Lo sviluppo sostenibile: conoscenza e gestione consapevole delle materie prime.

Lo sviluppo sostenibile: conoscenza e gestione consapevole delle materie prime.

Lo sviluppo sostenibile come concetto nella società moderna sta diventando un tema sempre più attuale e pressante. L’industria estrattiva gioca un ruolo cruciale per il welfare e la messa in opera delle varie infrastrutture nella società. D’altra parte è anche soggetta allo scrutinio dell’opinione pubblica per quanto riguarda la sua responsabilità sociale nella efficienza energetica ed emissioni nella atmosfera. In questa breve discussione della serie del Genio Vagante si vuole quindi affrontare il problema della produzione nell’industria estrattiva sotto un ottica sostenibile. L’intento è quello di rianalizzare i concetti cardine della sostenibilità e dimostrare che una produzione più efficiente non è solo positiva in termini di minimizzazione dei costi ma anche per quanto riguarda la efficienza energetica e la minimizzazione delle emissioni nell’atmosfera.

L’importanza strategica delle materie prima è cosa nota fin dai tempi antichi. Già Agricola (De Re Metallica, 1556) discuteva nella sua opera sul ruolo chiave giocato dall’agricoltura e dai metalli, dando agli ultimi ancor piu rilievo in quanto fondamentali per poter praticare l’agricoltura stessa. La storia di svariate civiltà è stata scandita dal progresso tecnologico e dall’uso di determinate materie prime piuttosto che altre. Alcune fasi sono state appunto denominate età del rame, del bronzo o del ferro a seconda dell’uso minerale che determino la storia di alcune civiltà.

La fortuna di poter disporre di una determinate risorsa si è spesso tradotta in successo economico e sociale. La miseria di non poter disporre di una determinate materia prima ha causato problemi ad alcuni e suscitato in altri l’intuizione di trovare un sostituto per quella risorsa. Quel che si è capito è che ciascuna societa deve poter disporre di tutte le risorse necessarie per poter andare avanti. Se queste risorse non si possono produrre sarebbe quindi necessario negoziare con i produtori il rifornimento di quella risorsa in cambio di altri beni.

Sotto una chiave geopolitica si entra quindi nel campo di una sostenibilità in senso lato alla ricerca degli equilibri che garantiscono un soddisfaciente tenore di vita. Eppure talvolta sembra ci sia dimenticati della limitatezza e specificità delle risorse nello spazio e nel tempo. Quelle risorse preziose per chi le acquisisce lo sono ancor più per chi se ne priva definitivamente. Il mondo occidentale che ha sperimentato varie epoche storiche dovrebbe conoscere questi passaggi piuttosto bene eppure sembra che ci sia dimenticati il valore di cio che si ha.

Le risorse vengono consumate ad un ritmo forsennato non giustificato da un tasso demografico rimasto invece costante. Le preoccupazioni sulle emissioni e sull’impatto ambientale di determinate industrie estrattive sono in parte giustificate ma non si riflette sul fatto che tutte hanno un comune denominatore. Si inquina di più perche si consuma di più. La produzione risponde ad una domanda in continua crescita. Si è perso di vista il concetto di efficienza dei consumi preferendo cambiare spesso le proprie orientazioni strategiche. Nel cosi detto primo mondo si parla tanto di sostenibilita eppure si al di la delle parole si è responsabili dei piu insostenibili stili di vita. Una probabile causa di questo potrebbe essere che abbagliati dal progresso tecnologico ci si sia dimenticati da dove arrivano tutte le cose, dal fatto che ogni cosa che ci circonda sia fatta di semplici materie prime.

Questo secondo appuntamento del “Genio Vagante” parte proprio da qua, sviluppando una discussione sul concetto di produzione sostenibile. Nella certezza che ancora una volta lo studio e la conoscienza possano aiutare a trovare la soluzione viene proposto un caso di studio sulla manutenzione dei mezzi in miniera. In questa riflessione si vuole evidenziare come un piccolo contributo tecnologico possa rappresentare un importante traguardo in termini di efficienza energetica e mitigazione delle emissioni.

Sostenibilità

Lo sviluppo sostenibile è un termine normativo come libertà o uguaglianza secondo il filosofo tedesco Immanuel Kant. Nel report delle Nazioni Unite (ONU), “Our Common Future”, comunemente chiamato il “Rapporto Brundtland,” lo sviluppo sostenibile è definito come uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni (Brundtland , 1987, pag. 8). Questa è diventata la definizione più accettata a livello internazionale. La definizione è stata ampliata dal Programma Ambiente delle Nazioni Unite, che ha aggiunto che il concetto richiede anche la manutenzione, l’uso razionale, e la valorizzazione delle di risorse naturali di base che sono alla base della resilienza ecologica e la crescita economica e contribuiscono al progresso azionario internazionale (United Nations Environment Programme , 1989).

