COMPATIBILITA E SOSTENIBILITA AMBIENTALE DI IMBALLAGGI IN MATERIA PLASTICA PER ALIMENTI: VALUTAZIONI DI LIFE CYCLE ASSESSMENT LCA

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1 COMPATIBILITA E SOSTENIBILITA AMBIENTALE DI IMBALLAGGI IN MATERIA PLASTICA PER ALIMENTI: VALUTAZIONI DI LIFE CYCLE ASSESSMENT LCA G. Vidotto, M. Piana Istituto Italiano dei Plastici e Centro di Informazione sul PVC Milano, 26 giugno 2005

2 Compatibilità e sostenibilità ambientale di imballaggi in materia plastica per alimenti: valutazioni di life cycle assessement - LCA 1) Compatibilità e sostenibilità ambientale dei manufatti Le azioni umane ed i manufatti prodotti dall uomo sono compatibili con l ambiente quando soddisfano bisogni e richieste attuali senza compromettere e lasciare, con riferimento ai vantaggi del presente, prezzi troppo alti da pagare nel futuro; il rispetto di questo criterio realizza la sostenibilità nell operare dell uomo sulla terra. In realtà ogni azione umana ed oggetto fabbricato hanno come effetto un impatto sull ambiente; questo impatto deriva dal processo di produzione del materiale, dalla sua trasformazione in oggetto-manufatto, dalla sua vita in opera e dalla sua sorte quando diventa rifiuto. Per essere significativa e confrontabile tra diversi manufatti che svolgono la stessa funzione e hanno la stessa prestazione in opera, la valutazione dell impatto ambientale complessivo di un dato manufatto deve essere condotta secondo uno schema definito, standardizzato ed uniforme. La norma ISO 14040, emessa nel 1998, fornisce tale schema di riferimento da seguire nella valutazione dell impatto ambientale di un manufatto; questa valutazione, usualmente detta life cycle assessment-lca, viene riferita all unità di funzione e prestazione, definita unità funzionale dello specifico manufatto. In accordo con lo schema della ISO 14040, l analisi del ciclo di vita dell unità di funzione e prestazione consiste nella compilazione e valutazione, per il sistema formato da tutti gli stadi-fasi di vita di un manufatto-unità funzionale, dei flussi (come energia e materie prime) in entrata nel sistema e di quelli in uscita (come rifiuti ed emissioni) e dei corrispondenti impatti ambientali. Specificamente, l effettuazione del LCA di un manufatto passa attraverso: la preliminare definizione dell unità funzionale da valutare e dei suoi confini per quanto riguarda le fasi di inizio vita (materie prime, produzione di intermedi e del manufatto), di vita in opera e di fine vita (discarica, combustione, riciclo) del manufatto usato; 2

3 l elaborazione, per tutte le fasi di vita dell unità funzionale (produzione, vita in opera e smaltimento), del diagramma di flusso di dettaglio con definizione ed attribuzione a ciascuna fase dei relativi flussi in entrata ed in uscita; la valutazione delle entità di modificazione ambientale che si generano nella produzione, vita in opera e smaltimento dell unità funzionale-manufatto, compresi il consumo di energia e di materia ed il rilascio nell ambiente di emissioni e rifiuti. Sulla base di queste modificazioni ambientali si definiscono le categorie di impatto ambientale rilevanti per l unità funzionale considerata; queste, in termini generali, comprendono il consumo di risorse, il cambiamento climatico (usualmente chiamato riscaldamento globale), l effetto sullo strato di ozono, la tossicità per l uomo e per le acque, l ossidazione fotochimica, l acidificazione delle piogge e l eutrofizzazione delle acque. Gli impatti ambientali per ciascuna categoria vengono espressi utilizzando fattori di conversione-equivalenza che permettono di riferire l impatto di una categoria ad una sola sostanza; così l impatto sul cambiamento climatico-riscaldamento globale di ciascuna emissione è espresso in kg equivalenti di CO 2 e l impatto sul consumo di ozono è espresso in kg equivalenti di CFC11. L insieme, detto caratterizzazione, degli impatti di tutte le categorie considerate, ciascuna espressa da un solo valore attraverso l uso dei fattori di conversione-equivalenza, rappresenta l impatto ambientale complessivo, in tutta la sua vita, dell unità funzionale-manufatto in esame; la normalizzazione dei risultati di impatto ambientale delle singole categorie di impatto attraverso pesatura e riferimento all impatto globale per esempio in un dato periodo in una definita area geografica; questa normalizzazione permette di rendere sintetici e confrontabili gli impatti ambientali di unità funzionali-manufatti di uguale prestazione; la interpretazione dei risultati di LCA con evidenziazione dell importanza delle singole categorie di impatto ambientale per una data unità funzionale e l eventuale definizione e decisione di specifiche azioni di modifica e miglioramento. 3

