Analisi di impatto ambientale e impronta di carbonio di ... · di funzionamento dei gocciolatori...

Maggio 2015

Università degli Studi di Firenze

Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari, Alimentari e Forestali

Analisi di impatto ambientale e impronta di

carbonio di tre sistemi di irrigazione

RAPPORTO FINALE

2015

Graziano Ghinassi Paolo Spugnoli Antonio Guiso

Progetto di ricerca

ANALISI DI IMPATTO AMBIENTALE E IMPRONTA DI CARBONIO DI

TRE SISTEMI DI IRRIGAZIONE

Rapporto finale

Coordinatore: Graziano Ghinassi

Responsabile scientifico: Paolo Spugnoli

Acquisizione ed elaborazione dati: Antonio Guiso

Maggio 2015

Via San Bonaventura 13 - 50145 Firenze (FI) - Italy

Tel. +39 055 2755642 - Fax +39 055 310224

www.gesaaf.unifi.it/

Università degli Studi di Firenze

Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari, Alimentari e Forestali

1 Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari, Ambientali e Forestali. Università degli Studi di Firenze. http://www.gesaaf.unifi.it/

Sommario

1. Indice delle Tabelle ................................................................................................................... 2

2. Indice delle figure ..................................................................................................................... 2

3. Introduzione ............................................................................................................................. 3

4. Descrizione dei sistemi oggetto di studio .................................................................................... 3

4.1 Sistema ad ala avvolgibile con irrigatore a lunga gittata e barra .................................................. 3

4.2 Irrigazione a goccia con manichetta ......................................................................................... 4

5. Metodologia di calcolo .............................................................................................................. 4

6. Fasi del progetto ...................................................................................................................... 5

7. Inventario dei flussi ................................................................................................................... 8

7.1.A Fase di produzione: macchine con irrigatore e ala piovana ...................................................... 8

7.1.B Fase di produzione: manichette ........................................................................................... 11

7.2.A Fase d’uso: macchine con irrigatore e ala piovana ................................................................ 11

7.2.B Fase d’uso: manichette ...................................................................................................... 12

8. Risultati ................................................................................................................................. 13

8.1 Fase di produzione delle macchine ad ala avvolgibile ............................................................... 13

8.2 Fase di produzione delle manichette ....................................................................................... 16

8.3 Confronto tra gli impatti della fase di produzione riferito al m3 di acqua distribuito ........................ 16

9. Impatto fase di utilizzo ............................................................................................................ 17

10. Impatto totale ......................................................................................................................... 18

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 21

ANNEX I: Diagrammi dei flussi ........................................................................................................ 22

http://www.gesaaf.unifi.it/


1. Indice delle Tabelle

Tabella 1: Global Warming Potential dei gas ad effetto serra (IPCC, 2013). ........................................... 5

Tabella 2: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo del semovente con irrigatore ........................... 6

Tabella 3: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo del semovente con ala piovana ....................... 7

Tabella 4: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo delle manichette ............................................ 7

Tabella 5: Composizione semovente 125/400 ..................................................................................... 9

Tabella 6: Inventario fase di produzione del semovente 125/400 ........................................................... 9

Tabella 7: Inventario fase di produzione del carrello porta irrigatore/ala ............................................... 10

Tabella 8: Inventario fase di produzione dell'irrigatore Explorer ........................................................... 10

Tabella 9: Inventario fase di produzione Ala Piovana ......................................................................... 11

Tabella 10: Inventario fase di produzione delle manichette ................................................................. 11

Tabella 11: Inventario della fase di utilizzo del semovente con irrigatore .............................................. 12

Tabella 12: Inventario della fase di utilizzo del semovente con ala piovana .......................................... 12

Tabella 13: Inventario fase di utilizzo delle manichette ....................................................................... 13

Tabella 14: Impatti della fase di produzione dei singoli componenti delle macchine ad ala avvolgibile .... 13

Tabella 15: Impatto del carrello e degli elementi della distribuzione dei sistemi ad aspersione ............... 15

Tabella 16: Impatti della fase di produzione per l’irrigazione di 1 ha ..................................................... 16

Tabella 17: Impatto fase di produzione per m3 distribuito .................................................................... 16

Tabella 18: Impatto totale dei sistemi di irrigazione per m3 distribuito ................................................... 18

Tabella 19: Impatto totale dei sistemi di irrigazione per ha irrigato ....................................................... 19

2. Indice delle figure

Figura 1: Confini del sistema ............................................................................................................. 5

Figura 2: Irrigatore SIME mod. Explorer ............................................................................................ 10

Figura 3: Manichetta ....................................................................................................................... 11

Figura 4: Contributo delle componenti sull’impatto del semovente ....................................................... 14

Figura 5: Diagramma dei flussi del semovente ad ala avvolgibile ........................................................ 14

Figura 6: Impatto del semovente con ala e del semovente con irrigatore ............................................. 15

Figura 7: Impatto relativo della fase di produzione riferito al m3 di acqua distribuito ............................... 17



3. Introduzione

Il presente lavoro nasce da una specifica richiesta da parte di AMIS (Associazione Macchine Irrigatrici Semoventi), formulata al dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari Alimentari e Forestali (GESAAF) dell’Università di Firenze. Obiettivo dello studio è quello di fornire una valutazione del potenziale di riscaldamento globale, meglio conosciuto come “Carbon Footrpint”, di tre diversi sistemi d’irrigazione. Il progetto si inserisce in un quadro più ampio di valutazione generale della sostenibilità dei sistemi irrigui, intesa come l’impatto ambientale dovuto alla costruzione e all’utilizzo di tali sistemi. La sostenibilità può essere valutata facendo ricorso ad una vasta gamma di indicatori, che nel caso dei sistemi irrigui sono generalmente riferiti all’uso efficiente della risorsa idrica. Tali indicatori, considerati singolarmente, non possono tuttavia fornire una misura omnicomprensiva di sostenibilità (Dougherty et al., 1995; Tilman, 1999) ed è anche per questo motivo che il presente studio intende utilizzare un indicatore, la Carbon Footprint (CF), capace di valutare l’impatto climatico dei sistemi di irrigazione analizzati.

