A dynamical system approach to data assimilation in chaotic models

The Assimilation in the Unstable Subspace (AUS) was introduced by Trevisan and Uboldi in 2004, and developed by Trevisan, Uboldi and Carrassi, to minimize the analysis and forecast errors by exploiting the flow-dependent instabilities of the forecast-analysis cycle system, which may be thought of as a system forced by observations. In the AUS scheme the assimilation is obtained by confining the analysis increment in the unstable subspace of the forecast-analysis cycle system so that it will have the same structure of the dominant instabilities of the system. The unstable subspace is estimated by Breeding on the Data Assimilation System (BDAS). AUS- BDAS has already been tested in realistic models and observational configurations, including a Quasi-Geostrophicmodel and a high dimensional, primitive equation ocean model; the experiments include both fixed and“adaptive”observations. In these contexts, the AUS-BDAS approach greatly reduces the analysis error, with reasonable computational costs for data assimilation with respect, for example, to a prohibitive full Extended Kalman Filter. This is a follow-up study in which we revisit the AUS-BDAS approach in the more basic, highly nonlinear Lorenz 1963 convective model. We run observation system simulation experiments in a perfect model setting, and with two types of model error as well: random and systematic. In the different configurations examined, and in a perfect model setting, AUS once again shows better efficiency than other advanced data assimilation schemes. In the present study, we develop an iterative scheme that leads to a significant improvement of the overall assimilation performance with respect also to standard AUS. In particular, it boosts the efficiency of regime’s changes tracking, with a low computational cost. Other data assimilation schemes need estimates of ad hoc parameters, which have to be tuned for the specific model at hand. In Numerical Weather Prediction models, tuning of parameters — and in particular an estimate of the model error covariance matrix — may turn out to be quite difficult. Our proposed approach, instead, may be easier to implement in operational models.

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.

Development of human visual system analysis for the implementation of a new instrument for flicker measurement

Flicker is a power quality phenomenon that applies to cycle instability of light intensity resulting from supply voltage fluctuation, which, in turn can be caused by disturbances introduced during power generation, transmission or distribution. The standard EN 61000-4-15 which has been recently adopted also by the IEEE as IEEE Standard 1453 relies on the analysis of the supply voltage which is processed according to a suitable model of the lamp – human eye – brain chain. As for the lamp, an incandescent 60 W, 230 V, 50 Hz source is assumed. As far as the human eye – brain model is concerned, it is represented by the so-called flicker curve. Such a curve was determined several years ago by statistically analyzing the results of tests where people were subjected to flicker with different combinations of magnitude and frequency. The limitations of this standard approach to flicker evaluation are essentially two. First, the provided index of annoyance Pst can be related to an actual tiredness of the human visual system only if such an incandescent lamp is used. Moreover, the implemented response to flicker is “subjective” given that it relies on the people answers about their feelings. In the last 15 years, many scientific contributions have tackled these issues by investigating the possibility to develop a novel model of the eye-brain response to flicker and overcome the strict dependence of the standard on the kind of the light source. In this light of fact, this thesis is aimed at presenting an important contribution for a new Flickermeter. An improved visual system model using a physiological parameter that is the mean value of the pupil diameter, has been presented, thus allowing to get a more “objective” representation of the response to flicker. The system used to both generate flicker and measure the pupil diameter has been illustrated along with all the results of several experiments performed on the volunteers. The intent has been to demonstrate that the measurement of that geometrical parameter can give reliable information about the feeling of the human visual system to light flicker.

InSAR deformation measurements of the earthquake cycle in transcurrent tectonic domains, analytical and analog modeling

I applied the SBAS-DInSAR method to the Mattinata Fault (MF) (Southern Italy) and to the Doruneh Fault System (DFS) (Central Iran). In the first case, I observed limited internal deformation and determined the right lateral kinematic pattern with a compressional pattern in the northern sector of the fault. Using the Okada model I inverted the observed velocities defining a right lateral strike slip solution for the MF. Even if it fits the data within the uncertainties, the modeled slip rate of 13-15 mm yr-1 seems too high with respect to the geological record. Concerning the Western termination of DFS, SAR data confirms the main left lateral transcurrent kinematics of this fault segment, but reveal a compressional component. My analytical model fits successfully the observed data and quantifies the slip in ~4 mm yr-1 and ~2.5 mm yr-1 of pure horizontal and vertical displacement respectively. The horizontal velocity is compatible with geological record. I applied classic SAR interferometry to the October–December 2008 Balochistan (Central Pakistan) seismic swarm; I discerned the different contributions of the three Mw > 5.7 earthquakes determining fault positions, lengths, widths, depths and slip distributions, constraining the other source parameters using different Global CMT solutions. A well constrained solution has been obtained for the 09/12/2008 aftershock, whereas I tested two possible fault solutions for the 28-29/10/08 mainshocks. It is not possible to favor one of the solutions without independent constraints derived from geological data. Finally I approached the study of the earthquake-cycle in transcurrent tectonic domains using analog modeling, with alimentary gelatins like crust analog material. I successfully joined the study of finite deformation with the earthquake cycle study and sudden dislocation. A lot of seismic cycles were reproduced in which a characteristic earthquake is recognizable in terms of displacement, coseismic velocity and recurrence time.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

