Risorse rinnovabili: immagazzinamento dell’energia nelle applicazioni offshore

Risorse rinnovabili: immagazzinamento dell’energia nelle applicazioni offshore

by | Wednesday, 1 July, 2020 | acqua

Le risorse rinnovabili stanno iniziando ad essere sempre più diffuse sia nei sistemi onshore che nei grandi sistemi offshore. C’è, però, un problema notevole che, al momento, sta limitando la crescita del mercato: tutta l’energia prodotta, che sia essa ricavata sfruttando la potenza del mare, del sole o del vento, deve essere subito impiegata. Qualsiasi surplus che non può essere usato nell’immediato viene definitivamente perso. Inoltre, le fonti rinnovabili tendono ad essere instabili, dato che le condizioni ambientali possono cambiare improvvisamente, influenzando direttamente la potenza di uscita. La soluzione a questo problema è ovvia: ideare un modo per immagazzinare l’energia per un uso futuro.

La tecnologia Dual Chamber permette di immagazzinare l’energia in modo indipendente 

Con il progetto FLASC gli ingegneri della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Malta hanno trovato un modo per farlo. Hanno sviluppato un procedimento per i sistemi offshore che permette di immagazzinare in modo efficace il surplus energetico utilizzando l’aria compressa. Delle soluzioni simili già in uso si basano sulla pressione idrostatica, che, a sua volta, dipende dalla profondità dell’acqua. La tecnologia Dual Chamber FLASC, invece, consente un intervallo di pressione indipendente, a prescindere dalla profondità dell’acqua. L’energia in surplus può essere così immagazzinata in modo sicuro per poi essere rilasciata a intervalli specifici stabiliti individualmente. Questo assicura che i cambiamenti nell’ambiente naturale non influenzino più direttamente la potenza in uscita.

Misurazione esatta con i sensori ATM/N/T della STS 

L’intera tecnologia dipende dalla pressione dell’aria stabile, che deve, quindi, sempre essere garantita. A tale scopo, la tecnologia FLASC impiega i sensori STS ATM/N/T di alta qualità. I sensori sensibili misurano la pressione dell’aria e la temperatura in tre punti diversi del sistema. Grazie al materiale del corpo esterno realizzato in titanio resistente questi sensori sono perfettamente adatti all’uso permanente in acqua salata. Grazie ad una termoresistenza PT100 integrata per il rilevamento della temperatura, i sensori sono in grado di coprire un campo di misura della temperatura che va da 5 a 80 °C. Tutti i dati rilevati vengono trasmessi al sistema SCADA dove possono essere monitorati in tempo reale.

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Siti contaminati: per la decontaminazione delle acque sotterranee servono sonde di livello resistenti

Siti contaminati: per la decontaminazione delle acque sotterranee servono sonde di livello resistenti

by | Wednesday, 1 July, 2020 | acqua

Che si tratti di vecchie discariche, discariche di carbone, ex siti militari o raffinerie, ciò che resta è il terreno contaminato e questo rappresenta un pericolo per l’uomo e l’ambiente. Per la bonifica di questi posti servono sonde di livello resistenti alle sostanze pericolose aggressive spesso presenti in queste aree.

I siti contaminati non sono caratterizzati solo da alterazioni del terreno nocive per la salute e per l’ambiente. In mancanza di misure di sicurezza (come nel caso delle vecchie discariche) e a seconda delle caratteristiche del terreno, con le piogge le sostanze pericolose penetrano fino a raggiungere le acque sotterrane. In base al tipo di utilizzo è possibile riscontrare una serie di varie sostanze pericolose, tra cui: 

  • composti di metalli pesanti: rame, piombo, cromo, nichel, zinco e arsenico (semimetallo)
  • sostanze organiche: fenoli, oli minerali, benzene, idrocarburi clorurati (CHC), idrocarburi aromatici (IPA)
  • sali: cloruri, solfati, carbonati

La decontaminazione del rifornimento idrico 

Quando si parla di bonifica di siti contaminati, oltre alla pulizia del suolo sono fondamentali anche il controllo e la depurazione delle acque sotterranee. Senza l’utilizzo di sonde di livello affidabili in grado di resistere alle condizioni avverse, tutto questo non è possibile. 

