Meccanismi di trasporto dell'energia in astrofisica

L’energia viene prodotta in ogni parte dell’universo attraverso numerosi processi, tra cui le reazioni termonucleari, e può essere trasportata attraverso tre meccanismi possibili: la conduzione, il trasporto radiativo e la convezione. La conduzione si basa sul trasporto di energia tramite elettroni, e diventa rilevante dal punto di vista astrofisico nel caso di materia degenere. Il trasporto radiativo, invece, utilizza come agente di trasporto il fotone ed è il meccanismo di trasporto principale nell’universo. La convezione, infine, si basa sul trasporto di energia e materia tramite celle di gas. In particolare, è possibile descrivere conduzione, convezione e trasporto radiativo analizzando la struttura stellare, in quanto negli interni stellari l’energia può essere trasportata con ognuno dei tre meccanismi, a seconda delle condizioni della stella. L’energia viene prodotta all’interno del nucleo tramite reazioni termonucleari e viene trasportata verso i gusci esterni più freddi. Il flusso di radiazione, quindi, dipende principalmente dal gradiente termico, senza il quale non si avrebbe trasporto di energia, ma sono rilevanti anche altri fattori, come l’opacità k. Nella seguente tesi verranno trattati i tre meccanismi di trasporto dell’energia in astrofisica , descrivendone le principali caratteristiche. Innanzitutto, per quanto riguarda la conduzione, si analizzerà la causa per cui questo meccanismo è trascurabile negli interni stellari e la condizione nella quale, invece, diventa rilevante. Si descriverà, poi, il trasporto radiativo, sia negli interni stellari sia nelle atmosfere stellari, tramite le equazioni del trasporto, con particolare attenzione all’opacità del mezzo. Infine, per la convezione, si affronterà l’espressione del flusso convettivo e il criterio di Schwarzschild, che definisce la condizione per cui una regione è o meno stabile alla convezione.

Magnitudini, colori e sistemi fotometrici

La luce è il mezzo con cui ricaviamo informazioni sull'universo che studiamo ma per poter ottenere queste informazioni sono necessarie le strumentazioni di raccolta dati e sopra ogni cosa diviene fondamentale l'impianto teorico solidamente costruito attraverso i secoli accumulati dalla nostra disciplina. Nella prima parte una breve introduzione storica per poter capire come siamo arrivati alla modernità. Subito dopo formule e definizioni per avere il quadro completo sui 3 argomenti con le relative dimostrazioni e sopratutto cosa si ricava da tali dati.

Analisi di sostenibilità di tecnologie CCS applicate a settori hard-to-abate

In questo lavoro di tesi viene presentata un’analisi di sostenibilità economica, ambientale e sociale di un sistema di cattura e purificazione della CO2 post-combustione. Al fine di ottenere i dati utili al calcolo di indici significativi di sostenibilità, si è scelto di modellare, attraverso il software Aspen Plus®, un processo di assorbimento chimico con ammine, tecnologia matura e spesso impiegata a questo scopo per settori industriali di taglie superiori. Al sistema di assorbimento viene poi fatta seguire un’unità di compressione e purificazione, finalizzata al raggiungimento di specifiche condizioni della corrente in uscita, legate alla successiva tipologia di trasporto considerata: gas pressurizzato via pipeline o gas liquefatto via nave. L’analisi economica si è basata sul calcolo di costi operativi, costi variabili, costo della CO2 evitata e consumo specifico di energia (SPECCA). La simulazione ha infatti consentito di ottenere un dimensionamento di massima delle apparecchiature e il consumo di utenze, valori necessari alla stima degli indici. Gli indici economici calcolati sono poi stati utilizzati per comprendere quale parte del processo fosse la più critica e che impatto avessero le unità di compressione e purificazione rispetto alla presenza del solo impianto di cattura. Analisi simili sono state svolte anche in termini di sostenibilità ambientale e sociale. La prima è stata svolta calcolando l’effettiva rimozione di CO2 del sistema, tenendo in considerazione le emissioni dirette e indirette connesse al funzionamento degli apparati. L’analisi sociale è stata ridotta a un’analisi qualitativa della sicurezza, attuata attraverso il calcolo dell’Indice di sicurezza intrinseca.

