ITFI20100208A1 - Metodo per quantificare un flusso di gas fuggitivo mediante misure verticali di concentrazione - Google Patents

Metodo per quantificare un flusso di gas fuggitivo mediante misure verticali di concentrazione Download PDF

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Description

METODO PER QUANTIFICARE UN FLUSSO DI GAS FUGGITIVO MEDIANTE
MISURE VERTICALI DI CONCENTRAZIONE
DESCRIZIONE
Ambito dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo del rilevamento e controllo di fonti di inquinamento atmosferico e più precisamente riguarda la mappatura di emissioni gassose in special modo mediante impiego di velivoli aerei senza equipaggio (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs), utilizzando tecniche di rilevamento remoto. Più in particolare l’invenzione si riferisce a un metodo per il rilevamento di sostanze gassose aerodisperse potenzialmente pericolose quali, ma non limitatamente, metano o biossido di carbonio, in termini di flusso totale di gas emesso e di caratterizzazione e localizzazione della sorgente di emissione. La presente invenzione risulta particolarmente, ma non esclusivamente, adatta al monitoraggio di emissioni da sorgenti areali poste al suolo quali gasdotti, discariche, impianti industriali, allevamenti animali e sorgenti naturali.
Stato della tecnica
Il rilevamento degli inquinanti e contaminanti atmosferici gassosi à ̈ stato estensivamente studiato sia per applicazioni stazionarie che mobili.
La strumentazione tradizionale per il monitoraggio delle sostanze inquinanti aerodisperse à ̈ costituita da sistemi di rilevamento puntuali basati su celle spettrofotometriche, sensori catalitici o elettrochimici. Si tratta, queste ultime, di tecnologie mature e disponibili sul mercato in cui il rilevamento non à ̈ remoto, ovvero funziona mediante campionamento del gas all’interno dello strumento.
Due recenti esempi applicativi di tale tecnologia sono descritti nei brevetti americani US 6,864,983 e US 7,523,638. Il primo dei sopra citati brevetti descrive un metodo per la misura di emissioni o flussi gassosi mediante uso di strumentazione spettrofotometrica. Il secondo dei brevetti summenzionati permette la localizzazione della sorgente gassosa e la quantificazione dei flussi gassosi mediante una verifica spaziale e temporale delle concentrazioni di gas. Tuttavia queste misure, seppur rigorose anche per intervalli molto bassi di concentrazione, si applicano in maniera molto efficace a siti di estensione contenuta e, data la puntualità della misura, possono presentare delle limitazioni per applicazioni ad aree di vasta estensione.
Particolare rilievo nel settore del monitoraggio atmosferico hanno le tecniche di rilevamento remoto con metodi ottici (Remote Optical Monitoring Techniques, ROMT) che utilizzano sistemi di misura a "cammino aperto" basati sulla misura dell’assorbanza selettiva della radiazione su un determinato cammino ottico della lunghezza di decine o centinaia di metri.
Un sistema ottico stazionario di mappatura simultanea di più contaminanti gassosi in aria utilizzante queste tecnologie à ̈ descritto nel brevetto americano US 6,542,242. Il metodo oggetto del suddetto brevetto si basa sulla mappatura spaziale delle concentrazioni di gas fuggitivi mediante misure con metodi ottici di rilevamento remoto su un percorso integrato (Path Integrated - Optical Remote Sensing, PI-ORS) come DIAL (Differential Absorption LIDAR) o FTIR (Fourier Transform Infra-Red). Utilizzando una funzione di distribuzione cumulativa, viene creata una mappatura dei contaminanti che può includere la localizzazione della fonte di contaminazione. Mappe di distribuzione spaziale vengono prodotte mediante l’impiego di una pluralità di raggi luminosi non sovrapposti, che si dipartono radialmente da un’origine comune sull’area di campionamento sia in direzione orizzontale che verticale. Per altro questo sistema richiede l’utilizzo di retro-riflettori sugli assi dei raggi lungo i quali l’energia viene emessa, il posizionamento di tali retro-riflettori risultando piuttosto costoso e difficoltoso su superfici di vaste estensioni. Inoltre la mappatura realizzata in questo modo riguarda le sole concentrazioni di inquinanti, senza tenere conto delle condizioni meteorologiche insistenti sull’area di interesse e non dà indicazioni sui flussi.
