L’Analisi del Ciclo di Vita (LCA) e la sua applicazione all’edilizia, alla gestione dei rifiuti, ai trasporti, ai prodotti (agro-alimentari e industriali), alle risorse e ai servizi AMBIENTE Paolo Neri

116 analisi del ciclo di vita di prodotti, processi e servizi: 28 gestione rifiuti 36 prodotti (24 agroalimentari +12 industriali) 31 ecodesign (30 edifici+1 urbanistica) 11 servizi (ospedali (4), scuole (1), biblioteche (1), mense (1), traffico (3), Comune (1)) 1 ecosistema (fiume calabrese) + 5 risorse +2 Paese povero +1 turismo Metodo LCA Codice SimaPro Collaborazione con 150 Aziende pubbliche e private, 5 Comuni e 30 Università 97 tesi di laurea di 8 facoltà 12 tirocini post-laurea 7 richieste di Aziende 1 Progetto SPINNER 1 Progetto SPINTA LCA LAB 116 documenti ENEA 22 Convegni + organizzazione di 5 Convegni 1 sito (http://digilander.libero.it/giabon) Anni 1997-2006 ENEA Laboratorio tesi e tirocini Formazione Linee guida per l’uso dell’LCA nella certificazione ambientale di prodotti e servizi e nella progettazione ecosostenibile degli edifici Creazione di una banca dati italiana e studio per un metodo di valutazione italiano del danno Analisi ambientale come servizio al Paese Paolo Neri

La Metodologia LCA INVENTARIO OBIETTIVO UNITA’ FUNZIONALE FUNZIONE DEL SISTEMA CONFINI DEL SISTEMA ISO 14041 MATERIALI INVENTARIO ISO 14041 ENERGIE PROCESSI Competenze: INGEGNERIA, FISICA, SC. AMBIENTALI, SC. NATURALI, BIOLOGIA, ARCHITETTURA, CHIMICA, MEDICINA, STORIA, ECONOMIA EMISSIONI E RISORSE CLASSIFICAZIONE CARATTERIZZAZIONE NORMALIZZAZIONE VALUTAZIONE DEL DANNO VALUTAZIONE DEL DANNO AMBIENTALE ISO 14042 Metodi ECO-INDICATOR 99, EPS 2000, EDIP 97, IMPACT 2002 ANALISI DI SENSIBILITA’ E VALUTAZIONE DEI MIGLIORAMENTI ISO 14043 Paolo Neri

La soluzione del problema ambientale: i protagonisti Nessun limite Enti di certificazione Studi professionali Il danno ambientale esiste? falso vero Gestione dei rifiuti Progettazione edifici Prodotti Servizi Programmazione di uno sviluppo sostenibile Stato Regioni Province Comuni cittadino Limiti per un nuovo modello di sviluppo Cause Effetti Rimedi Costi esterni Enti di ricerca Università Agenzia Ambiente Analisi LCA Paolo Neri

La soluzione del problema ambientale: i finanziamenti Etica di impresa Riduzione del danno ambientale e dei costi esterni Costi limitati Pubblica Amministrazione Aziende Enti di ricerca Agenzia ambiente Università Banche dati Metodi di valutazione Studi professionali Analisi del ciclo di vita Autocertificazione Certificazione EPD e EMAS Prodotti Servizi Processi Paolo Neri

LCA STRUMENTO NECESSARIO per la scelta tra componenti con la stessa funzione 1TJ con una caldaia a gas Raccolta differenziata LCA componenti LCA uso Danno minimo di un edificio Danno minimo Piano Provinciale Gestione Rifiuti Danno minimo di una fonte energetica LCA fine vita Raccolta indifferenziata Trasporti 1TJ con un pannello solare 1TJ con biomasse Danno minimo di un prodotto agro-alimentare Coltivazione convenzionale Coltivazione biologica Paolo Neri

Applicazioni LCA Strumento di informazione rivolto al Cittadino per una sua migliore conoscenza dei danni ambientali dovuti alle attività umane una scelta cosciente del prodotto e del servizio una sua richiesta cosciente alla Pubblica Amministrazione di una legislazione volta alla difesa dell’ambiente la riduzione delle spese dovute ai costi ambientali la difesa della vita, sua e delle generazioni future Paolo Neri

