MISURE DI FLUSSI VERTICALI Di GAS IN ARIA

MISURE SPERIMENTALI

La metanogenesi può avvenire sia a livello dei sedimenti che nella colonna d’acqua. La bassa solubilità in acqua del metano fa sì che questo formi facilmente delle bollicine che, quando raggiungono dimensioni sufficienti, si staccano e si trasferiscono verso la superficie. La quantificazione del gas emesso può essere eseguita con due approcci principali: catturando in modo quantitativo il gas emesso con trappole poste a confinare una superficie nota, o con tecniche che consentano il calcolo dei flussi all’interfaccia a partire da misure di concentrazione del gas in aria.

Misure sperimentali: dove ?

Lo studio è stato condotto sull’invaso di La Penna, creato con la costruzione della diga omonima sul corso del fiume Arno, in provincia di Arezzo. Il bacino è stato selezionato a causa dell’elevato afflusso di nutrienti e alle note condizioni di anossia che si verificano regolarmente nel periodo estivo.

Il bacino (volume a pieno invaso: 10·106 ·m3), si origina alla confluenza dell’Arno col Canale Maestro della Chiana. Morfologicamente mantiene l’andamento dell’alveo fluviale originale, sviluppandosi per circa 5 km con una larghezza media di 150 m e con una profondità che passa da 2 a 20 m. In estate il bacino è destinato prioritariamente a riserva potabile ed irrigua, e il deflusso alla diga viene ridotto al minimo, con sospensione della produzione idroelettrica. Il tempo di ricambio passa da 2-3 giorni a 40 giorni e la colonna d’acqua raggiunge in poche settimane condizioni di completa anossia.

EMISSIONE DI GAS-SERRA DA SERBATOI IDROELETTRICI

C. Cavicchioli, E. Garofalo, P Girardi CESI SpA, Via Reggio Emilia 39, 20090 Segrate (MI), Italy

CESI

Il tema

Ricerche effettuate in ambito internazionale hanno dimostrato, seppur con alcune incertezze, che l’emissione di gas climalteranti da parte dei bacini idroelettrici è un fenomeno piuttosto consistente: alcuni ricercatori sostengono che, in termini di CO2 emessa per unità di energia prodotta, il contributo idroelettrico all’effetto serra sia in alcuni casi addirittura superiore a quello del settore termo-elettrico.

MISURE DI COLONNA

Tra le tecniche di campionamento del gas prodotto in acqua è stata selezionata quella che impiega le trappole ad imbuto rovesciato poste appena sotto la superficie dell’acqua.

PRIMI RISULTATI

Le misure condotte nel corso del 2001 e 2002 con le tecniche illustrate hanno portato ad una serie di risultati preliminari:

• la produzione di gas climalteranti è evidente solo in periodo estivo - i dati di giugno e ottobre presentano valori trascurabili (si veda figura 1)

• l’intensità produttiva di gas climalteranti nei mesi corrispondenti dei diversi anni pare analoga (si veda figura 1)

• esiste una chiara modulazione produttiva giornaliera di gas nella colonna d’acqua (si veda figura 2), che si ripete con diversa intensità nei diversi periodi

•sopra al lago si osservano variazioni di concentrazione di metano superiori alle fluttuazioni di altri gas (figura 3)- evidenti fenomeni emissivi

• l’utilizzo, nel calcolo dei flussi verticali di gas, di differenti tempi di media non influisce sul risultato (si veda figura 4),

• per quanto riguarda le misure di flussi netti verticali di gas climalteranti emessi dal bacino, i risultati sono incoraggianti ma risultano necessari ulteriori approfondimenti (dati riferiti ad un periodo limitato)

• i dati di produzione del 2001 e del 2002 portano ad una stima di emissione annua da parte del bacino di La Penna pari rispettivamente a 370 e 320 t CH4/y.

• tenendo conto del GWP e della produzione elettrica dell’impianto, tali cifre corrispondono a 185 g CO2/kwh, contro una emissione media del parco elettrico di 700 g CO2/kwh ed un’emissione da impianti a gas naturale avanzati con emissioni fino a 450 g CO2/kwh.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 1441 2881 4321 5761 7201 8641

Concentr

azio

ni no

rmalizzate

Tempo [min]

CH4

CO2

Figura 3 - Andamento temporale delle concentrazioni normalizzate di metano e CO2 - luglio 2002

Figura 4 - Giorno tipo del flusso orario di metano secondo diversi tempi di media - luglio 2002

0123456789

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Tempo [h]

Flu

sso

[m

g/m

h]

w'(CH4)'_1min

w'(CH4)'_15min

w'(CH4)'_60min

Le campagne sperimentali, condotte nel 2001 e nel 2002, sono state svolte in modo da quantificare le emissioni di metano durante il periodo di minimo deflusso.

