Andrea Giorgetti

Con la preziosa collaborazione di Lluís Castaño, Product Manager di Kromschroeder, S.A. (partner Automa in Spagna)

Il biometano rappresenta una risorsa chiave per la transizione energetica, ma la sua immissione nelle reti di distribuzione comporta sfide operative e tecnologiche legate alla pressione e alla continuità del servizio. Infatti, prima di essere immesso, il biometano deve soddisfare rigorosi standard in materia di qualità del gas, misurazione, trattamento, regolazione della pressione e odorizzazione.

Queste sfide richiedono soluzioni innovative. AUTOMA ha per questo sviluppato alcuni algoritmi specifici per il suo sistema GOLEM per la regolazione dinamica della pressione del gas in rete. Il principale campo di applicazione di GOLEM è infatti la gestione delle reti del gas naturale, ma grazie a nuovi algoritmi sviluppati è possibile applicare il sistema anche al settore del biometano con l’obiettivo di iniettare il biometano all’interno delle reti di distribuzione regolando dinamicamente la pressione del gas naturale in rete.

Il biometano e le reti di distribuzione

La produzione di biometano parte dai rifiuti prodotti dalle attività umane, come rifiuti solidi, liquami, scarti zootecnici e forestali. Quando il biogas rimane nell’impianto di trattamento dei rifiuti, non è consigliabile rilasciarlo nell’atmosfera perché produce effetti molto dannosi, come l’effetto serra.

Questo gas combustibile può essere trattato nell’impianto stesso tramite generatori di energia elettrica per produrre elettricità e, se disponiamo di una rete elettrica nelle vicinanze, possiamo immettere l’elettricità nella rete.

E nel caso in cui non si disponga di una rete elettrica in prossimità? Ciò che possiamo fare con il gas in eccesso è raggiungere un accordo con le società di distribuzione del gas per immettere il biogas nelle loro reti di distribuzione del gas.

Questo può essere fatto solo a condizione che tale gas sia trattato per essere intercambiabile con il metano presente nella rete, grazie a un processo che si chiama upgrading: il biogas può essere considerato biometano e quindi venire immesso nella rete di distribuzione del gas.

Una rete di distribuzione del gas ha un certo volume costante. In qualsiasi punto della rete può esserci un consumo, mentre in uno o più punti della rete viene iniettato gas per cercare di mantenere una pressione definita dal set point dei regolatori di pressione nei punti di iniezione. In condizioni stazionarie si verifica un equilibrio tra le portate nei punti di iniezione e le portate nei punti di consumo. Il risultato è una pressione costante.

Le criticità delle reti di biometano

La maggior parte dei punti di immissione del biometano è caratterizzata da tubazioni di piccolo diametro e da un volume di gas disponibile non molto elevato e dipendente dalla capacità produttiva, soggetto a fluttuazioni giornaliere e stagionali. Dato che nei punti di produzione di biometano a bassa capacità il flusso è molto limitato, possono verificarsi funzionamenti anomali dei regolatori di pressione pneumatici tradizionali.

In sostanza, le principali criticità individuate sono quattro:

1. Riduzione della produzione: una diminuzione della produzione può abbassare la pressione, compromettendo l’iniezione continua di biometano nella rete.
2. Interruzione del servizio: a volte, l’interruzione del servizio è causata da guasti al sistema di upgrading, che non è in grado di mantenere una pressione sufficiente o di fornire gas di qualità costante.
3. Sovrapproduzione di biometano: un aumento della produzione rispetto ai limiti operativi può compromettere la sicurezza della rete e/o i termini contrattuali tra produttore e operatore.
4. Sovrappressione della rete: un aumento temporaneo e spontaneo della pressione della rete può causare l’interruzione dell’immissione.

Il funzionamento normale di un regolatore di pressione consiste nell’aprirsi quando è necessario raggiungere un determinato punto di pressione in base al suo set point. Se tale valore non viene raggiunto, il regolatore si apre al massimo, consumando in pochissimo tempo la quantità di biometano disponibile, se limitata dalla capacità dell’impianto di biogas. Man mano che la quantità disponibile di biometano viene consumata, si verifica una rapida depressurizzazione del sistema di produzione. L’effetto immediato può essere la sospensione dell’iniezione di biometano.