Applicazioni LCA Strumento a supporto della Pubblica Amministrazione per la definizione della legislazione in campo ambientale la scelta della gestione dei rifiuti con minor impatto ambientale La scelta delle fonti energetiche a minor impatto ambientale La progettazione ecosostenibile degli edifici la sensibilizzazione dei cittadini e delle aziende: tale compito deve essere svolto dagli Enti di ricerca e dalle Università la riduzione delle spese sanitarie conseguenti ai danni subiti dall’uomo a causa delle emissioni inquinanti la riduzione dei danni prodotti dai servizi pubblici la riduzione delle spese per i combustibili fossili sostenute dall’Italia per il consumo di energia prodotta Paolo Neri

La nascita di un’etica d’impresa che tenga conto sia dei costi economici che di quelli ambientali del prodotto o del servizio una riduzione dell’impatto ambientale a beneficio dei lavoratori dell’Azienda un miglioramento della qualità del prodotto o del servizio una riduzione del costo di produzione conseguente alla riduzione del consumo di energia e di materiali la definizione della prima e più importante fase per la certificazione ambientale dei prodotti e dei servizi un aumento della loro competitività un rapporto di fiducia con il cittadino utente e consumatore uso del LCA come qualifica del prodotto e del servizio Applicazioni LCA Strumento a supporto delle Aziende e degli Studi professionali per Paolo Neri

Condizioni necessarie per la validità dei risultati Il Metodo LCA Condizioni necessarie per la validità dei risultati trasparenza e modificabilità delle Banche-Dati rappresentatività da parte delle Banche-Dati della realtà che si vuole studiare trasparenza e modificabilità dei Metodi per la valutazione del danno adeguatezza dei Metodi ai problemi che devono essere studiati stretta correlazione tra Metodi e Banche-Dati trasparenza del risultato numerico dello studio Paolo Neri

Proposte per una maggiore affidabilità dei risultati Il Metodo LCA Proposte per una maggiore affidabilità dei risultati costruzione di una Banca-Dati italiana che rappresenti la gestione dei rifiuti, la progettazione degli edifici (ecodesign), la produzione agro-alimentare, i trasporti, i servizi sanitari definizione di un Metodo italiano per la valutazione del danno scelta di un Metodo straniero col quale confrontare i risultati costruzione di un Codice italiano che utilizzi la Banca-Dati e il Metodo italiano scelta per la Certificazione ambientale delle procedure che fanno uso dell’LCA come primo passo per la valutazione del danno scelta di un LCA dettagliato, trasparente e basato su indicatori scientifici. Paolo Neri

Metodi di calcolo e dati per un LCA dettagliato Codice di calcolo: SimaPro5, SimaPro6, SimaPro7 Banche-Dati: ETH, Idemat, Buwal, Archive, Industry, IVAM, Eco-Invent Metodi di valutazione: Eco-Indicator99, EPS 2000, EDIP 97, IMPACT 2002 Dati raccolti in tutta Italia Sono stati apportati modifiche in tutti i metodi Sono stati considerati i costi interni Sono stati calcolati i costi esterni per le 3 categorie di danno del Metodo Eco-Indicator 99 e messi a confronto con quelli calcolati da EPS E’ stata considerata e caratterizzata l’utilità della funzione Paolo Neri