 

I passi successivi sono stati la dichiarazione di Rio in occasione della Conferenza delle Nazioni Unite su Ambiente e Sviluppo di Rio de Janeiro nel 1992 e l’Agenda 21, che sottolineano tre obiettivi di sviluppo sostenibile (1) per conservare i bisogni fondamentali della vita, (2) per consentire a tutte le persone di raggiungere la prosperità economica, e (3) di adoperarsi in funzione della giustizia sociale. Per tutti e tre gli obiettivi si dovrebbe considerare di avere la stessa priorità.

 

Linee guida per lo sviluppo sostenibile

Le prime linee guida pratiche per lo sviluppo sostenibile sono fornite dalla amministrazione forestale tedesca. Colui che viene indicato come padre dello sviluppo sostenibile è von Carlowitz (Sylvicultura Oeconomica, 1713), capo dell’amministrazione mineraria del famoso distretto minerario d’argento di Freiburg in Sassonia. In questa posizione, è stato responsabile non solo per le operazioni di estrazione e di trattamento dei minerali nel suo distretto, ma anche per la gestione e tecnica forestale perché il legno serviva per travi nelle miniere sotterranee e grandi quantità di legno furono necessarie per produrre il carbone per fondere i minerali d’argento. Carlowitz si rese conto che il taglio incontrollato della foresta per questi scopi porterebbe al crollo della produzione forestale. Egli fu il primo a precisare il significato di sviluppo sostenibile nello specifico del settore forestale (determinò che la quantità di legno tagliato non deve superare il tasso di crescita).

Anche se la gestione di Carlowitz delle risorse rinnovabili è abbastanza logica, gia all’inizio del 18° secolo, fu tuttavia difficile farla diventare ampiamente accettata. Ancora oggi, è infatti presente una resistenza internazionale rispetto a simili iniziative di sviluppo sostenibile; per esempio, l’utilizzo delle quote di pescato per evitare la pesca eccessiva. La ragione di tale resistenza era ed è sempre che, quando lo sviluppo sostenibile viene introdotto per una risorsa naturale, cambiamenti strutturali devono avvenire nell’economia e nella società. Persone e gruppi di interesse direttamente interessata spesso resistono a questi cambiamenti.

In contrasto rispetto alle fonti rinnovabili, le linee guida per le risorse non rinnovabili sono più difficili da sviluppare. Nel 1993, la Commissione di inchiesta sulla protezione dell’uomo e dell’ambiente, istituito dal Parlamento federale tedesco, ha formulato quattro regole generali per lo sviluppo sostenibile delle risorse naturali (Enquete-Kommission Schutz des Menschen und der Umwelt, 1993); queste regole possono essere applicate in tutto il mondo. Regole 1 e 2 concernono i regolamenti rispetto alle risorse, e le regole 3 e 4 riguardano la capacità di recupero dell’ambiente.

 

Regola 1. L’utilizzo di risorse rinnovabili. Il tasso di consumo di risorse rinnovabili non deve superare la velocità con cui esse possono essere rigenerate. Questa regola è praticamente stata concepita sulla falsariga di quella formulata da von Carlowitz (1713).

Regola 2. L’utilizzo di risorse non-rinnovabili. Il consumo di risorse non rinnovabili non deve superare l’ammontare che può essere sostituito da risorse rinnovabili funzionalmente equivalenti o di inibire, prevenire o raggiungere una maggiore efficienza nell’uso delle risorse rinnovabili e non rinnovabili.

Regola 3. Apporto materiale ed energia. La quantità di materia ed energia in ingresso nell’ambiente non deve superare la capacità dell’ambiente di assorbirla con effetti negativi minimi.

Regola 4. Tasso di interferenza di apporto antropico e ambientale. Il tasso di interferenza di apporto di origine antropica ed ambientale dovrebbe essere misurato in funzione del tempo necessario ai processi naturali per reagire e far fronte al danno ambientale.

Se si esaminano criticamente i vari elementi del concetto di sviluppo sostenibile come sopra descritto, insieme a queste quattro regole per lo sviluppo sostenibile delle risorse naturali, si può denotare una contraddizione apparente. La creazione di ricchezza per raggiungere la prosperità economica, come sopra indicato, è uno dei tre pilastri dello sviluppo sostenibile nella Dichiarazione di Rio del 1992. Tuttavia, non vi è alcuna creazione di ricchezza, senza l’uso diretto o indiretto di risorse non rinnovabili. Nella nostra società altamente industrializzata le risorse minerarie sono necessarie la dove gli standard di vita degli esseri umani si basano sulle infrstrutture costituite appunto delle materie prime prodotte dall’industria mineraria. L’industria estrattiva contribuisce inoltre in maniera significativa all’economia locale e nazionale in termini di royalties, tasse e massiccia offerta lavorativa diretta e indiretta.

