Come risparmiare energia in un processo produttivo: l esempio dell ANALISI DEL CICLO DI VITA DELL EPS

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1 FEDERCHIMICA - 15 MARZO workshop T.A.C.E.C. Come risparmiare energia in un processo produttivo: l esempio dell ANALISI DEL CICLO DI VITA DELL EPS Ing. Marco Piana

2 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Nel corso degli anni AIPE ha condotto studi del tipo LCA (Lyfe Cycle assessmente) per indagare e definire i carichi ambientali caratterizzanti i prodotti realizzati in polistirene espanso sinterizzato (EPS) Definizione SETAC 1993 L LCA è un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo/prodotto, 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, il riuso, il riciclo e lo smaltimento. Se applicata ad un sistema industriale, la LCA indirizza lo studio di efficienza della struttura verso la salvaguardia della salute dell ambiente e dell uomo, nonché verso il risparmio delle risorse. Permette il miglioramento del sistema-processo al fine di massimizzare l efficienza energeticoambientale globale Una serie di analisi LCA, redatte in modo continuo, consente di conoscere con precisione l entità dell impatto ambientale e la sua evoluzione nel tempo, e di fissare in modo completo le procedure operative in campo ambientale, nonché tutta una serie di parametri di riferimento utili alla migliore gestione del sistema in analisi.

3 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Principali studi LCA commissionati da AIPE allo studio LCE di TORINO

4 APPROCCIO ALLA METODOLGIA LCA E impossibile creare qualcosa dal nulla. Tutti i processi di produzione avranno un impatto ambientale, che si tratti di consumo energetico o di risorse, di inquinamento atmosferico o di creazione di scarti. Un produttore in una coscienza ambientale tenderà a mantenere questo impatto ecologico ridotto ai minimi termini.

5 LCA: DEFINIZIONE E STRUTTURA ISO LCA ISO Definizione degli scopi e degli obiettivi Analisi di inventario Interpretazione e miglioramento ISO ISO Analisi degli impatti E uno strumento scientifico per calcolare il carico ambientale di un prodotto/processo/attività considerando l intero ciclo di vita. E regolato a livello internazionale dalle norme ISO 14040

6 RISULTATI FORNITI DA UN ANALISI LCA

7 PERCHE IMPORTANTE CONDURRE UNO STUDIO LCA

8 APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA AL CICLO DI PRODUZIONE DELL EPS studio di settore: analisi dei sistemi industriali per la realizzazione di prodotti in EPS nei settori packaging e edilizia con lo scopo di calcolarne il carico ambientale medio a livello nazionale e fornire una misura dell ECO-EFFICIENZA MEDIA dei processi indagati, per realizzare una Dichiarazione Ambientale di Prodotto (EPD) settoriale Campione analizzato: 5 aziende associate AIPE presenti sul territorio nazionale che si occupano della formatura di prodotti in EPS a partire da granuli di PS espandibile EPS medio: i risultati sono presentati in maniera complessiva riferendosi a un prodotto in EPS medio, calcolato adottando il principio della media verticale (media ponderata in base alle produzioni delle prime 4 aziende l azienda E essendo caratterizzata da un efficienza produttiva di molto inferiore rispetto alle altre non è stata presa in esame)

9 EPS ED LCA: ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Unità funzionale: i risultati sono espressi in riferimento all unità di massa di prodotto: 1 kg di generici manufatti in EPS in uscita dai processi indagati Confini del sistema: dalla culla al cancello ( from cradle to gate ) sia singolarmente, sia in forma aggregata attraverso una media verticale. -Per la produzione di un unità funzionale di manufatti in EPS, si distinguono 2 diversi livelli principali, o sottosistemi: 1. produzione dei granuli di Polistirene espandibile; 2. formatura dei prodotti in EPS a partire dai granuli di Polistirene espandibile. Per ognuno si considerano i flussi di materie prime, di semilavorati e di energia in entrata ed in uscita, tutti i contributi indiretti (es.: produzione e trasporto dei vettori energetici utilizzati, manutenzione dei mezzi, ecc.), i trasporti intermedi (ove presenti) necessari all approvvigionamento delle materie prime stesse, nonché tutti i tipi di reflui direttamente o indirettamente prodotti. - Fase d uso dei prodotti in EPS: sono inclusi sia i trasporti relativi ai granuli di PS espandibile dai produttori alle aziende che effettuano la formatura, sia i trasporti associati ai prodotti finiti in EPS dalle aziende trasformatrici agli utilizzatori. - Per quanto riguarda il fine vita (essendo analisi dalla culla al cancello ) le uniche fasi analizzate in questo studio riguardano il riciclo degli scarti EPS sia di tipo chiuso, interno al processo aziendale stesso, sia di tipo aperto, in cui gli scarti sono destinati a realtà esterne all azienda stessa. - NON vengono qui contemplati i destini di discarica e di termovalorizzazione che si presentassero per eventuali scarti di produzione o a fine vita..