La causa di tutti questi problemi è il modo in cui funzionano i regolatori di pressione statica. In questo contesto, la capacità di regolare dinamicamente la pressione a monte del regolatore diventa una funzione strategica per garantire continuità e qualità del servizio.

La soluzione Automa: la tecnologia GOLEM per la gestione dinamica dell’iniezione di biometano

In questo specifico caso che stiamo illustrando, abbiamo realizzato un adattamento di GOLEM alle esigenze operative di un’azienda di distribuzione del gas che ha richiesto una soluzione per la regolazione dell’iniezione di biometano in una rete di distribuzione. GOLEM di AUTOMA consente una gestione dinamica dell’iniezione di biometano, migliorando la continuità del servizio e riducendo i rischi operativi.

La tecnologia GOLEM è basata su un servomeccanismo di accoppiamento meccanico che interagisce direttamente con i piloti dei regolatori di pressione, supportata da un sistema elettronico avanzato. Grazie all’intelligenza incorporata nel sistema, GOLEM può operare in modalità autonoma, riducendo la necessità di interventi manuali. Il sistema è applicabile a qualsiasi modello di regolatore e può essere facilmente integrato nelle reti esistenti grazie ad adattatori progettati su misura.

Le caratteristiche del sistema GOLEM sono rappresentate da quattro tipi di modulazione della pressione e del flusso:

• La modulazione della pressione è la capacità di variare e mantenere la pressione, in base al set point.
• La limitazione del flusso è la capacità di mantenere la portata al di sotto di un certo valore massimo, ma fornendo sempre il valore di pressione massimo possibile.
• È possibile una programmazione settimanale dei valori di pressione per fasce orarie, ad esempio di notte la pressione è inferiore rispetto al giorno.
• È possibile compensare la portata applicando valori di pressione a una porzione di una portata massima data.

Quando al sistema viene assegnata una pressione target superiore o inferiore alla pressione iniziale letta dal sistema, viene avviato un algoritmo con un tempo di analisi delle condizioni. Quando è necessario aumentare o diminuire la pressione, viene avviato un movimento motorio. Il periodo durante il quale il motore si muove è rigorosamente controllato per garantire la quantità di movimento effettivamente richiesta, osservando e analizzando le variazioni di pressione e portata. Viene quindi applicato un movimento necessario, positivo o negativo, per aumentare o diminuire la pressione e raggiungere l’obiettivo prefissato per il sistema.

Questo approccio graduale porterà prima o poi al raggiungimento o addirittura al superamento della pressione target. Se nella successiva analisi viene superata la pressione target, si decide di eseguire una contromossa per un tempo pari alla metà del tempo precedente. Questa correzione progressiva del movimento della vite di controllo termina quando il bersaglio viene raggiunto entro una tolleranza data. La stessa logica dell’algoritmo viene applicata per mantenere una restrizione del flusso al di sotto di un valore massimo e cercando sempre di mantenere la massima pressione possibile.

Il sistema GOLEM esamina la portata e la pressione. Se la portata è sufficientemente elevata, ma comunque entro l’intervallo di sicurezza, il sistema deciderà di aprire il regolatore e di erogare quella quantità di gas. In questo modo la portata che avevamo tenderà a diminuire, così come la pressione in ingresso. Quando il sistema GOLEM, analizzando continuamente questi parametri, verifica che la pressione si sta avvicinando a un valore molto prossimo alla pressione di rete, chiuderà il trasporto del gas per evitare il rischio di interruzione del flusso di gas e di rimandare quindi il biometano al serbatoio di stoccaggio del sistema di upgrading (condizione di sovrappressione).

Non appena la portata diventa pericolosamente bassa e si avvicina al limite inferiore, il sistema GOLEM riduce il flusso del gas per recuperare sia la portata sia la pressione. Ad un certo punto si dovrebbe raggiungere un flusso costante.

I risultati della soluzione Automa

Grazie all’implementazione di GOLEM per la regolazione dell’iniezione di biometano nella rete di distribuzione gestita dal nostro cliente, la gestione dinamica del flusso ha mantenuto le pressioni entro il range operativo anche in caso di fluttuazioni improvvise della produzione, migliorando la stabilità complessiva della rete.

