Le Metodologie di Analisi Termodinamica Applicata nell’Environmental Accounting

Università di SienaDipartimento di Chimica

Mirco Federici PhD

federici2@unisi.it

L’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment)

La definizione di LCA

• SETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry): “procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo o un’attività, effettuato attraverso l’identificazione dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente. La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l’estrazione delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale”

• UNI EN ISO 14040 (Life Cycle Assessment – Principles and framework): compilazione e valutazione attraverso tutto il ciclo di vita dei flussi in entrata e in uscita, nonché i potenziali impatti ambientali, di un sistema di prodotto

Perché si svolge un’analisi del ciclo di vita?

Per valutare correttamente la capacità di un prodotto di offrire migliori performance dal

punto di vista ambientale

Occorre considerare TUTTI gli impatti riconducibili ad una filiera nell’arco dell’intero suo ciclo di vita

e non soltanto l’impatto ambientale della sola fase di produzione e di consumo

Quali sono le fasi del ciclo di vita di una prodotto?

• PRE PRODUZIONE: progettazione e ricerca e sviluppo,

selezione e acquisto materie prime, trasporto estoccaggio.• PRODUZIONE: trasformazione dei materiali,assemblaggio e finitura, gestione e organizzazione

aziendale• DISTRIBUZIONE: logistica e vendita del prodotto• CONSUMO: utilizzazione e impiego (anche comeprodotto intermedio)• SMALTIMENTO: gestione del fine vita, riutilizzo,recupero, riciclaggio

Quando si applica l’LCA?L’LCA può fornire supporto decisionale sia a imprese

private che a enti pubblici, in particolare può essere utilizzata nei seguenti casi:

• Design e scelta delle tecnologie di prodotto:valutazione comparativa di prodotti della concorrenza ed opportunità di identificare possibili miglioramenti del prodotto in fasi diverse del suo ciclo di vita;

• Strategie tecnologiche ed impiantistiche: possibilità di scegliere opzioni tecnologiche caratterizzate da un minor consumo di energia e materiali;

• Marketing: possibilità di utilizzare i risultati della LCA per dichiarazioni ambientali inerenti il prodotto (ISO 14040, EPD) oppure per l’ottenimento di marchi di etichettatura ecologica (ECOLABEL in Italia);

• Nei processi di concertazione territoriali: per la valutazione e la promozione dell’innovazione tecnologica ambientale e nella gestione ottimale dei servizi (principalmente per la gestione di rifiuti, ma anche dei i t i di t t )

Quali sono i vantaggi per una azienda che svolge un LCA?

• Possibilità di compiere scelte consapevoli: l’utilizzo in fase di progettazione, di fabbricazione o di revisione di un prodotto serve a comparare gli impatti ambientali delle differenti opzioni possibili e a valutare se ci sono potenziali e significativi vantaggi o svantaggi ambientali.

• Aumento della competitività: la trasparenza degli aspetti ambientali diventa un aspetto sempre più importante per le aziende, anche in termini di concorrenzialità.

• Tracciabilità della filiera: tramite l’LCA si accede alla certificazione di prodotto, strumento importante di marketing e nei rapporti tra produttori.

• Nuovi scenari produttivi: i rifiuti possono costituire una risorsa e le aziende dovrebbero attivarsi rispetto al recupero di materiali, ipotizzando per questi nuovi scenari di utilizzo o valorizzazione

Quali sono gli svantaggi per una azienda che svolge un LCA?

Il costo relativo allo svolgimento di una LCA e all’ottenimento di un marchio di certificazione di prodotto.

Le aziende spesso percepiscono i temi ambientali come oneri aggiuntivi imposti.

I benefici sono visibili solo nel lungo periodo.

Quali sono gli input e gli output di una LCA

Emissioni in acqua

OUTPUT

Materia

Energia

Coprodotti

Emissioni in aria

Emissioni nel suolo

Rifiuti solidi

Altre interazioni con l’ambiente

INPUT Estrazione delle materie prime

Fabbricazione

Distribuzione

Uso del prodotto

Riuso, riciclaggio, recupero

Gestione dei rifiuti

Quali sono le fasi dell’LCA• FASE 1: Definizione degli scopi e degli obiettivi

• FASE 2: Analisi di inventario- -Quantificazione degli input e degli output relativi alla filiera produttiva

• FASE 3: Analisi degli impatti - Scelta delle categorie di impatto (effetto serra, tossicità umana, consumo

delle risorse, perdita di biodiversità) e calcolo del danno totale relativo alla filiera produttiva

• FASE 4: Interpretazione e miglioramento- Quale tra le diverse alternative è la migliore?- Quali sono le fasi critiche del ciclo di vita?- Esistono parti del sistema da modificare?