Tuttavia essa è anche caratterizzata da una serie di problematiche ambientali relative al deterioramento e inquinamento del suolo, acidificazione delle acque ed emissioni nell’atmosfera. In altre parole l’industria mineraria è un settore che si colloca all’intersezione di aspetti economici, ambientali e sociali rispecchiando tutti i parametri di un necessario sviluppo sostenibile.

Materie prime e loro gestione strategica

La disponibilità futura delle risorse è generalmente calcolata come vita delle risorse fino ad esaurimento. Questa viene calcolata come il totale della risorsa disponibile diviso il consumo annuale della risorsa in questione. Tuttavia il concetto stesso di durata di una risorsa fino ad esaurimento in riferimento alla disponibilita della risorsa stessa, è da considerare inappropriato in quanto la disponibilita di una risorsa varia in funzione di molti parametri.

Anzitutto le riserve sono la somma dei depositi scoperti ed economicamente coltivabili. Bisogna pero considerare che le compagnie minerarie esplorano i depositi che sono economicamente coltivabili nel breve termine ma non oltre un orizzonte temporale di 20 anni. Anche il tipo di deposito rappresenta un altra variabile. Se un deposito è stratiforme, come nel caso dei fosfati o il carbone, allora il suo cubaggio (quantita totale di minerale) puo essere stimato piu facilmente. Questo a differenza di depositi cosidetti lentiformi come per l’uranio. Infatti questa è la ragione per cui la durata delle riserve di carbone risulta largamente superiore rispetto a quelle di uranio. La fluttuzione dei prezzi poi rappresenta un altro considerevole parametro direttamente proporzionale all’aumento delle risorse. Quanto piu aumenta il prezzo di una risorsa tanto aumenta in proporzione la durata della risorsa nel tempo. All’aumentare del prezzo di una materia prima e’ infatti possibile recuperare i minerali anche dai depositi dove essi si trovano in concentrazione minore. Questo spinge le compagnie ad esplorare depositi di minerali in zone dove i tenori della materia prima sono piu bassi.

Benché la durata di una risorsa dia poche informazioni affidabili in termini di disponibilità future, si potrebbe invece dare un utile lettura del problema in termini di necessità di innovazione. Ricerca e innovazione permettono infatti di considerare risorse precedentemente trascurate proprio per una mancanza della tecnologia necessaria. Nuove scoperte in ambito scientifico promuovono infatti il sopraggiungere di nuove risorse chiamate sostituti che sostituiscono appunto le materie prime usate allo stato attuale per una determinate funzione. Gli investimenti in ricerca e sviluppo porterebbero quindi ad un generale aumento della efficienza della produzione e utilizzo delle materie prime. Questi avanzamenti nella ricerca porterebbero inoltre ad un progresso in termini di efficienza rispetto ai più svariati aspetti della produzione come i consumi energetici, le emissioni nell’atmosfera e gli stessi costi generali di gestione delle operazioni

Applicazione pratica: pianificazione della manutenzione di una flotta di camion in miniera volta alla ottimizzazione dei costi della efficienza energetica e la riduzione delle emissioni

Il 50% del costo operativo di una miniera è assorbito dai trasporti e dalle operazioni di carico (Topal and Ramazan, 2010). L’usura o invecchiamento di pale o escavatori e dumper ne amplifica i consumi energetici. La spesa energetica per trasportare il materiale dal punto di carico alla destinazione si traduce in piu di 100$ per kilotonnellata di materiale. Le emissioni crescono proporzianalmente col carburante bruciato dai mezzi. In altre parole consumo energetico ed emissioni aumentano come le macchine invecchiano o si usurano. Vogliamo quindi cercare di capire quale è la relazione che li caratterizza per poi definire il piano di manutenzione tale da garantire un ottimale efficienza dei mezzi.

Una manutenzione ottimale dei mezzi garantirebbe allo stesso tempo una minimizzazione dei costi di manutenzione. Questo lavoro esplora nello specifico gli effetti di dell’affidabilità dei mezzi nei loro consumi e emissioni. I costi di manutenzione ammontano al 30-50% del costo complessivo riguardante dumper operanti in miniere di superficie, Topal and Ramazan (2010). Il problema ingegneristico sarebbe di trovare un compromesso fra il minimo consumo energetico che garantisca a sua volta una mitigazione delle emissioni e una minimizzazione dei costi di manutenzione. La minimizzazione dei costi di manutenzione puo realizzarsi attraverso un piano basato sulla affidabilita dei mezzi (Rahimdel et al., 2013).

