Tecnologia di pesatura di precisione per impianti a biogas più efficienti

Il biogas è una fonte ecologica di energia che sta già dando un contributo enorme alla transizione dell'energia. Presso lo IASP, Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte (Istituto per progetti agricoli e di ecologia urbana) dell’Università Humboldt di Berlino, ci sono team di scienziati che svolgono ricerche su come trasformare gli impianti di biogas affinché diventino ancora più sostenibili in futuro, ad esempio usando più materiali di scarto. I test a lungo termine associati a questa ricerca richiedono una tecnologia di misura precisa. Per eseguire le misurazioni di livello nei reattori sperimentali, gli scienziati si affidano a una catena di misura tecnologica di HBM— dalla cella di carico a singolo punto PW12C attraverso l’elettronica dl trasduttore digitale PAD fino al software PanelX..

Il biogas è un pilastro importante per la transizione dell'energia. Diversamente dai sistemi fotovoltaici ed eolici, la tecnologia del biogas è indipendente dalle condizioni atmosferiche o dal momento della giornata, pertanto può compensare le fluttuazioni nella griglia in futuro ad esempio quando non è prodotta sufficiente energia dal vento e dal sole. Nel 2018, l’elettricità prodotta da impianti a biogas in Germania costituiva già il 13% dell'elettricità prodotta da fonti rinnovabili. Si è tuttavia osservato che questi impianti utilizzavano per lo più mais energetico appositamente prodotto, una soluzione costosa e inefficiente.

Problema

Nell’ambito del progetto BioKat, gli scienziati dello IASP di Berlino stanno conducendo ricerche su come rendere gli impianti a biogas più efficienti, ad esempio usando materiali di scarto per la produzione di biogas in futuro. Nelle prove con quattro reattori sperimentali da 25 litri l’uno, il livello di riempimento del reattore ha un ruolo fondamentale. Per una nuova serie di esperimenti, i nostri scienziati stanno cercando una tecnologia di misura del livello gravimetrico in grado di:

  • misurare con precisione il livello dell’intero periodo di prova,
  • fornire dati affidabili nel difficile ambiente della simulazione di processo
  • essere usata in modo rapido sicuro e facile.

"I materiali residui e di scarto possono essere sfruttati al meglio"

Con il nostro progetto di ricerca BioKat stiamo indagando su come i componenti degli enzimi nei funghi all’interno di impianti a biogas possono decomporre in modo rapido e semplice anche sostanze di difficile decomposizione”, dice Marius Conrady, responsabile per il progetto di ricerca come ricercatore associato allo IASP (Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte). "I materiali residui e di scarto possono quindi essere utilizzati meglio per la produzione di biogas in futuro”, aggiunge il project manager dott. Patrice Ramm. La serie di test che si protraggono per diversi mesi richiede tecnologie di misura molto affidabili, in grado di fornire dati precisi per tutto il periodo di prova. HBM supporta il team di ricerca con un pacchetto completo di tecnologie di pesatura di alta qualità con la cella di carico di precisione a singolo punto PW12C al centro.

Misurazione precisa del livello nei reattori a biogas

Sono quattro insospettabili cilindri neri il cuore del progetto di ricerca BioKat. "Nei nostri quattro reattori sperimentali, stiamo indagando su come diverse preparazioni enzimatiche possano accelerare la fermentazione del nostro substrato di prova composto dall’insilato di un intero raccolto”, spiega Marius Conrady. "Per questo motivo, alimentiamo i nostri reattori sperimentali con 176 grammi l’uno di insilato dell’intero raccolto e acqua ogni giorno dopo una fase di avviamento”. Un agitatore mescola la massa in continuo, mentre un bagno a temperatura controllata garantisce il mantenimento a 38 gradi Celsius nei reattori per garantire condizioni identiche per tutta la durata del progetto.

