Cartuccia inchiostro rigenerata

Da Lca rifiuti.

In accordo con la mission aziendale "produrre risultati economici nel rispetto dell’ambiente, proponendo un modello di consumo ecosostenibile", la società Sapi srl ha voluto monitorare l’impatto ambientale del proprio processo produttivo al fine di ottenere una misura oggettiva delle sue performance ambientali.

Lo scopo dello studio è dimostrare la convenienza ambientale della rigenerazione della cartuccia esausta piuttosto che la produzione di una nuova.

a cura di: Anna Maria Ferrari, Paolo Neri

Titolo dello studio: Studio Life Cycle Assessment (LCA) del confronto tra una cartuccia originale HP 4000 e una cartuccia calligraphy rigenerata da Sapi srl

Autori dello studio: Anna Maria Ferrari*, Francesca Falconi**, Paolo Neri**

* Università di Modena e Reggio Emilia, DISMI

** LCA-lab

Oggetto dello studio e metodi

La rigenerazione

Per rigenerazione si intende la ricostruzione di una cartuccia per stampante a partire da una cartuccia esausta che viene disassemblata e sostituita nelle sole parti non più utilizzabili.

Questo tipo di recupero risulta una valida alternativa alla dismissione in discarica o anche al riciclo dei vari materiali che compongono la cartuccia.

Uno dei mezzi fondamentali per ridurre il danno ambientale dei prodotti è proprio il riciclo dei materiali che li compongono. Inoltre gli inceneritori di nuova generazione (i cosiddetti termovalorizzatori) bruciando i rifiuti (principalmente carta e plastica) recuperano una parte dell’energia in essi contenuti. I prodotti in uscita da tali processi di fine vita (prodotto secondario per il riciclo ed energia recuperata per la termovalorizzazione) in un’ottica di ciclo di vita possono essere considerati come prodotti evitati ma solo se valutati in altri sistemi di prodotti successivi: tali sistemi di prodotti, cioè, devono essere composti da materiali secondari o ottenuti con energie recuperate. Da fonti HP[1] il trattamento delle cartucce esauste viene fatto in Francia (con consumo di energia ed emissione di inquinanti dovuti ai trasporti), sembrerebbe allora impossibile che i prodotti secondari ottenuti dal riciclo dei componenti metallici e l’energia recuperata dall’incenerimento dei componenti di plastica vengano usati dalla HP stessa per la produzione delle nuove cartucce i cui componenti vengono costruiti e assemblati in Giappone (con ulteriore aumento del danno ambientale dovuto ancora ai trasporti). Inoltre nel documento di riferimento per i dati di HP[2], non risulta che i materiali dei componenti siano prodotti secondari (nemmeno in parte) e che l’energia usata provenga dal recupero dell’inceneritore dei componenti di plastica.

Inoltre appare di difficile realizzazione che vengano raccolte tutte le cartucce prodotte dall’azienda stessa. Occorrerebbe infatti una organizzazione capillare per la raccolta delle sue cartucce in tutto il mondo.

L’esistenza di imprese come la Sapi srl dimostra infatti che molte cartucce non vengono raccolte e avviate al sistema di riciclo.

Per limitare l’impatto ambientale dell’uso di cartucce per stampanti, quindi, la soluzione della rigenerazione rappresenta una grande opportunità, con il vantaggio di aumentare la vita della maggior parte dei materiali che la compongono. Tale trattamento, inoltre, copre per lo più territori limitati con un notevole risparmio di energia necessaria alla fase di trasporto dall’utente al sito di smaltimento finale.

Il processo di rigenerazione di Sapi srl.

Il processo di rigenerazione della Sapi inizia dalla raccolta delle cartucce esauste: i vuoti vengono ritirati da Vesti Solidale nel territorio della Lombardia, più precisamente le aree di interesse sono quelle di: Milano, Bergamo, Varese, Lecco, Pavia, Vigevano.

