Consequences associated to the boiling liquid expanding vapour explosion for liquid hydrogen tanks: assessment and mitigation

Nowadays the urgency to address climate change and global warming is growing rapidly: the industry and the energy sector must be decarbonized. Hydrogen can play a key role in the energy transition: it is expected to progressively replace fossil fuels, penetrating economies and gaining interest from the public. However, this new possible energy scenario requires further investigation on safety aspects, which currently represent a challenge. The present study aims at making a little contribution to this field. The focus is on the analysis and modeling of hazardous scenarios concerning liquid hydrogen. The investigation of BLEVEs (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) consequences lies at the core of this research: among various consequences (overpressure, radiation), the interest is on the generation and projection of fragments. The goal is to investigate whether the models developed for conventional fuels and tanks give good predictions also when handling hydrogen. The experimental data from the SH2IFT - Safe Hydrogen Fuel Handling and Use for Efficient Implementation project are used to validate those models. This project’s objective was to increase competence within safety of hydrogen technology, especially focusing on consequences of handling large amounts of this substance.

Produzione di bioetanolo da scarti lignocellulosici della canna da zucchero: condizioni di saccarificazione e fermentazione simultanee (SSF) e aspetti ambientali del processo

Il presente studio ha avuto l’obiettivo di indagare la produzione di bioetanolo di seconda generazione a partire dagli scarti lignocellulosici della canna da zucchero (bagassa), facendo riscorso al processo enzimatico. L’attività di ricerca è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università di Lund (Svezia) all’interno di rapporti scambio con l’Università di Bologna. Il principale scopo è consistito nel valutare la produzione di etanolo in funzione delle condizioni operative con cui è stata condotta la saccarificazione e fermentazione enzimatica (SSF) della bagassa, materia prima che è stata sottoposta al pretrattamento di Steam Explosion (STEX) con aggiunta di SO2 come catalizzatore acido. Successivamente, i dati ottenuti in laboratorio dalla SSF sono stati utilizzati per implementare, in ambiente AspenPlus®, il flowsheet di un impianto che simula tutti gli aspetti della produzione di etanolo, al fine di studiarne il rendimento energetico dell’intero processo. La produzione di combustibili alternativi alle fonti fossili oggigiorno riveste primaria importanza sia nella limitazione dell’effetto serra sia nel minimizzare gli effetti di shock geopolitici sulle forniture strategiche di un Paese. Il settore dei trasporti in continua crescita, consuma nei paesi industrializzati circa un terzo del fabbisogno di fonti fossili. In questo contesto la produzione di bioetanolo può portare benefici per sia per l’ambiente che per l’economia qualora valutazioni del ciclo di vita del combustibile ne certifichino l’efficacia energetica e il potenziale di mitigazione dell’effetto serra. Numerosi studi mettono in risalto i pregi ambientali del bioetanolo, tuttavia è opportuno fare distinzioni sul processo di produzione e sul materiale di partenza utilizzato per comprendere appieno le reali potenzialità del sistema well-to-wheel del biocombustibile. Il bioetanolo di prima generazione ottenuto dalla trasformazione dell’amido (mais) e delle melasse (barbabietola e canna da zucchero) ha mostrato diversi svantaggi: primo, per via della competizione tra l’industria alimentare e dei biocarburanti, in secondo luogo poiché le sole piantagioni non hanno la potenzialità di soddisfare domande crescenti di bioetanolo. In aggiunta sono state mostrate forti perplessità in merito alla efficienza energetica e del ciclo di vita del bioetanolo da mais, da cui si ottiene quasi la metà della produzione di mondiale di etanolo (27 G litri/anno). L’utilizzo di materiali lignocellulosici come scarti agricolturali e dell’industria forestale, rifiuti urbani, softwood e hardwood, al contrario delle precedenti colture, non presentano gli svantaggi sopra menzionati e per tale motivo il bioetanolo prodotto dalla lignocellulosa viene denominato di seconda generazione. Tuttavia i metodi per produrlo risultano più complessi rispetto ai precedenti per via della difficoltà di rendere biodisponibili gli zuccheri contenuti nella lignocellulosa; per tale motivo è richiesto sia un pretrattamento che l’idrolisi enzimatica. La bagassa è un substrato ottimale per la produzione di bioetanolo di seconda generazione in quanto è disponibile in grandi quantità e ha già mostrato buone rese in etanolo se sottoposta a SSF. La bagassa tal quale è stata inizialmente essiccata all’aria e il contenuto d’acqua corretto al 60%; successivamente è stata posta a contatto per 30 minuti col catalizzatore acido SO2 (2%), al termine dei quali è stata pretrattata nel reattore STEX (10L, 200°C e 5 minuti) in 6 lotti da 1.638kg su peso umido. Lo slurry ottenuto è stato sottoposto a SSF batch (35°C e pH 5) utilizzando enzimi cellulolitici per l’idrolisi e lievito di birra ordinario (Saccharomyces cerevisiae) come consorzio microbico per la fermentazione. Un obiettivo della indagine è stato studiare il rendimento della SSF variando il medium di nutrienti, la concentrazione dei solidi (WIS 5%, 7.5%, 10%) e il carico di zuccheri. Dai risultati è emersa sia una buona attività enzimatica di depolimerizzazione della cellulosa che un elevato rendimento di fermentazione, anche per via della bassa concentrazione di inibitori prodotti nello stadio di pretrattamento come acido acetico, furfuraldeide e HMF. Tuttavia la concentrazione di etanolo raggiunta non è stata valutata sufficientemente alta per condurre a scala pilota un eventuale distillazione con bassi costi energetici. Pertanto, sono stati condotti ulteriori esperimenti SSF batch con addizione di melassa da barbabietola (Beta vulgaris), studiandone preventivamente i rendimenti attraverso fermentazioni alle stesse condizioni della SSF. I risultati ottenuti hanno suggerito che con ulteriori accorgimenti si potranno raggiungere gli obiettivi preposti. E’ stato inoltre indagato il rendimento energetico del processo di produzione di bioetanolo mediante SSF di bagassa con aggiunta di melassa in funzione delle variabili più significative. Per la modellazione si è fatto ricorso al software AspenPlus®, conducendo l’analisi di sensitività del mix energetico in uscita dall’impianto al variare del rendimento di SSF e dell’addizione di saccarosio. Dalle simulazioni è emerso che, al netto del fabbisogno entalpico di autosostentamento, l’efficienza energetica del processo varia tra 0.20 e 0.53 a seconda delle condizioni; inoltre, è stata costruita la curva dei costi energetici di distillazione per litro di etanolo prodotto in funzione delle concentrazioni di etanolo in uscita dalla fermentazione. Infine sono già stati individuati fattori su cui è possibile agire per ottenere ulteriori miglioramenti sia in laboratorio che nella modellazione di processo e, di conseguenza, produrre con alta efficienza energetica bioetanolo ad elevato potenziale di mitigazione dell’effetto serra.