Attraverso l’analisi della CF è possibile:

- Identificare gli “hot spot”, ossia i processi che maggiormente contribuiscono al potenziale di riscaldamento globale del prodotto, offrendo la possibilità di implementare strategie di riduzione di tale impatto;

- Supportare le decisioni dell’azienda, ad esempio quelle di pianificazione strategica, scelta di priorità, progettazione o riprogettazione di prodotti o processi;

- Utilizzare strumenti di green marketing, di cui l’analisi della CF è la base scientifica oggettiva.

4. Descrizione dei sistemi oggetto di studio

Il presente studio si propone di analizzare e confrontare l’impatto ambientale di tre diversi sistemi di irrigazione ampiamente diffusi in Italia: uno con linea gocciolante leggera, utilizzato comunemente nell’irrigazione localizzata detto anche “manichetta”, e due ad aspersione meccanizzata con ala avvolgibile, noti anche come rotoloni, nelle varianti con irrigatore a lunga gittata e a barra distributrice. Come precedentemente indicato, l’impatto dei tre sistemi fa riferimento esclusivamente alle emissioni di Gas ad Effetto Serra (GHG) dovute al loro ciclo di vita che va dall’estrazione delle materie necessarie alla loro produzione, fino al processo produttivo ed ai carichi ambientali dovuti al loro utilizzo in campo. E’ stato escluso dall’analisi l’impatto dovuto al loro fine vita, ovvero al destino delle linee gocciolanti e delle macchine una volta che hanno esaurito la propria vita utile.

4.1 Sistema ad ala avvolgibile con irrigatore a lunga gittata e barra

Molto diffuso, per motivi di semplicità gestionale, costi e qualità del lavoro, questo sistema semovente è costituito da un dispositivo di solito montato su un carrello a ruote gommate, collegato a sua volta all’estremità di un tubo in polietilene flessibile che viene poi riavvolto, con velocità variabile, intorno ad un aspo durante il funzionamento. La macchina è composta da un telaio metallico su ruote, sul quale è montato, attorno ad un albero rotante, l’aspo avvolgi tubo con relativa guida per l’avvolgimento. Oltre a questi elementi il sistema si compone di un gruppo turbina/riduttore azionato dalla stessa acqua di irrigazione, necessario al riavvolgimento del tubo1 e quindi del carrello che ospita il sistema di distribuzione dell’acqua, irrigatore rotante (cannone) o barra porta ugelli (ala piovana). Nel primo caso l’irrigatore è montato su un supporto, fissato al carrello a ruote, che rappresenta il terminale del sistema di alimentazione. L’irrigatore è composto da una parte curva che si attacca al supporto, da una canna di lancio, da un boccaglio, da un rompigetto e da un sistema meccanico che permette il movimento rotatorio dell’irrigatore utilizzando l’energia del getto. Il sistema ad ala piovana consiste in una condotta (barra) realizzata in elementi di metallo zincato di diametro variabile, di solito sostenuta da cavi in acciaio, montata su un carrello a ruote con carreggiata

1 Per la messa in rotazione dell’aspo avvolgitubo esistono varianti con motore a scoppio.



piuttosto larga e opportunamente collegata all’ala avvolgibile. Sulla barra vengono inseriti gli ugelli distributori che lavorano ad una pressione di esercizio compresa fra 15 e 30 m c.a..2

4.2 Irrigazione a goccia con manichetta

Questa tecnica consiste nel convogliare l’acqua in un fitta rete di punti all’interno dell’appezzamento irriguo nei quali avviene lo sversamento di gocce. L’impianto si compone di una rete di tubazioni in PE che vanno a distribuire in maniera localizzata l’acqua in prossimità del colletto delle piante tramite erogatori noti come gocciolatori (Goldberg et al, 1976). Sul mercato operano numerose aziende produttrici, che propongono tipi diversi di erogatori riguardo alla modalità di dissipazione dell’energia, alla compensazione del rapporto portata/pressione, alla capacità autopulente e alla difesa dall’intrusione delle radici. Il principio di funzionamento dei gocciolatori consiste nel dissipare l’energia di pressione posseduta dall’acqua in piccole sezioni di passaggio e variazioni brusche di direzione. Uno dei principali inconvenienti di questo sistema è l’intasamento degli erogatori, motivo per il quale si rende necessario, a monte dell’impianto, un sistema di filtraggio specifico per le caratteristiche dell’acqua impiegata.

5. Metodologia di calcolo

La valutazione di impatto presentata in questo studio è basata sul concetto di Analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment-LCA). La metodologia LCA consiste nella valutazione dei carichi ambientali derivanti dalle varie fasi di un processo, dalle materie prime utilizzate fino alla perdita di funzionalità dello stesso, ovvero il fine vita. In definitiva questo tipo di studio serve a compiere un’analisi dettagliata dell’impiego di risorse e delle emissioni prodotte nella realizzazione di beni e servizi, comprendendo tutte quelle operazioni di estrazione e trasporto delle materie prime, elaborazione, trasporto e distribuzione del prodotto compiuto, utilizzazione, riciclo e smaltimento finale (Hunt et al, 1996). L’indicatore di impatto preso in considerazione è il potenziale di riscaldamento globale del ciclo di vita dei tre sistemi analizzati. La Carbon Footprint (CF) rappresenta il contributo al cambiamento climatico causato dalle attività di origine antropica. Essa misura le emissioni di gas ad effetto serra dovute al ciclo di vita di un prodotto, organizzazione o servizio. Tali gas, naturalmente presenti nell’atmosfera, hanno l’effetto di trattenere la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre, causando un effetto simile a quello riscontrabile all’interno di una serra. Il recente aumento della loro concentrazione in atmosfera, causato dalle attività umane, sta provocando un lento ma continuo innalzamento della temperatura, con potenziali effetti negativi sull’ambiente (Wright, 2011). L’unità di misura della Carbon Footprint è la tonnellata di anidride carbonica equivalente (t CO2eq). Essa permette di rapportare alla CO2 tutti i gas clima-alteranti con diverso potenziale di riscaldamento globale. La CO2eq viene calcolata moltiplicando le emissioni di ciascuno dei gas ad effetto serra per il suo potenziale di riscaldamento (Global Warming Potential, GWP). Il GWP rappresenta il rapporto fra il riscaldamento causato da un gas ad effetto serra in uno specifico intervallo di tempo (normalmente 100 anni) e il riscaldamento causato nello stesso periodo dalla CO2 nella stessa quantità (IPCC, 2007). Quindi questo indice è basato su una scala relativa che confronta il gas considerato con una equivalente massa di CO2, il cui GWP è per definizione pari a 1 (1). I potenziali di emissione di differenti gas ad effetto serra possono essere sommati fra loro in un singolo indicatore (tCO2eq) secondo la relazione:

i

n

i

i GWPtGaseqtCO *1

2

Dove: tGasi è la quantità del gas i-esimo; GWPi è il potenziale di riscaldamento globale del gas i-esimo.