Il livello di riempimento dei reattori, ciascuno con una capacità totale di 25 litri, ha un ruolo particolare nei test. Ha un impatto enorme sulla formazione di gas e su altri fattori importanti, come la coppia degli agitatori che muovono la massa nei reattori e il carico volumetrico. "Nelle precedenti serie di test, siamo riusciti a valutare soltanto il livello attraverso le finestre di ispezione dei reattori”,  dice Marius Conrady. "È stato un problema perché la massa composta dall’insilato dell’intero raccolto unito ad acqua è molto disomogenea e ha un contenuto di sostanza secco molto elevato. Inoltre, spesso si forma della schiuma nei reattori”. Per una nuova serie di test, gli scienziati stanno quindi cercando una soluzione in grado di stabilire anche il livello di riempimento con tecnologia di misura gravimetrica. Gli esperti di HBM prestano consulenza a IASP e, insieme agli scienziati, stanno sviluppando un concetto di pesatura gravimetrico che coinvolge diverse tecnologie, da quella dei sensori alla valutazione elettronica basata su software.

Soluzione

Gli esperti di tecnologie di misura HBM, insieme agli scienziati di IASP, stanno sviluppando un concetto di misura olistico perfettamente adatto all’impostazione del test. Vengono utilizzati i seguenti componenti:

  • Con la sua classe di precisione C3 Multi-Range, la cella di carico PW12C offre una precisione unica per questo design. Grazie alla compensazione del carico decentrato, è l’ideale per applicazioni a singolo punto con grandi piattaforme di pesatura.
  • L’elettronica dei trasduttori PAD converte i segnali dalle celle di carico basate su estensimetri di HBM in dati di misura digitali ad alta risoluzione. Equipaggiati con diversi filtri, i PAD fornisce dati precisi anche in ambienti di misura difficili.
  • Grazie al software PanelX facile da usare, l'elettronica di pesatura può essere impostata idealmente per diverse operazioni di misura e usata per registrare, valutare, adattare e visualizzare i dati misurati.

Una singola cella di carico per la misurazione di livello nel reattore

“La nostra cella di carico a singolo punto PW12C, con capacità di 50 kg, è al cuore del concetto di pesatura per IASP”, afferma Marcel Richter, direttore Product Management per la tecnologia di pesatura e i sensori OEM di HBM. "Con la sua compensazione del carico decentrato, la cella di carico è ideale per applicazioni a singolo punto con piattaforme di formato fino a 800 mm x 800 mm. Nella configurazione per il test IASP, una singola cella di carico supporta il peso di un reattore sperimentale completo —

con una prestazione generale per questo design unica sul mercato”.  La cella di carico a singolo punto PW12C pesa carichi da 50 a 750 kg con precisione in conformità con la classe di precisione C3 Multi-Range. Inoltre, uno schermo per cavo collegato al corpo di misura fornisce una protezione ottimale dalle interferenze elettromagnetiche, il che lo rende ideale per l’uso in laboratorio. "La sua elevata rigidità e la tecnologia basata su estensimetri di HBM rendono PW12C ideale per applicazioni statiche e dinamiche, ad esempio, nelle selezionatrici ponderali”, afferma Marcel Richter. "Al contempo, la cella di carico è estremamente robusta”.  PW12C è anche adatto all’uso in ambienti industriali ostili, grazie al grado di protezione IP67 e alla protezione da sovraccarico regolabile.

Digitalizzazione di dati di misura ad alta risoluzione

"Nel nostro progetto di ricerca BioKat, l’elettronica del trasduttore digitale PAD converte i segnali analogici della cella di carico in dati digitali ad alta risoluzione”, afferma Marius Conrady. "In questo modo possiamo registrare semplicemente i risultati per la nostra configurazione di test con un PC, valutarli e avere una rapida visione d’insieme”. Con la sua cella di carico, l’elettronica e la completa gamma di accessori, HBM offre agli scienziati di IASP tutto ciò che serve da un unico fornitore. "Abbiamo una vasta gamma di accessori per formare una catena di misura ideale per i nostri clienti" afferma Marcel Richter. "E l’elettronica dei nostri trasduttori digitali PAD offre agli utenti un modo semplice e intuitivo per digitalizzare celle di carico o sensori analogici basati su estensimetri a una risoluzione estremamente alta”.

