Semovente vs Punto Fisso

JP | Tuesday, 5th March 2013

Confronto tra l’efficacia dello skimmer semovente FLOC e quella di skimmers tradizionali che operano a punto fisso: oleofili a dischi, rulli, spazzole o funi (disk, drum, brush, rope mop).
Gli skimmers oleofili e a stramazzo (weir skimmers) operano a punto fisso; essi vengono manovrati da una gru che li depone in un punto della chiazza da ripulire e successivamente svolgono la loro funzione rimanendo in quel punto, per l’appunto: a punto fisso.

 

01-confrontoTecniche - oliLeggeri-MareCalmo  03-confrontoTecniche - oliLeggeri-MareAgitato

 

Ne segue che la loro azione rimane efficace solo fino a quando il velo di inquinante da prelevare rimane compatto e consistente nel punto in cui lo skimmer opera e comunque l’efficacia decresce con continuità, dall’avvio dell’azione, fino ad annullarsi.

 

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Si rende necessario quindi spostare lo skimmer da un punto già ripulito ad uno attiguo, ma separato, da ripulire e questa operazione si svolge risollevando lo skimmer con la gru, facendo muovere la nave appoggio e quindi ricalando lo skimmer in una nuova postazione e questo continuamente, fino al termine dell’intervento di bonifica.

 

05-confrontoTecniche - grumi-MareCalmo  06-confrontoTecniche - grumi-MareAgitato

 

Le figure illustrano il concetto tenendo conto anche della consistenza dell’inquinante (partendo dagli oli leggeri come le benzine, poi gli oli pesanti come il greggio per finire con i grumi di emulsione) e delle condizioni del mare (calmo o agitato).

skimmer a spazzole
oleofile che viene calato in mare
skimmer a stramazzo
che viene calato in mare
in tutti e due gli scenari si notano le barriere galleggianti che si rendono necessarie per ispessire l’olio galleggiante e tenerlo in prossimità degli skimmers
Lo skimmer Oil Killer di Jonathan Project attraversa la chiazza ripulendola lungo il suo percorso; si muove autonomamente e non è necessario (anzi può essere d’impiccio) disporre barriere galleggianti

    
         


Gli Oil Skimmer

JP | Wednesday, 20th February 2013

definizioni:

  • pompe aspiranti per il recupero di idrocarburi dalla superficie del mare (word reference)
  • a device or craft designed to collect oil spilled on water (word reference)
  • tools for removing oil, grease and other hydrocarbons from water and coolants (Abanaki)
  • attrezzature specifiche montate su natanti per aspirare-raccogliere idrocarburi (ENI)
  • dispositivi in grado di separare per scrematura inquinanti galleggianti su un liquido (CNR)

 

Gli oil skimmers sono dispositivi progettati per separare e recuperare liquidi oleosi emulsionati in una massa d’acqua o galleggianti su di essa.

 

Esistono liquidi immiscibili e liquidi miscibili:

  • due liquidi immiscibili posti in uno stesso contenitore non si mischiano ma quello più leggero galleggia su quello più pesante, proprio come l’olio sull’acqua; se agitati si trasformano in emulsione e cioè nella dispersione di particelle infinitesime di un fluido nell’altro: per esempio la maionese è l’emulsione di olio e grassi del tuorlo d’uovo nel succo di limone, oppure il latte è l’emulsione dei grassi (il burro) nel siero;
  • due liquidi miscibili posti in uno stesso contenitore formano una soluzione che è successivamente indivisibile, come per esempio acqua e vino.

 

Per quanto possano variare progetti e disegni gli oil skimmers basano sempre il loro funzionamento sulla differenza di peso specifico e di tensione superficiale dei fluidi da separare.

Quindi, quando ci trovassimo di fronte ad un olio che galleggia su una massa d’acqua in forma liquida o di emulsione e volessimo rimuoverlo, dovremmo utilizzare un oil skimmer.

 

Ma quali sono le ragioni per cui dovrebbe presentarsi una tale necessità?