Esistono vari gas ad effetto serra, riconosciuti dal Protocollo di Kyoto ed il cui GWP, almeno per i principali, è riportato in tabella 1.

2 Fonte: catalogo Giampi irrigazione.



Tabella 1: Global Warming Potential dei gas ad effetto serra (IPCC, 2013).

GHG Formula GWP100

Anidride carbonica CO2 1

Metano CH4 34

Ossido nitroso N2O 298

Idrofluoro carburi HFCs 124-14800

Esafluoruro di zolfo SF6 22800

Perfluoro carburi PFCs 7390-12200

La norma che stabilisce i criteri di determinazione della CF a livello internazionale, con metodi riconosciuti a livello generale e univoco, è la ISO/TS 14067:2013 “Carbon footprint of products – Requirements and guidelines for quantification and communication”. In definitiva, la CF si basa su uno studio LCA la cui analisi si limita alle emissioni che hanno effetto sul cambiamento climatico, espresso in termini di CO2 eq.

6. Fasi del progetto

6.1 Sistemi e condizioni d’uso

La metodologia di calcolo utilizzata in questo studio prevede le seguenti fasi: - definizione dello scopo, di un’unità funzionale e dei confini del sistema da analizzare; - compilazione di un inventario degli elementi in ingresso ed uscita (input-output) rispetto al sistema di

prodotto; - valutazione dell’impatto potenziale in termini di Kg CO2 eq associati al sistema; - interpretazione dei risultati riguardanti le fasi di analisi dell’inventario e di stima dell’impatto in relazione

agli obiettivi dello studio.

Obiettivo dell’analisi presentata in questo studio è la quantificazione dell’impronta di carbonio associata all’intero ciclo di vita dei tre sistemi di irrigazione precedentemente descritti, espressa in unità CO2

equivalente. L’unità funzionale scelta, ovverosia il prodotto unitario a cui si riferiscono gli impatti considerati, è il m3 di acqua distribuito. L’impatto in termini di CF sarà quindi espresso in quantità di kg di CO2

eq per m3 di acqua distribuito (kgCO2eq/m3H2O).

In Figura 1 sono schematicamente rappresentati i confini dei sistemi analizzati. La definizione di tali confini è necessaria per identificare correttamente i flussi di input (materie prime, energia etc.) ed output (emissioni, rifiuti) scambiati dai sistemi con l’ambiente.

Figura 1: Confini del sistema

Il ciclo di vita dei tre sistemi è stato diviso in due fasi principali: fase di produzione e fase di utilizzo in campo. Per quanto riguarda la fase di produzione sono stati considerati gli impatti dovuti alla estrazione e lavorazione delle materie prime, alla produzione dei semilavorati utilizzati, ai processi di lavorazione a cui essi sono stati sottoposti e all’assemblaggio. La fase di utilizzo considera la richiesta energetica necessaria a distribuire la risorsa idrica in campo nelle normali condizioni di utilizzo dei sistemi. Per



risorsa Idrica si intende il volume di acqua effettivamente distribuito in pieno campo, indipendentemente dai criteri utilizzati per la sua determinazione. Sono state escluse dal computo le risorse necessarie alla posa in campo e movimentazione dei tre sistemi, in ragione della elevata variabilità delle possibili condizioni di utilizzo. Similmente, l’analisi portata avanti in questo studio non considera gli impatti dovuti al fine vita dei tre sistemi per la difficoltà di reperire dati attendibili relativi al destino delle macchine e delle linee gocciolanti impianti una volta esaurita la loro vita operativa. Una volta definiti i confini del sistema, anche sulla base dei dati riscontrati in precedenti progetti di ricerca (Ghinassi et al., 2011) sono state definite le caratteristiche tecniche e di utilizzo dei tre sistemi oggetto di studio. Per le macchine ad ala avvolgibile si è operato in collaborazione con l’associazione AMIS per individuare le caratteristiche tecniche più rappresentative e quindi la configurazione e le prestazioni che ne conseguono, con particolare attenzione alla superficie irrigabile e alla pressione di esercizio. Con queste premesse, per i due sistemi ad ala avvolgibile è stata scelta una lunghezza del tubo di 400 metri con diametro esterno di 125 mm Ø3, da accoppiare sia all’irrigatore a lunga gittata con boccagli da 28 e 30 mm Ø e pressione al boccaglio di 50 m c.a., sia all’ala piovana funzionante con una pressione agli ugelli di 15 m c.a. e capace di irrigare una striscia di suolo larga 50 m. Per quanto riguarda l’irrigazione a goccia, è stata considerata una manichetta floscia leggera, con ciclo di vita annuale, nelle versioni con passo 30 cm, diametro esterno 22 mm Ø e 16 mm Ø, spessore 8 mill. Anche per la scelta di tali configurazioni e caratteristiche è stato seguito il criterio di analizzare sistemi che rappresentassero soluzioni funzionali e ampiamente adottate nelle realtà di campo. Riguardo all’efficienza irrigua dei sistemi in oggetto, fortemente condizionata dalle capacità personali degli utenti, si è assunto per tutti lavorassero sulla medesima coltura, coltivata nelle stesse condizioni agroclimatiche e che distribuissero il medesimo volume irriguo stagionale, stabilito in 2500 m3 per ettaro sulla base delle risultanze sperimentali sopra menzionate. Nelle tabelle 2, 3 e 4 si riportano gli scenari considerati per i tre sistemi oggetto della ricerca.

