Metodologia UAV-based per la quantificazione delle emissioni fuggitive di CH4 a livello di sito

In recent years, climate change and greenhouse gas emissions, particularly methane (CH₄), have received increasing attention. Methane is a potent greenhouse gas, with a global warming potential 85 times greater than that of carbon dioxide. The main anthropogenic sources of CH₄ emissions include livestock farming, landfills, and oil and gas facilities, making it essential to develop effective monitoring methods. The work presented proposes an innovative approach for quantifying CH₄ emissions using a TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) sensor mounted on a drone. This method combines the accuracy of spectroscopy with the mobility of drones, aiming to overcome the limitations of current methods, which are characterised by poor spatial and temporal resolution. The first chapter of the work introduces the issues related to monitoring CH₄ emissions, highlighting the limitations of existing methods and the importance of combining bottom-up and top-down approaches to improve data quality. The second chapter outlines the research objectives, which aim to provide more accurate estimates through an alternative technology, employing a multi-rotor drone equipped with a downward-facing TDLAS sensor. This approach stands out for its ability to address the operational limitations of other UAV methodologies. The third chapter conducts a literature review on UAV-based methods for estimating CH₄ emissions, analysing the choice of drone, sensing technologies, and sampling methodologies. Both the strengths and weaknesses of existing approaches are discussed. The fourth chapter describes the developed methodology, presenting the physical and conceptual model of the mass balance and the tests conducted at various sites, including a landfill and three cattle farms. The fifth chapter discusses the results obtained, analysing factors that influence the accuracy of the estimates and comparing different methods. Key data such as the estimated CH₄ flux and the accuracy of the estimates under various environmental conditions are examined. Finally, the sixth chapter summarises the main findings, highlighting the strengths and limitations of the methodology, and suggesting future directions for research. In conclusion, this study underscores the importance of innovative methods for quantifying CH₄ emissions, emphasising how the use of advanced technologies can enhance environmental monitoring. Future prospects offer opportunities to further refine detection techniques and contribute to the fight against climate change. The results obtained thus far provide a solid foundation for developing a more sustainable future, stimulating further research to optimise CH₄ emissions monitoring techniques.

Negli ultimi anni, il cambiamento climatico e le emissioni di gas serra, in particolare il metano (CH₄), hanno ricevuto crescente attenzione. Il metano è un gas serra potente, con un potenziale di riscaldamento globale 85 volte superiore a quello dell'anidride carbonica. Le principali fonti antropiche di emissioni di CH₄ includono gli allevamenti, le discariche e gli impianti Oil & Gas, il che rende necessario sviluppare metodi di monitoraggio efficaci. Il lavoro presentato propone un approccio innovativo per la quantificazione delle emissioni di CH₄ utilizzando un sensore TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) montato su drone. Questo metodo combina l’accuratezza della spettroscopia con la mobilità dei droni, mirando a superare i limiti dei metodi attuali, caratterizzati da scarsa risoluzione spaziale e temporale. Il primo capitolo del lavoro introduce le problematiche legate al monitoraggio delle emissioni di CH₄, evidenziando le limitazioni dei metodi esistenti e l'importanza di unire approcci bottom-up e top-down per migliorare la qualità dei dati. Il secondo capitolo espone gli obiettivi della ricerca, che punta a fornire stime più precise attraverso una tecnologia alternativa, impiegando un drone multi-rotore dotato di sensore TDLAS orientato verso il suolo. Questo approccio si distingue per la sua capacità di affrontare le limitazioni operative di altre metodologie UAV. Nel terzo capitolo viene effettuata una revisione della letteratura sui metodi UAV-based per la stima delle emissioni di CH₄, analizzando la scelta del drone, le tecnologie sensoriali e le metodologie di campionamento. Vengono discussi sia i punti di forza che le criticità di approcci esistenti. Il quarto capitolo descrive la metodologia sviluppata, presentando il modello fisico e concettuale del bilancio di massa e i test condotti in vari siti, tra cui una discarica e tre allevamenti di bovini. Il quinto capitolo discute i risultati ottenuti, analizzando fattori che influiscono sull'accuratezza delle stime e confrontando metodi differenti. Si esaminano dati chiave come il flusso stimato di CH₄ e l'accuratezza delle stime in relazione a diverse condizioni ambientali. Infine, il sesto capitolo riassume i risultati principali, evidenziando punti di forza e limiti della metodologia, e suggerendo direzioni future per la ricerca. In conclusione, questo studio sottolinea l'importanza di metodi innovativi per la quantificazione delle emissioni di CH₄, evidenziando come l'uso di tecnologie avanzate possa migliorare il monitoraggio ambientale. Le prospettive future offrono opportunità per affinare ulteriormente le tecniche di rilevamento e contribuire alla lotta contro il cambiamento climatico. I risultati ottenuti finora costituiscono una base solida per sviluppare un futuro più sostenibile, stimolando ulteriori ricerche per ottimizzare le tecniche di monitoraggio delle emissioni di CH₄.