Il processo di decontaminazione si svolge solitamente come segue: le acque sotterranee contaminate vengono pompate in superficie e trattate. L’acqua di risciacquo filtrata ottenuta viene quindi restituita alla fonte di contaminazione. Per fare in modo che l’acqua di risciacquo non fluisca verso uno dei siti non a contatto con la fonte di contaminazione, si utilizzano impianti idraulici attivi per l’infiltrazione sicura. L’acqua viene versata nel terreno tramite vari pozzi durante il vero e proprio processo di decontaminazione. Le condizioni di pressione che si generano formano, per così dire, una barriera facendo in modo che l’acqua di risciacquo confluisca nella fonte di contaminazione. Per guidare e monitorare questo processo servono delle sonde di livello. 

Immagine 1: svolgimento di un processo di decontaminazione

Naturalmente, le sonde di livello sono utilizzate anche al termine dei lavori di bonifica. Dopo la fine dei lavori, infatti, i siti in questione vengono monitorati ancora per molto tempo al fine di verificare eventuali cambiamenti evidenti del livello dell’acqua o della direzione del flusso. 

Inoltre, le sonde di livello sono naturalmente utilizzate anche in caso di applicazioni attive potenzialmente dannose per l’ambiente. Le discariche recenti sono costruite come una piscina impermeabile. Il livello dell’acqua sotto la discarica viene abbassato in modo che, in caso di perdite, l’acqua non possa finire nelle aree adiacenti. Anche qui occorre monitorare i rispettivi livelli d’acqua tramite le sonde di livello.  

Sonde di livello in acque contaminate: requisiti elevati 

Gli utenti che operano nel settore delle bonifiche dei siti contaminati devono procedere molto attentamente nella scelta della sonda di livello adatta. A causa del numero elevato di sostanze che possono essere disciolte in acqua, non esiste una soluzione che funzioni in modo affidabile per ogni situazione. Occorre considerare diversi aspetti che illustriamo brevemente qui di seguito: 

I materiali 

Corpo esterno 

Nella maggior parte delle applicazioni un acciaio inossidabile di buona qualità, come quello utilizzato dalla STS, è sufficiente a proteggere la cella di misura dalle sostanze aggressive. Se c’è contatto con acqua salata bisogna optare per un corpo in titanio. Nel caso in cui si prevedono effetti galvanici occorre scegliere una sonda di livello in PVDF.

Immagine 1: sonda di livello ATM/NC resistente chimicamente con corpo esterno in PVDF

Cavo della sonda 

Molto più critica della scelta di un corpo esterno adeguato è – secondo la nostra esperienza – la scelta del cavo della sonda. Per via dei processi di diffusione striscianti, il processo di deterioramento non risulta subito evidente. Spesso, anche in presenza di danni, dall’esterno non è possibile accorgersene. Pertanto, occorre prestare particolare attenzione quando si consultano le tabelle di resistenza: solitamente, infatti, riportano poche informazioni sui cavi delle sonde. Al centro di un cavo della sonda si trova un piccolo tubo di aerazione che serve per la compensazione della pressione relativa. Se il materiale del cavo non è resistente al cento per cento, gli elementi possono diffondersi attraverso la guaina del cavo e raggiungere il chip del sensore tramite il foro di aereazione. 

A seconda dei materiali previsti, gli utenti della STS possono ricorrere a cavi in PE, PUR o FEP. Quest’ultimo può essere impiegato anche in caso di temperature molto elevate fino a 110 °C.  