Life Cycle Assessment of Peach Nectar: a comparative analysis between conventional and bioenergy-from-waste integrated food chains

Modern food systems are characterized by a high energy intensity as well as by the production of large amounts of waste, residuals and food losses. This inefficiency presents major consequences, in terms of GHG emissions, waste disposal, and natural resource depletion. The research hypothesis is that residual biomass material could contribute to the energetic needs of food systems, if recovered as an integrated renewable energy source (RES), leading to a sensitive reduction of the impacts of food systems, primarily in terms of fossil fuel consumption and GHG emissions. In order to assess these effects, a comparative life cycle assessment (LCA) has been conducted to compare two different food systems: a fossil fuel-based system and an integrated system with the use of residual as RES for self-consumption. The food product under analysis has been the peach nectar, from cultivation to end-of-life. The aim of this LCA is twofold. On one hand, it allows an evaluation of the energy inefficiencies related to agro-food waste. On the other hand, it illustrates how the integration of bioenergy into food systems could effectively contribute to reduce this inefficiency. Data about inputs and waste generated has been collected mainly through literature review and databases. Energy balance, GHG emissions (Global Warming Potential) and waste generation have been analyzed in order to identify the relative requirements and contribution of the different segments. An evaluation of the energy “loss” through the different categories of waste allowed to provide details about the consequences associated with its management and/or disposal. Results should provide an insight of the impacts associated with inefficiencies within food systems. The comparison provides a measure of the potential reuse of wasted biomass and the amount of energy recoverable, that could represent a first step for the formulation of specific policies on the integration of bioenergies for self-consumption.

Approccio multidisciplinare per le valutazioni ambientali: Problematiche e sinergie in un uso combinato delle metodologie life cycle assessment (lca) e risk assessment (ra)

In questo lavoro di tesi si è elaborato un quadro di riferimento per l’utilizzo combinato di due metodologie di valutazione di impatti LCA e RA, per tecnologie emergenti. L’originalità dello studio sta nell’aver proposto e anche applicato il quadro di riferimento ad un caso studio, in particolare ad una tecnologia innovativa di refrigerazione, basata su nanofluidi (NF), sviluppata da partner del progetto Europeo Nanohex che hanno collaborato all’elaborazione degli studi soprattutto per quanto riguarda l’inventario dei dati necessari. La complessità dello studio è da ritrovare tanto nella difficile integrazione di due metodologie nate per scopi differenti e strutturate per assolvere a quegli scopi, quanto nel settore di applicazione che seppur in forte espansione ha delle forti lacune di informazioni circa processi di produzione e comportamento delle sostanze. L’applicazione è stata effettuata sulla produzione di nanofluido (NF) di allumina secondo due vie produttive (single-stage e two-stage) per valutare e confrontare gli impatti per la salute umana e l’ambiente. Occorre specificare che il LCA è stato quantitativo ma non ha considerato gli impatti dei NM nelle categorie di tossicità. Per quanto concerne il RA è stato sviluppato uno studio di tipo qualitativo, a causa della problematica di carenza di parametri tossicologici e di esposizione su citata avente come focus la categoria dei lavoratori, pertanto è stata fatta l’assunzione che i rilasci in ambiente durante la fase di produzione sono trascurabili. Per il RA qualitativo è stato utilizzato un SW specifico, lo Stoffenmanger-Nano che rende possibile la prioritizzazione dei rischi associati ad inalazione in ambiente di lavoro. Il quadro di riferimento prevede una procedura articolata in quattro fasi: DEFINIZIONE SISTEMA TECNOLOGICO, RACCOLTA DATI, VALUTAZIONE DEL RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DEGLI IMPATTI, INTERPRETAZIONE.