Schema integrato finale

Demand Categories MATERIAL RESOURCE DEPLETION

(water withdrawal, mining …)

ENERGY DEPLETION(fossil fuels,…)

ACIDIFICATIONPOTENTIAL (SO2, NOx,…)

TROPOSPHERIC O3 and "PHOTOSMOG" FORMATION

(NOx, VOC, …)

GLOBAL WARMING POTENTIAL(CO2, N2O, CH4, …)

ECOTOXICITY (heavy metals, toxic waste, …)

EUTROPHICATION(release of P- and N-rich waste

into water bodies)

STRATOSPHERIC O3 DEPLETION (CFC, HCFC, …)

EcologicalImpact Categories

ECOLOGICAL FOOTPRINT (emergy intensity)

THERMODYNAMIC PERFORMANCE

(exergy eff., exergy loss)Performance Categories

MFAEmbodied EnergyAnalysis

Emergy AnalysisExergy Analysis

CML 2

Quali sono i dati che servono per il calcolo degli input?

area occupata dal sito: ettari9persone che hanno lavorato alla costruzione: numero e ore di lavoro8rifiuti prodotti: tipologia, quantità, modalità di smaltimento7terra movimentata: quantità6macchine utilizzate nella produzione: numero e tipologia5

trasporti di macchinari impiegati nella produzione: consumi di gasolio e benzina4opere elettromeccaniche: tipologia, quantità, provenienza, tempo di vita3opere civili: tipologia, grandezza, quantità, tempo di vita2consumi energetici del cantiere: mc di metano, kwh elettrici1

Per svolgere un analisi LCA si ha bisogno di dati quantitativi dei consumi di materia e di energia legati alla filiera produttiva. Alle aziende vengono forniti dei questionari per la raccolta di dati ed informazioni relativi alle fasi di costruzione, di esercizio e di dismissione:

Fase di costruzione

Fase di esercizio

macchine utilizzate nella dismissione: numero e tipologia5trasporti di macchinari impiegati nella dismissione: consumi di gasolio e benzina4persone che hanno lavorato alla dismissione: numero e ore di lavoro3rifiuti prodotti: tipologia, quantità, modalità di smaltimento2costi relativi alla dismissione dell’impianto: consumi di gasolio e benzina (l/anno)1

area occupata dal sito: ettari9persone che hanno lavorato alla costruzione: numero e ore di lavoro8rifiuti prodotti: tipologia, quantità, modalità di smaltimento7materiale di consumo: tipologia e quantità (t/anno)6consumi di acqua: quantità (l/anno)5consumi di olio combustibile: tipologia di macchinari e quantità (l/anno)4consumi di metano: tipologia di macchinari e quantità (l/anno)3consumi di energia elettrica: tipologia di macchinari e consumi (kWh/anno)2costi relativi ai trasporti con mezzi aziendali: consumi di gasolio e benzina (l/anno)1

Fase di dismissione

Quali sono i dati che servono per il calcolo degli input?

Con quali “strumenti” si svolge l’LCA?Per lo svolgimento delle analisi LCA esistono vari software tra

cui:

• Boustead Consulting (www.bousted-consulting.co.uk)• SimaPro - PRé Consultants (www.pre.nl)• GaBi - Five Winds International/University of Stuttgart

(IKP)/PEProduct Engineering (www.gabi-software.com)• KCL-ECO 3.0 - KCL LCA software (www.kcl.fi/eco)• LCAiT - CIT EkoLogik (Chalmers Industriteknik)(www.lcait.com/)• EDIP - Environmental design of industrial products -

DanishEPA (http://www.mst.dk/activi/08030000.htm)• TEAM(TM) (Tools for Environmental Analysis andManagement) - Ecobalance, Inc. (www.ecobalance.com)

Material Flow Accounting

Convergenza di nuove metodiche per l’analisi di ciclo di vita.

Valutazioni di efficienza e qualitàambientale dei processi.

Metodo di misura del quantitativo e di classificazione dei

materiali necessari per produrre un prodotto o un servizio

tenendo conto anche dei flussi nascosti.

Flussi nascosti = quantitativi di materiali che non formano direttamente il bene o il servizio, ma che sono utilizzati indirettamente per poterli costruire o erogare. Per es. nella produzione di elettricità vi è un uso massiccio di acqua.

Definizione dell’MFA

Le basi concettuali dell’MFA

• SVILUPPO SOSTENIBILE: “development which meets the needs of the present without compromising the ability of future generations tomeet their own needs” (Our Common Future - The Bruntland Report, 1987).

