Complessi dinucleari di ferro con leganti a ponte per la produzione elettrocatalitica di idrogeno

Il forte incremento della popolazione mondiale, la continua crescita del tenore di vita e del livello di consumi hanno portato negli ultimi decenni ad un enorme aumento della richiesta mondiale di energia. Diviene pertanto fondamentale ricercare nuovi metodi altamente efficienti di produzione, trasporto ed utilizzo di energia, che migliorino la qualità della vita dell’uomo e nello stesso tempo salvaguardino il clima e l’ambiente. Proprio a questo proposito, in questi ultimi anni, vi è un crescente interesse nei riguardi della molecola di idrogeno, H2. Ad oggi è impossibile sostituire i combustibili fossili con l’idrogeno, per motivi prettamente tecnologici (difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto) e per motivi legati alla sua produzione. Infatti, l’idrogeno è sì uno degli elementi più presenti in natura, ma non come sostanza gassosa pura bensì in forma combinata, generalmente acqua, quindi per produrlo è necessario rompere il legame con l’elemento con cui è combinato, consumando energia; questo spiega il motivo per cui l’idrogeno viene considerato un vettore di energia e non una fonte di energia. La produzione di idrogeno, o meglio del suo equivalente costituito da un flusso di elettroni e protoni, dall’acqua è un processo che avviene in natura, precisamente nelle cellule vegetali durante la prima fase della fotosintesi clorofilliana. Tale processo mostra l’importanza dei complessi bio-inorganici che vi partecipano, ai quali si ispira la ricerca di nuovi efficienti catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante scissione catalitica dell’acqua (water splitting). Una classe di enzimi particolarmente studiata, in quest’ambito, è costituita dalle idrogenasi; la maggior parte di questi enzimi contengono un frame dinucleare Ni-Fe o Fe-Fe. Numerosi gruppi di ricerca sono fortemente impegnati nell’obiettivo di sintetizzare complessi simili a questi enzimi (enzyme mimics), e con prestazioni paragonabili, in modo da produrre idrogeno in modo efficiente e rispettando i principi di sostenibilità ambientale ed economica. Il gruppo di ricerca presso il quale è stato svolto il tirocinio oggetto del presente elaborato si occupa dello studio di complessi metallorganici caratterizzati dalla presenza di un “core” metallico costituito da due atomi di Ferro adiacenti coordinati tra loro mediante leganti a ponte diversamente funzionalizzati. Obiettivo del tirocinio è stato quello di verificare l’efficienza catalitica di alcuni di questi complessi nel promuovere il processo di interconversione H+/H2; per fare ciò, si è fatto ricorso ad un approccio elettrochimico, sfruttando la tecnica della voltammetria ciclica.

Analisi di celle solari "back contact" mediante simulatore di reti elettriche distribuite basato su spice

Analisi di celle solari mediante simulatore di reti elettriche distribuite basato su Spice

Un servizio di route planning per scenari di mobilità elettrica

Nelle smart cities moderne, la mobilità di veicoli elettrici (EV) è considerata un fattore determinante nella riduzione del consumo di combustibili fossili e conseguenti emissioni inquinanti. Tuttavia, nonostante gli interessi e investimenti a livello globale, l'accettazione da parte degli utenti è ancora bassa, principalmente a causa della mancanza di infrastrutture e servizi a supporto dei guidatori di EV. Queste mancanze sono la causa principale della cosiddetta range anxiety (timore che il veicolo non abbia autonomia sufficiente per raggiungere la destinazione) e hanno portato al preconcetto che gli EV siano adatti alla sola percorrenza di brevi tragitti. Per contrastare questi problemi, in questo documento è proposta un'applicazione di route planning che supporti mobilità di EV anche su percorsi medio-lunghi, mediante utilizzo di un modello di predizione del consumo energetico e considerazione dell'eventuale necessità di ricarica. Saranno descritte tecniche per determinare il tragitto che un EV sia in grado di percorrere per arrivare a destinazione, in considerazione di restrizioni energetiche, fattore altimetrico del percorso ed eventuali operazioni di ricarica necessarie. Il modello di consumo e l'algoritmo che determina il miglior percorso (dal punto di vista energetico) sono implementati da un web service che interagisce con i servizi di Google Maps (per ottenere indicazioni stradali, dati altimetrici e informazioni in tempo reale sul traffico) e con servizi che offrono informazioni sulle stazioni di ricarica e relative posizioni. Dopo aver descritto il modello di consumo e l'algoritmo per la ricerca del percorso, sarà presentata l'architettura del servizio implementato. Sarà quindi fornita una valutazione del servizio, analizzandone performance e scalabilità, nonché l'efficacia nel supporto di percorsi di EV all'interno di scenari su larga scala (nello specifico la regione Emilia Romagna), attraverso tecniche di simulazione.