Crediamo di poter affermare che le ragioni principali, se non le uniche,  siano due:

  1. versamenti volontari in ambienti controllati di olio in acqua per generare fluidi lubrificanti e/o refrigeranti che rispondano a esigenze di linee di produzione quali le lavorazioni meccaniche, i processi siderurgici e quelli metallurgici;
  2. versamenti incontrollati, involontari o dolosi, di idrocarburi nell’ambiente naturale, come conseguenza delle attività umane relative al petrolio e ai suoi distillati, dalla ricerca dei giacimenti alla… pompa di benzina.

 

Naturalmente esistono altri ambiti in cui si manipolano emulsioni, per esempio quello farmaceutico o biologico, ma essi esulano completamente dal nostro interesse.

Anche eventi naturali, come un terremoto, possono causare sversamenti.

 

Nel primo caso lo “skimming”, la pulitura dell’acqua attraverso separazione e asportazione dell’olio, è funzionale alle problematiche di conferimento a discariche o smaltimento dei rifiuti industriali.

 

Nel secondo caso lo sversamento genera un inquinamento con tutti i danni ambientali ed economici che ne conseguono; le operazioni di skimming sono quindi funzionali a rimuovere o diminuire quel danno.
Gli oil skimmers sono le “macchine” progettate allo scopo e possono essere intere navi skimmer o dispositivi ausiliari con cui dotare navi o battelli d’appoggio.

 

I fattori che determinano il tipo di oil skimmer da usare e i metodi di intervento sono:

  • il teatro d’intervento: mare aperto, oceano, fiumi, porti o aree ristrette;
  • presenza o meno di venti o correnti;
  • quantità di greggio che si deve recuperare: da poche decine di chili (per esempio in aree portuali per inquinamenti di routine) a milioni di tonnellate (per esempio nel Golfo del Messico).

 

Riteniamo interessante un breve riferimento agli skimmers utilizzati nell’industria .

 

La loro maggiore diffusione si trova in contesti industriali e in particolare in processi di lavorazioni dove è richiesto l’uso di emulsioni acqua-olio come lubrificanti o refrigeranti, per esempio nelle lavorazioni meccaniche di macchine utensili (torni, frese ecc.) o in processi siderurgici e metallurgici. In questi ambiti il loro utilizzo è conseguente all’esigenza del rispetto delle normative relative  al conferimento in discarica dei residui di lavorazione o di reimmettere le emulsioni, rigenerate, nel ciclo produttivo.

 

In un tornio o in un treno di laminazione, per esempio, le emulsioni usate sono convogliate in una prima vasca di raccolta e decantazione nella quale precipitano le parti pesanti e affiora l’olio; successivamente la parte superficiale tracima in una seconda vasca dove l’olio risulta concentrato e di spessore consistente.

All’interno di queste seconde vasche vengono inseriti oil skimmers in grado di estrarre gli oli.



da sinistra a destra: skimmer a disco oleofilo, slimmer con nastro assorbente e skimmer a stramazzo

La linea logico-temporale in cui si sviluppa il processo è:

 

  • raccolta e immissione delle emulsioni in una apposita vasca
  • formazione di una coltre spessa e concentrata di olio galleggiante
  • estrazione dell’olio con oil skimmer

 

In mare
rete a strascico Le conseguenze catastrofiche dei primi disastrosi versamenti di petrolio imposero di intervenire con mezzi e procedure dedicate a ridurne il danno. L’emulsione gelatinosa tende a raggrumare e questa condizione ha permesso, da sempre, di utilizzare le reti dei pescatori quale primo strumento di bonifica.

 

D’altra parte i pescatori erano e sono il primo fronte già presente sul luogo del disastro e sono, per definizione, dotati di reti da pesca che, seppur come strumenti rudimentali, possono essere utilizzate per un primo intervento di bonifica. Naturalmente le reti consentono una “pulizia” assolutamente minima e sommaria perché trattengono solo grumi più grandi delle loro maglie e sicuramente non trattengono idrocarburi allo stato liquido.

 

Necessitavano quindi strumenti più efficaci.