I camion da miniera sono assimilabili a sistemi riparabili e non-rinnovabili. Un sistema riparato e riportato a soddisfacenti condizioni operative come prima che il quasto occorresse sono chiamati sistemi riparabili. I sistemi riparabili sono sistemi complessi dove la riparazione di una componente non garantisce il ripristino delle condizioni di funzionamento ottimali di sistema. (Tobias and Trindade, 2011). L’industria mineraria è uno dei principali consumatori di energia. Uno studio del US Department of Energy del 2007 certificò che l’industria mineraria avrebbe un potenziale di risparmio energetico del 61% se migliorasse l’efficienza delle proprie operazioni. Considerato che i dumper sono generalmente spinti da motori diesel il loro consumo di energia viene molto spesso calcolato in termine di litri o kg di carburante consumato.

Il consumo energetico del camion viene valutato in base alla richiesta energetica del motore. Le macchine Diesel sono anche responsabili di certe emissioni di nell’atmosfera (Norgate and Haque, 2012). I gas serra (GHG) includono il Diossido di Carbonio (CO2) e non CO2-gas serrasuch come il metano (CH4), l’ossido di di-azoto (N2O), ozone-depleting substances (ODSs), gli idrofluorocarburi (HFCs), sulphur hexafluoride (SF6) e perfluorocarbons (PFCs) (Montzka et al., 2011).

Secondo il Global Warming Potential (Potenziale di Riscaldamento Globale), che esprime come i GHG and il calore sono intrappolati nell’atmosfera,  le emissioni complessive di GHG sono espresse in CO2 equivalenti (CO2-eq) (Carmichael et al., 2014). Le attività produttive fra le quali l’industria mineraria emettono una certa quantità di GHG. L’obbiettivo canadese susseguente agli accordi di Copenhagen (2009) è di ridurre le emissioni di GHG di 17% rispetto ai livelli del 2005 entro il 2020; tuttavia le emissioni fra 2013 e il 2014 hanno mostrato un trend di crescita (Government of Canada, 2015). Non regolando le emissioni le realtà produttive saranno soggette ad una tassazione piu forte (Emission tax).

   
Figura 1: Ciclo lavorativo della flotta di camion
 
       
Figura 2: Comportamento dell’affidabilità per ogni camion
 
         
Figura 3: Comportamento medio dell’affidabilità di un camion in un anno con quattro approcci di manutenzione diversi. La fluttuazione dei quattro approcci di manutenzione differenti basati sull’affidabilità mostrano una tendenza al ribasso per il picco di affidabilità dopo ogni opera di manutenzione. I valori inferiori sono invece costanti perché il metodo ha una soglia di affidabilità.
 
                 
Figura 4: Comparazione del costo specifico annuale ($/t) della manutenzione (SMC), consume di carburante (SFCC) e tassa per emissioni (SGTC) per tre differenti (A, B and C) dimensioni del camion, approcci di manutenzione e una distanza di percorrimento di 1.5 km.
 

Conclusioni

I risultati mostrano come i costi di manutenzione, la spesa energetica e le emissioni possano essere minimizzate con un approccio di manutenzione basato sulla affidabilità. È stato dimostrato come i costi specifici diminuiscano con le dimensioni dei camion (viene messo in discussione il concetto di economie di scala secondo il quale una produzione maggiore riduca in proporzione i costi) e che quindi uno sviluppo sostenibile non è solo necessario ma anche possibile. Il seguito di questa ricerca sarà una una modellizzazione del piano di manutenzione alla ricerca dell’ottimo.

 

Bibliografia

Brundtland, G., Khalid, M., Agnelli, S., Al-Athel, S., Chidzero, B., Fadika, L., Hauff, V., Lang, I., Shijun, M., de Botero, M.M. and Singh, M. (1987). Our Common Future: Report of the World Commission on Environment and Development: Oxford University Press, USA.

Peralta, S., Sasmito, A. P., & Kumral, M. (2016). Reliability effect on energy consumption and greenhouse gas emissions of mining hauling fleet towards sustainable mining. Journal of Sustainable Mining.

Tobias, P. A., & Trindade, D. (2011). Applied reliability: CRC Press.

Tolba, M. K. (Ed.). (2001). OUR FRAGILE WORLD: Challenges and Opportunities for Sustainable Development-Volume II (Vol. 1). EOLSS Publications.

Topal, E., & Ramazan, S. (2010). A new MIP model for mine equipment scheduling by minimizing maintenance cost. European Journal of Operational Research, 207(2), 1065-1071.

 

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