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.

Schedulazione delle rotte marittime nel settore ortofrutticolo. Modelli e Metodi

Il trasporto marittimo è una delle modalità più utilizzate soprattutto per la movimentazione di grandi volumi di prodotti tra i continenti in quanto è a basso costo, sicuro e meno inquinante rispetto ad altri mezzi di movimentazione. Ai giorni nostri è responsabile di circa l’80% del commercio globale (in volume di carichi trasportati). Il settore del trasporto marittimo ha avuto una lunga tradizione di pianificazione manuale effettuata da progettisti esperti.
 L’obiettivo principale di questa trattazione è stato quello di implementare un modello matematico lineare (MILP, Mixed-Integer Linear Programming Model) per l’ottimizzazione delle rotte marittime nell’ambito del mercato orto-frutticolo che si sviluppa nel bacino del Mediterraneo (problema di Ship-Scheduling). Il modello fornito in questa trattazione è un valido strumento di supporto alle decisioni che può utilizzare uno spedizioniere nell’ambito della pianificazione delle rotte marittime della flotta di navi in suo possesso. Consente di determinare l’insieme delle rotte ottimali che devono essere svolte da un insieme di vettori al fine di massimizzare il profitto complessivo dello spedizioniere, generato nell’arco di tempo considerato. Inoltre, permette di ottenere, per ogni nave considerata, la ripartizione ottimale della merce (carico ottimale).

Modellistica e controllo di attuatori idraulici

La tesi tratta della modellistica e del controllo di un attuatore idraulico con valvola a quattro vie. Inizialmente si definiscono le grandezze e le formule fondamentali per descrivere un sistema idraulico e costruirne il modello matematico. Successivamente si ricava il modello non lineare del sistema nello spazio degli stati, quindi lo si linearizza per poterlo descrivere e studiare anche tramite funzioni di trasferimento. Si ricava quindi, utilizzando anche Matlab e Simulink, il controllo da applicare al modello linearizzato e si testa il comportamento del sistema in risposta a diversi segnali di ingresso. Infine si applica lo stesso controllore al sistema non lineare e si confrontano i due diversi comportamenti.

Soluzioni per il controllo delle testine di lettura/scrittura in hard disk drive magnetici

Questa tesi descrive alcune tecniche realizzative e algoritmi di controllo per il posizionamento delle testine di lettura/scrittura in hard disk drive magnetici. Viene presentata l'attuazione a due stadi delle testine per incrementare la banda frequenziale del sistema, in cui un motore VCM funge da primo stadio e come secondo stadio si utilizza un microattuatore, di tipo piezoelettrico o elettromagnetico o elettrotermico. Il posizionamento della testina sulle tracce magnetiche dei dischi contenenti i dati si divide in due fasi: track-seeking e track-following, che presentano diversi requisiti di velocità e precisione, per questo motivo si descrive il metodo dello switching control. Successivamente viene formulato un modello matematico nello spazio degli stati degli stati dell'attuatori a due stadi e il relativo controllo in retroazione, basato su osservatore dello stato. Inoltre per il track-seeking si propone il controllo a due gradi di libertà e per il track-following il metodo del disaccoppiamento della sensitività. Infine si riportano due novità tecnologiche per gli hard disk magnetici: l'attuazione a tre stadi, che sfrutta un secondo microattuatore, di tipo termico, e gli hard disk riempiti d'elio ed ermeticamente sigillati, che semplificano il controllo grazie alla minore turbolenza del gas e al suo minor peso.

Ottimizzazione del sistema di trattamento fumi a doppio stadio del termovalorizzatore HERA di Coriano (RN)