I vuoti vengono a loro volta conferiti all’impianto di Vesti Solidale, locato in Cinisello Balsamo (MI), una volta al mese, e da qui al deposito dei vuoti di Sapi srl. Le cartucce vengono prelevate dal deposito dei vuoti e trasportate tramite muletto nel capannone della produzione. La linea di produzione, formata solitamente da tre o quattro persone, provvede a disporle sul tavolo e ad esaminarle per distinguere quelle rotte da quelle recuperabili. Tuttavia da quelle rotte vengono tolti i componenti che possono essere nuovamente riutilizzati in altre cartucce (es. lame o PCR[3]). Successivamente le cartucce vengono smontate in tutte le loro componenti e si procede all’aspirazione delle cartucce sotto cappa così da riempire la cartuccia, pulire i residui e applicare il sigillo. Nel frattempo, l’altra o le altre due persone del gruppo montano i cassetti di scarico avvitando le lame con un cacciavite ad aria, e inserendo i PCR precedentemente puliti. Quando una fila di cassetti di carico viene riempita e sigillata la persona adibita a questa attività si occupa di riassemblare il cassetto di carico con magnete e parte che lo sostiene, tramite delle asticelle di plastica che tengono insieme le due parti. Nel frattempo vengono inseriti i tubi fotosensibili (nuovi) nei cassetti di scarico e avvitati per bloccarli. Una volta terminato di riempire, sigillare e riassemblare i cassetti di carico viene posta sui magneti della polvere di toner che, tramite la rotazione degli stessi, verrà distribuita su tutto il magnete, dopodiché verranno montate le alette sui cassetti. Vengono ruotati i tubi dei cassetti di scarico per verificare che tutto giri in maniera corretta. Una volta ricostruite, le cartucce vengono testate e poi imballate in un sacchetto gonfiabile, che protegge il prodotto,e inserite in scatole con proprio marchio,contenenti anche istruzioni.

Il tempo stimato per la ricostruzione di una cartuccia per stampante laser Calligraphy (Fig.2) è stimato in 15,35 minuti. I componenti che vengono sostituiti sono: tamburi, lama, PCR, magroller e sigillo (cfr. Fig. 1[4]).

fig. 1 - cartuccia HP 4000 da rigenerare
fig. 2 - cartuccia rigenerata Calligraphy

Strumenti e metodo di analisi

Il Life Cycle Assessment è una tecnica di analisi e valutazione dei carichi ambientali ed energetici associati ad un prodotto, sistema di prodotti o processi. Il metodo LCA è in grado di identificare i dati di input e output di un sistema: vengono identificati e quantificati i consumi di risorse (materie prime, acqua e prodotti riciclati), energia (termica ed elettrica), e le emissioni in aria, acqua e suolo e i rifiuti generati. I dati del bilancio ambientale vengono poi elaborati mediante l’ausilio di alcuni indicatori aggregati di carattere internazionale (che consentono di quantificare gli impatti) e di specifici software di calcolo. In questa fase si passa dal dato numerico calcolato nella fase precedente al giudizio di pericolosità. L’analisi degli impatti comporta 4 fasi specifiche:

  • classificazione: i dati di inventario vengono suddivisi in gruppi di temi o categorie di impatti ambientali, riconducibili a tre grandi aree: esaurimento delle risorse, salute umana, conservazione dell’ambiente.
  • caratterizzazione: si quantificano e aggregano gli impatti per individuare il danno relativo alla sostanza emessa o alla risorsa usata.
  • normalizzazione: divide i valori ottenuti nella fase precedente per il danno subito in 1 anno dal cittadino medio europeo (o dalla popolazione mondiale) nella stessa categoria, allo scopo di rendere confrontabili le categorie che hanno diverse unità di misura.
  • valutazione: attribuisce un valore in termini d’importanza a ciascun impatto e che può essere effettuata seguendo diverse prospettive culturali.

Le prime due fasi sono obbligatorie, mentre le altre sono facoltative.

Nel LCA esistono diversi metodi di caratterizzazione e valutazione dell’impatto ambientale (tutti di origine non italiana), lo studio in oggetto ha previsto l’utilizzo di 4 metodi di valutazione, ognuno con proprie categorie di impatto ambientale inerenti i tre grandi comparti: salute umana, qualità dell’ecosistema ed esaurimento delle risorse. Riscontrata la congruenza di risultati fra i 4 metodi si riportano i principali risultati dell’analisi LCA[5] con il metodo Eco-Indicator 99[6]. Lo schema principale del metodo valuta tre tipi di danno ambientale:

  • Human Health (Salute Umana), misurata in DALY (Disability-Adjusted Life Years), che esprime il numero di anni di vita persi e misura il peso di una infermità dovuta ad una invalidità o a una morte prematura attribuibili a specifiche malattie;
  • Ecosistem Quality (Qualità dell’Ecosistema), misurata in PDF*m2y (Potentially Disappeared Fraction), che esprime la frazione percentuale di specie che hanno un’alta probabilità di non sopravvivere nell’area considerata a causa di sfavorevoli condizioni di vita;
  • Resources (Sfruttamento delle Risorse), misurata in MJ surplus, che esprime i Mega Joule in più necessari all’estrazione delle risorse quando la richiesta di queste sarà di 5 volte superiore a quella che è stata nel 1990.

