Produzione di energia elettrica mediante energia marina

La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina in energia elettrica. Tale argomento viene inquadrato nell’ambito della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, di cui si riportano le stime dei costi relativi, e confronti con la produzione da fonti fossili. La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina discutendone: la definizione, l’analisi economica, i progetti principali in cui sono coinvolte le maggiori imprese del settore, cenni alle stime del potenziale energetico dell’energia marina lungo le coste italiane e agli impianti in corso di realizzazione nel suolo nazionale. Vengono descritte inoltre le caratteristiche principali di un impianto per la conversione di energia marina in energia elettrica, ed in particolare: il funzionamento delle turbine marine e la loro classificazione, il principio di funzionamento di un convertitore di energia ondosa ed in particolare del tipo a galleggiamento. La tesi discute le prospettive di sviluppo della tecnologia in oggetto e le possibili applicazioni future. Infine, è presente un’analisi dei principali benefici e svantaggi dell’energia marina come fonte per la produzione di energia elettrica.

Le direttrici progettuali delle filiere VVER e BN

In questo lavoro si proveranno a mettere a fuoco le caratteristiche e le peculiarità di 2 delle filiere di produzione russa di nuova generazione di maggior interesse attualmente utilizzate in patria e in vari stati europei negli impianti nucleari per la generazione elettrica, con particolare attenzione su cosa è stato fatto di diverso ed innovativo soprattutto in campo di sicurezza, sostenibilità ed economicità: il reattore ad acqua pressurizzata VVER e il reattore veloce BN.

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.

Analisi tecnico-economica di interventi di riqualificazione energetica in un plesso scolastico

Gli interventi di riqualificazione energetica di un edificio risultano necessari per rispondere alle leggi europee e nazionali che impongono misure sempre più stringenti per limitare le dispersioni termiche degli edifici e per ridurre i consumi energetici. L’utilizzo del software Edilclima ha permesso lo studio e l’analisi delle condizioni pre e post-interventi dell’edificio scolastico G. Marconi sito in Castelfranco Emilia (MO). Per mezzo del modello creato nel software, sono state determinate le dispersioni termiche dell’edificio, sulla base delle quali è stato possibile definire alcuni interventi di efficientamento energetico. Gli interventi considerati sono stati: isolamento delle pareti perimetrali verso l’esterno e verso il terreno, isolamento del sottotetto, sostituzione degli infissi. Gli interventi sono necessari per ottenere un edificio che presenti caratteristiche conformi alle leggi; hanno lo scopo di ridurre l’indice di Prestazione Energetica e i costi per il riscaldamento dell’edificio. Gli indici su cui si è valutata la convenienza degli interventi sono stati: il risparmio in termini di costo annuo per il riscaldamento e il tempo di ritorno dell’investimento (payback time). Sono stati presi in considerazione i casi di interventi singoli e di interventi combinati, il confronto tra essi, in questo caso, definisce gli interventi combinati come maggiormente convenienti rispetto ai parametri presi in considerazione per la valutazione della convenienza. Le valutazioni, inoltre, sono state effettuate in due diversi condizioni: impianto con accensione continua (sul modello delle valutazioni per la Certificazione Energetica) e impianto con accensione intermittente (sul modello delle valutazioni per la Diagnosi energetica). Le due condizioni di prova hanno messo in luce l’importanza della valutazione con impianto intermittente poiché questa rappresenta una condizione più realistica e fornisce una stima più attendibile della convenienza degli interventi.

Description of the ITER Tokamak Cooling Water System

In questa tesi ho inizialmente esposto cenni teorici sulle reazioni di fusione nucleare e le motivazioni che hanno spinto la comunità scientifica verso la ricerca di questa nuova fonte energetica. Ho descritto il progetto ITER nei suoi obiettivi e nei principi di funzionamento di un reattore di tipo Tokamak e di tutti i componenti principali dell'intero impianto. In primo piano, mi sono focalizzato sul sistema di raffreddamento primario ad acqua del Tokamak (TCWS), con una prima panoramica sui suoi sottosistemi descrivendo i loro obiettivi, quali asportazione di calore e sicurezza dell'impianto. Successivamente ho analizzato nello specifico i particolari tecnici dei principali sottosistemi quali i vari circuiti di asportazione primaria del calore (PHTS Loops) dei diversi componenti del Tokamak, il Vacuum Vessel, il First Wall Blanket, il Divertor e il Neutral Beam Injector; ho esaminato i processi di controllo della qualità e del volume del fluido refrigerante nei circuiti (CVCS); ed infine le funzioni e le caratteristiche dei sistemi di drenaggio e di riempimento dei circuiti con i propri serbatoi ordinari e di sicurezza, e del sistema di asciugatura del fluido refrigerante con le sue diverse modalità operative.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema micro-ORC

