Il recepimento della ISO Guide 98-3:2008 in norma nazionale UNI CEI 70098-3:2016 "Incertezza di misura - Parte 3: Guida all'espressione dell'incertezza di misura" ha determinato l'introduzione delle regole generali per la valutazione e l'espressione dell'incertezza delle misurazioni, con il fine di evidenziarne il livello di accuratezza.
I settori di applicazione della menzionata norma spaziano dal commercio al dettaglio alla ricerca di base, in attività come:
La vendita a peso di una qualsiasi merce richiede necessariamente la sua misurazione esatta, ma l'esattezza di pesata non è mai assoluta, quindi deve essere definita in funzione della quantità e del tipo di merce, secondo appositi standard.
In Italia vige il Decreto legislativo 19 maggio 2016, n. 83, il quale stabilisce il campo di pesata e l'errore massimo ammissibile delle bilance commerciali.
Dal momento che la maggior parte degli impianti di biogas acquistano biomasse e sottoprodotti da terzi, non basta che le caratteristiche metrologiche della pesa utilizzata rispondano al suddetto decreto, vediamo il perché.
La definizione del valore unitario della merce, in funzione del suo potenziale energetico, richiede necessariamente la standardizzazione dei criteri per misurare lo stesso.
Attualmente, nel mercato nazionale, la negoziazione del prezzo delle biomasse avviene in base ai risultati ottenuti da prove in laboratorio, su valori tabellari del potenziale metanigeno e talvolta sulla semplice misurazione in loco della sostanza secca. L'incertezza dei valori adottati spesso comporta liti legali fra venditore e compratore, perché la resa energetica effettiva risulta invariabilmente inferiore alle aspettative.
Nonostante il mercato delle biomasse movimenti diversi milioni di euro all'anno, non esiste alcun regolamento che definisca come misurare il loro BMP (biochemical methane potential, potere metanigeno), né quali siano le caratteristiche che debbano avere gli strumenti affinché i valori misurati siano accettabili e, infine, nemmeno il range di tolleranza delle misurazioni.
Oggi l'unica norma esistente in materia di misurazione del BMP, è carente dal punto di vista metrologico, come segnalato dall'autore in: "Focus critico sulla norma VDI-4630".
A seguito della promulgazione della UNI CEI 70098-3:2016 auspichiamo che il commercio dei sottoprodotti, per la digestione anaerobica, si evolva verso forme più razionali di definizione della qualità degli stessi, a tutela sia del fornitore che del compratore.
In pratica, per promuovere la sua merce, il fornitore oltre a dichiarare una certa resa di metano (il c.d. BMP) ora deve anche specificare la metodologia utilizzata per la sua misurazione e il margine d'errore risultante. La principale ricaduta positiva è la riduzione dei litigi tra il conduttore dell'impianto di biogas e il fornitore dei sottoprodotti poc'anzi descritti.
Purtroppo la norma non arriverà a evitare il rischio di litigi, perché l'effettiva resa di metano di alcune biomasse può variare anche a causa della maggiore o minore biodiversità dell'ecosistema batterico del digestore.
In definitiva, le eventuali discrepanze rilevate confrontando le prove di laboratorio con i risultati ottenuti nell'impianto, non necessariamente originano da errori di misurazione, come molti compratori e venditori di biomasse continuano a sottovalutare.
Si vedano in proposito gli articoli dello stesso autore: "Mitologia e folklore sul potenziale metanigeno di morchie e sanse" e "L'imprevedibile BMP delle sanse".
Gli errori nella determinazione del BMP delle biomasse
Innanzitutto, come vedremo, è fondamentale conoscere il concetto di "errore" o "incertezza" (sinonimi in questo contesto) e il modo corretto di esprimere i valori risultanti dalle misurazioni in laboratorio.
Per approfondimenti segnaliamo la trattazione teorica degli errori nella prova del BMP, pubblicata dettagliatamente nel libro "Manuale per il gestore dell'impianto di biogas", dello stesso autore; mentre gli articoli di questa colonna ("Errori nel calcolo del BMP degli insilati: quali sono e come evitarli" ed "Il BMP: quello sconosciuto") illustrano i principali casi di errori di misurazione in laboratorio che sono da evitare poiché si traducono inevitabilmente in notevoli discrepanze fra la resa di metano attesa e quella effettiva dell'impianto.