4 Valutazioni di LCA, riferite ad una data unità funzionale, effettuate in accordo alla ISO 14040, sono capaci di fornire risposte adeguate per metodologia e quantitative nella sostanza, qualora esistano tutte le informazioni necessarie, alle domande sull impatto ambientale e sulla sostenibilità relativa di un dato manufatto riferito ad una definita situazione di vita rispetto ad altri alternativi. 2) Valutazione del ciclo di vita LCA di imballaggi in materia plastica per alimenti I manufatti in materia plastica e l industria che produce le materie plastiche ed i corrispondenti manufatti sono stati e sono estesamente esaminati e studiati per il loro impatto sull ambiente e sull uomo, essenzialmente perché sono relativamente giovani (50 anni circa di vita industriale), hanno avuto una crescita ed una diffusione applicativa molto veloci fino a diventare prodotti di massa utilizzati in tutti i settori della vita civile ed industriale e perché alcuni intermedi e prodotti della filiera produttiva hanno e possono avere problemi di impatto sull uomo e sull ambiente. Anche la sorte dei manufatti in materia plastica a fine vita in esercizio è stata ed è estesamente esaminata; le motivazioni e gli scopi sono essenzialmente quelli di sviluppare ed adottare estesamente l uso di tecnologie capaci di recuperare dai manufatti usati le materie prime e l energia in essi contenute come alternativa al loro smaltimento in discarica. Questa nota riporta, in forma riassuntiva, i risultati di analisi del ciclo di vita LCA effettuate da M. Levi [1, 2] del Politecnico di Milano (Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica Giulio Natta ) con il supporto dell Istituto Italiano dei Plastici e del Centro di Informazione sul PVC, di imballaggi plastici per alimenti. Le valutazioni di impatto ambientale hanno seguito lo schema operativo della norma ISO 14040, con analisi completa del ciclo di vita degli imballaggi esaminati. Questi imballaggi hanno specificamente compreso: - film flessibili in polietilene lineare LDPE ed a base di policloruro di vinile PVC, per alimenti freschi (come formaggi, carne e frutta); - film rigidi in polietilentereftalato PET e PVC pure per alimenti e per riferimento un imballaggio in cartoncino cromo per lo stesso settore applicativo. 4

