Ship performance modelling for least-CO2 emission routes

Decarbonization of maritime transport requires immediate action. In the short term, ship weather routing can provide greenhouse gas emission reductions, even for existing ships and without retrofitting them. Weather routing is based on making optimal use of both envi- ronmental information and knowledge about vessel seakeeping and performance. Combining them at a state-of-the-art level and making use of path planning in realistic conditions can be challenging. To address these topics in an open-source framework, this thesis led to the development of a new module called bateau , and to its combination with the ship routing model VISIR. bateau includes both hull geometry and propulsion modelling for various vessel types. It has two objectives: to predict the sustained speed in a seaway and to estimate the CO2 emission rate during the voyage. Various semi-empirical approaches were used in bateau to predict the ship hydro- and aerodynamical resistance in both head and oblique seas. Assuming that the ship sails at a constant engine load, the involuntary speed loss due to waves was estimated. This thesis also attempted to clarify the role played by the actual representation of the sea state. In particular, the influence of the wave steepness parameter was assessed. For dealing with ships with a greater superstructure, the wind added resistance was also estimated. Numerical experiments via bateau were conducted for both a medium and a large-size container ships, a bulk-carrier, and a tanker. The simulations of optimal routes were carried out for a feeder containership during voyages in the North Indian Ocean and in the South China Sea. Least-CO2 routes were compared to the least-distance ones, assessing the relative CO2 savings. Analysis fields from the Copernicus Marine Service were used in the numerical experiments.

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.

Kinematics of local and high-z galaxies through 3D modeling of emission-line datacubes

The kinematics is a fundamental tool to infer the dynamical structure of galaxies and to understand their formation and evolution. Spectroscopic observations of gas emission lines are often used to derive rotation curves and velocity dispersions. It is however difficult to disentangle these two quantities in low spatial-resolution data because of beam smearing. In this thesis, we present 3D-Barolo, a new software to derive the gas kinematics of disk galaxies from emission-line data-cubes. The code builds tilted-ring models in the 3D observational space and compares them with the actual data-cubes. 3D-Barolo works with data at a wide range of spatial resolutions without being affected by instrumental biases. We use 3D-Barolo to derive rotation curves and velocity dispersions of several galaxies in both the local and the high-redshift Universe. We run our code on HI observations of nearby galaxies and we compare our results with 2D traditional approaches. We show that a 3D approach to the derivation of the gas kinematics has to be preferred to a 2D approach whenever a galaxy is resolved with less than about 20 elements across the disk. We moreover analyze a sample of galaxies at z~1, observed in the H-alpha line with the KMOS/VLT spectrograph. Our 3D modeling reveals that the kinematics of these high-z systems is comparable to that of local disk galaxies, with steeply-rising rotation curves followed by a flat part and H-alpha velocity dispersions of 15-40 km/s over the whole disks. This evidence suggests that disk galaxies were already fully settled about 7-8 billion years ago. In summary, 3D-Barolo is a powerful and robust tool to separate physical and instrumental effects and to derive a reliable kinematics. The analysis of large samples of galaxies at different redshifts with 3D-Barolo will provide new insights on how galaxies assemble and evolve throughout cosmic time.

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.

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.

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

Innovative Al Alloys for High Performance Automotive Pistons: Enhancement of Specific Strength at High Temperature and Resistance to Knock Damage