PAD può essere facilmente collegato alle celle di carico con sistema plug and play ed è pronto all’uso in pochi minuti. Grazie all’elaborazione del segnale di misura integrata con filtri selezionabili o automatici, l'elettronica del trasduttore garantisce la massima precisione, anche con le vibrazioni continue degli agitatori del reattore sperimentale nella configurazione del test IASP. L’alloggiamento compatto in acciaio inossidabile e il grado di protezione IP68/IP69K rendono l’elettronica del trasduttore ideale per le condizioni ambientali più rigorose.

Risultati

Grazie alla sua precisione, la cella di carico PW12C misura il livello di riempimento dei reattori sperimentali con alta precisione durante il periodo di prova. In una configurazione a singolo punto, è sufficiente un’unica cella di carico per ogni reattore. Grazie all’elettronica del trasduttore PAD e agli accessori abbinati, il team di ricerca di IASP è in grado di collegare la cella di carico direttamente a un PC e configurare facilmente la catena di misura per la tecnologia di pesatura per il test. Le funzioni estese fornite dal software PanelX consentono rapidamente agli utenti di valutare, analizzare e visualizzare come grafico i dati misurati relativi ai livelli di riempimento dei reattori sperimentali.

Avviamento e visualizzazione

Gli scienziati di IASP si affidano ad HBM anche per il software. "Usiamo il software PanelX di HBM per tarare la cella di carico e per registrare, finalizzare e visualizzare i dati misurati”, sottolinea Marius Conrady. "Il funzionamento intuitivo di PanelX consente di regolare rapidamente la tecnologia di misura alla nostra configurazione di prova e metterla in funzione. Inoltre, il software consente in modo semplice di visualizzare e valutare i nostri risultati di misura”. Il software PanelX vanta numerose funzioni che rendono la tecnologia di misura HBM ideale per un gran numero di applicazioni di pesatura statiche e dinamiche. Gli utenti possono, per esempio, affidarsi all’ottima assistenza per il software durante l’avviamento e la taratura degli strumenti di pesatura e approfittare della rapida valutazione e visualizzazione dei dati di misura. L’analisi della frequenza integrata è una funzione utile quando si valuta e si ottimizzano le applicazioni dinamiche complete, ad esempio.

Dati di misura precisi per la ricerca sul biogas

"Grazie alla tecnologia di misura precisa di HBM, la nostra attuale serie di esperimenti ci consente di monitorare con precisione l’aggiunta quotidiana di insilato da raccolto e acqua e confrontarla con la quantità target”, spiega Marius Conrady. "Questo ci aiuta a ottimizzare i nostri processi e, ad esempio, evitare imprecisioni nell’aggiunta quotidiana di biomassa”.  Inoltre, gli scienziati possono stabilire con maggiore precisione la perdita di peso nei reattori dovuta alla decomposizione e collegarla alla formazione di gas. "Nei nostri test misuriamo la formazione di gas con un flussimetro volumetrico. Le curve della perdita di peso e la quantità di gas prodotto sono strettamente correlate”, afferma Marius Conrady.

"Confrontando i risultati di entrambe le misurazioni, possiamo individuare rapidamente gli errori e regolare di conseguenza i risultati del nostro studio. Grazie alla catena di misura di precisione HBM, abbiamo quindi un database affidabile con cui possiamo migliorare la tecnologia a biogas del futuro”.

L’Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte (IASP)

dell’Università Humboldt di Berlino sostiene le piccole e medie imprese nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie innovative nei settori delle tecnologie alimentari, materie prime di origine biogenica, allevamento di bestiame e sistemi di piantagione. Come partner scientifico, il team interdisciplinare di 35 membri scientifici e tecnici sviluppa soluzioni orientate all'applicazione per i problemi incontrati sul campo. La ricerca sul biogas è un’attività di particolare interesse per lo IASP. Con progetti di ricerca come BioKat, lo IASP offre un contributo importante all’implementazione di tecnologie a biogas più sostenibili ed efficienti.