L’installazione 

Posa dei cavi 

Le vecchie discariche o i siti industriali sono ambienti difficili. Non sono solo le sostanze pericolose a compromettere la funzionalità delle sonde di livello impiegate. È necessario stare attenti che il rivestimento del cavo non venga danneggiato da carichi meccanici (ad es. detriti). Inoltre, anche i punti di sfregamento e piegatura devono essere evitati. Si consiglia dunque l’uso di speciali rivestimenti protettivi, come quelli offerti anche dalla STS. 

Serracavo 

La resistenza alla compressione delle sonde di livello varia da produttore a produttore. Di standard tutte le sonde della STS sono resistenti alla compressione fino a 250 metri e fino a questa profondità il cavo è progettato anche per i normali carichi della trazione. Tuttavia, in caso di condizioni di installazione difficili, gli utenti devono prendere in considerazione l’uso di un serracavo. 

Fissaggio 

In caso di utilizzo in acqua corrente o in serbatoi con agitatori, la sonda può essere fornita o di un filetto G ½ all’uscita del cavo (montaggio su tubo) o di un raccordo a compressione (15 mm). 

Protezione contro le esplosioni 

Nelle applicazioni in cui sono previste diverse sostanze pericolose, è indispensabile prestare attenzione anche alla protezione contro le esplosioni. Informazioni a tal riguardo sono fornite dalla direttiva ATEX relativa agli standard internazionali.

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Monitoraggio del livello idrostatico nei serbatoi su base piezoresistiva

Monitoraggio del livello idrostatico nei serbatoi su base piezoresistiva

by | Wednesday, 1 July, 2020 | acqua

La misurazione della pressione idrostatica è uno dei metodi più affidabili e semplici per il monitoraggio del livello di riempimento nei serbatoi contenenti liquidi. Di seguito spieghiamo come funziona il monitoraggio del livello idrostatico e di cosa devono tener conto gli utenti.

Durante il monitoraggio del livello di riempimento idrostatico viene misurata l’altezza di riempimento di un liquido in un contenitore. In questo caso viene misurata la forza peso che agisce sul trasmettitore di pressione installato sul fondo del contenitore. In questo contesto la forza peso viene denominata colonna di liquido: cresce in modo proporzionale all’altezza di riempimento e funge da pressione idrostatica sullo strumento di misura. Durante il monitoraggio del livello di riempimento idrostatico bisogna sempre considerare la forza di gravità specifica del liquido. L’altezza di riempimento si calcola, dunque, con la seguente formula: 

h = p/sg 

In questa formula h sta per altezza di riempimento, p per pressione idrostatica sul fondo del serbatoio e sg per la specifica gravità del liquido. 

Nel monitoraggio del livello di riempimento idrostatico la quantità del liquido non ha alcuna importanza, poiché conta soltanto l’altezza di riempimento. Questo significa che la pressione idrostatica è la stessa in un serbatoio contenente 200 litri di liquido che si restringe verso il fondo e in un serbatoio dritto contenente 150 litri di liquido, a patto che il liquido e l’altezza di riempimento siano identici (ad es. tre metri). 

L’applicazione più facile della misurazione della pressione idrostatica è quando si ha come liquido l’acqua, dal momento che la sua gravità specifica può essere trascurata. Quando si tratta di un liquido diverso dall’acqua il trasmettitore di pressione deve essere riparametrato di conseguenza per poter compensare la gravità specifica del liquido. Una volta fatto questo, il livello di riempimento può essere rilevato,come nel caso dell’acqua, sul fondo del serbatoio attraverso la pressione idrostatica. Più complicato è quando si utilizzano diversi liquidi in un unico serbatoio, in quanto bisogna misurare non solo la pressione idrostatica sul fondo del serbatoio, ma contemporaneamente anche la gravità specifica di ciascun liquido. In questo articolo tralasciamo quest’ultimo caso e prendiamo in considerazione la misurazione della pressione idrostatica sia nei serbatoi chiusi che in quelli aperti. 

