Nella prima puntata abbiamo presentato la norma nelle sue linee generali, ed evidenziato alcuni aspetti formali che a nostro modesto parere sono sbagliati o contraddittori con altre normative esistenti.
Nel presente articolo entreremo nel dettaglio delle procedure, stabilite dalla VDI 4630/2014, che creano inutili complicazioni per i laboratori che si occupano della biologia degli impianti di biogas, o sono addirittura concettualmente sbagliate.
Segnaleremo inoltre alcune procedure che sono già oggetto di norme ad hoc, ma che gli esperti del VDI hanno inspiegabilmente tralasciato.
Il capitolo 5 è dedicato ai metodi di campionamento dei substrati e alla preparazione dei campioni.
E' innegabile che la rappresentatività del campione sia fondamentale per l'affidabilità del risultato, ma il contenuto del capitolo 5 appare piuttosto difficile da applicare nella pratica.
Ci sembra eccessivo definire che per prelevare un campione di biomassa per una prova di BMP, ad esempio del banale letame di stalla, sia necessario inviare un tecnico appositamente qualificato da una serie di corsi professionali, senza definire però quali siano essi ed i loro contenuti.
Per quanto riguarda la preparazione del campione previa alla prova, la disposizione secondo la quale è necessario triturare i materiali di granulometria grossolana fino a raggiungere valori inferiori a 10 mm è ragionevole. Le successive disposizioni metodologiche, separazione e pesatura degli inerti, vagliatura con una maglia da 10 mm, riduzione pezzatura…, sono scientificamente difendibili, ma troppo laboriose e quindi poco pratiche.
In particolare, appare grottesca la seguente specificazione: "la riduzione della pezzatura deve realizzarsi con un vaglio e un palo di legno duro di diametro compreso fra 10 e 50 mm". Risulta impossibile immaginare come l'utilizzo di altri mezzi di triturazione, o un diverso materiale o diametro del palo, potrebbero influenzare il risultato delle prove biologiche.
Infine, non si capisce per quale motivo il comitato del VDI abbia deciso di redigere un capitolo sul campionamento delle biomasse da digestione anaerobica quando esiste già una norma ISO per il campionamento delle biomasse combustibili (ISO/TC 238/WG 06 - Solid biofuels: sampling and sample preparation), la quale si potrebbe applicare tout court, con solo qualche piccolo adattamento.
Il successivo capitolo 6 è una collezione di rimandi ad altre norme DIN (24 in totale) ed inoltre a metodiche non normalizzate, ma riconducibili a prodotti di manifattura tedesca.
Fra queste ultime non poteva mancare il FOS/TAC, inutile prova per la quale una importante fazione del mondo del biogas (industriale e anche accademico) sembra nutrire ancora una fede quasi religiosa (si veda in merito il nostro articolo Ridimensionando l'importanza del test FOS/TAC).
Se consideriamo che il costo medio di una norma si aggira attorno ai 120 euro, un laboratorio che volesse avviarsi alla realizzazione di prove di BMP, dovrebbe spendere non meno di 2.800 euro in norme da studiare, senza contare tutta l'attrezzatura per l'adempimento alle stesse; fatto che virtualmente impedisce l'entrata delle startup e piccole aziende nel mercato della gestione biologica degli impianti.
Il capitolo 7 è dedicato alle prove biologiche e contiene alcune contraddizioni.
Da una parte regola le prove e impone l'uso di reattori a tenuta stagna, preferibilmente di vetro, aventi volumi compresi fra 0,5 l e 2 l, ai sensi delle norme DIN 38414-8 oppure DIN EN ISO 11734.
Tali norme si applicano però ai fanghi fognari e prevedono reattori privi di agitazione (eudiometri o reattori barometrici); mentre negli impianti agricoli la agitazione gioca un ruolo importante e non può essere tralasciata, quindi dovrebbe essere obbligatoria nella prova di laboratorio.
