POLITECNICO DI MILANO

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1 POLITECNICO DI MILANO Scuola di Ingegneria Industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica Verso un nuovo sistema di misura del gas naturale Relatore: Prof. Ennio MACCHI Co-relatore: Ing. Gianluca VALENTI Tesi di Laurea di: Bernardo Gianelli Matr Anno Accademico

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3 pag. III Ringraziamenti Desidero ringraziare il professor Ennio Macchi che mi ha dato la possibilità di svolgere questo lavoro di tesi e che mi ha sempre accordato la sua fiducia e la sua disponibilità. Ringrazio inoltre l ingegner Gianluca Valenti che mi ha seguito durante tutta la durata di questa tesi con estrema dedizione, e gli ingegneri Gioele Di Marcoberardino e Silvia La Sala che sono stati un validissimo aiuto senza il quale questo lavoro non avrebbe potuto essere completo. Ringrazio poi la mia famiglia che ha saputo starmi vicina in questi due anni di studio fuorisede, i miei coinquilini Tommaso e Michele che mi hanno supportato in questo ultimo anno di università e Jessica che alla fine ha avuto ragione. Ringrazio infine tutti i compagni del corso di Ingegneria Energetica che ho potuto conoscere e apprezzare, i miei amici livornesi che nonostante la lontananza non si sono scordati di me, e tutti i professori i cui corsi ho avuto modo di frequentare..

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5 pag. V Indice RINGRAZIAMENTI... III INDICE... V SOMMARIO...IX ABSTRACT...XI CAPITOLO 1. INTRODUZIONE IL GAS NATURALE: UNA MISCELA DI GAS A COMPOSIZIONE VARIABILE A COMPORTAMENTO DI GAS REALE IL SISTEMA DI TRASPORTO DEL GAS NATURALE IN ITALIA I SISTEMI DI MISURA DELLA QUALITÀ DEL GAS NATURALE Il Sistema di misura della qualità attuale Future possibilità di misura della qualità Calcolo del fattore di comprimibilità nel sistema attuale e futuro INTRODUZIONE DELLA NUOVA NORMATIVA EUROPEA OBIETTIVO E STRUTTURA DEL LAVORO CAPITOLO 2. RICERCA BIBLIOGRAFICA NORME ISO 6976 E ISO DESCRIZIONE DEI PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO DEI SENSORI... 23

6 pag. VI Conduttività Velocità del suono Assorbimento negli infrarossi DESCRIZIONE DEGLI ANALIZZATORI DI QUALITÀ GasPT2 (AQ1) Descrizione tecnica Principio di funzionamento Gas-lab Q1 (AQ2) Descrizione tecnica Principio di funzionamento EMC 500 (AQ3) Descrizione tecnica Principio di funzionamento ANGus (AQ4) Descrizione tecnica Principio di funzionamento CAPITOLO 3. ANALIZZATORI DI QUALITÀ : ANALISI DELLA PRIMA CAMPAGNA DI PROVE E PROPOSTA DI UNA NUOVA CAMPAGNA PROCEDURA ADOTTATA DA SNAM RETE GAS Premessa Prove di ripetibilità e di accuratezza dei parametri misurati Prove di durata Report di prova RISULTATI DELLA CAMPAGNA SPERIMENTALE EFFETTUATA... 48

7 pag. VII Risultati prove di ripetibilità per GasPT2, gas-lab Q1 e EMC Risultati prove di accuratezza per GasPT2, gas-lab Q1 e EMC Risultati prove ANGus Risultati prove di durata per tutti gli analizzatori CONSIDERAZIONI SULL ERRORE DI MISURA DELL ANIDRIDE CARBONICA CONSIDERAZIONI SULLA STIMA DELL AZOTO COMMENTI GENERALI SUI RISULTATI DELLA CAMPAGNA SPERIMENTALE PROCEDURA PROPOSTA PER LA UNA CAMPAGNA SPERIMENTALE AGGIUNTIVA Esecuzione delle prove Siti in cui effettuare le prove e schemi di collegamento della strumentazione Durata e tempistica della campagna sperimentale e miscele di gas di riferimento Analizzatori da sottoporre alla campagna sperimentale aggiuntiva Elaborazione dei dati Verifica della distribuzione delle misure Calcolo ed analisi della ripetibilità Verifica dell accuratezza rispetto alle miscele di gas di riferimento Calcolo ed analisi della stabilità Verifica dell accuratezza rispetto al gas naturale di rete Rapporti tecnici di prova CAPITOLO 4. ADEGUAMENTO DEL SISTEMA GAS ITALIANO ALLE DIRETTIVE EUROPEE... 79

