Eco-balance of 3D-shaped renewable biopolymer foam for a novel generation of transportation packaging: a “Cradle to grave” approach using life cycle assessment (LCA) methodology

Abstract

REBIOFOAM European co financed project (see www.rebiofoam.eu) aimed to develop a prototype expanded pck (port-hole spacer) based on renewable raw materials like starch and compostable. The innovative pck system has been assessed on one side, by focusing attention on potential changes in disposal scenarios since being compostable it is suitable to be disposed of along with bio-waste fraction and, on the other side, by estimating its environmental profile applying Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The analysis outcomes have shown that the prototype may increase diversion from landfill and simultaneously increases material recycling compared to its benchmark represented by the same pck system but made of expanded polystyrene (EPS). Landfill would pass from about 52% (current scenario with EPS pck system) to 37% (alternative scenario with a compostable pck. system), whereas recycling would pass from 0,5% (EPS) to 40% (compostable prototype), without modifying the waste collection schemes currently running. LCA results have shown that the prototype is characterized by a lower non renewable energy resources consumption (-50%) along with a significant reduction in greenhouse gas emissions (-60%) compared to the benchmark. This was mainly due to the use of a renewable feedstock represented by starch, however, the way the renewable feedstocks are obtained is a valuable aspect (e.g. no virgin lands have to be used, low input agriculture, etc.). Also photochemical ozone production potential resulted significantly lower (-90%) but, in that case, it was due to the absence of the expanding agent (i.e. pentane) used instead in EPS expansion process. The robustness of LCA results was verified by performing a Monte Carlo simulation whose outcomes confirmed the reliability of LCA results. In reference to the other impact categories like eutrophication, acidification and ozone depleting the prototype scored respectively +40%, +6% and -8% compared to benchmark (i.e. EPS), nevertheless, the Monte Carlo simulation suggested for all three impact categories that such differences were not very significant (for eutrophication) or not significant at all (for acidification and ozone depleting). Also sensitivity analysis like the use of different types of starch, the adoption of different types of allocation, different disposal scenarios etc. have been performed. The corresponding LCA results for the prototype showed an increase of potential impacts, nevertheless, the overall environmental profile of the prototype scores still better compared to the benchmark. Many rooms of improvement exist for the prototype such as the reduction of the material density or the use of renewable electricity for carrying out the expansion process. These would allow to further improve the environmental performance of the prototype, especially for those impact categories (i.e. eutrophication and to a less extent acidification) for which bio-based products (e.g. prototype) are generally less competitive. The use of renewable raw materials coming from agricultural sector and used for producing bio-based products should not cause competition with food sector even hypothesizing an increase of the market of bio-plastics. LCA methodology is a useful analysis tool but it is characterized by several hotspots like consistency of models, the availability of inventory data, the presence of subjective choices, the compression of time and space regarding impact categories etc. All these aspects need to be handle with care if one want to get useful and reliable analysis outcomes. This, anyhow, may require many efforts and time especially for “classical” LCA which results a not quick-response tool for Eco-design purposes.

Il progetto cofinanziato dalla Comunità Europea REBIOFOAM (www.rebiofoam.eu) ha visto lo sviluppo di un prototipo di imballaggio espanso (ferma oblò per lavatrice) compostabile e basato su materie prime rinnovabili come l’amido. Il prototipo è stato analizzato da un lato, focalizzando l’attenzione sui potenziali cambiamenti nella gestione del fine vita poiché, essendo l’imballaggio compostabile, è idoneo a essere smaltito insieme alla frazione organica domestica e, dall’altro lato, misurando il suo profilo ambientale tramite la metodologia di Life Cycle Assessment (LCA). I risultati dell’analisi hanno mostrato che il prototipo può incrementare la diversione dalla discarica e contestualmente incrementare il recupero di materiale rispetto al benchmark rappresentato dal medesimo imballaggio fatto in polistirene espanso (EPS). La discarica passerebbe dal 52% (scenario attuale con imballaggio in EPS) al 37% (scenario alternativo con l’imballaggio compostabile) mentre il riciclo dallo 0,5% (EPS) al 40% (prototipo), senza modificare gli attuali sistemi di raccolta. I risultati di LCA hanno evidenziato che il prototipo ha un minor consumo (-50%) di risorse energetiche non rinnovabili (es. petrolio, gas naturale) insieme a una rilevante riduzione delle emissioni di gas serra (-60%) rispetto al benchmark. Ciò è dovuto sostanzialmente all’utilizzo di materie prime rinnovabili come l’amido, tuttavia, il modo in cui tali materie prime sono prodotte è un aspetto importante (es. no utilizzo di terre vergini, agricoltura con bassi input ecc.) ai fini della performance ambientale. Anche il potenziale di formazione di smog fotochimico del prototipo, è significativamente inferiore (-90%) ma, in questo caso, è dovuto al non utilizzo dell’agente espandente (pentano) che, invece, è utilizzato nell’espansione del polistirene. La robustezza dei risultati di LCA, è stata verificata attraverso l’analisi di Monte Carlo che ha confermato l’affidabilità degli stessi. Con riferimento alle altre categorie d’impatto come eutrofizzazione, acidificazione e assottigliamento dello strato d’ozono, il prototipo si colloca rispettivamente a +40%, +6% e -8% rispetto al benchmark, tuttavia, la simulazione di Monte Carlo suggerisce che tali differenze sono poco (per eutrofizzazione) o per nulla (per acidificazione e assottigliamento dello strato d’ozono) significative. Oltre a questo sono state condotte anche una serie di analisi di sensibilità come per esempio l’utilizzo di differenti tipologie di amido e l’impiego di differenti tipi di allocazione, differenti scenari di fine vita ecc. I corrispondenti risultati di LCA ottenuti per il prototipo hanno evidenziato un incremento dei potenziali impatti ambientali, tuttavia, il profilo complessivo dello stesso rimane comunque migliorativo rispetto al benchmark. Diversi sono gli ambiti di miglioramento del prototipo come la riduzione della densità del materiale o l’utilizzo di energia elettrica da fonte rinnovabile per condurre il processo di espansione. Questi permetterebbero di migliorare ulteriormente la performance ambientale del prototipo, specialmente per quelle categorie d’impatto come eutrofizzazione e acidificazione per le quali i materiali bio-based sono, generalmente, meno competitivi rispetto alle plastiche tradizionali. L’utilizzo di materie prime rinnovabili provenienti dal settore agricolo e utilizzate per produrre bioplastiche non dovrebbe causare delle competizioni con il comparto alimentare anche immaginando un incremento del mercato delle bioplastiche. La metodologia di LCA è un utile strumento di analisi ma è caratterizzata da una serie di criticità come la consistenza dei modelli, la disponibilità di dati d’inventario, la presenza di scelte soggettive, la compressione del tempo dello spazio relativamente agli impatti ambientali ecc. Tutti questi aspetti necessitano di essere opportunamente gestiti se si vogliono ottenere dei risultati utili e affidabili. Questo, tuttavia, può richiedere molti sforzi e tempo, specialmente per l’LCA “classica” che risulta, pertanto, uno strumento di non immediata risposta per l’Eco-design di un prodotto.