Stato dellarte e prospettive di innovazione nel monitoraggio

Stato dell’arte e prospettive di innovazione nel monitoraggio ambientale, Fire&Gas per impianti offshore Matteo Cocuzza (SEADOG, DISAT– Polito, matteo. cocuzza@polito. it) Roma, 14 Settembre 2016

POLO SEADOG S afety & Environmental Analysis Division for Oil & Gas Polo interdipartimentale sulla sicurezza off-shore per: • la ricerca • il supporto istituzionale • l’integrazione delle competenze • la disseminazione della conoscenza Il polo SEADOG nasce nel 2015 nell’ambito di una collaborazione tra il Politecnico di Torino e il MISE – DGS-UNMIG per attività di supporto alle istituzioni e ricerca sui temi della sicurezza off-shore MISE DGS-UNMIG SEADOG POLITO

GRUPPO DI LAVORO E COMPETENZE Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI) con competenze nel settore della geologia e ingegneria del petrolio Dipartimento Energia (DENERG) con competenze nel settore dell’analisi di rischio e della simulazione di incidenti Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT) con competenze nel settore della progettazione di dispositivi e sensori miniaturizzati di ultima generazione

Chi. Lab – DISAT – POLITECNICO DI TORINO • • Mission fundamental research on materials and processes for micro- and nano-technologies design and fabrication of MEMS and nanostructures technological transfer education Class 100 [15 m 2] Class 1000 [45 m 2] Class 10. 000 [90 m 2] Total area 150 m 2 http: //www. polito. it/micronanotech

Chi. Lab – MEMS Technology & Engineering ü Set-up of different technological processes and fabrication of microstructures, suspended microstructures (cantilevers and arrays of cantilevers, microbridges, membranes, …), microsensors and microactuators ü Engineering & fully automated customised solutions

MONITORAGGIO AMBIENTALE - CONTESTO Sebbene non esplicitamente contemplato dal Dlgs 18 agosto 2015, n. 145, il monitoraggio ambientale nell’intorno delle piattaforme offshore rientra comunque nelle competenze e nelle prescrizioni per i Piani di Monitoraggio delle stesse a cura del Ministero dell’Ambiente § Attualmente, il monitoraggio delle acque marine nei pressi di siti di produzione petrolifera off-shore avviene con cadenza bimestrale o annuale § Raccolta in-situ di campioni di acqua che poi vengono analizzati in laboratori a terra, utilizzando principalmente tecniche cromatografiche o spettroscopiche per l’identificazione dell’analita organico/inorganico, eventualmente presente nel campione § Survey episodici v breve durata v limitati da disponibilità di mezzi e personale v subordinati alle condizioni ambientali, particolarmente critiche in aree remote o in contesti ambientali estremi v «fotografia» della situazione attuale v limitate possibilità di comprendere le dinamiche dei fenomeni in atto e le correlazioni fra di essi v elevato rischio di intervento ritardato in caso di contaminazioni puntuali v aumento dei rischi per l’ambiente e per la salute e dei relativi costi associati

MONITORAGGIO AMBIENTALE – PIATTAFORMA SENSORISTICA § Funzionalità v campionare con cadenza almeno giornaliera le acque nei pressi di un sito di interesse v attivare una procedura di ON/OFF sulla presenza o meno di contaminanti organici/inorganici potenzialmente presenti v predisporre i campioni raccolti per una più accurata e quantitativa analisi a terra in caso di allarme attivato § Vantaggi attesi v monitoraggio di più parametri contemporaneamente v monitoraggio prolungato nel tempo v maggiore frequenza di campionamento/analisi v più ampia copertura spaziale nell’intorno della piattaforma v monitoraggio «dove e quando non altrimenti possibile» v piattaforma «low cost» e ad elevato rapporto benefici/costi

MONITORAGGIO AMBIENTALE - PROGETTAZIONE q Studio e progetto di una piattaforma sensoristica “general purpose”, non ancora focalizzata su uno specifico analita (contaminante) • modulare ed espandibile customizzabile rispetto a specifici analiti ed integrabile per il sensing multi -parametrico