Figura 1: Principio di funzionamento dell'eudiometro
Figura 2: Eudiometro "da museo" conservato al Ciemat di Madrid
A questo punto sorge una domanda banale, ma legittima: a che cosa serve la VDI 4630 se rimanda alle norme, esistenti, sul trattamento dei fanghi fognari?
Riteniamo che non sia utile per la gestione degli impianti agricoli, in quanto non risolve il problema enunciato nel suo scopo (la grande variabilità dei risultati del BMP) perché alla fine anche gli strumenti di misura più inaccurati risultano ammissibili.
Inoltre, qualche linea dopo la definizione dei reattori, la norma fa una eccezione a sé stessa, dichiarando ammissibile in alcuni casi il sistema Hohenheim, basato su siringhe da 100 ml.
Tale eccezione sembra avere lo scopo di avvantaggiare una categoria di fornitori e laboratori tedeschi che ancora sono ancorati a tale sistema.
Infatti non vi è una giustificazione scientifica attendibile del metodo Hohenheim, essendo lo stesso poco preciso nonché poco accurato e le sue condizioni di prova molto diverse da quelle di un impianto di biogas.
Figura 3: Il sistema Hohenheim
Altro aspetto critico, non marginale, è la mancata rispondenza del capitolo 7 alle direttive ISO/IEC, Part 2 - Principles and rules for the structure and drafting of ISO and IEC documents, le quali definiscono il protocollo da seguire per la redazione di norme tecniche.
Le menzionate direttive raccomandano d'indicare il metodo ottimale per realizzare una misurazione corretta nel caso esistano nel mercato diversi tipi di strumentazione preposta, indicare il limite massimo ammissibile di errore della misura e infine la tolleranza con la quale vanno espressi i risultati.
L'errore di misura è di particolare importanza nel caso di misurazione del BMP, poiché ha una rilevanza economica e ne spieghiamo i termini con un esempio pratico.
Immaginiamo di voler determinare il prezzo di una partita di biomasse. Lo stesso è funzione dell'effettiva resa di metano in condizioni anaerobiche, che per logica di cose dovrebbero essere il più possibile vicine alle condizioni di fermentazione, tipiche di un impianto di biogas.
Secondo la VDI 4630/2014, un eudiometro, una siringa Hohenheim, un sistema barometrico e un contatore volumetrico sono tutti strumenti ammessi.
Nonostante molti di loro misurano in condizioni molto diverse da quelle industriali, e ciascuno comporta un margine d'errore tipico, il quale non consente la comparazione diretta dei risultati.
In altri termini, la norma non stabilisce come debbano essere calcolate le tolleranze di misura (errore), quindi ogni laboratorio presenterà un valore unico come risultato.
Rimane dunque irrisolto il problema della definizione di un range di tolleranza dei risultati e dunque ogni laboratorio può legalmente dire che il suo risultato puntuale è corretto, anche se sbagliato, o quanto meno soggetto ad un margine d'incertezza intrinseca.
In ogni caso, la norma stabilisce che i risultati delle prove debbano essere espressi in Nl/kg SV (litri di metano in condizioni normali per kg di solidi volatili) ma non considera minimamente l'errore di normalizzazione.
Secondo ricerche condotte all'Università di Lund (Towards eliminating systematic errors caused by the experimental conditions in Biochemical Methane Potential (BMP) tests, Waste Management n.34, 2014), quando si utilizzano strumenti privi di correzione in tempo reale, come appunto l'eudiometro o le siringhe Hohenheim, nei casi più estremi l'errore di normalizzazione può arrivare all'80%.
Figura 4: L'AMPTS II è l'unico strumento esistente che elimina automaticamente l'errore di normalizzazione, l'umidità del gas, e l'errore di misurazione del tenore di metano.
Il punto 7.3.1. della norma fornisce formule di calcolo del BMP molto dettagliate, ma valide solo per il metodo barometrico.