Un metodo per la mappatura di gas naturale sia per applicazioni in stazionario che portatili à ̈ descritto in US 7,486,399. Il sistema misura la luce retrodiffusa scansionando porzioni limitate di aree per la ricostruzione di immagini che, in tempo reale, rivelano la presenza di metano mediante misure in remoto. Il metodo svelato nel suddetto brevetto, pur fornendo in tempo reale la mappatura in termini di concentrazione di gas naturale nell’area di interesse, non à ̈ in grado di fornire la reale localizzazione della fonte di emissione in quanto non considera i campi di vento insistenti sull’area.
Sistemi portatili che utilizzano metodi di rilevamento ottico in remoto di tipo DIAL ad assorbimento sono descritti in US 7,508,520 e US 7,312,452. Nel primo di questi documenti à ̈ descritto un sistema mobile dalla struttura compatta e stabile, per il rilevamento di accumuli di metano, assemblabile in particolare su elicotteri. Nel secondo à ̈ descritto metodo e sistema per il rilevamento e la mappatura contemporanea di più fluidi mediante utilizzo di un velivolo per il monitoraggio di tracce di fluido che fuoriescono da tubazioni attraversando il sottosuolo fino all’atmosfera. Nonostante l’alto grado di sensitività delle apparecchiature utilizzate, i suddetti sistemi si limitano alla misura dei dati di concentrazione senza tenere conto dei dati meteorologici; inoltre l’utilizzo di tali apparecchiature, in combinazione a mezzi aerei, richiede costi di investimento e di gestione piuttosto elevati.
Il brevetto americano US 4,135,092 descrive un metodo per la quantificazione dei flussi di emissioni fuggitive utilizzando velivoli e tenendo conto del campo di vento. Per la quantificazione del flusso di massa di un effluente gassoso che fuoriesce da una sorgente distribuita si individua un piano di campionamento posto sotto vento e perpendicolare alla direzione del vento. Su tale piano si effettuano misure di concentrazione delle correnti gassose inquinanti in direzione orizzontale contro retroriflettori montati a varie altezze su un supporto verticale appeso ad un velivolo (aereo o elicottero). Richiedendo l’impiego di velivoli, tale invenzione presenta il limite di essere piuttosto onerosa e l’utilizzo di retro-riflettori rende l’impiego dell’apparecchiatura di non facile gestione.
Infine un metodo e relativo apparato per il rilevamento di gas, quale metano, basato sulla tecnologia di rilevamento ottico a cammino aperto denominata TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), che sfrutta l’assorbimento spettroscopico accoppiato all’uso di laser a diodo avanzato, à ̈ descritto in US 7,075,653. Il suddetto apparato utilizza per il rilevamento del gas fuggitivo un fascio di luce emesso da un laser con una lunghezza d’onda generalmente corrispondente alla banda di assorbimento del gas, illuminando un bersaglio. Una porzione del fascio luminoso ricevuto viene riflessa dal bersaglio al rilevatore e analizzata rilevando una concentrazione media del gas sulla lunghezza che il raggio luminoso ha percorso. Tale strumento, non richiedendo l'utilizzo di retro-riflettori, risulta maneggevole, affidabile e sensibile anche a bassi livelli di concentrazione del gas rilevato.
Scopi e sintesi dell’invenzione
Lo scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo per il monitoraggio di eventuali fuoriuscite di un gas quale, ad esempio, metano o CO2, in particolar modo da sorgenti areali che risulti affidabile e allo stesso tempo semplice da attuare.
Uno scopo particolare della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo del tipo summenzionato che permetta la quantificazione del flusso di un gas fuggitivo.
Un altro scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo del tipo summenzionato che permetta anche l’individuazione della sorgente di gas inquinante.
