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Materiali Compositi e Impatto Ambientale: Eco Calculator per principianti

By 20 Settembre 2021Settembre 24th, 2021No Comments

Introduzione all’Analisi dell’Impatto Ambientale dei Materiali Compositi

L’analisi dell’impatto ambientale dei materiali compositi deve coprire l’intero flusso del processo, che va dalla sintesi delle materie prime (resine e fibre), alla produzione dei componenti, passando poi per il loro utilizzo fino allo smaltimento finale (Figura 1).

I materiali compositi si distinguono dagli altri materiali per la loro combinazione, straordinaria rigidezza, resistenza e leggerezza, che facilita il trasporto e la manipolazione, il montaggio e l’installazione e, nel caso di componenti mobili come le pale delle turbine eoliche o parti di veicoli, riduce anche il consumo di energia legato al funzionamento. Tutti questi vantaggi, combinati con la durata superiore del materiale nella maggior parte delle condizioni operative, permette di concludere che (almeno per la fase di utilizzo) i vantaggi ambientali legati all’uso dei compositi sono indiscutibili:
– minor consumo energetico e minori emissioni di gas serra;
– maggior durata dei componenti anche in assenza di manutenzione;
– migliori prestazioni e maggior sicurezza.

Come per le altre fasi dell’LCA, il metodo più adatto per quantificare l’impatto ambientale dei prodotti in composito – così come per tutti gli altri prodotti – è senza dubbio il Life Cycle Assessment (LCA). Condurre questa analisi può essere molto dispendioso in termini di tempo e di costi, poiché richiede software e competenze specializzate, nonché una verifica indipendente dei dati e della metodologia.

Fortunatamente, l’Associazione Europea per l’Industria dei Compositi (EuCIA) ha recentemente sviluppato uno strumento gratuito (Eco Impact Calculator) per calcolare rapidamente e facilmente i principali fattori di impatto ambientale relativi ai processi di produzione dei componenti in composito secondo lo schema “cradle to gate”, che prende in considerazione la produzione delle materie prime, il trasporto al produttore e la produzione del componente (Figura 1).
Le valutazioni dell’impatto ambientale vengono eseguite utilizzando un ampio database relativo ai materiali e ai processi di produzione che è stato raccolto attraverso una collaborazione tra istituzioni europee, centri di ricerca e industria durante diversi anni. Queste informazioni – che sono accessibili all’utente – permettono di calcolare la LCA di qualsiasi componente in soli due semplici passi:
1) la scelta del processo di produzione;
2) la “ricetta” del materiale (tipo e quantità delle materie prime utilizzate per la produzione del componente).

L’elenco delle risorse da prendere in considerazione nell’analisi “from cradle to gate” per un materiale composito è molto ampio. Infatti, non sono richieste solo informazioni sulle fibre e sulla matrice – che ne costituiscono i componenti principali – ma anche sulle cariche, sui materiali di base e sui rivestimenti, sugli additivi e sugli ausiliari di processo; poi ci sono anche gli elementi più strettamente legati al processo produttivo, come il consumo di energia e di acqua, le emissioni e i sottoprodotti.

I confini del sistema e i materiali e i processi che compongono il sito sono inclusi nell’EcoCalculator di EuCIA sono mostrati nella Figura 2. Per maggiori dettagli si prega di fare riferimento a [1].

Fondamenti della Valutazione del Ciclo di Vita

L’insieme delle diverse categorie di impatto sul ciclo di vita di un prodotto è definito da un protocollo internazionale chiamato International Reference Life Cycle Data System (ILCD) che identifica i diversi input e output elementari (Figura 3). Questo protocollo fornisce una base comune per una valutazione coerente, affidabile e di buona qualità, considerando molteplici categorie di impatto che riguardano la salute umana, l’ambiente naturale e le risorse naturali. Le emissioni e le risorse sono assegnate a ciascuna di queste categorie d’impatto e sono poi convertite in indicatori che misurano l’effetto ambientale per unità di emissione o risorsa consumata. Lo sviluppo dell’ILCD è stato coordinato dalla Commissione Europea in un ampio processo di consultazione internazionale con esperti, stakeholder e enti pubblici. Maggiori informazioni sono disponibili sul sito web della Piattaforma Europea sulle valutazioni del ciclo di vita.

Tra tutti gli indicatori mostrati nella figura 3, i più facilmente comprensibili – e quindi quello di maggiore interesse per gli utenti non esperti – sono certamente la domanda cumulativa di energia (CED) e l’emissione di gas serra (GHG).
Il CED è la misura totale delle risorse energetiche richieste per la fornitura di un prodotto o servizio e si riferisce ai valori di energia primaria per tutte le attività relative al ciclo di vita del prodotto. Esso tiene conto non solo dell’uso di energia fossile e nucleare (fonte non rinnovabile) ma anche di quella da biomassa (rinnovabile e non rinnovabile) e di quella prodotta da impianti eolici, fotovoltaici, geotermici e idroelettrici (fonte rinnovabile).

