Criteri innovativi per la progettazione e produzione eco-compatibile

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L’obiettivo principale degli autori è quello di definire gli eco-profili delle suddette tecnologie attraverso la metodologia LCA, confrontare gli impatti generati nelle diverse fasi di vita delle tecnologie, valutare gli scenari di ottimizzazione energeticoambientale, al fine di: a) individuare appositi “criteri e requisiti” minimi per l’ecodesign da includere nelle misure di esecuzione di settore; b) predisporre un format comune per tutte le categorie di prodotto indagate, che faciliti i compiti del legislatore e che sia “user-friendly” per le aziende; c) incentivare la ricerca futura sulle singole categorie di prodotti EuP esaminati, e indirizzare aziende produttrici e designer verso la minimizzazione degli impatti ambientali secondo un approccio di ciclo di vita.

ISBN: 978-88-6627-104-8 25,00 euro

ISBN 978-88-6627-104-8

9 788866 271048

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Cellura, Ferraro, Mistretta, Principi Criteri per la progettazione e produzione eco-compatibile

L’attività di ricerca sinteticamente illustrata è finalizzata allo studio energeticoambientale, sia metodologico sia sperimentale, di tecnologie impiantistiche caratterizzate da un elevato grado di innovazione tecnologica e da prestazioni energetico-ambientali di eccellenza, al fine di individuare criteri di progettazione eco-compatibile.

a cura di Maurizio Cellura, Marco Ferraro, Marina Mistretta, Paolo Principi

Criteri innovativi per la progettazione e produzione eco-compatibile (eco-design) di prodotti che consumano energia (EuP) nel settore civile d’utenza

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a cura di Maurizio Cellura, Marco Ferraro Marina Mistretta, Paolo Principi

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a cura di Maurizio Cellura, Marco Ferraro, Marina Mistretta, Paolo Principi criteri innovativi per la progettazione e produzione eco-compatibile (eco-design) di prodotti che consumano energia (EuP) nel settore civile d’utenza Edizioni Ambiente srl www.edizioniambiente.it Coordinamento redazionale: Diego Tavazzii Progetto grafico: GrafCo3 Milano Grafica e impaginazione: Roberto Gurdo Copertina: immagine elaborata da Michele Paleari e Greta Lanzarotti in occasione dell’VII Convegno della Rete Italiana LCA, Milano, 27-28 giugno 2013. © 2013, Edizioni Ambiente via Natale Battaglia 10, 20127 Milano tel. 02.45487277, fax 02.45487333 Tutti i diritti riservati. Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta o trasmessa in qualsiasi forma o con qualsiasi mezzo, elettronico o meccanico, comprese fotocopie, registrazioni o qualsiasi supporto senza il permesso scritto dell’Editore.

ISBN: 978-88-6627-104-8 Finito di stampare nel mese di luglio 2013 Stampato digitalmente da Rotomail Italia S.p.A. – Vignate (Mi) I siti di Edizioni Ambiente www.edizioniambiente.it www.nextville.it www.reteambiente.it www.freebookambiente.it www.puntosostenibile.it Seguici anche su: Facebook.com/EdizioniAmbiente Twitter.com/EdAmbiente

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SOMMARIO prefazione

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introduzione

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current developments in the eu policies on energy related products (erp)

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valutazione energetico-ambientale dei prodotti eup e per la definizione dei criteri minimi di ecodesign

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valutazione del comportamento energetico-ambientale e delle condizioni di comfort visivo per apparecchi per l’illuminamento di postazioni di lavoro e definizione dei criteri minimi di ecodesign

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analisi energetico-ambientale di impianti ibridi di micro-cogenerazione a energia solare

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ecoprofilo di impianti a celle 135 a combustibile appartenenti alla categoria di prodotto “sistemi di microcogenerazione per uso residenziale� biografie

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prefazione Giorgio Beccali Già professore ordinario di Tecnica del controllo ambientale presso l’università degli studi di Palermo Dalla seconda metà del secolo scorso a oggi si sono verificate in ogni campo trasformazioni profonde che hanno imposto un radicale cambiamento delle strategie e delle politiche di tutela ambientale.