Nonostante le formule arrivino al punto di definire come calcolare la correzione per l'umidità del biogas, tralasciano un aspetto che in genere comporta errori molto più grossolani: l'errore nella determinazione della composizione chimica del biogas, principale punto debole del metodo barometrico, oltre alla sua tipica mancanza di un sistema di agitazione.
Seguono poi delle formule di correzione nel caso delle prove con insilati (si veda in proposito il nostro articolo Errori nel calcolo del BMP degli insilati).
Da un punto di vista puramente scientifico, tale approccio è corretto, ma aggiunge inutile complessità alla prova, incrementando il costo della gestione biologica dell'impianto. L'aspetto più sconcertante, metrologicamente sbagliato, della VDI 4630/2014 è il punto 7.3.3: Validità delle misurazioni.
Stando alla norma, la semplice realizzazione di prove per triplicato, con dispersioni dei singoli valori inferiori al 15% rispetto alla media (e massimo il 20% nel caso di substrati molto eterogenei come la FORSU), sarebbe garanzia di attendibilità del risultato.
Desta meraviglia che nel paese della normalizzazione diffusa di prodotti e processi, una commissione tecnica confonda due concetti metrologicamente diversi: la precisione (cioè poca dispersione dei risultati) con l'accuratezza (cioè scostamento del valore misurato rispetto al valore vero).
In particolare, risulta ancora più incomprensibile la confusione se consideriamo che esistono delle norme apposite sulla precisione e l'accuratezza di una misurazione, tra le quali:
Il capitolo 9 è dedicato alle prove in continuo. Seppure per certi aspetti della conduzione degli impianti di biogas sia utile l'inclusione delle stesse, il lavoro da dedicare durante lunghi intervalli di tempo, le rende poco pratiche, più adatte al mondo accademico che a quello industriale.
A nostro modesto parere, la conduzione di tali prove dovrebbe essere oggetto di una norma indipendente.
Nell'allegato H è riportato un esempio di calcolo, che è allo stesso tempo un tipico esempio di presuntuosità accademica ed ignoranza delle norme metrologiche esistenti.
Nella tabella H1 le produzioni giornaliere di gas vengono espresse con virgola e un decimale.
Va sottolineato che, nelle abituali condizioni di prova, difficilmente si raggiunge un errore complessivo inferiore al 3% quando si utilizzano gli strumenti più moderni e accurati. Quindi, esprimere una misura come ad esempio 90,1 Nml/gSV non ha alcun senso, in quanto il valore vero potrebbe essere qualsiasi numero compreso fra 87 e 93.
Le procedure da laboratorio stabilite dal NREL (National renewable energy laboratory statunitense), benché non abbiano lo status di norma, sono molto chiare in merito e adottate dalla maggioranza di istituti di ricerca, americani e non solo.
Stupisce dunque che gli accademici tedeschi non ne abbiano tenuto conto o, ancora peggio, non ne conoscano l'esistenza.
Conclusioni
Come diceva Miguel de Cervantes Saavedra nella sua celebre opera Don Quixote: "Non esiste un libro così cattivo che non contenga qualcosa di buono".
La VDI 4630/2014 contiene certamente diversi aspetti positivi, come ad esempio alcune formule per l'applicazione dei risultati delle prove batch ai digestori continui degli impianti industriali.
Tuttavia, in linee generali, è difficile e costosa la sua applicazione pratica, inutilmente prolissa, ricca di contraddizioni ed errori concettuali dal punto di vista metrologico, che rendono discutibili i risultati ottenuti con tale protocollo.
Nel presente articolo entreremo nel dettaglio delle procedure, stabilite dalla VDI 4630/2014, che creano inutili complicazioni per i laboratori che si occupano della biologia degli impianti di biogas, o sono addirittura concettualmente sbagliate.
Segnaleremo inoltre alcune procedure che sono già oggetto di norme ad hoc, ma che gli esperti del VDI hanno inspiegabilmente tralasciato.
Il capitolo 5 è dedicato ai metodi di campionamento dei substrati e alla preparazione dei campioni.