 Sono stati quindi raggiunti importanti risultati:

• Riduzione delle interruzioni di iniezione causate da cadute di pressione.
• Gestione ottimizzata della sovrapproduzione di biometano.
• Maggiore resilienza della rete nelle operazioni di fornitura di biometano.

Si apre così la strada a una gestione più sicura, efficiente e sostenibile della risorsa biometano.

Come è stato possibile raggiungere questi risultati? AUTOMA è attiva dal 1987 nello sviluppo di soluzioni hardware e software peril monitoraggio e il controllo remoto delle reti di trasporto e distribuzione del gas, funzionali alla loro gestione operativa.

La ricerca e lo sviluppo di soluzioni sempre più performanti e innovative è il nostro impegno quotidiano. Ad oggi, oltre 50.000 dispositivi Automa sono installati in più di 40 Paesi nel mondo.

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Garantire portate di gas sempre all’interno della rangeability del contatore agendo sulla regolazione automatica del valore di pressione: in questo articolo vi raccontiamo la sfida vinta dalla tecnologia GOLEM di AUTOMA con l’installazione su una RE.MI. al servizio di una rete di distribuzione del gas ad antenna.

Un progetto che assicura il rispetto della delibera 512/2021/R/gas, emanata dall’Autorità di Regolazione per Energia Reti e Ambiente (ARERA), che impone il mantenimento del flusso di gas entro i limiti consentiti dal range di misurazione del contatore e che, di conseguenza, richiede un monitoraggio accurato e un controllo adeguato del flusso.

La soluzione Automa: la tecnologia GOLEM applicata al controllo di portata

La tecnologia GOLEM, che si caratterizza per la capacità di rendere dinamica e automatica la regolazione della pressione del gas senza richiedere modifiche sostanziali agli impianti esistenti, si basa su un servomeccanismo ad accoppiamento meccanico che gestisce la vite di regolazione del regolatore e lo rende controllabile.

Grazie a questa innovativa tecnologia di adattamento, il Sistema può essere applicato su qualsiasi regolatore di pressione, pilotato o ad azione diretta, con un semplice intervento di retrofit. Una soluzione che può essere adattata e implementata con prontezza, e che ha contribuito alla scelta di GOLEM da parte del nostro cliente.

In questo specifico caso, la logica di funzionamento del Sistema GOLEM è stata modificata per permettergli di mantenere le portate di esercizio all’interno della corretta rangeability per la quale è stato progettato il contatore.

Non potendo influenzare direttamente la richiesta di gas dell’impianto – essendo questa determinata dal prelievo a valle –, il Sistema interviene direttamente sulla pressione di rete, modificandola per adeguare la portata in metri cubi alla rangeability del contatore. Nello specifico, abbassando la pressione si abbassa la portata in metri cubi e viceversa. Questa capacità di regolare direttamente la pressione nella cabina RE.MI. consente, di fatto, un controllo diretto sulla portata in metri cubi al contatore.

Inoltre, la logica di funzionamento del GOLEM è stata ottimizzata per permettere il controllo di portata simultaneamente alla gestione di un profilo di pressione oraria. Nello specifico, la pressione viene diminuita durante le ore notturne e poi riportata ai range desiderati durante il giorno, con una conseguente importante riduzione delle emissioni fuggitive. 

Inoltre, per garantire la sicurezza e la continuità del servizio del Sistema, oltre alle logiche algoritmiche interne di GOLEM, sono presenti dei fine corsa meccanici che monitorano costantemente la pressione assicurando che non oltrepassi le soglie impostate. I fine corsa meccanici offrono una sicurezza aggiuntiva rispetto alle sole logiche algoritmiche, proteggendo da eventuali anomalie di sistema. Infatti, quando si raggiunge un fine corsa, il sistema si arresta e riporta la pressione alla sua origine.

I risultati ottenuti grazie a GOLEM di AUTOMA

L’implementazione di GOLEM può essere definita Plug&Play, in quanto non richiede interventi significativi sulla parte meccanica e pneumatica del sistema. Non è necessario modificare le pressioni delle motorizzazioni o rivedere i collegamenti esistenti, cosa che semplifica notevolmente il processo di installazione, e quindi la successiva conduzione e manutenzione dell’impianto. Questo è stato un primo, importantissimo vantaggio per il nostro cliente.