 

E’ degli anni ’30 lo skimmer nell’immagine a sinistra (non abbiamo idea di come funzionasse) e si può notare come fin da allora ci si sia rivolti alla progettazione di vere e proprie navi da affiancare alle reti da pesca. americanSkimmer1971 Questi mezzi sono diventati sempre più complessi ed è degli anni ’70 lo skimmer ritratto qui a destra; in esso possiamo notare la complessa struttura a mare collegata alla nave appoggio con una passerella.
E’ facile intuire la complessità di gestione dell’insieme nave e struttura a mare ed anche la sproporzione tra l’intero sistema (peso, consumi, costi) e l’intuibile efficacia di bonifica. Si noti come l’onda di prua disturbi la superficie d’acqua in prossimità della struttura skimmer.

 

Questo filone ha portato alla progettazione a alla costruzione di navi quali quelle nelle figure qui sotto.



Sono costruzioni molto grandi e complesse e da una semplice osservazione se ne può dedurre l’elevato costo di produzione e gestione che non ha certo favorito, e non favorisce, una loro larga diffusione (come avrebbe auspicato il già citato Ing. Degli Esposti in conseguenza dell’accordo di Helsinki). Queste navi sono presenti in un numero limitato di esemplari ognuno dei quali staziona nel suo porto di residenza e per poter essere utilizzate devono salpare e navigare fino a raggiungere il luogo d’intervento; occorre quindi un consistente intervallo di tempo prima che la nave sia operativa.

 

Inoltre il costo particolarmente elevato della loro gestione rende accettabile il loro intervento solo in presenza di versamenti vicini e gravi.

 

Nel frattempo sono stati costruiti oil skimmer, quali dispositivi ausiliari, di diretta derivazione da quelli tipici dell’industria. Il loro sviluppo ha comportato la crescita delle dimensioni per rendere i nuovi dispositivi profittevolmente utilizzabili anche in mare aperto.

Nascono così le famiglie di oil skimmers oleofili, a stramazzo e dotati di nastri o funi assorbenti.

In essi però alberga sempre il peccato originale d’essere nati per lavorare a punto fisso e in un contenitore chiuso dove la superficie è piatta e l’inquinante è concentrato e di notevole spessore.

Lo stato dell’arte vede, nell’ordine, gli oil skimmers oleofili e a stramazzo quali protagonisti assoluti tra le dotazioni d’emergenza per recupero e bonifica in aree di versamenti. Però, perché questi strumenti possano operare, bisogna ricreare le condizioni al contorno per cui sono nati e cioè la vasca di raccolta.

 

La nave appoggio funge così da sponda della vasca e regge lo skimmer mentre si ricostituisce la condizione di superficie calma e spessore consistente dell’inquinante con l’uso di barriere galleggianti che, dopo essere state posate, vengono strette intorno allo skimmer stesso.


 

Le immagini (in senso antiorario) rendono più immediato il concetto: in una prima fase si circonda il versamento con barriere che vengono poi strette per concentrare e ispessire l’inquinante; successivamente dalla nave si cala lo skimmer in modo che si posizioni dentro l’addensamento dove è massimo lo spessore di petrolio e si procede con l’estrazione. Gli skimmer oleofili possono essere molto potenti con capacità estrattive di centinaia di m³/h, il che significa che sono efficientissimi con spessori tanto enormi quanto improbabili e anche in quel caso fanno presto il vuoto (di inquinante) intorno al punto in cui operano e occorre spostarli continuamente con una gru o con manovre della nave. Un altro metodo è quello di procedere con una nave equipaggiata di una barriera galleggiante fuoribordo, formata a U, nell’ansa della quale si raccoglie il petrolio e si posiziona lo skimmer. Gli skimmers oleofili sono efficaci in presenza di idrocarburi molto densi e spessi, mentre la loro efficacia tende ad annullarsi con idrocarburi leggeri e spessori molto sottili. Gli skimmer a stramazzo ingoiano invece tutto quello che galleggia ma hanno efficacia accettabile in condizioni di superficie piatta e, ancora una volta, con inquinante compatto.