E' innegabile che la rappresentatività del campione sia fondamentale per l'affidabilità del risultato, ma il contenuto del capitolo 5 appare piuttosto difficile da applicare nella pratica.
Ci sembra eccessivo definire che per prelevare un campione di biomassa per una prova di BMP, ad esempio del banale letame di stalla, sia necessario inviare un tecnico appositamente qualificato da una serie di corsi professionali, senza definire però quali siano essi ed i loro contenuti.
Per quanto riguarda la preparazione del campione previa alla prova, la disposizione secondo la quale è necessario triturare i materiali di granulometria grossolana fino a raggiungere valori inferiori a 10 mm è ragionevole. Le successive disposizioni metodologiche, separazione e pesatura degli inerti, vagliatura con una maglia da 10 mm, riduzione pezzatura…, sono scientificamente difendibili, ma troppo laboriose e quindi poco pratiche.
In particolare, appare grottesca la seguente specificazione: "la riduzione della pezzatura deve realizzarsi con un vaglio e un palo di legno duro di diametro compreso fra 10 e 50 mm". Risulta impossibile immaginare come l'utilizzo di altri mezzi di triturazione, o un diverso materiale o diametro del palo, potrebbero influenzare il risultato delle prove biologiche.
Infine, non si capisce per quale motivo il comitato del VDI abbia deciso di redigere un capitolo sul campionamento delle biomasse da digestione anaerobica quando esiste già una norma ISO per il campionamento delle biomasse combustibili (ISO/TC 238/WG 06 - Solid biofuels: sampling and sample preparation), la quale si potrebbe applicare tout court, con solo qualche piccolo adattamento.
Il successivo capitolo 6 è una collezione di rimandi ad altre norme DIN (24 in totale) ed inoltre a metodiche non normalizzate, ma riconducibili a prodotti di manifattura tedesca.
Fra queste ultime non poteva mancare il FOS/TAC, inutile prova per la quale una importante fazione del mondo del biogas (industriale e anche accademico) sembra nutrire ancora una fede quasi religiosa (si veda in merito il nostro articolo Ridimensionando l'importanza del test FOS/TAC).
Se consideriamo che il costo medio di una norma si aggira attorno ai 120 euro, un laboratorio che volesse avviarsi alla realizzazione di prove di BMP, dovrebbe spendere non meno di 2.800 euro in norme da studiare, senza contare tutta l'attrezzatura per l'adempimento alle stesse; fatto che virtualmente impedisce l'entrata delle startup e piccole aziende nel mercato della gestione biologica degli impianti.
Il capitolo 7 è dedicato alle prove biologiche e contiene alcune contraddizioni.
Da una parte regola le prove e impone l'uso di reattori a tenuta stagna, preferibilmente di vetro, aventi volumi compresi fra 0,5 l e 2 l, ai sensi delle norme DIN 38414-8 oppure DIN EN ISO 11734.
Tali norme si applicano però ai fanghi fognari e prevedono reattori privi di agitazione (eudiometri o reattori barometrici); mentre negli impianti agricoli la agitazione gioca un ruolo importante e non può essere tralasciata, quindi dovrebbe essere obbligatoria nella prova di laboratorio.
Figura 1: Principio di funzionamento dell'eudiometro
(Fonte foto: © Wikipedia)
Figura 2: Eudiometro "da museo" conservato al Ciemat di Madrid
(Fonte foto: © Mario A. Rosato)
L'eudiometro è stato inventato da Alessandro Volta alla fine del XVIII secolo. E' uno strumento di basso costo, da considerare valido solo per scopi didattici o semplici prove stechiometriche
A questo punto sorge una domanda banale, ma legittima: a che cosa serve la VDI 4630 se rimanda alle norme, esistenti, sul trattamento dei fanghi fognari?
Riteniamo che non sia utile per la gestione degli impianti agricoli, in quanto non risolve il problema enunciato nel suo scopo (la grande variabilità dei risultati del BMP) perché alla fine anche gli strumenti di misura più inaccurati risultano ammissibili.
