GrIN-BOX: cos'è e come funziona?
Negli ultimi anni il problema dell’inquinamento indoor è sempre più percepito come prioritario dall’opinione pubblica, di conseguenza il mercato dei sistemi domestici a basso costo per l’abbattimento dell’inquinamento sta subendo un notevole espansione. Tuttavia, questi prodotti non sono dotati di un opportuno sistema di monitoraggio.
Un robot scientifico dove sopra è montato lo strumento GrIN-BOX per il monitoraggio. L’esperimento mostra il tracking della sorgente (acetone).
Abbinare monitoraggio ed abbattimento comporta due vantaggi immediati:
Un significativo risparmio energetico ed un’ottimizzazione dei consumi
La possibilità per l’utente di conoscere, anche a distanza, lo stato di inquinamento del proprio ambiente domestico e l’efficienza dell’abbattimento
Per migliorare ulteriormente l’efficienza della qualità dell’aria, ridurre i consumi energetici, è possibile integrare il sistema con la domotica eventualmente presente. Infine, il progetto prevede lo sviluppo di una metodologia di CERTIFICAZIONE degli ambienti interessati.
GrIN-BOX è una “scatola” di piccole dimensioni (un cubo di dimensioni 30x30x30 cm circa) movibile all’interno degli ambienti, a basso impatto in termini di rumore, consumi energetici, estetica. I parametri considerati sono, in prima battuta: Formaldeide, Monossido di carbonio, Anidride carbonica, Benzene, VOC (Composti Organici Volatili), Ossidi di azoto, Ammoniaca, Ozono, Nicotina, Particolato Atmosferico, Temperatura, Umidità relativa, Velocità dell’aria, Rumore, Illuminazione, Altri parametri da definire in corso di avanzamento del progetto in base alla fattibilità. In un secondo momento si è proceduto con l’individuazione e definizione di specifici indici.
I parametri vengono monitorati tramite sensori elettrochimici e/o ottici (sensori amperometrici, potenziometrici, assorbimento, fluorescenza, chemiluminescenza, fotoionizzazione). Le polveri vengono monitorate tramite diffusione luminosa (light scattering). La scelta della tipologia e della geometria di ciascun sensore è basata sul criterio dell’ottimizzazione contemporanea dei costi, della compattezza, della robustezza e dell’accuratezza analitica. I sensori saranno validati con metodi analitici di maggior accuratezza (GC-MS, HPLC-FD ecc) in collaborazione con l’IIA CNR.
È stato preso in considerazione l’intero ciclo di vita del prodotto: dalla produzione delle materie prime fino allo smaltimento del prodotto non più utilizzato, come fonte di materie prime secondarie. A tale scopo, i materiali utilizzati per i sensori saranno scelti, nei limiti consentiti dalle attuali tecnologie, considerando il loro successivo riutilizzo o riciclo o recupero. Per fare un esempio specifico, nei sensori ottici sarà minimizzata o evitata la presenza di mercurio nelle sorgenti.
Vantaggi attesi
Migliorando la qualità dell’aria, grazie a GrIN-BOX si avrà un conseguente:
1. miglioramento della qualità della vita,
2. incremento della produttività (sui luoghi di lavoro),
3. migliore conservazione delle opere d’arte (nei musei),
4. aumento della sicurezza (nei luoghi pubblici e nei luoghi di lavoro),
5. risparmio per la società da un punto di vista sanitario.
L’impatto ambientale del sistema di misura GRINBOX. Analisi sull’intero ciclo di vita (LCA)
Executive Summary
Questa attività è stata incentrata sulla valutazione degli impatti ambientali secondo una metodica di Life Cycle Assessment (LCA), così da poter valutare anche gli impatti a monte e a valle della costruzione e utilizzo del prodotto.
Sono state prese in considerazione le categorie di impatto ambientale più rilevanti per questo tipo di prodotto, in particolare:
Human toxicity (tiene conto della persistenza ambientale, dell'accumulo nella catena alimentare umana e della tossicità di una sostanza chimica e usa l’1,4-diclorobenzene come sostanza di riferimento);
Fossil depletion (considera l’impoverimento dei giacimenti di risorse fossili e la crescente necessità di utilizzare fonti non convenzionali di combustibili fossili);
Climate change (utilizza i kg di CO2 equivalenti come indicatore e considera gli effetti delle diverse specie chimiche sul riscaldamento globale);
Metal depletion (per esprimere il consumo di risorse minerarie metallifere);
Freshwater Ecotoxicity (stima il potenziale danno causato dalle sostanze in base alla loro tossicità, persistenza e potenziale di bioaccumulo negli ecosistemi di acqua dolce. Considera la concentrazione e la durata dell'esposizione della sostanza nell'acqua).
Tra i fattori che sono emersi come principali si evidenziano i consumi energetici per il funzionamento dell’unità logica (in questo specifico caso, un Raspberry Pi 4) e gli impatti legati alla produzione e smaltimento dei sensori elettrochimici, che sono caratterizzati da una durata molto più breve rispetto a tutte le altre componenti e quindi necessitano di due sostituzioni all’interno dei 5 anni.