Si definisce "errore" o "incertezza" di una misurazione lo scostamento fra il "valore vero" (in genere ignoto) di una qualsiasi grandezza fisica e il suo valore misurato.
L'incertezza di una misura è fondamentalmente legata alle imperfezioni della strumentazione, agli errori umani e agli errori di metodo. Quando la grandezza fisica d'interesse non viene misurata direttamente, ma calcolata su più misurazioni di diverse grandezze, allora l'incertezza del risultato tende ad amplificarsi.
Il BMP delle biomasse è un esempio tipico di questo tipo di errore. In realtà, non esiste uno strumento capace di misurare direttamente il BMP poiché, per definizione, è un valore calcolabile solo mediante la seguente formula:
Dove: C è la produzione di metano del reattore contenente il campione di biomassa; B è la produzione di metano del reattore in bianco; SS è la sostanza secca del campione (chiamata anche "solidi totali", secondo la UNI EN 12880) e c è il suo contenuto di ceneri (misurato secondo la UNI EN 14775).
Figura 1: Esempio di sistema di misurazione volumetrico del tipo detto "contabolle", dotato di sensori di pressione e temperatura e microprocessore per la normalizzazione in tempo reale.
Figura 2: Esempio di sistema di misurazione volumetrico del tipo detto "a spostamento di liquido", costruito artigianalmente.
Quanto sono affidabili i valori di BMP ricavati in laboratorio?
Nel migliore dei casi, utilizzando un sistema volumetrico, dotato di filtri di CO2 e normalizzazione in tempo reale, calibrato con un errore massimo dell'1% e con un inoculo incubato fino a raggiungere produzione del bianco quasi nulla, l'incertezza totale del BMP di un campione di riferimento, calcolata dall'autore secondo le disposizioni della norma UNI CEI 70098-3, è risultata del 2%.
Prove ben fatte, utilizzando strumenti volumetrici dotati di normalizzazione in tempo reale e pesando accuratamente sia l'inoculo che il substrato, possono avere un margine d'incertezza del BMP compreso fra 3% e 5%.
L'entrata in vigore della UNI CEI 70098-3 molto probabilmente comporterà una più corretta espressione dei risultati delle prove di BMP.
Attualmente molti laboratoristi credono, erroneamente, di fornire valori più accurati del BMP esprimendoli con due decimali dopo la virgola.
Vediamo perché tale criterio di precisione è privo di senso scientifico: allo scopo consideriamo una ipotetica biomassa, il cui BMP risulta essere pari a 300,23 Nm3/ton SV (normal-metri cubi per tonnellata di solidi volatili). Se l'incertezza di misurazione risultasse del 3%, ciò significherebbe che il "valore vero" del BMP potrebbe essere un numero qualsiasi compreso fra 291 e 309 Nm3/ton SV.
Esprimere, dunque, il risultato come 300,23 è privo di logica, perché il margine d'errore è tale da non garantire la certezza nemmeno delle unità misurate.
In questo caso, il modo corretto di esprimere il risultato e la sua incertezza sarebbe il seguente: 300 ± 9 Nm3/ton SV (± indica la tolleranza, perché gli errori possono essere sia in eccesso sia in difetto).
Conclusioni
Infine, non possiamo evitare di segnalare che l'entrata in vigore della norma nazionale UNI CEI 70098-3:2016 sia avvenuta in sordina, nonostante sia fondamentale la sua corretta applicazione poiché consente una maggiore trasparenza sul potenziale metanigeno delle biomasse e dunque un maggiore controllo della qualità delle prove di laboratorio.
Una misurazione più accurata del BMP si ripercuoterà inevitabilmente sul prezzo di un qualsiasi sottoprodotto, perché ora sarà necessario indicare anche il metodo con il quale è stato calcolato ed il suo margine d'incertezza, a maggior tutela del compratore.
Nel contempo, l'analisi accurata delle incertezze di misurazione consente di tutelare anche il venditore contro eventuali reclami da parte del gestore dell'impianto di biogas, grazie alla certezza del margine di errore del valore di BMP adottato come base contrattuale.