Tabella 2: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo del semovente con irrigatore

Boccaglio mm 30 28

Vita media anni 15 15

Coltura Orticola pieno campo

Lunghezza tubo m 400

Diametro esterno tubo mm 125

Volume irriguo stagionale m3/ha 2500

Turno irriguo gg 7

Altezza di pioggia per intervento mm 35,7

Irrigatore (modello) Explorer

Larghezza striscia irrigata (80% del diametro)

m 90 90

Velocita di recupero m/h 24 21

Tempo totale ciclo h 16,9 19,05

Area ha 4 4

Operatività giornaliera h 21 21

Tempo di irrigazione per ettaro h 4,2 4,8

Area irrigabile nel turno ha 35 30,8

3 Questa tipologia di macchina rappresenta quella che, al momento, coniuga meglio caratteristiche funzionali e potenzialità di mercato.



Tabella 3: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo del semovente con ala piovana

Vita media anni 15


Lunghezza tubo m 400

Diametro esterno tubo mm 125


Turno irriguo gg 7


Lunghezza Ala m 44

Larghezza striscia Irrigata m 50

Velocita di recupero m/h 26,5

Tempo totale ciclo h 15,1

Area ha 2

Operatività Giornaliera h 21

Tempo di irrigazione per ettaro h 7,55

Area irrigabile nel turno ha 19

Tabella 4: Caratteristiche tecniche e condizioni di utilizzo delle manichette4

Vita media anni 1



Interventi n 16

Turno Irriguo gg 3


Diametro manichetta mm 16 22

Spessore manichetta mill 8 8

Passo punti goccia m 0,3 0,3

Sviluppo manichetta per ettaro m 6600 6600

Pressione massima di esercizio m c.a. 8 8

Portata l/hm 3,80 3,80

Portata per ettaro m3/h 25,08 25,08

Una delle differenze più rilevanti fra i tre sistemi è la vita utile economica, che per le macchine ad ala avvolgibile è valutata in 15 anni mentre quella delle manichette è annuale, essendo sostituite stagionalmente. Ne consegue che l’impatto derivante dalla fase di produzione delle macchine per l’aspersione viene ripartito su un orizzonte temporale maggiore.

6.2 Inventari del ciclo di vita

Una volta definite le attrezzature e le loro condizioni d’uso, i dati relativi alla fase di produzione ed alla fase di utilizzo sono stati raccolti nei cosiddetti inventari del ciclo di vita (LCI, Life Cycle Inventory). Per inventario del ciclo di vita si intende l’elenco dei flussi in ingresso (materiali, energia, etc.) ed uscita (emissioni e rifiuti) dai sistemi considerati. L’inventario comprende i dati relativi ai processi svolti nei confini del sistema ed utilizzati ai fini del calcolo della CF dei tre sistemi di irrigazione. I dati riguardanti la fase di produzione delle macchine irrigatrici semoventi sono stati raccolti presso le ditte produttrici afferenti ad AMIS. Quelli relativi alla fase di produzione delle ali gocciolanti sono stati ricavati esaminando i cataloghi di alcuni produttori attivi sul territorio nazionale italiano.

4 Modello Toro Aqua-traxx EA5061245 e EA7081245, dati ricavati da http://www.lni.unipi.it/pubblicazioni/lg/arsia52006/schede.htm


http://www.lni.unipi.it/pubblicazioni/lg/arsia52006/schede.htm


Per quanto riguarda la fase di utilizzo, i dati sui consumi energetici, determinati principalmente da pressione e portata, sono stati calcolati in base a condizioni di funzionamento medie ricavate da esperienze di campo e prove di laboratorio. La procedura di calcolo della CF consiste nel moltiplicare il dato di inventario per il corrispettivo fattore di emissione, ossia per la quantità di gas serra emessi in atmosfera dal processo/materiale considerato, secondo la relazione: CO2 eq. = dato attività*fattore di emissione

In questo modo sono stati calcolati gli impatti derivanti dalle fasi di produzione e di utilizzo di ciascun sistema, per poi essere riallocati all’unita funzionale prescelta (il m3 di acqua distribuito). I fattori di emissione utilizzati in questo studio provengono per la maggior parte dal database Ecoinvent (versione 3.0), sviluppato dallo Swiss Centre for Life Cycle Inventories. Il database fornisce una serie unificata di dati di alta qualità sul ciclo di vita di molti processi5. Per l’analisi dell’inventario dei flussi è stato usato il Software Simapro, distribuito dalla società Pre-Consultant. Simapro è un software specifico per analisi sul ciclo di vita che permette di raccogliere, analizzare e monitorare la performance ambientale di prodotti o servizi. In pratica, con l’utilizzo di tale strumento informatico risulta possibile modellare e analizzare cicli di vita complessi in maniera sistematica poggiando su basi scientifiche e seguendo le norme ISO 14040 (ISO, 2006) e ISO 14044 (ISO, 2006).

7. Inventario dei flussi

Di seguito si fornisce una descrizione dell’inventario dei flussi utilizzato per la valutazione di impatto di ciascun sistema.

7.1.A Fase di produzione: macchine con irrigatore e ala piovana

L’inventario della fase di produzione delle due macchine ad aspersione è molto simile, differenziandosi solo per l’elemento di distribuzione dell’acqua in quanto l’elemento ad ala avvolgibile ha identiche caratteristiche per entrambi i sistemi. Per la macchina semovente con irrigatore a lunga gittata è stato scelto un modello da utilizzare con boccagli da 28 e da 30 mm Ø.

Per il semovente con ala piovana ci si è orientati verso un elemento largamente utilizzato. La macchina rappresenta la parte del sistema con la più alta complessità per entrambe le modalità ad aspersione, poiché la sua costruzione richiede la maggior quantità di materiali e processi lavorativi.

Per semplicità, nelle fasi di raccolta ed elaborazione dei dati la macchina è stata suddivisa nelle componenti riportate in tabella 5.

5 I dati sono riferiti principalmente alle condizioni svizzere e dell’Europa Occidentale. La banca dati Ecoinvent contiene 4000 set di dati riguardanti prodotti e servizi appartenenti ai seguenti

settori: energia, trasporti, materiali da costruzione, prodotti chimici, pasta di legno e carta, settore agricolo, trattamento dei rifiuti.



