La misura della concentrazione di CO, O 2 , NO x nei fumi di combustione all’uscita dell’economizzatore (ECO) e del denitrificatore (DeNO x ) è un indicatore significativo dell’assetto di combustione dei gruppi termici, e uno strumento utile per migliorare, nei limiti del possibile, l’assetto medesimo e verificare l’efficacia dei processi volti a ridurre le emissioni d’inquinanti. Gli strumenti oggi disponibili per tali misure sono complessi e poco adatti ad operare in linea, sollecitando a sviluppare soluzioni capaci, in prospettiva, di un monitoraggio, affidabile, semplice da gestire e a costi compatibili. Il presente rapporto, redatto nell’ambito del Progetto SENNA “Sensoristica innovativa e nanomateriali per il sistema elettrico”, Sottoprogetto NANO “Nanomateriali, microsistemi integrati e nuovi materiali funzionali per il sistema elettrico del futuro”, illustra i risultati di un’indagine preliminare finalizzata a valutare la possibilità di impiegare a tal fine nuovi sensori a stato solido che operano in base a processi catalitici controllati dalle caratteristiche strutturali a livello nanometrico. Su tale base, avvalendosi delle competenze del Dipartimento di Chimica e Fisica per l’Ingegneria e per i Materiali dell’Università di Brescia, sono stati sperimentati diversi sensori chimici a stato solido basati su film di ossidi semiconduttori (SnO 2 , WO 3 , ecc.), sviluppati dal Laboratorio Sensori della stessa Università, per valutarne l’efficacia e l’applicabilità nel rilevare i gas presenti nei fumi, in condizioni operative rappresentative di quelle osservate in impianto. La concentrazione massima d’interesse dei tali gas, secondo le condizioni previste all’uscita ECO e DeNO x dei gruppi termoelettrici dell’attuale parco italiano, è la seguente: CO 800 ppm, NO x 750 ppm (uscita ECO) e 150 ppm (uscita DeNO x ). L’obiettivo ultimo è in prospettiva mettere a punto un prototipo di “naso elettronico” finalizzato a sperimentare il monitoraggio in impianto dei gas, valorizzando in modo efficace l’insieme di sensori disponibili. Prove sistematiche hanno consentito di valutare in modo quantitativamente affidabile la concentrazione dei gas d’interesse elaborando i dati con algoritmi avanzati di “pattern recognition” implementati con reti neurali. Nella sperimentazione effettuata principalmente con sensori sviluppati dal Laboratorio e anche con sensori commerciali, è stata studiata la risposta alle singole specie gassose, e a miscele binarie e ternarie, con concentrazioni diverse dei singoli gas (CO, O 2 , NO 2 e NO). Durante l’esposizione alle miscele gassose sono stati misurati da ciascun sensore i parametri i) risposta relativa (sensibilità), ii) tempo per arrivare al 90% della massima risposta, e iii) tempo per arrivare al 70% del recupero, questo ad ogni interruzione della esposizione ai gas.

I sensori si sono dimostrati capaci di rivelare le singole specie gassose (NO 2 , CO e O 2 ) negli intervalli di concentrazione in linea di massima coerenti con quelli d’interesse per l’applicazione. Nessun sensore – preso singolarmente – può in generale discriminare fra diverse specie gassose, mentre considerando la risposta di tutti i sensori e avvalendosi di reti neurali opportunamente addestrate si osserva una buona selettività e una stima soddisfacente della concentrazione delle singole specie: ad esempio, in presenza di O 2 e di NO 2 , valori medi di 200 ppm di CO sono predetti con un errore quadratico medio di 28 ppm. I risultati della sperimentazione preliminare possono quindi considerarsi positivi, e motivano la proposta di un’azione di ricerca più direttamente finalizzata all’obiettivo e in particolare alle seguenti azioni: i) ottimizzare il set di sensori in base a composizione e temperatura dei gas da analizzare in esercizio, ii) valutare approfonditamente i fattori di avvelenamento dei sensori (da SO 2 ) e i rimedi adottabili, iii) mettere a punto gli algoritmi per estrarre, dalle misure del suddetto set di sensori, stime quantitative affidabili della concentrazione dei gas d’interesse (CO, NO x , O 2 ), e iv) realizzare un prototipo di “naso elettronico” da provare su impianto nelle condizioni di esercizio.