La misurazione del livello idrostatico nei serbatoi aperti e chiusi 

Nei serbatoi aperti non importa se il serbatoio si trova al di sopra del terreno o se è sotterrato, purché disponga di una apertura che permette una pressione atmosferica equilibrata all’interno e all’esterno del serbatoio. La misura della pressione idrostatica può avvenire sul fondo del serbatoio senza ulteriori aggiustamenti. Nel caso in cui non fosse possibile eseguire la misura sul fondo del serbatoio, il livello di riempimento può essere rilevato anche mediante una sonda ad immersione che, dall’alto, viene inserita nel serbatoio attraverso un cavo. 

Nei serbatoi chiusi solitamente si verificano delle pressioni di gas maggiori rispetto all’atmosfera circostante. Lo strato di gas che si trova sopra il liquido fa aumentare la pressione sul liquido stesso. Così facendo, il liquido defluisce più velocemente e si verificano meno perdite dovute all’evaporazione. I serbatoi sigillati dall’aria ambientale sono, dunque, spesso utilizzati nell’industria petrolifera e chimica. Tuttavia, lo strato di gas che preme sul liquido agisce indirettamente anche sul trasmettitore di pressione sul fondo del serbatoio e deve pertanto essere preso in considerazione per poter determinare il livello di riempimento corretto (attraverso l’aumento della pressione verrebbe altrimenti visualizzato un livello di riempimento più elevato di quello presente). Nei serbatoi chiusi, quindi, bisogna misurare due pressioni: la pressione del gas e la pressione sul fondo del serbatoio. La pressione idrostatica del liquido deriva dalla differenza della pressione del liquido misurata e dalla pressione misurata sul fondo. Questa differenza può essere poi convertita in un’indicazione del livello di riempimento del serbatoio. Per questo tipo di applicazione si utilizza normalmente un sensore di pressione differenziale. 

Osservazioni finali 

Per il monitoraggio del livello di riempimento idrostatico dei serbatoi bisogna sempre considerare due fattori: il tipo di liquido e il tipo di serbatoio. L’applicazione più semplice sarebbe il monitoraggio dei livelli dell’acqua in serbatoi aperti, in quanto con questo tipo di scenario non è necessario dover effettuare alcun tipo di aggiustamento. Quando, però, si tratta di un altro liquido, è necessario tener conto della gravità specifica del liquido. Inoltre, bisogna scegliere uno strumento di misurazione conforme alle caratteristiche del fluido. Mentre l’acciaio inossidabile può andar bene come materiale di rivestimento per la maggior parte dei fluidi, sostanze altamente corrosive possono richiedere altri materiali.

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Misurazione della conducibilità in acque naturali e altri liquidi

Misurazione della conducibilità in acque naturali e altri liquidi

by | Wednesday, 1 July, 2020 | acqua

Quando si misura la conducibilità bisogna considerare alcune cose a seconda del liquido da esaminare. Particolare attenzione è data alla temperatura essendo il maggiore fattore determinante.

La conducibilità come grandezza si esprime in microsiemens e indica la capacità di una sostanza di condurre la corrente elettrica. La conduttanza è il reciproco della resistenza, che viene espressa in ohm. Di conseguenza, maggiore è la conduttanza, minore è la resistenza.

L’acqua pura è praticamente un non conduttore (0,055 µS/cm rispetto a 500 µS/cm dell’acqua potabile). Diventa conduttiva solo tramite sostanze disciolte al suo interno come i cloruri, i solfati e altre sostanze. Attraverso la misurazione della conducibilità è pertanto possibile determinare la purezza di un’acqua: più la conducibilità è maggiore, più ci sono sostanze disciolte nell’acqua. I tipici casi di applicazione della misurazione della conducibilità sono, ad esempio, le discariche con lo scopo di verificare l’inquinamento delle acque sotterranee. Il monitoraggio della presenza di acqua salata nelle fonti di acque sotterranee è un’altra tipica applicazione. Ciò fa della conducibilità un importante fattore per le attività di controllo nelle tecnologie ambientali al fine di trarre conclusioni sulle possibili impurità. Tuttavia, la conducibilità è solo un indicatore di inquinamento. La composizione delle sostanze presenti nell’acqua deve essere poi analizzata chimicamente. Inoltre, non tutte le sostanze che possono essere disciolte in acqua sono conduttive (ad esempio gli ormoni o i fungicidi).