8 pag. VIII 4.1 METODOLOGIA STRUTTURA DEL LAVORO METODO DI CONVERSIONE APPROSSIMATO TRA DUE SISTEMI DI RIFERIMENTO SIMULAZIONI, RISULTATI E CONSIDERAZIONI COERENZA DEI COEFFICIENTI DI CONVERSIONE APPROSSIMATA E CONVERSIONE APPROSSIMATA TRAMITE SISTEMA DI RIFERIMENTO INTERMEDIO CAPITOLO 5. CONCLUSIONI CAPITOLO 6. LAVORO FUTURO BIBLIOGRAFIA NOMENCLATURA APPENDICE A: COEFFICIENTI TEST STATISTICI APPENDICE B: INDICE DELLE EQUAZIONI APPENDICE C: INDICE DELLE FIGURE APPENDICE D: INDICE DELLE TABELLE

9 pag. IX Sommario Il gas naturale è un combustibile che nel corso del ventesimo secolo ha assunto un ruolo di crescente importanza a livello mondiale, ed è diventato pressoché indispensabile alla società italiana. In Italia infatti esso è il principale combustibile fossile utilizzato per la produzione di energia elettrica, è utilizzato per il riscaldamento nella maggioranza degli edifici, come fonte di calore in moltissimi impianti industriali e rappresenta anche una piccola ma crescente quota del settore dei trasporti. I vantaggi che hanno favorito questo larghissimo utilizzo sono: la facilità di trasporto e distribuzione; il costo non eccessivo; le basse emissioni anche in piccoli impianti privi di trattamento dei fumi. Sebbene la rete italiana del gas naturale sia molto sviluppata da un punto di vista tecnologico e di ramificazione sul territorio, esistono ancora ad oggi delle criticità tecnico-economiche che limitano le possibilità di determinare in maniera ottimale nello spazio e nel tempo le proprietà di interesse commerciale del gas. Per questo motivo Snam Rete Gas, ovvero il principale trasportatore di gas italiano, ha richiesto al Politecnico di Milano di verificare la possibilità di effettuare sulla rete nazionale alcune innovazioni tecnologiche. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato durante lo svolgimento di due di queste verifiche che riguardano nello specifico: 1. la possibilità di affiancare ai gascromatografi utilizzati attualmente dei nuovi apparecchi di misura della qualità del gas naturale, detti analizzatori di qualità; 2. l impatto dell uniformazione della rete di trasporto italiana alle nuove direttive europee in materia di riferimenti volumetrici e di temperatura di combustione del gas naturale. Gli analizzatori di qualità (AQ) sono strumenti per la misura dei parametri di qualità (potere calorifico superiore, densità relativa e contenuto di anidride carbonica) del gas naturale. Tali parametri commerciali sono utilizzabili ai fini del calcolo del fattore di comprimibilità (Z) applicando la norma internazionale ISO , recepita dalla normativa italiana attraverso la norma UNI EN ISO L introduzione di tali strumenti porterebbe vantaggi in termini economici e, soprattutto, gestionali; si potrebbe infatti andare verso una determinazione più puntuale della qualità del gas, ottenendo un fondamentale miglioramento nella gestione della stessa, senza un eccessiva penalizzazione in termini di investimenti e di oneri gestionali. In primo luogo è stata fatta una ricerca sui principi di funzionamento e sulle caratteristiche degli

