Strategies for lowering the environmental impact of different electrochemical energy storage system

The continuous growth of global population brings an exponential increase on energy consumption and greenhouse gas emission in the atmosphere contributing to the increase of the planet temperature. Therefore, it is mandatory to adopt renewable energy production systems like photovoltaic or wind power: unfortunately, the main limit of these technologies is the natural intermittence of the energy sources that limits their applicability. The key enabling technology for a widespread usage of clean power sources are electrochemical energy storage systems, most commonly known as batteries. Batteries will enable the storage of energy during overproduction period and the release during low production period stabilizing the power outcome, allowing the connection to the main grid and increasing the applicability of renewable energy sources. Despite the high number of benefits that the widespread use of batteries will bring, starting from the reduction of CO2 emitted in the atmosphere, it is necessary also to take care of the environmental impact of processes and materials used for the production of electrochemical storage systems. In addition, there are many different battery systems, with different chemistries and designs that require specific strategies. Nowadays, the most part of the materials and chemicals used for battery production are toxic for humans and the environment. For this reason, this Ph.D. thesis addresses the challenging scope of lowering the environmental impact of manufacturing processes of different electrochemical energy storage systems using natural derived or low carbon footprint materials while increasing the performances with respect to commercial devices. The activities carried out during my Ph.D. cover a high number of different electrochemical storage systems involving a wide range of electrochemical processes from capacitive to faradic. New materials, different production processes and new battery design, all in view of sustainability and low environmental impact, increased the innovative and challenging aspects of this work.

Utilizzo delle bande dell’Infrarosso Termico in tecniche di remote sensing per applicazioni in ambito urbano

Il presente studio si concentra sulle diverse applicazioni del telerilevamento termico in ambito urbano. Vengono inizialmente descritti la radiazione infrarossa e le sue interazioni con l’atmosfera terrestre, le leggi principali che regolano lo scambio di calore per irraggiamento, le caratteristiche dei sensori e le diverse applicazioni di termografia. Successivamente sono trattati nel dettaglio gli aspetti caratteristici della termografia da piattaforma satellitare, finalizzata principalmente alla valutazione del fenomeno dell'Urban Heat Island; vengono descritti i sensori disponibili, le metodologie di correzione per gli effetti atmosferici, per la stima dell'emissività delle superfici e per il calcolo della temperatura superficiale dei pixels. Viene quindi illustrata la sperimentazione effettuata sull'area di Bologna mediante immagini multispettrali ASTER: i risultati mostrano come sull'area urbana sia riscontrabile la presenza dell'Isola di Calore Urbano, anche se la sua quantificazione risulta complessa. Si procede quindi alla descrizione di potenzialità e limiti della termografia aerea, dei suoi diversi utilizzi, delle modalità operative di rilievo e degli algoritmi utilizzati per il calcolo della temperatura superficiale delle coperture edilizie. Tramite l’analisi di alcune esperienze precedenti vengono trattati l’influenza dell’atmosfera, la modellazione dei suoi effetti sulla radianza rilevata, i diversi metodi per la stima dell’emissività. Viene quindi introdotto il progetto europeo Energycity, finalizzato alla creazione di un sistema GeoWeb di supporto spaziale alle decisioni per la riduzione di consumi energetici e produzione di gas serra su sette città dell'Europa Centrale. Vengono illustrate le modalità di rilievo e le attività di processing dei datasets digitali per la creazione di mappe di temperatura superficiale da implementare nel sistema SDSS. Viene infine descritta la sperimentazione effettuata sulle immagini termiche acquisite nel febbraio 2010 sulla città di Treviso, trasformate in un mosaico georiferito di temperatura radiometrica tramite correzioni geometriche e radiometriche; a seguito della correzione per l’emissività quest’ultimo verrà trasformato in un mosaico di temperatura superficiale.

Effect of different management intensities on natural and human-induced carbon fluxes in a golf course in northern Italy

Turfgrasses are ubiquitous in urban landscape and their role on carbon (C) cycle is increasing important also due to the considerable footprint related to their management practices. It is crucial to understand the mechanisms driving the C assimilation potential of these terrestrial ecosystems Several approaches have been proposed to assess C dynamics: micro-meteorological methods, small-chamber enclosure system (SC), chrono-sequence approach and various models. Natural and human-induced variables influence turfgrasses C fluxes. Species composition, environmental conditions, site characteristics, former land use and agronomic management are the most important factors considered in literature driving C sequestration potential. At the same time different approaches seem to influence C budget estimates. In order to study the effect of different management intensities on turfgrass, we estimated net ecosystem exchange (NEE) through a SC approach in a hole of a golf course in the province of Verona (Italy) for one year. The SC approach presented several advantages but also limits related to the measurement frequency, timing and duration overtime, and to the methodological errors connected to the measuring system. Daily CO2 fluxes changed according to the intensity of maintenance, likely due to different inputs and disturbances affecting biogeochemical cycles, combined also to the different leaf area index (LAI). The annual cumulative NEE decreased with the increase of the intensity of management. NEE was related to the seasonality of turfgrass, following temperatures and physiological activity. Generally on the growing season CO2 fluxes towards atmosphere exceeded C sequestered. The cumulative NEE showed a system near to a steady state for C dynamics. In the final part greenhouse gases (GHGs) emissions due to fossil fuel consumption for turfgrass upkeep were estimated, pinpointing that turfgrass may result a considerable C source. The C potential of trees and shrubs needs to be considered to obtain a complete budget.

A novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-X approach for obtaining biopolymers

In this study, a novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-x approach was developed for obtaining biopolymers (namely polyhydroxyalkanoates, PHA). Within this concept, a trilogy process schema comprising of, (i) thermochemical conversion via integrated pyrolysis-gasification technologies, (ii) anaerobic fermentation of the bioavailable products obtained through either thermochemistry or water-electrolysis for volatile fatty acids (VFA) production, (iii) and VFA-to-PHA bioconversion via an original microaerophilic-aerobic process was developed. During the first stage of proposed biorefinery where lignocellulosic (wooden) biomass was converted into, theoretically fermentable products (i.e. bioavailables) which were defined as syngas and water-soluble fraction of pyrolytic liquid (WS); biochar as a biocatalyst material; and a dense-oil as a liquid fuel. Within integrated pyrolysis - gasification process, biomass was efficiently converted into fermentable intermediates representing up to 66% of biomass chemical energy content in chemical oxygen demand (COD) basis. In the secondary stage, namely anaerobic fermentation for obtaining VFA rich streams, three different downstream process were investigated. First fermentation test was acidogenic bioconversion of WS materials obtained through pyrolysis of biomass within an original biochar-packed bioreactor, it was sustained up to 0.6 gCOD/L-day volumetric productivity (VP). Second, C1 rich syngas materials as the gaseous fraction of pyrolysis-gasification stage, was fermented within a novel char-based biofilm sparger reactor (CBSR), where up to 9.8 gCOD/L-day VP was detected. Third was homoacetogenic bioconversion within the innovative power-to-x pathway for obtaining commodities via renewable energy sources. More specifically, water-electrolysis derived H2 and CO2 as a primary greenhouse gas was successfully bio-utilized by anaerobic mixed cultures into VFA within CBSR system (VP: 18.2 gCOD/L-day). In the last stage of the developed biorefinery schema, VFA is converted into biopolymers within a new continuous microaerophilic-aerobic microplant, where up to 60% of PHA containing sludges was obtained.

La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Impatto ambientale dei rifiuti e degli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia

Nonostante il fatto che una gran parte del mondo viva ancora oggi a livelli di sussistenza, i dati in nostro possesso ci indicano che le attività umane stanno esaurendo le risorse ambientali del pianeta. La causa di questo eccessivo sfruttamento delle risorse è da ricercare nei pattern non sostenibili di produzione e consumo dei paesi sviluppati. La preoccupazione per le conseguenze sull'ambiente e la lotta al cambiamento climatico hanno posto le politiche ambientali al centro dell'attenzione internazionale. Il Protocollo di Kyoto e la Commissione Europea hanno stabilito degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, rispettivamente del 12% entro il 2012 e del 20% entro il 2020. All'interno del Protocollo di Kyoto l'obiettivo per l'Italia è ridurre del 6,5% le emissioni di gas serra nazionali rispetto al 1990. Le politiche mirate alla riduzione delle emissioni di gas serra hanno in genere come obiettivo gli impianti energetici e i trasporti. Poca attenzione viene data alla filiera agroalimentare pur sapendo che l'agricoltura ha un forte impatto sull'ambiente e recenti studi stimano che circa il 50% del cibo prodotto viene perso o buttato via dalla produzione al consumo. Alla luce di questi dati, il mio lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di quantificare i rifiuti e gli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia e stimare l'impatto ambientale associato. I dati raccolti in questa tesi mettono in evidenza l'importanza di migliorare l'efficienza della filiera agroalimentare per ridurre l'impatto ambientale nazionale e rispettare gli accordi internazionali sulla lotta ai cambiamenti climatici.

Teoria e pratica dell'architettura solare - Morfologia, rendimento, strategia progettuale

La recente Direttiva 31/2010 dell’Unione Europea impone agli stati membri di riorganizzare il quadro legislativo nazionale in materia di prestazione energetica degli edifici, affinchè tutte le nuove costruzioni presentino dal 1° gennaio 2021 un bilancio energetico tendente allo zero; termine peraltro anticipato al 1° gennaio 2019 per gli edifici pubblici. La concezione di edifici a energia “quasi” zero (nZEB) parte dal presupposto di un involucro energeticamente di standard passivo per arrivare a compensare, attraverso la produzione preferibilmente in sito di energia da fonti rinnovabili, gli esigui consumi richiesti su base annuale. In quest’ottica la riconsiderazione delle potenzialità dell’architettura solare individua degli strumenti concreti e delle valide metodologie per supportare la progettazione di involucri sempre più performanti che sfruttino pienamente una risorsa inesauribile, diffusa e alla portata di tutti come quella solare. Tutto ciò in considerazione anche della non più procrastinabile necessità di ridurre il carico energetico imputabile agli edifici, responsabili come noto di oltre il 40% dei consumi mondiali e del 24% delle emissioni di gas climalteranti. Secondo queste premesse la ricerca pone come centrale il tema dell’integrazione dei sistemi di guadagno termico, cosiddetti passivi, e di produzione energetica, cosiddetti attivi, da fonte solare nell’involucro architettonico. Il percorso sia analitico che operativo effettuato si è posto la finalità di fornire degli strumenti metodologici e pratici al progetto dell’architettura, bisognoso di un nuovo approccio integrato mirato al raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico. Attraverso una ricognizione generale del concetto di architettura solare e dei presupposti teorici e terminologici che stanno alla base della stessa, la ricerca ha prefigurato tre tipologie di esito finale: una codificazione delle morfologie ricorrenti nelle realizzazioni solari, un’analisi comparata del rendimento solare nelle principali aggregazioni tipologiche edilizie e una parte importante di verifica progettuale dove sono stati applicati gli assunti delle categorie precedenti