The increasingly strict regulations on greenhouse gas emissions make the fuel economy a pressing factor for automotive manufacturers. Lightweighting and engine downsizing are two strategies pursued to achieve the target. In this context, materials play a key role since these limit the engine efficiency and components weight, due to their acceptable thermo-mechanical loads. Piston is one of the most stressed engine components and it is traditionally made of Al alloys, whose weakness is to maintain adequate mechanical properties at high temperature due to overaging and softening. The enhancement in strength-to-weight ratio at high temperature of Al alloys had been investigated through two approaches: increase of strength at high temperature or reduction of the alloy density. Several conventional and high performance Al-Si and Al-Cu alloys have been characterized from a microstructural and mechanical point of view, investigating the effects of chemical composition, addition of transition elements and heat treatment optimization, in the specific temperature range for pistons operations. Among the Al-Cu alloys, the research outlines the potentialities of two innovative Al-Cu-Li(-Ag) alloys, typically adopted for structural aerospace components. Moreover, due to the increased probability of abnormal combustions in high performance spark-ignition engines, the second part of the dissertation deals with the study of knocking damages on Al pistons. Thanks to the cooperation with Ferrari S.p.A. and Fluid Machinery Research Group - Unibo, several bench tests have been carried out under controlled knocking conditions. Knocking damage mechanisms were investigated through failure analyses techniques, starting from visual analysis up to detailed SEM investigations. These activities allowed to relate piston knocking damage to engine parameters, with the final aim to develop an on-board knocking controller able to increase engine efficiency, without compromising engine functionality. Finally, attempts have been made to quantify the knock-induced damages, to provide a numerical relation with engine working conditions.

Development of methodologies supporting the sustainable and safe integration of offshore conventional and renewable energy production

Against a backdrop of rapidly increasing worldwide population and growing energy demand, the development of renewable energy technologies has become of primary importance in the effort to reduce greenhouse gas emissions. However, it is often technically and economically infeasible to transport discontinuous renewable electricity for long distances to the shore. Another shortcoming of non-programmable renewable power is its integration into the onshore grid without affecting the dispatching process. On the other hand, the offshore oil & gas industry is striving to reduce overall carbon footprint from onsite power generators and limiting large expenses associated to carrying electricity from remote offshore facilities. Furthermore, the increased complexity and expansion towards challenging areas of offshore hydrocarbons operations call for higher attention to safety and environmental protection issues from major accident hazards. Innovative hybrid energy systems, as Power-to-Gas (P2G), Power-to-Liquid (P2L) and Gas-to-Power (G2P) options, implemented at offshore locations, would offer the opportunity to overcome challenges of both renewable and oil & gas sectors. This study aims at the development of systematic methodologies based on proper sustainability and safety performance indicators supporting the choice of P2G, P2L and G2P hybrid energy options for offshore green projects in early design phases. An in-depth analysis of the different offshore hybrid strategies was performed. The literature reviews on existing methods proposing metrics to assess sustainability of hybrid energy systems, inherent safety of process routes in conceptual design stage and environmental protection of installations from oil and chemical accidental spills were carried out. To fill the gaps, a suite of specific decision-making methodologies was developed, based on representative multi-criteria indicators addressing technical, economic, environmental and societal aspects of alternative options. A set of five case-studies was defined, covering different offshore scenarios of concern, to provide an assessment of the effectiveness and value of the developed tools.

Development of predictive energy management strategies for hybrid electric vehicles supported by connectivity

Nowadays, the spreading of the air pollution crisis enhanced by greenhouse gases emission is leading to the worsening of the global warming. In this context, the transportation sector plays a vital role, since it is responsible for a large part of carbon dioxide production. In order to address these issues, the present thesis deals with the development of advanced control strategies for the energy efficiency optimization of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), supported by the prediction of future working conditions of the powertrain. In particular, a Dynamic Programming algorithm has been developed for the combined optimization of vehicle energy and battery thermal management. At this aim, the battery temperature and the battery cooling circuit control signal have been considered as an additional state and control variables, respectively. Moreover, an adaptive equivalent consumption minimization strategy (A-ECMS) has been modified to handle zero-emission zones, where engine propulsion is not allowed. Navigation data represent an essential element in the achievement of these tasks. With this aim, a novel simulation and testing environment has been developed during the PhD research activity, as an effective tool to retrieve routing information from map service providers via vehicle-to-everything connectivity. Comparisons between the developed and the reference strategies are made, as well, in order to assess their impact on the vehicle energy consumption. All the activities presented in this doctoral dissertation have been carried out at the Green Mobility Research Lab} (GMRL), a research center resulting from the partnership between the University of Bologna and FEV Italia s.r.l., which represents the industrial partner of the research project.