Lo studio svolto si propone di stabilire quali sono le condizioni di gestione ottimale del sistema di depurazione dei fumi dell’impianto di termovalorizzazione di Rimini, situato nel comune di Coriano e gestito da Herambiente, una società nata nel 2009 nell'ambito del Gruppo Hera, una delle più importanti multiutility italiane che opera nei servizi dell’ambiente, dell’acqua e dell’energia. Il sistema di depurazione dell’impianto è composto da un doppio stadio di abbattimento a secco in cui si dosa calce (Ca(OH)2), al primo stadio, e bicarbonato di sodio (NaHCO3), al secondo. Rispetto alla calce, il bicarbonato garantisce una migliore efficienza di abbattimento dei gas acidi (HCl, SO2, HF), ma ha un prezzo d’acquisto maggiore. Da tale considerazione ha origine il problema di ottimizzazione economica: è necessario individuare una soluzione che consenta di ridurre il consumo e la spesa dei reagenti utilizzati senza alterare le emissioni di inquinanti a camino. I costi operativi legati alla gestione del sistema di depurazione, inoltre, devono tenere in considerazione anche la produzione dei residui solidi generati nei due stadi di abbattimento. Il calcolo di ottimizzazione è stato eseguito utilizzando un modello matematico in grado di prevedere il comportamento dei sistemi reagenti nei due stadi di abbattimento tramite la conoscenza di un parametro empirico. Dopo aver calibrato il modello con i dati di funzionamento dell’impianto, è possibile procedere alla sua implementazione al fine di valutare, in diversi periodi dell’anno 2015, come variano i costi operativi totali in funzione della conversione di HCl (gas acido più critico) al primo stadio di abbattimento e individuare quindi la migliore condizione economico-operativa per ciascun periodo considerato.

Analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM

Le fonti di energia rinnovabili rappresentano una forma di energia indispensabile al sostentamento dell’attuale sistema produttivo mondiale. L’energia eolica e fotovoltaica ricoprono un ruolo fondamentale nel panorama rinnovabile, e portano con se l’inevitabile svantaggio derivato dall’impossibilita di controllare la fonte primaria di energia. I sistemi di accumulo ed immagazzinamento di energia assumeranno un ruolo strategico nel prossimo scenario energetico, in particolare nell’elaborato viene posta l’attenzione sui sistemi Power-to-Gas. La tecnologia Power-to-Gas consente di produrre gas ad alta potenza specifica (idrogeno o metano sintetico), usando elettricità proveniente da fonti rinnovabili. L’elettrolisi è il metodo più efficiente per convertire energia elettrica in idrogeno. Tra le varie tecnologie, gli elettrolizzatori di tipologia PEM (Proton Exchange Membrane), sono considerati i più adatti all’accoppiamento con fonti di energia rinnovabile, per via della loro risposta alle variazioni di carico e dell’ampio campo di funzionamento. Il lavoro di tesi si concentra sull’analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM, ed in particolare sull’elettrolizzatore inserito all’interno del “Laboratorio di Microreti di Generazione ed Accumulo” del Tecnopolo di Ravenna. Il laboratorio ha lo scopo di studiare e testare sistemi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile e per l’accumulo. L’impianto è costituito principalmente da due pannelli fotovoltaici con il compito di produrre energia, due batterie per accumulare l’energia prodotta dai pannelli, un elettrolizzatore e tre bombole a idruri metallici per lo stoccaggio di idrogeno. Dai dati sperimentali ottenuti dalle prove in laboratorio si è ricavato un modello matematico black-box dell’elettrolizzatore. Il modello gestisce le equazioni della curva caratteristica (P;η). In seguito il modello ottenuto è stato confrontato con un caso analogo presente in letteratura.

Analisi Pressure Driven di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo

La metodologia convenzionalmente adottata per l’analisi e progettazione di reti acquedottistiche è la Demand Driven (DD), ovvero un’analisi guidata dalla domanda idrica dell’utenza che viene imposta, dal punto di vista matematico, nelle equazioni del modello idraulico; la struttura di risoluzione matematica di tale approccio è costituita dalle sole equazioni di continuità e del moto, le cui incognite sono i carichi idraulici da garantire per soddisfare la richiesta idrica (dato noto). Purtroppo la DD non è in grado di simulare, in modo ottimale, scenari in cui le pressioni in rete risultano essere inferiori rispetto a quelle richieste per un servizio di erogazione corretto. Dunque, per una completa analisi di una rete di distribuzione idrica, è utile adottare la metodologia Pressure Driven (PD), che si basa sullo stesso modello matematico utilizzato per l’analisi DD al quale viene aggiunta un’equazione che lega la portata erogata alle utenze e la perdita idrica al carico idraulico disponibile in corrispondenza dei nodi. In questo caso un ulteriore dato incognito, oltre al carico idraulico nei nodi ed alla portata nelle condotte della rete, risulta essere la portata effettivamente prelevata ai nodi oppure persa (leakage) dalla rete. Il presente lavoro di tesi ha portato alla calibrazione del modello di un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Rapallo. Le simulazioni sono state eseguite attraverso il codice InfoWorks applicando sia la Demand Driven Analysis che risulta funzionale per l’ottenimento del modello calibrato, sia la Pressure Driven Analysis che non agisce sul bilancio complessivo della rete, ma interviene localmente nelle zone in cui le problematiche di funzionamento riscontrate riguardano le pressioni

