Appunti di Progettazione ecosostenibile

Scuola di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Progettazione ecosostenibile del

prodotto e dei processi

industriali Alessio Fortunato

Geremia Mazzanti

Anno 2019/2020

1 – Introduzione alla sostenibilità di prodotto e processo ............................................................................................. 1

1.1 – Cosa si intende per sviluppo sostenibile? ............................................................................................................ 1

1.2 – Perché l’EcoDesign? ............................................................................................................................................. 2

1.3 – Circular economy ................................................................................................................................................. 3

1.4 – Ciclo di vita ........................................................................................................................................................... 3

1.5 – Problematiche ambientali .................................................................................................................................... 5

2 – Approccio alla progettazione dell’eco-profilo di un prodotto industriale ............................................................... 7

2.1 – Life Cycle Thinking ................................................................................................................................................ 7

2.2 – La progettazione del ciclo di vita del prodotto: Design for X ............................................................................... 7

2.3 – EcoDesign ............................................................................................................................................................. 8

3 – Integrazione dell’EcoDesign nel processo di sviluppo prodotto – requisiti obbligatori ........................................ 10

3.1 – Requisiti obbligatori - Cenni sul sistema legislativo comunitario ................................................................ 11

3.1.1 – Le direttive di prodotto ............................................................................................................................... 11

3.1.2 – Norma tecnica ............................................................................................................................................. 13

3.1.3 – Documentazione e dichiarazione di conformità ......................................................................................... 14

4 – Direttive di prodotto in materia di ecosostenibilità ............................................................................................... 17

4.1 – Direttiva Eco-Design ........................................................................................................................................... 17

4.2 – Etichettatura energetica .................................................................................................................................... 18

4.3 – Disciplina sui RAEE ............................................................................................................................................. 20

4.4 – Direttiva RoHS .................................................................................................................................................... 22

5 – Gestione fine-vita (seminario Lorenzo Berzi) .......................................................................................................... 23

5.1 – Riciclaggio ........................................................................................................................................................... 26

5.1.1 – Riciclaggio rifiuti termoplastici .................................................................................................................... 26

5.1.2 – Riciclaggio rifiuti non termoplastici ............................................................................................................. 28

5.2 – Processi di separazione .......................................................................................................................... 28

5.2.1 – Rimozione metalli ........................................................................................................................................ 28

5.2.2 – Macrosorting ............................................................................................................................................... 28

5.2.3 – Microsorting ................................................................................................................................................ 29

6 – Integrazione dell’EcoDesign nel processo di sviluppo prodotto – Requisiti volontari ........................................... 33

6.1 – Etichette di tipo I ................................................................................................................................................ 33

6.2 – Etichettatura di tipo II ........................................................................................................................................ 36

6.3 – Etichettature di tipo III ....................................................................................................................................... 36

7 – Integrazione dell’EcoDesign nel processo di sviluppo prodotto – Ecodesign strategies ....................................... 40

7.1 – Unità funzionale ................................................................................................................................................. 40

7.2 – Life-Cycle Design (LCD) – Strategie .................................................................................................................... 41

7.2.1 – Minimizzazione delle risorse ....................................................................................................................... 41

7.2.2 – Risorse a basso impatto ambientale ........................................................................................................... 42

7.2.3 – Ottimizzazione della vita dei prodotti ......................................................................................................... 43

i

7.2.4 – Estensione della vita dei materiali .............................................................................................................. 45

7.2.5 – Facilitare lo smontaggio .............................................................................................................................. 49

7.3 – Altre strategie di Ecodesign ............................................................................................................................... 53

8 – Integrazione dell’EcoDesign nel processo di sviluppo prodotto – Requisiti del cliente ........................................ 60

9 – Il ruolo chiave dei materiali ..................................................................................................................................... 63

9.1 – Scelta dei materiali ............................................................................................................................................. 65

10 – Integrazione dell’EcoDesign nel processo di sviluppo prodotto – Design for reliability ..................................... 71

10.1 – Affidabilità dei sistemi ...................................................................................................................................... 73

10.2 – Probabilistic Design .......................................................................................................................................... 78

10.3 – FMEA/FMECA (Failure Modes and Effect and Criticality Analysis) .................................................................. 79

11 – Design for Disassembly (DfD) ................................................................................................................................. 86

11.1 – Analisi dello smontaggio di un sistema ................................................................................................... 86

11.1.1 – Valutazione della profondità di disassemblaggio ..................................................................................... 87

11.1.2 – Valutazione delle proprietà obiettivo dello smontaggio .......................................................................... 91

11.1.3 – Valutazione dell’efficienza della profondità di smontaggio ...................................................................... 91