• ZAINO ECOLOGICO: ogni prodotto o servizio o settore economico si porta dietro uno zaino ecologico (Ecological Rucksack) nel quale è“contenuto” il quantitativo di materiali utilizzati direttamente o indirettamente per la sua produzione o erogazione.

• DEMATERIALIZZAZIONE: riduzione dei flussi di materiali a livello globale attraverso un aumento consistente della produttività delle risorse. Ma il solo aumento di efficienza non è sufficiente se la crescita economica annulla questi miglioramenti.

EFFETTO BOOMERANG (Rebound Effect):

A) l’aumentata efficienza può incentivare il consumo e quindi annullare il vantaggio atteso (Jevons’ paradox, 1865);

B) a volte la dematerializzazione di un settore produttivo corrisponde all’aumento di consumo di materiale in un altro settore per parzialesostituzione di un materiale o prodotto con un altro.

E’ dunque necessaria una visione globale per evitare fraintendimenti dei risultati.

Chi usa l’MFA?• nata in Germania, presso il Wuppertal Institute, a metà del

decennio 1990-2000,

• MFA è stata rapidamente accettata ed inserita in alcune contabilità nazionali (es. ISTAT),

• e sovranazionali (es. Unione Europea),

• e ampiamente usata da un nutrito gruppo di istituti ed enti di ricerca a livello europeo (Wuppertal Institute, IIASA, SERI, Factor 10 Institute, ... ) ed extraeuropeo (World Watch Institute2003).

Tipi di MFA

Tipo Target Descrizione Obiettivo

Bulk MFAUna economia osettoreeconomico

Analisi dei flussi checostituiscono labase materiale diuna economia osettore.

Individuare leeconomie nazionali e isettori produttivi conmaggiore basemateriale.Individuare la relazionetra base materiale diuna nazione e il suoImport/Export.

Product MFAUn prodottofinale ointermedio

Analisi degli inputmateriali necessariallo svolgimento diun dato processoproduttivo

Individuare lo zainoecologico del prodotto.

Definizione di MIPP e MIPS

L’ intensità materiale è calcolata sull’intero ciclo di vita del prodotto e somma insieme tutti gli inputs di materiali che è stato necessario movimentare, estrarre, utilizzare e trasformare per la produzione di una unità di prodotto (Material Input Per unit of Product-MIPP o MIT Material Intensity per Ton) o per fornire un dato servizio (Material Input Per unit of Service-MIPS).

La dimensione dell’intensità materiale può essere g di materiali per grammo di prodotto (MIPP) o g di materiali per unità di servizio (MIPS).

L’intensità materiale (sia MIPP che MIPS) è suddivisa in 5 categorie,che misurano allo stesso tempo una dipendenza del processo dalla basemateriale considerata e un disturbo ambientale dovuto all’alterazione diequilibri preesistenti.

3 di queste sono comunemente usate:

• MATERIALE ABIOTICO

• ACQUA

• ARIA

Altre 2, a causa delle difficoltà incontrate per la loro quantificazione edella loro intrinseca variabilità zonale, sono meno usate, nonostante laloro oggettiva importanza:

• MATERIALE BIOTICO

• EROSIONE DEL SUOLO

• MATERIALE ABIOTICO: sono inclusi in questa categoria i minerali estratti, la terra di scavo, i materiali utilizzati, i combustibili utilizzati espressi in unitàdi massa...;

Soprattutto per i minerali preziosi e metalli rari questo fattore può esseredeterminante.

Es.1 Oro: Fattore abiotico* 540 000 t/tAu (MI Werte - WI paper 1998);Es.2 Diamanti: Fattore abiotico* 5 260 000 t/tD (MI Werte - WI paper1998)Es.3 Ghisa: Fattore abiotico* 4.04 t/tG (MI Werte - WI paper 1998);

*(escl. il contributo dell’elettricità)

Es.1 Oro:

Fattore abiotico* 540 000 t/tAu (MI Werte - WI paper 1998);

Es.2 Diamanti:Fattore abiotico* 5 260 000 t/tD (MI Werte - WI paper1998)

*(escl. il contributo dell’elettricità)

• ACQUA: si considera ogni alterazione dell’ecosistema dovuta alla deviazione di acqua dal suo naturale bacino di scorrimento ad es. acqua di raffreddamento, per irrigazione, di processo, falde acquifere intaccate da uno scavo, percolamento da discariche controllate etc..;

Es.1 Cromo metallico.Fattore acqua*: 315 t/tCr (Tabacco et al. 2002)

Es.2 Nickel metallico.Fattore acqua*: 1739 t/tNi (Ulgiati et al. 2002.)