10 pag. X analizzatori di qualità, quindi è stata verificata la prima campagna di prove effettuate da Snam Rete Gas, secondo una procedura sviluppata dall impresa stessa. Da questa verifica emerge che gli strumenti provati risultano sostanzialmente in linea con quanto prescritto dal Codice di Rete per il trasporto del gas in materia di ripetibilità e accuratezza nella misura dei parametri di qualità. In particolare, lo strumento GasPT2 ha dimostrato caratteristiche ottime, mentre il gas-lab Q1 caratteristiche molto buone. Per i due strumenti citati viene quindi proposta una ulteriore campagna di prove la cui procedura è qui riportata. Questa nuova procedura si differenzia dalla precedente prevedendo un numero maggiore di misurazioni che portino all applicabilità di test statistici atti a garantire una caratterizzazione di dettaglio. Per quanto riguarda lo studio dell impatto della nuova normativa europea è stata condotta una verifica della coerenza delle norme, dei sistemi e dei processi del sistema gas, con riferimento alle unità di misura attualmente utilizzate in Italia e quelle future definite dalla normativa europea. Se ne evince che le metodologie di calcolo sono coerenti e, quando è nota la composizione molare del gas naturale, si continuano ad applicare le stesse norme internazionali (ISO e AGA) e le stesse metodologie già previste dal Codice di Rete, avendo ovviamente cura di adottare adeguatamente i coefficienti indicati nelle norme stesse. In tal caso, quindi, la definizione della modalità di conversione e contabilizzazione in kwh dei quantitativi di gas in Sm 3 è perfettamente identificata e non comporta l introduzione di errori di sorta. Nella normativa ISO è indicata anche una procedura alternativa per effettuare la conversione delle grandezze rilevanti per la misura e la contabilizzazione fra i due sistemi di riferimento. Tale procedura presenta il vantaggio di essere applicabile indipendentemente dalla composizione, ma introduce inevitabilmente un approssimazione. Per verificare quanto queste approssimazioni siano significative si sono condotti dettagliati calcoli, prendendo in considerazione una serie di miscele di diversa composizione, tali da rappresentare l intera gamma delle miscele circolanti nei gasdotti nazionali. I calcoli condotti dimostrano l ottima accuratezza ottenibile utilizzando tale procedura approssimata, basata su coefficienti di correzione indipendenti dalla composizione: gli errori risultanti sono di gran lunga inferiori alle inevitabili imprecisioni implicite nella catena di misura del sistema gas. Parole chiave: gas naturale, analizzatori di qualità, campagna sperimentale, sistema di riferimento, coefficienti di correzione.

11 pag. XI Abstract During the twentieth century natural gas is a fuel that has assumed a growing importance worldwide, and has become essential in Italian society. It is, in fact, the main fossil fuel used in Italy for the production of electric energy, it is used to warm up the most part of the buildings, as a heat source in many industrial plant, and it also represents a little but increasing part of the transport fuels. The advantages that have favoured this extensive usage are: The ease of transport and distribution; The limited cost; The low emissions even in small installations without fumes treatment. Although the Italian natural gas network is highly developed both in terms of technology and branching on the territory, there are still some technical-economics criticalities that limit the possibility of optimally determining in time and space the commercial properties of interest of the gas. Because of these problems Snam Rete Gas, the main Italian gas transporter, asked the Politecnico di Milano to verify the possibility of introducing in the national network some technological innovation. This thesis has been developed during the execution of two of those tests, wich specifically concern: 1. the opportunity to have new devices, named quality analyzers, working alongside the currently used gas chromatographs to measure the quality of natural gas; 2. the impacts of the adaptation of the transport network to the new European directive in matter of volumetric and combustion temperature references for the natural gas. The gas quality analyzers are instruments that measure the quality parameters (higher heating value, relative density and carbon dioxide molar fraction) of the natural gas. Those commercial parameters are used to compute the compressibility factor (Z) by the application of the international standard ISO , implemented by the Italian law through the standard UNI EN ISO The introduction of those instruments could bring economic benefits and, primarily, management benefits, infact it could become possible to start to determine the gas quality in a more exact manner, without an excessive penalization in terms of investments and management costs. In the first place a research on the principles of function and on the characteristics of the gas quality analyzers has been performed, then the first campaign of proofs carried out by

12 pag. XII Snam Rete Gas has been verified, using a procedure developed by the company itself. From those verifications comes out that the quality analyzers are substantially in line with the prescriptions reported in the Italian Network Code for the gas transport, in matters of repeatability and accuracy. In particular, the instrument GasPT2 showed optimal characteristics, and the instrument gas-lab Q1 showed good characteristics. For those instruments is then proposed a further series of proofs whose procedure is here reported. This new procedure is different from the previous one because it uses a greater number of measurements that should enable statistical tests in order to guarantee a rigorous characterization. In regards to the study of the impacts of the new European directive, it has been verified the consistency of the norms, of the systems and of the processes of the gas system, in reference to the units of measurements used at present and to the future ones. We deduce that the calculus methodologies are consistent and, when the molar composition is known, it is possible to continue to apply the same international norms (ISO and AGA) and the same methodology already provided from the Network Code, using the appropriate coefficient pointed out by the norms themselves. So in this case the definition of the conversion modality and the accounting between the two systems is perfectly identified and does not imply the introduction of any error. In the ISO normative we can also find an alternative procedure to convert the properties of interest for the measurement and accounting between the two reference systems. This procedure has the advantage to be applicable independently from the composition, but it also introduces an approximation. In order to verify the magnitude of this approximation, detailed calculations have been made, using a series of gas mixtures of different composition in order to represent the entire range of gas circulating in the national network. Computations show the optimal accuracy achievable using the approximate procedure, based on correction coefficients that are independent from the composition: the resulting errors are far inferior to the inevitable inaccuracies implicit in the measurement chain of the gas system. Keywords: natural gas, quality analyzer, experimental campaign, reference system, correction coefficient