MONITORAGGIO AMBIENTALE - PROGETTAZIONE q Studio e progetto di una piattaforma sensoristica “general purpose”, non ancora focalizzata su uno specifico analita (contaminante) • analisi basata su tecnologia microfluidica (Lab-On-Chip) riduzione volumi campione e reagenti, riduzione budget energetico, riduzione tempi di analisi

MONITORAGGIO AMBIENTALE - PROGETTAZIONE q Studio e progetto di una piattaforma sensoristica “general purpose”, non ancora focalizzata su uno specifico analita (contaminante) • predisposizione verso integrazione di funzionalità avanzate di energy harvesting, storage energetico, comunicazione wireless dati e stato piattaforma (auto-diagnosi) mediante tecnologie robuste e consolidate Microbial fuel cells ENVIRONMENTAL MONITORING Continuous power generation Self-sustainable harvesting to power remote sensors and electronics in remote area Supercacitors Floating photovoltaic

MONITORAGGIO AMBIENTALE – CASE STUDY q «Case study» : progetto implementativo per la customizzazione della piattaforma per rivelare ioni metallici pesanti (Zn, Cr, Ni, Cu, …) § Bioaccumulo I metalli pesanti si accumulano attraverso la catena alimentare spostandosi da un livello trofico al successivo, la quantità di sostanza tossica accumulata aumenta sempre di più; in questo modo gli organismi predatori al vertice delle catene alimentari di taglia maggiore (tonni, squali, delfini e in ultima istanza l’uomo) sono anche i più esposti al rischio di grave intossicazione. § EU Water Framework Directive, 2000/60/EC Cd e Hg compresi tra le PHS, Pb tra le PSR e Ni tra le PS § Produced Formation Water (PFW) e fanghi e fluidi di perforazione possono contenere significative e pericolose concentrazioni di metalli pesanti

MONITORAGGIO AMBIENTALE – CASE STUDY

MONITORAGGIO FIRE&GAS - CONTESTO § Monitoraggio Fire&Gas in ambito offshore più successi che fallimenti, ma le statistiche di “failure” sono ancora significative v l’Hydrocarbons Releases database (UK) rivela che, per i moduli aperti, l’efficacia di rivelazione è di circa il 60% (Mare del Nord) v Thyer A. M. , Off-shore Ignition Probability Arguments, Report Number HSL/2005/50 circa il 44% di tutte le emissioni di gas, e il 38% delle maggiori emissioni di gas sono risultate non rilevate dai sensori di gas installati v evidenze di incidenti e intossicazioni da CO e H 2 S (HSE Safety Alert n. 256, 2 Gennaio 2008, HSE Safety Alert n. 22, 28 Febbraio 2014, …) § Complesso mix di aree aperte e chiuse, aree a basso e ad alto livello, estrema diversità di gas pericolosi potenzialmente rilasciabili, presenza di potenziali trappole o sacche di accumulo, varietà di condizioni operative ed ambientali che possono influenzare l'affidabilità dei sistemi di rilevamento gas § Complessità nei modelli di ventilazione e nella dimensione e composizione dei moduli costitutivi estremamente difficile la corretta localizzazione dei rilevatori di gas la disponibilità di rivelatori non è garanzia per il rilevamento § Ulteriori potenziali criticità v selezione errata dei rilevatori v carenze nella progettazione, localizzazione, installazione, taratura e manutenzione dei rilevatori v scarsa conoscenza dei limiti di un determinato principio di rilevamento da parte degli utenti