Il Metodo di Valutazione Eco-Indicator 99 1 kg di SOSTANZA PRODOTTA X 1 kgCO2 fattori di CARATTERIZZAZIONE Ø sostanze cancerogene malattie respiratorie (sost. organiche) malattie respiratorie (sost. Inorganiche) cambiamenti climatici impoverimento dello strato di ozono radiazioni ionizzanti SALUTE UMANA: (DALY: Disability Adjusted Life Years ) acidificazione/eutrofizzazione ecotossicita’ uso del territorio QUALITA’ : dell’ECOSISTEMA (PDF*m2*anno: Potentially Disappeared Fraction ) minerali combustibili fossili IMPOVERIMENTO delle RISORSE : (MJ Surplus) 2,1E-7 DALY Il metodo di valutazione Eco-Indicator 99 per calcolare un valore di valutazione dell’impatto ambientale opera nel seguante modo: CARATTERIZZAZIONE: si prende un kg di sostanza considerata; tale sostanza sarà assegnata grazie alla classificazione ad una categoria d’impatto (ad esempio l’anidride carbonica CO2 è riferita alla categoria d’impatto “cambiamenti climatici”) e quindi viene moltiplicata per il relativo fattore di caratterizzazione che misura l’intensità dell’effetto della sostanza sul problema ambientale considerato. Il fattore di caratterizzazione viene calcolato attraverso l’applicazione di quattro differenti procedure per collegare l’inventario alle tre categorie di danno principali (Salute umana, Qualità dell’ecosistema, Impoverimento delle risorse sono le categorie di danno ed includono al loro interno delle categorie di impatto quindi verrà ad esempio considerato come un kg di CO2 emessa nell’atmosfera andrà ad influire sui cambiamenti climatici e come questi causino un danno alla salute umana ricavando così un valore numerico: il fattore di caratterizzazione). Dall’operazione di caratterizzazione si ottiene un valore espresso in DALY se la sostanza è contenuta nella categoria di danno Salute Umana, in PDF m2 yr se la sostanza appartiene a Qualità dell’ecosistema ed in MJ Surplus se la sostanza ha effetto sull’Impoverimento delle risorse NORMALIZZAZIONE: l’operazione consiste nel moltiplicare il valore ottenuto dal processo di caratterizzazione per l’inverso del danno subito da un cittadino medio europeo in un anno a causa di tutte le attività con riferimento alle tre categorie di danno e quindi ci sono tre fattori di normalizzazione( relativi alla Salute Umana, alla Qualità dell’ecosistema e all’Impoverimento delle risorse). VALUTAZIONE: i valori della normalizzazione per ogni categoria di danno vengono poi moltiplicati per il fattore di valutazione che decreta l’importanza di una categoria di danno rispetto ad un’altra e poi si sommano in modo da ottenere un unico numero adimensionale. X fattori di NORMALIZZAZIONE 64,7 DALY-1 Inverso del danno subito dal cittadino medio europeo in 1 anno a causa delle attività umane in Europa (salute umana) X 333 Pt fattori DI VALUTAZIONE Importanza relativa delle categorie di danno (salute umana) 0,00452 Pt/kg

Modifiche al metodo Eco-Indicator 99 Consumo di acqua: si considera l’acqua come una risorsa e si calcola l’aumento di energia necessaria per estrarre 1 l di acqua quando il suo consumo sarà 5 volte quello del ’90 Si è inserita la sostanza Water nella categoria di impatto Minerals Uranium e Silver in Minerals Iron in air in Carcinogens e in Eutrophication Ptot e Ntot nella categoria Eutrophication Utilità della funzione: si considera la reale utilità della funzione (o prodotto) per la vita dell’uomo. E’ stata creata la categoria di danno Funzione Energia: si considera separatamente il fabbisogno energetico del processo. E’ stata creata la categoria di danno Energia Costi: si considerano come categorie di danno anche gli aspetti economici del processo (costi interni e costi esterni) Paolo Neri

