ROMEO – Realizzazione di un sistema Online per il Monitoraggio delle Emissioni Odorigene

CNR - IIA

Risultato della ricerca:

Il progetto denominato ROMEO viene proposto allo scopo di portare ad un livello tecnologico di validazione in un contesto significativo di un sistema prototipo per il monitoraggio di inquinamenti odorigeni che derivino dai processi biochimici autonomi caratterizzanti la sostanza organica smaltita in discarica, nonché l’integrazione di questo sistema con algoritmi basati sull’intelligenza artificiale e sul machine learning per l’identificazione delle fonti di queste “molestie olfattive” a partire dal profilo delle specie chimiche individuate.

L’idea centrale del progetto è incentrata sulla realizzazione di un prodotto nuovo, basato su analisi gascromatografica miniaturizzata in grado, senza l’uso di un gas carrier, di operare ad alti livelli di precisione anche relativamente a molecole solforate, che generalmente non sono individuate dalle soluzioni presenti in commercio e che conseguentemente potrebbe inserirsi in un settore in cui tutti i competitor presenti non hanno avuto modo di sviluppare tale tecnologia. L’integrazione dell’intelligenza artificiale è un ulteriore carattere di innovatività anche all’interno del mercato.
Il cliente potenziale del risultato di ROMEO è rappresentato da attori istituzionali che gestiscono discariche o impianti di gestione di rifiuti. Sviluppi futuri della stessa tecnologia possono essere previsti anche per la gestione di impianti di depurazione delle acque o in settori industriali particolarmente caratterizzati da emissioni odorigene, quali ad esempio quello petrolifero, o anche per il monitoraggio delle emissioni odorigene legate al traffico veicolare urbano. L’importanza del monitoraggio di questi composti è evidenziata dal crescente interesse a livello nazionale ed europeo, rappresentato anche dalla legislazione attualmente in vigore, come ad esempio l’articolo 272-bis contenuto nel Testo Unico Ambientale del D.Lgs 183/2017.
Gli obiettivi principali del progetto sono:
– lo sviluppo di soluzioni miniaturizzate e integrate basate sull’analisi gascromatografica;
– la realizzazione di una piattaforma consultabile online con risultati in tempo reale;
– l’ottimizzazione della risposta del sistema tramite intelligenza artificiale e machine learning.
L’implementazione di questo sistema, in un primo momento in un sito rilevante ed in seguito potenzialmente su più vasta scala, aiuterà i decisori istituzionali e privati nel monitoraggio puntuale delle emissioni odorigene degli impianti di gestione dei rifiuti, nonché nell’individuazione di fenomeni perturbativi della normale operatività dell’impianto, quali ad esempio sversamenti non autorizzati o problematiche di processo, grazie al supporto di intelligenza artificiale.
Non secondari al progetto risultano inoltre la sensibilizzazione della cittadinanza e l’accrescimento della consapevolezza circa le problematiche legate alle emissioni odorigene, e per le amministrazioni locali, la dimostrata fattibilità tecnica ed economica di un monitoraggio puntuale e preciso delle specie chimiche maggiormente moleste per la cittadinanza.
I risultati del progetto possono essere indicati allo stadio di TRL 4 – Validazione delle componenti o del sistema nel contesto di laboratorio. Si tratta quindi di componenti realizzate autonomamente in laboratorio e di test su piccola scala. Il livello TRL 4 è il primo passo per la verifica della funzionalità delle singole componenti all’interno del sistema complessivo. Il sistema di laboratorio si compone di norma di componenti già disponibili e di poche altre sviluppate autonomamente; nel caso specifico, le componenti sviluppate autonomamente sono filtri adsorbenti specifici per la cattura ed il campionamento selettivo di specie chimiche odorigene, da utilizzare in combinazione con tecnologia gascromatografica come esposto nelle altre sezioni di questo documento.
Rientrano in questa fase i test su condizioni di laboratorio anche se molto vicine a quelle reali comunque riprodotte in un contesto simulato, come ad esempio l’utilizzo delle componenti in situazioni controllate e di dimensioni limitate (ad esempio, campionamento dell’aria in piccole camere stagne dove possono essere posti sorgenti di composti odorigeni, oppure verifica delle componenti con flussi di gas di composizione nota).
Il progetto sviluppato ricade all’interno dell’area di innovazione “Ambiente e rischi naturali”, mentre la traiettoria tecnologica in cui si colloca è “Nuove tecnologie energetiche e riutilizzo di scarti e rifiuti per ridurre l’impatto ambientale”. Per quanto attiene le priorità della Regione Calabria si osserva una ridotta percentuale di frazione umida trattata in impianti di compostaggio, pari al 9,6% (il dato italiano è del 42,5%). Larga parte del rifiuto solido urbano, e della componente organica di questo, viene dunque tuttora smaltito in discarica, per un totale di circa 480 mila tonnellate annue, con conseguenti emissioni inquinanti e odorigene di, per esempio, H2S, NH3, VOC, composti solforati, aldeidi e chetoni. Quindi, il progetto ROMEO, in linea con queste criticità regionali, intende sviluppare un sistema di rilevazione delle principali specie chimiche odorigene che sia collocabile nei pressi delle sorgenti odorigene nelle discariche regionali e che possa essere messo in rete in modo da essere sempre prontamente consultabile e possa permettere ai decisori istituzionali di monitorare i livelli delle specie chimiche di interesse e prendere conseguentemente decisioni informate sulle eventuali misure per il loro abbattimento.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