Comparative study of the different models for the calculation of BLEVEs overpressure effects

The BLEVE, acronym for Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion, is one of the most dangerous accidents that can occur in pressure vessels. It can be defined as an explosion resulting from the failure of a vessel containing a pressure liquefied gas stored at a temperature significantly above its boiling point at atmospheric pressure. This phenomenon frequently appears when a vessel is engulfed by a fire: the heat causes the internal pressure to raise and the mechanical proprieties of the wall to decrease, with the consequent rupture of the tank and the instantaneous release of its whole content. After the breakage, the vapour outflows and expands and the liquid phase starts boiling due to the pressure drop. The formation and propagation of a distructive schock wave may occur, together with the ejection of fragments, the generation of a fireball if the stored fluid is flammable and immediately ignited or the atmospheric dispersion of a toxic cloud if the fluid contained inside the vessel is toxic. Despite the presence of many studies on the BLEVE mechanism, the exact causes and conditions of its occurrence are still elusive. In order to better understand this phenomenon, in the present study first of all the concept and definition of BLEVE are investigated. A historical analysis of the major events that have occurred over the past 60 years is described. A research of the principal causes of this event, including the analysis of the substances most frequently involved, is presented too. Afterwards a description of the main effects of BLEVEs is reported, focusing especially on the overpressure. Though the major aim of the present thesis is to contribute, with a comparative analysis, to the validation of the main models present in the literature for the calculation and prediction of the overpressure caused by BLEVEs. In line with this purpose, after a short overview of the available approaches, their ability to reproduce the trend of the overpressure is investigated. The overpressure calculated with the different models is compared with values deriving from events happened in the past and ad-hoc experiments, focusing the attention especially on medium and large scale phenomena. The ability of the models to consider different filling levels of the reservoir and different substances is analyzed too. The results of these calculations are extensively discussed. Finally some conclusive remarks are reported.