Infine, ci auspichiamo che anche i gestori degli impianti prendano coscienza che "l'effettiva resa dell'impianto" è un valore risultante da una serie di misure, effettuate con strumenti decisamente più grossolani di quelli da laboratorio, quindi soggetto ad un margine d'incertezza non indifferente. L'amplificazione degli errori di misurazione è il risultato di una serie di teoremi, e la matematica non è un'opinione.
I settori di applicazione della menzionata norma spaziano dal commercio al dettaglio alla ricerca di base, in attività come:
- controllo e assicurazione della qualità di un processo produttivo;
- conformità a leggi e regolamenti;
- ricerca e sviluppo;
- taratura di campioni e strumenti;
- metrologia in generale.
La vendita a peso di una qualsiasi merce richiede necessariamente la sua misurazione esatta, ma l'esattezza di pesata non è mai assoluta, quindi deve essere definita in funzione della quantità e del tipo di merce, secondo appositi standard.
In Italia vige il Decreto legislativo 19 maggio 2016, n. 83, il quale stabilisce il campo di pesata e l'errore massimo ammissibile delle bilance commerciali.
Dal momento che la maggior parte degli impianti di biogas acquistano biomasse e sottoprodotti da terzi, non basta che le caratteristiche metrologiche della pesa utilizzata rispondano al suddetto decreto, vediamo il perché.
La definizione del valore unitario della merce, in funzione del suo potenziale energetico, richiede necessariamente la standardizzazione dei criteri per misurare lo stesso.
Attualmente, nel mercato nazionale, la negoziazione del prezzo delle biomasse avviene in base ai risultati ottenuti da prove in laboratorio, su valori tabellari del potenziale metanigeno e talvolta sulla semplice misurazione in loco della sostanza secca. L'incertezza dei valori adottati spesso comporta liti legali fra venditore e compratore, perché la resa energetica effettiva risulta invariabilmente inferiore alle aspettative.
Nonostante il mercato delle biomasse movimenti diversi milioni di euro all'anno, non esiste alcun regolamento che definisca come misurare il loro BMP (biochemical methane potential, potere metanigeno), né quali siano le caratteristiche che debbano avere gli strumenti affinché i valori misurati siano accettabili e, infine, nemmeno il range di tolleranza delle misurazioni.
Oggi l'unica norma esistente in materia di misurazione del BMP, è carente dal punto di vista metrologico, come segnalato dall'autore in: "Focus critico sulla norma VDI-4630".
A seguito della promulgazione della UNI CEI 70098-3:2016 auspichiamo che il commercio dei sottoprodotti, per la digestione anaerobica, si evolva verso forme più razionali di definizione della qualità degli stessi, a tutela sia del fornitore che del compratore.
In pratica, per promuovere la sua merce, il fornitore oltre a dichiarare una certa resa di metano (il c.d. BMP) ora deve anche specificare la metodologia utilizzata per la sua misurazione e il margine d'errore risultante. La principale ricaduta positiva è la riduzione dei litigi tra il conduttore dell'impianto di biogas e il fornitore dei sottoprodotti poc'anzi descritti.
Purtroppo la norma non arriverà a evitare il rischio di litigi, perché l'effettiva resa di metano di alcune biomasse può variare anche a causa della maggiore o minore biodiversità dell'ecosistema batterico del digestore.
In definitiva, le eventuali discrepanze rilevate confrontando le prove di laboratorio con i risultati ottenuti nell'impianto, non necessariamente originano da errori di misurazione, come molti compratori e venditori di biomasse continuano a sottovalutare.
Si vedano in proposito gli articoli dello stesso autore: "Mitologia e folklore sul potenziale metanigeno di morchie e sanse" e "L'imprevedibile BMP delle sanse".
Gli errori nella determinazione del BMP delle biomasse
Innanzitutto, come vedremo, è fondamentale conoscere il concetto di "errore" o "incertezza" (sinonimi in questo contesto) e il modo corretto di esprimere i valori risultanti dalle misurazioni in laboratorio.