1. Progetto NO-GAS: Il progetto NO-GAS ha riguardato l’esame delle emissioni gassose dalle discariche. Per quanto riguarda il monitoraggio della qualità dell’aria, le metodiche adottate sono quelle tradizionali (preliminary assessment con campionatori passivi) abbinate allo sviluppo di sistemi di monitoraggio innovativi. Nel dettaglio il progetto ha permesso la progettazione e realizzazione di un prototipo di sistema mobile terrestre in grado di effettuare misure su siti adibiti a discarica per alcuni specifici inquinanti (CO2, H2S, CO, PM). Il sistema mobile progettato ricade nella classe dei “rover terrestri” adibiti già da alcuni anni a funzioni di monitoraggio/manipolazione in ambienti ostili all’uomo.

2. Progetto GREEN PORTS: il CNR IIA si è occupato di verificare lo stato della qualità dell’aria nell’area portuale target scelta (Porto di Crotone) ed individuare le criticità, e sviluppare sistemi innovativi a basso costo ed elevata affidabilità per la valutazione real time o near real time dei livelli di inquinamento dell’aria in ambiente portuale. A tale scopo è stata elaborata una griglia di campionamento che che ha ricoperto l’intera area portuale più alcuni punti esterni utili per la caratterizzazione dell’ambiente nel suo complesso.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Tra i punti di dettaglio di maggiore innovatività della soluzione progettuale proposta si possono citare le seguenti tre linee principali di sviluppo:
1. sviluppo di soluzioni miniaturizzate, ricollocabili, integrabili: Il sistema proposto, caratterizzato da una soluzione di gascromatografia in situ, è in grado di fornire risultati veloci ed affidabili anche relativamente all’identificazione di composti solforati, che al momento non sono rilevabili con le attuali tecnologie miniaturizzate e da campo, senza il bisogno di un gas carrier. La determinazione degli odori tramite Instrumental Odour Monitoring Systems, ovvero strumenti di rilevamento elettronici intelligenti, permette inoltre di caratterizzare gli odori attraverso la generazione di metriche che siano indicatori il più simili possibile a quanto percepiti da osservatori umani;
2. realizzazione di una piattaforma integrata di rilevazione degli odori: il sistema di misura può facilmente essere interfacciato in rete per fornire dati in tempo reale facilmente consultabili dai gestori degli impianti di discarica o dai decisori istituzionali. Trattandosi di un sistema versatile, di facile collocazione e caratterizzato da bassi costi di manutenzione, in divenire il progetto potrebbe essere applicato a livello regionale nelle diverse discariche calabresi e in altri impianti industriali caratterizzati da emissioni odorigene moleste, per costruire una rete omogenea su ampia scala;
3. ottimizzazione della fase di monitoraggio tramite implementazione di tecniche di AI (Artificial Intelligence): a seguito di un periodo di apprendimento e addestramento, l’utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale, e in particolare di machine learning, accoppiate a raffinati sistemi di campionamento e identificazione dei composti odorigeni, potrà consentire al sistema di riconoscere le sorgenti del mix di odori individuati in un dato momento in modo da informarne accuratamente gli utenti. L’intelligenza artificiale può consentire, ad esempio, di individuare tempestivamente perturbazioni nei processi di degradamento della sostanza organica in discarica, lo smaltimento di rifiuti non autorizzati, o l’approssimarsi di picchi nelle emissioni inquinanti della discarica.

