Progettazione ecosostenibile nel settore ferroviario: caso studio comparativo di alleggerimento

Scuola di ingegneria

Corso di laurea magistrale in ingegneria meccanica

Progettazione ecosostenibile nel settore ferroviario: caso studio comparativo di alleggerimento

Ecodesign within the railway field: a comparative lightweight case study

Candidato: Roberto Recchia

Relatore: Prof. Ing. Massimo Delogu

Correlatori: Ing. Francesco Del Pero, Ing. Andrea Antonacci, Ing. Davide Bonaffini

Anno Accademico: 2019/2020

Dedica

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Dedica 4

Sommario

Il presente studio, dopo un’iniziale contestualizzazione del settore ferroviario all’interno di un crescente interesse verso la progettazione ecosostenibile, si prefigge di sviluppare e descrivere un foglio di lavoro su Excel che permetta il calcolo degli indici di riciclabilità e recuperabilità di un assieme caratterizzante il materiale rotabile e di calcolare gli impatti ambientali sull’intero ciclo vita del medesimo assieme. Lo sviluppo della parte bibliografica è stato realizzato attraverso una ricerca dello stato dell’arte presente in letteratura e condotto partendo dalla descrizione dell’attuale scenario ambientale per poi valutare l’inserimento del settore ferroviario in questo contesto. Come oggetto del foglio di lavoro sono stati considerati due casi reali di sedili passeggeri di treni regionali, uno assunto di riferimento ed uno alleggerito, così da poter fare un confronto; i dati relativi ai sedili sono stati forniti dall’azienda Hitachi Rail S.p.A.. Il calcolo degli indici è stato sviluppato partendo dalla normativa ISO 21106 ed implementando poi funzioni aggiuntive atte a rendere la metodologia applicabile a qualunque assieme del materiale rotabile o al materiale rotabile stesso. Per avere un quadro ambientale completo e poter quindi fare un confronto più dettagliato tra le due soluzioni di sedile in esame, si sono aggiunte una serie di funzioni necessarie al calcolo degli impatti ambientali relativi al solo potenziale di riscaldamento globale GWP per tutte le fasi del ciclo vita. I risultati ottenuti mostrano che al sedile alleggerito è associato un minor valore di impatto ambientale per quanto riguarda l’intero ciclo vita; gli impatti relativi alla fase di uso, che preponderano rispetto a quelli delle altre fasi, risultano infatti diminuire con la massa. Infine, abbiamo valutato come cambiano gli impatti sull’intero ciclo vita per i due sedili al variare del mix energetico scelto, prendendo a confronto il mix energetico norvegese e polacco.

Indice

1 - Economia circolare ............................................................................................................................. 16

• 1.1 - Posizione all’interno della “Green Economy” ..................................................................................... 16
• 1.2 - Quadro storico ........................................................................................................................................... 19
• 1.3 - Politiche europee ..................................................................................................................................... 21

2 - Adozione del concetto di economia circolare nel settore ferroviario ......................................... 25

• 2.1 - Anno europeo delle ferrovie ................................................................................................................... 28
• 2.2 - Fine vita del materiale rotabile .............................................................................................................. 29
• 2.3 - Metodo di calcolo della riciclabilità e recuperabilità del materiale rotabile ................................ 33

3 - Valutazione dell’indice di riciclabilità e recuperabilità su due casi studio a confronto ........... 37

• 3.1 - Materiali e metodi .................................................................................................................................... 37
• 3.2 - Risultati ...................................................................................................................................................... 41

4 - Valutazione LCA su due casi studio a confronto ........................................................................... 44

• 4.1 - Metodologia LCA ...................................................................................................................................... 44
• 4.1.1 - Struttura di un’analisi LCA ......................................................................................... 45
• 4.2 - Casi studio a confronto ........................................................................................................................... 47
• 4.2.1 - Estrazione materiali – Metodi e risultati ....................................................................... 47
• 4.2.2 - Uso – Metodi e risultati .................................................................................................. 49
• 4.2.3 - Fine vita – Metodi e risultati ......................................................................................... 50

5 - Discussione dei risultati .................................................................................................................... 59

• 5.1 - Risultati relativi gli indici di riciclabilità/recuperabilità .................................................................... 59
• 5.2 - Risultati relativi l’analisi LCA ................................................................................................................. 61

6 - Conclusione e sviluppi futuri ............................................................................................................ 84