*(escl. il contributo dell’elettricità)

• ARIA: tutta l’aria che ha subito una trasformazione di stato fisico (condensazione…) o chimico (reazione chimica) viene inclusa in questa categoria, ad es. combustione di ossigeno e formazione dibiossido di carbonio, frazioni di azoto atmosferico che reagiscono a formare ossidi di azoto;

Tutti i processi che coinvolgono combustioni come reazioni di trasformazione (es. altiforni, produzione di elettricità) hanno un elevato fattore “aria”.

Es. 1 Ferronickel (33% nickel)Fattore aria*: 13.5 t/tFeNi (MI Werte - WI paper 1998)

Es. 2 Nickel metallicoFattore aria*: 211 t/tNi (Tabacco et al. 2002)

*(escl. il contributo dell’elettricità)

• MATERIALE BIOTICO: prodotti agricoli e da gestione forestale, biomassa mobilizzata anche se non utilizzata ad es. Biomassa vegetale rimossa in previsione di operazioni minerarie;

• EROSIONE DEL SUOLO: perdita di suolo fertile indotta da attivitàumane di ogni tipo (agricoltura, estrazione mineraria, edilizia etc..).

Alcune regole di calcolo

• In caso di due o più prodotti utili in output a un processo produttivo, la ripartizione del loro zaino ecologico viene effettuata sulla base della loro massa (split);

• Nel caso di rifiuti o co-prodotti di scarso interesse economico in uscita da un processo produttivo, non viene attribuito alcuno zaino ecologico se non quello degli input relativi al loro successivo trattamento.

I prodotti riciclati hanno zaino ecologico inferiore ai prodotti primari (ottenuti cioèdalla trasformazione di materie prime). Riciclare conviene!

P1

P2

I

Alcune regole di calcolo II

• L’elettricità utilizzata per la manifattura di un prodotto ha uno zaino ecologico essa stessa.

• Lo zaino ecologico dell’elettricità dipende dal mix di combustibili utilizzati per la generazione della stessa. I fattori di intensità materiale ad essa relativi possono dunque variare in modo notevole.

l’elettricità viene esclusa da ogni categoria di intensità materiale e computata a parte in modo da poter variare in ogni momento il suo zaino ecologico adattandolo al mix energetico del luogo ove avviene il processo produttivo esaminato

Item unit abiotic

water without cooling water

water with

cooling water

air

Energy CarrierCoal (avg) g/kWh 64 1330 10308 5Nuclear g/kWh 279 8706 66297 3Heavy oil g/kWh 349 4355 67832 877Natural gas g/kWh 274 2280 66220 630Hydroel. g/kWh 113 42 42 4Windpower g/kWh 114 56 56 9CountryAustria g/kWh 730 1271 21892 244Belgium g/kWh 1455 6854 65109 314France g/kWh 552 7222 57165 72Germany g/kWh 4670 6967 65085 534Italy g/kWh 734 3054 54070 633Netherlands g/kWh 1860 3849 65754 676Spain g/kWh 1777 5132 50404 363Switzerland g/kWh 191 3989 30924 15Europe (avg) g/kWh 2086 5855 57227 369

Material Intensity of electricity per energy carrier and european country

Lo zaino ecologico dell’elettricità

La produzione di alluminio primario (da bauxite)

e secondario (da rottami)

(Bargigli et al., 2003)

• 1 t di Alluminio primario comporta:

• 2.95 t di terra di riporto (overburden)

• 3.80 t di fanghi rossi alcalini

• 100 kg di biomassa vegetale rimossa

• 20 kg di fluorocarburi (CxFy)

• 16 385 kWh di elettricità

Fattore abiotico dell’alluminio 41.4* t/tAl, ovvero:

6.19 volte l’acciaio (Bargigli et al., 2002)

0.20 volte il cromo (Tabacco et al., 2002)

(!) quindi una comune lattina di alluminio comportala movimentazione di circa 1 kg di materiale abiotico

*inclusa elettricità, mix elettrico medio europeo

Punti di forza della MFA

• La Massa è un indicatore semplice ed intuitivo.

• Si evidenziano anche flussi nascosti legati alle attività produttive.

• Il database disponibile è ampio (soprattutto per metalli e composti chimici).

• L’analisi è semplice da realizzare.

• Può dare una visione più sistemica dei problemi , specie se abbinata ad un’analisi a livello nazionale (Bulk-MFA).

• Implica la redazione di un bilancio delle masse in gioco che rappresenta un imprescindibile punto di partenza per ulteriori analisi del processo con altremetodologie (es. exergia).

• Connette diverse aree decisionali tra loro (es. sfruttamento delle risorse, gestione dei rifiuti industriali, controllo delle emissioni).

