Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.

Sviluppo di nuovi sistemi catalitici per la produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione di idrocarburi

La ricerca è collocata nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport) che è finalizzato alla produzione di idrogeno a bordo di aerei mediante deidrogenazione catalitica di cherosene avio. La deidrogenazione di molecole organiche volta alla produzione di idrogeno è una reazione poco studiata; in letteratura sono presenti solo esempi di deidrogenazione di molecole singole, tipicamente a basso peso molecolare, per la produzione di olefine. Già per questi substrati la conduzione della reazione risulta molto complessa, quindi l’impiego di frazioni di combustibili reali rende ancora più problematica le gestione del processo. L’individuazione dei parametri operativi e della corretta formulazione del catalizzatore possono essere definiti accuratamente solo dopo un approfondito studio dei meccanismi di reazione e di disattivazione. Pertanto questo lavoro ha come obiettivo lo studio di questi meccanismi partendo da molecole modello per giungere poi a definire la reattività di miscele complesse. Le problematiche principali che si presentano nella conduzione di questa reazione sono la disattivazione da coke e da zolfo. Quindi è evidente che la comprensione dei meccanismi di reazione, di formazione dei depositi carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo è uno stadio fondamentale per delineare quali siano i requisiti necessari alla realizzazione del processo. Il fine ultimo della ricerca è quello di utilizzare le informazioni acquisite dallo studio dei meccanismi coinvolti per arrivare a formulare un catalizzatore capace di soddisfare i requisiti del progetto, sia in termini di produttività di idrogeno sia in termini di tempo di vita, unitamente alla definizione di accorgimenti utili al miglioramento della conduzione della reazione.

Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

A study of air-sea interaction processes on water mass formation and upwelling in the Mediterranean sea

Air-sea interactions are a key process in the forcing of the ocean circulation and the climate. Water Mass Formation is a phenomenon related to extreme air-sea exchanges and heavy heat losses by the water column, being capable to transfer water properties from the surface to great depth and constituting a fundamental component of the thermohaline circulation of the ocean. Wind-driven Coastal Upwelling, on the other hand, is capable to induce intense heat gain in the water column, making this phenomenon important for climate change; further, it can have a noticeable influence on many biological pelagic ecosystems mechanisms. To study some of the fundamental characteristics of Water Mass Formation and Coastal Upwelling phenomena in the Mediterranean Sea, physical reanalysis obtained from the Mediterranean Forecating System model have been used for the period ranging from 1987 to 2012. The first chapter of this dissertation gives the basic description of the Mediterranean Sea circulation, the MFS model implementation, and the air-sea interaction physics. In the second chapter, the problem of Water Mass Formation in the Mediterranean Sea is approached, also performing ad-hoc numerical simulations to study heat balance components. The third chapter considers the study of Mediterranean Coastal Upwelling in some particular areas (Sicily, Gulf of Lion, Aegean Sea) of the Mediterranean Basin, together with the introduction of a new Upwelling Index to characterize and predict upwelling features using only surface estimates of air-sea fluxes. Our conclusions are that latent heat flux is the driving air-sea heat balance component in the Water Mass Formation phenomenon, while sensible heat exchanges are fundamental in Coastal Upwelling process. It is shown that our upwelling index is capable to reproduce the vertical velocity patterns in Coastal Upwelling areas. Nondimensional Marshall numbers evaluations for the open-ocean convection process in the Gulf of Lion show that it is a fully turbulent, three-dimensional phenomenon.

Development of an innovative non rule-based energy management strategy for a Hybrid Electric Vehicle, structured for predictive driving controls based on external information knowledge