11.2 – Pianificazione del disassemblaggio ......................................................................................................... 93

12 – Life Cycle Assesment (LCA) ..................................................................................................................................... 98

13 – Pianificazione dei cicli di riuso e analisi costi-benefici ........................................................................................ 102

13.1 – Progettazione per la pianificazione dei cicli di riuso ...................................................................................... 102

13.2 – Analisi costi-benefici di ri-progettazione funzionale al riutilizzo ................................................................... 104

14 – Modelli per la simulazione del ciclo di vita del prodotto .................................................................................... 106

ii

1 – Introduzione alla sostenibilità di prodotto e processo

1.1 – Cosa si intende per sviluppo sostenibile?

• Ridurre il consumo di energia.

• Utilizzare materiali riciclabili (dal punto di vista del fine vita del prodotto).

• Utilizzare materiali smaltibili (biodegradabili).

• Utilizzare processi di trasformazione del materiale che consumino poca energia.

• Utilizzare materiali non nocivi né per l’uomo né per l’ambiente: metalli pesanti (mercurio, cromo esavalenti,

piombo, cadmio). Altre sostanze come: ossidi di azoto, ritardanti di fiamma ecc. Esiste una direttiva europea

ROHS (riduzione di sostanze pericolose) secondo cui bisogna non bisogna superare certe percentuali di

sostanze pericolose.

• Ridurre il consumo di risorse: cercare il più possibile di dematerializzare il prodotto (utilizzare meno materiale

possibile).

• Sostenibilità sociale

Principalmente quindi per sviluppo sostenibile si intende: ridurre il consumo di energia, dematerializzazione e

sostenibilità sociale. Quindi si definiscono 3 grandi famiglie:

- Ambiente: riproducibilità delle risorse, biodiversità ecc.

- Economia: crescita dell’occupazione del credito, sviluppo economico, produttività ecc.

- Società: non si può più progettare qualcosa che non tenga conto anche della sostenibilità sociale che significa

lavorare sulla sicurezza dei lavoratori, identità culturale, stabilità, uguaglianza, educazione ecc. Ci sono

politiche che servono per evitare il più possibile l’estrazione di materie rare, cioè materie di difficile estrazione.

Statisticamente l’80% dell’impatto ambientale è imputabile ad errori fatti in fase di progettazione, per questo è

necessario tenerne presente direttamente in fase di progettazione. L’ambiente è uno dei parametri di cui tenere conto

e che concorrono nel miglioramento della qualità del prodotto, con uguale dignità rispetto ad altri.

Definizioni e terminologia

- Recupero di energia: utilizzo di rifiuti combustibili quale mezzo per produrre energia mediante incenerimento

diretto - con o senza altri rifiuti - con recupero di calore

- Riciclaggio: ritrattamento di materiali di rifiuto in un processo di produzione per la loro funzione originaria o

per altri fini, escluso il recupero di energia.

- Riuso: riutilizzo delle parti smontate per lo stesso scopo per cui erano state progettate.

- Riprogettazione: remanufacturing, rigenerazione di una parte o di un prodotto. Comprende interventi

necessari a ricondizionare il prodotto (disassemblaggio, pulitura, ispezione, classificazione, ricondizionamento

e riassemblaggio). Permette di ottenere da un pezzo usato “A” un pezzo remanufactured “A’” che, da un punto

di vista operativo, è quassi uguale al nuovo.

- Riduzione: del consumo di materiali ed energia, produrre meno imballaggi e rifiuti.

- Smaltimento: dismissione in discarica.

Al vertice c’è il concetto di minimizzazione (sostenibilità massima)

in termini di materiali (dematerializzazione) ed energia. Subito

dopo il riutilizzo senza alcuna operazione di trattamento, poi il

riciclo, recupero di materiale o recupero energetico e per ultimo

lo smaltimento (sostenibilità minima). 1

1.2 – Perché l’EcoDesign?

➢ Motivi etici e sociali

• Sensibilità dei consumatori: la sensibilità dei consumatori sta via via aumentando negli anni.

• Contributo al miglioramento della qualità del prodotto/servizio/sistema: perché anche gli interventi

di natura ambientale portano dei vantaggi sostanziali sulla qualità del prodotto

• Immagine e credibilità nei confronti degli stakeholders: cioè tutti i colori che sono interessati

all’argomento, ci sono aziende che per un discorso di immagine chiedono di portare avanti valutazioni

sull’impatto ambientale dei loro prodotti per dimostrare all’esterno che si muovono secondo una

politica sostenibile.

➢ Fattori cogenti

• Direttive comunitarie: oggigiorno si crede molto nell’ecodesign a differenza degli inizi degli anni 2000.