Per approfondimenti segnaliamo la trattazione teorica degli errori nella prova del BMP, pubblicata dettagliatamente nel libro "Manuale per il gestore dell'impianto di biogas", dello stesso autore; mentre gli articoli di questa colonna ("Errori nel calcolo del BMP degli insilati: quali sono e come evitarli" ed "Il BMP: quello sconosciuto") illustrano i principali casi di errori di misurazione in laboratorio che sono da evitare poiché si traducono inevitabilmente in notevoli discrepanze fra la resa di metano attesa e quella effettiva dell'impianto.
Si definisce "errore" o "incertezza" di una misurazione lo scostamento fra il "valore vero" (in genere ignoto) di una qualsiasi grandezza fisica e il suo valore misurato.
L'incertezza di una misura è fondamentalmente legata alle imperfezioni della strumentazione, agli errori umani e agli errori di metodo. Quando la grandezza fisica d'interesse non viene misurata direttamente, ma calcolata su più misurazioni di diverse grandezze, allora l'incertezza del risultato tende ad amplificarsi.
Il BMP delle biomasse è un esempio tipico di questo tipo di errore. In realtà, non esiste uno strumento capace di misurare direttamente il BMP poiché, per definizione, è un valore calcolabile solo mediante la seguente formula:
BMP = (C - B) / (SS - c)
(formula 1)
(formula 1)
Dove: C è la produzione di metano del reattore contenente il campione di biomassa; B è la produzione di metano del reattore in bianco; SS è la sostanza secca del campione (chiamata anche "solidi totali", secondo la UNI EN 12880) e c è il suo contenuto di ceneri (misurato secondo la UNI EN 14775).
La differenza (SS-c) rappresenta i "solidi volatili" (definizione da norma UNI 10458). Talvolta viene chiamata "sostanza secca organica", poiché è la traduzione letterale dal tedesco "organische Trockenmasse".
Tutti i fattori della formula 1 sono grandezze misurate, quindi soggette ad incertezza.
Calcolando il BMP, è opportuno considerare gli errori di misurazione poiché si sommano seguendo regole definite da teoremi. L'incertezza totale del valore di BMP, calcolato secondo la formula 1, è generalmente superiore alla somma aritmetica delle incertezze dovute alle singole misurazioni.
Si dice dunque che la formula è soggetta all'amplificazione degli errori strumentali.
Calcolando il BMP, è opportuno considerare gli errori di misurazione poiché si sommano seguendo regole definite da teoremi. L'incertezza totale del valore di BMP, calcolato secondo la formula 1, è generalmente superiore alla somma aritmetica delle incertezze dovute alle singole misurazioni.
Si dice dunque che la formula è soggetta all'amplificazione degli errori strumentali.
Errori strumentali ed errori di metodo
Esistono tre metodi per misurare il BMP delle biomasse:
Esistono tre metodi per misurare il BMP delle biomasse:
- Metodi teorici
Consistono nel misurare la composizione chimica della biomassa e calcolare la resa di metano teorica sulla base di formule stechiometriche. Il pregio di questi metodi è la breve durata delle prove, ma il loro grande difetto è ottenere valori irreali.
Talvolta si possono osservare discrepanze superiori al 20% fra valori teorici e valori reali di BMP, ottenuti dalla digestione anaerobica delle biomasse, perfino quando le prove utilizzano sostanze pure da laboratorio.
Per comprendere meglio le ragioni, segnaliamo l'esempio della digestione della cellulosa illustrato nell'articolo "L'Unità di silomais equivalente (USE) e il sillogismo aristotelico".
Tale esempio facilita il lettore nella valutazione della scarsa attendibilità di questi metodi di misurazione quando vengono applicati a sostanze eterogenee come i sottoprodotti agricoli. Nonostante ciò, molti venditori di sottoprodotti preferiscono rivolgersi ai laboratori che adottano questo metodo di misurazione, poiché fornisce valori di BMP più alti, sperando di spuntare migliori prezzi per le loro biomasse.