Riteniamo di poter affermare che le tipologie di skimmers dedicate a rimuovere e portar via il petrolio sono: (N.B.: la nota “efficienza” in pro e contro tiene conto del rapporto di rendimento costi/benefici)


skimmer oleofili
skimmer a stramazzo
panne assorbenti
nastri e corde assorbenti
nastri trasportatori
bracci convergenti
battelli ecologici
navi skimmer

schema

 

Skimmers Oleofili

 

Un materiale oleofilo ha la caratteristica di fare aderire alla sua superficie gli oli e di respinge l’acqua. Fanno parte di questa categoria l’alluminio, il polietilene, il polipropilene ed altri polimeri. Il principio in funzionamento base al quale questi skimmers lavorano è il seguente: una parte mobile (disco o rullo) è montata in modo da entrare e uscire ciclicamente in una massa d’acqua; nel suo moto la parte mobile attraversa la superficie della massa d’acqua e quel che ci galleggia sopra; la parte mobile è costruita con materiali oleofili ed idrorepellenti; gli inquinanti galleggianti aderiscono alla parte mobile quando questa fuoriesce dalla massa d’acqua; la parte mobile trasferisce gli inquinanti ad essa aderenti in una zona di raschiatura e recupero. Fra le macchine presenti oggi sul mercato gli skimmers oleofili sono indubitabilmente le più efficaci e quelle più acquistate dalle organizzazioni di intervento.
Questi skimmers non sono mai autonomi ma devono sempre essere trasportati e assistiti da un mezzo di appoggio. Sono quindi macchine ausiliarie con le quali dotare i mezzi di intervento.


 

Gli skimmer oleofili
dischi rigidi
rulli rigidi
spazzole
La divisione è determinata unicamente dal modo in cui vengono formate le parti oleofile e cioè dischi, rulli o spazzole. Le spazzole sono più efficaci in termini di portata ma più complesse nella manutenzione, la copertura superficiale di rulli e dischi è oggetto di continui sviluppi sia per il materiale sia per la finitura (liscia, rugosa, a solchi…) sempre alla ricerca della miglior prestazione.
proefficaci con oli pesanti | grandi portate
controinefficaci con oli leggeri | dispositivi da imbarco poco maneggevoli | lavoro a punto fisso

 

20070829_sucking_2
Skimmer a stramazzo

 

Gli skimmer a stramazzo sono orifizi di scarico che sono tenuti a galla appena  sotto il livello della superficie liquida che si scarica al loro interno con tutto quello che vi galleggia sopra; nella parte inferiore dell’orifizio c’é un tubo di raccolta con una pompa aspirante. Gli stramazzi, in inglese weir skimmers, lavorano a punto fisso e sono molto sensibili al moto ondoso.

schema stramazzo Se si considera il solo stramazzo sono relativamente economici ma diventano ben più costosi se si tiene presente che il loro funzionamento richiede la presenza di una nave appoggio con a bordo un sistema di pompaggio e stoccaggio e l’utilizzo di barriere di contenimento del versamento per favorire l’ispessimento necessario del versamento. Sono poco efficienti anche a causa del grande volume di acqua che inviano alla pompa di suzione e alla conseguente necessità di grandi e costosi sistemi di immagazzinamento.

A riprova di ciò riportiamo che nel 2008  la commissione incaricata di redigere la “Application of the American Society of Testing and Materials’ (ASTM) scrive: “The skimmers… weir-type devices, with typically low oil recovery efficiencies (RE)… Replacing the weir-type skimmers with oleophilic devices… oleophilic skimmer’s generally higher RE”; sostanzialmente: gli skimmer a stramazzo, a causa della loro scarsa efficienza, devono essere sostituiti da più efficienti skimmer oleofili.



Skimmer a stramazzo
proefficienti con oli leggeri e leggerissimi
controdispositivi da imbarco poco maneggevoli | sensibili al moto ondoso | lavoro a punto fisso | poco selettivi

Panne assorbenti
Il funzionamento dei tessuti e delle panne assorbenti si basa su due principi:
  attrazione
    il liquido aderisce alla superficie delle fibre di tessuti di polipropilene espanso;
  assorbenza
    il liquido penetra la materia pastosa delle fibre ed è trattenuto all'interno delle fibre stesse.
Le panne assorbenti sono corpi galleggianti allungati, di forma cilindrica, costituiti di materiale assorbente. Esse vengono disposte sulla superficie della massa d’acqua o perpendicolarmente ad una corrente in modo da incontrare con un moto relativo il versamento di petrolio da raccogliere.
La loro caratteristica struttura attrae e trattiene il petrolio imbevendosene; successivamente vengono recuperate per essere smaltite insieme al contenuto di petrolio da esse rimosso dalla superficie.
La loro efficienza è inversamente proporzionale alla dimensione delle fibre.
promolto selettive | poco sensibili al moto ondoso | relativamente economiche
controdevono essere posate, recuperate e smaltite | poca capacità unitaria