10 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei CONFINI DEL SISTEMA analizzato U.F. =1 Kg di generici manufatti in EPS

11 Processo di produzione della MATERIA PRIMA: POLISTIRENE ESPANDIBILE

12 ANALISI LCA: I DUE SOTTOSISTEMI ANALIZZATI 1. Produzione dei granuli di PS espandibile Polistirene espandibile Polistirene compatto Polistirene antiurto HIPS 2. Formatura dei prodotti in EPS

13 EPS: PROCESSO DI TRASFORMAZIONE Granuli POLISTIRENE ESPANDIBILE : 0,3 2,8 mm diametro 1030 Kg/m Kg/m 3 massa apparente FASI DEL PROCESSO DI PRODUZIONE: 1. PRE-ESPANSIONE 2. MATURAZIONE 3. STAMPAGGIO Stampaggio di blocchi e taglio a lastre Stampaggio di lastre e altri manufatti Stampaggio continuo

14 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei principali flussi di energia e di materiali relativi all azienda A

15 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei principali flussi di energia e di materiali relativi all azienda B

16 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei principali flussi di energia e di materiali relativi all azienda C

17 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei principali flussi di energia e di materiali relativi all azienda D

18 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Dettaglio dei principali flussi di energia e di materiali relativi all azienda E

19 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS RIASSUNTO PRINCIPALI RISULTATI (intesi per Kg di prodotto EPS) RISULTATI ENERGETICI + RISULTATI AMBIENTALI

20 ANALISI CICLO DI VITA EPS: RISULTATI ENERGETICI (dati in MJ/Kg MJ per 1 Kg di prodotti in EPS) DETTAGLIO VALORI GER: Fonti energetiche suddivise in RINNOVABILI e NON per le singole aziende e l azienda media [28] Il valore negativo è dovuto all elevato quantitativo di recovered Energy e corrisponde quindi al recupero energetico. [29] Energia elettrica impiegata direttamente in azienda.

21 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS Risultati energetici complessivi (dati espressi in MJ per kg di prodotto) Classificazione e caratterizzazione delle emissioni (dati espressi al kg di prodotto) EPS medio dati espressi al m 3 di prodotto considerando una massa volumica di 20 Kg/m 3

22 ANALISI CICLO DI VITA EPS: RISORSE NON ENERGETICHE E RIFIUTI Consumi di risorse non energetiche (dati espressi in g/kg) Produzione di rifiuti (dati espressi in g/kg)

23 LCA DELL EPS: INTERPRETAZIONE E MIGLIORAMENTO ANALISI DEI RISULTATI ENERGETICI Suddivisione del GER delle singole aziende nei 2 sottosistemi indagati: 1. produzione di granuli di Ps espandibile; 2. formatura prodotti in EPS) si evidenza il contributo rilevante del primo sottosistema rispetto ai consumi energetici complessivi L energia feedstock inclusa nel valore GER rappresenta una quota pari a 51,2 MJ/Kg) Aziende D e B: consumi energetici bassi, il contributo al GER della sola produzione dei granuli (sottosistema 1) è prosimo al 90 % L azienda E risulta la meno efficiente, ma poiché la sua produzione è inferiore alle altre, influirebbe sull azienda media con un peso inferiore, ~ 5%, per cui non è stata considerata nel calcolo dell EPS medio poiché poco rappresentativa

24 LCA DELL EPS: INTERPRETAZIONE E MIGLIORAMENTO ANALISI DEI RISULTATI AMBIENTALI GWP 100 Suddivisione del GWP delle singole aziende nei 2 sottosistemi indagati Azienda A e C: il contributo della produzione dei granuli influisce per il 50 % sul GWP - Azienda B e D: il contributo del primo sottosistema è maggiore, rispettivamente vale 87% e 75% - Azienda E: meno efficiente

25 ANALISI CICLO DI VITA EPS INFUENZA DEL CONTENUTO DI EPS RICICLATO Analisi preliminare per valutare l influenza dell utilizzo di scarti di EPS nel medesimo ciclo produttivo (riciclo chiuso) -come riferimento è stata presa l azienda A in quanto gli indicatori di riferimento GER (A) e GWP 100 (A) sono i più prossimi a quelli dell EPS medio, completi e verificati Andamento indicativo del GER e GWP 100 all aumentare della percentuale di utilizzo di scarti di EPS (Dati riferiti al Kg di EPS) Nella procedura di calcolo non si è incluso il trattamento degli scarti di EPS al fine di renderli idonei al riciclo (raccolta, trasporto, frantumazione)