Applicazioni mobili a supporto della mobilita elettrica: stato dell'arte e definizione di nuovi servizi per la profilazione dei consumi

Uno dei comparti industriali più importanti nel mondo è senz’altro il settore automobilistico, il quale è oggetto di particolare attenzione da parte dei governi mondiali. Infatti l’automobile è il mezzo sia urbano che extraurbano che è stato perfezionato nel tempo in base alle esigenze dell’uomo, ma bisogna anche evidenziare che in generale il settore dei trasporti è un settore industriale che negli anni non ha portato grandi innovazioni, in quanto presenta ancora la stessa tecnologia di trent’anni fa. Attualmente, grazie alle nuove normative Europee riguardanti la tutela dell’ambiente e le riduzioni di emissioni, si sta passando a nuove forme di alimentazione per ridurre le emissioni di CO2 ed evitare di utilizzare i combustibili fossili. Una valida soluzione è stata attuata attraverso i veicoli completamente elettrici (EV), dato il rendimento energetico nettamente superiore e l’assente emissione di gas inquinanti. Purtroppo gli utenti hanno ancora timore ad utilizzare i veicoli elettrici (EV): ciò avviene soprattutto per mancanza/scarsità di infrastrutture e servizi a supporto degli utenti, provocando nell’utente un’insicurezza che viene più comunemente chiamata “range anxiety” (timore che il EV non abbia autonomia sufficiente per arrivare a destinazione) e generando l’infondata idea che i EV siano utilizzabili solo in città o per i tragitti brevi. In questo documento è proposta un’applicazione la quale sarà in grado di ridurre i problemi relativi a “Driving without anxiety”. In particolare tale applicazione è in grado di rilevare la velocità media e l’accelerazione sul tratto di strada che si sta percorrendo. Attraverso il servizio di Google Direction si richiede la velocità media stimata sul medesimo tratto. L’applicazione confronta il valore reale ed il valore medio stimato, ed in base a quello fornisce una classificazione dello stile di guida dell’utente (es. Aggressivo); fornisce una stima dell’energia consumata sul tratto percorso, inserendo nel calcolo dell’energia un parametro che consente di tener conto dello stile di guida, determinato al passo precedente.

Fotocatalizzatori di seconda generazione: sintesi e indagine strutturale su nanoparticelle di Ti1-xVxO2