Fin dai primi mesi di attività, a seguito della fase di tuning in cui il Sistema è stato tarato, l’implementazione di GOLEM sulle cabine RE.MI. ha permesso di:

•  ottenere un’importante riduzione delle misurazioni fuori soglia
•  efficientare di conseguenza il sistema di misura
•  diminuire notevolmente le sanzioni economiche per le misure fuori soglia
•  ridurre in modo significativo le emissioni fuggitive.

Anche la manutenzione del Sistema è risultata estremamente semplice da gestire per il nostro cliente. Con una semplice azione su una vite, è possibile infatti regolare manualmente il pilota del regolatore, oppure rimuovere il servomotore e ripristinare l’impianto di riduzione alla sua configurazione originale in circa 10 secondi. Questo facilita notevolmente il lavoro dei manutentori, permettendo loro di intervenire sul regolatore di pressione, i piloti, i monitor e altri componenti della cabina RE.MI. per effettuare gli interventi manutentivi in piena conformità alle normative vigenti.

L’implementazione di GOLEM in questo progetto ha prodotto risultati estremamente soddisfacenti per il nostro cliente, migliorando anche l’efficienza operativa.

Con la soluzione AUTOMA è possibile beneficiare di un incremento immediato in efficienza e precisione della regolazione della pressione, con conseguente riduzione delle perdite di gas e dei costi operativi. Inoltre, grazie a GOLEM, il sistema è in grado di ridurre le inefficienze legate alle variazioni di domanda e offerta di gas. Nell’ottica di una possibile integrazione delle fonti rinnovabili, GOLEM è progettato per gestire anche l’iniezione di biometano all’interno delle reti del gas naturale, a differenza di molte altre soluzioni sul mercato.

AUTOMA è attiva dal 1987 nello sviluppo di soluzioni hardware e software per il monitoraggio e il controllo remoto delle reti di trasporto e distribuzione del gas, funzionali alla loro gestione operativa. Ad oggi, oltre 50.000 dispositivi Automa sono installati in più di 40 Paesi nel mondo.

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Dal rapporto Global Methane Tracker 2024 pubblicato dall’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), emergono dati sconfortanti: nel 2023 le emissioni di metano nel settore energetico sono salite di 3 milioni di tonnellate rispetto all’anno precedente. Questo ha portato il loro totale a 120 milioni di tonnellate.

Nonostante gli sforzi messi in atto dal comparto per ridurre le perdite, le emissioni di metano nel settore energetico rimangono comunque una sfida significativa. Limitare drasticamente queste perdite è essenziale non solo per migliorare l’efficienza delle reti energetiche, ma anche per contrastare l’emergenza climatica.

Il problema della sovrappressione

Una parte importante delle perdite di gas è legata alla sovrappressione negli impianti e nelle reti: questo termine si riferisce a una condizione in cui la pressione di esercizio all’interno delle reti di distribuzione del gas è spesso superiore ai livelli ottimali pur nel rispetto degli standard di sicurezza e gestione operativa per il corretto funzionamento, creando rischi per la sicurezza, l’ambiente e le infrastrutture stesse.

Le emissioni fuggitive, ossia il rilascio incontrollato di gas (come il metano) nell’ambiente, sono proporzionali alla pressione di esercizio, per cui una ottimizzazione e riduzione di quest’ultima porta a un’immediata riduzione delle emissioni.

Oltre a questo, la sovrappressione può accelerare il deterioramento delle tubazioni e dei componenti delle reti, aumentando il rischio di guasti strutturali e riducendo l’efficienza operativa complessiva.

Come è possibile ridurre le problematiche legate alla pressione delle reti del gas senza compromettere la fornitura? Una risposta concreta ed efficace viene dalla regolazione dinamica.