Illuminazione pubblica: caso studio del comune di Sesto San Giovanni

Il presente elaborato finale ha lo scopo di illustrare tutti i parametri necessari alla progettazione di un “buon” impianto di illuminazione stradale, dotato di tutte le nuove tecnologie, per un maggior risparmio energetico incentrato alla valorizzazione e riqualificazione urbana. L’illuminazione pubblica negli ultimi decenni ha ricoperto un’importanza sempre maggiore all’interno della città e del territorio aumentando in modo esponenziale la presenza di corpi illuminanti e formando spesso una vera e propria macchia di luce durante la notte. L’implementazione degli apparecchi di illuminazione ha portato ad una maggiore sicurezza e, a volte, un maggiore comfort nelle zone cittadine, ma anche un notevole aumento di costi energetici a carico delle amministrazioni comunali. Pertanto, alla luce degli ultimi mesi, è necessario incrementare i servizi tecnologici basati sull’efficientamento energetico degli impianti, in particolare, adottando sempre di più la sorgente a LED e sistemi di riduzione del flusso luminoso, in sostituzione alle lampade obsolete esistenti con un basso rendimento energetico. Con lo sviluppo del traffico veicolare degli ultimi anni, l’illuminazione urbana ha modificato il suo aspetto nelle città, concentrandosi sul rispetto dei valori prescritti per consentire una maggiore sicurezza e scorrevolezza del traffico motorizzato durante le ore notturne a discapito della valorizzazione urbana. Infatti, le statistiche hanno mostrato che il tasso degli incidenti notturni, ossia il rapporto tra gli incidenti e il numero di veicoli in circolazione, è più elevato rispetto agli incidenti durante le ore diurne.

Sistemi integrati per il monitoraggio dell’ambiente e la salvaguardia dei libri nei locali universitari

Negli ultimi anni l’evoluzione tecnologica ha avuto un incremento esponenziale; ogni anno, numerose innovazioni, hanno portato notevoli cambiamenti sulla vita dei consumatori e sul modo in cui essi interagiscono. Al giorno d’oggi, la tecnologia ha raggiunto livelli tali da renderne necessario l’utilizzo per poter soddisfare vari tipi di bisogni. In questa situazione, lo sviluppo di Internet ha consentito di poter entrare in una nuova era, quella dell’Internet of Things (IoT). Questo nuovo modello sarebbe in grado di portare grossi benefici nella vita di tutte le persone, partendo dalle grandi aziende, fino ad arrivare ai singoli consumatori. L’idea di questo progetto di tesi è di posizionare un dispositivo, in grado di poter rilevare temperatura ed umidità dell’ambiente, nei locali universitari nei quali sono immagazzinati i libri, in modo tale da poter monitorare l’andamento termico degli spazi ed eventualmente effettuare delle operazioni di ripristino della temperatura e dell’umidità per evitare il danneggiamento e il deterioramento dei materiali. In questo documento di tesi andremo ad approfondire l’implementazione del dispositivo IoT in grado di rilevare i dati dell’ambiente. Nello specifico analizzeremo l’ambito applicativo di questo dispositivo, l’implementazione del sistema su una scheda Raspberry Pi 4, sfruttando anche un componente aggiuntivo contenente in sensori necessari al funzionamento del sistema, e vedremo nello specifico anche l’implementazione della pagina Web creata per la visualizzazione dei dati. Negli ultimi anni abbiamo vissuto una grande crisi a livello sanitario e oggi stiamo passando un periodo di difficoltà economica dovuta all’aumento del costo di alcune materie prime quali elettricità e gas. I futuri sviluppi su questo progetto potrebbero portare a risolvere in piccolo alcuni di questi problemi.

