Analisi delle problematiche ambientali dello stabilimento siderurgico ILVA e parziale valutazione dell’impatto delle sue emissioni in atmosfera attraverso il modello CALPUFF

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di un modello di stima delle emissioni per la previsione della contaminazione ambientale in aria. Il lavoro è stato svolto all’interno del DICAM dell’Università di Bologna attraverso il supporto del relatore Giacomo Antonioni e dei correlatori Ada Saracino e Gigliola Spadoni. L’applicazione modellistica, attraverso l’uso del software CALPUFF, ha trattato le emissioni del camino E312 della sezione Agglomerazione dello stabilimento siderurgico ILVA di Taranto nell’anno 2015. Gli inquinanti simulati sono quelli per i quali lo SME fornisce il flusso di massa: SO2, NOx, PM. Le polveri sono state considerate completamente costituite da polveri PM10 e per esse si è calcolata la concentrazione al suolo e la deposizione. A partire dai risultati per le polveri, ipotizzando che siano in parte veicolati da esse, sono state valutate anche le concentrazioni e le deposizioni di Diossine. Della configurazione modellistica “ottimale” sono stati presentati: ▪ Per i macroinquinanti le medie annue di concentrazione al suolo, e quindi, la dispersione degli inquinanti. ▪ Per i microinquinanti i valori massimi di concentrazione annua e di deposizione ottenuti nell’area di studio. Nel caso in esame, lo studio è stato riferito alla rete deposimetrica di gestione ILVA (per mancanza di dati deposimetrici della rete di gestione ARPA). In particolare è stato preso in considerazione il deposimetro del quartiere Tamburi a fronte delle criticità rilevate nei mesi di Novembre 2014 e Febbraio 2015, tale per cui, visti gli elevatissimi valori di deposizione, vista la notevole importanza che i dati deposimetrici hanno rispetto al rischio sanitario per ingestione, è stata aperta un’indagine della procura che ha affidato l’analisi a ARPA PUGLIA congiunta con l’ISPRA (che ne ha mandato ministeriale) e la Regione Puglia. A fronte di tali episodi, il seguente studio ha voluto fornire un resoconto deposimetrico per l’anno 2015.

Evaluation of isoprene degradation in the detailed tropospheric chemical mechanism, MCM v3, using environmental chamber data

The isoprene degradation mechanism included in version 3 of the Master Chemical Mechanism (MCM v3) has been evaluated and refined, using the Statewide Air Pollution Research Center (SAPRC) environmental chamber datasets on the photo-oxidation of isoprene and its degradation products, methacrolein (MACR) and methylvinyl ketone (MVK). Prior to this, the MCM v3 butane degradation chemistry was also evaluated using chamber data on the photo-oxidation of butane, and its degradation products, methylethyl ketone (MEK), acetaldehyde (CH3CHO) and formaldehyde (HCHO), in conjunction with an initial evaluation of the chamber-dependent auxiliary mechanisms for the series of relevant chambers. The MCM v3 mechanisms for both isoprene and butane generally performed well and were found to provide an acceptable reaction framework for describing the NOx-photo-oxidation experiments on the above systems, although a number of parameter modifications and refinements were identified which resulted in an improved performance. All these relate to the magnitude of sources of free radicals from organic chemical process, such as carbonyl photolysis rates and the yields of radicals from the reactions of O3 with unsaturated oxygenates, and specific recommendations are made for refinements. In addition to this, it was necessary to include a representation of the reactions of O(3P) with isoprene, MACR and MVK (which were not previously treated in MCM v3), and conclusions are drawn concerning the required extent of free radical formation from these reactions. Throughout the study, the performance of MCM v3 was also compared with that of the SAPRC-99 mechanism, which was developed and optimized in conjunction with the chamber datasets.