Un’altra comune applicazione è il rilevamento della direzione di flusso, nonché della sua velocità. A questo scopo si aggiunge del sale all’acqua, aumentandone così la conducibilità. Attraverso misurazioni puntuali della conduttanza è possibile determinare con precisione la velocità e la direzione del flusso.

Come già accennato, la conducibilità di una sostanza dipende fortemente dalla temperatura. A temperature diverse, quindi, due campioni di una stessa sostanza possono dare valori di conducibilità diversi. Senza una compensazione della temperatura non c’è praticamente possibilità di comparare due sostanze, se queste non sono o non possono essere esaminate esattamente alla stessa temperatura. Per questo motivo, la misurazione della conducibilità e il rilevamento della temperatura sono strettamente collegati. Solitamente, infatti, durante una misurazione della conducibilità si misurano sia la conduttanza che la temperatura. Mediante la compensazione della temperatura la conduttanza viene calcolata su una temperatura di riferimento, quasi sempre di 25 °C.

Funzione di compensazione della temperatura: la sostanza è decisiva

Quale funzione di compensazione della temperatura viene utilizzata per rilevare la conducibilità alla temperatura di riferimento dipende interamente dal liquido da esaminare. Per le acque naturali si utilizza la funzione non lineare secondo la norma DIN EN 27888 sulla qualità dell’acqua.

Per soluzioni saline, acidi e alcali si utilizzano funzioni lineari. Per poter calcolare la variazione percentuale della conducibilità K per °C sulla variazione di temperatura ∆T si utilizza la seguente formula:

α = (∆K(T)/∆T)/K(25°C)*100

∆K(T) = variazione della conducibilità nell’intervallo di temperatura selezionato

∆T = variazione della temperatura nell’intervallo di temperatura selezionato

K(25°C) = conducibilità a 25°C

Infine, esaminiamo un esempio di calcolo per determinare la conducibilità di un anticalcare rapido: per ottenere i dati necessari al calcolo vengono effettuate tre misurazioni:

 

122.37 mS/cm a 20°C

133.10 mS/cm a 25°C

135.20 mS/cm a 26°C

∆K(T) = 135.20 mS/cm -122.37 mS/cm = 12.83 mS/cm

∆T = 26°C – 20°C = 6°C
K(25°C) = 133.10 mS/cm

α = ((135.20 – 122.37)/(26 – 20))/133.10*100 = 1.60 %/°C

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Misura della pressione idrostatica con le sonde di livello piezoresistive

Misura della pressione idrostatica con le sonde di livello piezoresistive

by | Wednesday, 1 July, 2020 | acqua

Donatore di vita, elemento di distruzione o semplicemente bevuta rinfrescante in estate, l’elemento acqua determina la vita quotidiana sulla Terra in molti modi. A causa della sua importanza è essenziale un monitoraggio sicuro di questo elemento.

Quello che non può essere misurato, non può neanche essere gestito in modo efficiente. Dalla fornitura di acqua dolce, passando per il trattamento e lo stoccaggio dell’acqua potabile, la misurazione del consumo d’acqua, il trattamento delle acque reflue fino all’idrometria, senza dei parametri di ingresso corretti non è possibile eleborarla e pianificarla in modo efficiente. Per comprendere la complessa infrastruttura idrometrica odierna sono disponibili una serie di strumenti e processi. Un classico della misura del livello dell’acqua è sicuramente l’idrometro per cui bisogna applicare un’accuratezza del +/- 1 cm e che, naturalmente, funziona ancora completamento in modo “analogico”: deve, dunque, essere ispezionato visivamente e senza la possibilità di trasmettere elettronicamente i dati. Una trasmissione da remoto dei dati misurati è resa oggi disponibile da strumenti molto più avanzati e precisi: le sonde di pressione piezoresistive per la misurazione del livello nelle acque sotterranee e di superficie. 