26 ANALISI CICLO DI VITA EPS INFLUENZA DEL CONTENUTO DI EPS RICICLATO BENEFICI DERIVANTI DALL USO DI EPS RICICLATO ANALISI NEL CASO DI: Riciclo del 50% di EPS (per azienda A) Riciclo del 90% di EPS (per azienda A) Riciclo del 0% di EPS (per azienda media ) In tutti gli studi realizzati dal 2005 ad oggi sono emersi evidenti benefici derivanti dall uso del riciclato sia nei prodotti riguardanti l edilizia sia il packaging. - Il GER associato alla produzione di EPS diminuisce quasi del 30%, se l azienda integra nel proprio ciclo di produzione una % di riciclato pari al 90% del materiale utilizzato per il medesimo bene. - Analogamente per il GWP, l utilizzo di EPS riciclato permette una riduzione del contributo all effetto serra in maniera ancora più sostanziale: il riciclo chiuso beni in EPS post consumo con l inserimento di tali rifiuti fino a costituire il 90% del nuovo prodotto, permette di evitare il 50% delle emissioni.

27 ANALISI CICLO DI VITA EPS INFLUENZA EPS RICICLATO: dettaglio per i 3 casi studiati Risultati energetici complessivi (dati espressi in MJ per kg di prodotto) Classificazione e caratterizzazione delle emissioni (dati espressi al kg di prodotto) RICICLO DEL 50 % DI EPS RICICLO DEL 90 % DI EPS

28 ANALISI CICLO DI VITA EPS INFLUENZA CONTENUTO EPS RICICLATO Risultati energetici complessivi (dati espressi in MJ per kg di prodotto) Classificazione e caratterizzazione delle emissioni (dati espressi al kg di prodotto) RICICLO 0 % DI EPS (azienda media ) dati espressi al m 3 di prodotto considerando una massa volumica di 20 Kg/m 3

29 ANALISI CICLO DI VITA EPS RICICLO DELL EPS Pratica diffusa e comunemente attuata, per il recupero degli scarti industriali di produzione e di manufatti post-uso. CLS ALLEGGERITO SBOCCHI DI RIUTILIZZO Utilizzo nella produzione di nuovi articoli in EPS Trasformazione in granulo di polistirene compatto Utilizzo come inerte leggero in calcestruzzi e malte Combustione con produzione di calore (potere calorifico dell EPS di circa kcal/kg) TECNOLOGIE di TRASFORMAZIONE: - Adeguamento fisico: frantumazione, macinazione, compattazione - Estrusione - Estrusione con degasaggio CLS leggero Densità CLS : Kg/m3 λ CLS : 0,08 0,4 W/mK Sfere di polistirene espanso: Фmedio = 1 6 mm Densità (in mucchio): 25 Kg/m3

30 ANALISI LCA APPLICATA ALLA PRODUZIONE DI EPS OSSERVAZIONI CONCLUSIVE In un ottica di miglioramento, i sistemi sui quali è possibile agire al fine di ridurre i carichi ambientali complessivi associati alla produzione dell EPS sono: produzione dei granuli di PS espandibile: poiché la produzione della materia prima rappresenta uno dei maggiori fattori di impatto, appare chiaro come un aumento delle efficienze di produzione, sia dal punto di vista energetico sia dal punto di vista del consumo di risorse e delle emissioni, contribuisca ad una cospicua riduzione dei carichi ambientali totali; la produzione di manufatti in EPS: in questo caso un azione di incremento/miglioramento delle efficienze energetiche e di emissione degli stabilimenti porterebbe ad una diminuzione dei principali indicatori di impatto la gestione efficace del fine vita per il riciclo dell EPS: l utilizzo di sfridi interni (closed loop) e, soprattutto, di provenienza esterna (open loop) di EPS nel ciclo produttivo consente un decremento generale dei principali indicatori di impatto; Eco-design: questa considerazione riguarda in particolare il settore packaging, dove un approccio di Eco-design consentirebbe di progettare prodotti che a parità di funzione presentano un peso inferiore, portando ad un risparmio generale di energia e di risorse e, di conseguenza, ad una diminuzione dei carichi ambientali complessivi.