Il protocollo GHG nasce invece da uno sforzo di collaborazione tra aziende, governi, organizzazioni non governative (ONG) e istituzioni accademiche convocate dal World ResourcesInstitute (WRI) e dal World Business Council for Sustainable Development (WBCSD). L’iniziativa, lanciata nel 1998, ha permesso lo sviluppo di standard e strumenti accettati a livello internazionale per identificare e quantificare i gas a effetto serra e ha promosso la loro adozione al fine di raggiungere un’economia a basse emissioni di carbonio in tutto il mondo. Tra tutte le sostanze identificate la CO2 è senza dubbio la più conosciuta e importante che viene suddivisa in 4 categorie di impatto ambientale:
– l’equivalente fossile;
– l’equivalente biogenico;
– l’equivalente da trasformazione del suolo;
– l’assorbimento.

L’emissione totale di tutti i gas serra viene solitamente misurata con riferimento alla sola CO2 e per questo motivo l’unità di misura viene espressa in CO2 eq. Per semplicità, questo termine è spesso indicato come impronta ecologica di carbonio, CF. Anche se l’Eco Impact Calculator permette il calcolo di tutte le categorie elencate nella Figura 3, per semplicità le seguenti analisi saranno limitate a CED e CF.

 

Il Flusso di Lavoro

Lo strumento è strutturato in modo tale che sia facile per le persone senza esperienza di calcoli LCA fare valutazioni di impatto ambientale dei loro prodotti compositi (Figura 4). Dopo un semplice processo di registrazione può essere avviato un calcolo dell’Eco Footprint.

L’output può essere personalizzato utilizzando un profilo aziendale e/o un logo. Poi, lo strumento permette diverse opzioni. In primo luogo, un materiale può essere modificato e memorizzato per essere usato come un nuovo input, per esempio, un masterbatch o una miscela. Inoltre, è possibile selezionare un flusso di processo secondario come il compounding SMC (SheetMouldingCompounding) o l’estrusione termoplastica, seguito rispettivamente da un processo di pressatura o di stampaggio a iniezione per fare un pezzo.

Un primo passo richiede la scelta del processo di trasformazione. Una serie di processi predefiniti è disponibile per il calcolo che può essere fatto direttamente dallo strumento senza bisogno di alcun input da parte dell’utente. Inoltre, se l’utente desidera utilizzare un processo di trasformazione diverso, c’è un’opzione per introdurre il proprio set di dati.

Un secondo passo richiede la formulazione della ricetta dei materiali selezionando il tipo di materia prima da un menu, seguito da una materia prima specifica e dalla relativa quantità (in massa).

Il passo finale genera un Eco Impact Report in formato PDF che include informazioni sulla parte come inserita nel primo passo, i principi di calcolo e i valori di CED e CF. Si può anche scaricare un rapporto riassuntivo che include i dettagli della ricetta e può essere condiviso su base discrezionale. Inoltre, i dati possono essere esportati in un formato Excel SimaPro 8.2 per ulteriori calcoli del ciclo di vita.

Per garantire il rispetto della legislazione sulla privacy, tutti i dati sono disponibili solo per l’utente registrato.

 

Analisi LCA di Componenti Industriali Reali

Il primo esempio di analisi LCA condotto utilizzando l’Eco Impact Calculator di EuCIA si riferisce a un pannello per l’interno di un’automobile prodotto con la tecnologia SMC. Poiché la produzione comporta due fasi distinte, in primo luogo sarà necessario calcolare l’LCA per la produzione di un tipico composto SMC per uso generico; successivamente, questo composto sarà utilizzato per produrre il pezzo mediante stampaggio a compressione. La ricetta per produrre 1 kg di composto è mostrata nella Figura 5. Gli output LCA della fase di preparazione del composto sono poi usati come input per la seconda esecuzione dell’analisi riguardante la fase di stampaggio a compressione del pezzo, lo strumento fornisce quindi i valori totali di CED e CF. La percentuale di materie prime e il contributo del processo di conversione alla LCA sono forniti anche dall’output dell’Eco Impact Calculator e sono mostrati nella Figura 5.

Il secondo esempio è un montante di una scala a pioli in composito da 1 kg prodotto per pultrusione con fibre di vetro. La maggior parte dei componenti del materiale sono disponibili nello strumento e solo uno (il perossido) è stato valutato in analogia con componenti simili. Dal momento che solo una piccola quantità di perossido è usata nel pezzo, i calcoli approssimano bene i valori reali di LCA. Nel calcolo è stato incluso anche un certo quantitativo di scarti di produzione e scarti derivanti dal taglio (Figura 6).