Con l’aumento del consumo mondiale di risorse energetiche del pianeta, è diventato sempre più necessario utilizzare sistemi energetici che sfruttino al meglio la fonte di energia che li alimenta. Una delle soluzioni in questo ambito è quella proposta dagli Organic Rankine Cycle (ORC). Questi sistemi recuperano energia termica altrimenti non utilizzabile per le temperature troppo basse e sfruttano sorgenti termiche con ampi range di temperatura. L’elaborato volge all’analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema Micro-ORC di piccola taglia, con rendimento termodinamico massimo dichiarato dal costruttore del 10 %. Inizialmente vengono descritti i fluidi organici e i sistemi che ne fanno uso, descrivendo anche esempi bibliografici di banchi prova per interpretare al meglio i risultati ottenuti con quello disponibile, che viene poi descritto, comprendendo i circuiti di asservimento dell’acqua calda e fredda, i punti di misura e il programma di acquisizione dati. Ci si concentra poi sulla descrizione e l’utilizzo dei codici implementati per l’elaborazione dei dati acquisiti. Questi hanno permesso di osservare gli andamenti temporali delle grandezze fondamentali per il sistema e valutarne la ripetibilità del comportamento nel corso di differenti prove. Vengono proposte infine le mappe di funzionamento per l’intero impianto e per i vari sotto-sistemi, offrendone un’interpretazione e inquadrandone i punti di lavoro ottimali. Attraverso la loro osservazione si sono dedotte le condizioni necessarie per avere un funzionamento ritenuto stabile del sistema ed è stato possibile ottimizzare le procedure svolte durante le fasi di test e di acquisizione dati. Sarà oggetto di studi futuri l’ottimizzazione dell’impianto, prolungando i tempi di esercizio a parità di carico elettrico e frequenza imposta alla pompa, con il fine di ottenere delle curve di prestazioni confrontabili con quelle presenti in bibliografia per altri sistemi ORC.

Produzione di diossido di carbonio ad uso alimentare

Nell'elaborato di tesi viene descritto il funzionamento di un impianto di quadri-generazione con la peculiarità del recupero di diossido di carbonio dai fumi di combustione utilizzato poi per l'imbottigliamento e la realizzazione di soft drink. Sono state valutate fonti alternative al gas naturale e una tecnica alternativa al recupero mediante solventi chimici.

Il trapianto di cuore: metodi e tecnologie per la conservazione ed il trasporto dell’ organo

Nel corso degli ultimi due decenni il trapianto di cuore si è evoluto come il gold standard per il trattamento dell’insufficienza cardiaca allo stadio terminale. Rimane un intervento estremamente complesso; infatti due sono gli aspetti fondamentali per la sua buona riuscita: la corretta conservazione e metodo di trasporto. Esistono due diversi metodi di conservazione e trasporto: il primo si basa sul tradizionale metodo di protezione miocardica e sul trasporto del cuore con utilizzo di contenitori frigoriferi, mentre il secondo, più innovativo, si basa sull’ utilizzo di Organ Care System Heart, un dispositivo appositamente progettato per contenere il cuore e mantenerlo in uno stato fisiologico normotermico attivo simulando le normali condizioni presenti all’interno del corpo umano. La nuova tecnologia di Organ Care System Heart permette un approccio completamente diverso rispetto ai metodi tradizionali, in quanto non solo conserva e trasporta il cuore, ma permette anche il continuo monitoraggio ex-vivo delle sue funzioni, dal momento in cui il cuore viene rimosso dal torace del donatore fino all’ impianto nel ricevente. Il motivo principale che spinge la ricerca ad investire molto per migliorare i metodi di protezione degli organi è legato alla possibilità di ridurre il rischio di ischemia fredda. Questo termine definisce la condizione per cui un organo rimane privo di apporto di sangue, il cui mancato afflusso causa danni via via sempre più gravi ed irreversibili con conseguente compromissione della funzionalità. Nel caso del cuore, il danno da ischemia fredda risulta significativamente ridotto grazie all’utilizzo di Organ Care System Heart con conseguenti benefici in termini di allungamento dei tempi di trasporto, ottimizzazione dell’organo e più in generale migliori risultati sui pazienti.