31 ANALISI CICLO DI VITA EPS - EDIFICIO FASE DI UTILIZZO DI UN EDIFICIO: è una fase che ha un peso determinante per consumi energetici ed emissioni di CO2 (maggiore rispetto la fase di edificazione): la costruzione di un appartamento costa 5 tonnellate equivalenti di petrolio (tep) L alloggio poi consuma mediamente 1 tep all anno per il suo esercizio. In 50 anni quindi il flusso di energia che attraversa un abitazione è superiore a 50 tep. I consumi in fase di costruzione possono essere meglio definiti come energia grigia, ovvero tutta l energia impiegata per le fasi di realizzazione, trasporto, installazione, dismissione o sostituzione del prodotto e delle componenti. La qualità dei materiali impiegati in fase di realizzazione determina un elevata percentuale dei consumi in fase di utilizzo di un edificio.

32 ANALISI CICLO DI VITA EPS - EDIFICIO Ad esempio: gli isolanti termici, che incidono per meno del 2% nel costo totale di 5 tep (mediamente circa 0,1 tep per alloggio, cioè meno del 2 per mille dei consumi totali), determinano un diverso livello di sostenibilità in fase d esercizio, dimezzando o riducendo ad un quarto i costi di gestione dell edificio stesso. Nonostante nel prodotto edificio sia percentualmente meno rilevante l energia grigia (o inglobata) rispetto a quella necessaria per il suo funzionamento, il libro bianco ENEA 2004 pone giustamente l accento sull importanza della scelta qualitativa dei prodotti e utilizza proprio gli isolanti termici come esempio di investimento energetico di immediato e vantaggioso ritorno. obiettivo prioritario di una nuova progettazione sostenibile: dovrebbe essere quello di selezionare opportunamente materiali e componenti dell edificio allo scopo di ridurre, in prima istanza, soprattutto i suoi consumi energetici più rilevanti (circa il 90%) imputabili alla fase di esercizio. Tutto questo naturalmente cercando di ottenere le migliori prestazioni in fase di esercizio a fronte dei minori costi ambientali in fase di realizzazione.

33 ANALISI CICLO DI VITA EPS Relativamente alla fase d uso e di fine vita del prodotto EPS si evidenzia che: le prestazioni tecniche del materiale EPS medio possono essere ricondotte essenzialmente alla sua resistenza termica, ovvero durata delle lastre in EPS per isolamento termico di edifici: vita utile in esercizio coincide con quella della struttura in cui viene utilizzato; alla fine del ciclo di vita, il materiale disponibile può essere avviato a riciclo o a termovalorizzazione in modo da recuperarne l energia feedstock contenuta (pari a circa 40 MJ/kg).

34 ANALISI CICLO DI VITA EPS CONFRONTO TRA MATERIALI ISOLANTI Tabella riassuntiva riportante i valori dei principali indicatori espressi al kg di prodotto e al m3 per differenti tipologie di isolanti per l edilizia. I valori di GER e GWP espressi al kg, nonché densità e conducibilità termica, dei diversi materiali fanno riferimento a un precedente studio realizzato per AIPE e aggiornati con i dati disponibili sul mercato. I valori riguardanti l EPS si riferiscono, invece, ai risultati ottenuti nel presente studio

35 ANALISI CICLO DI VITA EPS RISPARMI PER UN EDIFICIO Esempio: Valutazione dei benefici dell utilizzo di isolante in una costruzione considerando una parete con una stratigrafia tipo Mantenendo costanti tutte le caratteristiche e modificando via via lo spessore dell isolante si può quantificare la conseguente riduzione di fabbisogno energetico per mantenere le stesse condizioni climatiche interne.

36 ANALISI CICLO DI VITA EPS RISPARMI PER UN EDIFICIO Percentuale di emissione di CO 2 evitata in funzione dello spessore di isolante (situazione a 10 anni di vita) Il grafico evidenzia la situazione a 10 anni: la situazione ad un solo anno non sarebbe ragionevole in quanto non terrebbe conto della vita utile dell isolante dal momento che l impatto della produzione dell isolante viene generato il primo anno ma il beneficio si ottiene soprattutto negli anni successivi.

37 ANALISI CICLO DI VITA EPS RISPARMI PER UN EDIFICIO Percentuale di emissione di CO 2 evitata in funzione dello spessore di isolante (situazione a 10 anni di vita) la situazione ad un solo anno non sarebbe ragionevole in quanto non terrebbe conto della vita utile dell isolante dal momento che l impatto della produzione dell isolante viene generato il primo anno ma il beneficio si ottiene soprattutto negli anni successivi. Percentuale di energia risparmiata in funzione degli anni di vita dell edificio per un isolante in EPS con spessore di 5 cm.