Alla grande crescita demografica, che ha portato la popolazione mondiale dai 2,5 miliardi del 1950 ai 7 miliardi attuali, con un tasso di crescita differenziato per aree geografiche, si sono associate grandi evoluzioni dei sistemi tecnologici, economici e ambientali, che hanno richiesto e prodotto incisivi mutamenti culturali e graduali adeguamenti normativi.

Dal punto di vista culturale è ormai riconosciuto che il modello di sviluppo adottato ha saturato la capacità di autoprotezione dell’ambiente.

L’umanità sta consumando le sue risorse limitate a un ritmo molto più veloce della loro capacità di rigenerarsi, sono modeste le probabilità di successo che si possono attribuire ai processi spontanei di riequilibrio e cresce dunque il rischio di ritrovarsi, in un prossimo futuro, dinanzi a una loro grave penuria.

Proprio da questo concetto è derivata la necessità di dotarsi di regole in grado di garantire uno sviluppo che possa tutelare l’ambiente e conservare le sue risorse alle generazioni future. Tale consapevolezza fa sì che il problema della tutela ambientale sia non soltanto uno dei più rilevanti dell’attuale momento storico, ma anche uno dei più complessi: la sua complessità deriva dalla concorrenza di svariati fattori a esso riconducibili, quali per esempio: • la interdisciplinarietà delle ricerche; • la sua dimensione internazionale; • la stretta connessione delle questioni ambientali con quelle economiche; • la contrapposizione tra i rilevanti interessi pubblici e privati coinvolti.

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Il problema assume particolare rilevanza nell’ambito del comparto industriale, in cui, più che in ogni altro settore, si registra l’utilizzo e dunque la compromissione di risorse naturali, che pure dovrebbero essere salvaguardate in modo che di esse possano usufruire anche le generazioni future.

A fronte della presa di coscienza della rilevanza della questione ambientale, la situazione normativa negli ultimi decenni è mutata in modo radicale.

Un concorso determinante a tale inversione di tendenza è certamente rappresentato dall’evoluzione della società civile nei paesi maggiormente industrializzati. La consapevolezza del fallimento di una politica economica tesa unicamente all’incremento delle produzioni industriali e, dall’altro, il diffuso benessere raggiunto hanno determinato l’affermarsi di una più attenta considerazione della qualità della vita. È nata così l’esigenza di prevedere, all’interno dei sistemi decisionali pubblici, sedi e momenti specifici per la valutazione delle conseguenze che un intervento previsto può produrre sul proprio territorio, configurando in questo modo le politiche territoriali come un sistema strutturato di obiettivi su cui verificare fattibilità, costi e benefici di ogni singola scelta.

Il responsabile giudizio, maturato nel tempo, sui limiti derivanti da una politica di protezione dell’ambiente, affidata a misure di tutela ascrivibili unicamente al sistema del “command and control”, ha determinato un’opera di revisione della struttura dei classici rimedi autoritativi posti a tutela dell’ambiente.

La Via (Valutazione di impatto ambientale), la Vas (Valutazione ambientale strategica) e, più recentemente, la LCA, valutazione del ciclo di vita (Life Cycle Assessment), costituiscono degli strumenti per una regolamentazione sempre più attenta degli interventi sul territorio e sulla produzione.

Tutte queste procedure nascono dall’esigenza sempre più incalzante di procedere verso uno sviluppo sostenibile delle attività antropiche, includendo tra gli aspetti portanti dello sviluppo, oltre che le politiche e i piani, anche gli aspetti ambientali, da considerare al pari di quelli 6

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economici e sociali, con l’obiettivo di valutare preventivamente gli impatti che una qualunque opera, pianificazione, o programma possono determinare sull’ambiente.