Sistemi di testing per celle a combustibile

La tesi tratta funzionamento, ottimizzazione e applicazioni delle celle a combustibile PEM (PEM Fuel cells) che sono dispositivi capaci di convertire reversibilmente l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia elettrica, energia termica e prodotti di reazione. Vengono analizzati gli effetti di temperatura, pressione e umidità sulla cinetica, sulle prestazioni, sull’OCV, sulla conduttività della membrana e sul trasferimento di massa. In generale, per utilizzare una cella a combustibile PEM, ogni componente, materiale e l'assemblaggio delle celle dovrebbe essere realizzabile e ottimizzato per ottenere alte prestazioni. Vengono, quindi, trattate le tecniche di test e diagnosi che rappresentano il modo più popolare e affidabile per convalidare i progetti di questi componenti e della cella combustibile stessa. Inoltre, si affronta il discorso sull’idrogeno definito come vettore di energia che ha assunto un ruolo di primo piano per un mercato a basse emissioni; infatti ha un grande potenziale come combustibile alternativo e assume un ruolo centrale nello scenario energetico del futuro. Infine, si parla anche di applicazioni pratiche ed esistenti riguardanti le celle a combustibile in veicoli, come le proposte di Nuvera ed EH Group.

Sperimentazione della piattaforma IoT Cloud per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio

L’Internet of Things (IoT) è un termine utilizzato nel mondo della telecomunicazione che fa riferimento all’estensione di Internet al mondo degli oggetti, che acquisiscono una propria identità, venendo così definiti “intelligenti”. L’uomo in questo ambito avrà sempre meno incidenza sul campo poiché sono le macchine ad interagire tra loro scambiandosi informazioni. Gli ambiti applicativi che comprendono IoT sono innumerevoli ed eterogenei; pertanto, non esiste un'unica soluzione tecnologica che possa coprire qualsiasi scenario. Una delle tecnologie che si prestano bene a svolgere lavori in IoT sono le LoRaWAN. Un punto e una sfida essenziali nell'applicazione della tecnologia LoRaWAN è garantire la massima autonomia dei dispositivi ottenendo il più basso consumo di energia possibile e la ricerca di soluzioni di alimentazione efficienti. L'obiettivo in questo elaborato è quello di realizzare un sistema capace di trasmettere un flusso continuo di informazioni senza l'ausilio e il costante monitoraggio dell'uomo. Viene trattato come controllare dei sensori da remoto e come garantire una migliore autonomia dei dispositivi ottenendo un più basso consumo energetico.

Applicazione di un modello bi-obiettivo per la progettazione sostenibile di sistemi produttivi riconfigurabili

Negli ultimi anni la competitività nei mercati è notevolmente cresciuta, la complessità dei prodotti industriali è considerevolmente aumentata e quest’ultimi devono ora essere accuratamente ottimizzati sotto ogni aspetto. I prodotti, oltre ad avere dei cicli di vita più brevi, sono soggetti a un’alta personalizzazione e a una domanda variabile. Per rimanere competitive, le aziende manifatturiere devono possedere nuovi tipi di sistemi di produzione che siano convenienti e molto reattivi a tutti questi cambiamenti del mercato, quali i Sistemi di produzione riconfigurabili (Reconfigurable Manufacturing System - RMS). La particolarità di tali sistemi risiede nella capacità di cambiare rapidamente le loro strutture hardware e software, aspetto che li renda idonei a soddisfare la produzione moderna. Oltre agli aspetti produttivi, l’attenzione odierna è incentrata anche sulle tematiche ambientali legate al risparmio energetico durante i processi produttivi, alla riduzione delle quantità di CO2 emesse e alla sostenibilità ambientale. L’obiettivo di questa tesi è quello di proporre un modello di ottimizzazione multi-obiettivo che tenga conto sia della minimizzazione del tempo complessivo necessario alla movimentazione dei prodotti e alla riconfigurazione delle macchine, e sia della minimizzazione del consumo energetico. Tale modello è stato applicato ad un caso studio realistico che ha permesso di individuare un trade-off tecnico-ambientale individuando la frontiera di Pareto con punto di ottimo (134.6 min; 9346.3 kWh) che si discosta del 57% dal valore trovato ottimizzando la funzione tempo, e dello 0.76% dal valore ottenuto ottimizzando la funzione energia.