Recently, the interest of the automotive market for hybrid vehicles has increased due to the more restrictive pollutants emissions legislation and to the necessity of decreasing the fossil fuel consumption, since such solution allows a consistent improvement of the vehicle global efficiency. The term hybridization regards the energy flow in the powertrain of a vehicle: a standard vehicle has, usually, only one energy source and one energy tank; instead, a hybrid vehicle has at least two energy sources. In most cases, the prime mover is an internal combustion engine (ICE) while the auxiliary energy source can be mechanical, electrical, pneumatic or hydraulic. It is expected from the control unit of a hybrid vehicle the use of the ICE in high efficiency working zones and to shut it down when it is more convenient, while using the EMG at partial loads and as a fast torque response during transients. However, the battery state of charge may represent a limitation for such a strategy. That’s the reason why, in most cases, energy management strategies are based on the State Of Charge, or SOC, control. Several studies have been conducted on this topic and many different approaches have been illustrated. The purpose of this dissertation is to develop an online (usable on-board) control strategy in which the operating modes are defined using an instantaneous optimization method that minimizes the equivalent fuel consumption of a hybrid electric vehicle. The equivalent fuel consumption is calculated by taking into account the total energy used by the hybrid powertrain during the propulsion phases. The first section presents the hybrid vehicles characteristics. The second chapter describes the global model, with a particular focus on the energy management strategies usable for the supervisory control of such a powertrain. The third chapter shows the performance of the implemented controller on a NEDC cycle compared with the one obtained with the original control strategy.

Catch and by-catch analyses of tropical tuna fishery in the Gulf of Guinea from 2010 to 2012.

Canned tuna is one of the most widespread and recognizable fish commodities in the world. Over all oceans 80% of the total tuna catches are caught by purse seine fishery and in tropical waters their target species are: yellowfin (Thunnus albacares), bigeye (Thunnus obesus) and skipjack (Katsuwonus pelamis). Even if this fishing gear is claimed to be very selective, there are high levels of by-catch especially when operating under Fish Aggregating Devices (FADs). The main problem is underestimation of by-catch data. In order to solve this problem the scientific community has developed many specific programs (e.g. Observe Program) to collect data about both target species and by-catch with observers onboard. The purposes of this study are to estimate the quantity and composition of target species and by-catch by tuna purse seiner fishery operating in tropical waters and to underline a possible seasonal variability in the by-catch ratio (tunas versus by-catch). Data were collected with the French scientific program ”Observe” on board of the French tuna purse seiner “Via Avenir” during a fishing trip in the Gulf of Guinea (C-E Atlantic) from August to September 2012. Furthermore some by-catch specimens have been sampled to obtain more information about size class composition. In order to achieve those purposes we have shared our data with the French Institute of Research for the Development (IRD), which has data collected by observers onboard in the same study area. Yellowfin tuna results to be the main specie caught in all trips considered (around 71% of the total catches) especially on free swimming schools (FSC) sets. Instead skipjack tuna is the main specie caught under FADs. Different percentages of by-catch with the two fishing modes are observed: the by-catch incidence is higher on FADs sets (96.5% of total by-catch) than on FSC sets (3.5%) and the main category of by-catch is little-tuna (73%). When pooling data for both fishing sets used in purse seine fishery the overall by-catch/catch ratio is 5%, a lower level than in other fishing gears like long-lining and trawling.

Resolved stellar populations in milky way and andromeda's new satellites

This thesis concerns the study of the variable stars and resolved stellar populations in four recently discovered dSphs, namely, Hercules and Ursa Major I (UMa I), which are UFD satellites of the MW; Andromeda XIX (And XIX) and Andromeda XXI (And XXI), which are satellites of M31. The main aim is to obtain detailed informations on the properties (age, metallicity, distance, and Oosterhoff type) of the stellar populations in these galaxies, to compare them with those of other satellites around the MW and M31, both ''classical'' dSphs and UFDs. The observables used to achieve these goals are the pulsating variables, especially the RR Lyrae stars, and the color magnitude diagram (CMD) of the resolved stellar populations. In particular, for UMa I, we combined B, V time-series observations from four different ground-based telescopes (Cassini, TLS, TT1 and Subaru) and for Hercules, we used archival data acquired with the Advanced Camera for Surveys (ACS) on board the HST. We used, instead B and V times-series photometry obtained with the Large Binocular Telescope (LBT) for And XIX and And XXI .