Il codice di calcolo SimaPro: LCA come processo Resources INPUT Processing Material Energy Transport OUTPUT Air emission Water emission Soil emission Solid emission Non material emission DISPOSAL Il metodo di calcolo Sima Pro 5.0, compatibile con l’ambiente Windows, contiene al suo interno diverse banche dati a cui poter accedere per consultare o prelevare le strutture principali per poter realizzare un LCA. All’interno delle banche dati sono classificati e descritti materiali, processi, energia e sistemi di trasporto, metodi di smaltimento e trattamento dei rifiuti con relativi dati sul loro ciclo di vita. Il codice di calcolo permette di descrivere l’oggetto in fase di studio attraverso un Assembly, un Disposal scenario e un Life Cycle. Ciascuna di queste strutture conterrà dati relativi alle tre fasi componenti il ciclo di vita, rispettivamente la produzione, il fine vita e la fase di uso del prodotto. Il primo passo da compiere per l’effettuazione dello studio, consiste perciò nella definizione dell’assembly all’interno del quale saranno raccolte le informazioni relative a tutti i componenti del prodotto; esso necessita, per il suo completamento, dei dati riguardanti i materiali (tipo e quantità), le lavorazioni (Processing), i quantitativi di energia impiegati, nonché informazioni relative ad eventuali trasporti. Il disposal scenario rappresenta la struttura predisposta a racchiudere le informazioni sul fine vita di ciascun componente, essa dovrà perciò riferirsi a ciascuna delle Assembly precedentemente create. In questa fase dello studio si sceglie il tipo di smaltimento che si ritiene più verosimile, valutando se preferire le opzioni proposte dal codice: il Reuse, il Disassembly, una serie di Waste scenarios (Incineration, Landfill, Recycling ecc.) o scenari specifici inseriti dall’utente. Il life Cycle è la fase che permette di prendere in considerazione tutti gli aspetti legati all’utilizzo del prodotto, introducendo eventuali altri Processing, Energy, Transport, Emission. Esso può fare riferimento direttamente all’Assembly del prodotto oggetto di studio, o, altrimenti, anche a Life Cycle dei singoli componenti; questi, considerati in una visione d'insieme, concorreranno alla valutazione del LCA completo del prodotto in esame. Il database, come già visto, contiene tutti i dati necessari alla realizzazione delle strutture principali del LCA. GLOSSARIO Assembly: Il prodotto generato Disposal Scenario: Sono le possibilità di trattamento a cui può essere sottoposto un prodotto dopo il suo uso  Materials: Materiali di cui è costituito il prodotto. La banca dati del codice fornisce l’impatto ambientale della loro produzione.Processes: L’energia (energy), il trasporto (transport), i processi di lavorazione (processing), necessari per la generazione di un prodotto Disposal fraction: Famiglie di materiali a cui il codice attribuisce alcuni tipi di trattamento dei rifiuti (plastics, ferro metals, non ferro, textile…) Waste treatment: Tipo di trattamento dei rifiuti che può essere attribuito alle famiglie landfill, recycling, incineration, composting.  Solid emission Waste Treatment LCA Metodi di Calcolo Caratterizzazione, normalizzazione, valutazione Paolo Neri

LCA DI UN PRODOTTO OTTENUTO DA UNA COLTIVAZIONE Energia Operazioni agricole Trasformazione LCA di un prodotto ottenuto da una coltivazione Allestimento Fertilizzanti Pesticidi Conservazione Coltivazione Imballaggio Trasporto Emissioni in aria, acqua e suolo Paolo Neri

Una banca dati italiana per LCA dei prodotti agro-alimentari Processi per la coltivazione -avena -erba medica -insilato di mais -albicocche -olive -uva -riso -caffé -kiwi -barbabietola da zucchero -mela -pioppo Processi per la trasformazione -olio d’oliva -vino -marmellata -pasta -zucchero -succo di mela Processi di trasformazioni di prodotti di allevamento -latte -formaggio grana -prosciutto Processi di allevamento -suini -bovini Paolo Neri

LCA DI UNA BIOMASSA Energia prodotta < Energia non rinn. consumata Operazioni agricole Produzione del combustibile LCA di una biomassa Allestimento Fertilizzanti Pesticidi Gassificazione degli scarti Coltivazione Trasporto LCA di un’altra fonte energetica < Emissioni in aria, acqua e suolo Paolo Neri

Condizioni per la validità dell’uso di una biomassa per la produzione di una fonte energetica Energia non rinnovabile consumata per la produzione della fonte energetica ottenuta dalla biomassa < Energia disponibile dalla fonte energetica ottenuta dalla biomassa 2. LCA (fonte energetica ottenuta dalla biomassa) < LCA (fonte energetica da combustilbili fossili)