Titoli di proprietà intellettuale:

Tutti i risultati descritti in precedenza e le attività svolte e da svolgere durante l’esecuzione progettuale rientrano nell’accordo di collaborazione tra il CNR-IIA e le specifiche aziende di settore coinvolte e/o che potrebbero essere coinvolte.
L’accordo avrà la finalità di regolamentare il tema della “proprietà” e dell’utilizzo e diffusione dei risultati del progetto di ricerca e sviluppo seguendo cioè le disposizioni previste dal Codice della proprietà industriale (D.lgs 10.02.2005 n. 30) in materia di titolarità dei diritti brevettuali da parte di ricercatori pubblici e delle imprese che partecipano alle attività comuni e da eventuali condizioni poste da altri soggetti finanziatori del progetto. In particolare: – ognuno dei soggetti interessati rimane titolare dei diritti di proprietà intellettuale su quanto in precedenza da ciascuno di essi realizzato individualmente – i risultati raggiunti congiuntamente saranno di proprietà congiunta dei soggetti interessati.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il sistema ideato per questo progetto può essere utilizzato in tutti quei settori dove l’emissione di composti odorigeni è un problema. I principali settori individuati sono quello della gestione del rifiuto umido, quello della depurazione delle acque, quello del petrolifero, con possibili applicazioni anche in siti di bonifica, aree portuali e aeroportuali o per il monitoraggio del traffico urbano. Le problematiche legate ai tre settori sono ovviamente diverse, ma il sistema di monitoraggio qui presentato, con le dovute ottimizzazioni e specificazioni sia in fase di campionamento che in fase di analisi, può essere applicato in ognuno di questi ed integrato con altri sistemi di monitoraggio indipendenti.
In base alle esperienze maturate, il principale contributo all’avanzamento fornito dal CNR-IIA è inquadrabile nel settore tecnologico e organizzativo, in quanto metterà a disposizione per lo sviluppo del progetto le competenze del personale addetto alla progettazione e monitoraggio di sistemi di campionamento e di sensoristica avanzata nonché la tecnologia sviluppata negli anni di studio e nei differenti progetti di ricerca affrontati e dedicati alla tematica. Il CNR-IIA quindi contribuirà all’avanzamento tecnologico perfezionando le tecniche già acquisite e calibrando il prototipo in base alle esigenze di progetto.
Il quadro normativo in Italia relativamente alle emissioni odorigene determina che emissioni, molestie olfattive da attività autorizzata sono reato. In particolare, integrano il reato dell’articolo 674 del codice Penale, che fa riferimento a “molestie olfattive” da attività produttiva autorizzata che siano idonee a recare molestia o fastidio alle persone secondo un criterio di “stretta tollerabilità”. Il D.Lgs 183/2017 ha introdotto nel Testo Unico Ambientale un nuovo articolo (272-bis) riguardante proprio le emissioni odorigene. L’articolo consente alle regioni di prevedere misure per la prevenzione e la limitazione delle emissioni odorigene degli stabilimenti, compresi sistemi di monitoraggio.