Misura del livello con i sensori di pressione 

I sensori di pressione per la misura del livello vengono installati sul fondo dell’acqua da monitorare. Generalmente, al contrario degli idrometri, non è possibile ispezionarli senza bagnarsi, ma questo non è affatto necessario. Le sonde di livello piezoresistive, infatti, sono state sviluppate per soddisfare le esigenze di oggi in termini di automatizzazione e controllo dei processi. Tra queste rientra ovviamente il poter misurare i livelli delle acque senza l’intervento dell’uomo, cosa che permette in primo luogo un monitoraggio continuo in luoghi difficili da raggiungere. 

Le sonde di livello idrostatico rilevano la pressione idrostatica sul fondo dell’acqua. La pressione idrostatica è proporzionale all’altezza della colonna del liquido e, inoltre, è dipendente dalla densità del liquido e dalla forza di gravità. Secondo il principio di Pascal si ha così la seguente formula di calcolo: 

p(h) = ρ * g * h + p0 

p(h) = pressione idrostatica

ρ = densità del liquido

g = accelerazione terreste

h = altezza della colonna del liquido

 

Considerazioni importanti per un monitoraggio del livello di riempimento senza difficoltà 

Poiché le sonde di livello piezoresistive sono posizionate sul fondo dell’acqua, sono protette dalle influenze in superficie. Né la schiuma, né i detriti possono influenzare le misurazioni. Naturalmente le sonde devono essere adatte alle condizioni previste sott’acqua. In acqua salata, ad esempio, è preferibile una sonda di livello con corpo in titanio. Se si prevede l’effetto galvanico la scelta migliore è uno strumento di misura in PVDF. Nella maggior parte delle acque dolci è più che sufficiente un acciaio inossidabile di alta qualità. Inoltre, è indispensabile una messa a terra delle sonde di livello sufficiente per prevenire, ad esempio, i danni derivati dai fulmini (per saperne di più leggi qui). 

Le sonde di livello moderne: tutti i dati in un unico dispositivo 

Le sonde di livello piezoresistive possono essere impiegate per il monitoraggio del livello di riempimento in acque aperte come i laghi, nelle falde freatiche, così come nei serbatoi chiusi. Quando si tratta di acque aperte, si lavora con sonde di pressione relativa. Con questi dispositivi la compensazione della pressione atmosferica avviene tramite un capillare all’interno del cavo della sonda di pressione. Nei serbatoi si utilizza solitamente un sensore di pressione differenziale, poiché bisogna considerare lo strato di gas che preme sul liquido. 

Dal momento che le sonde di livello piezoresistive svolgono il proprio compito fondamentalmente in modo autonomo e possono essere ottimizzate anche per pressioni molto elevate, è possibile effettuare misurazioni in profondità molto basse. Teoricamente non ci sono quasi limiti di profondità, se non che il cavo della sonda di pressione deve essere sufficientemente lungo.

Immagine 1: esempi di sonde di livello per la misurazione della pressione idrostatica

A parte il fatto che non ci sono quasi limiti per quanto riguarda la profondità, questi strumenti di misura moderni sono anche estremamente versatili. In fin dei conti non è solo il livello delle acque ad essere di interesse per l’uomo. Quando si parla di monitoraggio delle acque freatiche è di grande importanza anche la qualità dell’acqua. La purezza di un serbatoio di acque sotterranee può ad esempio essere calcolato anche tramite la sua conducibilità: minore è la conducibilità, più pura è l’acqua (per saperne di più leggi qui). Oltre ai sensori di conducibilità, oggi le sonde di livello sono disponibili anche con la misurazione della temperatura integrata. In questo modo le sonde di livello piezoresistive permettono una vasta gamma di compiti di monitoraggio e nella maggioranza dei casi sono senza dubbio da preferire agli idrometri.

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