Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale è la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilità della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilità sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da più di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ciò significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati più precisi ed accurati, questo metodo è estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi è la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealità come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto è preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.

Caratterizzazione delle Prestazioni di Protezione al Fuoco di Vernici Intumescenti

Le pitture intumescenti sono utilizzate come protettivi passivi antincendio nel settore delle costruzioni. In particolare sono utilizzate per aumentare la resistenza al fuoco di elementi in acciaio. Le proprietà termiche di questi rivestimenti sono spesso sconosciute o difficili da stimare per via del fatto che variano notevolmente durante il processo di espansione che subisce l’intumescente quando esposto al calore di un incendio. Per questa ragione la validazione della resistenza al fuoco di un rivestimento presente in commercio si basa su metodi costosi economicamente e come tempi di esecuzione nel quale ciascuna trave e colonna rivestita di protettivo deve essere testata una alla volta attraverso il test di resistenza al fuoco della curva cellulosica. In questo lavoro di tesi adottando invece un approccio basato sulla modellazione termica del rivestimento intumescente si ottiene un aiuto nella semplificazione della procedura di test ed un supporto nella progettazione della resistenza al fuoco delle strutture. Il tratto di unione nei vari passaggi della presente tesi è stata la metodologia di stima del comportamento termico sconosciuto, tale metodologia di stima è la “Inverse Parameter Estimation”. Nella prima fase vi è stata la caratterizzazione chimico fisica della vernice per mezzo di differenti apparecchiature come la DSC, la TGA e l’FT-IR che ci hanno permesso di ottenere la composizione qualitativa e le temperature a cui avvengono i principali processi chimici e fisici che subisce la pittura come anche le entalpie legate a questi eventi. Nella seconda fase si è proceduto alla caratterizzazione termica delle pitture al fine di ottenerne il valore di conduttività termica equivalente. A tale scopo si sono prima utilizzate le temperature dell’acciaio di prove termiche alla fornace con riscaldamento secondo lo standard ISO-834 e successivamente per meglio definire le condizioni al contorno si è presa come fonte di calore un cono calorimetrico in cui la misura della temperatura avveniva direttamente nello spessore del’intumescente. I valori di conduttività ottenuti sono risultati congruenti con la letteratura scientifica e hanno mostrato la dipendenza della stessa dalla temperatura, mentre si è mostrata poco variante rispetto allo spessore di vernice deposto ed alla geometria di campione utilizzato.

Spesa pubblica in Sanità, Istruzione e Ricerca: efficienza, efficacia e determinanti

La ricerca intende analizzare l’efficacia della spesa pubblica, l’efficienza e le loro determinanti nei settori della Sanità, dell’Istruzione e della Ricerca per 33 paesi dell’area OCSE. L’analisi ha un duplice obiettivo: da un lato un confronto cross country e dall’altro un confronto temporale, prendendo in considerazione il periodo che va dal 1992 al 2011. Il tema della valutazione dell’efficacia e dell’efficienza della spesa pubblica è molto attuale, soprattutto in Europa, sia perché essa incide di quasi il 50% sul PIL, sia a causa della crisi finanziaria del 2008 che ha spinto i governi ad una riduzione dei bugdet e ad un loro uso più oculato. La scelta di concentrare il lavoro di analisi nei settori della Sanità, dell’Istruzione e della Ricerca e Sviluppo deriva da un lato dalla loro peculiarità di attività orientate al cliente (scuole, ospedali, tribunali) dall’altro dal ruolo strategico che essi rappresentano per lo sviluppo economico di un paese. Il lavoro è articolato in tre sezioni: 1. Rassegna dei principali strumenti metodologici utilizzati in letteratura per la misurazione della performance e dell’efficienza della spesa pubblica nei tre settori. 2. Valutazione e confronto dell’efficienza e della performance della spesa pubblica dal punto di vista sia temporale sia cross-country attraverso la costruzione di indicatori di performance e di efficienza della spesa pubblica (per approfondire l'indice dell'efficienza ho applicato la tecnica DEA "bootstrap output oriented" con indicatori di output ed input non simultanei mentre l’evoluzione dell’efficienza tra i periodi 2011-2002 e 2001-1992 è stata analizzata attraverso il calcolo dell’indice di Malmquist). 3. Analisi delle variabili esogene che influenzano l’efficienza della spesa pubblica nei settori Salute, Istruzione e Ricerca e Sviluppo attraverso una regressione Tobit avente come variabile dipendente i punteggi di efficienza DEA output oriented e come variabili esogene alcuni indicatori scelti tra quelli presenti in letteratura: l’Indicatore delle condizioni socioeconomiche delle famiglie (costruito e applicato da OCSE PISA per valutare l’impatto del background familiare nelle performance dell’apprendimento), l’Indicatore di fiducia nel sistema legislativo del paese, l’Indicatore di tutela dei diritti di proprietà, l’Indicatore delle azioni di controllo della corruzione, l’Indicatore di efficacia delle azioni di governo, l’Indicatore della qualità dei regolamenti, il PIL pro-capite. Da questo lavoro emergono risultati interessanti: non sempre alla quantità di risorse impiegate corrisponde il livello massimo di performance raggiungibile. I risultati della DEA evidenziano la media dei punteggi di efficienza corretti di 0,712 e quindi, impiegando la stessa quantità di risorse, si produrrebbe un potenziale miglioramento dell’output generato di circa il 29%. Svezia, Giappone, Finlandia e Germania risultano i paesi più efficienti, più vicini alla frontiera, mentre Slovacchia, Portogallo e Ungheria sono più distanti dalla frontiera con una misura di inefficienza di circa il 40%. Per quanto riguarda il confronto tra l’efficienza della spesa pubblica nei tre settori tra i periodi 1992-2001 e 2002-2011, l’indice di Malmquist mostra risultati interessanti: i paesi che hanno migliorato il loro livello di efficienza sono quelli dell’Est come l’Estonia, la Slovacchia, la Lituania mentre Paesi Bassi, Belgio e Stati Uniti hanno peggiorato la loro posizione. I paesi che risultano efficienti nella DEA come Finlandia, Germania e Svezia sono rimasti sostanzialmente fermi con un indice di Malmquist vicino al valore uno. In conclusione, i risultati della Tobit contengono indicazioni importanti per orientare le scelte dei Governi. Dall’analisi effettuata emerge che la fiducia nelle leggi, la lotta di contrasto alla corruzione, l’efficacia del governo, la tutela dei diritti di proprietà, le condizioni socioeconomiche delle famiglie degli studenti OECD PISA, influenzano positivamente l’efficienza della spesa pubblica nei tre settori indagati. Oltre alla spending review, per aumentare l’efficienza e migliorare la performance della spesa pubblica nei tre settori, è indispensabile per gli Stati la capacità di realizzare delle riforme che siano in grado di garantire il corretto funzionamento delle istituzioni.