Progetto EcoDPI_un modello predittivo per la simulazione degli impatti di un ciclo produttivo

Al giorno d’oggi, a causa dell’imminente ed evidente cambiamento climatico, le nazioni di tutto il mondo sono fortemente impegnate nell’adozione di strategie volte a ridurre le emissioni di gas serra. Negli ultimi 50 anni, l’attività antropica, in particolar modo la combustione di combustibili fossili, ha aumentato significativamente la concentrazione di gas serra nell’atmosfera e, secondo il Gruppo Intergovernativo sul cambiamento climatico (IPCC), la probabilità che l’attività antropica sia la diretta responsabile dell’incremento della temperatura terrestre è maggiore del 95%. Ad oggi, le nazioni della Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (UNFCC) concentrano il loro impegno nella riduzione dei gas serra mediante l’accordo di Parigi, con l’obiettivo di mantenere l’aumento della temperatura globale entro i 2°C, possibilmente entro 1.5°C, entro il 2030. Allo stesso tempo, nell’Unione Europea si punta a raggiungere una carbon neutrality entro il 2050.

A tale scopo, dal 2005 la politica europea si è avvalsa del Sistema di Scambio di quote di Emissione (EU ETS), strumento volto a ridurre le emissioni di gas serra in base al principio “cap and trade”. Secondo tale principio, viene fissato un massimo (cap) alla quantità di gas serra che può essere emessa dagli impianti partecipanti, oltre 11,000 ad alto consumo di energia e dalle compagnie aeree operanti nel territorio europeo.

Annualmente, alle aziende coinvolte vengono quindi concesse gratuitamente delle quote di emissione sulla base di regole armonizzate di assegnazione, che, secondo la normativa vigente (Fase 4 dell’EU ETS), vengono ridotte di anno in anno del 2.2%, in modo da far fronte agli obiettivi previsti dall’accordo di Parigi. Per tali aziende, l’attuazione di piani per la riduzione dell’emissione di gas serra investendo in tecnologie più efficienti è quindi di fondamentale importanza, per far fronte alle sempre più stringenti limitazioni nelle emissioni.

Nel caso in cui le quote non siano sufficienti a coprire le emissioni prodotte, l’azienda deve acquistare le quote di emissione all’asta o da altre imprese che hanno un surplus (trade). Se un’azienda non adempie a tali obblighi, è soggetta a pesanti sanzioni.

Gli impianti coinvolti nell’EU ETS devono quindi monitorare e riferire le emissioni di gas serra annualmente.

Un altro recente problema che caratterizza la società odierna, anche europea, è lo stress idrico e la carenza di acqua, con conseguente rischio di siccità, a causa dello sfruttamento eccessivo e dei cambiamenti climatici. Il fabbisogno di acqua in Europa è aumentato negli ultimi 50 anni, con una conseguente diminuzione del 24% delle risorse idriche rinnovabili, soprattutto nell’Europa meridionale. La seguente Figura mostra le aree in cui viene utilizzata principalmente l’acqua.

Utilizzo dell'acqua nei vari settori economici

Negli ultimi 30 anni, l’UE ha avviato delle operazioni volte a migliorare la qualità dell’acqua dolce europea, con la Direttiva quadro sulle acque, direttiva sulle acque reflue urbane e la direttiva sull’acqua potabile, in modo da ridurre gli impatti negativi dell’inquinamento. Tuttavia, per far fronte al deficit idrico che caratterizza determinate zone della comunità europea, risulta di fondamentale importanza ridurre i consumi di acqua mediante l’implementazione di sistemi di efficientamento idrico.

A fronte di quanto detto fin ora, risulta evidente come, a livello industriale, sia di fondamentale importanza un corretto sistema di monitoraggio delle emissioni di gas serra e del consumo delle risorse idriche al fine di intraprendere azioni di efficientamento energetico ed idrico. A tale scopo nel progetto EcoDPI viene sviluppato un modello matematico che permette di predire, su base oraria:

• i consumi energetici (sia elettrici che di combustibile) e di acqua;
• le emissioni di CO₂;

di un processo produttivo. Il modello rappresenta un utile strumento per il monitoraggio dei consumi e delle emissioni di gas serra. Un punto forte del modello è che, oltre al monitoraggio, permette l’identificazione delle aree più critiche del processo, nonché quelle soggette a maggiori consumi di elettricità, combustibile e acqua e a maggiori emissioni di gas serra. Inoltre, il modello può essere usato come strumento per valutare i benefici derivanti da possibili azioni migliorative intraprese sul processo (es: quantità di acqua consumata che può essere risparmiata introducendo sistemi di riciclo dell’acqua, riduzione dei consumi energetici e di emissione di gas serra derivanti dalla sostituzione di apparecchiature con altre a maggiore efficienza energetica, ecc.). Infine, il modello può essere utilizzato anche come strumento per verificare eventuali malfunzionamenti in corso all’interno del processo produttivo, grazie alla sua capacità di predire i consumi energetici e di combustibile. Obiettivo del WP-RI-4 è dunque quello di mettere a punto un modello con queste caratteristiche, e di applicarlo a processi di valorizzazione/riutilizzo dei DPI identificati all’interno del progetto, al fine di quantificarne la sostenibilità e le prestazioni in termini di impatti ambientali.

La metodologia seguita per il calcolo delle emissioni di gas serra è basata su calcoli (calculation-based methodology), secondo il Monitoring and Reporting Regulation (MRR). In accordo con tale metodologia, le emissioni vengono calcolate a partire da dati di attività (portata volumetrica e/o massa di materiale), ottenuti da misurazioni fatte in loco, a cui vengono moltiplicati dei parametri addizionali, ottenuti da test di laboratorio o da letteratura. Tale metodologia di fatto identifica due possibili alternative per il calcolo delle emissioni:

• una metodologia standard (standard methodology): vedi Articolo 24 del MRR;
• una metodologia basata su bilancio di massa (mass balance methodology): vedi Articolo 25 del MRR.

L’utilizzo dell’una o dell’altra metodologia e il tipo di parametri da utilizzare sono dettati dal Regolamento (UE) N. 601/2012 della Commissione del 21 Giugno 2012, Allegato IV e V, a seconda delle specifiche applicazioni.

Le due metodologie proposte dal Regolamento UE N. 601/2012 finora descritte non forniscono informazioni relativamente al calcolo delle emissioni di gas serra derivanti dall’utilizzo di corrente elettrica. Sebbene le aziende non siano generalmente le dirette produttrici di corrente elettrica, l’utilizzo della corrente elettrica comporta una emissione di gas serra indiretta per l’azienda. Con questo termine si indica che non è infatti l’azienda stessa ad emettere gas serra, ma è l’importatore indirettamente responsabile delle emissioni generate dal fornitore per la produzione dell’energia richiesta. Nell’ottica del ciclo di vita, in questo lavoro vengono calcolate anche le emissioni indirette derivanti dall’utilizzo di corrente elettrica ( ), secondo l’Eq.:

dove  è il consumo energetico (kWh), mentre EF è il fattore di emissione (ton_CO2/kWh).

Per determinare le emissioni di un processo, si applicano dunque le equazioni viste in precedenza alle singole sorgenti di gas serra, interne ai confini di rendicontazione del processo produttivo. Per ottenere un profilo orario di emissione di gas serra, le operazioni devono essere condotte sulla base di dati di attività orari. Poiché un processo produttivo presenta numerose sorgenti di gas serra, il numero di dati e di operazioni coinvolte è notevole. L’intero processo di calcolo viene pertanto condotto immagazzinando i dati all’interno di grandi matrici organizzate su tre dimensioni, semplificando in tal modo le operazioni matematiche descritte precedentemente a poche moltiplicazioni tra matrici. Ognuna delle tre dimensioni delle diverse matrici contiene informazioni specifiche, rispettivamente:

• Righe: ogni riga rappresenta una categoria di consumo, ovvero un consumo espresso in termini specifici rispetto alla tonnellata di prodotto o per ora di produzione.
• Colonne: ogni colonna rappresenta una specifica categoria d’uso. Per categorie d’uso si intendono tutti i processi/operazioni interne alla struttura che comportano emissione di gas serra.
• Pagine: ogni pagina rappresenta una specifica ora del giorno. La matrice è quindi formata da 8700 pagine, che indicano le ore complessive presenti in un anno solare.

In Figura viene riportato un esempio di matrice tridimensionale.

Il modello per la predizione del consumo idrico è sviluppato in modo del tutto analogo a quello dei consumi energetici e della CO₂ equivalente. Tuttavia, il modello in questo caso si differenzia per il fatto che è assente la parte relativa al calcolo delle emissioni di gas serra.