Ciascuna categoria di danno è suddivisa a sua volta in categorie di impatto più specifiche. Al metodo originale sono state apportate alcune modifiche per definire meglio alcune categorie di impatto[7].

Per l’elaborazione dei dati è stato utilizzato il codice di calcolo SimaPro (versione 7.1)[8].

Studio Life Cycle Assessment (LCA) del confronto tra una cartuccia originale HP 4000 e una cartuccia calligraphy rigenerata da Sapi srl

L'obiettivo e il campo di applicazione

Obiettivo principale dello studio riportato in questo documento di sintesi è confrontare gli impatti ambientali di una cartuccia per stampante laser rigenerata da Sapi srl con una cartuccia originale.

I modelli scelti per il confronto sono il modello HP4000 (27x) per la cartuccia originale e il corrispondente modello Calligraphy per la Sapi.

È importante che il prodotto rigenerato abbia la stessa funzionalità del prodotto nuovo. Per questo motivo l’unità di confronto per le due cartucce è la stampa di un foglio. Si tenga presente che le due cartucce hanno una diversa prestazione di stampa (in termini di numero di fogli stampabili).

La misura del numero di fogli stampabili con una cartuccia HP4000 e con una cartuccia Calligraphy è stata misurata mediante un test di prestazione di stampa (SCC Test Targets) secondo la metodologia di test STMC:

  • HP4000: 13942 stampe con una copertura media del 5%; densità media 1,33.
  • Sapi CALLIGRAPHY: 16842 stampe con una copertura media del 5%; densità media 1,37.

E’ la media dei 4 test(2 per modello)I sistemi studiati comprendono tutti i flussi di materiali, di energie e di trasporti relativi alla produzione delle cartucce originali, alla rigenerazione della cartuccia, alla dismissione delle cartucce originali e di quella rigenerata. Non sono considerati i macchinari e gli stabilimenti per la produzione e per il trattamento di fine vita. Nei processi di trattamento dei rifiuti i secondari (materiali ed energie) non vengono considerati come prodotti evitati.

Inventario

Il confronto comprende il ciclo di vita di:

  • sistema HP: due cartucce originali (entrambe con unità funzionale pari a 13942 stampe);
  • sistema Sapi: una cartuccia originale (unità funzionale pari a 13942 stampe) più la stessa rigenerata da Sapi (unità funzionale 16842 stampe).

Per i due cicli di vita vengono costruiti i relativi inventari (LCI -Life Cycle Inventory-), ma nell’elaborazione LCA le parti di inventario uguali per i due sistemi non vengono prese in considerazione. Per la descrizione dei due LCI (illustrati in Fig. 3 e 4) si fanno le seguenti assunzioni:

  • le fasi di produzione, trasporto al consumatore uso della prima cartuccia sono uguali nei due sistemi di ciclo di vita e quindi non vengono considerati;
  • per la rigenerazione della cartuccia Calligraphy è necessario considerare anche il 5% della produzione dei materiali che costituiscono una cartuccia esausta, ma non recuperabile, necessaria per recuperare lame e PCR, di questo 5% è necessario considerare anche la produzione dell’imballaggio;
  • nel sistema HP il fine vita della prima cartuccia HP consiste interamente nel riciclo dei materiali metallici e nell’incenerimento dei materiali plastici. I processi di riciclo e incenerimento sono stati considerati secondo un’ottica di co-prodotto[9] e non di prodotto evitato;
  • nel sistema Sapi il fine vita della prima cartuccia comprende: la rigenerazione della stessa, il fine vita dei materiali sostituiti (riciclo dei materiali metallici e incenerimento dei materiali plastici), l’incenerimento della cartuccia esausta da cui si recuperano lame e PCR per una percentuale del 5%, il riciclo dell’imballaggio di questa stessa cartuccia esausta e il riciclo degli imballaggi dei componenti sostituiti ai fini della rigenerazione. Anche in questo caso riciclo e incenerimento sono stati definiti in termini di co-prodotto;
  • alla fase di produzione della seconda cartuccia originale per il sistema HP corrisponde la fase di rigenerazione di una cartuccia originale per il sistema Sapi;
  • nel sistema HP la fase di produzione della seconda cartuccia comprende: la produzione dei materiali, i trasporti dei materiali dal Giappone (luogo di provenienza) all’Inghilterra (sede dello stabilimento di produzione della cartuccia) e l’energia di assemblaggio delle componenti;
  • nel sistema Sapi la fase di rigenerazione di della cartuccia Calligraphy comprende: la fase di trasporto per la raccolta delle cartucce da rigenerare (tenendo conto anche del 5% in più della cartucce esauste necessarie a lame e PCR), la produzione dei nuovi materiali sostituiti, il trasporto di questi nuovi materiali alla Sapi, l’energia per il disassemblaggio, la pulizia e la ricostruzione della cartuccia rigenerata;
  • l’imballaggio della seconda cartuccia viene considerato per entrambi i sistemi perchè è diverso;
  • la fase di fine vita della seconda cartuccia si assume uguale sia per il sistema HP e sia per il sistema Sapi, escluso il trattamento di smaltimento finale dell’imballaggio della cartuccia stessa perché diverso per i due sistemi.

