e l ampiezza dell analisi, si includono tutte le fasi del processo produttivo del manufatto, dall estrazione 4 Le PCR costituiscono il documento identificativo di ogni singolo gruppo di prodotti e forniscono delle regole comuni (parametri tecnici e funzionali del gruppo, campo di applicazione dello studio LCA, aspetti ambientali rilevanti) a cui il produttore di un bene o il fornitore di un servizio devono fare riferimento al fine di produrre una DAP conforme al sistema [23]. 5 Il prodotto, impiegato in pareti monostrato, risulta fonoassorbente per i rumori a basse frequenze, come quelli del traffico stradale. Utilizzato in pareti doppie esso risulta fonoassorbente per i suoni con frequenze medio-alte, come quelli del parlato provenienti da ambienti contigui. La Termotecnica Gennaio/Febbraio

3 delle materie prime alla produzione e distribuzione del prodotto finito. Non si considera la fase di demolizione dell edificio, di cui i laterizi sono materiali costituenti. La stima della quantità dei rifiuti derivanti dai laterizi durante tale demolizione risulta infatti alquanto complessa, a causa delle diverse tecniche e tecnologie di costruzione e di demolizione [24]. La Figura 1 illustra il diagramma di flusso relativo al processo produttivo considerato, dall estrazione delle materie prime alla distribuzione alle utenze del prodotto finito. Descrizione del processo produttivo TABELLA 1 - Analisi di inventario del laterizio porizzato per u.f. Unità di mis. Totale Consumo Non rinnovabili MJ 4449,50 di energia Rinnovabili MJ 102,10 Totale MJ 4551,60 Consumo Argilla kg 1020 di risorse Barite kg 0,06 Bauxite kg 0,02 Calcite kg 0,09 Ferro kg 0,40 Ghiaia kg 1,30 Piombo kg 0,004 Rame kg 0,06 Sabbia kg 0,10 Acqua kg Emissioni Biossido di carbonio kg 306,90 in aria Metano kg 0,40 Monossido di carbonio kg 0,30 NMVOC kg 0,60 Ossidi di azoto kg 1,30 Ossidi di zolfo kg 1,90 Polveri kg 0,10 Emissioni Calcio kg 0,05 in acqua Cloruri kg 1,60 COD kg 0,03 Ioni sodio kg 0,20 Oli kg 0,07 Solfati kg 0,10 Sostanze inorganiche kg 0,80 disciolte Sostanze sospese kg 0,10 TOC kg 0,06 Rifiuti solidi Rifiuti non pericolosi kg 20,30 Rifiuti pericolosi kg 0,03 L argilla, estratta in cava con escavatore meccanico, viene trasportata e stoccata in azienda. Il processo di lavorazione ha inizio con la granulazione della materia prima attraverso un frangizolle e tre laminatoi, di cui il primo ha funzione di sgrossatura, il secondo di semifinitura ed il terzo di finitura. Successivamente, l argilla è avviata ad un impastatrice, quindi a un quarto laminatoio e ad una seconda impastatrice dove avviene la miscelazione con acqua preriscaldata e polistirene. A cottura avvenuta il polistirene sublima consentendo la formazione di piccole cavità all interno del mattone. L impasto passa ad una mattoniera munita di eliche rotanti, che lo avviano verso uno stampo da cui fuoriescono, per estrusione, dei parallelepipedi di diversa lunghezza che vengono tagliati tramite taglierina munita di fili di acciaio armonico intrecciato e sistemati in appositi scaffali detti gabbie. Gli eventuali scarti di processo sono riutilizzati insieme all argilla grezza in un nuovo ciclo di produzione. Le gabbie sono inserite in una camera di essiccazione, lungo la quale la temperatura varia da 40 C in ingresso a circa C in uscita. Alla fine del processo di essiccazione i mattoni, estratti meccanicamente dalle gabbie, vengono avviati al processo di cottura in un forno alimentato da olio combustibile. All uscita dal forno i mattoni vengono imballati con nastro in poliestere, disposti su pallet e distribuiti alle utenze, dislocate nelle nove province della Sicilia. Qualità dei dati e analisi di inventario Nella fase di inventario sono stati calcolati i flussi di materia ed energia connessi al ciclo di vita del laterizio in esame, le relative