L’unione europea, seguita da altri paesi, ha generato delle leggi che impongono ai produttori di

adeguarsi alle richieste, da un punto di vista ambientale, che un prodotto deve avere. Es: per

un’automobile i fattori cogenti sono: l’ambiente, la sicurezza attiva, passiva, luci e segnali ecc.

➢ Motivi economici

• Costi energetici: processi di produzione ad alto consumo energetico. L’energia costa, ci sono delle

aziende particolarmente influenti per quanto riguarda l’impatto ambientale (aziende petrolchimiche,

ecc) che producono forti emissioni, sono costrette a pagare di più rispetto ad altre.

• Costi legati alle emissioni ed al processamento dei rifiuti in discarica.

Già nel 2007 esisteva una certa conoscenza di quelle che erano le ragioni principali di inquinamento legate

ad un’automobile. Politica 20-20-20: entro il 2020 avremmo dovuto ridurre del 20% i

consumi energetici, del 20% l’emissione di CO , avremmo dovuto

2

produrre energia per il 20% da fonti rinnovabili (non ci siamo riusciti).

2

Sempre parlando di politica comunitaria, al consiglio

europeo di Göteborg si stabilì che: “la crescita economica

deve andare di pari passo con un utilizzo delle risorse

naturali e una produzione di rifiuti che siano sostenibili “.

Si traduce nel grafico a lato. Trovare la curva di ottimo tra

attività economica in termini di PIL e impatto ambientale,

cioè, ridurre l’impatto ambientale e allo stesso tempo

aumentare il PIL.

Si identificano quindi una serie di sfide per affrontare

l’impegno a lungo termine, una di queste è il consumo e produzione sostenibili.

Le azioni che si sono portate avanti si dividono sostanzialmente in due:

- Azioni sull’offerta: incentivare le organizzazioni alla minimizzazione degli impatti ambientali dei prodotti dalla

loro concezione. Questo è stato fatto grazie ad atti comunitari che impongono requisiti ambientali nella

regolamentazione obbligatoria (IPPC, ETS, REACH), ai finanziamenti da parte dell’UE per quanto riguarda la

ricerca e sviluppo finalizzati alla riduzione degli impatti ambientali dei prodotti lungo il loro ciclo di vita, ed

infine ai sistemi di gestione ambientale.

- Azioni sulla domanda: incentivare i consumatori all’acquisto di prodotti ecologici. Questo si traduce

nell’obbligare gli enti pubblici a dare esempio di acquisto verde (GREEN PROCUREMENT) attraverso

l’inserimento di criteri di preferibilià ambientale nelle procedure di aquisto, la possibilità di considerare sistemi

di etichettatura ambientale come mezzi di prova per la verifica di requisiti ambientali richiesti e attraverso la

possibilità di considerare le certificazioni dei sistemi di gestione ambientale (EMAS e ISO 14001) come mezzi

di prova per la verifica delle capacità techiche dei fornitori per la corretta esecuzione dell’appalto pubblico (ciè

possono aderire agli appalti pubblici solo aziende che siano dotate di un sistema di gestione ambientale

certificato) . Si incentivano i consumatori anche col MECCANISMO DEI PREZZI, cioè rendere i prodotti verdi più

competitivi (es. abbassamento delle tasse) e col fornire ai consumatori le informazioni necessarie per metterli

nella condizione di poter fare scelte d’acquisto sostenibili tramite etichette e dichiarazioi ambientali. Queste

si dividono in due. Ci sono le etichette obbligatorie (es. marchio CE) e quelle facoltative. Per le etichette

facoltative si distinguono 3 tipi:

• Tipo 1: impongono il rispetto di limiti prestazionali (ecolabel) dal punto di vista ambientale

definiti dall’UE.

• Tipo 2: sono autodichiarazioni del fabbricante. Non rispettano nessun limite imposto da

qualcuno ma è il fabbricante che dichiara i materiali che ha utilizzato ecc.

• Tipo 3: la stessa azienda definisce dei criteri ambientali che il prodotto deve avere. L’azienda propone

un tipo di protocollo da seguire, le aziende competitor se vogliono quella determinata certificazione

devono seguire un determinato protocollo. (es. certificazione EPD).

1.3 – Circular economy

La politica primaria dell’economia circolare è un qualcosa di ciclico, dal punto di vista ambientale consiste nel riutilizzo

di risorse. I settori prioritari sono la produzione delle plastiche, lo spreco di cibo, biomasse, materie rare ecc. Le misure

per stimolare l’economia circolare sono: promuovere le riparazioni, il riciclaggi