Evaluation of alkene degradation in the detailed tropospheric chemistry mechanism, MCM v3, using environmental chamber data

The representation of alkene degradation in version 3 of the Master Chemical Mechanism (MCM v3) has been evaluated, using environmental chamber data on the photo-oxidation of ethene, propene, 1-butene and 1-hexene in the presence of NOx, from up to five chambers at the Statewide Air Pollution Research Center (SAPRC) at the University of California. As part of this evaluation, it was necessary to include a representation of the reactions of the alkenes with O(3P), which are significant under chamber conditions but generally insignificant under atmospheric conditions. The simulations for the ethene and propene systems, in particular, were found to be sensitive to the branching ratios assigned to molecular and free radical forming pathways of the O(3P) reactions, with the extent of radical formation required for proper fitting of the model to the chamber data being substantially lower than the reported consensus. With this constraint, the MCM v3 mechanisms for ethene and propene generally performed well. The sensitivity of the simulations to the parameters applied to a series of other radical sources and sink reactions (radical formation from the alkene ozonolysis reactions and product carbonyl photolysis; radical removal from the reaction of OH with NO2 and β-hydroxynitrate formation) were also considered, and the implications of these results are discussed. Evaluation of the MCM v3 1-butene and 1-hexene degradation mechanisms, using a more limited dataset from only one chamber, was found to be inconclusive. The results of sensitivity studies demonstrate that it is impossible to reconcile the simulated and observed formation of ozone in these systems for ranges of parameter values which can currently be justified on the basis of the literature. As a result of this work, gaps and uncertainties in the kinetic, mechanistic and chamber database are identified and discussed, in relation to both tropospheric chemistry and chemistry important under chamber conditions which may compromise the evaluation procedure, and recommendations are made for future experimental studies. Throughout the study, the performance of the MCM v3 chemistry was also simultaneously compared with that of the corresponding chemistry in the SAPRC-99 mechanism, which was developed and optimized in conjunction with the chamber datasets.

Chronic intermittent hypoxia increases rat sternohyoid muscle NADPH oxidase expression with attendant modest oxidative stress

Chronic intermittent hypoxia (CIH) causes upper airway muscle dysfunction. We hypothesized that the superoxide generating NADPH oxidase (NOX) is upregulated in CIH-exposed muscle causing oxidative stress. Adult male Wistar rats were exposed to intermittent hypoxia (5% O2 at the nadir for 90 s followed by 210 s of normoxia), for 8 h per day for 14 days. The effect of CIH exposure on the expression of NOX subunits, total myosin and 4-hydroxynonenal (4-HNE) protein adducts in sternohyoid muscle was determined by western blotting and densitometry. Sternohyoid protein free thiol and carbonyl group contents were determined by 1D electrophoresis using specific fluorophore probes. Aconitase and glutathione reductase activities were measured as indices of oxidative stress. HIF-1α content and key oxidative and glycolytic enzyme activities were determined. Contractile properties of sternohyoid muscle were determined ex vivo in the absence and presence of apocynin (putative NOX inhibitor). We observed an increase in NOX 2 and p47 phox expression in CIH-exposed sternohyoid muscle with decreased aconitase and glutathione reductase activities. There was no evidence, however, of increased lipid peroxidation or protein oxidation in CIH-exposed muscle. CIH exposure did not affect sternohyoid HIF-1α content or aldolase, lactate dehydrogenase, or glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase activities. Citrate synthase activity was also unaffected by CIH exposure. Apocynin significantly increased sternohyoid force and power. We conclude that CIH exposure upregulates NOX expression in rat sternohyoid muscle with concomitant modest oxidative stress but it does not result in a HIF-1α-dependent increase in glycolytic enzyme activity. Constitutive NOX activity decreases sternohyoid force and power. Our results implicate NOX-dependent reactive oxygen species in CIH-induced upper airway muscle dysfunction which likely relates to redox modulation of key regulatory proteins in excitation-contraction coupling.