Stima dell'impatto ambientale delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione

Nel nuovo secolo l’uomo sta cercando di affrontare le problematiche del cambiamento climatico, che purtroppo sta già provocando fenomeni di frequenza ed intensità mai visti. Fra i diversi metodi per provare a mitigare le emissioni di gas serra vi è quello di sfruttare il settore delle Informations and Communications Technologies (ICT). Complessivamente si stima che le ICT consumino l’8-10% di elettricità in Europa e che siano responsabili del 4% delle emissioni di carbonio del continente. Questo lavoro analizza la letteratura scientifica che si è occupata degli studi relativi ai consumi ed alle emissioni legate alle ICT. L’analisi dell’impatto ambientale viene svolta tramite il metodo Life Cycle Assessment (LCA). Nella prima parte di questa tesi si analizzano le impronte di carbonio di diversi prodotti o servizi degni di nota fino ad arrivare in generale a tutto il settore delle ICT. Nella seconda, si valutano gli impatti ambientali di sistemi implementati con le ICT comparati con altri considerati tradizionali. In questo studio, vengono analizzati i benefici e le criticità del metodo di valutazione LCA usato per studiare le ICT. Gli studi con questa tecnica sono basati sempre e solo su un modello matematico, per cui dipendono dalle ipotesi dello studio e sono associati ad una sostanziale incertezza che va considerata nell’analisi finale. Per questo motivo, applicando questo metodo al singolo prodotto, i risultati possono essere utili per fornire una base di dati per futuri studi, considerando, tuttavia, che non si può definire in maniera rigida l’impatto per ogni prodotto. Piuttosto, l’LCA è risultata più efficace per fare una comparazione tra scenari ICT e non ICT per valutare come si possa usare la tecnologia per mitigare l’impatto ambientale. Le ICT sono il presente ed il futuro della società ed è proprio per questo che è necessario monitorarle e svilupparle consapevolmente, perché per quanto l’impatto ambientale di esse possa sembrare basso, non è mai nullo.

Modelli PLI per la pianificazione di attività di satelliti

Questo lavoro è incentrato sulla pianificazione delle acquizioni e scaricamento del satellite PLATiNO. Le operazioni permesse a questo satellite sono vincolate da varie attività tra cui acquisizioni, manovre e scaricamento di dati. L'obiettivo finale è quello di soddisfare più richieste possibili massimizzando le operazioni del satellite senza però violare i vincoli imposti. A questo scopo, è stato sviluppato un modello in formulazione MILP per una versione rilassata del problema. In questa Tesi vengono innanzitutto trattati i principali argomenti di programmazione lineare e intera in modo da poter affrontare il modello matematico inerente al problema di downlink di PLATiNO. Successivamente viene descritto nel dettaglio il problema da modellizzare, con particolare attenzione alla strategia di downlink, che costituisce l'aspetto più problematico nella costruzione del modello. Si opta, infatti, per una formulazione mista rilassando i vincoli inerenti allo scaricamento dei dati. Infine, vengono valutate le prestazioni del modello rilassato confrontandolo con la sua versione esatta.

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

REVERSAL LEARNING Il ruolo della dopamina nei meccanismi dell’apprendimento.

Il reversal learning (o apprendimento inverso) è la capacità di un soggetto di invertire una regola precedentemente appresa per adattarsi a un cambiamento avvenuto nell’ambiente esterno. Nel primo capitolo vengono esposte alcune strutture anatomiche generalmente coinvolte nell’apprendimento e negli aspetti motorio, cognitivo e decisionale dell’essere umano, quali i gangli della base. Poiché alcune zone dei gangli della base sono costituite da neuroni dopaminergici, viene introdotta l’importanza della dopamina per l’apprendimento e viene spiegato il suo ruolo all’interno del modello neuro computazionale tradizionale dei gangli della base. Dopo aver illustrato in cosa consiste l’apprendimento classico, in cosa consiste l’apprendimento operante e il ruolo della ricompensa in seguito al conseguimento di un’azione, viene approfondito il concetto di apprendimento per rinforzo, di punizione e di errori di previsione. La comprensione di queste forme di apprendimento dovuto a stimolo-azione-ricompensa/punizione e di cosa si intende per errori di previsione risulta fondamentale per capire l’apprendimento inverso; infatti, quest’ultimo viene presentato al lettore solamente nel secondo capitolo. Successivamente alla sua introduzione, vengono esposti/e alcuni disturbi/patologie con lo scopo di evidenziare il motivo per cui l’abilità di inversione risulti invalidata nei soggetti che ne sono affetti. Ciò permette di delineare un quadro generale sull’apprendimento inverso e su come esso risulti corretto o compromesso in un soggetto in base alla sua condizione di salute. Infine, nel terzo capitolo viene illustrato un recentissimo modello matematico volto a descriverlo in maniera più dettagliata.