13 pag. 13 Capitolo 1. Introduzione 1.1 Il gas naturale: una miscela di gas a composizione variabile a comportamento di gas reale Il gas naturale è una miscela di numerose specie la cui composizione all interno della rete di trasmissione e distribuzione varia sia nel tempo sia nello spazio, in funzione delle immissioni e dei prelievi e dell andamento dei flussi nella rete. Le due grandezze fondamentali di detta miscela, necessarie per effettuare i bilanci di massa e di energia che sono alla base di ogni transazione commerciale e adempimento fiscale relativi a questo vettore energetico, sono il potere calorifico e la densità. Alle condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) di interesse per la rete di trasporto e di distribuzione, questa miscela si comporta come un gas reale. Questo implica che, mentre il suo potere calorifico, sia esso riferito alla massa (MJ/kg) o a condizioni standard o normali (MJ/Sm 3 o MJ/Nm 3 ) è indipendente dalla temperatura e dalla pressione cui si trova, la sua densità (la grandezza fondamentale per associare alle misure volumetriche o venturimetriche la portata massica e chiudere quindi i bilanci di massa e di energia) varia con la pressione e la temperatura seguendo equazioni di stato volumetriche complesse, servono quindi correlazioni normate da organismi internazionali (in particolare l International Organization for Standardization - ISO) in grado di calcolare la densità della miscela (o equivalentemente il fattore di comprimibilità) in tutte le condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) di interesse. 1.2 Il sistema di trasporto del gas naturale in Italia Nel corso del ventesimo secolo il gas naturale ha assunto un ruolo di crescente importanza a livello mondiale, ed è diventato pressoché indispensabile alla società italiana. In Italia infatti esso è il principale combustibile fossile utilizzato per la produzione di energia elettrica, è utilizzato per il riscaldamento nella maggioranza degli edifici, come fonte di calore in moltissimi impianti industriali e rappresenta anche una piccola ma crescente quota del settore dei trasporti. I vantaggi che hanno favorito questo larghissimo utilizzo sono: la facilità di trasporto e distribuzione; il costo non eccessivo; le basse emissioni anche in piccoli impianti privi di trattamento dei fumi.