Analisi costi-benefici della coibentazione antincendio di autobotti per il trasporto di GPL

Il GPL, a causa della sua infiammabilità, può dare luogo a scenari d’incendio e di esplosione. Particolarmente pericoloso è lo scenario del BLEVE – Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, seguito da un incendio del tipo fireball. Una strategia per la riduzione del rischio imputabile a tale scenario è rappresentato dall’applicazione di protezioni passive antincendio. Le misure di protezione passive antincendio sono costituite dall’applicazione al recipiente di GPL di una coibentazione termica, che ritardi il tempo di cedimento dell’apparecchiatura nel caso di esposizione al fuoco e quindi riduce la frequenza del BLEVE e della conseguente fireball, fornendo un lasso di tempo sufficiente per consentire l'avvio di azioni di mitigazione. Nel presente lavoro di tesi si è effettuata l’analisi costi-benefici dell’applicazione di protezioni passive alle autobotti per il trasporto stradale di GPL. Si è applicato un metodo semplificato per l’analisi sopracitata, considerando l’influenza delle incertezze sul risultato finale In particolare sono state considerate le incertezze derivanti dal modello d‘irraggiamento, dal modello di danno e dalle assunzioni in merito alla descrizione della popolazione nell’area di impatto dell’incidente. Il lavoro di tesi è così strutturato. Nel capitolo 1, di carattere introduttivo, sono riportate informazioni sul GPL, sugli scenari incidentali a cui dà origine e sulle protezioni passive antincendio. Nel capitolo 2 vengono descritti i modelli matematici per la simulazione della fireball, considerando sia i modelli per la stima dell’irraggiamento che quelli per il calcolo della probabilità di morte. Il capitolo 3 contiene la descrizione del modello semplificato di analisi costi-benefici ed il calcolo dell’area di impatto equivalente della fireball. Il capitolo 4 contiene l’applicazione del modello di analisi costi-benefici ad alcuni casi di studio reali. Il capitolo 5, infine, contiene le considerazioni conclusive.

Planck stars: theory and phenomenology

General Relativity (GR) is one of the greatest scientific achievements of the 20th century along with quantum theory. Despite the elegance and the accordance with experimental tests, these two theories appear to be utterly incompatible at fundamental level. Black holes provide a perfect stage to point out these difficulties. Indeed, classical GR fails to describe Nature at small radii, because nothing prevents quantum mechanics from affecting the high curvature zone, and because classical GR becomes ill-defined at r = 0 anyway. Rovelli and Haggard have recently proposed a scenario where a negative quantum pressure at the Planck scales stops and reverts the gravitational collapse, leading to an effective “bounce” and explosion, thus resolving the central singularity. This scenario, called Black Hole Fireworks, has been proposed in a semiclassical framework. The purpose of this thesis is twofold: - Compute the bouncing time by means of a pure quantum computation based on Loop Quantum Gravity; - Extend the known theory to a more realistic scenario, in which the rotation is taken into account by means of the Newman-Janis Algorithm.

Experimental determination of burning velocity in metal dust explosions

The modeling of metal dust explosion phenomenon is important in order to safeguard industries from potential accidents. A key parameter of these models is the burning velocity, which represents the consumption rate of the reactants by the flame front, during the combustion process. This work is focused on the experimental determination of aluminium burning velocity, through an alternative method, called "Direct method". The study of the methods used and the results obtained is preceded by a general analysis on dust explosion phenomenon, flame propagation phenomenon, characteristics of the metals combustion process and standard methods for determining the burning velocity. The “Direct method” requires a flame propagating through a tube recorded by high-speed cameras. Thus, the flame propagation test is carried out inside a vertical prototype made of glass. The study considers two optical technique: the direct visualization of the light emitted by the flame and the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. These techniques were used simultaneously and allow the determination of two velocities: the flame propagation velocity and the flow velocity of the unburnt mixture. Since the burning velocity is defined by these two quantities, its direct determination is done by substracting the flow velocity of the fresh mixture from the flame propagation velocity. The results obtained by this direct determination, are approximated by a linear curve and different non-linear curves, which show a fluctuating behaviour of burning velocity. Furthermore, the burning velocity is strongly affected by turbulence. Turbulence intensity can be evaluated from PIV technique data. A comparison between burning velocity and turbulence intensity highlighted that both have a similar trend.