MONITORAGGIO FIRE&GAS – IPOTESI MIGLIORATIVE q Formulazione di ipotesi di lavoro migliorative rispetto all’esistente e contemplanti: § impiego di nuove tecnologie (micro e nanotecnologie) robuste, consolidate e già disponibili presso il Team proponente per lo studio e la realizzazione di un sensore di gas innovativo § progettazione di sistemi di rilevazione fire&gas con approccio risk-based attività di simulazione di incidente per identificare le aree coinvolte dalla nube di gas rilasciati ottimizzazione delle scelte relative alla tipologia di sensori da installare, alla loro localizzazione e al loro numero (grid array) in modo da massimizzare la confidenza di reale allertamento in caso di incidente q « Case study» rilevazione H 2 S § La rivelazione di H 2 S è strategicamente importante per molti scenari applicativi in ambito oil&gas a causa della sua pericolosità intrinseca: − Gas incolore, odore pungente, tossicità ad ampio spettro (sistema nervoso e respirazione sono i primi sistemi ad essere attaccati a seguito di esposizione) − OSHA (Occupational Safety & Health Administration ) Acceptable Ceiling Concentration = 20 ppm − API (American Petroleum Institute) 8 hr-TWA (Time Weighted Average) = 10 ppm − HSE (Health and Safety Executive UK) 8 hr-TWA (Time Weighted Average) = 5 ppm − Standard NORSOK S-001 raccomanda di settare i limiti di allarme tra 1 e 20 ppm − ACGIH (American Conference of Governmental Hygienists) 8 hr-TWA (Time Weighted Average) = 1 ppm

MONITORAGGIO FIRE&GAS – RILEVAZIONE H 2 S q « Case study» rilevazione H 2 S § Studio di un sensore per il monitoraggio di H 2 S a stato solido con caratteristiche innovative (sensibilità, selettività programmabile, basso consumo, basso costo) rispetto all’esistente, e che faccia uso dell’integrazione di più tecnologie avanzate: v nanotecnologie crescita del materiale attivo sensibile al gas target basato su nanostrutture di ossidi metallici semiconduttivi (Zn. O, Sn. O 2, …) v microtecnologie MEMS microstruttura sospesa (micro-hot-plate) integrante il materiale attivo nanostrutturato § Principali vantaggi attesi: v incremento di sensibilità (potenzialmente frazioni di ppm) v riduzione del budget energetico (dispositivi portatili, delocalizzati, wireless, integrazione con energy harvesting e storage, …) v incremento di selettività mediante array multi-sensore v riduzione dei costi di fabbricazione mediante impiego di processi batch di diretta derivazione dalla tecnologia dei circuiti integrati

MONITORAGGIO FIRE&GAS – SENSORE H 2 S Quasi 1 D nanostructures + FESEM image of Zn. O TPs MEMS = Micro hot plate based gas sensor

MONITORAGGIO FIRE&GAS – SENSORE H 2 S IR thermography image

MONITORAGGIO FIRE&GAS – SENSORE H 2 S T = 300 °C RH = 30 % TGS 825 MEMS -based device LOD 5 ppm 0, 5 ppm (still improvable) Heater power consumption 600 m. W (typical) 150 m. W (typical)

CONCLUSIONI E ATTIVITA’ PREVISTE Monitoraggio ambientale nell’intorno di piattaforme off-shore • Studio e progettazione di una piattaforma modulare e basata sulla tecnologia Lab-On-Chip per il sensing continuo per il monitoraggio ambientale off-shore • Realizzazione dei primi moduli per il Case Study sugli ioni metallici pesanti • Test e debug dei moduli fine 2016 • Test e debug della piattaforma in laboratorio Giugno 2017 • Allestimento piattaforma per prove in campo Dicembre 2017 Monitoraggio fire&gas di impianti off-shore • Studio e progettazione di un sensore per il monitoraggio di H 2 S a stato solido e basato sull’integrazione di micro e nanotecnologie • Test e caratterizzazione dei primi prototipi • Approfondimento della caratterizzazione al variare delle condizioni ambientali (T, RH%, co-presenza di altri gas, …) e rilascio specifiche definitive

Grazie per l’attenzione ! Matteo Cocuzza (SEADOG, DISAT– Polito, matteo. cocuzza@polito. it) Roma, 14 Settembre 2016