Verso un’industria ceramica sostenibile: un nuovo protocollo per gestire la transizione sostenibile

The production of ceramics stands as one of humanity’s most enduring and successful industries, continuously evolving through research and technological advancements. Efforts to enhance the environmental sustainability of ceramic production include the implementation of co-generation systems, novel formulations of ceramic bodies and glazes, reduction in glaze usage, and the incorporation of waste materials into the ceramic body. Despite these advancements, the ceramic production process remains highly energy-intensive and predominantly reliant on natural gas, resulting in approximately 19 Mt of CO₂ emissions annually. These emissions constitute about 1% of Europe’s industrial emissions under the European Union Emissions Trading System (EU ETS), which mandates a 2030 target of 43.7% CO₂ reduction for Italy. The recent advances in the ceramic tile industry to transition towards Industry 5.0 and adopt a circular economy for environmental sustainability face new technological challenges. This transition involves the reuse, recycling, and reduction of waste throughout the production cycle, as well as the reduction of fossil-source energy consumption. This study employs the Life Cycle Assessment (LCA) methodology, a highly regarded science-based tool, to evaluate the potential environmental impacts associated with various strategies facilitating the ceramic tile industry’s transition towards a circular economy. This study encompasses several strategies and process simulations for a more environmentally friendly production of porcelain stoneware. The first strategy involves assessing various methodological approaches for handling multifunctionality, focusing on recycling processes of ceramic-containing waste materials, in accordance with ISO 14044:2006 guidelines. Different methodological hierarchies were established for both open-loop and closed-loop recycling of fired waste. The second strategy entails simulating the use of biomethane derived from the anaerobic digestion of municipal solid waste as a source of thermal energy for firing, drying, and spray drying phases. For an accurate result on climate change contribution, the global warming potential (GWP) for biogenic CO₂ was calculated based on a methodology that compares one-pulse and decomposition scenarios. The results indicate a 35.7% reduction in climate change impact but significant increases in other impact categories compared to the natural gas scenario. Cumulative energy demand analysis revealed a 15% decrease in fossil-source energy reliance when biomethane was employed. The third strategy involves simulating the implementation of amine wash-based carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technologies. For the regeneration of the amine solvent, heat recovery from the hot flue gases was utilized. A new method for the allocation of liquid CO₂ co-product was proposed, and the results indicate a 33.5% decrease in climate change impacts, with slight increases in other impact categories. Furthermore, the environmental impacts of converting CO₂ feedstock into methanol through catalytic hydrogenation were assessed. The findings indicate that renewable methanol derived from CO₂ feedstock and green hydrogen exhibits significantly higher environmental impacts compared to commercially available methanol, which is currently produced through natural gas reforming. Ultimately, the study identified and addressed pitfalls, gaps, and methodological inconsistencies related to the attributional modelling approach of LCA, particularly focusing on multifunctional processes in ceramic production, biomethane production, and CCUS, as crucial steps towards sustainable development.

La produzione di ceramiche è una delle industrie più durature e di successo dell’umanità, in continua evoluzione grazie alla ricerca e ai progressi tecnologici. Gli sforzi per migliorare la sostenibilità ambientale della produzione ceramica includono l’implementazione di sistemi di cogenerazione, nuove formulazioni di impasti e smalti ceramici, la riduzione dell’uso degli smalti e l’utilizzo di materiali di scarto nel corpo ceramico. Nonostante questi progressi, il processo di produzione ceramico rimane altamente energivoro e dipendente dal gas naturale, con circa 19 Mt di emissioni di CO₂ all’anno. I recenti progressi dell’industria delle piastrelle ceramiche verso la transizione all’Industria 5.0 e l’adozione di un’economia circolare per la sostenibilità ambientale affrontano nuove sfide tecnologiche. Questa transizione implica il riutilizzo, il riciclaggio e la riduzione dei rifiuti lungo tutto il ciclo produttivo, nonché la riduzione del consumo di energia da fonti fossili. Questo studio utilizza la metodologia Life Cycle Assessment (LCA), uno strumento scientifico altamente riconosciuto, per valutare i potenziali impatti ambientali associati a strategie volte a facilitare la transizione dell’industria delle piastrelle ceramiche verso un’economia circolare. Lo studio comprende diverse strategie e simulazioni di processo per una produzione più ecologica del gres porcellanato. La prima strategia prevede la valutazione di diversi approcci metodologici per la gestione della multifunzionalità, concentrandosi sui processi di riciclo di materiali di scarto, in conformità con le linee guida ISO 14044:2006. Sono state stabilite diverse gerarchie metodologiche per i processi di riciclo “open loop” e “close loop” degli scarti cotti. La seconda strategia prevede la simulazione dell’uso di biometano derivato dalla digestione anaerobica dei rifiuti solidi urbani come fonte di energia termica per le fasi di cottura, essiccazione e atomizzazione. Per un risultato accurato sul contributo al cambiamento climatico, il global warming potential (GWP) per la CO₂ biogenica è stato calcolato basandosi su una metodologia che confronta scenari di impulso unico e decomposizione. I risultati indicano una riduzione del 35,7% dell’impatto nella categoria “climate change”, ma aumenti significativi in altre categorie di impatto rispetto allo scenario del gas naturale. L’analisi con “cumulative energy demand” ha rivelato una diminuzione del 15% della dipendenza dall’energia da fonti fossili quando è stato utilizzato il biometano. La terza strategia prevede la simulazione dell’implementazione di tecnologie di carbon capture, utilization, and storage (CCUS) basate su un trattamento con ammine. Per la rigenerazione del solvente amminico, è stato utilizzato il recupero di calore dai gas di combustione. È stato infine proposto un nuovo metodo per l’allocazione della CO2 liquida prodotta, e i risultati indicano una riduzione del 33,5% degli impatti nella categoria “climate change”, con lievi aumenti in altre categorie di impatto. Inoltre, sono stati valutati gli impatti ambientali associate alla conversione della CO₂ in metanolo attraverso l’idrogenazione catalitica. I risultati indicano che il metanolo rinnovabile derivato dalla CO₂ e dall’idrogeno verde presenta impatti ambientali significativamente più elevati rispetto al metanolo commercialmente disponibile, prodotto a partire da gas naturale. Lo studio ha identificato e affrontato insidie, lacune e incoerenze metodologiche relative all’approccio attribuzionale dell’LCA, concentrandosi sullo sviluppo dei processi multifunzionali nella produzione ceramica, nella produzione di biometano e CCUS, in quanto aspetti cruciali verso uno sviluppo sostenibile in questi settori industriali.