5 2.1) Film flessibili in LDPE e PVC per alimenti I film flessibili in LDPE ed a base di PVC sono estesamente utilizzati in Italia ed in Europa nell imballaggio di alimenti freschi come formaggi, carni e frutta. Le unità funzionali di imballaggi di uguale prestazione, scelte ed esaminate da M. Levi [1, 2] per la valutazione LCA, corrispondono alle quantità di film di pari superficie necessarie affinchè gli alimenti normalmente imballati nei film in LDPE ed a base di PVC, abbiano lo stesso tempo di conservazione. Le unità funzionali in LDPE ed a base di PVC esaminate sono definite come specificato in tabella 1 ed i loro confini sono schematicamente rappresentati nella tabella 2 per l unità in LDPE ed in tabella 3 per l unità a base di PVC.Per la valutazione degli impatti ambientali delle singole fasi di vita di ciascuna unità funzionale in film flessibile sono stati utilizzati, per le materie plastiche LDPE e PVC, i dati della Banca Dati APME (Associazione Europea dei produttori di materie plastiche) [3] ed i dati della Banca Dati BUWAL (dell Agenzia Federale Svizzera per l ambiente, le foreste ed il paesaggio) [4]. Materiale Settore applicativo Unità funzionale Imballaggio flessibile Film flessibile per alimenti da: - LDPE - 3,5 gr - PVC - 2,5 gr con fine vita in discarica ed in inceneritore - PET - PVC Imballaggio rigido Scatola per cioccolatini da: - 26 gr con fine vita in discarica ed in - 22 inceneritore gr - Cartoncino cromo - 24 gr fine vita in discarica, inceneritore e riciclo Tabella 1: unità funzionali di imballaggi flessibili e rigidi per alimenti 5

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7 Materie Prime Energia Produzione LDPE Conversione a film Energia LDPE (3.5 g) Estrusione Film LDPE (3.5 g) Emissioni Tabella 2: limiti al contorno dell unità funzionale in LDPE per imballaggio alimentare 7

8 Materie Prime Energia Produzione PVC Plastificazione PVC del Butandiolo Acido Adipico Energia Energia PVC (2 g) Policondensazione Additivazione per estrusione Plastificante polimerico Energia PVC plastificato (2.5 g) Estrusione in bolla Produzione plastificante Film PVC flessibile (2.5 g) Conversione a film Emissioni Tabella 3: limiti al contorno dell unità funzionale in PVC flessibile per imballaggio alimentare 8

9 I valori di impatto ambientale di derivazione APME per la produzione in Europa Occidentale di 1 kg di LDPE e PVC, le categorie di impatto ambientale rilevanti in sostanziale accordo al metodo CML-2000 del Centre of Environmental Science 2000 dell Università di Leiden (Olanda) [5] e gli indicatori di categoria di impatto risultanti dalla sostanza equivalente di conversione su cui è stata unificata ciascuna categoria di impatto, sono indicati e riportati in tabella 4. Categoria d impatto Unità LDPE PVC PET Consumo di risorse (*) kg Sb eq 0,0394 0,0256 0,0365 Cambiamento climatico (tempo 100 anni) kg CO2 eq 2,06 2,11 4,35 Consumo strato di ozono (**) kg CFC-11 eq x x x Tossicità per l uomo (***) kg 1,4-DB eq 0,0157 0,0432 0,408 Ecotossicità per l acqua (***) kg 1,4-DB eq 0, , ,00767 Ecotossicità per la terra (***) kg 1,4-DB eq 0, ,0111 0,0109 Ossidazione fotochimica Kg C2H4 eq 0, , ,00267 Acidificazione Kg SO2 eq 0, , ,05 Eutrofizzazione Kg PO4--- eq 1,95E-5 4,05E-5 5,61E-5 (*) Il consumo delle risorse è espresso ed unificato in kg di antimonio/kg di minerali e combustibili fossili estratti (**) Valutato su scala geografica globale e scala temporale infinita; questo impatto non è disponibile nella Banca dati APME (***) Le tossicità sono espresse ed unificate in kg di 1,4 diclorobenzolo e si riferiscono ad esposizioni per un tempo infinito; i dati qui riportati pur significativi e confrontabili non sono, anche per mancanza di conoscenze in particolare per l impatto sull acqua marina, descrittivi in maniera esaustiva della totale (reale e potenziale) ecotossicità dei processi-prodotti esaminati Tabella 4: caratterizzazione degli impatti ambientali associati alla produzione di 1 kg di LDPE, PVC e PET Utilizzando per ogni fase dei processi produttivi, di vita in opera e di fine vita dell unità funzionale i dati di impatto ambientale delle banche dati APME e BUWAL e dati calcolati direttamente quando non disponibili nelle Banche Dati specialistiche (come nel caso della produzione dei plastificanti), M. Levi [1, 2] ha ottenuto le valutazioni di LCA di tutte le unità funzionali esaminate. 9