Tabella 5: Composizione semovente 125/400

Ruote

Semiassi

Timone

Piede Anteriore

Piedi Stabilizzatori

Porta-Documenti

Correttore

Albero-Vite

Gruppo Pignoni

Guida-Tubo

Raccordo Girevole

Ingresso Acqua

Turbo Riduttore

Ancoraggio

Kit Protezioni

Accessori

Gruppo Leve

Tubo

Telaio: Aspo

Basamento

Carro

Cavallotti

In tabella 6 sono elencati i principali materiali e processi utilizzati nella fase di produzione (LCI) del semovente. La macchina è poi completata dal carrello che supporta il terminale di irrigazione. In tabella 7 viene riportato l’elenco dei materiali e dei processi convolti nella fase di produzione del carrello porta irrigatore/barra.

Tabella 6: Inventario fase di produzione del semovente 125/400

Materiali/Processi Unità Quantità

Acciaio (vari tipi) Kg 1834,44

Pitture, antiruggine smalti Kg 18,872

ABS Kg 6,652

Tornitura-fresatura Alluminio Km materiale rimosso 1,75

Alluminio Kg 28

Ghisa Kg 32,2

Tornitura-fresatura Ghisa Kg materiale rimosso 1,38

Estrusione tubi in PE Kg materiale estruso 1370

Processi laminazione (lamiere in acciaio) Kg materiale trattato 314,2

Estrusione alluminio Kg materiale estruso 0,24

Taglio laser Secondi di taglio 993

Olio lubrificante Kg 11,48

Polietilene Kg 1370

Processi laminazione (barre in acciaio) Kg materiale trattato 690

Tornitura-fresatura acciaio Kg materiale rimosso 7,785

Gomme sintetiche Kg 1,29

Stampaggi plastici Kg 7,942

Saldatura arco m lineari saldati 62,39

Tubi idraulici (Gomma/acciaio telato) Kg 4,18

Zincatura Kg materiale zincato 1015



Tabella 7: Inventario fase di produzione del carrello porta irrigatore/ala

Materiali/Processi Unità Quantità

Acciaio (vari tipi) Kg 245

Gomma sintetica Kg 35,2

Stampaggio a iniezione Kg materiale stampato 35,2

Pitture, antiruggine smalti Kg 0,807

Taglio laser secondi di taglio 100

Saldatura arco m lineari saldati 8

Il gruppo macchina/carrello viene accoppiato con l’elemento della distribuzione, irrigatore a lunga gittata o ala piovana. Per il primo elemento (figura 2) è stato scelto il modello Explorer, prodotto da SIME S.r.l..

Figura 2: Irrigatore SIME mod. Explorer

Riguardo alla fase produttiva dei due boccagli, da 28 e 30 mm Ø, con cui sarà configurato l’irrigatore, non sono state riscontrate differenze significative in termini di materiali e processi. Per questo motivo è stato compilato un solo inventario della fase di produzione, valido per i due casi (tabella 8).

Tabella 8: Inventario fase di produzione dell'irrigatore Explorer

Materiali/Processi Unità di misura Quantità

Alluminio Kg 5,5

Acciaio inox Kg 2,6

Tornitura-fresatura acciaio Kg materiale rimosso 7,785

Polietilene Kg 1,43

Stampaggio plastica Kg materiale stampato 1,43

Ottone Kg 0,4

ABS Kg 0,409

Stampaggio e calandratura Kg 0,409

Calore di processo MJ 226

L’ala piovana, prodotta da Giampi S.r.l., ha una lunghezza di 44 metri. Nella seguente tabella 9 si riportano i materiali ed i processi relativi alla fase di produzione, comprensiva di ugelli.



Tabella 9: Inventario fase di produzione Ala Piovana


Gomma sintetica Kg 1,39

Stampaggio e calandratura gomma Kg 1,39

Acciaio Inox Kg 11,01

Trafilatura Kg materiale trafilato 10,75

Nylon Kg 3,95

Stampaggio plastica Kg Materiale stampato 3,95

Acciaio Kg 221,278

Zincatura Kg materiale zincato 214,778

Ottone Kg 3,246

Tornitura-fresatura ottone Kg materiale rimosso 0,747

7.1.B Fase di produzione: manichette

Per la comparazione con i due sistemi ad aspersione, è stata scelta una manichetta gocciolante di tipo leggero (figura 3), modello Aqua-TraXX prodotta dalla Toro Ag Irrigation, nelle versioni da 22 mm Ø e 16 mm Ø, con spessore di 8 mill.

Figura 3: Manichetta

L’inventario del ciclo di vita di questo sistema è stato redatto prendendo a riferimento l’ettaro di superficie irrigata, considerando una distanza tra le linee di 1,50 m, per uno sviluppo totale di 6600 m/ha di manichetta con passo dei gocciolatori di 30 cm. La materia prima utilizzata è polietilene granulare a bassa densità, sottoposto ad un processo di estrusione durante il quale gli erogatori vengono saldati alla parete interna del tubo. I due modelli di manichetta sono stati scelti in quanto fra i più diffusi sul mercato per colture orticole e industriali in pieno campo. In piano e a parità di carico in testata, la manichetta di diametro 22 mm Ø consente di utilizzare linee di maggior lunghezza rispetto a quella da 16 mm Ø, ovvero a parità di lunghezza e pressione a fine linea il carico richiesto in testata è minore. Nella tabella 10 è riportato l’inventario della fase di produzione delle due manichette.