emissioni in aria e acqua e la produzione di rifiuti solidi [25]. Il processo di produzione del laterizio è stato suddiviso nelle seguenti unità di processo: - estrazione/approvvigionamento delle materie prime e dei combustibili; - manifattura del prodotto; - essiccazione e cottura; - selezione meccanica e imballaggio; - trasporto in azienda delle materie prime e dei combustibili e distribuzione del prodotto finito. I dati impiegati nell analisi sono stati reperiti tramite indagini di campo e/o ricavati da fonti bibliografiche di settore. In particolare, i dati relativi al ciclo di produzione sono stati rilevati presso un azienda siciliana che produce manufatti in argilla, con riferimento alla produzione annuale nel Dall indagine di campo sono stati rilevati i seguenti dati: - consumi di materie prime (argilla, acqua e polistirene) - consumo di combustibili (olio combustibile, metano e gasolio) ed energia elettrica - consumo di materiale di imballaggio (nastro in poliestere e pallet) - modalità dei mezzi di trasporto utilizzati e relative distanze percorse - produzione di rifiuti pericolosi (stracci, toner e cartucce, plastica, olio minerale esausto e olio lubrificante) e non pericolosi (scarti di processo). Per quel che riguarda l eco-profilo delle materie prime, dei combustibili, degli imballaggi, dell energia elettrica e delle fasi di trasporto, si è fatto riferimento a database LCA [26]. Per la mancanza di dati specifici di processo, la stima delle emissioni atmosferiche derivanti dalla sublimazione del polistirene durante la cottura dei laterizi è stata effettuata in riferimento a dati di letteratura relativi a processi assimilabili [27]. Allocazione La procedura di allocazione in un processo multi-input/output consiste nella ripartizione nel sistema di prodotto dei flussi in ingresso e in uscita di un unità di processo [20]. L azienda indagata, oltre ai laterizi porizzati che rappresentano il 3,3 % dell intera produzione, realizza diversi manufatti, quali laterizi per tompagnamento e per tramezzi, pannelli in laterocemento, travetti, lastre e pannelli in cemento armato, laterizi a faccia vista (mattoni, coppi e tegole). I consumi per unità di massa per tutti i tipi di laterizio prodotti risultano equivalenti, pertanto l allocazione degli impatti è stata effettuata in accordo al criterio della massa. Risultati dell analisi di inventario L eco-profilo dell u.f. è riportato in Tabella 1. Dall analisi dei risultati si evince che la produzione dell u.f. comporta complessivamente un consumo di energia primaria pari a circa MJ, di cui il 98% deriva da fonti non 86 La Termotecnica Gennaio/Febbraio 2009

4 rinnovabili. La Figura 2 illustra l incidenza di ogni fase del ciclo di vita del prodotto sul consumo complessivo di energia. Da essa si evince che: - l estrazione dell argilla incide per l 1% (45 MJ/u.f.), essenzialmente per le operazioni di scavo; - le fasi di trasporto delle materie prime, dei combustibili e del prodotto finito implicano un consumo complessivo di energia pari a circa 550 MJ/u.f. (12 % del consumo energetico totale), essenzialmente dovuto all impiego di gasolio come combustibile per autotrazione [28]; - il processo di lavorazione incide per il 23% (1.064 MJ/u.f.), di cui il 48% è dovuto all energia elettrica impiegata per l alimentazione dei macchinari e il 52% alla produzione/approvvigionamento degli input di processo (acqua, gasolio, polistirene); - il contributo della fase di imballaggio, pari all 1% del consumo energetico totale, è dovuto principalmente all energia di feedstock 6 dei materiali impiegati; - il consumo più rilevante si verifica nei processi di cottura e di essiccazione (circa MJ/u.f.), di cui il 49% è dovuto all impiego di olio combustibile BTZ (1.396 MJ/u.f.) per l alimentazione del forno, il 38% è dovuto all impiego di gas