Il terzo esempio è uno spoiler per auto realizzato con fibre di carbonio e prodotto con il processo di Resin Transfer Moulding (RTM). La maggior parte dei componenti del materiale sono disponibili nello strumento e solo uno (l’MDA a base epossidica) è stato valutato in analogia con componenti simili. Dal momento che solo una piccola quantità di perossido è usata nel pezzo, i calcoli approssimano bene i valori reali di LCA.  (Figura 7). Come nell’esempio precedente, nei calcoli è stata inclusa anche una certa quantità di scarti di produzione e di rifiuti derivanti dal taglio.

Vale la pena notare che, quando si usano le fibre di carbonio per produrre il pezzo, quasi tutto l’impatto ambientale è generato dalla produzione della materia prima (fibra di carbonio) e solo l’1% circa riguarda il processo di conversione.

L’ultimo esempio è un collettore di aspirazione da 6 kg per il motore di un’automobile prodotto usando poliammide (PA) 6.6 con rinforzi corti in fibra di vetro. Come per il primo esempio, poiché la produzione comporta due fasi distinte, prima si deve calcolare l’LCA per la produzione del composto; in seguito, questo composto può essere usato per calcolare l’LCA associato alla produzione del pezzo tramite stampaggio a iniezione. La ricetta per la produzione di 1 kg di composto è mostrata nella Figura 8. Gli output LCA della fase di produzione del composto (compounding) sono poi usati come input per la seconda esecuzione dell’analisi riguardante la fase di stampaggio a iniezione della parte da 6 kg. Lo strumento fornisce infine i valori totali desiderati per CED e CF. Il database di Eco Calculator purtroppo non dettaglia una poliammide specifica, con un unico valore che comprende l’ampia gamma di formulazioni che vanno da PA 6, 6.6, 4.6 e 12 ai gradi di poliarilammide a temperatura più elevata. Piccole quantità di stabilizzatori sono anche utilizzate per migliorare la durata a temperature più elevate in condizioni estreme.

Un riassunto dei risultati dell’analisi (normalizzati per i diversi componenti allo stesso peso di 1 kg) è mostrato nelle Figura 9.

 

Prospettive

Quali sono le prospettive? La valutazione del ciclo di vita dei compositi sta diventando un requisito essenziale per le scelte dei materiali in un mondo che valorizza sempre più una società più sostenibile. Per rispondere a questa esigenza, EuCIA ha sviluppato l’Eco Impact Calculator per consentire calcoli LCA da parte di Enti, istituti, università, autorità e altre parti interessate. Questo aumenterà la comprensione dell’utilità dei compositi e consentirà il confronto con altri materiali in una moltitudine di applicazioni. EuCIA è fiduciosa che l’Eco Impact Calculator possa aiutare l’industria dei compositi ad affrontare le opportunità e le sfide future.

Inoltre, è importante continuare a rivedere i dati utilizzati, nonché colmare le lacune nei materiali e nei processi e aggiornare lo strumento man mano che le esigenze dell’industria si evolvono. Le valutazioni del ciclo di vita sono un processo continuo e richiedono la nostra continua attenzione man mano che materiali e processi nuovi e migliorati entrano nel mercato.

Infine, è importante considerare lo smaltimento (fine vita) dei prodotti. L’approccio sempre più dominante nella strategia economica europea e mondiale è la cosiddetta “economia circolare”, in cui il tradizionale concetto “lineare” basato sul tipico schema “estrai/produci/usa/dismetti” esemplificato nella Figura 1 – che dipende dalla pronta disponibilità di grandi quantità di materiali ed energia a basso prezzo – viene modificato in un ciclo che si chiude su sestesso (Figura 10). Il modello di produzione e consumo viene quindi radicalmente trasformato coinvolgendo la condivisione, il prestito, il riutilizzo, la riparazione, il ricondizionamento e il riciclaggio di materiali e prodotti esistenti il più a lungo possibile.

In questo modo, il ciclo di vita dei prodotti viene esteso, contribuendo a ridurre l’impatto ambientale dei rifiuti; una volta che il prodotto ha finito la sua funzione, i materiali di cui è fatto vengono reintrodotti, dove possibile, nel ciclo economico. In questo modo i materiali possono essere continuamente riutilizzati all’interno del ciclo produttivo, generando valore aggiunto.
Per quanto riguarda in particolare l’impatto ambientale, come abbiamo visto, i processi di produzione delle materie prime hanno un impatto fondamentale in termini di consumo energetico e di emissioni di gas serra. Un uso più razionale delle materie prime può quindi contribuire da un lato a limitare questi fattori, dall’altro a dare maggiore continuità e sicurezza alla filiera delle materie prime stesse.

In poche parole, si può dire che, il fatto che i materiali compositi siano molto durevoli e resistenti ai danni, li rende ideali per l’economia circolare, perché si prestano bene alla riparazione (se necessario), al riutilizzo in altre applicazioni strutturali e al riciclaggio.