Elenco delle figure

• Figura 1.1 Schema che illustra i diversi concetti legati alla Green Economy ................................... 17
• Figura 1.2 Classificazione dei diversi concetti legati alla “Green Economy” in funzione ai due tipi di sostenibilità ..................................................................................................................... 18
• Figura 1.3– Schema del modello economico lineare ....................................................................... 18
• Figura 1.4– Economia circolare (fonte: Ellen Mc Arthur Foundation) ................................................ 20
• Figura 1.5– Il Green Deal europeo .......................................................................................................... 23
• Figura 2.1– Specifiche mandatorie e volontarie nel settore ferroviario ....................................... 27
• Figura 2.2– Ciclo di vita dell’acciaio .................................................................................................... 30
• Figura 2.3– Differenti alternativa per il fine vita di un veicolo ferroviario ....................................... 31
• Figura 2.4– Schema delle tre fasi di trattamento a fine vite per il materiale rotabile ISO 21106 ...... 32
• Figura 4.1 Fasi di un’analisi LCA .......................................................................................................... 45
• Figura 5.1 Confronto tra i sottosistemi a parità di indice di riciclabilità ............................................. 59
• Figura 5.2 Confronto tra i sottosistemi a parità di indice di recuperabilità ......................................... 60
• Figura 5.3 Impatti ambientali degli assiemi sedile per fase del ciclo vita ............................................ 62
• Figura 5.4 Variazione percentuale di impatto rispetto ai sottoassiemi di riferimento ..................... 63
• Figura 5.5 Variazione percentuale di impatto rispetto al sedile di riferimento ................................... 65
• Figura 5.6 Allocazione della variazione percentuale di impatto per la fase di estrazione materiali ...... 67
• Figura 5.7 Allocazione della variazione percentuale di impatto per la fase di utilizzo ........................ 68
• Figura 5.8 Allocazione della variazione percentuale di impatto per la fase di fine vita ....................... 69
• Figura 5.9 Allocazione della variazione percentuale di impatto per l’intero ciclo vita ........................ 70
• Figura 5.10 Andamento degli impatti in fase di uso per i due sedili ....................................................... 71
• Figura 5.11 Andamento dell’impatto totale in funzione al chilometraggio .......................................... 72
• Figura 5.12 Legenda simboli ............................................................................................................................. 73
• Figura 5.13 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per la fase di estrazione materiali .................................................................................................................. 73
• Figura 5.14 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per la fase di uso ................ 74
• Figura 5.15 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per la fase di fine vita ........ 75
• Figura 5.16 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per l’intero ciclo vita .......... 76
• Figura 5.17 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per la fase di uso (mix norvegese) ......................................................................................................................................... 77
• Figura 5.18 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto alle loro masse per la fase di uso (mix polacco).............................................................................................................................................. 77
• Figura 5.19 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto la massa per l’intero ciclo vita (mix norvegese) ......................................................................................................................................... 78
• Figura 5.20 Impatto ambientale dei sottosistemi rispetto la massa per l’intero ciclo vita (mix polacco).............................................................................................................................................. 79
• Figura 5.21 Legenda sottoassiemi ...................................................................................................................... 80
• Figura 5.22 Variazione dell’impatto dei sottoassiemi rispetto all’alleggerimento..................................... 81
• Figura 5.23 Variazione dell’impatto dei sottoassiemi rispetto all’alleggerimento (mix norvegese) ...... 82
• Figura 5.24 Variazione dell’impatto dei sottoassiemi rispetto all’alleggerimento (mix polacco) ........... 82

Elenco delle tabelle

• Tabella 2.1 Generici valori di MRF e ERF per ogni famiglia di materiale ......................................... 35
• Tabella 3.1 Dati di input per il sedile di riferimento .................................................................................. 39
• Tabella 3.2 Dati di input per il sedile alleggerito ......................................................................................... 39
• Tabella 3.3 Masse dei due sedili in oggetto ............................................................................................ 40
• Tabella 3.4 Indice di Riciclabilità e Recuperabilità per il sedile di riferimento ..................................... 42
• Tabella 3.5 Indice di Riciclabilità e Recuperabilità per il sedile alleggerito .......................................... 42
• Tabella 3.6 Masse destinate alla discarica per i due sedili .......................................................................... 43
• Tabella 4.1 Impatti specifici per la fase di estrazione materiali ..................................................................... 48
• Tabella 4.2 Impatti ambientali per la fase di estrazione materiali ...................................................................... 49
• Tabella 4.3 Impatti ambientali per la fase di utilizzo ....................................................................................... 50
• Tabella 4.4 Impatti ambientali specifici per il fine vita – Sedile di riferimento .................................... 51
• Tabella 4.5 Impatti ambientali specifici per il fine vita – Sedile alleggerito ......................................... 52
• Tabella 4.6 Impatti ambientali per pretrattamento, triturazione, recupero energetico e discarica– Sedile di riferimento ............................................................................................................. 53
• Tabella 4.7 Impatti ambientali per pretrattamento, triturazione, recupero energetico e discarica– Sedile alleggerito ............................................................................................................... 53
• Tabella 4.8 Credito ambientale specifico del riciclo e fattori di sostituzione – Sedile di riferimento ......................................................................................................................................... 55
• Tabella 4.9 Credito ambientale specifico del riciclo e fattori di sostituzione – Sedile alleggerito ....... 55
• Tabella 4.10 Crediti ambientali imputabili al riciclo .................................................................................. 56
• Tabella 4.11 Impatti ambientali per la fase di fine vita .................................................................................. 57
• Tabella 4.12 Impatti ambientali totali per i due sedili .................................................................................... 58