Tabella 10: Inventario fase di produzione delle manichette


Ø 16 Ø 22

Polietilene Kg 76,02 101,53

Estrusione e stampaggio Kg materiale trattato 76,02 101,53

Carta Imballaggio Kg 1,59 1,99

Polietilene (imballaggio) Kg 1,15 1,44

7.2.A Fase d’uso: macchine con irrigatore e ala piovana

Per la fase d’uso delle macchine in oggetto, sono stati considerati i carichi ambientali dovuti alla distribuzione dell’acqua al campo, messa in pressione da pompe alimentate con combustibili fossili, nella fattispecie gasolio. Il consumo di carburante è stato calcolato senza indicare modelli o caratteristiche del gruppo motore/pompa (Pimentel, 1992). Questo per consentire un confronto fra le richieste energetiche dei tre sistemi che sia indipendente dalla variabilità dei sistemi di pompaggio effettivamente utilizzati in campo. Il consumo orario teorico di carburante è stato calcolato secondo la formula:

CSkWC *



Dove: C = Consumo orario di gasolio (g/h); kW = Potenza meccanica assorbita dalla pompa; CS = Consumo specifico del motore endotermico (g/kWh). La potenza meccanica assorbita dalla pompa è stata calcolata utilizzando la seguente formula:

Dove: W = potenza (kW); Ɣ = Peso specifico dell’acqua a 4 °C (Kg/m3);

Q = Portata della pompa (m3/s);

H = Prevalenza totale della pompa (m c.a.); η = Rendimento della pompa (assunto pari al 70%). In virtù del fatto che non sono stati considerati specifici modelli di pompe, non è stato considerato l’impatto dovuto al loro ciclo di vita. L’inventario del ciclo di vita della fase di utilizzo delle macchine riporta i consumi teorici di carburante richiesti dalle pompe al fine di distribuire in campo i 2500 m3/ha, assunti come volume annuale di riferimento. Nelle seguenti tabelle 11 e 12 vengono riportate le condizioni di utilizzo ed i consumi per ciascuna delle macchine considerate.

Tabella 11: Inventario della fase di utilizzo del semovente con irrigatore

Boccaglio mm Ø 30 Ø 28

Pressione al boccaglio bar 5 5

Pressione alla pompa bar 7 7

Portata pompa l/min 1260 1096

Potenza assorbita pompa kW 20,5 17,9

Consumo orario gasolio kg/h 4,26 3,72

Consumo gasolio per ettaro (intervento) kg/ha 17,75 17,62

Consumo stagionale di gasolio per ettaro kg/ha 124,21 123,35

Tabella 12: Inventario della fase di utilizzo del semovente con ala piovana

Pressione all’ala bar 1.5

Pressione alla pompa bar 3

Portata pompa l/min 788

Potenza assorbita pompa kW 6,45

Consumo orario pompa l/h 1,4

Consumo gasolio per ettaro (intervento) l/ha 10,57

Consumo stagionale gasolio per ettaro l/ha 73,99

I consumi di gasolio per singolo trattamento dipendono, a parità di pressione, dal volume distribuito, ovvero dalla velocità di avanzamento della macchina. Nella comparazione oggetto di studio, le condizioni che sono state prese a riferimento indicano per le macchine 35,7 mm di pioggia (357 m3/ettaro) da distribuire ad ogni intervento, per un totale di 7 irrigazioni per i 2500 m3 stagionali.

7.2.B Fase d’uso: manichette

Per le manichette valgono le considerazione fatte a proposito dei semoventi per le procedure di calcolo dei diversi parametri, con l’unica differenza che il calcolo non ha riguardato il singolo intervento.

*102

** HQW



L’inventario della fase di utilizzo è stato perciò compilato prendendo in considerazione la portata oraria per ettaro del sistema, la sua pressione di esercizio e le ore necessarie a distribuire i 2500 m3/ha di acqua, cioè il volume stagionale complessivo (tabella 13).

Tabella 13: Inventario fase di utilizzo delle manichette

Diametro esterno mm Ø 16 Ø 22

Pressione in ingresso ala bar 1 0,8

Pressione alla pompa bar 3,5 3,3

Portata pompa l/min 418 418

Potenza assorbita pompa kW 3,42 3,22

Consumo orario pompa kg/h 0,75 0,71

Consumo stagionale gasolio per ettaro kg/ha 77,90 73,46

Le differenze di pressione alla pompa e di conseguenza dei consumi orari di combustibile, sono date dal fatto che le perdite di carico nella manichetta con diametro di 22 mm, a parità di lunghezza, sono inferiori. Per il calcolo si è assunta una pressione finale di 8 metri c.a. per entrambi i modelli. Applicando la formula di Hazen-Wiliams (Allen et al., 1996) si è ricostruita la perdita di carico lungo le linee e di conseguenza il carico in testata.

8. Risultati

Vengono di seguito riportati i risultati dell’analisi degli inventari dei flussi, ricordando che gli impatti ambientali dovuti alle fasi di produzione ed utilizzo dei tre sistemi di irrigazione sono stai valutati con il metodo del GWP a 100 anni e riportati in Kg di CO2 equivalente. I risultati vengono analizzati separatamente per quanto riguarda le fasi di produzione e di utilizzo. Successivamente gli impatti derivanti da queste fasi sono stati riferiti all’unità funzionale prescelta, il m3 di acqua distribuito.

8.1 Fase di produzione delle macchine ad ala avvolgibile

Considerando le analogie fra i due sistemi ad aspersione, gli impatti dovuti alla fase di produzione delle macchine vengono presentati congiuntamente. Nella tabella 14 si riporta l’inventario della fase di produzione del semovente e delle sue componenti, con l’esclusione del carrello e degli elementi della distribuzione, formulato a partire dalle Tabelle 5 e 6:

Tabella 14: Impatti della fase di produzione dei singoli componenti delle macchine ad ala avvolgibile

COMPONENTE Kg CO2 eq. COMPONENTE Kg CO2 eq.

Ruote 452,77 Ingresso Acqua 42,68

Semiassi 55,38 Turbo Riduttore 172,77

Timone 20,81 Ancoraggio 243,72

Piede Anteriore

31,19 Kit Protezioni 142,54

Piedi Stabilizzatori

55,67 Accessori 13,23

Porta-Documenti

4,69 Gruppo Leve 3,74

Correttore 44,74 Tubo 3.179,30

Albero-Vite 74,99

Telaio

Aspo 1.217,30

Gruppo Pignoni

8,48 Basamento

208,01

Guida-Tubo 12,72 Carro 309,65

Raccordo Girevole

13,72 Cavallotti

304,25

Totale 6.612,35



Il contributo relativo all’impatto delle diverse componenti delle macchine è riportato in figura 4, dove è evidente l’incidenza del tubo e del telaio.