(ENEA-Laboratorio Energia ERG) Studio semplificato a partire Produzione di Etanolo da barbabietole e recupero energetico dagli scarti AUTORI Marco Cervino (CNR-ISAC) Paolo Neri (ENEA-PROT-INN) Giovanni Stoppiello (ENEA-Laboratorio Energia ERG) Studio semplificato a partire dall’LCA dello zucchero Paolo Neri

Analisi del ciclo di vita di 100 kg di barbabietole da zucchero PROCESSO PER OTTENERE LO ZUCCHERO – LE ENERGIE RELATIVE ALLE FASI DALLA DEFECAZIONE ALLA PRODUZIONE DELLO ZUCCHERO + PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’ETANOLO + I PROCESSI PER LA GASSIFICAZIONE DEI FANGHI Unità Funzionale: 100 kg di barbabietole Sistema studiato: caso teorico Confini del sistema: dalla coltivazione della barbabietola alla produzione dell’etanolo e del syngas (compresa la combustione dell’etanolo e del syngas per il bilancio della CO2) Banca dati: IVAMLCA3 di SimaPro5 Metodo di valutazione: Eco-Indicator99 E/E modificato per calcolare l’Energia Da 100 kg di barbabietole si producono: -11 litri di etanolo peso etanolo: 11l*0.79kg/l=8.69kg potere calorifico etanolo: 26.9MJ/kg et. energia totale disponibile dalla combustione dell’etanolo: 26.9MJ/kg*8.69kg=233.761MJ energia per l di etanolo: 233.761MJ/11l=21.251MJ/l et. energia per kg di barbabietola: 233.761MJ/100kg barb.=2.338MJ/kg barb. - 60 Nm3 di gas con un potere calorifico di 4MJ/Nm3 potere calorifico syngas: 4MJ/Nm3=4MJ/1.2kg=3.333MJ/kg gas energia totale disponibile dalla combustione del syngas: 60Nm3*4MJ/Nm3=240MJ; energia per kg di barbabietola: 240MJ/100kg barb.=2.4MJ/kg barb. Energia totale teorica disponibile: 2.338+2.4=4.738MJ/kg barb. Paolo Neri

Il processo di produzione dell’etanolo: 1° parte

Il processo di produzione dell’etanolo: 2° parte

Il processo per la produzione dell’etanolo: 3° parte

La valutazione Pt/kg di barbabietola

Bilancio ambientale ed energetico per kg di barbabietola Danno totale: 0.0409 Pt Human Health: 0.0132 Pt (32.23%) Ecosystem Quality: 0.0166 Pt (40.5%) Resources: 0.0111 Pt (27.27%) Bilancio energetico Energia teorica disponibile: 4.74 MJ- Energia non rinnovabile usata: 2.45 MJ= Energia reale disponibile: 2.29 MJ Rapporto output/input: 4.74/2.45=1.93 Paolo Neri

Produzione di syngas da cippato di pioppo AUTORI Elsa Arras (EUTEC) Paolo Neri (ENEA-PROT-INN) Giovanni Stoppiello (ENEA-Laboratorio Energetico ERG) Studio in fase di attuazione Paolo Neri Paolo Neri Paolo Neri Paolo Neri

Analisi del ciclo di vita della produzione di Syngas da cippato di pioppo Obiettivo dello studio è la valutazione del danno ambientale e del costo economico dovuti alla produzione di 1 m3 di gas sintetico attraverso le biomasse. Il Sistema che deve essere studiato è la produzione di 1 m3 di syngas da gassificatori che bruciano ibridi di pioppo selezionati. I processi all’interno dei confini del sistema sono: - il vivaio per le produzione delle talee - la coltivazione del pioppeto come materia prima per il sistema - la produzione del gas attraverso la tecnologia di un gassificatore. Nella fase attuale si assume come ipotesi di studio il gassificatore della Fraunhofer - la combustione del syngas per il bilancio della CO2 L’Unità funzionale è il volume di gas prodotto da 1 ha di pioppeto in 13 anni di vita. Per lo studio viene utilizzato il codice SimaPro7. Per rappresentare i processi relativi ai trasporti, all’energia elettrica, all’energia termica, si usano i processi presenti nella banca dati del codice SimaPro7. Per quanto riguarda i materiali, verranno usati dati saranno raccolti sul campo. Verranno considerati tutti i macchinari e gli impianti. Come metodo di valutazione si usa Eco-Indicator99 E/E modificato Paolo Neri