Studio del ciclo geochimico del Mercurio all'interfaccia aria-neve nel plateau Antartico

Lo studio si basa sull’analisi di campioni di neve superficiale (0-3 cm) e sub-superficiale (3-6 cm) raccolti nei pressi della “clean area” di Concordia Station, nel plateau Antartico, e di campioni di deposizione raccolti a seguito di eventi di precipitazione nello stesso sito. Il sito di campionamento “clean area” è designato allo studio dei valori di fondo nel plateau antartico, poiché ritenuto privo di contaminazione antropica. L’obiettivo è la quantificazione delle concentrazioni in ultra-tracce di mercurio per lo studio di eventuali patterns relativi al ciclo geochimico dell’elemento nei periodi interessati da radiazione solare. Inoltre, per studiare i processi che controllano il ciclo del mercurio nel plateau Antartico sono stati considerati sia i parametri meteorologici che le variazioni di elementi chimici usati per tracciare le possibili sorgenti emissive ed i meccanismi di scambio che avvengono per il mercurio all’interfaccia aria-neve. Le analisi sono state svolte con ICP-SFMS, una tecnica di spettrometria in grado di rilevare concentrazioni nell’ordine del ppt. A causa dei limiti di rilevazione molto bassi, tutte le provette usate per le analisi e la conservazione dei campioni sono state trattate al fine di minimizzare la contaminazione. I campioni destinati alle analisi di mercurio sono stati trattati con acido, seguendo la procedura per la stabilizzazione di metalli volatili. Il lavoro svolto non ha identificato particolari processi di trasporto e di scambio mentre invece riporta episodi di contaminazione della “clean area” dovuti in parte alla non usuale provenienza del vento ed in parte al crescente impatto antropico dovuto alle attività delle stazioni di ricerca. Lo studio ha messo in luce le problematiche legate al possibile impatto della base di ricerca Concordia Station sui processi naturali evidenziando la necessità di ulteriori studi e approfondimenti sul tema della contaminazione della designata “area pulita” per il campionamento di neve.

Instrument transformers with Digital outputting high voltage power networks

In recent years, energy modernization has focused on smart engineering advancements. This entails designing complicated software and hardware for variable-voltage digital substations. A digital substation consists of electrical and auxiliary devices, control and monitoring devices, computers, and control software. Intelligent measurement systems use digital instrument transformers and IEC 61850-compliant information exchange protocols in digital substations. Digital instrument transformers used for real-time high-voltage measurements should combine advanced digital, measuring, information, and communication technologies. Digital instrument transformers should be cheap, small, light, and fire- and explosion-safe. These smaller and lighter transformers allow long-distance transmission of an optical signal that gauges direct or alternating current. Cost-prohibitive optical converters are a problem. To improve the tool's accuracy, amorphous alloys are used in the magnetic circuits and compensating feedback. Large-scale voltage converters can be made cheaper by using resistive, capacitive, or hybrid voltage dividers. In known electronic voltage transformers, the voltage divider output is generally on the low-voltage side, facilitating power supply organization. Combining current and voltage transformers reduces equipment size, installation, and maintenance costs. These two gadgets cost less together than individually. To increase commercial power metering accuracy, current and voltage converters should be included into digital instrument transformers so that simultaneous analogue-to-digital samples are obtained. Multichannel ADC microcircuits with synchronous conversion start allow natural parallel sample drawing. Digital instrument transformers are created adaptable to substation operating circumstances and environmental variables, especially ambient temperature. An embedded microprocessor auto-diagnoses and auto-calibrates the proposed digital instrument transformer.