Di seguito si riportano i flow-chart del sistema HP (Fig. 4) e del sistema Sapi (Fig. 5): le parti evidenziate in giallo sono quelle comuni ai due sistemi e quindi non considerate nell’analisi LCA, questa ipotesi viene affrontata nell’analisi di sensibilità del LCA.


fig. 3 - flow-chart del processo relativo al sistema HP

In Fig. 4 la linea tratteggiata indica la possibilità che i materiali secondari e le energie recuperate dall’incenerimento vengano usati per la produzione della seconda cartuccia.


fig. 4 - flow-chart del processo relativo al sistema Sapi

Analisi dei risultati LCA

Dall’analisi dei risultati di LCA consegue che l’uso di una cartuccia Calligraphy rigenerata da Sapi rispetto ad una cartuccia nuova, genera una rilevante diminuzione del danno per ciascuna delle categorie di impatto ambientale (Fig. 6).

fig. 5 – caratterizzazione del confronto di impatto ambientale tra sistema HP e sistema Sapi


L’entità di questi impatti per ciascun sistema e la loro differenza di è riportato in Tab. 1.


Impact category
Unit
Sistema HP
Sistema Sapi
∆ di Impatto[10]
Carcinogens DALY
8,79E-11
2,76E-11
- 68,60%
Respiratory organics DALY
7,26E-13
1,15E-13
- 84,16%
Respiratory inorganics DALY
7,45E-10
1,06E-10
- 85,77%
Climate change DALY
27,5E-11
3,21E-11
- 88,33%
Radiation DALY
13,9E-13
5,56E-13
- 60%
Ozone layer DALY
7,89E-14
1,63E-14
- 79,34%
Ecotoxicity PAF*m2yr
14,4E-5
3,9E-5
- 72,92%
Acidification/ Eutrophication PDF*m2yr
30,8E-6
5,17E-6
- 83,21%
Land use PDF*m2yr
14,9E-6
7,66E-6
- 48,59%
Minerals MJ surplus
5,13E-5
2,75E-5
- 46,39%
Fossil fuels MJ surplus
0,00108
0,000151
- 86,02%
Energia non rinnovabile MJ
0,0159
0,00224
- 85,91%
Energia rinnovabile MJ
0,000711
0,000389
- 45,29%
tab. 1 – Valori della caratterizzazione del confronto di impatto ambientale tra sistema HP e sistema Sapi.


Le percentuali di riduzione sono considerevoli per tutti gli indicatori di impatto ambientale, fra questi i risultati più significativi riguardano il riscaldamento globale (Climate Change) e l’energia non rinnovabile:

  • energia non rinnovabile: il consumo energetico di Sapi è molto ridotto rispetto a quello dell’HP sia in termini di quantità (riduzione dell’85,91%) e sia in termini di qualità, il mix energetico utilizzato dal sistema HP è infatti di tipo asiatico (dato che la produzione della cartuccia avviene in Giappone). Il mix energetico asiatico, rispetto al mix energetico italiano (utilizzato dal sistema Sapi) prevede una notevole quantità di carbone (LCI: Coal, 29,3 MJ per kg).
  • climate change: l’utilizzo di una cartuccia rigenerata Sapi consente la riduzione dell’88,33% di gas serra, in particolare CO2. Le cause di tale diminuzione sono principalmente una riduzione dei consumi energetici nelle fasi di produzione e assemblaggio delle componenti, una riduzione dei trasporti e un uso contenuto del polistirene (PS).