Analisi e progettazione di un sistema di accumulo per applicazioni in ambito industriale

"Electrification" è il concetto su cui è stata fondata l’idea del progetto trattato nell’elaborato. Si sente spesso parlare di elettrificazione e di transizione energetica, specialmente nell’ambito in cui ho avuto occasione di svolgere il tirocinio in preparazione della tesi. L’azienda con cui ho lavorato sull’attività di ricerca e analisi è, infatti, incentrata sul mercato Oil & Gas, per cui, in particolar modo in questo periodo storico, risente di un’enorme spinta all’ electrification e all’ottimizzazione degli impianti. A tal proposito, si sta dirigendo verso soluzioni che possano fornire supporto alla rete ed anche ridurre le emissioni di gas inquinanti in atmosfera. L’attività di ricerca si è basata su quelle che sono le tecnologie e le disponibilità sul mercato per sistemi di accumulo di energia all’interno dell’ambito industriale, con particolare attenzione ad aspetti quali sicurezza e innovazione. Le applicazioni di un sistema di accumulo sono svariate, per cui nell’elaborato ne sono state trattate due in particolare: peak shaving e sistema di backup. Sono stati sviluppati, quindi, tre progetti in parallelo: uno relativo al caso di peak shaving e due riguardanti sistemi di backup all’interno di una control cabin. Nel primo caso si è partiti da un progetto ex novo, mentre negli altri due casi si è fatto riferimento a due casi studio già ben definiti relativi a due impianti già esistenti a cui è stata sostituita la tecnologia alla base delle celle elettrochimiche che costituiscono il rack di batterie. L’obiettivo principale della tesi è stato dunque quello di progettare il sistema di accumulo per i relativi casi studio e di verificarne la fattibilità.

Analisi fluidodinamica di reattori gas-liquido operanti con giranti multiple

La miscelazione di sistemi gas-liquido all’interno di recipienti meccanicamente agitati ritrova molte applicazioni industriali. I recipienti meccanicamente agitati rappresentano la scelta più conveniente poiché consentono una dispersione ottimale della fase dispersa all’interno della fase continua ed uno scambio di materia e di calore efficiente. I parametri chiave sono il consumo di potenza, l’hold-up di gas ed il regime gas-impeller. La fase sperimentale è stata sviluppata mediante l’utilizzo di un reattore pilota operante con tre turbine Rushton. Il consumo di potenza è stato valutato ed i risultati ottenuti dalle analisi di laboratorio sono stati confrontati con la correlazione empirica di Warmoeskerken (1986). Le tecniche impiegate in passato per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido sono caratterizzate da diversi svantaggi quali la possibilità di essere utilizzate solo per lo studio di sistemi trasparenti, l’intrusività ed i costi alti. Attualmente, la tomografia a resistenza elettrica (ERT) è una delle tecniche di ispezione più utilizzate grazie alla sua potenzialità di fornire informazioni qualitative e quantitativi. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è quello di validare una metodologia da seguire per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido. L’ERT è stata utilizzata per la valutazione dell’hold-up di gas e per l’identificazione del regime instaurato all’interno dell’apparecchiatura. I risultati sono stati confrontati con le valutazioni visive e le correlazioni proposte dalla letteratura. La strumentazione dell’ERT comprende un sistema di sensori, un sistema di acquisizione dati (DAS) ed un computer sul quale è installato il software per la ricostruzione dell’immagine, il quale, generalmente, è basato sull’algoritmo linear back - projection. Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare sulla convenienza di adoperare un software più sofisticato per la ricostruzione dell’immagine.

Analisi delle prestazioni energetiche di un impianto HVAC basato su un chiller con eiettore a geometria variabile mediante il software TRNSYS