Inoltre, qualche linea dopo la definizione dei reattori, la norma fa una eccezione a sé stessa, dichiarando ammissibile in alcuni casi il sistema Hohenheim, basato su siringhe da 100 ml.
Tale eccezione sembra avere lo scopo di avvantaggiare una categoria di fornitori e laboratori tedeschi che ancora sono ancorati a tale sistema.
Infatti non vi è una giustificazione scientifica attendibile del metodo Hohenheim, essendo lo stesso poco preciso nonché poco accurato e le sue condizioni di prova molto diverse da quelle di un impianto di biogas.
Figura 3: Il sistema Hohenheim
(Fonte foto: © Jana Pisarcikova, Accademia slovacca di Scienze)
L'errore di tale strumento nella misura del BMP può arrivare all'80% nei casi più estremi
Altro aspetto critico, non marginale, è la mancata rispondenza del capitolo 7 alle direttive ISO/IEC, Part 2 - Principles and rules for the structure and drafting of ISO and IEC documents, le quali definiscono il protocollo da seguire per la redazione di norme tecniche.
Le menzionate direttive raccomandano d'indicare il metodo ottimale per realizzare una misurazione corretta nel caso esistano nel mercato diversi tipi di strumentazione preposta, indicare il limite massimo ammissibile di errore della misura e infine la tolleranza con la quale vanno espressi i risultati.
L'errore di misura è di particolare importanza nel caso di misurazione del BMP, poiché ha una rilevanza economica e ne spieghiamo i termini con un esempio pratico.
Immaginiamo di voler determinare il prezzo di una partita di biomasse. Lo stesso è funzione dell'effettiva resa di metano in condizioni anaerobiche, che per logica di cose dovrebbero essere il più possibile vicine alle condizioni di fermentazione, tipiche di un impianto di biogas.
Secondo la VDI 4630/2014, un eudiometro, una siringa Hohenheim, un sistema barometrico e un contatore volumetrico sono tutti strumenti ammessi.
Nonostante molti di loro misurano in condizioni molto diverse da quelle industriali, e ciascuno comporta un margine d'errore tipico, il quale non consente la comparazione diretta dei risultati.
In altri termini, la norma non stabilisce come debbano essere calcolate le tolleranze di misura (errore), quindi ogni laboratorio presenterà un valore unico come risultato.
Rimane dunque irrisolto il problema della definizione di un range di tolleranza dei risultati e dunque ogni laboratorio può legalmente dire che il suo risultato puntuale è corretto, anche se sbagliato, o quanto meno soggetto ad un margine d'incertezza intrinseca.
In ogni caso, la norma stabilisce che i risultati delle prove debbano essere espressi in Nl/kg SV (litri di metano in condizioni normali per kg di solidi volatili) ma non considera minimamente l'errore di normalizzazione.
Secondo ricerche condotte all'Università di Lund (Towards eliminating systematic errors caused by the experimental conditions in Biochemical Methane Potential (BMP) tests, Waste Management n.34, 2014), quando si utilizzano strumenti privi di correzione in tempo reale, come appunto l'eudiometro o le siringhe Hohenheim, nei casi più estremi l'errore di normalizzazione può arrivare all'80%.
Figura 4: L'AMPTS II è l'unico strumento esistente che elimina automaticamente l'errore di normalizzazione, l'umidità del gas, e l'errore di misurazione del tenore di metano.
La sua precisione e accuratezza sono pari all'1% e fornisce agitazione e condizioni di misura comparabili con quelle di un impianto a scala reale. Nonostante tutto ciò, il suo errore tipico per una prova di BMP si aggira fra il 2% ed il 3%.
(Foto cortesia di Bioprocess Control AB)
Il punto 7.3.1. della norma fornisce formule di calcolo del BMP molto dettagliate, ma valide solo per il metodo barometrico.