Punti di debolezza della MFA

• Non c’è distinzione tra materiali e composti con potenziale impattoambientale molto differente (es. sabbia e diossine sono sommate insieme in base al loro contributo in massa). Così pure le categorie di intensitàdell’elettricità da nucleare hanno valori simili a quelle da combustibili fossili, semplicemente perché non sono previste le categorie di impatto a valle(connessione con LCA auspicabile).

• I trends osservabili negli indicatori aggregati possono essere depistanti: menonon è sempre sinonimo di meglio.

• La valutazione dei flussi nascosti non è sempre semplice poiché spesso essitravalicano i confini nazionali.

• La valutazione della perdita di servizi ”ambientali” provocata dall’uso del patrimonio naturale non è integrata nella metodica.

Alcune osservazioni

• Per la legge di conservazione della massa ciò che entra in un processo esce da esso in qualche forma dopo aver subito una qualche trasformazione.

Non basta dunque analizzare gli input, per quanto utile, ma è indispensabile anche effettuare una valutazione della quantità e qualità degli output.

La valutazione congiunta degli input diretti e indiretti e delle emissioni del processo costituiscono un’analisi LCA (Life Cycle Assessment), che rappresenta pertanto un indispensabile completamento della MFA.

Tuttavia, l’inserimento dell’MFA nella pratica di LCA non è ancora diffuso.

Analisi Energetica

• Lo scopo dell’Analisi Energetica è quello di contabilizzare l’intensitàdi utilizzo dell’energia da parte del sistema o del processo che stiamo studiando.

• Come il MFA, anche l’Analisi Energetica è basata sul Primo Principio della Termodinamica.

• Esistono almeno due macro tipologie di Analisi Energetica che sidifferenziano in funzione della scala di indagine spazio-temporale adottata:

1. Analisi Energetica locale (o diretta)2. Analisi Energetica globale (o Embodied Energy Analysis)

Analisi Energetica

1. Analisi Energetica locale (o diretta)

L’analisi energetica diretta, ha il fine di contabilizzare gli usi diretti di energia, prendendo come limite della finestra di indagine, i confini fisici del sistema: nella pratica si traduce nella valutazione dei consumi diretti di combustibili e dell’energia elettrica del sistema.

La contabilizzazione avviene moltiplicando i(l) flusso(i) di combustibili per il rispettivo PCI + il consumo di Energia Elettrica.

Etot = ΣMj*Cj + Eel

Nell’analisi locale, non si tiene conto in alcun modo della richiesta di energia necessaria ad ottenere i flussi di energia che alimentano direttamente il sistema.

Analisi Energetica

1. Analisi Energetica Globale (o Embodied Energy Analysis)

L’analisi energetica globale, ha il fine di contabilizzare tutti gli usi diretti ed indiretti di energia necessari ad alimentare il sistema, prendendo come limite della finestra di indagine, il pianeta Terra.

Ciascun tipo di materiale utilizzato nella costruzione del sistema, cosìcome i combustibili e la stessa Energia elettrica, ha richiesto per la sua produzione una certa quantità di energia, che verrà sommata ai consumi diretti di combustibili e dell’energia elettrica.

La contabilizzazione avviene moltiplicando i flusso di materia e di combustibili per un coefficiente di intensità energetico (specific grossenergy requirement).

Etot = ΣMj*Sj

L’analisi globale svela in questo modo, i consumi nascosti di energia.Generalmente, la domanda Globale di Energia viene espressa come unità

di petrolio equivalente per unità di prodotto o servizio.

Analisi Energetica

L’efficienza Energetica nelle diverse scale di indagine.

La definizione classica di Efficienza è:η = L/QQuesta efficienza “classica” è utilizzata nelle valutazioni di processo o di sistema di

tipo “locale” o “diretta”. Ad esempio è validissima per misurare l’efficienza di un’automobile: in questo caso L non sarà altro che:

L = 1/2mV2 + CxV(resistenza aria) + kS (attrito)

Mentre Q non sarà altro che il contenuto di energia del combustibile.Per un’auto benzina η vale in media 0.27Nel caso di un’auto elettrica invece L/Q (dove Q in questo caso è l’assorbimento

elettrico) vale circa 0.9. ηel = 0.9 = 3.3 ηA parità di L, su scala locale l’auto elettrica richiede circa 1/3 dell’energia (Qel = 0.33

Q) di un’auto a benzina.

Ma ci basta per poter affermare con sicurezza che i mezzi elettrici siano migliori? O che lo siano del 60%?