The magnitude of the snow-sourced reactive nitrogen flux to the boundary layer in the Uintah Basin, Utah, USA

Reactive nitrogen (Nr=NO, NO2, HONO) and volatile organic carbon emissions from oil and gas extraction activities play a major role in wintertime ground-level ozone exceedance events of up to 140 ppb in the Uintah Basin in eastern Utah. Such events occur only when the ground is snow covered, due to the impacts of snow on the stability and depth of the boundary layer and ultraviolet actinic flux at the surface. Recycling of reactive nitrogen from the photolysis of snow nitrate has been observed in polar and mid-latitude snow, but snow-sourced reactive nitrogen fluxes in mid-latitude regions have not yet been quantified in the field. Here we present vertical profiles of snow nitrate concentration and nitrogen isotopes (δ15N) collected during the Uintah Basin Winter Ozone Study 2014 (UBWOS 2014), along with observations of insoluble light-absorbing impurities, radiation equivalent mean ice grain radii, and snow density that determine snow optical properties. We use the snow optical properties and nitrate concentrations to calculate ultraviolet actinic flux in snow and the production of Nr from the photolysis of snow nitrate. The observed δ15N(NO3-) is used to constrain modeled fractional loss of snow nitrate in a snow chemistry column model, and thus the source of Nr to the overlying boundary layer. Snow-surface δ15N(NO3-) measurements range from -5‰ to 10‰ and suggest that the local nitrate burden in the Uintah Basin is dominated by primary emissions from anthropogenic sources, except during fresh snowfall events, where remote NOx sources from beyond the basin are dominant. Modeled daily-averaged snow-sourced Nr fluxes range from 5.6-71x107 molec cm-2 s-1 over the course of the field campaign, with a maximum noon-time value of 3.1x109 molec cm-2 s-1. The top-down emission estimate of primary, anthropogenic NOx in the Uintah and Duchesne counties is at least 300 times higher than the estimated snow NOx emissions presented in this study. Our results suggest that snow-sourced reactive nitrogen fluxes are minor contributors to the Nr boundary layer budget in the highly-polluted Uintah Basin boundary layer during winter 2014.

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.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Development of a Predictive Control Function for a Plug-in Hybrid Electric Vehicle with Electrically-heated Catalyst

This master thesis work is focused on the development of a predictive EHC control function for a diesel plug-in hybrid electric vehicle equipped with a EURO 7 compliant exhaust aftertreatment system (EATS), with the purpose of showing the advantages provided by the implementation of a predictive control strategy with respect to a rule-based one. A preliminary step will be the definition of an accurate powertrain and EATS physical model, starting from already existing and validated applications. Then, a rule-based control strategy managing the torque split between the electric motor (EM) and the internal combustion engine (ICE) will be developed and calibrated, with the main target of limiting tailpipe NOx emission by taking into account EM and ICE operating conditions together with EATS conversion efficiency. The information available from vehicle connectivity will be used to reconstruct the future driving scenario, also referred to as electronic horizon (eHorizon), and in particular to predict ICE first start. Based on this knowledge, an EATS pre-heating phase can be planned to avoid low pollutant conversion efficiencies, thus preventing high NOx emission due to engine cold start. Consequently, the final NOx emission over the complete driving cycle will be strongly reduced, allowing to comply with the limits potentially set by the incoming EURO 7 regulation. Moreover, given the same NOx emission target, the gain achieved thanks to the implementation of an EHC predictive control function will allow to consider a simplified EATS layout, thus reducing the related manufacturing cost. The promising results achieved in terms of NOx emission reduction show the effectiveness of the application of a predictive control strategy focused on EATS thermal management and highlight the potential of a complete integration and parallel development of involved vehicle physical systems, control software and connectivity data management.