Il lavoro svolto nella seguente Tesi ha avuto come obiettivo principale quello di modificare il precedente modello TRNSYS dell’impianto innovativo solare/biomassa studiato nell’ambito del progetto Hybrid-BioVGE, impianto che utilizza un gruppo chiller VGE con eiettore a geometria variabile, aggiungendo il circuito per la produzione di ACS, composto da un serbatoio di accumulo un campo di collettori solari dedicato ed una pompa di circolazione, modificando la circuitazione idraulica complessiva, modellando la configurazione finale. Sono state modificate e migliorate anche le logiche di controllo dei vari componenti dell’impianto, in particolare della caldaia a biomassa, del connettore tra accumulo caldo da un lato e circuito di riscaldamento ed accumulo per la produzione di ACS dall’altro lato, del gruppo chiller VGE e dell’accumulo di energia frigorifera con PCM. In ultima istanza, è stata implementata per la stagione estiva un’ulteriore logica di controllo che favorisce il funzionamento del gruppo chiller VGE quando è disponibile un alto contributo di energia solare ed in presenza di una temperatura ambiente in condizioni favorevoli. Attraverso il software TRNSYS 18 sono stati riprodotti in maniera fedele e accurata l'edificio, l'impianto innovativo ad esso associato e sono state svolte delle simulazioni in periodi temporali dell'anno precisi. Tali simulazioni hanno mostrato: un miglioramento nell’efficienza dell’impianto durante la stagione di riscaldamento per alimentare i pannelli radianti al servizio dell’edificio e la produzione di ACS, con valori di Solar Fraction pari al 70% e quota di energia rinnovabile del 90%; prestazioni migliori durante la stagione di raffrescamento con incremento dell'energia termica emessa dai fan-coils del 3%, della Solar Fraction pari al 50% e Seasonal Performance Factor di sistema migliori. Annualmente si è vista una quota di energia rinnovabile molto elevata (84.2%).

Progettazione degli interventi di efficientamento energetico di un edificio condominiale con ausilio degli incentivi statali del Superbonus 110%

Il tema centrale di questo elaborato è lo studio completo di un caso di ristrutturazione edilizia le cui spese vengono agevolate mediante l’incentivo denominato “Superbonus 110 %”. Partendo dalla descrizione dello sfondo normativo e legislativo vigente che regola l’applicazione di questa agevolazione (in continuo e costante aggiornamento) si procede all’analisi del caso di ristrutturazione edilizia scelto, ovvero un edificio condominiale, composto da 12 unità immobiliari distinte, sito nel comune di Patti (ME). Verranno studiati in una prima fase gli interventi applicabili all’edificio, ai sensi del DI 06/08/2020, per poi procedere ad una selezione in funzione dei risultati di una diagnosi energetica. Gli interventi scelti verranno poi approfonditi sotto l’aspetto tecnico affinché possano soddisfare i requisiti minimi per accedere all’agevolazione e affinché possano garantire le migliori prestazioni possibili all’edificio in funzione dei suoi parametri energetici. Verrà poi stimato il costo totale della ristrutturazione suddividendo le spese da effettuare nei capitoli degli interventi migliorativi studiati. Verrà redatto l’Attestato di Prestazione Energetica post-intervento e dimostrato il salto di classe necessario per ottenere l’agevolazione del Superbonus 110 %. Infine, verrà redatta l’asseverazione delle spese, la quale attesta la congruità delle spese effettuate e la regolarità degli interventi previsti e mostra il risparmio di energia primaria complessivo conseguito in seguito all’applicazione degli interventi migliorativi effettuati.

Analisi delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura e stoccaggio

Oggi si sta assistendo sempre più ad un consumo maggiore di energia, proveniente soprattutto da fonti fossili. Tuttavia, occorre evidenziare l’aspetto negativo correlato a tutto questo: l’incremento del rilascio di gas ad effetto serra, responsabili del fenomeno del surriscaldamento globale. La Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) è stata riconosciuta come tecnologia strategica per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni entro il 2050. Lo scopo della tesi è effettuare la valutazione delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura, esprimendole in termini di distanze di danno per l’uomo e per le apparecchiature. Dopo il Capitolo 1, dal carattere introduttivo e in cui si spiega il perché si renda necessaria la cattura della CO2, il Capitolo 2 fornisce i valori di pericolosità della CO2 relativi agli effetti tossici e termici, in termini di concentrazioni e temperature soglia; inoltre, illustra i codici DNV PHAST, NIST FDS e Ansys FLUENT, utilizzati per effettuare la valutazione delle conseguenze. A seguire, il Capitolo 3 presenta un impianto di cattura della CO2 assunto come caso di studio, fornendo la descrizione del funzionamento dell’impianto e riportandone i documenti principali, quali il PFD e la mappa del layout. Inoltre, vengono individuati gli scenari di rilascio e sono specificate le condizioni ambientali considerate ai fini della modellazione della dispersione. Il Capitolo 4 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con i software di modellazione illustrati nel Capitolo 2, effettuando un’analisi comparativa delle distanze di danno, corredata di un’ampia discussione. Il Capitolo 5, infine, riporta le considerazioni conclusive del lavoro di tesi e delinea alcuni possibili sviluppi futuri delle indagini.