Nastri e corde oleofili
Queste attrezzature utilizzano nastri e funi costruiti con materiali che assorbono o inglobano l’olio e respingono l’acqua. Il metodo di funzionamento prevede di formare ad anello queste funi e di farle passare ciclicamente attraverso la superficie da bonificare. Allo scopo deve essere allestita una struttura portante che abbia nella sua parte più alta una serie di pulegge sulle quali far ruotare le funi le quali, durante il percorso di risalita dalla superficie d’acqua e cioè quando sono intrise di petrolio, devono anche passare attraverso uno spremitore che faccia fuoriuscire il petrolio per strizzatura. Il petrolio così estratto cade in una vasca contenitore posta sotto lo spremitore. Con lo stesso principio si possono costruire nastri trasportatori come quello di Kvichak-Marco.
Il sistema, ovviamente, funziona ma ci pare assai macchinoso e complesso da utilizzare, necessita di una nave appoggio su cui essere installato e ci pare molto difficile che si possa agevolmente muovere all’interno dell’area da bonificare anche se i produttori dicono che il vantaggio dovrebbe essere proprio quello di far ruotare le funi potendole allontanare dalla nave (ma come?).
pronotevolmente selettivi | buone portate
contropoco efficaci con oli leggeri | dispositivi da imbarco poco maneggevoli | lavoro a punto fisso | costosi in acquisto e gestione

Nastri trasportatori
Questi dispositivi estraggono materie, solide e/o gelatinose galleggianti sul pelo dell’acqua, con l’azione meccanica del nastro che deve essere quindi spinto sotto ciò che deve raccogliere. Naturalmente occorre una imbarcazione sulla quale installate i nastri ed occorre che questa sia costruita in modo da consentire alla sua parte iniziale di fuoriuscire a prua e di potersi immergere. In pratica nave e nastro sono un tutt’uno e diventano “il dispositivo”. Questi dispositivi sono particolarmente adatti alla raccolta di immondizie ma vengono appositamente progettati e costruiti anche per la raccolta di emulsioni gelatinose e grumi di petrolio. Per raccogliere petrolio liquido occorre che il nastro sia costruito o ricoperto con fibre oleofile assorbenti.
I costi di acquisto e gestione sono quelli di un battello così come la manovrabilità. La manutenzione comporta anche la pulizia delle maglie del nastro dalle incrostazioni di petrolio mentre il raccolto viene fatto cadere dentro una vasca di contenimento, che occupa la parte libera da strutture del ponte del battello, che deve poi essere svuotata con l’ausilio di una gru.
A noi pare che il dispositivo sia efficace ma poco efficiente con i solidi non potendo avere grandi dimensioni, che sia vulnerabile e poco manovrabile in prossimità delle rive, totalmente inutile in presenza di galleggianti liquidi con riflessi di qualunque colore e costoso sia nell’acquisto che nella gestione.
proefficaci con solidi e immondizie
controutilizzo complesso e poca manovrabilità | manutenzione onerosa | sono imbarcazioni ed hanno i relativi costi di gestione

Bracci convergenti
Sono dispositivi pensati per rastrellare (impropria traduzione dell’inglese “to sweep” che da il nome a questa categoria di macchine: “sweeping arms”) la superficie d’acqua.
Riteniamo di poter descrivere la logica che porta alla loro invenzione secondo questa sequenza:
I primi strumenti per rastrellare sono le reti che però sono “bucate” e raccolgono poco e male. Presto si pensa di dover contenere i versamenti e si inventano le barriere galleggianti.Le barriere galleggianti possono essere trainate per concentrare l’olio ma sono poco controllabili.
All’interno di braccia di barriere possono essere posti gli oil skimmer per estrarre l’olio.
Bracci rigidi e convergenti per quella funzione sono meglio controllabili e più efficienti.
I bracci rigidi sono più pesanti delle barriere galleggianti e possono essere di notevole altezza così da poter essere manovrati per mantenere una quota fissa rispetto al livello del mare insensibili al moto ondoso. La loro invenzione risale a 30 anni fa e si deve al sig. Kampers, fondatore del cantiere olandese Koseq.
probuone portate in condizioni gravose
controcomplessi da gestire | dispositivi da imbarco poco maneggevoli | molto costosi