14 pag. 14 In Italia il gas naturale viene trasportato da 10 imprese, la principale delle quali è Snam Rete Gas, che gestisce oltre il 90% della rete di trasporto ed è anche l unica ad interfacciarsi con i trasportatori esteri. La rete di Snam Rete Gas ha un estensione pari a circa km, e si interfaccia con i trasportatori esteri e nazionali, con i pozzi nazionali, con gli stoccaggi, con i distributori e con alcuni clienti finali. Il gas proveniente dall estero viene immesso nella Rete Nazionale attraverso otto punti di entrata, in corrispondenza delle interconnessioni con i metanodotti di importazione (Tarvisio, Gorizia, Passo Gries, Mazara del Vallo, Gela) e dei terminali di rigassificazione del gas naturale liquefatto (Panigaglia, Cavarzere e Livorno). Il gas di produzione nazionale viene immesso nella rete in corrispondenza di 51 punti di entrata dai campi di produzione o dai loro centri di raccolta e trattamento, collegati a loro volta con la rete. La riconsegna del gas avviene tramite il meccanismo delle aree omogenee di prelievo, ovvero aree geografiche nelle quali viene riconsegnato gas con valore medio mensile di potere calorifico superiore convenzionalmente uguale. Attualmente sul territorio italiano sono presenti circa 200 aree omogenee di prelievo. Queste aree possono avere uno o più ingressi e generalmente hanno almeno un ingresso sul quale viene misurata la qualità del gas, questo meccanismo non garantisce tuttavia una conoscenza esatta nel tempo delle proprietà del gas in tutti i punti di riconsegna. 1.3 I sistemi di misura della qualità del gas naturale Come già accennato la rete italiana del gas naturale è una infrastruttura molto estesa, e necessita di una complessa gestione che comprenda sistemi di misurazione dei volumi in transito e dei parametri di qualità del gas naturale. Questi ultimi servono a garantire una caratterizzazione commerciale e portano alla determinazione del coefficiente di comprimibilità del gas in modo da poter associare una densità la volume misurato. Si noti che in questo lavoro i parametri di qualità che verranno presi in considerazione sono essenzialmente il potere calorifico superiore, la densità relativa e la frazione molare di anidride carbonica Il Sistema di misura della qualità attuale Attualmente l apparecchio di misura impiegato al fine di conoscere i parametri di qualità del gas naturale è il gascromatografo. Questo strumento, presente sulla rete nazionale in diversi modelli e in un numero complessivo di circa 200 unità, ha elevate caratteristiche di accuratezza e ripetibilità e misura in maniera diretta tutti i componenti presenti nel gas naturale, fornendo in uscita le relative percentuali molari. Queste ottime caratteristiche strumentali hanno favorito la diffusione dei gascromatografi che tuttavia presentano un costo elevato e delle notevoli esigenze di

15 pag. 15 manutenzione e di gestione. Per questi motivi non è pensabile incrementare in maniera sostanziale il numero di gascromatografi presente nella rete nazionale senza un conseguente pesante aumento dei costi di gestione Future possibilità di misura della qualità Considerata la difficoltà nell incrementare il numero di gascromatografi specie per le applicazioni di misura nelle reti a valle del trasporto in alta pressione e ove la misura sia a carico del cliente finale si prospetta essere molto interessante l utilizzo di sistemi di misura con minori esigenze di gestione e manutenzione. Per rispondere a questa necessità sarebbe quindi auspicabile l introduzione sulla rete italiana di strumenti detti analizzatori di qualità che rispondono appunto a questa esigenza. Questi strumenti non forniscono in uscita la composizione esatta del gas naturale, bensì alcuni parametri atti a caratterizzarlo, ovvero il potere calorifico superiore, la densità relativa e la frazione molare di anidride carbonica. In questo lavoro si tende a verificare se le prestazioni degli analizzatori di qualità presenti attualmente sul mercato sono tali da garantire il rispetto della normativa vigente e non introducano quindi degli eccessivi errori di misurazione Calcolo del fattore di comprimibilità nel sistema attuale e futuro Per quanto concerne il calcolo del fattore di comprimibilità, che quantifica la deviazione del comportamento di gas reale rispetto al caso ideale, l introduzione degli analizzatori di qualità non comporta sostanziali variazioni. Già ad oggi infatti il Codice di Rete 1 [1], non prevede l utilizzo della composizione completa del gas al fine di evitare errori di trascrizione, bensì prescrive l utilizzo di una fra le due seguenti norme: la norma ISO [2], che richiede la conoscenza di potere calorifico superiore, densità relativa e contenuto di anidride carbonica a prestabilite condizioni di riferimento. la norma americana AGA NX-19 Mod. [3], che richiede densità relativa e frazione molare di anidride carbonica e di azoto. I parametri utilizzati per la determinazione del fattore di comprimibilità sono attualmente ricavati, secondo Codice di Rete, da misure di composizione rilevate tramite i gascromatografi (contenuto di anidride carbonica e azoto) e dalla successiva 1 Il Codice di Rete è un documento approvato dall Autorità per l energia elettrica, il gas e il sistema idrico con Delibera n. 75/03 e successive.