1%

2% 2%

4%

7%

31%48%

5%

Contributo componenti

ALBERO-VITE

KIT PROTEZIONI

TURBO RIDUTTORE

ANCORAGGIO

RUOTE

TEAIO

TUBO

ALTRO

Figura 4: Contributo delle componenti sull’impatto del semovente

Da un analisi più dettagliata dei flussi dei materiali e dei processi produttivi, effettuata con il software Simapro (Fig. 5), risulta che il polietilene utilizzato nel processo produttivo del tubo ha un impatto del 39% sul totale, seguito dell’acciaio che contribuisce per il 32,2%.

Figura 5: Diagramma dei flussi del semovente ad ala avvolgibile

Per quanto riguarda le componenti delle macchine ad aspersione preposte alla distribuzione dell’acqua e al supporto degli elementi aspersori, ovverosia carrello porta irrigatore e porta ala, irrigatore e ala piovana, si riporta il valore dei singoli impatti nella tabella 15.



Tabella 15: Impatto del carrello e degli elementi della distribuzione dei sistemi ad aspersione

Componente Kg CO2 equivalente

Ala 454

Irrigatore Explorer 79

Carrello porta ala/irrigatore 497

Per un dettaglio dello schema dei flussi dei singoli componenti si veda l’Annex I. L’impatto della fase di produzione delle due macchine ad aspersione, complete delle componenti per la distribuzione dell’acqua, è riportato in figura 6:

Rotolone con Ala Rotolone con irrigatore

Carrello 497 497

Terminale 454 79

Rotolone 6.612 6.612

TOTALE 7.563 7.189

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

Kg

CO

2 eq

.

Impatto Totale produzione macchine ad aspersione

Figura 6: Impatto del semovente con ala e del semovente con irrigatore

La figura mostra che l’impatto della macchina equipaggiata con ala piovana ha un impatto superiore di circa il 5% rispetto a quello della macchina con irrigatore. Tale differenza è dovuta al processo produttivo dell’ala, che richiede quantità di materie prime maggiori rispetto a quelle utilizzate nel processo produttivo dell’irrigatore. Per i modelli considerati, l’impatto dovuto alla fase di produzione del semovente con ala e di quello con irrigatore è rispettivamente 7563,35 Kg di CO2 equivalente e 7188,75 Kg di CO2 equivalente. Nella valutazione dell’impatto della fase di produzione, riferito all’unità funzionale del m3 di acqua distribuito, vanno considerate la vita utile del sistema di irrigazione, che per quelli ad aspersione è normalmente stimata in 15 anni, e la superficie irrigabile stagionalmente da ciascun sistema. In questo studio, la procedura di attribuzione dell’impatto relativo alla fase di produzione dei due sistemi ad aspersione è riportata di seguito:

Dove: I = Impatto della fase di produzione (Kg di CO2 eq./m3);

A = Impatto della fase di produzione (Kg di CO2 eq.); B = Anni vita utile (n.); C = Superficie massima irrigabile durante la stagione irrigua (ha); D = Volume irriguo stagionale (m3/ha).



8.2 Fase di produzione delle manichette

L’impatto della fase di produzione della manichetta gocciolante leggera è dovuto alla materia plastica e ai suoi processi di lavorazione. Il presente studio non prende in considerazione gli impatti dovuti alla produzione del sistema di filtraggio, poiché il suo contributo all’impatto è stato valutato poco influente. Non sono stati inoltre considerati gli impatti dovuti allo smaltimento delle manichette perché non è stato possibile configurare uno scenario di fine vita a causa della carenza di dati disponibili.

La vita utile delle manichette considerate in questo lavoro è normalmente annuale e al termine della stagione irrigua vengono eliminate. Di conseguenza, l’attribuzione dell’impatto della fase di produzione al m3 di acqua distribuito si riduce al rapporto fra l’impatto della fase di produzione della manichetta, relativo alla quantità necessaria a coprire un ettaro, e il volume irriguo stagionale. I valori sono riportati in tabella 16.

Tabella 16: Impatti della fase di produzione per l’irrigazione di 1 ha

Materiali/Processi Kg CO2 eq.

Ø 16 Ø 22

Polietilene 169 225

Estrusione e stampaggio

26,4 35,3

Packaging 5,6 7,7

TOTALE 201 268

L’impatto della fase di produzione della manichetta di diametro maggiore è superiore del 33% rispetto a quello della manichetta di diametro più piccolo.

8.3 Confronto tra gli impatti della fase di produzione riferito al m3 di acqua distribuito

Gli impatti della fase di produzione dei diversi sistemi rispetto al m3 di acqua distribuito, sono stati calcolati secondo la procedura descritta nei paragrafi 8.1 e 8.2 e utilizzando i dati di figura 6 e tabella 16. Il confronto è riportato in tabella 17.

Tabella 17: Impatto fase di produzione per m3 distribuito

Sistema Kg CO2 eq.

Rotolone con ala 0,0111

Rotolone con irrigatore Ø 30 0,0058


Manichetta Ø 16 0,0805


I valori della tabella 17 sono stati utilizzati per costruire il grafico di figura 7, che mostra l’impatto relativo della fase di produzione per m3 distribuito, dove l’impatto della manichetta da 22 mm Ø è stato posto pari a 100.



10% 6% 5%

75%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Rotolone conala

Rotolone conirrigatore Ø 28

Rotolone conirrigatore Ø 30

Manichetta Ø16

Manichetta Ø22

Impatto per m3 distribuito - Fase di produzione

Figura 7: Impatto relativo della fase di produzione riferito al m3 di acqua distribuito

Il grafico evidenzia come l’impatto della fase di produzione delle macchine semoventi, rapportato al m3 distribuito, sia nettamente inferiore rispetto a quello del sistema di irrigazione localizzata. Questo è dovuto principalmente all’estensione delle superfici che le macchine sono in grado di irrigare durante la loro vita utile, consentendo un’allocazione dell’impatto su quantità molto elevate di acqua distribuita. Le manichette, al contrario, sono sistemi usa e getta che a fine stagione esauriscono la loro funzione e vengono quindi eliminate.

9. Impatto fase di utilizzo

L’impatto della fase di utilizzo delle macchine scelte è dovuto alla combustione del gasolio nei motori endotermici delle pompe. I valori per le tre tipologie di impianto irriguo, nelle configurazioni scelte per il confronto, sono riportati in tabella 18. Sono stati calcolati a partire dai dati di inventario riassunti nelle tabelle 11, 12 e 13 e si riferiscono all’impatto dovuto alla distribuzione di 2500 m3 di acqua sulla superficie di un ettaro, corrispondenti al fabbisogno irriguo stagionale preso a riferimento.