Il metodo secondo l’invenzione, mediante misure di concentrazione in remoto con metodi ottici, in combinazione a modelli meteorologici, consente di quantificare il flusso totale di gas emesso, nonché una mappatura del flusso, permettendo anche la localizzazione, l’estensione del flusso di gas fuggitivo e, nel caso di flussi non uniformi, la caratterizzazione delle emissioni fuggitive in termini di quantificazione discreta dei contributi al flusso totale. La mappatura così proposta consente in tempi utili la definizione di opportune misure di sicurezza da adottare e di interventi idonei al confinamento e/o all’interruzione dell’emissione del gas fuggitivo.
Secondo un aspetto importante della presente invenzione il metodo proposto, realizzando misure di concentrazione con strumenti ottici di rilevamento remoto che non richiedono l’uso di retro-riflettori presenta il vantaggio di monitorare agevolmente anche siti con orografie irregolari, con un elevato grado di precisione ed a costi contenuti. Inoltre, utilizzando una tecnologia di rilevamento ottico quale la TDLAS, à ̈ possibile conseguire l’ulteriore vantaggio di non richiedere calibrazioni preventive alle misurazioni. L’utilizzo specifico di velivoli permette il monitoraggio e la protezione ambientale anche in siti remoti, pericolosi e inaccessibili con altri mezzi, e l’utilizzo dell’UAV nello specifico presenta l’ulteriore vantaggio di evitare l’impiego di personale potenzialmente esposto a rischi per la salute.
Secondo un altro importante aspetto dell'invenzione il metodo proposto prevede una stima della direzione e velocità del vento mediante utilizzo di modelli meteorologici diagnostici disponibili sul mercato, quale ad esempio CALMET (CALifornian METereological model). Per la previsione dell’evoluzione puntuale del campo di vento tridimensionale nell’area limitrofa a quella di interesse (Near Field), à ̈ richiesta l’installazione di centraline di rilevamento meteo poste in punti strategici del campo da monitorare secondo tecniche dell’arte nota.
L’elemento metodologico centrale della presente invenzione prevede misure verticali di concentrazione, medie sull’altezza H di volo, sottovento ed in direzione perpendicolare alla direzione del vento.
In particolare la metodologia prevede l’individuazione di un piano ideale posto sotto vento e ad esso perpendicolare, di estensione sufficiente a contenere la proiezione del sito da monitorare e ad una distanza dal sito tale da contenere, alla quota di rilevamento del velivolo, la totalità dell’effluente gassoso che fuoriesce dal sito. Il velivolo, recante lo strumento ottico di rilevamento remoto, sorvolando il sito da mappare ad un’altezza all’interno del suddetto piano ideale, realizza misure verticali discrete di concentrazione di gas fuggitivo mediate sull’altezza. Sulla base di tali misure à ̈ possibile valutare il flusso di inquinante.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del metodo per la quantificazione del flusso di un gas fuggitivo secondo la presente invenzione risulteranno più facilmente apprezzabili dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:
- la Figura 1 mostra schematicamente un velivolo per il campionamento verticale di concentrazioni di emissioni fuggitive, lungo un piano di campionamento posto sottovento rispetto al sito contenente la sorgente di dispersione;
- la Figura 2 mostra la nube di gas fuggitivo sul piano di campionamento di Figura 1 e la relativa griglia di misure verticali di concentrazione sul medesimo piano;
- la Figura 3 rappresenta una vista dall’alto del sito da monitorare in cui sono evidenziati piani paralleli al piano di campionamento della sorgente di emissione del gas fuggitivo.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Con riferimento alla Figura 1, si à ̈ indicato con P il sito di una generica sorgente dispersa, assimilato ad una superficie piana di coordinate (x,y). Supposto il flusso puntuale q(x,y) costante durante la misura e detta A l’area corrispondente all’estensione della sorgente di gas fuggitivo, detta area essendo contenuta nel sito da monitorare P, il flusso totale di gas fuggitivo risulta descritto dalla seguente equazione:
