Rilascio di bioetanolo. Nel corso degli ultimi anni si è registrato un crescente interesse verso l’economia circolare. In questo ambito la produzione e l’utilizzo dei biocombustibili (sia liquidi sia gassosi) hanno subito una forte accelerazione a causa degli obiettivi imposti dalla politica dell’Unione europea all’interno del quadro per il clima e l’energia, avente come riferimento temporale il 2030. Infatti, gli Stati membri, entro il 2030 anno, dovranno garantire la copertura, mediante fonti rinnovabili, di almeno il 27% del loro fabbisogno energetico. In particolar modo, il bioetanolo, ricavato dalla fermentazione di biomasse lignocellulosiche, è tra i biocombustibili più utilizzati, avendo trovato spazio sia nel settore del riscaldamento civile sia in quello dell’autotrazione (solitamente viene miscelato con la benzina verde). La diffusione di questi vettori energetici rinnovabili genera attenzione verso i potenziali pericoliconnessi con l’esercizio degli impianti dedicati alla loro produzione o al loro stoccaggio. Relativamente al bioetanolo, uno dei possibili pericoli risiede nella formazione di atmosfere potenzialmente esplosive, generate dalla sua evaporazione a seguito di rilasci accidentali, derivanti da anomalie di funzionamento di vari componenti (flange, pompe, valvole ecc.).
Hai già rinnovato l'abbonamento ad Ambiente&Sicurezza? Clicca qui!
Il D.Lgs. 81/2008, recependo quanto indicato dalla direttiva Atex 99/92/Ce, obbliga il datore di lavoro a classificare le aree lavorative con possibile formazione di miscele potenzialmente esplosive (art. 293). Per poter effettuare questa classificazione è possibile utilizzare la norma tecnica Cei En 60079-10-1 (Cei 31-87), in vigore dal 14 ottobre 2018. Nel caso dei liquidi infiammabili, come il bioetanolo, deve essere studiata con accuratezza l’evaporazione da pozza, poiché la portata massica evaporante è una grandezza richiesta per poter determinare il grado di diluizione, che è un parametro fondamentale per valutare se la sorgente di emissione è in grado di generare una zona non pericolosa o pericolosa dal punto di vista della formazione di atmosfere esplosive. Un particolare approccio può essere utile per calcolare in modo più accurato il tasso di evaporazione. Questo approccio si basa sull’utilizzo di uno specifico software, rientrante nella categoria di quelli, che solitamente trovano impiego nella valutazione delle conseguenze degli eventi incidentali (incendi, esplosioni, rilasci di composti tossici ecc.) negli impianti soggetti alla direttiva Seveso.
Rilascio di bioetanolo: classificazione e Clp
Bioetanolo è il termine utilizzato per indicare l’etanolo prodotto attraverso la fermentazione di biomasse e quindi presenta le medesime proprietà chimico-fisiche (vedere la tabella 1) dell’alcool etilico (etanolo), ricavato mediante i processi della chimica tradizionale.
Utilizzando la tabella 2 riportata nel regolamento Ce n.1272/2008, e i dati presenti nella tabella 1, è possibile identificare la categoria (in questo caso è la numero 2) di appartenenza del suddetto biocombustibile.
A questa categoria è associata l’indicazione di pericolo H 225, riferita a liquidi e vapori facilmente infiammabili.
La classificazione dei luoghi di lavoro con possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive
La norma Cei En 60079-10-1 richiede la determinazione di tre parametri per poter stabilire se una sorgente di rilascio è in grado di generare una zona pericolosa a causa della possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive, provocate dalla presenza di gas/vapori infiammabili:
- grado di emissione della sorgente;
- disponibilità della ventilazione;
- grado di diluizione.
Mentre la prima grandezza dipende dalle condizioni di esercizio del componente (potenziale sorgente), le altre due sono dipendenti dalla velocità del vento (luoghi all’aperto) o dalla ventilazione artificiale (aree indoor). Il grado di diluzione può essere determinato mediante l’utilizzo del diagramma, riportato nella norma (vedere diagramma 1), dopo aver precedentemente calcolato la caratteristica di emissione Wg/(ρg·k·LFL):
- uw indica la velocità del flusso di ventilazione (m/s);
- Wg indica la portata massica rilasciata del composto infiammabile (kg/s);
- ρg rappresenta la densità del gas/vapore infiammabile (kg/m3);
- k è un coefficiente di sicurezza (parametro adimensionale), variabile da 0,5 a 1;
- LFL è il limite inferiore di infiammabilità della sostanza infiammabile (% vol/vol).