Battelli ecologici
Tipicamente navi veloci per pronto intervento sono imbarcazioni attrezzate multiuso con funzioni anti-incendio, di salvataggio, anti-inquinamento, pattugliamento ecc. come la barca finlandese "Albert Krank" o le motovedette della classe 900 della Guardia Costiera italiana.
provelocità | sicurezza in mare.
controcostosissime e poco specializzate | di gestione complessa | poco maneggevoli | poco efficienti | poco diffuse

Navi skimmers
Le navi skimmer solo raramente sono dedicate esclusivamente al servizio di Oil Spill Response ma, più generalmente, sono navi multifunzione con dotazioni di bordo che comprendono sistemi di bonifica dei versamenti. Le navi Bottsand sono esclusivamente skimmers, “A whale” è un cargo trasformato in skimmer e su tutte le navi gli interventi strutturali che le rendono adatte allo skimming sono comunque sempre molto importanti.
Damen Arca
Halli-OSRship
Ruski skimmer
New Jerney OSR
Bottsan class
Marine responder
Nanuq
Bottsan class
A whale
proOffrono al proprio equipaggio il confort e la sicurezza di una nave | possono affrontare l’alto mare anche in condizioni meterologiche avverse | possono operare in condizioni climatiche estreme | possono affrontare lunghi viaggi.
controMolto costose | poco diffuse | di gestione complessa | poco efficienti in relazione al costo ed alla stazza | adatte solo a spazi aperti.

Wendy Schmidt Oil Cleanup X CHALLENGE
La X Prize Foundation è una organizzazione non-profit con sede a St. Louis, Missouri (USA), creata per incentivare innovazioni tecnologiche radicali in vari campi.

Gli X PRIZE sono ricompense monetarie assegnate con lo scopo di incentivare tre obbiettivi primari:
1) attrarre investimenti da altri settori che portino nuovi approcci a problemi difficili;
2) ottenere risultati importanti che siano reali e significativi. Le competizioni hanno obbiettivi precisi, e sono create per promuovere l'innovazione;
3) attraversare i confini nazionali e i settori disciplinari per incoraggiare i team di tutto il mondo a investire il capitale intellettuale e finanziario necessario a superare sfide complesse.

Wendy Schmidt Oil Cleanup X CHALLENGE è una competizione ideata per la ricerca e la creazione di soluzioni innovative atte a velocizzare la pulizia dell'acqua di mare dal petrolio, come in caso di fuoriuscita da petroliere o piattaforme off-shore, conclusasi il giorno 11 novembre 2011.

E' interessante notare come i teams partecipanti alla competizione si siano rivolti essenzialmente a sistemi oleofili o utilizzanti il principio degli stramazzi inseriti in barriere rigide o flessibili.
Le prove si sono svolte nella vasca isdrodinamica di Ohmsett che é stata, per l'occasione, invasa con una spessa coltre di olio.

A seguire le immagini del "campo di gara" e dei dispositivi partecipanti.
Ohmsett
Elastec / American Marine
Ohmsett
NOFI
Crucial
Koseq
Lamor
OilShaver
OilWhale
PPR
Vor-Tek
Voraxial

Futuristici
Il futuro riserverà grandi novità, particolarmente orientate verso la robotica.
MIT Seaswarm
Oil Cleaning Guard
Oil Eating Aeros Robots
Oil Sea Harvester
Protei
Xairborne Robotic Oil Spill

TJP Oil Skimmers
JP FLexible Oil Collector
JP Oil Killer - driven
JP Oil Killer - wire + adduzione
JP Oil Killer - wire + DracOil
JP Oil Patrol - robot


JP Luxury Patrol - driven
JP DracOil

    
         


TJP