Analisi Energetica

L’efficienza Energetica nelle diverse scale di indagine.Vediamo cosa succede tenendo conto dei costi energetici indiretti:Intanto, per produrre una unità di benzina, si consumano mediamente 0.3

unità di benzina equivalente (estrazione, trasporto, raffinazione, trasporto etc.). Quindi nel momento in cui volessi calcolare il rapporto output/input in questo caso avrei:

ηglo = L/1.3Q = 0.79 η = 0.21 (auto benzina)

Per un’auto elettrica alimentata con mix elettrico Italiano ottenere un MJ di elettricità utile nel sistema Italiano, ho bisogno almeno di 4 MJ di energia primaria. Possiamo arrivare al calcolo dell’efficienza globale, o quantificando l’energia primaria richiesta per ottenere 1 MJ di elettricità ai morsetti del nostro impianto, o per in via indiretta partendo dall’efficienza di conversione in ciascuno step della filiera elettrica.

Analisi Energetica

L’efficienza Energetica nelle diverse scale di indagine.La filiera elettrica è così costituita:

Pertanto ηglo nel caso dell’auto elettrica diventa 0.31, quindi solo 1.47 volte migliore dell’auto benzina

La scala globale, ha quindi dimezzato il distacco misurato sulla scala diretta. Se la valutazione inglobasse anche gli impatti dovuti alle infrastrutture, le differenze diverrebbero quasi trascurabili.

Diverso sarebbe, se l’energia elettrica fosse di origine rinnovabile.

0.9Utilizzo (motori)0.31Totale

0.85Trasmissione0.4ProduzioneηFasi

Analisi Energetica

L’efficienza Energetica nelle diverse scale di indagine.

Un’ultima considerazione sull’efficienza energetica, è che:

Maggiore efficienza non è sempre sinonimo di minor consumo.

Oltre alla questione del Rebound, si consideri ad esempio che una FerrariEnzo, o una F1, hanno Rendimento di Primo Ordine superiore a quello di una utilitaria. Tuttavia il consumo specifico per unità trasportata è chiaramente a favore della vetturina “inefficiente”.

E’ per questo motivo che è stato introdotto il Rendimento di Secondo Ordine, e le altre metodologie di contabilità energetico-ambientali.

L’analisi ExergeticaLe varie forme di energia si differenziano in funzione della loro capacità di produrre lavoro utile.

Mentre l’energia si conserva sempre, in virtù del 1° Principio della Termodinamica, la sua capacità di supportare un processo di trasformazione deve decrescere in accordo al 2°Principio.

Parte del calore o dell’energia coinvolta nella trasformazione viene irrimediabilmente persa sotto forma di Entropia.

ΔG = ΔH - TΔS

Le analisi energetiche classiche, basate sul bilancio di Primo Principio dei flussi in entrata ed in uscita, non sono in grado di poter includere nel loro paradigma le differenze qualitative esistenti tra le varie forme di energia.

Per poter superare questa perdita di informazione, è stata introdotta l’Analisi Exergetica.

Szargut definisce l’Exergia come “la quantità di lavoro ottenibile quando il sistema viene portato in uno stato di equilibrio termodinamico con i componenti comuni presenti nell’ambiente circostante, per mezzo di processi reversibili, che coinvolgano interazione con i soli componenti della natura prima menzionati”.

In soldoni, l’Exergia equivale concettualmente all’Energia Libera di Gibbs ma calcolata rispetto a parametri ambientali piuttosto che allo Stato di Riferimento Standard.

Esempio: nel caso di una combustione di un qualsiasi idrocarburo, il Lavoro Utile ottenibile utilizzando l’Energia di Gibbs viene calcolato rispetto al Carbonio, all’Idrogeno ed all’Ossigeno nei loro stati standard (1 atm, 298 K, attività 1 etc.). Utilizzando l’Exergia invece, il riferimento è costituito dalla CO2 e dall’H2O nelle loro rispettive Temperature e Concentrazioni reali nel sito considerato.

Quindi l‘Exergia di un sistema è una proprietà relativa a due stati, quello del sistema stesso e quello dell'ambiente.

X+

ϑQ+

W+

X-

ϑQ-

Sistema

W-

LX

In assenza di effetti magnetici, nucleari, elettrici e di tensioni superficiali, l'exergia di un sistema si può dividere in quattro componenti fondamentali:

ed introducendo l’exergia specifica, definita come , può essere scritta come :

E K è l’exergia cinetica calcolata come EK = mC2/2 EP è l’exergia potenziale calcolata come EP = mgZdove con m indichiamo la portata in massa, C la velocità relativa alla superficie terrestre, Z

altezza sopra il livello del mare, g l’accelerazione gravitazionale terrestre.

Le altre due componenti sono l’exergia fisica PH e l’exergia chimica CH che insieme danno l’exergia termica .