metano per il processo di essiccazione (1.083 MJ/u.f.) e il rimanente 13% è rappresentato dal consumo di energia elettrica (370 MJ/u.f.). Con riferimento al ciclo di vita del prodotto il consumo di acqua risulta pari a kg/u.f.. In Figura 3 è mostrato il contributo percentuale delle varie fasi del ciclo di vita a tale consumo. Dalla figura si evince che la lavorazione del manufatto rappresenta la fase di maggiore incidenza (57%), mentre le rimanenti fasi contribuiscono al consumo complessivo di risorsa idrica nelle seguenti percentuali: - essiccazione e cottura: 39,5%; - estrazione dell argilla: 0,3%; - imballaggio: 3,2%. Con riferimento alla fase di lavorazione, il consumo complessivo di acqua è pari a 182, kg/u.f., di cui appena lo 0,26% (478 kg/u.f.) avviene direttamente nel processo, mentre il 99,74% (181, kg/u.f) è da attribuire a: - approvvigionamento della risorsa (0,55%); - produzione dell energia elettrica 7 (98,68%); - produzione del polistirene (0,66%); - produzione del combustibile (0,11%). Nella fase di essiccazione e cottura il consumo di acqua è dovuto esclusivamente alla produzione di energia elettrica. Analisi degli impatti ambientali Sulla base dei risultati di inventario è stata eseguita l analisi degli impatti ambientali per il manufatto in esame. Le emissioni relative al processo analizzato sono state raggruppate, attraverso un processo di classificazione e successiva caratterizzazione, in accordo al gruppo di indicatori proposto dallo schema di certificazione EPD [22]: - Effetto serra potenziale su un orizzonte temporale di 100 anni (GWP 100 ) FIGURA 2 - Consumo di energia: incidenza percentuale delle diverse fasi del ciclo di vita del laterizio porizzato - Formazione di ossidanti fotochimici (POCP); - Acidificazione potenziale (AP); - Eutrofizzazione potenziale (NP); - Assottigliamento dello strato di ozono (ODP). Le emissioni di gas serra causate dalla produzione del laterizio porizzato sono pari a 321 kgco 2eq /u.f.. Il contributo potenziale all effetto serra dei processi di essiccazione e cottura rappresenta il 67,3% dell impatto complessivo, ossia 216 kgco 2eq /u.f., di cui il 9% (19,6 kgco 2eq /u.f. ) è dovuto alla combustione del polistirene. Il processo di lavorazione incide per il 18,7% (circa 60 kgco 2eq /u.f.), la fase dei trasporti per il 13%, mentre il rimanente 1% è imputabile all estrazione dell argilla e alla fase di imballaggio. L indicatore relativo all ODP risulta trascurabile (2, kg CFC-11 eq ). I contributi all AP e NP sono rispettivamente di 0,08 kmol H+ e 8 kg O 2, mentre l indicatore POCP assume un valore pari a 0,11 kg C 2 H 4. Analisi di miglioramento Sulla base dei risultati ottenuti, sono state individuate le seguenti possibili ipotesi di miglioramento del processo produttivo del manufatto in esame: 1. Sostituzione dell olio combustibile con gas metano nei forni; 2. Sostituzione dell olio combustibile impiegato nei forni con fonti rinnovabili (biomasse). 3. Sostituzione del polistirene impiegato nel processo, con possibili materiali naturali alternativi (tra i possibili si annoverano pula di riso 8, 6 L energia di feedstock è definita come il calore prodotto dalla combustione di una materia prima in input che non è utilizzata come risorsa energetica in un sistema di prodotto, ed è espressa in termini di potere calorifico superiore o inferiore [21]. Essa quantifica il potenziale energetico dei materiali (come legno o plastica) quando, alla fine della loro vita utile, sono utilizzati come combustibili per un recupero di calore [29]. 7 Il consumo di acqua per la produzione di energia elettrica è dovuto essenzialmente all utilizzo della risorsa (99%) in turbina [26]. 8 Cascame della trebbiatura del riso costituito dalle brattee (glume e glumette) che avvolgono il granello, (generalmente usata per imballaggi e in aggiunta ai mangimi). FIGURA 3 - Consumo di acqua: incidenza percentuale delle fasi del ciclo di vita del laterizio porizzato La Termotecnica Gennaio/Febbraio

