Un sistema innovativo per rilevare emissioni fuggitive di metano
23 gennaio 2023
Per venire incontro alle esigenze degli operatori del settore che hanno l’interesse a effettuare monitoraggi nei propri impianti per identificare e quantificare possibili emissioni fuggitive di biogas/biometano/metano, i Ricercatori di PROAMBIENTE hanno ospitato presso i laboratori del Consorzio il Dott. Gavin Lindsay e il Dott. Doug Millington-Smith della ditta QLM Technology (Cardiff, UK).
Lo scopo della visita è stato quello di testare le prestazioni dello strumento sviluppato da QLM per la localizzazione, visualizzazione e quantificazione in continuo (365/24) e da remoto (distanze fino a 200 metri) delle perdite di metano.
Il sistema, illustrato in Fig.1, implementa contemporaneamente due metodi: (i) LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) e (ii) spettroscopia ad assorbimento IR, utilizzando la tecnica della rilevazione a singolo fotone tramite diodi SPAD.
Figura 1: QLM-1 Quantum Gas camera montata su una piattaforma con movimenti Altezza&Azimut
Durante i due giorni di test, svolti principalmente in laboratorio, il personale di PROAMBIENTE ha potuto osservare e constatare il corretto funzionamento dello strumento, tramite la messa a punto di un apposito set-up sperimentale e di due semplici casi-studio.
CASO STUDIO 1: Identificazione a distanza di sacche riempite con differenti concentrazioni di metano.
PROAMBIENTE ha messo a disposizione una bombola certificata (10 litri, 40 bar), contenente una miscela di Gas Naturale così composta:
- Metano 95.25%,
- Etano 3.36%,
- Propano 0.85%,
- n-Butano 0.2%,
- Isobutano 0.14%,
- Esano 0.09%,
- n-Pentano 0.05%,
- Isopentano 0.05%.
La bombola è stata utilizzata per riempire quattro tedlar bags con diverse concentrazioni di gas naturale diluito in azoto:
- SACCA 1: Interamente riempita con la miscela di gas naturale, NO AZOTO.
- SACCA 2: 10% miscela di gas naturale, 90% azoto
- SACCA 3: 1% miscela di gas naturale, 99% azoto
- SACCA 4: 100% azoto, NO gas naturale
Dopo avere collocato lo strumento su un treppiede, questo è stato posizionato a una distanza di 10 metri da un tavolo su cui sono state posizionate le quattro sacche, come mostrato nell’immagine seguente (Fig. 2):
Figura 2: Le quattro tedlar bags riempite con diverse concentrazioni di metano.
L’output generato dallo strumento è una nuvola di punti LIDAR, da cui si ricostruiscono immagini contenenti informazioni relative a:
- distanza tra l’oggetto misurato e la camera;
- concentrazione di metano calcolata su ogni singolo punto del cammino ottico, espressa in ppm∙m. Questa si ottiene se il laser incidente ha la stessa lunghezza d’onda tipica della riga di assorbimento IR del metano.
Un esempio di risultato relativo al caso studio considerato è illustrato di seguito in Fig. 3, in cui le quattro immagini riportate sono riferite a:
a) = Immagine relativa alla concentrazione di metano calcolata su ogni singolo punto del cammino ottico (espressa in ppm∙m):
b) = Immagine ottenuta a partire dal segnale LIDAR retro-diffuso dall’oggetto interessato dal fascio laser incidente (espressa in fotoni rilevati in 10 ms);
c) = Immagine ottenuta dalla combinazione di a) e b).
d) = Immagine del range (espresso in metri) di distanza tra lo strumento e gli oggetti colpiti dal fascio laser incidente.
Osservando le immagini a) e c) si nota chiaramente come le diverse concentrazioni di gas metano contenuto nelle quattro sacche generano risposte spettrali diverse, e in particolare come la sacca contenente puro azoto risulti completamente invisibile al rivelatore di metano.
Figura 3: Output dello strumento relativo al caso studio 1.
CASO STUDIO 2: Identificazione a distanza di una fuoriuscita di gas naturale da bombola certificata.
Come secondo caso studio è stata considerata la rilevazione a distanza di una fuoriuscita di gas metano dalla stessa bombola certificata utilizzata per riempire le sacche analizzate nel caso studio 1.
Lo strumento era collocato all’interno del laboratorio, mentre la bombola è stata caricata su un apposito carrello e collocata outdoor, ad una distanza di circa 20 metri (vedi Fig. 4).
Figura 4: Misurazioni relative al caso studio 2.
L’outlet della bombola è stato collegato a un tubicino in PTFE di diametro pari a 1/8 di pollice, appoggiato al braccetto del carrello, da cui è stata rilevata la fuoriuscita di metano.
In Figura 5 è riportato l’output prodotto dallo strumento a seguito di una misura della durata di 5 minuti: come si può vedere dalle scale dei valori, le concentrazioni di metano rilevate (espresse in ppm∙m) risultano essere molto minori rispetto a quelle determinate nel precedente caso studio, rappresentando perciò un esempio molto realistico di emissione fuggitiva che lo strumento è stato in grado di quantificare e identificare agevolmente.
E’ infine da sottolineare come un importante risultato di questi test è dato dal fatto che la camera è stata in grado di rilevare perdite di metano caratterizzate da svariati ordini di grandezza di differenza senza necessità di alcuna modifica a livello hardware.
Figura 5: Output dello strumento relativo al caso studio 2.
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