Coltura in Vivaio Piantagione Processo di gassificazione Preparazione del terreno Preparazione del terreno Essiccazione naturale (20%) Messa a dimora talee Messa a dimora delle talee Caricamento biomassa Trattamenti coltura Trattamenti coltura Essiccazione biomassa Taglio Astoni Taglio astoni Gassificazione Produzione talee Cippatura SYNGAS Stoccaggio talee Trasporto VAPORE RESIDUI SOLIDI Stoccaggio Paolo Neri

Schema del Gassificatore Fraunhofer Ipotesi: allo stato attuale come impianto di gassificazione è stato assunta una fornace a gas della stessa potenza Paolo Neri

Flussi energertici del Gassificatore Paolo Neri

Il Processo finale : 1° parte Paolo Neri

Il Processo finale studiato: 2° parte Paolo Neri

Il Processo finale studiato: 3° parte Paolo Neri

DATI SPECIFICI Unità funzionale: è la produzione di gas dalla biomassa prodotta da 1ha di pioppeto in 13 anni di vita cioè di 80+400=480t di legno verde, considerando che la produzione di 1 ciclo di taglio abbia come produzione circa 80t di biomassa verde. Potere calorifico del legno di pioppo secco 16.3293MJ Resa del gas 6714Nm3/h per 3000kg/h di legno secco al 20% di umidità 6714Nm3/3000kg=2,238Nm3/kg in 13 anni si producono 480000kg di legno verde che corrispondono a 480000*600/1000=288000kg di legno secco Quantità di gas prodotto : 2,238Nm3/kg*288000kg=644544Nm3 P.C.I. del gas 0.16*3017.584(CO)+0.02*8555.328(H2)+0.14*2578.3(CH4)= 1014.882kcal/Nm3 Potere calorifico del syngas: 1014.882Kcal/Nm3*4.187kJ/kcal=4.249MJ/Nm3 Energia totale disponibile: 4.249MJ/Nm3*644544Nm3=2738667.456MJ Paolo Neri

ANALISI DELLA CARATTERIZZAZIONE Human Health: 1.135 E-8 DALY per il 101.1% a Nitrogen oxides (Fertilizer (N)) Ecosystem Quality: 0.0373 PDF*m2yr per il 59.72% a Occupation , forest, intensive Resources: 0.02233 MJ Surplus per il 40.11% a Energy, from gas, natural ( Fertilizer (N)) Energia: -4.438 MJ per il 95.74% in Energy, from biomass gassification Paolo Neri

La valutazione del danno ambientale Paolo Neri

Il bilancio ambientale ed energetico per m3 di Syngas Danno totale: 0,003919 Pt Human Health: 0.0002447 Pt (6.25%) Ecosystem Quality: 0.002424 Pt (61.85%) Resources: 0.00125 Pt (31.9%) Bilancio energetico Energia teorica disponibile: 5.037 MJ- Energia non rinnovabile usata: 0.599 MJ= Energia reale disponibile: 4.438 MJ Rapporto output/input: 5.037/ 0.599=8.41 Paolo Neri

Conclusioni Entrambi gli studi dimostrano che l’energia prodotta dalla fonte energetica ottenuta dalla biomassa è maggiore dell’energia non rinnovabile consumata per la produzione della fonte energetica La parte maggiore del danno è in Ecosystem Quality e, in particolare in land use: necessità di limitare la produzione di energia In entrambi i casi il gassificatore è stato supposto vicino ai campi dove avviene la coltivazione della biomassa: necessità di usare la fonte da biomassa in prossimità della produzione Paolo Neri

Un parere Il problema energetico non si risolve con le biomasse o con le fonti alternative ma con la riduzione dei consumi energetici La riduzione dei consumi energetici si ottiene con un nuovo modello di sviluppo che tenga conto delle esigenze di tutti i cittadini del mondo La terra rimane la fonte primaria per soddisfare i bisogni alimentari del mondo