Parallelamente a tali strumenti preventivi del danno ambientale, la riflessione teorica, che si è sviluppata soprattutto nell’ultimo quindicennio, ha individuato i punti di debolezza in una regolamentazione improntata al rigido sistema prescrittivo e sanzionatorio, mettendo in evidenza l’opportunità di tutelare l’ambiente attraverso strumenti che operano sulle dinamiche di mercato.

Coerentemente a tale orientamento, espresso dalla dottrina giuridicoeconomica, si è aperta la strada, a livello internazionale, europeo e nazionale, alla introduzione di nuove “modalità di intervento coerenti con l’idea che ambiente e mercato costituiscono due nozioni che non si pongono ineluttabilmente in contraddizione”.

Emerge a questo punto una nuova politica ambientale orientata verso la prevenzione e verso un continuo miglioramento della eco-efficienza nell’uso delle fonti energetiche e nei materiali utilizzati (favorendo l’impiego di quelli più durevoli e recuperabili), congiunto allo sviluppo di nuovi comportamenti individuali e collettivi ecologicamente e socialmente responsabili.

Con questi nuovi indirizzi le imprese vengono incentivate a investire in una progettazione dei prodotti idonea a ridurre gli impatti negativi sull’ambiente associati ai loro processi di fabbricazione, perché così riconosciute e privilegiate dai consumatori.

La tutela ambientale attraverso il mercato si attua essenzialmente con strumenti volontari che fanno leva sulle dinamiche di funzionamento della domanda e dell’offerta.

In un’ottica di miglioramento delle prestazioni ambientali delle imprese e del perseguimento di modelli di produzione sostenibili, particolarmente significative diventano le direttive comunitarie finalizzate a “incoraggiare una più ampia diffusione del sistema di ecogestione e audit (EMAS)”.

E ancora la diffusione di marchi ecologici e di altre forme di informazioni ed etichettatura ambientali, affinché i singoli consumatori, 7

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le imprese e gli enti pubblici dispongano di migliori informazioni sui processi e sui prodotti in termini di impatto ambientale per raggiungere modelli di consumo sostenibile.

Anche la Dichiarazione ambientale di prodotto, meglio nota come EPD (Environmental Product Declaration), prevista dalle politiche ambientali comunitarie e derivante dalle norme della serie ISO 14020, è uno strumento pensato per migliorare la comunicazione ambientale fra produttori, da un lato (business to business), e consumatori, dall’altro (business to consumers).

Tutti questi strumenti convergono verso la definizione di una Politica integrata di prodotto (IPP) e si integrano in una strategia comunitaria verso uno sviluppo sostenibile. È evidente, a conclusione di questa breve prefazione, che ognuno dei procedimenti innovativi richiamati, tendenti alla prevenzione del danno ambientale e alla progettazione ecologica dei prodotti è fondato sull’esplicito utilizzo della metodologia LCA, cardine attorno a cui ruota ogni valutazione e fondamento metodologico da cui scaturisce l’oggettività delle informazioni fornite.

La LCA è oggi uno strumento affermato a livello internazionale e i suoi campi di applicazione si stanno ampliando verso settori nuovi rispetto a quelli produttivi tradizionali. Oltre dieci anni di attività in questo campo portano a sottolineare come la LCA – partendo da un’impostazione tipica degli strumenti di ricerca e sviluppo – si sia adattata a un utilizzo più ampio, che va dal supporto alla comunicazione ambientale al green marketing, sino all’integrazione con tecniche di scelta dei materiali per la progettazione eco-compatibile.

Le ricerche riportate nel presente libro costituiscono un’interessante applicazione della metodologia LCA a un campo di forte interesse quale la progettazione e la produzione di sistemi, impianti e prodotti di conversione o consumo energetico nel settore civile.