Il piano di campionamento ha compreso 3 stazioni fisse rappresentative di tre aree omogenee per idrodinamica e batimetria:

Il dimensionamento del problema: stato dell’arte

Nei bacini caratterizzati da elevato livello trofico, la decomposizione della biomassa presente sia nella colonna d’acqua che nei sedimenti superficiali comporta il progressivo decremento dell’ossigeno disciolto, fino al raggiungimento di condizioni di anossia. In queste condizioni oltre alla formazione di azoto molecolare e di CO2 si aggiunge quella di gas metano. Il GWP a 100 del gas metano è di 21 volte superiore a quello della CO2. Studi relativi a grandi bacini idroelettrici hanno rilevato produzioni fino a 60.4 mmol·m-2 ·d-1 per i bacini del Brasile mentre nei bacini dell’Alaska arriva a 1.02 mmol· m-2·d-1. In Italia i bacini lacustri minori possiedono caratteristiche climatiche e trofiche tali per cui i

fenomeni di anossia sono molto frequenti; per questo motivo, anche se sono di dimensioni molto più ridotte dei grandi bacini americani, il loro potenziale emissivo potrebbe essere elevato. CESI per la prima volta in Italia ha avviato uno studio con la messa in atto di metodologie sperimentali di misura delle emissioni di metano finalizzate alla valutazione dell’entità di tali processi nel territorio italiano.

Il cono viene posto in acqua e fissato in posizione perfettamente verticale per mezzo di corpi morti e galleggianti. La bottiglia di campionamento deve risultare piena d’acqua e sommersa in modo da evitare l’irraggiamento diretto sul campione. Il gas prodotto nella colonna d’acqua e nel sedimento sottostante il cono viene intrappolato nella bottiglia di campionamento.

Il tempo di campionamento può essere molto vario, dipendendo dalle condizioni di produzione del lago, e devono essere effettuati controlli frequenti per recuperare la bottiglia prima che sia completamente priva di acqua. L’emissione è calcolata dividendo la quantità di gas recuperato per il tempo di campionamento e per l’area di base del cono.

La trappola utilizzata è stata costruita con un cono in vetroresina, opportunamente trattato in modo da renderne la superficie interna liscia ed impermeabile per favorire lo scorrimento delle bollicine di gas. Sul vertice filettato del cono viene avvitata una bottiglia di vetro, nella quale si raccoglie il gas catturato.

per eseguire analisi di flussi di gas mediante la metodologia di Relaxed-Eddy-Accumulation (REA). Il metodo, derivato dalle applicazioni micrometeorologiche dell’l’Eddy Correlation (EC), combina le misure chimiche eseguite medianteanalizzatori “lenti” (che eseguono misure di

concentrazione con risoluzione temporale dell’ordine del secondo), a misure “veloci” (dell’ordine dei 20Hz) di flussi verticali eseguite mediante anemometro sonico. Per valutare i flussi in ingresso ed in uscita dalla superficie del lago sono calcolate le variazioni correlate dei momenti al primo ordine per le concentrazioni e la componente verticale della velocità.

Pertanto: F=<w’C’>doveF: flusso verticale dell’inquinante [mg/m2/s];w’:variazioni della componente verticale della velocitàC’: variazioni delle concentrazioni del gas

E’ stato predisposto un assetto sperimentale in grado di misurare i flussi verticali sopra lo specchio d’acqua. Il sito di misura è stato dotato di:

Anemometro sonico Analizzatori automatici di CO2 e Metano

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre

tonnellate CH4

2001

2002

Figura 1 - Stima delle emissioni mensili totali di metano dal bacino di La Penna nel 2001 e 2002

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

0.3

P1 lug P4 lug P1 set P3 set P4 set

g CH4/ m2 h

notte mattina

Figura 2 - Confronto giorno/notte dei flussi di metano misurati nei periodi di maggiore produzione

Attività svolta nell’ambito della Ricerca di Sistema per il Settore Elettrico, finanziata dal Ministero dell’Industria, del Commercio e dell’Artigianato (D.M. 26/01/2000)