5 FIGURA 4 - Ipotesi di miglioramento: variazione dei consumi energetici e del GWP cellulosa 9, sansa di olive 10 o farina di legno 11 ) In particolare, sono stati stimati i benefici connessi alla sostituzione con materiale cellulosico. Nella prima ipotesi il consumo di energia primaria risulterebbe pari a MJ/u.f., con una riduzione di circa il 6% rispetto allo stato attuale. Il contributo all effetto serra risulterebbe pari a circa 287 kgco 2eq /u.f., con una riduzione globale dell 11%. Nell ipotesi in cui l olio combustibile fosse sostituito con biomassa i consumi energetici si ridurrebbero a MJ/u.f., raggiungendo l obiettivo del 30% dei consumi rappresentato da fonti rinnovabili (contro il 2% della situazione attuale). Sotto tale ipotesi il contributo all effetto serra scenderebbe al 68% di quello attuale (219 kgco 2eq /u.f.). Le fasi di manifattura, trasporto ed utilizzo in azienda del polistirene incidono per il 12% sui consumi energetici totali (553 MJ/u.f.) e per l 11% sull effetto serra potenziale complessivo (35 kgco 2eq /u.f.). Nell ipotesi in cui esso sia sostituito con cellulosa naturale, si otterrebbe una riduzione del carico energetico di circa il 10% e dell effetto serra potenziale del 4,5%. La Figura 4 illustra il consumo di energia e il contributo all effetto serra del laterizio porizzato alla luce delle ipotesi di miglioramento proposte. La possibilità di migliorare le prestazioni energeticoambientali del prodotto va analizzata considerando la fattibilità economica degli interventi, in modo da consentire al produttore un recupero dell investimento iniziale in tempi brevi. Conclusioni Nello studio sono state valutate le prestazioni energetiche ed ambientali di un laterizio porizzato prodotto in un azienda manifatturiera in Sicilia. La produzione di kg di laterizio comporta il consumo energetico di circa 4,5 GJ e l emissione di 321 kg CO 2eq. Si è osservato che la quota più significativa dei consumi energetici (oltre il 60%) e delle emissioni di CO 2eq è imputabile alle fasi di essiccazione e cottura, a causa del largo impiego di combustibili fossili. Infine sono state valutate delle ipotesi di miglioramento del processo produttivo, relative alla sostituzione dell olio combustibile con altre fonti a minor impatto (gas metano o biomasse) ed alla sostituzione del polistirene con materiali naturali surrogabili. Lo studio è stato eseguito nell ambito del progetto di ricerca Ruolo del settore edilizio sul cambiamento climatico: GENIUS LOCI, finalizzato alla definizione di interventi per la riduzione delle emissioni di gas serra nel settore edilizio (Progetto finanziato dal Ministero dell Università e della Ricerca a carico del FISR- Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca). Bibliografia [1] European Construction Industry Federation, Annual Report, [2] European Commission, Sustainable construction final report, finrepsus/susfin.htm, [3] ENEA, Rapporto Energia-Ambiente 2003, Ed. ENEA, febbraio [4] G. D Anna, Osservatorio 2005 sull industria italiana dei laterizi, ANDIL Assolaterizi, Roma. [5] Ardente F., Beccali M., Cellura M., Mistretta M. e Marchese M., Dichiarazione ambientale di prodotto applicata ai materiali bioedili, La Termotecnica, Dicembre 2005, pp Ottenuta dal riciclaggio della carta. 10 Residuo solido dell estrazione dell olio dalle olive, costituito da detriti di buccia, polpa e nocciolo (generalmente usata come concime, combustibile o per alimentare il bestiame). 11 Ottenuta dalla macinazione degli scarti della prima lavorazione del legno quindi senza la presenza di collanti, vernici ecc. 88 La Termotecnica Gennaio/Febbraio 2009

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