La valutazione rigorosa della convenienza di impiego di sistemi alternativi per il riscaldamento e l’illuminazione di ambienti residenziali costituisce un contributo essenziale anche per la selezione e l’adozione delle misure di incentivazione governative che devono porsi l’o8

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biettivo di una effettiva riduzione degli impatti ambientali e dei costi energetici di un comparto che incide per circa un terzo sul bilancio energetico nazionale.

Considero infine un privilegio e un motivo di orgoglio presentare con queste note il lavoro svolto dagli autori delle memorie riportate nel testo, che hanno, in larga parte, iniziato con me il loro percorso di ricerca scientifica e lo proseguono oggi con vera passione e alti riconoscimenti internazionali.

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introduzione Maurizio Cellura, Dipartimento di energia, ingegneria dell’informazione e modelli matematici, Università degli studi di Palermo I futuri scenari energetici a scala globale dipenderanno dall’interazione dinamica di molteplici variabili socio-economiche, ambientali, tecnologiche, culturali ecc., e la formulazione di previsioni attendibili rappresenta un compito arduo, caratterizzato comunque da una forte aleatorietà che va accuratamente esplicitata agli stakeholder coinvolti nei processi decisionali.

Con riferimento all’ambito tecnologico, è indubbio il ruolo che le nuove tecnologie low-carbon svolgeranno nel ridurre le emissioni di gas climalteranti, ma la rapidità di sviluppo di tali tecnologie e i tempi di raggiungimento delle loro “golden age” sono certamente due incognite fondamentali nel conseguimento dell’obiettivo non vincolante stabilito dall’accordo di Copenaghen, e in particolare nella limitazione dell’incremento della temperatura globale di soli 2 °C sopra il livello equivalente precedente alla Rivoluzione industriale.

In tale contesto, la generazione di energia basata sull’uso di tecnologie alimentate da fonti energetiche rinnovabili (Tfer) condiziona significativamente la de-carbonizzazione a livello globale, ma la reale consistenza futura del contributo suddetto dipenderà in larga parte dalle politiche di sostegno alla crescita delle Tfer.

Alcuni scenari di sviluppo formulati dall’International Energy Agency (World Energy Outlook 2010) ipotizzano che la generazione di elettricità da Tfer verrà triplicata a scala globale da qui al 2035, raggiungendo le stesse percentuali dell’equivalente energia ottenuta dal carbone.

Energia idroelettrica ed eolica saranno probabilmente quelle che più contribuiranno a far conseguire i target anzidetti. Ma se a scala globale il contributo atteso è certamente significativo, per l’Unione europea lo stesso scenario prevede un contributo di circa il 40%, confermando il ruolo guida che l’Unione europea svolgerà nei prossimi anni nel fronteggiare le emergenze indotte dai cambiamenti climatici. Va però ricordato che la produzione energetica da fonti rinnovabili è caratte-

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rizzata da una intrinseca variabilità rispetto alla quale alcuni elementi, di seguito riportati, dovranno essere adeguatamente analizzati: • reti intelligenti: la diffusione delle smart grid è uno dei fattori di successo per la crescita delle Tfer, considerato che le smart grid sono in grado di gestire efficacemente la variabilità di produzione delle Tfer e i carichi di picco, grazie all’impiego di sistemi informatici e di controllo avanzati. Le smart grid possono dunque minimizzare i costi di gestione e gli impatti ambientali, ma soprattutto accrescere l’affidabilità e la stabilità dei sistemi infrastrutturali a supporto della generazione distribuita di energia; • gestione della domanda di energia: una gestione della domanda di energia in grado di distribuire i carichi dalle ore di picco ad altri periodi e di gestire efficacemente i fenomeni di mismatch è fondamentale per la diffusione delle Tfer; • incremento dell’affidabilità nel prevedere l’energia prodotta: altro aspetto fondamentale nella diffusione delle Tfer è connesso all’abilità di prevedere a scala oraria o anche di pochi minuti la produzione attesa. Quanto più affidabile sarà la previsione tanto più si potrà fronteggiare per tempo la necessità di erogare energia prodotta in maniera alternativa alle Tfer in casi emergenziali, purtroppo sempre più frequenti a causa dei cambiamenti climatici; • accumulo dell’energia prodotta (storage): la possibilità di impiegare energia prodotta nei periodi di basso consumo nelle ore di picco, necessita di tecnologie di accumulo integrate ai sistemi di generazione considerati nella loro interezza. Lo storage limiterebbe sia l’uso della generazione di energia da fonti tradizionali sia i fenomeni di mismatch, accrescendo la flessibilità del sistema nel suo complesso.