10 Per la normalizzazione degli impatti ambientali delle diverse categorie di impatto sono stati usati i fattori di pesatura, riportati in tabella 5, pure di derivazione dal Centre of Environmental Science dell Università di Leiden (Olanda) [5]; questi fattori praticamente pesano e riferiscono l impatto ambientale trovato per ogni categoria all impatto complessivo causato dalle emissioni nel 1995 in Europa Occidentale. Categoria d impatto Consumo di risorse Cambiamento climatico Consumo strato di ozono Tossicità per l uomo Ecotossicità per l acqua Ecotossicità per la terra Ossidazione fotochimica Acidificazione Eutrofizzazione Fattore moltiplicativo di normalizzazione 6.66E E E E E E E E E-11 Tabella 5: fattori moltiplicativi di normalizzazione riferiti alle emissione in Europa Occidentale nel 1995 (Centre of Environmental Science-2000 Leiden University- Olanda) La tabella 6 riporta i risultati normalizzati dell analisi LCA delle unità funzionali film flessibili in LDPE ed a base di PVC con fine vita in discarica per entrambi; gli impatti ambientali complessivi delle unità funzionali in LDPE ed a base di PVC sono confrontabili, anche se non equivalenti; specificatamente i film a base di PVC hanno minor impatto ambientale per quanto riguarda il consumo di risorse ed il riscaldamento globale e quelli a base di polietilene LDPE mostrano minore impatto sulla tossicità per l uomo e per l acqua anche se le differenze tra i due materiali per queste e per le altre categorie di impatto sono modeste o praticamente trascurabili. 10

11 2E-14 1,5E-14 1E-14 5E-15 0 consumo risorse riscaldamento globale consumo ozono tossicità per l uomo ecotossicità per l acqua ecotossicità per la terra ossidazione fotochimica acidificazione eutrofizzazione PVC plastificato LDPE Tabella 6: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali in PVC flessibile ed in LDPE con fine vita in discarica; normalizzazione CML

12 L esame dei pesi relativi degli impatti ambientali delle singole fasi costituenti le unità funzionali di film flessibili esaminate mostra che la produzione dei polimeri LDPE e PVC ha impatto complessivo prevalente (dal 70 al 90%) per le categorie consumo di risorse, riscaldamento globale, ossidazione fotochimica ed acidificazione, la trasformazione ed il tipo di fine vita hanno impatti relativamente importanti sulle tossicità e l eutrofizzazione ed i trasporti hanno impatti sempre relativamente modesti. Lo smaltimento dei film in discarica consente di ridurre al minimo le emissioni di gas serra e l impatto sul riscaldamento globale, ma fa perdere i vantaggi che l incenerimento con recupero di energia permette. Nel caso dei film in LDPE l impatto vantaggioso dell incenerimento sul consumo di risorse significativo ed intorno al 9% con appesantimento notevole però del riscaldamento globale e modesti effetti prevalentemente positivi sulle altre categorie di impatto; per i film a base di PVC, il recupero energetico dal loro incenerimento è modesto (intorno al 2%) con qualche appesantimento nel riscaldamento globale, effetti positivi sulla tossicità delle acque e negativo sulla tossicità per l uomo. 2.2) Film rigidi in PET e PVC ed in cartoncino per imballaggio di alimenti Le unità funzionali degli imballaggi rigidi di pari prestazioni esaminate da M. Levi [1, 2] sono scatole per cioccolatini costituite dalle materie plastiche PET e PVC e da cartoncino cromo. Queste unità funzionali di uguale prestazione, costituite da materiali differenti, sono definite in tabella 1, che riporta anche gli scenari di fine vita presi in considerazione nelle valutazioni di LCA. I confini delle unità funzionali esaminate sono stati definiti e per la valutazione degli impatti ambientali di ciascuna unità funzionale in materia plastica sono stati utilizzati i dati delle Banche dati APME e BUWAL [3, 4] e per quella in cartoncino cromo i dati di BUWAL 4. 12