Esistono già numerose imprese operanti nel settore, e che potrebbero raccogliere l’opportunità offerta da questa proposta progettuale. I campi principali in cui un sistema come quello presentato possono operare sono quello delle discariche, quello della depurazione delle acque e quello dell’industria petrolifera. Per quanto riguarda lo smaltimento dei rifiuti in discarica, in Italia sono attualmente presenti 127 siti, ai quali possono aggiungersi le altre tipologie di impianto di gestione del rifiuto, quali impianti di digestione anaerobica, incenerimento o trattamento meccanico biologico, per un totale complessivo di impianti potenzialmente interessati dalla tecnologia focus del progetto superiore a 600. Discorso analogo vale per gli impianti di depurazione delle acque, più di 18 mila in Italia (di cui 426 in Calabria), e per il settore petrolifero, con 14 raffinerie e 5 siti di estrazione attivi.
Considerando anche il forte interesse a livello europeo per una gestione intelligente ed efficace delle emissioni odorigene, il mercato potenzialmente aggredibile dalla tecnologia presentata in questo progetto risulta ampio e maturo.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Al momento le criticità incontrate consistono:
1. nello sviluppo di trappole adsorbenti specifiche per le principali specie chimiche odorigene e nella loro integrazione con il sistema di gascromatografia portatile e miniaturizzato;
2. nelle problematiche legate alla miniaturizzazione di tutte le componenti del sistema;
3. nella programmazione e addestramento di un sistema di intelligenza artificiale in grado di riconoscere le principali fonti di molestie olfattive basandosi sul profilo di sostanze odorigene identificate dai sensori integrati al sistema.
Come accennato nella sezione precedente, al momento diverse aziende operano già nel settore del monitoraggio degli odori, rendendo quindi l’ingresso nel mercato di un nuovo sistema potenzialmente rischioso A questo proposito, la soluzione ottimale potrebbe essere, in alternativa all’ingresso diretto sul mercato, proprio la collaborazione con una realtà già operante nel settore e che possa da un lato contribuire con competenze tecniche per il superamento delle criticità incontrate, e dall’altro offrire una via più diretta per l’accesso al mercato di un nuovo prodotto in modo che l’idea progettuale acquisisca valore e possa essere sfruttata in collaborazione con l’impresa stessa.
Rispetto al TRL attuale definito dai risultati della ricerca proposta, le esigenze di sviluppo sono legate al passaggio del progetto allo stadio: TRL 6 – Validazione di un sistema modello e di un sistema pilota (prototipo) simili in un contesto significativo. I livelli TRL 4-6 rappresentano il passaggio dalla ricerca scientifica allo sviluppo tecnico da parte degli ingegneri. In questo contesto quindi è necessario che i modelli formulati e i prototipi sviluppati vengano testati in un contesto significativo. Questo è difatti un passo importante verso la dimostrazione della maturità tecnologica della soluzione progettuale proposta. La documentazione comprende i risultati dei test ingegneristici e l’analisi delle differenze tra sistema e contesto del modello e sistema e contesto del prototipo. Sarà quindi necessario replicare le soluzioni sviluppate e testate in ambiente di laboratorio in un contesto significativo (quale una discarica presente sul territorio e monitorata con altri sistemi in grado di validare quello sviluppato nell’ambito del progetto) implementando tutte le metodologie innovative di sviluppo proposte. Individuato quindi il caso studio si procederà alla configurazione del sistema prototipo a livello di proposta industriale operativo in tutte le sue fasi di produzione.

Codice:

0133

Area di Innovazione:

Ambiente e rischi naturali