Cosa significa regolazione dinamica

La regolazione dinamica consente di adattare in tempo reale la pressione nelle reti di distribuzione del gas alla domanda effettiva. In pratica, il sistema che si basa sul principio di regolazione dinamica regola automaticamente la pressione in funzione delle variazioni di consumo:

• Durante i periodi di bassa domanda (ad esempio durante la notte), la pressione viene ridotta per evitare sovrappressioni e minimizzare le perdite di gas.
• Nei momenti di picco di consumo, la pressione viene aumentata per garantire che il flusso di gas sia adeguato alla domanda, sempre entro limiti sicuri.

In estrema sintesi, adottare una regolazione dinamica della pressione sulle reti significa:

1) diminuire esponenzialmente i volumi di gas persi

2) operare in modo più efficace la rete, sottoponendola anche a sollecitazioni minori, riducendo così anche la frequenza di guasti sul lungo periodo.

La regolazione dinamica avviene tramite tecnologia data-driven. Questa, infatti, consente di raccoglie dati in tempo reale che vengono poi analizzati con algoritmi intelligenti che calcolano le azioni correttive necessarie per mantenere la pressione a un valore ottimale. In caso di sistemi particolarmente complessi, il sistema è in grado di prevedere i cambiamenti nella domanda o nelle condizioni della rete sfruttando l’analisi predittiva e l’intelligenza artificiale

Un sistema di questo tipo deve quindi unire capacità di monitoraggio da un lato e capacità di controllo dall’altro.

La soluzione ideale deve integrare di conseguenza:

– funzionalità di Edge Computing, che permettono risposte più rapide e rendono il sistema più robusto ed affidabile.

– Intelligenza Artificiale per la gestione dei big data, in grado di trovare un modello per classificare le informazioni, prendere decisioni o prevedere l’andamento futuro degli eventi.

– Cybersecurity, fondamentale per la protezione dei dati di questo tipo.

– Capacità di ridurre le inefficienze legate alle variazioni di domanda e offerta di gas, per assicurare la continuità del servizio.

Con queste caratteristiche, il sistema risulta in grado di stimare il fabbisogno richiesto dalle utenze in ogni ciclo di esecuzione, e di correggere quando necessario i parametri di gestione della rete per mantenere la pressione al minimo nelle ore in cui la domanda è minore e aumentarla quando aumenta anche la richiesta degli utenti.

Il risultato? Una compensazione ottimale che limita le fughe e assicura al tempo stesso una gestione efficiente della rete.

La soluzione Automa: la tecnologia GOLEM

La tecnologia GOLEM di AUTOMA, sviluppata per controllare dinamicamente i regolatori, regola anche la pressione su richiesta al fine di ridurre le emissioni e ottimizzare le portate.

Semplificando al massimo, possiamo dire che GOLEM trasforma qualsiasi regolatore di pressione esistente in un elemento che può essere controllato da remoto. In questo modo è possibile controllare a distanza la pressione del gas in base a un valore desiderato, sia esso una misura che viene da fondo rete o una misura locale nel GRF.

Il sistema permette ad esempio di impostare profili giornalieri di pressione, ovvero di inseguire delle portate o delle pressioni target. Grazie alle protezioni integrate, come i limiti meccanici e le riserve di energia, GOLEM assicura un funzionamento continuo e affidabile.

GOLEM, inoltre, si caratterizza per la capacità di rendere dinamica e automatica la regolazione della pressione del gas senza richiedere modifiche sostanziali agli impianti esistenti, integrandosi con facilità su valvole già presenti, sia ad azione diretta che pilotata. Un altro vantaggio rilevante è che GOLEM non richiede l’utilizzo del venting, un aspetto di rilievo specialmente dopo che il nuovo Regolamento europeo sulle emissioni ne ha vietato l’uso nei processi industriali.

A differenza di altre soluzioni simili presenti sul mercato, l’applicazione di GOLEM non è limitata al controllo remoto del gas nelle reti di distribuzione di gas naturale: infatti, è stato progettato per gestire anche l’iniezione di biometano all’interno delle reti del gas naturale, affrontando così la crescente necessità di integrare fonti rinnovabili nelle reti di distribuzione.

AUTOMA sviluppa soluzioni hardware e software peril monitoraggio e il controllo remoto delle reti di trasporto e distribuzione del gas, funzionali alla loro gestione operativa

Siamo nati nel 1987 in Italia, e oggi oltre 50.000 dispositivi Automa sono installati in più di 40 Paesi nel mondo.

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