Il TiO2 è probabilmente il fotocatalizzatore maggiormente studiato in letteratura a partire già dagli anni settanta. Le applicazioni più rilevanti dei dispositivi fotocatalitici sono in campo ambientale (depurazione delle acque da inquinanti quali coloranti, microbatteri e residui metallici) e nella produzione di "solar fuel" (combustibili solari), fra questi l'idrogeno. L'idrogeno come vettore energetico è eco-compatibile e può essere utilizzato come carburante il cui prodotto di scarto è vapor d'acqua. Il biossido di titanio è uno dei materiali più promettenti per la costruzione di celle fotocatalitiche, grazie alla sua biocompatibilità e resistenza alla corrosione in ambiente acquoso. Il limite principale di questo materiale è legato allo scarso assorbimento nel visibile dovuto al band gap troppo elevato (circa 3.2 eV). Fra le varie strategie per superare questo problema, è stato mostrato che opportuni droganti permettono di incrementare la "Visible Light Activity", portando ai cosiddetti fotocatalizzatori di 2a generazione. I droganti più promettenti sono il vanadio e l'azoto che possono essere utilizzati singolarmente o in co-doping. L'inserimento di questi materiali nella matrice di TiO2 porta a un notevole miglioramento dei dispositivi abbassando il valore di band gap e permettendo un maggiore assorbimento nello spettro solare. Scopo di questa tesi è lo studio dei processi di crescita di film nanoparticellari di TiO2 drogato con vanadio. La tecnica di crescita usata è la Condensazione in Gas Inerte (IGC), mentre per l'indagine di morfologia e composizione ci si è serviti della microscopia elettronica. Con l'ausilio della diffrazione di raggi X è stato possibile controllare lo stato di cristallizzazione e determinare a quali temperature di trattamento in atmosfera ossidante avviene quest'ultima. Tramite le misure micro-Raman effettuate presso i laboratori dell'Università di Trento è stato possibile monitorare l'andamento della cristallizzazione di campioni depositati con parametri di evaporazione differenti (presenza di ossigeno o meno nell'atmosfera di evaporazione), evidenziando un maggior controllo sulla fase cristallina ottenuta per i campioni cresciuti in atmosfera ricca di ossigeno. Sono state effettuate analisi strutturali avanzate presso i laboratori ESRF di Grenoble, dove sono state portate avanti misure di assorbimento di raggi X di tipo EXAFS e XANES sulla soglia del titanio e del vanadio, evidenziando il carattere sostituzionale del vanadio all'interno della matrice di TiO2 e le diverse fasi di cristallizzazione.

Sviluppo e sperimentazione di sensori per il monitoraggio della qualità dell'aria

Individuare e conoscere la natura degli inquinanti atmosferici e disporre dei dati delle emissioni sono azioni fondamentali per formulare politiche ambientali incentrate sul miglioramento della qualità dell'aria e monitorarne l'efficacia. Sorge l'esigenza di un controllo costante della qualità dell'aria, processo che avviene utilizzando delle centraline di monitoraggio fisse sparse nelle vie delle maggiori città o nei pressi dei principali insediamenti industriali. Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare una stazione di monitoraggio mobile al fine di aumentare la superficie di controllo, realizzando un oggetto dinamico capace di acquisire dati sull'inquinamento. Questo è stato fatto applicando ad un drone un sistema di sensori capaci di rilevare le variazioni dei livelli di concentrazione degli agenti inquinanti. Ciò permette di eliminare le stazioni di monitoraggio fisse, le quali rappresentano una spesa ingente. Inoltre, attraverso l'utilizzo di un drone, è possibile monitorare siti più vasti, permettendo un monitoraggio costante e ripetuto nel tempo. La prima parte dell'elaborato analizza il sistema Embedded utilizzato per l'acquisizione dei dati, concentrando l'attenzione prevalentemente sui moduli utilizzati. La seconda descrive quali sono i primi passi per cominciare ad utilizzare i sensori posti sulla Gases Board 2.0 e risponde ai dubbi più comuni su quali parametri di configurazione adottare per un avere una risposta adeguata, quale processo di calibrazione seguire o come trasformare i dati acquisiti, espressi in tensioni, in valori di concentrazione di gas. La terza parte illustra i test effettuati per verificare il corretto funzionamento del sistema completo, con l’esposizione delle problematiche individuate, e una presentazione delle alternative più valide per superarle.

Analisi in regime dinamico dei consumi energetici per la produzione di acqua calda sanitaria in una palestra con integrazione di pannelli solari

L'elaborato è focalizzato sul dimensionamento di un sistema solare termico da integrare ad una caldaia a metano in una palestra di riferimento. Sono state condotte simulazioni dinamiche in ambiente Trnsys per analizzare il consumo energetico dell'utenza termica, eseguite anche al variare dei valori di differenti variabili. Infine sono state condotte valutazioni economiche, tramite parametri finanziari, per decretare la fattibilità e la convenienza dell'investimento.

Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Sperimentazione di un EGR HP Mixer e di un Oil Cooler con Bypass in un motore V6 Diesel con l’obiettivo di ridurre la CO2

Lo scopo di questa tesi è stato sperimentare componenti prototipali su un motore V6 Diesel all’interno di un banco dinamico con il fine di valutarne la riduzione di CO2 in cicli di omologazione NEDC e WLTC. In particolare si sono studiati un nuovo EGR HP Mixer e un Oil Cooler dotato di Bypass: il primo componente per migliorare l’EGR distribution da cilindro a cilindro, mentre il secondo componente per ottenere un’ottimizzazione energetica della pompa dell’olio sfruttando il nuovo bypass del cooler. L’Oil Cooler è dotato di due cartucce intercambiabili che cambiano le fasi di bypass a seconda della temperatura dell’olio: la prima cartuccia, a 2 stadi, parte dalla condizione di bypass e chiude a una certa temperatura per proteggere il motore; la seconda, a 3 stadi, sfrutta il bypass solo in un range di temperatura ottimizzato con il calcolo CFD. La riduzione di consumi di gasolio è stata valutata confrontando i diversi consumi a pari emissioni di NOx; in questo modo si è registrata una riduzione di consumi con l’EGR HP Mixer dell’1.7% nel ciclo NEDC e dello 0.5% nel ciclo WLTC. Con lo stesso metodo si è registrato che l’Oil Cooler Bypass determina nel ciclo NEDC una riduzione dello 0.6 % con la valvola a 3 Stadi e una riduzione dello 0.37 % con la valvola a 2 Stadi. Nel ciclo WLTC si è invece ottenuta una riduzione dello 0.1 % con la valvola a 3 Stadi e un aumento dello 0.33 % con la valvola a 2 Stadi. Di ogni componente è stato fatto uno studio stazionario per indagarne a fondo i comportamenti.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Calibrazione e validazione di modelli per la simulazione CFD di impatto a parete di spray di combustibili

Il seguente lavoro è uno studio di iniezione (strategia, timing, spray pattern) svolto con la simulazione numerica, alle quali oggi si richiede dettaglio e accuratezza. Il lavoro si concentra sullo studio di spray multi componente, tramite la scrittura di una UDF (user define function) proprietaria, valutazione sensibilità dell'impatto a parete, film boiling a parametri modellistici influenzati dal multicomponente e scrittura di un codice per l'elaborazione delle immagini sia sperimentali che numeriche per rendere più esteso il confronto tra CFD e sperimentale, per migliorare le tarature e i modelli e comprendere meglio la fenomenologia.

Studio di catalizzatori a base di Ni modificati con La per la metanazione della CO2

Le emissioni di CO2 in atmosfera da fonti antropogeniche sono attualmente la principale causa del surriscaldamento globale. Tecnologie sostenibili note come Power-to-gas, consentono di valorizzare la CO2, per la produzione di metano, mediante reazione con H2 proveniente dall’elettrolisi dell’acqua, utilizzando energia prodotta da fonti rinnovabili. Il metano, essendo un vettore energetico molto importante, se possiede requisiti di purezza adeguati, può essere introdotto direttamente nella rete del gas. In questo lavoro di tesi sono state investigate le prestazioni catalitiche, nella reazione di metanazione della CO2, di catalizzatori derivati da composti tipo idrotalcite a base di Ni, modificati con La, e con l’aggiunta di Mg e Zn. I catalizzatori sono stati sintetizzati per coprecipitazione a pH costante, calcinati e ridotti prima di condurre le prove catalitiche. Sono stati inoltre caratterizzati mediante tecniche XRD, H2-TPR, analisi porosimetrica e spettroscopia micro-Raman, sia da calcinati che da spenti. I risultati ottenuti dalle prove catalitiche hanno dimostrato che la presenza del La in un catalizzatore Ni/Al aumenta notevolmente l’attività in termini di conversione di CO2 e selettività in CH4, soprattutto a temperature tra 250 e 300°C. L’aggiunta dello Zn nella struttura ad ossidi misti invece ne inibisce l’attività catalitica, portando ad una diminuzione drastica della conversione e selettività. La presenza del Mg promuove una migliore attività catalitica, rispetto ai catalizzatori con solo La, ma necessita di una temperatura di riduzione più elevata.