In caso di liquidi infiammabili, per poter calcolare Wg, è necessario determinare la portata in massa, che evapora dalla pozza. Ciò è particolarmente complesso, poiché sono diversi i fenomeni, che causano l’evaporazione di un liquido:
- il trasporto di materia, legato ai gradienti di concentrazione tra la superficie del liquido e l’atmosfera circostante;
- lo scambio termico con l’atmosfera;
- il contributo dell’irraggiamento solare;
- lo scambio termico col terreno sottostante.
Questi scambi termici sono bilanciati dal calore necessario al liquido per la sua parziale evaporazione. Il primo step che deve essere espletato riguarda l’individuazione della tipologia di liquido, cioè se basso (la sua temperatura di ebollizione è inferiore alla temperatura ambiente) o alto bollente (la sua temperatura di ebollizione è superiore alla temperatura ambiente). Avendo il bioetanolo un punto di ebollizione di 78°C (vedere la tabella 1) deve essere considerato un fluido alto bollente, e, per questa classe, la massa evaporante è influenzata in modo preponderante dal trasporto di materia dalla superficie del liquido all’atmosfera in quanto, essendo le portate in gioco piccole, lo scambio termico con l’ambiente non è solitamente un fattore limitante.
Rilascio di bioetanolo: quali zone pericolose
In un impianto di produzione di bioetanolo o in un deposito adibito al suo stoccaggio sono presenti vari componenti (flange, valvole, pompe ecc.), che, a causa di anomalie di funzionamento, possono essere soggetti a perdite di fluido. La valutazione della frequenza di accadimento dei guasti a flange, valvole e pompe è estremamente complicata e difficile, poiché dipende da molte variabili, tra le quali deve essere considerata anche la manutenzione preventiva. Tuttavia, sono reperibili in letteratura alcuni dati che, in fase preventiva di valutazione, possono fornire indicazioni orientative sull’ordine di grandezza).
È importante sottolineare il fatto che questi dati sono soggetti a oscillazioni, causate principalmente dalla tipologia costruttiva degli elementi, dalle condizioni di esercizio (natura del fluido, pressione e temperatura) e dalla corretta esecuzione degli interventi di manutenzione.
Rilascio di bioetanolo: un caso studio
Il caso studio è stato focalizzato sul rilascio di bioetanolo della flangia (nella foto 1 un esempio di accoppiamento flangiato) che collega al serbatoio di stoccaggio la tubazione di trasferimento del biocombustibile. Questo serbatoio è posizionato in un luogo all’aperto e, per poter determinare la velocità del vento, è stato preso in esame un impianto costruito in una località dell’Italia nord-occidentale e successivamente si è ricorsi ai valori medi annuali del flusso di ventilazione, riportati nell’Atlante eolico italiano per il sito considerato. Il recipiente di stoccaggio ha un grado di riempimento pari al 85% e le seguenti dimensioni:
- raggio: 6 metri;
- altezza: 14 metri.
La tubazione ha un diametro (Dt) di 8 pollici (20,32 cm) e, per valutare il rilascio da flangia, sulla base di quanto riportato nel Purple book del Tno è stato assunto un foro, con un diametro (Df) pari al 10% di Dt.
Rilascio di bioetanolo: risultati e discussione
Il raggio della pozza raggiunge un valore massimo pari a 10,6 m e si riduce a 10,1 m dopo 900 secondi. La sua riduzione è pertanto modesta e pari al 4,7%. Ciò dipende sia dal fatto che il suddetto biocombustibile è alto bollente e sia dall’intensità non elevata del vento. Rispetto ai modelli predittivi, riportati in letteratura e nella normativa tecnica e utilizzati per stimare la portata in massa evaporante da pozza, il software consente di determinare l’andamento temporale della quantità evaporata e quindi, sulla base di questo, calcolare Wg. I modelli predittivi, usati per studiare l’evaporazione di liquidi alto bollenti, si riferiscono a condizioni isotermiche (temperatura costante del liquido che forma lo spandimento), che, però, sono valide solamente per intervalli di tempo estremamente brevi e riconducibili all’inizio dell’evaporazione. Nella realtà, la temperatura della pozza tende a diminuire nella maggior parte dei casi e quindi i modelli predittivi, descritti dalla letteratura, permettono di calcolare il valore massimo del tasso evaporante, senza poter esaminare e studiare il suo andamento rispetto ad un fissato periodo di riferimento. I software, che sono in grado di valutare le conseguenze di eventi incidentali (incendi, esplosioni, rilasci tossici ecc.) nel settore industriale, consentono, invece, di valutare l’andamento nel tempo della massa evaporata, del raggio della pozza e della temperatura del