16 pag. 16 applicazione della norma ISO 6976 [4](potere calorifico superiore e densità relativa a condizioni di riferimento). Gli analizzatori di qualità hanno l importante caratteristica di fornire direttamente i parametri per il calcolo del fattore di comprimibilità previsti dalla norma ISO [2]. Nel caso di applicazione della norma AGA NX-19 Mod. [3], il contenuto di azoto, qualora non fornito dall analizzatore, verrebbe calcolato con la procedura riportata in ISO , come spiegato nel Par Come accennato in precedenza, rispetto ai gascromatografi, gli analizzatori di qualità richiedono una gestione molto più semplice, rendendoli decisamente interessanti per un utilizzo sulla rete del gas naturale. 1.4 Introduzione della nuova normativa europea Il secondo obiettivo di questo lavoro è quello di verificare le conseguenze dell introduzione di una nuova normativa comunitaria, che imporrà a breve ai trasportatori di gas naturale che si interfacciano con altri paesi dell Unione europea di uniformarsi su un unico sistema di riferimento per le condizioni volumetriche e di combustione del gas naturale che è riassunto in Tabella 1. Grandezze Tabella 1. Sistema di riferimento attuale e futuro Sistema di riferimento attuale Sistema di riferimento futuro Energia Joule kwh Volume Potere Calorifico Superiore Sm 3 (T di riferimento 15 C, P di riferimento 1,01325 bar) Joule/Sm 3 (T di combustione 15 C) Nm 3 (T di riferimento 0 C, P di riferimento 1,01325 bar) kwh/nm 3 (T di combustione 25 C) Capacità di trasporto gas Sm 3 /giorno kwh/giorno e kwh/h Termini del bilancio gas Joule kwh L introduzione di questo nuovo sistema di riferimento non comporterà di per sé alcun problema, visto che anche per le nuove condizioni sarà ancora perfettamente applicabile la norma ISO 6976 [4] per il calcolo delle proprietà del gas già utilizzata attualmente. Tuttavia, specie nella fase di transitorio fra le due modalità, bisognerà interfacciare il sistema di trasporto con quantità espresse in entrambe le convenzioni. Questa conversione è ancora perfettamente applicabile senza l introduzione di alcun errore se si conosce la composizione del gas a cui la conversione deve essere applicata. Nei casi in cui però tale composizione non sia nota, come ad esempio

17 pag. 17 quando si utilizzano valori mediati su un intervallo di tempo per le proprietà dei gas e quindi a tali valori non sia associabile una composizione, la conversione da un sistema all atro potrebbe presentare delle difficoltà. Nella normativa ISO tuttavia è indicata anche una procedura alternativa per effettuare la conversione delle grandezze rilevanti per la misura e contabilizzazione fra i due sistemi di riferimento. Tale procedura presenta il vantaggio di essere applicabile indipendentemente dalla composizione, ma introduce inevitabilmente un approssimazione. Per verificare quanto queste approssimazioni siano significative sono stati condotti dettagliati calcoli, prendendo in considerazione una serie di miscele di diversa composizione, tali da rappresentare l intera gamma delle miscele circolanti nei gasdotti nazionali. 1.5 Obiettivo e struttura del lavoro Il lavoro qui descritto è finalizzato alla verifica delle prestazioni degli analizzatori di qualità per la misura dei parametri di qualità (potere calorifico superiore, densità relativa e contenuto di anidride carbonica) del gas naturale in vista di un loro impiego nella rete nazionale e alla verifica degli impatti dell introduzione della nuova normativa europea sul sistema di trasporto del gas. A valle di questa premessa, il lavoro è strutturato nei seguenti capitoli: Il Capitolo 2 contiene la ricerca bibliografica svolta, la quale si compone di una prima parte di approfondimento sulle normativa tecnica utilizzata, una seconda parte che fornisce informazioni sui sensori utilizzati negli analizzatori di qualità con particolare riferimento a quelli selezionati da Snam Rete Gas e una terza parte che approfondisce le caratteristiche tecniche e i principi di funzionamento di questi ultimi. Il Capitolo 3 riporta la procedura adottata da Snam Rete Gas per la prima campagna sperimentale effettuata sui quattro analizzatori, illustra i risultati della rielaborazione dei dati sperimentali forniti da Snam Rete Gas e descrive in dettaglio la procedura proposta per una campagna aggiuntiva di prove volta a confermare le prestazioni degli analizzatori di qualità risultanti di interesse durante la prima campagna effettuata. Il Capitolo 4 è finalizzato in termini generali alla verifica della coerenza delle norme, dei sistemi e dei processi del sistema gas con riferimento alle unità di misura definite dalla normativa europea e riporta le simulazioni effettuate con le diverse miscele, i risultati e relativa discussione, al fine di dimostrare l applicabilità dei coefficienti correttivi per passare da un sistema di riferimento all altro nel caso la composizione del gas non sia nota.