Uso combinato della metodologia Life Cycle Assessment e del modello RothC per stimare le prestazioni ambientali della produzione di uva in due aziende a conduzione convenzionale

Lo studio ha applicato la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) con l’obiettivo di valutare i potenziali impatti ambientali derivanti dalla coltivazione dell’uva in due aziende a conduzione convenzionale del ravennate, denominate DZ e NG. Successivamente è stato applicato il modello RothC per simulare scenari sulla variazione del Soil Organic Carbon (SOC) e valutare in che misura le diverse pratiche agronomiche di gestione del suolo influenzino la variazione del SOC e la relativa emissione di CO2. Infine, i risultati dell’LCA sono stati integrati con quelli del modello RothC. Gli esiti dell’LCA indicano che, generalmente, sui diversi aspetti ambientali l’azienda DZ ha impatti superiori a quelli di NG soprattutto a causa di un maggiore utilizzo di fertilizzanti e pesticidi. Per quanto riguarda il contributo al riscaldamento globale (GWP), DZ mostra un impatto circa doppio di quello di NG. Il modello RothC ha individuato quali pratiche culturali aumentano il SOC mitigando le emissioni di CO2eq., in particolare: l’inerbimento perenne, la scelta di forme di allevamento con elevata produzione di residui culturali e l’utilizzo di ammendanti. L’integrazione dei valori dei due strumenti ha permesso di ottenere un bilancio globale di CO2eq. in cui le emissioni totali rispetto al GWP aumentano in DZ e diminuiscono in NG, portando a un impatto di DZ circa tre volte superiore rispetto a quello di NG. Fertilizzazione, potatura e lavorazione del suolo sono pratiche considerate nel calcolo del GWP in termini di consumo ed emissione dei processi produttivi, ma non come input di carbonio fornibili al suolo, determinando sovra o sottostima delle effettive emissioni di CO2eq. Questo studio dimostra l’utilità di incentivare la diffusione dell’applicazione integrata dei due strumenti nel settore viticolo, determinante per la comprensione e quantificazione delle emissioni di CO2 associate alla fase di coltivazione, sulla quale quindi indirizzare ottimizzazioni e approfondimenti.

Studio dell’idrogenazione della CO2 a MeOH mediante catalizzatori a base di Cu/In/Al

Ad oggi, l’aumento delle emissioni di gas serra, principalmente di CO2, dovuto alle attività antropiche, ha portato ad un aumento delle temperature medie globali. La sintesi del metanolo da CO2 ha attirato molto l’interesse della ricerca e attualmente il catalizzatore Cu/ZnO/Al2O3, sviluppato per la produzione di metanolo da gas di sintesi si dimostra il più utilizzato. Tuttavia, alcune sue problematiche, legate alla bassa selettività rispetto a MeOH all’aumentare della temperatura, per via della reazione concorrente di RWGS e problemi di disattivazione per sinterizzazione relazionati con l’acqua prodotta, hanno portato allo studio di nuovi catalizzatori. Recentemente, catalizzatori a base di In2O3 hanno catturato molto l’attenzione già che hanno una elevata selettività in metanolo. Lo scopo della tesi si è basato sullo studio di catalizzatori a base di Cu/In/Al per l’idrogenazione della CO2 a MeOH. Una volta sintetizzati e caratterizzati i catalizzatori sono stati messi a confronto con un catalizzatore commerciale (Cu/ZnO/Al2O3). Sono stati investigati gli effetti del contenuto di Cu, metodo di preparazione e temperatura di riduzione nelle prestazioni catalitiche (conversione, selettività  e resa spazio-temporale). I valori di conversione e selettività  dipendono del contenuto di Cu, raggiungendo il massimo con un contenuto intermedio di Cu (30 % rapporto atomico), tuttavia i risultati sono inferiori a quelli ottenuti con il catalizzatore commerciale. La temperatura di riduzione più adatta è stata 300 °C. Riguardo al metodo di preparazione, non sembra modificare significativamente le prestazioni catalitiche. Saranno necessari ulteriori studi su altre formulazioni di catalizzatori per migliorare sia la attività che la selettività.