Glossario

• UNEP – United Nations Environment Programme
• WCED – World Commission on Environment and Development
• C2C – Cradle to Cradle
• EEA – European Environment Agency
• COM – Comunicazione
• CEAP – Circular Economy Action Plan
• AEE – Apparecchiature elettriche ed elettroniche
• CEBM – Circular Economy Business Models
• CLSC – closed loop supply chain
• CLSCM – closed loop supply chain management
• GHG – Greenhouse gases
• UIC – International Union of Railways
• UNIFE – Association of the European Rail Industry
• PCR - Product Category Rule
• EPD – Environmental Product Declaration
• HSR – High speed rail
• LCA – Life cycle assessment
• HVAC – Heating, Ventilation and Air Conditioning
• SHF – Shredder Heavy Fraction
• SLF – Shredder Light Fraction
• MONM – Modified Organic Natural Materials
• PU – Poliuretano
• PVC – Polivinilcloruro
• MRF – Material Recovery Factor
• ERF – Energy Recovery Factor
• GWP – Global Warming Potential

Introduzione

Questo studio di tesi nasce con l’intento di contestualizzare all’interno del modello di economia circolare il settore ferroviario e di sviluppare parallelamente un foglio di calcolo su Excel che permetta di ricavare gli indici di riciclabilità e recuperabilità per un assieme caratterizzante il materiale rotabile e che permetta anche di effettuare una valutazione degli impatti ambientali su tutto il ciclo vita degli assiemi in esame. Come oggetto del foglio di lavoro su Excel si sono scelti due sedili passeggeri reali installati su treni regionali; l’obbiettivo è quindi un confronto tra le due soluzioni di sedile proposto in quanto abbiamo assunto quella più datata come soluzione di riferimento, mentre quella in fase di sviluppo come soluzione alleggerita. Il confronto tra i due sedili attraverso l’applicazione pratica del foglio di calcolo è stato reso possibile grazie alla collaborazione con l’azienda Hitachi Rail S.p.A che ringrazio sinceramente per la disponibilità dimostrata durante questi mesi di lavoro.

Nel primo capitolo viene introdotto il concetto di economia circolare e la sua posizione all’interno della “Green economy”; segue poi un’analisi dello stato dell’arte per sottolineare il quadro storico di interesse e quindi come il concetto relativo alle problematiche ambientali si è evoluto negli ultimi cento anni. È stata poi ritenuta fondamentale un’analisi sulle politiche europee che interessano il campo dell’economia circolare evidenziando che, negli ultimi anni, abbiamo uno sviluppo elevato di norme e linee guida per le aziende. A conclusione di questo capitolo si è voluto riportare quelle che sono le strategie principali che permettono di modellare un’economia di tipo lineare in una circolare; si è riportato a titolo di esempio anche un’indagine italiana su come le aziende si affrontano a questo innovativo modello economico.

Nel secondo capitolo, sempre bibliografico, si va invece a marcare la posizione del settore ferroviario rispetto l’economia circolare. In questa parte si descrivono alcune strategie sostenibili adottate dalle principali aziende, si parla del fine vita che interessa il materiale rotabile e che è parte critica nell’approccio di circolarità. Infine, si descrive il modello di calcolo suggerito da ISO 21106 per il calcolo degli indici di riciclabilità e recuperabilità per il materiale rotabile o per un assieme rappresentativo.

Nel terzo capitolo inizia la parte pratica in cui vengono descritti gli assiemi scelti per il confronto, le ipotesi fatte, le implementazioni aggiuntive rispetto alla normativa ed il modello di calcolo usato per ricavare gli indici di riciclabilità e recuperabilità. Il capitolo si conclude con un’analisi dei risultati mediante dei grafici di confronto ottenuti sempre con il software Excel.

Il quarto capitolo è invece dedicato agli impatti ambientali. Anche qui, dopo un breve cenno sull’analisi LCA, si descrivono i confini del sistema rispetto cui si opera, le ipotesi fatte ed il modello di calcolo seguito per ottenere gli impatti ambientali in termini di GWP per en