Il modello Positive Energy Districts. Approcci innovativi e strumenti operativi per la transizione verso città clima-neutrali

Ad oggi le città europee si configurano come i principali centri di cultura, innovazione e sviluppo economico. Tuttavia, ospitando circa il 75% della popolazione e consumando quasi l’80% dell’energia prodotta, a causa delle significative emissioni di gas serra esse contribuiscono in modo rilevante ai cambiamenti climatici e, allo stesso tempo, ne subiscono gli effetti più intensi. La Comunità Europea ha preso atto della necessità di intraprendere un’azione sinergica che adotti strategie di mitigazione climatica e preveda misure di adattamento per far fronte agli impatti climatici ormai inevitabili. L'orientamento dei Programmi europei di Ricerca e Innovazione sul tema delle città smart e clima-neutrali sposta l'attenzione dalla dimensione urbana verso la scala di distretto. In questa prospettiva, i Positive Energy Districts (PEDs) si configurano come distretti di nuova edificazione, ma anche come soluzioni ambiziose per la riqualificazione di quartieri esistenti che gestiscono in modo attivo il fabbisogno energetico con un bilancio nullo di emissioni e un surplus di energia prodotta da rinnovabili. La ricerca di dottorato focalizza l’indagine sul modello PEDs esplorandone il potenziale di applicabilità nel contesto urbano consolidato. Nello specifico, la tesi lavora allo sviluppo di due contributi di ricerca originali: il PED-Portfolio e il PED-Toolkit. Tali contributi propongono un approccio sistemico, attraverso il quale intraprendere un percorso di conoscenza e sperimentazione del modello PEDs in una prospettiva di riduzione del fabbisogno energetico, ma anche in un’ottica di migliore accessibilità, vivibilità e resilienza di questi distretti. Al fine di verificare l’applicabilità dei risultati della ricerca, gli strumenti sviluppati vengono testati su un’area pilota e gli esiti di tale sperimentazione sono poi messi a confronto con il quadro dello stato dell’arte e con le principali linee di ricerca internazionali sul tema PEDs, affinando gli esiti del progetto di dottorato in un processo di ricerca-sperimentazione-ricerca.

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.

Performance assessment of vehicular connectivity in hybrid electric vehicles for fuel and emissions reduction

Nowadays, the spreading of the air pollution crisis enhanced by greenhouse gases emission is leading to the worsening of global warming. Recently, several metropolitan cities introduced Zero-Emissions Zones where the use of the Internal Combustion Engine is forbidden to reduce localized pollutants emissions. This is particularly problematic for Plug-in Hybrid Electric Vehicles, which usually work in depleting mode. In order to address these issues, the present thesis presents a viable solution by exploiting vehicular connectivity to retrieve navigation data of the urban event along a selected route. The battery energy needed, in the form of a minimum State of Charge (SoC), is calculated by a Speed Profile Prediction algorithm and a Backward Vehicle Model. That value is then fed to both a Rule-Based Strategy, developed specifically for this application, and an Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy (A-ECMS). The effectiveness of this approach has been tested with a Connected Hardware-in-the-Loop (C-HiL) on a driving cycle measured on-road, stimulating the predictions with multiple re-routings. However, even if hybrid electric vehicles have been recognized as a valid solution in response to increasingly tight regulations, the reduced engine load and the repeated engine starts and stops may reduce substantially the temperature of the exhaust after-treatment system (EATS), leading to relevant issues related to pollutant emission control. In this context, electrically heated catalysts (EHCs) represent a promising solution to ensure high pollutant conversion efficiency without affecting engine efficiency and performance. This work aims at studying the advantages provided by the introduction of a predictive EHC control function for a light-duty Diesel plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) equipped with a Euro 7-oriented EATS. Based on the knowledge of future driving scenarios provided by vehicular connectivity, engine first start can be predicted and therefore an EATS pre-heating phase can be planned.