13 I risultati della caratterizzazione di impatto ambientale delle tre scatole esaminate con fine vita in discarica sono in tabella 7; gli impatti ambientali complessivi di ciascuna unità funzionale sono stati normalizzati utilizzando i fattori di tabella 5 ed i risultati normalizzati per le unità funzionali in PET e PVC con fine vita in discarica sono riportati in tabella 8 e quelle delle unità funzionali in PVC e cartoncino cromo, pure con fine vita in discarica, in tabella 9. I risultati di tabella 8 e di tabella 9 indicano che l imballaggio in PVC si caratterizza per valori di impatto ambientale minori di quello a base di PET per tutte le categorie di impatto, mentre l imballaggio in cartoncino cromo si caratterizza rispetto a quello in PVC, per minor consumo di energia e minor impatto sul riscaldamento globale, ma maggior impatto sulla tossicità dell acqua e dell uomo e sulla eutrofizzazione. Il confronto degli impatti ambientali delle scatole in materia plastica ed in cartoncino può essere in qualche misura influenzato dai fatti che i dati di impatto provengono da banche dati differenti con possibile non completa sovrapponibilità dei confini delle relative unità funzionali esaminate e che il consumo di risorse abiotiche (minerali e combustibili fossili) non comprende la fonte rinnovabile legno in quanto la CO 2 emessa nel suo recuperocombustione viene assunta completamente bilanciata dall assorbimento di CO 2 nella crescita dell albero. 13

14 Categoria d impatto Unità di sostanza equivalente Scatola PVC Scatola PET Scatola cartoncino cromo Consumo di risorse kg Sb eq 0, , , Cambiamento climatico kg CO2 eq 0,0755 0,179 0,0424 Consumo strato di ozono (*) kg CFC-11 eq 2,45E-9 2,89E-9 2,49E-8 Tossicità per l uomo kg 1,4-DB eq 0, ,0107 0,0147 Ecotossicità per l acqua kg 1,4-DB eq 0, , ,00115 Ecotossicità per la terra kg 1,4-DB eq 0, , , Ossidazione fotochimica kg C2H4 eq 2,44E-5 9,0E-5 1,98E-5 Acidificazione kg SO2 eq 0, , , Eutrofizzazione kg PO4-- eq 8,08E-6 9,6E-6 3,98E-5 (*) Non sono inclusi i dati di produzione delle materie plastiche, non disponibili nella banca dati APME Tabella 7: caratterizzazione degli impatti ambientali delle unità funzionali scatola per cioccolatini in PVC, PET e cartoncino cromo con fine vita in discarica 14

15 2E-13 1,5E-13 1E-13 5E-14 0 consumo risorse riscaldamento globale consumo ozono tossicità per l uomo ecotossicità per l acqua ecotossicità per la terra ossidazione fotochimica acidificazione eutrofizzazione scatola PVC disc scatola PET disc Tabella 8: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali scatola di PET e PVC con fine vita in discarica; normalizzazione CML

16 1,5E-13 1,25E-13 1E-13 7,5E-14 5E-14 2,5E-14 0 consumo di risorse riscaldamento globale consumo di ozono tossicità per l uomo ecotossicità per l acqua ecotossicità per la terra ossidazi one fotochimica acidificazione eutrofizzazione scatola PVC scatola cartoncino Tabella 9: confronto del ciclo di vita delle unità funzionali scatola di PVC e di cartoncino con fine vita in discarica; normalizzazione CML