Two stroke cycle, novel combustion concepts and electrification for a new generation of internal combustion engines

The pursuit of decarbonization and increased efficiency in internal combustion engines (ICE) is crucial for reducing pollution in the mobility sector. While electrification is a long-term goal, ICE still has a role to play if coupled with innovative technologies. This research project explores various solutions to enhance ICE efficiency and reduce emissions, including Low Temperature Combustion (LTC), Dual fuel combustion with diesel and natural gas, and hydrogen integration. LTC methods like Dual fuel and Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) show promise in lowering emissions such as NOx, soot, and CO2. Dual fuel Diesel-Natural Gas with hydrogen addition demonstrates improved efficiency, especially at low loads. RCCI Diesel-Gasoline engines offer increased Brake Thermal Efficiency (BTE) compared to standard diesel engines while reducing specific NOx emissions. The study compares 2-Stroke and 4-Stroke engine layouts, optimizing scavenging systems for both aircraft and vehicle applications. CFD analysis enhances specific power output while addressing injection challenges to prevent exhaust short circuits. Additionally, piston bowl shape optimization in Diesel engines running on Dual fuel (Diesel-Biogas) aims to reduce NOx emissions and enhance thermal efficiency. Unconventional 2-Stroke architectures, such as reverse loop scavenged with valves for high-performance cars, opposed piston engines for electricity generation, and small loop scavenged engines for scooters, are also explored. These innovations, alongside ultra-lean hydrogen combustion, offer diverse pathways toward achieving climate neutrality in the transport sector.

Controllo della combustione nei motori alimentati a idrogeno

L’idrogeno utilizzato nei motori a combustione interna potrebbe rappresentare il ponte in grado di fornire tempo e spazio per la completa transizione all’elettrico. L’idrogeno ha tutte le carte in regola per assumere un ruolo di primaria importanza nel contesto odierno: infatti, miscelandosi con l’aria e affrontando la combustione, elimina tutte le emissioni di CO, CO2 e HC, lasciando solo le emissioni di NOx. In più permetterebbe di utilizzare una tecnologia già conosciuta e studiata, cioè il motore a combustione interna. In questo elaborato sono trattate le caratteristiche dell’idrogeno come combustibile e confrontate le due possibili configurazioni per un motore a idrogeno con accensione comandata (DI e PFI), arrivando così ad affrontare l’aspetto principale dell’elaborato, cioè il controllo della combustione in questo tipo di motore.

Caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma freddo per trattamento di packaging alimentare

I plasmi freddi a pressione atmosferica (CAP) generati da scariche a barriera dielettrica (DBD) sono oggetto di studio e sviluppo per una gamma sempre più ampia di applicazioni in ambito biomedico e industriale come la sanificazione di alimenti e di packaging termosensibili. La sorgente sviluppata in questo progetto di tesi viene definita PASS, Plasma Assisted Sanification System essa è composto da una sorgente di plasma sDBD (surface dielectric barrier discharge), una camera di trattamento, un sistema di raffreddamento e un generatore di alta tensione. Questo progetto si concentra sulla caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma sDBD sviluppata dal gruppo di ricerca in Applicazioni Industriali dei Plasmi (AIP - DIN - Alma Mater Studiorum). In primo luogo è stata svolta una caratterizzazione elettrica della sorgente variando la potenza agendo direttamente sul duty cycle da 100% a 10% tramite due metodi: un metodo convenzionale e con il metodo di Lissajous inserendo una capacità monitor C0 pari a 90,95 nF . Successivamente è stata studiata la cinetica delle concentrazioni di O3 e NO2 in fase gas mediante misure OAS. È stata inoltre monitorata la temperatura all’interno della camera di trattamento per verificare l’ipotesi di assenza di effetti termici durante il trattamento. Un’altra importante applicazione della sorgente di plasma utilizzata in questo è la produzione di acqua attivata al plasma (Plasma Activated Water, PAW). Le specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS) e dell’azoto (Reactive Nitrogen Species, RNS), vengono assorbite dal liquido dando origine a ulteriori reazioni chimiche come NO3-, NO2-, H2O2. I RONS influenzano e controllano molti processi nelle piante e sono responsabili del miglioramento della crescita delle piante. Per ogni campione di acqua attivata (PAW) sono stati misurati pH, conducibilità confrontati con la soluzione non trattata e concentrazione di specie reattive quali: H2O2, NO2- e NO3- .