Studio dell’Adsorbimento di Metano e Simulazioni CFD per l’Ottimizzazione di un Prototipo di Cattura in Stalla per il progetto CH4rLiE Study of Methane Adsorption and CFD Simulations for the Optimization of a Capture Prototype in Barns for the CH4rLiE Project

In recent years, CERN has implemented various strategies to minimize the use of greenhouse gases (GHG) and prevent their release into the atmosphere. Among these gases, CF₄ plays a non- negligible role, accounting for approximately 20% of CERN’s direct GHG emissions. To mitigate this impact, different approaches have been adopted, including the research and development of more environmentally friendly gas mixtures for particle detectors, as well as the implementation of recirculation and recuperation systems designed to allow the reuse of exhaust gases. Building upon this expertise, the CH₄ Livestock Emission (CH4rLiE) project proposes to apply similar technologies to a completely different context: the agricultural sector. This thesis contributes to the project by exploring the feasibility of capturing CH₄ emissions in a barn environment through adsorption-based recovery systems adapted from those used in the Compact Muon Solenoid (CMS) detector for CF₄. Methane is of particular concern due to its high global warming potential—approximately 28–30 times greater than CO₂ over a 100-year period—and anthropogenic CH₄ emissions are estimated to account for around 23% of the current global warming effect. Given that a single cow can emit up to 110 kg of CH₄ per year, emissions from livestock farms are a significant source that must be addressed. While many initiatives have attempted to reduce emissions by acting on the cause, such as modifying animal feed, CH4rLiE proposes to act directly on the methane already released into the air. The core objective of this work is therefore the study of CH₄ adsorption on porous materials and the development of a functional prototype for methane capture to be deployed in a real barn. The thesis also includes the implementation of CFD simulations to model gas dispersion in the barn and guide the design and placement of the prototype. The work of this thesis is the preliminary phase of the CH4rLiE project, which offers a unique opportunity to evaluate, for the first time, the viability of recovering methane in situ, without interfering with the animals’ feeding or living conditions, contributing to the broader aim of enabling more sustainable and low-impact livestock farming practices.

Negli ultimi anni, il CERN ha adottato diverse strategie finalizzate alla riduzione dell’utilizzo di gas serra (GHG) e alla prevenzione del loro rilascio in atmosfera. Tra questi, il CF₄ rappresenta una componente significativa, contribuendo a circa il 20% delle emissioni dirette di GHG del CERN. Per mitigare tale impatto, sono stati sviluppati gas alternativi più sostenibili per l’utilizzo nei rivelatori di particelle e sono stati implementati sistemi di ricircolo e recupero dei gas esausti, al fine di riutilizzarli. Con l’esperienza maturata, il progetto CH₄ Livestock Emission (CH4rLiE) si propone di adattare tali tecnologie a un contesto completamente differente: il settore agricolo. La presente tesi si inserisce all’interno di questo progetto, con l’obiettivo di esplorare la possibilità di catturare le emissioni di CH₄ all’interno di un ambiente zootecnico, mediante sistemi di recupero basati su fenomeni di adsorbimento, adattati dai dispositivi sviluppati per il recupero di CF₄ nei rivelatori CMS (Compact Muon Solenoid). Il metano è un gas serra particolarmente critico, in quanto presenta un potenziale di riscaldamento globale (GWP) circa 28–30 volte superiore a quello della CO₂ su un orizzonte temporale di 100 anni e le emissioni antropogeniche di CH₄ sono stimate contribuire per circa il 23% al riscaldamento globale attuale. Considerando che una singola vacca può emettere fino a 110 kg di CH₄ all’anno, gli allevamenti bovini costituiscono una fonte significativa di emissioni, spesso sottovalutata. Molte delle iniziative esistenti si concentrano sulla riduzione delle emissioni alla fonte, ad esempio intervenendo sull’alimentazione degli animali, il progetto CH4rLiE propone un approccio complementare: agire direttamente sul metano già emesso nell’ambiente. Il lavoro presentato in questa tesi ha quindi come obiettivo principale lo studio dell’adsorbimento del CH₄ su materiali porosi e lo sviluppo di un prototipo funzionante per la cattura del metano, che sarà installato in una stalla reale. A supporto della progettazione del prototipo, è stata inoltre condotta una campagna di simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) per modellare la diffusione del gas nell’ambiente zootecnico e identificare le configurazioni ottimali di cattura. Il lavoro qui descritto rappresenta la fase preliminare del progetto CH4rLiE, offrendo un’occasione unica per valutare, per la prima volta, la fattibilità tecnica del recupero in situ del metano senza interferire con le condizioni di vita o di alimentazione degli animali. Ciò si inserisce in un più ampio obiettivo di promuovere pratiche agricole sostenibili e a basso impatto ambientale.