Dispositivi di recupero energetico: la valvola di regolazione GreenValve del Politecnico di Milano

Oggetto della trattazione è il recupero di energia da parte di una valvola idraulica durante il processo di regolazione del flusso di corrente in un impianto. Questa valvola di regolazione, detta GreenValve, è un brevetto del Politecnico di Milano, ad opera del Prof. Ing. Stefano Malavasi coadiuvato da un gruppo di ricercatori e tesisti, tra i quali spicca il nome di Cecilia Paris. Cecilia ha incentrato il proprio lavoro sull’analisi teorica e sperimentale della “Valvola Verde”, ed è dalla sua Tesi che il suddetto elaborato trae ispirazione.

Analisi di aspetti di Security da attacchi informatici su Impianti di Processo

Gli impianti industriali moderni sono di tipo automatizzato, i processi sono cioè pilotati da un’unità di calcolo che fornisce i comandi necessari atti al corretto funzionamento dell’impianto. Queste tecnologie espongono le apparecchiature a problemi di Security, dunque attacchi volontari provenienti dall’esterno, al sistema di controllo. Esso può diventare la variabile manipolabile del terrorista informatico il quale può causare lo shut down del segnale o cambiare l’impostazione dei parametri di processo.Lo studio esposto si propone di identificare le possibili modalità di attacco e di individuare uno strumento sistematico che permetta di valutarne la vulnerabilità ad un possibile atto di sabotaggio. La procedura proposta è la PSC-SHaRP (Process System Cyber-Security Hazard Review Procedure) essa consta di due strutture chiamate rispettivamente Alpha e Beta. La metodologia è volta a individuare i potenziali pericoli posti dagli attacchi informatici piuttosto che a stimarne un profilo di rischio e/o probabilità di successo. La ShaRP Alpha, viene utilizzata per analizzare le conseguenze di deviazioni cyber su singole macchine presenti in impianto o sistemi modulari. La ShaRP Beta viene utilizzata per analizzare le conseguenze di attacchi cyber sul sistema costituito dall’impianto di processo. Essa è quindi in grado di analizzare le ripercussioni che manipolazioni su una o più apparecchiature possono avere sull’impianto nel suo complesso. Nell’ultima parte dell’elaborato sono state trattate le possibilità di accesso da parte del ‘’terrorista’’ al sistema di controllo e sicurezza, dunque i sistemi di gestione del DCS e del SIS e le barriere software e hardware che possono essere presenti.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

In silico methods to evaluate Fracture Risk and Bone Mineral Density changes in patients undergoing Total Hip Replacement

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

Integrazione delle infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici nelle reti di distribuzione dell'energia elettrica

La tesi tratta le tecniche Vehicle-to-Grid (V2G) per l'interfacciamento deli sistemi di ricarica dei veicoli elettrici alla rete. Si analizzano le problematiche che una connessione non controllata può causare e come si può risolvere questo problema. Segue un'analisi dei servizi ausiliari che il sistema V2G è in grado di fornire alla rete di distribuzione e la presentazione di una strategia di regolazione della tensione e della frequenza (SFVR). Infine viene mostrata l'applicazione del sistema V2G che si può ottenere integrando la struttura di ricarica di un veicolo elettrico all'impianto elettrico domestico.

Analisi energetica di un edificio residenziale

Quadro legislativo europeo e nazionale e nuovi decreti della regione Emilia Romagna riguardanti le misure per il contenimento dei consumi energetici nell'edilizia. Analisi energetica di un edificio residenziale. Studio di alcuni interventi proposti al fine di incrementare le prestazioni energetiche dell'edificio, diminuendone le dispersioni verso l'ambiente esterno e/o migliorando il rendimento dell'impianto. Tali interventi sono volti alla riduzione dei consumi, sia economici sia di combustibile fossile, e al miglioramento delle condizioni di benessere termoigrometrico. Successiva analisi economica degli interventi, utilizzando come indici il VAN e il PBT e tenendo conto dell'Ecobonus. Relazione tra gli investimenti iniziali di cui necessitano tali interventi e la riduzione dell'indice di prestazione energetica ottenuta. Relazione tra gli investimenti iniziali necessari e i relativi valori di risparmio annuo monetario che si ottiene in seguito alla diminuzione di energia primaria e quindi di combustibile utilizzato per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Confronto fra i vari interventi al fine di valutarne la convenienza.