Valutando specificatamente il parametro della tossicità per gli esseri umani, si evidenzia come proprio i sensori elettrochimici abbiano l’impatto maggiore in quanto gli unici componenti ad incorporare elementi potenzialmente dannosi nella fase di produzione o di smaltimento.
L’analisi potenzialmente sovrastima gli impatti legati al consumo e suggerisce che in futuro gli impatti possano essere ridotti sostituendo l’unità logica con una con consumi inferiori o, scegliendo sensori elettrochimici, con una maggiore durata.
Metodologia
Il presente studio è basato su un’analisi di tipo Life Cycle Assessment (LCA).
Questo tipo di analisi valuta i potenziali impatti ambientali lungo l’intero ciclo di vita di un prodotto (produzione, distribuzione, utilizzo e fine vita) o servizio.
Ciò include anche i processi a monte (es. fornitori) e a valle (es. gestione dei rifiuti) associati a tutte le fasi considerate. Inoltre, copre tutti gli input rilevanti provenienti dall’ambiente (ad es. minerali e petrolio greggio, acqua) nonché le emissioni nell’aria, nell’acqua e nel suolo (ad es. anidride carbonica e ossidi di azoto).
Per la scelta delle metodiche dell’analisi stessa sono state prese in considerazione pubblicazioni Scientifiche/tecniche incentrati su problemi analoghi. Per lo svolgimento delle analisi è stato impiegato il software OpenLCA integrato con il database ecoinvent 3.7.1, mentre la valutazione degli impatti è stata eseguita secondo indicatori ReCiPe (Goedkoop et al., 2009; Huijbregts et al., 2016).
Sono stati scelti cinque specifici indicatori di impatto ambientale, selezionati per la loro informatività e specificità.
Human toxicity: Il fattore di caratterizzazione della tossicità umana tiene conto della persistenza ambientale, dell’accumulo nella catena alimentare umana e della tossicità di una sostanza chimica. La sostanza chimica 1,4-diclorobenzene è stata utilizzata come sostanza di riferimento nei calcoli midpoint.
Fossil depletion: Questo fattore, espresso in kg di petrolio equivalenti, considera l’impoverimento dei giacimenti di risorse fossili e la crescente necessità di utilizzare fonti non convenzionali di combustibili fossili.
Climate change: Questo fattore, molto comunemente impiegato, utilizza i kg di CO2 equivalenti come indicatore e considera gli effetti delle diverse specie chimiche sul riscaldamento globale.
Metal depletion: per l’analisi si è usato questo indice, espresso in kg di Ferro equivalenti, per esprimere il consumo di risorse minerarie metallifere. Questo parametro si concentra sull’impoverimento dei giacimenti.
Freshwater ecotoxicity: si concentra sui potenziali effetti nocivi di una sostanza sugli ecosistemi d’acqua dolce. Valuta la tossicità di sostanze chimiche o sostanze rilasciate nei sistemi di acqua dolce (fiumi, laghi e corsi d’acqua). La categoria di impatto misura il potenziale dannoso per gli organismi acquatici, inclusi pesci, invertebrati e alghe. Il parametro considera la concentrazione e la durata dell’esposizione della sostanza nell’acqua, nonché la sensibilità delle diverse specie acquatiche agli effetti tossici della sostanza.
Obiettivi e portata dello studio
Sono stati presi in considerazione tutti i componenti legati alla sensoristica, al funzionamento dei sensori, e all’acquisizione e allo stoccaggio delle misure.
La durata dell’intero sistema è stata valutata pari a 5 anni di uso intensivo, pari al 90% del tempo utile (7880 ore in un anno).
Su questo tempo è stata quindi tarata la porzione di impatto derivante da ogni componente:
per le componenti con una durata stimata maggiore, solo una parte degli impatti totali di produzione e fine vita è stata caricata al sistema GRINBOX (ad esempio, per una componente con vita stimata pari a 10 anni solo metà degli oneri ambientali è stata aggiunta alla somma finale per l’intero sistema);
per le componenti con una durata stimata inferiore a 5 anni è stato considerato l’impatto anche delle sostituzioni (ad esempio, per una componente con vita stimata pari a 2 anni sono stati considerati gli impatti di 2 interi componenti e mezzo).
L’unità di purificazione dell’aria è stata analizzata a parte, in quanto significativamente più importante sia per dimensioni che per consumi rispetto a tutti gli altri componenti, e conseguentemente anche da un punto di vista degli impatti.
Non sono considerati l’imballaggio, il montaggio e il trasporto dei componenti; in altre parole, viene trascurato l’impatto ambientale dovuto alla produzione di componenti in diversi siti del mondo.
Analogamente, l’alloggiamento del sistema non è stato preso in considerazione poiché può facilmente variare.
Inventario
In Tabella 1 e Tabella 2 vengono riassunti tutti i componenti presi in considerazione in questa analisi, con alcuni dati utili ai fini dell’analisi stessa.