(1)
L’equazione (1) nel caso di sorgente areale uniforme q0nell’area A si semplifica come segue:
(2)
La direzione del vento à ̈ quella dell’asse x ed x0à ̈ la distanza alla quale à ̈ posto un piano verticale di campionamento S rispetto al punto del sito P investito per primo dal vento. Il piano di campionamento S ha una estensione W tale da contenere la proiezione del sito da monitorare P. Detto u(x,y,z) il generico campo di vento, si indica con u(x0,y,z) il campo di vento che insiste su S. Mediante utilizzo di centraline meteo poste in zone limitrofe e all’interno del sito da monitorare per il rilevamento di dati meteo, utilizzando modelli meteorologici diagnostici (ad esempio, CALMET, Californian Meteorological Model), à ̈ possibile risalire al campo di vento che insiste sul sito P ed in particolare in corrispondenza del piano S. Indicata con c(x0,y,z) la concentrazione puntuale del gas fuggitivo sul piano S, il flusso totale di gas fuggitivo emesso può essere assimilato al solo flusso convettivo e descritto dalla seguente espressione:
(3)
Con riferimento alla Figura 2, utilizzando uno strumento ottico di rilevamento remoto (ad esempio, TDLAS) montato sulla parte inferiore di un velivolo UAV che si muove lungo il piano S all’altezza H tale che la nube di gas fuggitivo resti al di sotto di detta altezza, alla generica coordinata y si misura il valore di concentrazione medio verticale (x0,y), noto il corrispondente valore di velocità medio del vento ū(x0,y). Il valore del flusso può essere riscritto a meno di un coefficiente empirico α come nel seguito indicato:
(4)
Dal confronto tra l’equazione (3) e la (4) il coefficiente α risulta definito secondo la (5):
(5)
Il coefficiente correttivo α secondo la presente equazione à ̈ calcolato dal confronto tra valori di concentrazione acquisiti mediante misure dirette e calcolati con opportuni modelli di dispersione quali modelli gaussiani o modelli più avanzati disponibili sul mercato (ad esempio CALPUFF). Detto coefficiente correttivo α risulta dipendere soltanto dall’intensità e dalla classe di stabilità del vento.
Dalla Equazione (4), noto il coefficiente empirico ae una volta acquisiti i valori medi di concentrazione e velocità del vento risulta possibile quantificare con errori inferiori al 10% il flusso del gas fuggitivo di interesse (ad esempio, metano) emesso dalla generica sorgente dispersa, sia essa uniforme che non uniforme.
Informazioni aggiuntive sull’estensione della sorgente dispersa possono essere desunte dalla mappatura del sito mediante misure verticali di concentrazione rilevate lungo piani di campionamento S1,..,Si,..,Si+n+1paralleli al piano di campionamento S, nella direzione opposta a quella del vento e intersecanti la superficie P del sito da monitorare, come evidenziato in Figura 3.
Supponendo che la velocità del vento u(x,y,z) ed il flusso puntuale di gas fuggitivo q(x,y) restino costanti durante la mappatura del sito, i rilevamenti di concentrazione lungo i piani S,S1,..,Si, dove Sià ̈ il piano di campionamento più vicino alla superficie A della sorgente dispersa non intersecante la medesima, danno luogo ai medesimi valori di flusso totale di gas fuggitivo.
Diversamente per il generico piano Si+1di mappatura delle concentrazioni che interseca la sorgente emittente A dividendola in due sottoaree una delle quali, Ai+1, resta compresa tra la direzione del vento (ad x=0) ed il generico piano Si+1. Il flusso di gas fuggitivo calcolato su tale piano secondo la Equazione (4) tiene conto solo del flusso emesso nella sottoarea Ai+1. Analogamente il flusso di gas fuggitivo calcolato sui piani Si+2,..,Si+n,secondo la Equazione (4) tiene conto del contributo di flusso emesso da ciascuna delle sottoaree corrispondenti Ai+2,..,Ai+n, via via decrescente. Il flusso di gas fuggitivo calcolato in corrispondenza della superficie Si+n+1, sopravento rispetto alla sorgente di emissione, risulta nullo.