Exergia fisica: massimo lavoro ottenibile quando la sostanza contenuta nel volume di controllo viene portata dal suo stato iniziale definito dalla temperatura T e dalla pressione P allo stato ambientale definito da T0 e P0.

Alla sostanza è però impedito di miscelarsi o reagire chimicamente con le altre sostanze dell’ambiente, come se essa fosse trattenuta da una membrana che permette variazioni di temperatura e di pressione. Quindi la sostanza si può portare in equilibrio termico (legato alla temperatura) e meccanico (legato alla pressione) con l’ambiente.

L'exergia chimica è legata alla possibilità della sostanza di reagire chimicamente con quelle presenti nell'ambiente di riferimento (esempio la combustione di una sostanza combustibile che reagisce con aria ambiente liberando calore).

CHPHPKTOT EEEEE &&&&& +++=

mE&

&=ε

CHPHPKTOT ε+ε+ε+ε=ε

Per un determinato sistema, si può scrivere il seguente bilancio exergetico tra flussi exergetici uscenti ed entranti nel sistema per unità di tempo:

Exergia trasformazione per unità di tempo

Exergia calore per unità di tempo

Exergia lavoro per unità di tempo

Exergia persa nel processo

xjkkimiilkimiil LWQWQ.

1

.

11

.

1

.

1

...Σ−Σ+Σ+ΞΣ=Σ+Σ+ΞΣ ++

+−−

−

θθ

dtSTUdmsTh a

iiai)()(

. −−−Σ=ΞΣ

imi Q.

θΣ.

WkΣ

xj L.

Σ

La quantificazione delle perdite di exergia dovute alle irreversibilità del processo fornisce un utile strumento per la pianificazione di miglioramenti ed ottimizzazioni tese a contenere le perdite di exergia sotto forma di inquinamento termico e rifiuti.

Gli indicatori exergetici più usati sono:a) output/input exergy ratio (per la valutazione dell’efficienza)b) exergy per unit of product (per la valutazione della sostenibilità)

Le peculiarità dell’Exergia (intesa come funzione termodinamica) ne hanno favorito la diffusione al punto di renderla attualmente l’analisi termodinamica più diffusa, e non solo per scopi ingegneristici o di pianificazione energetica territoriale, ma come punto di giunzione tra varie discipline.

Analisi Emergetica

L’analisi emergetica è l’approccio metodologico più recente nella disciplina delle valutazione energetiche e della sostenibilità.

E’ stata introdotta da H.T.Odum negli anni settanta, e consiste nella valutazione dei flussi emergetici che attraversano i confini del sistema studiato, nell’ambito di una determinata scala temporale.

L’Emergia è definita come “l’energia utile, di un tipo precedentemente usata, direttamente o indirettamente, per generare un prodotto o un servizio”; essa rappresenta quindi una sorta di memoria energetica dell’oggetto di analisi.

Nell’ambito emergetico, tutte le forme di energia vengono espresse in unità di energia solare, in modo di poter disporre di una sorta di “equivalente energetico” comune; conseguentemente, l’unità di misura dell’emergia è il solar emjoule (sej).

Analisi Emergetica

La grandezza fondamentale dell’analisi emergetica è la Transformity: essa èdefinita come l’emergia solare richiesta per ottenere un joule del prodotto o del servizio considerato, ed è misurata in sej/J.

L’importanza della Transformity risiede nel fatto di rendere possibile la definizione di una gerarchia tra forme di energia e sistemi diversi: l’energia in output èquella gerarchicamente superiore.

E’ questa una situazione tipica dei sistemi complessi: feedback quantitativamente esigui, da strutture gerarchiche superiori, controllano strutture più grandi a livelli inferiori.

Come conseguenza primaria di questa impostazione è l’assioma per cui più alta èla posizione gerarchica di una forma di energia, maggiore è il numero di trasformazioni necessarie per ottenerla.

Analisi Emergetica

Metodologicamente, la prassi necessaria per eseguire l’analisi emergetica di un sistema, si concretizza nella rappresentazione dello stesso attraverso un diagramma di flusso.

I confini del sistema vengono rappresentati da un rettangolo, e gli input emergetici vengono posizionati da sinistra a destra all’aumentare della loro Transformity.

Le relazioni tra gli elementi che lo costituiscono sono rappresentate da frecce, e nella maggior parte dei casi sono definite matematicamente da equazioni differenziali.

Il diagramma consente di avere un’immagine del sistema analizzato, ne facilita la comprensione, stabilendo, parallelamente, la check list dei flussi da analizzare per completare il processo valutativo.