Per quanto riguarda i sensori, ci si è riferiti alle schede tecniche del singolo prodotto per derivare un inventario; in caso di informazioni mancanti si è ricorsi ad una stima ragionata delle informazioni mancanti.
Un discorso analogo è stato fatto per l’unità di purificazione dell’aria, avvalendosi anche del database ecoinvent 3.7.1 per il filtro HEPA, con vita stimata di 6 mesi.
Per quanto riguarda la pompa a membrana si è ricorsi a quanto già presente nel database ecoinvent 3.7.1.
Tubazioni, camera di misura e raccordi, in quanto componenti molto semplici, sono stati modellati direttamente basandosi su materiale e peso.
Per brevità non vengono presentati gli inventari dettagliati di ogni singolo componente, che comunque non aggiungerebbero informazioni particolarmente utili alla trattazione e alle conclusioni dell’analisi.
A titolo di esempio, sono riportati in Tabella 3 e Tabella 4 gli inventari per uno dei sensori elettrochimici e per il Raspberry Pi 4.
Risultati
I risultati vengono presentati in tre grafici diversi:
un grafico che evidenzia solo gli impatti di produzione e fine vita dei componenti;
uno grafico che prende in considerazione i consumi dei vari componenti sui 5 anni;
un grafico riassuntivo, che somma questi impatti.
I risultati per l’unità di purificazione dell’aria sono presentati in un quarto grafico.
Nel grafico riportato in Figura 1, le diverse componenti del sistema di misura GRINBOX sono valutate rispetto alle categorie di maggiore rilevanza (climate change, fossil depletion, freshwater ecotoxicity, human toxicity e metal depletion).
È possibile notare come, complessivamente, l’impatto maggiore sia riscontrato nel Raspberry Pi per il quale l’impatto è il più elevato in tutte le categorie ad eccezione del metal depletion.
Questi risultati sono dovuti soprattutto al consumo energetico superiore rispetto agli altri componenti, come può essere osservato nel grafico che valuta i consumi dei diversi componenti (Figura 2). Al fine di ridurre i consumi in futuro, è possibile valutare la possibilità di una sua sostituzione con un sistema più semplice e con un consumo inferiore.
Tenendo invece in considerazione il grafico che evidenzia solo gli impatti di produzione e fine vita dei componenti (Figura 3), escludendo quindi la componente dei consumi, risultano fortemente impattanti i sensori elettrochimici.
Questi ultimi, infatti, rispetto ai sensori che utilizzano altre tecnologie, presentano un tempo di vita inferiore e, di conseguenza, una necessità di sostituzione più frequente.
Questo potrebbe essere evitato utilizzando in futuro dei sensori che abbiano un tempo di vita più lungo e quindi ridurre il numero delle sostituzioni.
In questo modo, sarebbe possibile avere degli effetti positivi sull’impatto ambientale complessivo, nonostante una maggiore robustezza possa comportare un aumento degli impatti dovuti a produzione e smaltimento del singolo sensore.
Come evidenziato dalla Figura 4, l’unità di purificazione dell’aria impatta per almeno 5-6 volte di più rispetto alla somma degli altri componenti per le categorie principali, quali climate change e human toxicity, e anche di più in altre categorie.
Questo è una diretta conseguenza dei consumi nettamente superiori rispetto ai restanti componenti, che si attestano tutti al di sotto del wattora, ma anche rispetto al Raspberry Pi che raggiunge i 5 Wh contro i 26 Wh del purificatore d’aria Levoit, ma anche semplicemente della quantità di materiali necessari alla produzione dell’oggetto che poi devono essere smaltiti.
Conclusioni
L’analisi ha permesso di stimare gli impatti ambientali della produzione, smaltimento e utilizzo del sistema GRINBOX. In generale, gli impatti possono considerarsi piuttosto bassi, anche in virtù delle dimensioni estremamente contenute dei componenti, e conseguentemente dei materiali impiegati per la loro produzione.
I consumi energetici derivanti dall’uso del sistema si sono dimostrati uno dei fattori più importanti per quanto riguarda gli effetti sui cambiamenti climatici in virtù del mix energetico preso in considerazione, che contiene ancora una cospicua componente termoelettrica con combustibili fossili.
Un altro fattore importante per tutti i parametri considerati è stata la durata più ridotta dei sensori elettrochimici, pari a 2 anni contro i 5-15 anni degli altri componenti, che quindi ha più che raddoppiato l’impatto del singolo sensore, per simulare la necessità di una sostituzione.
Per sviluppi futuri si può ipotizzare la sostituzione del Raspberry Pi 4 come unità logica con un sistema più semplice e con consumi inferiori, quale ad esempio Arduino.
Similmente, la scelta di sensori elettrochimici più costosi, ma al contempo più robusti, può comportare impatti maggiori per la produzione e smaltimento del singolo oggetto, ma potrebbe evitare la sostituzione deisensori durante l’uso e conseguentemente ridurre gli impatti ambientali complessivi.
Allo stesso modo, per ridurre ulteriormente l’impatto totale, è possibile valutare una sostituzione del sistema di purificazione dell’aria con uno che presenti dei consumi minori.
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