Valutazione ingegneristica di alcuni aspetti del ciclo di vita degli impianti per la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e l’utilizzo di idrogeno

La domanda energetica mondiale è cresciuta significativamente negli ultimi decenni e la maggior parte dell’energia attualmente prodotta deriva da combustibili fossili. Una delle sfide attuali è quella di ridurre le emissioni di gas serra generate dalla produzione di energia tramite risorse non rinnovabili. A tal riguardo, la ricerca di nuovi vettori energetici e lo sviluppo di nuovi processi per la produzione di energia da risorse rinnovabili costituiscono alcuni tra gli elementi necessari per raggiungere tale obiettivo. L’idrogeno, allo stato attuale, è considerato uno dei vettori energetici più promettenti; tuttavia presenta degli svantaggi a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche. Infatti esso presenta un ampio campo di infiammabilità, una bassa energia di ignizione, delle dimensioni molecolari piccole al punto da renderne complesso il contenimento; inoltre, la bassa densità del fluido causa dei problemi per quanto riguarda lo stoccaggio ed il trasporto. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi, che è stato sviluppato durante un tirocinio svolto presso una società di ingegneria operante nel settore “Oil&gas”. Lo scopo di questo elaborato è quello di valutare la possibilità di convertire una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale a idrogenodotto e studiare la fattibilità della produzione e dello stoccaggio di idrogeno ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore per la produzione di energia elettrica. Dopo il Capitolo 1 avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 viene analizzata la possibilità di convertire a idrogenodotto una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale. Nel Capitolo 3 viene valutata la fattibilità dell’acquisto e stoccaggio o dell’autoproduzione e stoccaggio di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua, ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore. Infine, nel Capitolo 4 vengono riportate le conclusioni delle analisi effettuate.

Analisi sulla sostenibilità e sicurezza di combustibili innovativi

Al fine di mitigare gli impatti ambientali legati alla produzione energetica, lo sviluppo di tecnologie per l’utilizzo di carburanti carbon-free risulta essere essenziale. Si confida che la sostituzione di combustibili convenzionali con sorgenti di energia rinnovabili e bio-combustibili possa ridurre le emissioni di gas serra. Tuttavia, l’intermittenza della maggior parte delle sorgenti di energia rinnovabile comporta problemi di stoccaggio dell’energia. Pertanto, risulta necessaria l’introduzione di opportuni vettori energetici quali l’idrogeno. Nonostante l’elevata reattività dell’idrogeno, gli elevati costi per raggiungere standard di sicurezza opportuni nella fase di trasporto e stoccaggio limitano il suo uso estensivo. Per tale motivo, sono state vagliate sostanze alternative, quali l’ammoniaca, caratterizzate da processi produttivi collaudati oltreché di facile stoccaggio e trasporto. Considerando i processi produttivi di entrambe le sostanze, la possibile presenza di metano ha suggerito lo studio di miscele ternarie costituite da metano, idrogeno e ammoniaca. Sulla base di queste premesse, il presente lavoro di tesi è stato incentrato sull’analisi cinetica e sulla valutazione dei principali parametri di sicurezza di alcune miscele gassose in presenza di aria e aria arricchita. Tale analisi ha permesso una valutazione preliminare della sostenibilità delle miscele ternarie in esame al variare delle condizioni operative. Infatti, sono state quantificate le prestazioni ambientali e gli standard di sicurezza al fine di confrontare la sostenibilità e la convenienza delle alternative di processo.