Evolution of the structural and fracture design of the ISS payloads due to the new launchers, specifically applied to Biolab IEC-2 projects

The relatively young discipline of astronautics represents one of the scientifically most fascinating and technologically advanced achievements of our time. The human exploration in space does not offer only extraordinary research possibilities but also demands high requirements from man and technology. The space environment provides a lot of attractive experimental tools towards the understanding of fundamental mechanism in natural sciences. It has been shown that especially reduced gravity and elevated radiation, two distinctive factors in space, influence the behavior of biological systems significantly. For this reason one of the key objectives on board of an earth orbiting laboratory is the research in the field of life sciences, covering the broad range from botany, human physiology and crew health up to biotechnology. The Columbus Module is the only European low gravity platform that allows researchers to perform ambitious experiments in a continuous time frame up to several months. Biolab is part of the initial outfitting of the Columbus Laboratory; it is a multi-user facility supporting research in the field of biology, e.g. effect of microgravity and space radiation on cell cultures, micro-organisms, small plants and small invertebrates. The Biolab IEC are projects designed to work in the automatic part of Biolab. In this moment in the TO-53 department of Airbus Defence & Space (formerly Astrium) there are two experiments that are in phase C/D of the development and they are the subject of this thesis: CELLRAD and CYTOSKELETON. They will be launched in soft configuration, that means packed inside a block of foam that has the task to reduce the launch loads on the payload. Until 10 years ago the payloads which were launched in soft configuration were supposed to be structural safe by themselves and a specific structural analysis could be waived on them; with the opening of the launchers market to private companies (that are not under the direct control of the international space agencies), the requirements on the verifications of payloads are changed and they have become much more conservative. In 2012 a new random environment has been introduced due to the new Space-X launch specification that results to be particularly challenging for the soft launched payloads. The last ESA specification requires to perform structural analysis on the payload for combined loads (random vibration, quasi-steady acceleration and pressure). The aim of this thesis is to create FEM models able to reproduce the launch configuration and to verify that all the margins of safety are positive and to show how they change because of the new Space-X random environment. In case the results are negative, improved design solution are implemented. Based on the FEM result a study of the joins has been carried out and, when needed, a crack growth analysis has been performed.

Sviluppo di algoritmi di autolocalizzazione su dispositivi mobili

Negli ultimi anni, complice la rapida evoluzione degli elaboratori e dei sensori, spinta dal mercato smartphone, una tecnologia si sta sviluppando e si sta diffondendo rapidamente. Si tratta di quella relativa agli unmanned vehicles (UV), i veicoli senza pilota, spesso nel linguaggio comune chiamati “droni”. Questi particolari veicoli sono dotati della tecnologia adatta per svolgere in relativa autonomia particolari mansioni, senza la necessità della presenza di un pilota a bordo. In questa Tesi magistrale si descrivono brevemente le diverse categorie di UV e l’attuale livello di autonomia raggiunta nello svolgimento di alcune funzioni, grazie a tecnologie quali i linguaggi ad agenti, di cui si presentano anche alcune significative applicazioni allo stato dell’arte. Per rendere più efficaci eventuali nuove funzionalità, fornendo una metodologia di sviluppo, atta ad aumentare il grado di astrazione, viene proposto un approccio architetturale a tre livelli. In particolare, viene approfondito il secondo livello, presentando l’implementazione di una funzionalità, l’autolocalizzazione spaziale, utile ad un sistema di terzo livello per arricchire la propria conoscenza dell’ambiente, al fine di raggiungere la massima autonomia nel controllo del mezzo. Questa prima esperienza ha consentito di approfondire le necessità in termini di hardware e software, al fine di poter effettuare una scelta mirata per l’ottimizzazione dei risultati ed un eventuale porting on-board, nella prospettiva di svincolare il mezzo da eventuali collegamenti con una stazione di terra, fino ad ora necessaria per eseguire le attività più complesse. Un interessante caso di studio consente di verificare la bontà del modello proposto e i risultati raggiunti nell’autolocalizzazione. In conclusione, si propongono ulteriori sviluppi che potranno fornire gli strumenti necessari alla massima espressione del potenziale che gli UV possiedono.