Dal confronto del flusso di gas fuggitivo risultante tra due superfici di mappatura adiacenti, ad esempio Si+1ed Si+2, si ottengono informazioni sul flusso di gas fuggitivo relativo alla quota parte (Ai+2-Ai+1) della sorgente di emissione.
La mappatura, secondo il metodo esposto, mediante misure discrete, fornisce indicazioni, sia nella direzione x che nella direzione y, relativamente all’estensione dell’area di dispersione e al contributo in termini di flusso che compete a ciascuna sottoarea in cui la sorgente di flusso resta suddivisa in direzione x dalle superfici parallele Si+1,..,Si+ndi acquisizione di misure verticali di concentrazione.
Varianti e/o modifiche potranno essere apportate al metodo per la quantificazione del flusso di un gas fuggitivo da una sorgente dispersa secondo la presente invenzione senza per questo uscire dall'ambito protettivo dell'invenzione medesima come definita nelle rivendicazioni annesse.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la quantificazione del flusso di un gas fuggitivo da una sorgente dispersa (A) di detto gas comprendente le seguenti fasi: - predisporre un velivolo (UAV) dotato di uno strumento ottico di rilevamento remoto; - individuare un piano di campionamento (S) posto sotto vento e perpendicolare alla direzione del vento, di estensione (W) sufficiente a contenere la proiezione del sito da monitorare e ad una distanza dal sito tale da contenere, alla quota di rilevamento del velivolo, la totalità dell’effluente gassoso che fuoriesce dal sito; - sorvolare il sito contenente detta sorgente (A) con detto velivolo (UAV) lungo detto piano di campionamento (S) ad un’altezza (H) tale che detta totalità di gas fuggitivo resti al di sotto di detta altezza, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre le fasi di - eseguire misure verticali discrete di concentrazione di gas fuggitivo mediate su detta altezza lungo tutta l'estensione (W) di detto piano (S) per ricavare corrispondenti valori di concentrazione medi verticale, - rilevare valori di velocità medi del vento in corrispondenza a dette misure discrete di concentrazione; - integrare il prodotto di detti valori medi di concentrazione verticale e detti corrispondenti valori di velocità medi del vento rispetto alla superficie del piano di campionamento (S) per ottenere un valore del flusso di gas fuggitivo (Q); - correggere il valore ottenuto del flusso di gas fuggitivo (Q) con un fattore correttivo (α) ricavabile dal confronto tra valori di concentrazione acquisiti mediante misure dirette e valori calcolati mediante modelli di dispersione.
  2. 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto strumento ottico di rilevamento remoto à ̈ un laser a diodo con assorbimento spettroscopico (TDLAS).
  3. 3. Il metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto velivolo (UAV) Ã ̈ del tipo con pilota automatico.
  4. 4. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i valori di velocità medi del vento vengono ricavati da modelli meteorologici diagnostici che elaborano dati provenienti da centraline di rilevamento meteo poste in punti strategici del campo da monitorare.
  5. 5. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i modelli di dispersione per il calcolo di detto coefficiente correttivo (α) sono modelli di dispersione gaussiana o modelli di dispersione commercialmente disponibili (ad esempio CALPUFF).
  6. 6. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre - eseguire misure verticali di concentrazione lungo piani di campionamento (S1,..,Si,..,Si+n+1) paralleli a detto piano di campionamento (S), nella direzione opposta a quella del vento e intersecanti anche la superficie di detta sorgente dispersa (A), nei piani (S1,...,Si) non intersecanti detta superficie il valore del flusso essendo costante, - individuare i piani di campionamento (Si+1,...,Si+n+1) intersecanti la superficie di detta sorgente dispersa (A) per i quali il valore del flusso totale di gas fuggitivo decresce fino ad annullarsi e ricavare le coordinate di detti piani per localizzare detta sorgente dispersa.
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