Resource Assessment methods in Industrial Ecology and Process Engineering: a critical review towards improved consideration in LCA
Questa revisione critica valuta la Rarità Termodinamica, l'Analisi del Costo dell'Exergia e l'Analisi dell'Entropia Statistica per potenziare la Valutazione del Ciclo di Vita identificando l'exergia chimica come la metrica più robusta per catturare la scarsità geologica e le associazioni chimiche, evidenziando al contempo i principi dell'Analisi del Costo dell'Exergia come essenziali per definire i confini del sistema e allocare i carichi dei co-prodotti nelle valutazioni orientate alle risorse.
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Ogni prodotto che utilizziamo, dallo smartphone a una trave d'acciaio, inizia la sua vita come una risorsa estratta dalla Terra. Nel campo dell'ecologia industriale, gli scienziati cercano di misurare il vero costo dell'uso di queste risorse, non solo in termini di denaro, ma anche nella perdita del loro potenziale per il futuro. Questo concetto è noto come "Area di Protezione" delle risorse naturali. Esso pone una domanda semplice ma profonda: quanto del valore originale di una materia prima viene distrutto o disperso quando la trasformiamo in qualcos'altro? Quando un metallo viene estratto, raffinato, utilizzato e poi scartato come rifiuto, la sua capacità di essere riutilizzato diminuisce. Questa perdita di potenziale è chiamata dissipazione. Per prendere decisioni migliori in termini di sostenibilità, i ricercatori hanno bisogno di un modo per misurare accuratamente questa perdita, tracciando quanto valore scompare mentre i materiali si muovono attraverso la nostra economia.
Un team di ricercatori guidato da Louis Freboeuf e colleghi si è posto l'obiettivo di trovare il modo migliore per misurare questa perdita. Hanno esaminato i metodi esistenti utilizzati nell'ingegneria industriale e nella progettazione di processi per vedere quali potessero essere adattati a uno strumento chiamato Life Cycle Assessment (Valutazione del Ciclo di Vita). Questo strumento è ampiamente utilizzato per calcolare l'impatto ambientale dei prodotti, ma i ricercatori hanno scoperto che le versioni attuali spesso faticano a tenere conto del vero valore delle risorse una volta che vengono mescolate, diluite o trasformate in rifiuti. Il team ha esaminato tre approcci principali: uno basato sull'energia chimica, uno basato sulla difficoltà di concentrare i materiali e uno basato sul disordine statistico delle miscele. Il loro obiettivo era determinare quale metodo offrisse il modo più affidabile e fisicamente fondato per tracciare il valore delle risorse mentre vengono utilizzate e perse.
I ricercatori hanno scoperto che il metodo più robusto si basa su un concetto chiamato esergia chimica. Pensate a questo come alla massima quantità di lavoro utile che una risorsa potrebbe teoricamente compiere se venisse riportata al suo stato naturale. Questa misura cattura due cose critiche: quanto un materiale sia raro nella crosta terrestre e quanto i suoi atomi siano strettamente legati tra loro in minerali complessi. Lo studio ha scoperto che questo approccio è superiore perché tiene conto del "legame" chimico tra diversi elementi. Ad esempio, riconosce che separare l'oro da un minerale specifico richiede più sforzo rispetto al separarlo da una miscela semplice, proprio a causa dei legami chimici coinvolti. Questo metodo fornisce un valore costante e basato sulla fisica per le risorse, che non dipende dalle fluttuazioni dei prezzi di mercato o da stime temporali arbitrarie.
Tuttavia, il team ha anche identificato ostacoli significativi nell'uso di questo potente metodo. Calcolare l'esergia chimica richiede dati dettagliati sulla composizione chimica esatta di ogni materiale in un prodotto, inclusi i minerali specifici e l'energia necessaria per rompere i loro legami. Attualmente, la maggior parte dei database utilizzati per le valutazioni ambientali non contiene questo livello di dettaglio. Spesso elencano un materiale come "acciaio" o "minerale di rame" senza specificare la composione chimica precisa o le proprietà termodinamiche necessarie per il calcolo. I ricercatori hanno dimostrato che, senza questi dati, i risultati possono variare enormemente a seconda delle assunzioni fatte sull'ambiente naturale o sui minerali di riferimento utilizzati. In alcuni casi, cambiare il punto di riferimento per un calcolo potrebbe alterare il valore stimato di una risorsa di centinaia di kilojoule per mole, rendendo i risultati difficili da confrontare o da ritenere attendibili.
Lo studio ha anche esaminato un metodo più semplice chiamato entropia statistica, che misura quanto un materiale sia mescolato. Questo approccio è più facile da usare perché richiede solo la conoscenza della massa di diversi elementi in una miscela, non dei loro complessi legami chimici. È utile quando mancano dati dettagliati, ma i ricercatori lo hanno trovato meno affidabile. Tratta tutti gli elementi come se avessero lo stesso valore, il che significa che non può distinguere tra un metallo raro e critico e uno comune se sono presenti nelle stesse quantità. Inoltre, ignora la difficoltà chimica di separarli. Sebbene questo metodo offra un modo per gestire i dati incompleti, sacrifica l'accuratezza fisica necessaria per comprendere veramente la perdita del valore delle risorse.
Per far sì che queste misurazioni funzionino nelle valutazioni del mondo reale, i ricercatori hanno proposto un nuovo modo di stabilire i confini dello studio. Hanno suggerito che qualsiasi materiale che entra in un sistema senza una catena di approvvigionamento precedente debba essere conteggiato come una risorsa con un valore intrinseco, e che il valore dei sottoprodotti debba essere condiviso in base al loro potenziale fisico piuttosto che al loro prezzo di mercato. Ciò garantirebbe che l'onere ambientale sia distribuito equamente tra tutti gli output di un processo. Eppure, implementare ciò richiede un cambiamento radicale nel modo in cui i dati vengono raccolti. Gli attuali database dovrebbero essere aggiornati per includere le composizioni chimiche specifiche e le proprietà termodinamiche di ogni flusso, dal minerale grezzo al prodotto finale e ai suoi rifiuti.
Gli autori concludono che, sebbene gli strumenti per misurare la dissipazione delle risorse esistano, non sono ancora pronti per un uso diffuso nei rapporti ambientali standard. Il metodo più accurato, basato sull'esergia chimica, è scientificamente solido ma attualmente troppo intensivo in termini di dati per un'applicazione di routine. I metodi statistici più semplici sono più accessibili ma mancano della profondità necessaria per catturare la vera complessità del valore delle risorse. Affinché il settore possa progredire, la comunità scientifica deve lavorare per standardizzare la raccolta di dati chimici dettagliati. Solo allora potremo misurare accuratamente quanta parte del nostro patrimonio naturale venga persa a causa della dissipazione e prendere decisioni veramente informate sulla circolarità dei nostri sistemi industriali.
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