17 Anche per le unità funzionali di imballaggi rigidi in materia plastica, la fase con impatto ambientale prevalente (intorno al 75% sul totale) è la produzione del polimero, seguita dalla fase di trasformazione in manufatto che pesa intorno al 20% e dalla fase di fine vita che pesa intorno al 5%. L impatto ambientale della fase di fine vita varia a seconda che il manufatto usato viene smaltito in discarica, riciclato o bruciato con recupero di energia. Per gli imballaggi rigidi in PVC e PET qui esaminati gli impatti ambientali complessivi per smaltimento in discarica ed in inceneritore con recupero di energia sono sostanzialmente simili a causa da una parte del relativamente ridotto recupero energetico effettuato nella termovalorizzazione dei due polimeri e dall altra degli impatti negativi associati all incenerimento. Per gli imballaggi in cartoncino cromo invece la termovalorizzazione in inceneritore consente un significativo (9% circa) risparmio di risorse con impatti positivi su quasi tutte le categorie e pertanto è nettamente preferibile allo smaltimento in discarica. 3) Considerazioni conclusive Le valutazioni di LCA degli imballaggi flessibili e rigidi in LDPE, a base di PVC e di PET qui esaminati sono risultate influenzate prevalentemente dalla fase di produzione del polimero, seguita dalla trasformazione e produzione del manufatto e dalla fase di fine vita. Gli imballaggi flessibili per alimenti in LDPE ed a base di PVC hanno mostrato nella valutazione di LCA impatti ambientali complessivi non molto dissimili con vantaggio per quelli in PVC nel consumo di risorse. Gli imballaggi rigidi in PET per alimenti, hanno mostrato, nelle valutazioni LCA, impatti ambientali maggiori per tutte le categorie rispetto a quelli in PVC, mentre quelli in cartoncino cromo presentano, rispetto a quelli in PVC, vantaggi per l impatto sul consumo di risorse e sul riscaldamento globale e svantaggi per la tossicità ambientale per l acqua e per l uomo, l acidificazione delle acque e l eutrofizzazione. Le valutazioni di LCA sono specifiche ed associate alle unità funzionali esaminate ed alle loro caratteristiche fisiche e costituzionali, quali esse derivano dalla loro produzione e da tutte le fasi di vita; cambiando le fasi di vita, si modifica la risultante valutazione di LCA. La fase di fine vita con smaltimento in discarica, incenerimento con recupero di energia e riciclo influenza la valutazione di LCA; l entità dell influenza 17

18 dipende per ogni specifico manufatto-materiale dall insieme dei diversi impatti positivi e negativi che accompagna la fase di fine vita adottata. Le valutazioni di LCA qui riportate ed effettuate da M. Levi [1, 2] su unità funzionali di imballaggi per alimenti hanno permesso di individuare in termini quantitativi i punti forti ed i punti deboli di ciascuna unità funzionale attraverso il valore degli impatti ambientali di ciascuna categoria ed attraverso il valore dell impatto complessivo; su questa base anche se, in particolare per le categorie di impatto consumo di ozono ed ecotossicità i valori riportati non sono esaustivi e completi, le valutazioni di LCA rendono significativi i confronti tra diverse unità funzionali di uguale prestazione costituite da materiali diversi evidenziando le aree che più necessitano di nuove conoscenze per progredire. Riferimenti 1) M. Levi, V. Acierno: Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica Giulio Natta Politecnico di Milano ) M. Levi, V. Acierno: Plastic Pipes & Fittings 55, 88, ) Boustead: Ecoprofiles of plastics and intermediates: methodology APME Brussel (1999); Ecoprofiles of the European Plastic Industry (1999) 4) Life Cycle Inventories for packaging, Swiss Agency for Environment, Forests and Landscape, Berna 1996; 5) Centre of Environmental Science (CML) Leiden-University-Holland Ricerca svolta da Marinella Levi e Vanessa Acierno (Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica Giulio Natta) su Analisi ambientale del ciclo di vita di film rigidi e flessibili ; gli estensori di questa nota-riassunto sono grati a M. Levi ed V. Acierno per aver consentito a questa comunicazione dei risultati del loro lavoro. 18