In termini algebrici (emergy algebra), l’emergia di un flusso energetico k è uguale al prodotto della sua Transformity (Trk), per l’intensità energetica J:

E = Trk*J

Nel caso in cui il flusso sia il risultato di una convergenza di più flussi, la sua emergia sarà computata sulla base della seguente relazione:

E = ΣkTrk*Jk

Diagramma di flusso di un generico sistema stradale. (Federici et al. 2003)

Table A1.

Material, Energy, Exergy and Emergy intensities of main input flows used in this paper. Flow and unit

Material Intensity (abiotic ) (kg/unit)

Material Intensity (water) (kg/unit)

Material Intensity (air) (kg/unit)

Ref MIs

Energy Intensity (MJ/unit)

Ref. EEA

Specific Exergy (MJ/unit)

Ref EXA

Emergy Intensity (seJ/unit)

Ref ES

Sand and gravel (kg) 1.44 5.6 0.03 a 0.01 b 0.31 h 5.00E+11 i Concrete (Portland) (kg)

3.22 16.90 0.33 a 4.60 b 0.64 h 1.03E+09 l

Asphalt (kg) 1.291 2.47 0.014 a 1.14 b 2.29 d 3.47E+05 l Copper (kg) 348.47 367.20 1.63 a 132.75 b 2.11 e 6.80E+10 Steel (kg) 8.14 63.71 0.44 a 79.95 b 7.10 e 6.70E+12 l Methane (kg) 1.11 0.3 0.29 a 57.35 b 51.98 e 5.22E+04 i Diesel (kg) 1.37 9.70 3.40 a 53.58 b 44.40 f 6.60E+04 i Gasoline (kg) 1.32 9.70 3.12 a 53.58 b 43.20 f 6.60E+04 i Electricity (kWh) 4.22 72.5 0.607 a 12 c 3.6 f 5.40E+11 m

a) Material intensity of materials, fuels, transport services, Wuppertal Institute, www.wupperinst.org/uploads/tx_wibeitrag/MIT_v2.pdf b) Boustead I. and Hancock G.F., 1979. Handbook of industrial energy analysis. Ellis Horword Limited. Pp.442. c) Estimate based on literature data (ENEA 2005. Rapporto Energetico ed Ambientale (in Italian). http://www.enea.it/com/web/pubblicazioni/REA_05/Dati_05.pdf f) Estimate based on literature data (Shieh and Fan, 1982. Estimation of energy (enthalpy) and exergy (availability) contents in structurally complicated materials. Energy Sources 6, No ½. Crane Russak & Co.and Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., 1988 pg. 297-304 Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes: Springer-Verlag;) e) Szargut et al., 1988, p. 188; Wurbs J., et al., Wuppertal Papers Nr. 64, 1996. d) From calculation performed in this work, based on the exergy of component of stone Szargut et al.,1988, p 185 e) Ayres R.U. and Ayres L.W. 1996 Industrial Ecology. Towards closing the material cycle EDS. Edwar Elgar Publishing Ltd. UK, pp 379 h) Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., 1988 pg. 297-304 Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes: Springer-Verlag; i) Odum H.T., 1996. Environmental Accounting. Emergy and Environmental Decision Making. John Wiley & Sons, Inc., New York, USA. Pp.370. l) Brown M.T. and Arding J., 1991. “Transformities”. Working paper. Center for Wetlands, University of Florida, Gainesville, USA. m) Calculation performed in this work.

Table 2.Performance results for passenger and commodity transport. Transport Modality Load factor Mass Balance MFA Energy Analysis Energy Analysis Exergy Analysis Emergy

Analysis Local Scale Global Scale Local Scale Global Scale Global Scale Global Scale (passenger

per trip) (kg/p-km) (kg/p-km) (MJ/p-km) (MJ/p-km) (MJ/p-km) (1011 seJ/p-

km) Passenger transport Highway (Car) 1.8 0.13 0.53 1.37 1.87 1.31 1.74 Highway (Bus) 50 0.03 0.11 0.24 0.33 0.25 0.24 Railwaya 400-700 0.08-0.11 0.69-0.85 0.16-0.20 0.62-0.77 0.19-0.23 0.94-1.26 HST/TAV a 250-500 0.08-0.12 1.00-1.40 0.27-0.38 1.02-1.44 0.30-0.42 1.17-1.65 Commodity transport

(tons per trip) (kg/t-km) (kg/t-km) (MJ/t-km) (MJ/t-km) (MJ/t-km) (1011 seJ/t-km) Highway 8.79 0.18 0.60 0.91 1.25 1.01 1.08 Railway a 350-500 1.2-1.65 5.35-7.65 0.17-0.24 1.79-2.5 0.55-0.76 10.3-14.3 HST/TAV Mi-Na a 350-500 1.25-1.78 6.06-8.65 0.17-0.24 2.17-3.09 0.59-0.83 10.9-15.5