Inspiegabilmente, anche una fazione del mondo accademico sembra avere una fiducia cieca nelle stime di BMP realizzate in base ad analisi NIRS (Near infra red spectroscopy, spettrografia all'infrarosso vicino) oppure alla misurazione delle percentuali di proteine, carboidrati, lipidi e fibra. - Metodi barometrici
Consistono nel misurare l'aumento della pressione del biogas, prodotto dalla digestione anaerobica di biomassa. Il volume di biogas prodotto nel reattore va poi calcolato, con una formula, in funzione della pressione, temperatura e volume di testa del reattore.
La percentuale di metano si ricava, invece, analizzando la composizione chimica del biogas prodotto.
Infine, il BMP si calcola sulla base delle misurazioni precedentemente realizzate.
In genere, i metodi barometrici presentano i seguenti svantaggi:
• Non misurano direttamente la produzione di metano, bensì quella del biogas totale, amplificando l'errore del BMP. Concettualmente è corretto misurare il volume di biogas e la sua percentuale di metano, moltiplicando entrambi i valori per ricavare la produzione netta. Ma da un punto di vista metrologico non è la migliore opzione, perché è un metodo soggetto ad amplificazione degli errori.
Infatti, nella formula 1 si osserva che, sia C che B sono il risultato di due misure (volume di gas e composizione chimica dello stesso) quindi le rispettive incertezze sono la somma degli errori individuali di ciascuna.
Inoltre, il volume del biogas è, a sua volta, il risultato di un calcolo con una formula che si basa su due misure: la sua pressione e temperatura. Si sommano dunque i margine d'incertezza di ciascuna.
Infine, la differenza fra i valori C e B, ha un'incertezza pari alla somma delle incertezze individuali.
• Spesso sono privi di sistemi di agitazione. L'agitazione è di fondamentale importanza per il processo di digestione, in quanto favorisce l'attività biologica dei batteri.
• I gas si dissolvono nell'acqua proporzionalmente alla loro pressione, per cui il volume di gas disciolto non viene rilevato dal dispositivo di misurazione. Orbene, ciò comporta due possibilità di errore di misurazione:
• quando si realizza la prova senza mai sfiatare il biogas, l'errore conseguente è dovuto al grado di solubilità dello stesso, in particolare della CO2;
• quando si realizza la prova sfiatando periodicamente il biogas, con lo scopo di evitare la solubilizzazione della CO2, il suo volume totale misurato sarà il risultato di una somma di n misure parziali, ognuna soggetta ad incertezza, quindi l'errore del BMP calcolato è direttamente proporzionale al numero di sfiati eseguiti.
• In linea di massima, i principali difetti dei metodi barometrici sono due: il forte discostamento fra le condizioni di prova in laboratorio e le condizioni reali di esercizio dell'impianto; e, infine, l'amplificazione degli errori nel calcolo del volume totale di metano prodotto, basato su tre grandezze ciascuna misurate con un certo errore: pressione, temperatura e percentuale di metano. - I metodi volumetrici
Consistono nel misurare direttamente (a pressione quasi atmosferica) il volume di biogas, o meglio ancora, quello del metano, utilizzando appositi filtri per eliminare la CO2.
Il vantaggio principale è la similitudine tra le condizioni di prova in laboratorio e quelle reali, nell'impianto in esercizio. Tuttavia, vi è anche un'importante fonte di errore nella misura del BMP, non trascurabile: l'errore di normalizzazione dovuto alla variabilità del volume di gas in funzione della pressione atmosferica e della temperatura.
Secondo la norma UNI 10458, appendice A, i volumi di metano si devono esprimere in "normal metri cubi", cioè metri cubi nelle condizioni di riferimento o "normali": 0 °C e 101,3 kPa (1013 mbar). Esistono strumenti che normalizzano in tempo reale il volume di gas misurato, con errori strumentali dell'1%.
Purtroppo, la maggior parte degli strumenti volumetrici, è priva di dispositivi di normalizzazione e per ovviare a questo tipo di errore è necessario usare un barometro ed un termometro ambiente per rilevare entrambi i parametri e normalizzare conseguentemente il volume di gas ad ogni lettura.
In tale caso l'incertezza di misurazione sarà pari alla somma di tre errori: quelli del dispositivo di misura del volume di gas, del termometro e del barometro.