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

Sviluppo e test di una rete di sensori indossabili per il monitoraggio e la riabilitazione di pazienti affetti da morbo di parkinson

Il recente sviluppo commerciale di smartphone, tablet e simili dispositivi, ha portato alla ricerca di soluzioni hardware e software dotate di un alto livello di integrazione, in grado di supportare una potenza di calcolo e una versatilità di utilizzo sempre più crescenti, pur mantenendo bassi i consumi e le dimensioni dei dispositivi. Questo sviluppo ha consentito parallelamente a simili tecnologie di trovare applicazione in tanti altri settori, tra i quali quello biomedicale. Il lavoro esposto in questa tesi si inserisce nel contesto appena descritto e, in particolare, consiste nello sviluppo di un sistema WBAN ideato per garantire maggiore flessibilità, controllo e personalizzazione nella terapia riabilitativa dei pazienti affetti da Morbo di Parkinson. In questo campo è stata dimostrata l'efficacia, in termini di miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo, dell'esercizio fisico e in particolare di una serie di fisioterapie riabilitative specifiche. Tuttavia manca ancora uno strumento in grado di garantire più indipendenza, continuità e controllo,per le persone affette da MP, durante l'esecuzione di questi esercizi; senza che sia strettamente necessario l'intervento di personale specializzato per ogni seduta fisioterapeutica. Inoltre manca un sistema che possa essere comodamente trasportato dal paziente nelle attività di tutti i giorni e che consenta di registrare e trasmettere eventi particolari legati alla patologia, come blocchi motori e cadute accidentali. Il presente lavoro di tesi tratta della realizzazione di un Firmware per la gestione di un Nodo Centrale che funge da master in una rete WBAN a tre nodi. L'obbiettivo è quello di integrare in tale firmware le funzioni di acquisizione dati dai sensori on-board, comunicazione tra i nodi della rete e gestione delle periferiche hardware secondarie; in particolare per lo sviluppo è stato usato un Sistema Operativo Real-Time (RTOS) del quale sono esposti vantaggi e svantaggi dell’utilizzo.

Design and implementation of the ESEO spacecraft simulator

The thesis work is developed under the European Student Earth Orbiter (ESEO) project supported by the European Space Agency (ESA) in order to help prepare a well-qualified space-engineering workforce for Europe's future. In the following chapters we are going to analyse how to simulate some ESEO subsystem. First of all, the Thermal Subsystem that evaluates the temperature evolution of on-board instruments. For this purpose, simulating also the orbital and attitude dynamics of the spacecraft, it is necessary in order to evaluate external environmental fluxes. The Power Subsystem will be the following step and it models the ability of a spacecraft to produce and store electrical energy. Finally, we will integrate in our software a block capable of simulating the communication link between the satellite and the Ground Station (GS). This last step is designed and validated during the thesis preparation.

Evoluzione della limitazione di sostanze inquinanti e climalteranti nelle normative di omologazione per autoveicoli

Elaborato che si propone di evidenziare come i veicoli a benzina e a diesel possano soddisfare la normativa Euro 6. Si analizza il funzionamento dei principali sistemi di after-treatment come: catalizzatore SCR e DeNOx, trappola LNT, filtri FAP e DPF, sistemi EGR, per i motori ad accensione per compressione e catalizzatore TWC per motori ad accensione comandata. Parallelamente, si spiega l'evoluzione della normativa da Euro 6b a Euro 6c in termini di riduzione del numero di particelle di particolato emesse per km e come rispondere a queste più restrittive condizioni; viene introdotto, in via ancora sperimentale, il filtro antiparticolato GPF e un sistema di misurazione di nano particelle di dimensioni inferiori a 23 nm cioè una rivalutazione del metodo PMP. Contestualmente si definisce il progetto CARS 2020, il quale aggiunge una limitazione anche sulla quantità di anidride carbonica emessa a 95 g/km e le eventuali possibili soluzioni per rispettarla: da un maggior uso di combustibili alternativi a miglioramenti tecnologici dei motori stessi. Infine si studiano gli sviluppi dei cicli di omologazione, dal 2017 infatti entreranno in gioco test su strada con dispositivi PEMS on-board e cicli armonizzati WLTC. Le procedure RDE e WLTP permetteranno di testare i vecioli in maniera più reale e globale, rispettivamente, riuscendo a fornire anche valori attendibili dei consumi registrati durante le prove.