Tabella 18: Impatto fase di utilizzo dei sistemi irrigui per distribuire 2500 m3/ha

Sistema Kg CO2 eq.

Semovente con ala 236

Semovente con irrigatore 30 mm Ø 465

Semovente con irrigatore 28 mm Ø 395

Manichetta 16 mm Ø 292

Manichetta 22 mm Ø 275

Il sistema con il minore impatto risulta essere il semovente con ala, che nella versione con irrigatore e boccaglio di diametro 30 mm ha l’impatto maggiore a causa della combinazione di elevate portate e pressioni di esercizio. Nel grafico di figura 8 è riportato il confronto fra i sistemi, riferito al m3 di acqua distribuito, sia in valore assoluto (Kg CO2 eq.), sia relativo (%). Quest’ultimo è stato posto pari a 100 per il semovente con irrigatore e boccaglio 30 mm Ø.



0,0940,110 0,117

0,1580,186

51%59% 63%

85%100%

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%

0,0000,0200,0400,0600,0800,1000,1200,1400,1600,1800,200

Rotolone conala

Manichetta Ø22

Manichetta Ø16

Rotolone conirrigatore Ø

28

Rotolone conirrigatore Ø

30

Kg

CO

2eq

.

Impatto per m3 distribuito - Fase d'uso

Figura 8: Impatto della fase d'uso riferito al m3 di acqua distribuito

10. Impatto totale

L’impatto ambientale in termini di CO2 equivalente è determinato dalla fase di produzione e da quella d’uso. Gli impatti delle due fasi, riferiti al m3 di acqua distribuito, sono riportati in tabella 19.

Tabella 18: Impatto totale dei sistemi di irrigazione per m3 distribuito

Sistema Kg CO2 eq.








Il grafico di figura 9 mostra gli impatti totali dei sistemi a confronto per m3 di acqua distribuito, disaggregati per fase di produzione e utilizzo.

Rotolonecon ala

Rotolonecon

irrigatoreØ 28

Rotolonecon

irrigatoreØ 30

Manichetta Ø 16

Manichetta Ø 22

Utilizzo 0,094 0,158 0,186 0,117 0,110

Produzione 0,011 0,007 0,006 0,081 0,107

TOTALE 0,106 0,165 0,192 0,198 0,217

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

Kg

CO

2 e

q.

Impatto totale per m3 distribuito

Figura 9: Impatti totali per m3 di acqua distribuito

Il sistema a manichetta risulta essere quello a più alta emissione in termini di Kg di CO2 equivalente, dovuto soprattutto all’impatto della fase di produzione ripartito su un solo anno di utilizzo. All’opposto, il sistema ad aspersione con ala piovana ha la minore Carbon Footprint in ragione del basso impatto sia nella fase di produzione, sia in quella di utilizzo. Il sistema semovente con irrigatore, nelle due configurazioni analizzate, si trova in posizione intermedia poiché, a fronte del minore impatto della fase di produzione, risulta il più svantaggiato nella fase di utilizzo a causa delle pressioni e portate a cui lavora.

I valori di impatto relativi all’ettaro irrigato, riportati in tabella 19, si ottengono moltiplicando i valori della tabella 18 per il volume stagionale di irrigazione.

Tabella 19: Impatto totale dei sistemi di irrigazione per ha irrigato

Sistema Kg CO2 eq.






Il grafico di figura 10 mostra gli impatti totali dei sistemi a confronto per ha irrigato, disaggregati per fase di produzione e utilizzo.



Figura 10: Impatti totali per ettaro irrigato



BIBLIOGRAFIA

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Climate Change. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Core Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (Eds.). IPCC, Geneva, Switzerland, 2007.

Allen, R. G.. Relating the Hazen-Williams and Darcy-Weisbach friction loss equations for pressurized irrigation. Applied engineering in agriculture, USA, 1996.

Dougherty, T. C.; Hall, A. W.. Environmental impact assessment of irrigation and drainage projects. FAO Irrigation and Drainege Paper n. 53, Rome, 1995.

Goldberg, D.; Gornat, B.; Rimon, D.. Drip irrigation: principles, design and agricultural practices. CAB direct, Record Number19780360141, 1976.

Ghinassi, G.; Zammarchi, L.; Cecchi, S.. Economic response of industrial crops to drip and hose-reel irrigation: on-farm comparisons in central and northern italy, in: 21st International Congress on Irrigation and Drainage/ICID CIID, Teheran Iran, 19-23 ottobre, vol. 1, pp. 163-178, 2011.

Hunt, R.G.; Franklin, W.E.; Hunt, R.G.. LCA—How it came about. The international journal of life cycle assessment, 1, pp. 4–7, 1996.

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Climate Change. Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2013 The physical basis, Geneve, 2013.

ISO 14040. Environmental management – Life cycle assessment – Principles and framework. International Organisation for Standardisation (ISO), Geneve, 2006.

ISO 14044. Environmental management – Life cycle assessment – Requirements and guidelines. International Organisation for Standardisation (ISO), Geneve, 2006.

Pimentel, D.. Energy Inputs in Production Agriculture, Chapter 2. In: FLUCK, R.C. (Ed.), Energy in Farm Production, Energy in World Agriculture. Elsevier, Amsterdam, pp. 13–29, 1992.

Tilman, D.. Global environmental impacts of agricultural expansion: The need for sustainable and efficient practices. Proc. Natl. Acad. Sci. 96, 5995–6000. doi:10.1073/pnas.96.11.5995. 1999.

Wright, L.A.; Kemp, S.; Williams, I.. Carbon footprinting: towards a universally accepted definition. Carbon Manag. 2, 61–72. doi:10.4155/cmt.10.39. 2011.



ANNEX I: Diagrammi dei flussi

Carrello porta irrigatore



Ala Piovana



Irrigatore modello Explorer


Analisi di impatto ambientale e impronta di carbonio di ... · di funzionamento dei gocciolatori...

Documents

Transcript of Analisi di impatto ambientale e impronta di carbonio di ... · di funzionamento dei gocciolatori...