Nonostante le formule arrivino al punto di definire come calcolare la correzione per l'umidità del biogas, tralasciano un aspetto che in genere comporta errori molto più grossolani: l'errore nella determinazione della composizione chimica del biogas, principale punto debole del metodo barometrico, oltre alla sua tipica mancanza di un sistema di agitazione.
Seguono poi delle formule di correzione nel caso delle prove con insilati (si veda in proposito il nostro articolo Errori nel calcolo del BMP degli insilati).
Da un punto di vista puramente scientifico, tale approccio è corretto, ma aggiunge inutile complessità alla prova, incrementando il costo della gestione biologica dell'impianto. L'aspetto più sconcertante, metrologicamente sbagliato, della VDI 4630/2014 è il punto 7.3.3: Validità delle misurazioni.
Stando alla norma, la semplice realizzazione di prove per triplicato, con dispersioni dei singoli valori inferiori al 15% rispetto alla media (e massimo il 20% nel caso di substrati molto eterogenei come la FORSU), sarebbe garanzia di attendibilità del risultato.
Desta meraviglia che nel paese della normalizzazione diffusa di prodotti e processi, una commissione tecnica confonda due concetti metrologicamente diversi: la precisione (cioè poca dispersione dei risultati) con l'accuratezza (cioè scostamento del valore misurato rispetto al valore vero).
In particolare, risulta ancora più incomprensibile la confusione se consideriamo che esistono delle norme apposite sulla precisione e l'accuratezza di una misurazione, tra le quali:
- BIPM (Bureau international des poids et mesures), Evaluation of measurement data. Guide to the expression of uncertainty in Mmasurement, JCGM 100, First edition, 2008
- ISO/IEC Guide 98-1:2009 Uncertainty of measurement - Part 1: Introduction to the expression of uncertainty in measurement
- ISO/IEC Guide 98-3:2008 Uncertainty of measurement - Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995)
Il capitolo 9 è dedicato alle prove in continuo. Seppure per certi aspetti della conduzione degli impianti di biogas sia utile l'inclusione delle stesse, il lavoro da dedicare durante lunghi intervalli di tempo, le rende poco pratiche, più adatte al mondo accademico che a quello industriale.
A nostro modesto parere, la conduzione di tali prove dovrebbe essere oggetto di una norma indipendente.
Nell'allegato H è riportato un esempio di calcolo, che è allo stesso tempo un tipico esempio di presuntuosità accademica ed ignoranza delle norme metrologiche esistenti.
Nella tabella H1 le produzioni giornaliere di gas vengono espresse con virgola e un decimale.
Va sottolineato che, nelle abituali condizioni di prova, difficilmente si raggiunge un errore complessivo inferiore al 3% quando si utilizzano gli strumenti più moderni e accurati. Quindi, esprimere una misura come ad esempio 90,1 Nml/gSV non ha alcun senso, in quanto il valore vero potrebbe essere qualsiasi numero compreso fra 87 e 93.
Le procedure da laboratorio stabilite dal NREL (National renewable energy laboratory statunitense), benché non abbiano lo status di norma, sono molto chiare in merito e adottate dalla maggioranza di istituti di ricerca, americani e non solo.
Stupisce dunque che gli accademici tedeschi non ne abbiano tenuto conto o, ancora peggio, non ne conoscano l'esistenza.
Conclusioni
Come diceva Miguel de Cervantes Saavedra nella sua celebre opera Don Quixote: "Non esiste un libro così cattivo che non contenga qualcosa di buono".
La VDI 4630/2014 contiene certamente diversi aspetti positivi, come ad esempio alcune formule per l'applicazione dei risultati delle prove batch ai digestori continui degli impianti industriali.
Tuttavia, in linee generali, è difficile e costosa la sua applicazione pratica, inutilmente prolissa, ricca di contraddizioni ed errori concettuali dal punto di vista metrologico, che rendono discutibili i risultati ottenuti con tale protocollo.