Attualmente lo storage presenta dei costi elevati, e nell’immediato futuro sarà necessaria una forte contrazione dei costi perché avvenga una massiccia diffusione dei sistemi di accumulo.

Dalle sintetiche note enucleate in precedenza, confinate prevalentemente alla sfera tecnologica, emergono con chiarezza le proporzioni delle sfide in atto e in divenire, e dell’importante supporto che la co12

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munità scientifica può offrire ai decisori, illustrando i pro e i contro delle differenti famiglie di tecnologie con riferimento ai molteplici aspetti dello sviluppo sostenibile, aspetti egualmente da compendiare per perseguire un approccio olistico nei processi decisionali, che nel caso in specie sono particolarmente complessi e densi di effetti di rebound.

La Life Cycle Assessment (LCA) è una metodologia che ha grandi potenzialità nella selezione di Tfer realmente efficaci, sia per il suo intrinseco Life Cycle Thinking, antitesi del riduzionismo scientifico che sovente ha avuto esiti fallimentari nella predizione di output ambientali complessi, sia perché riesce a evidenziare gli hot spot energeticoambientali dell’intera filiera produttiva. Inoltre, aiuta a individuare i tempi di ritorno energetico-ambientali di tecnologie considerate “pulite” solo con riferimento alla fase di gestione, ma che invece, alla stregua di qualsivoglia processo produttivo, sono caratterizzate dall’avere una embodied energy e dal consumare materie e risorse. È dunque fondamentale formulare giudizi scientifici rigorosi e affidabili, equilibrati e trasparenti, di reale ausilio nella selezione di tecnologie low carbon, basati su un approccio LCA nel quale si evidenzino i limiti del metodo e le assunzioni dell’analista. Dev’essere in ultima analisi evitata la critica accettazione dei risultati che scaturiscono da software e da database che appaiono “scatole nere” che forniscono inventari che vanno interpretati e non impiegati per stabilire gerarchie fondate su piedi d’argilla, fragili perché insufficientemente analizzate.

Il contenuto delle riflessioni che precedono si enfatizza ancor di più qualora si consideri la LCA delle Tfer. L’ecoprofilo di una unità funzionale dipende fortemente, nel caso considerato, da variabili aleatorie, e non può essere ottenuto con un livello di approfondimento paragonabile alla LCA di manufatti caratterizzati da ciclo vitale breve. Anzi, la fase di gestione, nella quale viene ottenuta l’energia, va studiata con modelli di simulazione raffinati e, laddove la tecnologia è integrata in sistemi articolati (si pensi agli edifici complessi), la simulazione del sistema indagato dovrà essere ancora più accura13

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ta, considerato che i pay back energetico-ambientali delle Tfer sono intimamente correlati alla fase d’uso, alle caratteristiche del sito di inserimento, alla frequenza dell’impiego, alla corretta progettazione, installazione e manutenzione, e più in generale a molteplici fattori, alcuni dei quali ricordati in precedenza.

La ricerca effettuata nel Programma PRIN 2008 “Definizione di criteri innovativi per la progettazione e produzione eco-compatibile (ecodesign) di prodotti che consumano energia (EuP) nel settore civile d’utenza” è stata finalizzata allo studio energetico-ambientale, sia metodologico sia sperimentale, di tecnologie impiantistiche caratterizzate da un elevato grado di innovazione tecnologica e da prestazioni energetico-ambientali di eccellenza, al fine di individuare criteri di progettazione eco-compatibile. Le valutazioni svolte nella ricerca sono state orientate a: • definire gli ecoprofili dei manufatti; • confrontare gli impatti generati nelle diverse fasi di vita delle tecnologie; • valutare gli scenari di miglioramento.