18 pag. 18 Il Capitolo 5 riporta le conclusioni tratte in merito a entrambe le verifiche effettuate. Il Capitolo 6 fornisce un breve commento in merito al lavoro futuro nell ambito del sistema di trasporto del gas.

19 pag. 19 Capitolo 2. Ricerca bibliografica L obiettivo di questo capitolo è quello di presentare brevemente le pubblicazioni, le norme e i manuali tecnici che sono stati utilizzati in questo lavoro in modo da chiarire il senso fisico delle analisi seguenti e dare riferimenti alle informazioni fornite. I principali riferimenti utilizzati in questo lavoro sono le norme ISO 6976 [4] e ISO [2], per prima cosa è quindi presentata un analisi, limitata alle parti di interesse, delle norme citate. Nel seguito sono riportate le descrizioni delle parti di interesse degli articoli scientifici e dei manuali che descrivono gli analizzatori di qualità che sono stati studiati. 2.1 Norme ISO 6976 e ISO Lo scopo della norma internazionale ISO 6976 [4] è quello di fornire un metodo per il calcolo del potere calorifico, la densità, la densità relativa e l indice di Wobbe a partire dalla composizione molare di gas naturale, gas di sintesi o gas combustibile in generale, a specificate condizioni di pressione e temperatura di riferimento. Tuttavia, per i calcoli relativi alle proprietà volumetriche (es. potere calorifico superiore espresso rispetto al volume), è richiesto che il metano sia il componente principale della miscela con una frazione molare maggiore del 50%. Sempre in merito alle proprietà volumetriche si consiglia che la percentuale molare non ecceda le seguenti linee guida: frazione molare N 2 inferiore al 30%; frazione molare CO 2 e C 2 H 6 inferiori al 15%; frazione molare di ogni altro singolo componente inferiore al 5%. Entro questi limiti delle frazioni molari, questi valori forniscono una giustezza 2 dei calcoli entro lo 0.1%. Si noti inoltre che la norma prescrive che la somma di tutte le frazioni molari deve essere unitaria con precisione di almeno e che devono essere presi in considerazione tutti i composti presenti in frazione molare maggiore dello 0.005%. Perché le procedure di calcolo descritte diano risultati corretti infine, il gas deve essere al di sopra del punto di rugiada degli idrocarburi alla condizione di riferimento per la quale si stanno effettuando i calcoli. 2 Secondo il Vocabolario Internazionale di Metrologia [15], giustezza di misura è il grado di concordanza tra la media di un numero infinito di valori misurati ripetuti e un valore di riferimento.

20 pag. 20 Entriamo adesso nei dettagli della norma limitandone l analisi ai due parametri di interesse per questo lavoro, cioè il fattore di comprimibilità (Z) e il potere calorifico superiore su base volumetrica (PCS ). Il fattore di comprimibilità è definito come il rapporto fra il volume occupato da una data massa di gas reale a date pressione e temperatura e quello occupato dalla stessa massa di gas alle stesse condizioni di pressione e temperatura calcolato con la legge dei gas ideali: p V = R T (1) dove p rappresenta la pressione, V il volume molare nell ipotesi di gas ideale, R la costante universale dei gas e T la temperatura. Si può quindi affermare che per i gas reali vale la relazione: ove V il volume molare di gas reale. p V = Z(T, p) R T (2) Il calcolo del fattore di comprimibilità richiede la conoscenza dell equazione di stato volumetrica. In particolare, può essere applicata l equazione del viriale, la quale considera le interazioni a più corpi fra le varie molecole del gas. Alle pressioni e temperature di riferimento prese in considerazione da questa norma le uniche interazioni che non possono essere trascurate sono quelle a due corpi. Pertanto, tramite ulteriori semplificazioni, la norma fornisce la seguente equazione che può essere utilizzata per il calcolo del fattore di comprimibilità di una miscela di gas: Z = 1 x b (T) (3) dove x è la frazione molare del componente i-esimi in miscela, N è il numero totale dei componenti presenti in miscela e b sono opportuni coefficienti, pari ad 1 meno il fattore di comprimibilità del relativo gas puro, 3 che vengono forniti dalla norma alle varie temperature di riferimento. Quest ultimi fattori sono riportati in Tabella 2 per le temperature e i composti di interesse. 3 Unica eccezione quella dell elio, per il quale tale formulazione non darebbe un numero reale e pertanto in tal caso si utilizzano pseudo valori di b che lasciano l equazione inalterata.