La valutazione del danno ambientale mediante la metodologia Eco-indicator99 consente di rendere confrontabili le tre categorie di danno (nei tre comparti: salute umana, qualità dell’ecosistema ed esaurimento delle risorse), tramite l’operazione matematica di normalizzazione. In questo modo si ottiene un indicatore di impatto ambientale unico e aggregato (il punto di danno “Pt”) che permette di valutare quale comparto subisce il danno maggiore. I punteggi di danno derivanti dai processi produttivi confrontati sono:

  • per il sistema HP: 9,12E-5 Pt
  • per il sistema Sapi: 7,66E-5 Pt

con una riduzione totale dell’impatto ambientale a favore della Sapi dell’83,99% (fig. 7).

fig. 6 - valutazione del confronto (in Pt di danno ambientale) tra sistema HP e sistema Sapi


Il vantaggio ambientale del sistema Sapi è dovuto soprattutto a:

  • riduzione di anidride carbonica e ossidi di zolfo (riduzione dei consumi di energia elettrica) e riduzione di ossidi di azoto (riduzione dei trasporti su gomma e transoceanici) per gli impatti sulla salute umana;
  • riduzione degli ossidi di azoto (riduzione dei trasporti su gomma e transoceanici) e riduzione dei biossidi di azoto (riduzione dei consumi di energia elettrica) per gli impatti sulla qualità degli ecosistemi;
  • riduzione dell’impiego di carbone e petrolio (riduzione dei consumi di energia elettrica) e di metano (riduzione dell’uso di polistirene) per gli impatti che colpiscono l’esaurimento delle risorse.

In fig. 7 si riporta il confronto diretto tra i due sistemi relativamente alle tre categorie di danno.

fig. 7 - confronto, per categorie di danno fra il sistema HP e il sistema Sapi

Come si nota in fig. 7 le criticità ambientali per le quali la riduzione dell’entità del danno è più significativa sono quelle legate alla salute umana e all’esaurimento delle risorse.

Per lo studio di LCA è stata condotta anche un’analisi di sensibilità, per verificare l’attendibilità delle assunzioni fatte. La verifica ha riguardato:

  • il processo di banca dati che rappresenta l’energia elettrica usata per la produzione dei componenti e il loro assemblaggio per il sistema HP(LCI: Energy Asia);
  • alcune modifiche apportate ai metodi di valutazione: l’analisi LCA è stata controllata con i metodo originali non modificati ottenendo i medesimi risultati;
  • il fine vita della prima cartuccia HP: si è supposto che i materiali avviati al riciclo e al recupero energetico fossero utilizzati come materie prime o energia per il processo di produzione della seconda cartuccia, chiudendo in questo modo il ciclo in un’ottica di prodotto evitato. Anche in questo caso il confronto ambientale rimane a favore di Sapi.

Conclusioni

In conclusione, dall’analisi di LCA effettuata si trova conferma dell’intuizione che la rigenerazione e il riuso sono la risposta ambientale ad un modello di sviluppo basato sul ciclo consumo-smaltimento. Il sistema Sapi è infatti rivolto ad un ciclo consumo-recupero tale da ridurre la mole di rifiuti e creare i presupposti per un sistema di produzione rispettoso dell’ambiente. La Sapi, basando la sua mission aziendale sulla logica di due presupposti fondamentali: la riduzione dei consumi e l’incremento della manutenzione e del riuso dei prodotti, è riuscita anche nella sfida di creare occupazione sul territorio.

Ultima considerazione, ma non meno importante, la cartuccia rigenerata consente l’uso di una stessa stampante aumentandone così il suo tempo di vita. Spesso, infatti, accade che nuovi modelli di cartucce presuppongano anche l’utilizzo di nuovi modelli di stampanti, questo comporta l’incremento dei costi ambientali dovuti alla dismissione a fine vita.



Bibliografia

  1. http://www.hp.com/recycle
  2. Jonas Berglind, Henric Eriksson. Life Cycle Assessment of Toner Cartridge HP C4127X Environmental impact from a toner cartridge according to different recycling alternatives. Department of technology, University of Kalmar, January 2002
  3. PCR : Primary Charge Roller
  4. http://www.scc-inc.com
  5. A. Ferrari, P. Neri, F. Falconi, G. Olivieri. Studio Life Cycle Assessment (LCA) del confronto tra una cartuccia originale HP 4000 e una cartuccia Calligraphy rigenerata da Sapi srl., Università di Modena e Reggio Emilia e LCA-lab SRL. Bologna, Marzo 2008
  6. Pré, The Eco-Indicator 99 A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment, Methodology Report 2001, Netherland
  7. Category: Minerals, Acidiphication/Autrophication, Carcinogens e Ecotoxicity.
  8. Pré, SimaPro 7.0 – Reference Manual, Netherland , 2007
  9. Coprodotto: uno qualsiasi di due o più prodotti che escono dalla medesima unità di processo [ISO 14041].
  10. differenza percentuale del sistema Sapi rispetto al sistema HP