liquido, considerando i contributi degli scambi termici complessivi e pertanto sono caratterizzati da una maggiore accuratezza di calcolo. Questo aspetto non è secondario, in quanto, in presenza di rilasci di liquidi infiammabili, la determinazione della portata, che evapora dalla pozza, ha una forte influenza sul grado di diluizione e, quindi, sulla procedura di classificazione dei luoghi di lavoro con possibile presenza di atmosfere potenzialmente esplosive. Pertanto, un calcolo non accurato di Wg potrebbe causare un’errata valutazione del pericolo di formazione di miscele esplosive e quindi ha delle evidenti ripercussioni sul livello di sicurezza dell’insediamento industriale. Infatti, in base alla classificazione delle zone pericolose, vengono selezionate le apparecchiature e i sistemi protettivi che possono essere utilizzati nelle aree con eventuale presenza di atmosfere esplosive, in modo che non possano costituire sorgenti “efficaci” di innesco. L’approccio illustrato, che si avvale dell’utilizzo di specifici software di calcolo, permette una stima più rigorosa del tasso evaporante rispetto ai modelli predittivi e quindi può costituire un valido supporto per guidare i tecnici nella corretta classificazione delle aree lavorative, in cui si potrebbero generare delle miscele esplosive a causa della presenza di vapori infiammabili, derivanti dall’evaporazione di liquidi infiammabili
Rilascio di bioetanolo: conclusioni
La produzione di biocombustibili può essere particolarmente strategica per il nostro Paese, poiché può contribuire a ridurre la dipendenza dalle fonti energetiche fossili, creando nuovi posti di lavoro. In presenza di vettori energetici infiammabili, come il bioetanolo, risulta cruciale la determinazione della portata evaporante, in quanto questo parametro influenza la procedura di classificazione delle aree con possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive. Un calcolo non rigoroso potrebbe sottovalutare il pericolo di formazione di miscele esplosive e ridurre il livello di sicurezza degli impianti. Pertanto, per garantire una maggiore accuratezza nella determinazione della grandezza, può risultare estremamente utile l’utilizzo di software (come quello usato nello studio illustrato) in grado di valutare le conseguenze di eventi incidentali nel settore industriale. Un ulteriore miglioramento dell’accuratezza di calcolo della massa evaporante può essere conseguito mediante la fluidodinamica computazionale (sistemi Cfd), la quale richiede, però, personale estremamente qualificato e potenti computer, data la complessità della simulazione.
TAB 1 – LE PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE
| Parametro | Valore |
| Limite inferiore di infiammabilità (% v/v) | 3,5 |
| Limite superiore di infiammabilità (% v/v) | 15 |
| Temperature di ebollizione (°C) | 78 |
| Pressione di vapore a 20°C (Pa) | 6000 |
| Flash-point (°C) | 13 |
TAB 2 – CATEGORIE DEI LIQUIDI INFIAMMABILI
| Categoria | Criteri |
| 1 | Flash point < 23°C e punto iniziale di ebollizione ≤ 35°C |
| 2 | Flash point < 23°C e punto iniziale di ebollizione > 35°C |
| 3 | 23°C ≤ Flash point ≤ 60°C |
TABELLA 3 – PARAMETRI PER LO STUDIO DELL’EVAPORAZIONE
| PARAMETRI | VALORI |
| Diametro della tubazione (mm) | 203,2 |
| Diametro del foro (mm) | 20 |
| Coefficiente di scarico | 0,7 |
| Durata del rilascio (s) | 600 |
| Temperatura del bioetanolo stoccato (°C) | 30 |
| Temperatura dell’aria (°C) | 20 |
| Umidità (%) | 50 |
| Velocità del vento a 10 m di altezza (m/s) | 3 |
| Tempo di studio del fenomeno evaporativo (s) | 900 |
Bibliografia
Direttiva 1999/92/Ce del Parlamento europeo e del Consiglio del 16 dicembre 1999 relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al rischio di atmosfere esplosive. Gazzetta Ufficiale delle Comunità europee, 28 Gennaio 2000.
Cei. Cei En 60079-10-1: «Classificazione dei luoghi – atmosfere esplosive per la presenza di gas». Novembre 2016.
Regolamento (Clp) n. 1272/2008 del Parlamento europeo e del Consiglio del 16 dicembre 2008 relativo alla classificazione, all'etichettatura e all'imballaggio delle sostanze e delle miscele che modifica e abroga le direttive 67/548/Cee e 1999/45/Ce e che reca modifica al regolamento (Ce) n. 1907/2006. Gazzetta Ufficiale dell’Unione europea, 31 dicembre 2008.
Crp. «Guideline for quantitative risk assessment -Purple book», dicembre 2005, pag. 47-48.
Lauri R., Grospietro B., Pietrangeli B. «Esempio di classificazione di aree con atmosfere potenzialmente esplosive generate dall’evaporazione di pozze di biocombustibili: un caso studio». Atti del convegno Safap, Bologna 28-29 novembre 2018, pag. 678-687.