In tal modo i risultati potranno costituire un utile supporto informativo per la definizione delle “misure di esecuzione” di tali prodotti.

Gli obiettivi finali perseguiti dalla ricerca sono stati: 1. definizione delle modalità per l’esecuzione delle analisi sperimentali, dei requisiti di qualità dei dati e del format per la comunicazione delle informazioni, al fine di: i) sintetizzare i numerosi dati ambientali in appositi “criteri e requisiti” minimi per l’eco-design; ii) predisporre un format comune per tutte le categorie di prodotto indagate, che faciliti i compiti del legislatore e che sia user friendly per le aziende; iii) incentivare la ricerca futura sulle singole categorie di prodotti EuP esaminati, e indirizzare aziende e designer verso la minimizzazione degli impatti ambientali secondo un approccio di ciclo di vita; 2. analizzare i rapporti tra la Direttiva EuP e altri strumenti di gestione ambientale, quali EMAS e le certificazioni ambientali di prodotto; 3. analizzare le seguenti categorie di prodotto significative e indivi14

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duare le criticità ambientali connesse: i) sistemi di riscaldamento degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria, in particolare caldaie cogenerative alimentate da biomasse, sistemi ibridi di cogenerazione a energia solare (PV/T) e sistemi cogenerativi Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) e Proton Exchange Fuel Cell (PEFC); ii) impianti di illuminazione diretta e indiretta, con particolare riguardo ai sistemi di illuminazione per uffici. Tali categorie sono state scelte in quanto incidono in modo significativo nei bilanci energetici e ambientali comunitari e sono caratterizzate da elevati potenziali di miglioramento e dalla possibilità di implementare tecnologie innovative a basso impatto ambientale; 4. elaborare un modello di valutazione energetico-ambientale dei sistemi tecnologici in studio sulla base dei dati bibliografici e di campo, al fine di mettere in evidenza i consumi di risorse primarie, quali energia, materie prime e risorsa idrica, nel ciclo di vita della data categoria EuP, nonché gli impatti ambientali indotti, evidenziando le fasi più rilevanti in tal senso.

La ricerca è stata finalizzata alla definizione di tipologie di criteri ambientali ed energetici indirizzati all’ecoprogettazione degli EuP esaminati. È stata elaborata una metodologia di valutazione energeticoambientale delle categorie di prodotto sperimentali, oggetto di studio, definendo, in particolare, i seguenti aspetti: • modalità di redazione degli eco-profili dei prodotti; • modalità di raccolta dei dati bibliografici e di campo inerenti alle categorie di prodotto in studio; • requisiti di qualità dei dati per le analisi energetico-ambientali delle categorie di prodotto; • selezione delle categorie di impatto ambientale da valutare nei casi studio; • definizione dei criteri energetico-ambientali necessari per l’eco-design degli EuP. 5. individuare, per le categorie selezionate di prodotti EuP, i criteri innovativi per la progettazione ecocompatibile da includere nelle misure 15

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di esecuzione di settore, al fine di orientare i produttori verso soluzioni progettuali a minore impatto.

Come verrà illustrato nei capitoli successivi, il modello energeticoambientale applicato agli impianti sperimentali in studio nel programma di ricerca ha consentito di individuare alcuni criteri di progettazione ecocompatibile, quali: la definizione del campo di applicazione dello studio e dei confini del sistema, le tipologie di indicatori energetici e ambientali da stimare, l’analisi delle fonti di dati di letteratura, le emissioni e la produzione di rifiuti per unità funzionale, le modalità specifiche di raccolta delle informazioni energetiche e ambientali e la loro divulgazione.

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