Molti laboratori di prove semplificano il lavoro di misurazione, normalizzando "a forfait", ovvero assumendo che, durante i trenta giorni di durata della prova, la pressione e temperatura atmosferica siano rimaste costanti e pari a 101,3 kPa e 20°C rispettivamente. Tuttavia, la percentuale di errore indotta da tali ipotesi supera il 12%, andando oltre agli errori propri del dispositivo di misurazione del volume del gas.
Figura 1: Esempio di sistema di misurazione volumetrico del tipo detto "contabolle", dotato di sensori di pressione e temperatura e microprocessore per la normalizzazione in tempo reale.
L'errore massimo di tale strumento è pari all'1%
(Foto Bioprocess Control AB)
Figura 2: Esempio di sistema di misurazione volumetrico del tipo detto "a spostamento di liquido", costruito artigianalmente.
L'errore di misura del volume di acqua spostato dal gas è dell'ordine del 2%.
Se corredato di un barometro ed un termometro per la normalizzazione, l'errore addizionale è la somma degli errori del barometro e del termometro (Foto di Gianluca Bergamaschi)
Quanto sono affidabili i valori di BMP ricavati in laboratorio?
Nel migliore dei casi, utilizzando un sistema volumetrico, dotato di filtri di CO2 e normalizzazione in tempo reale, calibrato con un errore massimo dell'1% e con un inoculo incubato fino a raggiungere produzione del bianco quasi nulla, l'incertezza totale del BMP di un campione di riferimento, calcolata dall'autore secondo le disposizioni della norma UNI CEI 70098-3, è risultata del 2%.
Prove ben fatte, utilizzando strumenti volumetrici dotati di normalizzazione in tempo reale e pesando accuratamente sia l'inoculo che il substrato, possono avere un margine d'incertezza del BMP compreso fra 3% e 5%.
L'entrata in vigore della UNI CEI 70098-3 molto probabilmente comporterà una più corretta espressione dei risultati delle prove di BMP.
Attualmente molti laboratoristi credono, erroneamente, di fornire valori più accurati del BMP esprimendoli con due decimali dopo la virgola.
Vediamo perché tale criterio di precisione è privo di senso scientifico: allo scopo consideriamo una ipotetica biomassa, il cui BMP risulta essere pari a 300,23 Nm3/ton SV (normal-metri cubi per tonnellata di solidi volatili). Se l'incertezza di misurazione risultasse del 3%, ciò significherebbe che il "valore vero" del BMP potrebbe essere un numero qualsiasi compreso fra 291 e 309 Nm3/ton SV.
Esprimere, dunque, il risultato come 300,23 è privo di logica, perché il margine d'errore è tale da non garantire la certezza nemmeno delle unità misurate.
In questo caso, il modo corretto di esprimere il risultato e la sua incertezza sarebbe il seguente: 300 ± 9 Nm3/ton SV (± indica la tolleranza, perché gli errori possono essere sia in eccesso sia in difetto).
Conclusioni
Infine, non possiamo evitare di segnalare che l'entrata in vigore della norma nazionale UNI CEI 70098-3:2016 sia avvenuta in sordina, nonostante sia fondamentale la sua corretta applicazione poiché consente una maggiore trasparenza sul potenziale metanigeno delle biomasse e dunque un maggiore controllo della qualità delle prove di laboratorio.
Una misurazione più accurata del BMP si ripercuoterà inevitabilmente sul prezzo di un qualsiasi sottoprodotto, perché ora sarà necessario indicare anche il metodo con il quale è stato calcolato ed il suo margine d'incertezza, a maggior tutela del compratore.
Nel contempo, l'analisi accurata delle incertezze di misurazione consente di tutelare anche il venditore contro eventuali reclami da parte del gestore dell'impianto di biogas, grazie alla certezza del margine di errore del valore di BMP adottato come base contrattuale.
Infine, ci auspichiamo che anche i gestori degli impianti prendano coscienza che "l'effettiva resa dell'impianto" è un valore risultante da una serie di misure, effettuate con strumenti decisamente più grossolani di quelli da laboratorio, quindi soggetto ad un margine d'incertezza non indifferente. L'amplificazione degli errori di misurazione è il risultato di una serie di teoremi, e la matematica non è un'opinione.