Algoritmi di ottimizzazione per la pianificazione delle attività di un satellite

L'obiettivo principale di molti problemi industriali è tipicamente massimizzare i profitti o minimizzare costi o tempi di produzione. Questi problemi sono detti "di ottimizzazione" poiché bisogna ottimizzare determinati processi o attività attraverso decisioni che portino alla soluzione ottima del problema. Il giusto utilizzo di modelli matematici può condurre, tramite l'utilizzo di algoritmi esatti, alla soluzione ottima di un problema di questo tipo. Queste tecniche sono spesso basate su l'enumerazione completa di tutte le possibili soluzioni e ciò potrebbe pertanto richiedere una quantità di calcoli talmente elevata da renderle di fatto inutilizzabili. Per risolvere problemi di grandi dimensioni vengono quindi utilizzati i cosiddetti algoritmi euristici, i quali non assicurano di trovare la soluzione ottima del problema, ma promettono di trovarne una di buona qualità. In questa tesi vengono analizzati, sviluppati e confrontati entrambi gli approcci, attraverso l'analisi di un problema reale che richiede la pianificazione delle attività di un satellite.

Ottimizzazione dell’ubicazione di hub logistici distributivi ed analisi sulla sostenibilità ambientale: il caso FAAC Technologies

Il presente lavoro di tesi si occupa di identificare le possibili ubicazioni di hub logistici distributivi del gruppo aziendale FAAC Technologies e di valutare le alternative da un duplice punto di vista: economico e sostenibile. Per raggiungere il suddetto risultato è stata dapprima studiata l’attuale configurazione logistica nel centro Europa. Unendo le caratteristiche dell’azienda con le ricerche presenti in letteratura scientifica riguardo la risoluzione di Hub Location Problem, è stato implementato un modello matematico che ottimizzi economicamente il posizionamento degli stabilimenti secondo diversi scenari organizzativi. Una seconda versione del modello valuta il rispetto dei tempi di transito da parte delle soluzioni ottenute. Infine, gli stessi scenari sono stati comparati tra loro in base all’impatto ambientale in termini di CO2 emessa nell’atmosfera per via del trasporto. Sono state studiate strategie riguardanti la logistica distributiva sostenibile e sono state proposte soluzioni in grado di mitigare gli effetti dovuti all’immissione di anidride carbonica. Gli strumenti digitali utilizzati nella presente ricerca sono stati: Excel per visualizzare ed elaborare i dati aziendali; Flourish per visualizzare i dati in mappe geografiche; MATLAB per trasformare le tariffe di trasporto in equazioni matematiche; Gurobi Optimizer per ottenere le soluzioni date dall’ottimizzazione del modello matematico, programmando attraverso il linguaggio AMPL. I risultati più significativi dimostrano la possibilità di raggiungere un risparmio economico del 16,7% dei costi logistici nel caso di ubicazione di un solo hub e del 9,8% nel caso di due hub. Dal punto di vista ambientale le medesime soluzioni comportano un aumento delle emissioni di CO2 rispettivamente del 45% e 8%. L’azzeramento di queste emissioni aggiuntive è possibile e a tal fine sarebbe necessario sostenere extra costi, i quali farebbero convergere entrambe gli scenari ad un risparmio comune pari all’8,2%.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Stochastic physics and representation of El Niño Southern Oscillation in climate models

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) è il maggiore fenomeno climatico che avviene a livello dell’Oceano Pacifico tropicale e che ha influenze ambientali, climatiche e socioeconomiche a larga scala. In questa tesi si ripercorrono i passi principali che sono stati fatti per tentare di comprendere un fenomeno così complesso. Per prima cosa, si sono studiati i meccanismi che ne governano la dinamica, fino alla formulazione del modello matematico chiamato Delayed Oscillator (DO) model, proposto da Suarez e Schopf nel 1988. In seguito, per tenere conto della natura caotica del sistema studiato, si è introdotto nel modello lo schema chiamato Stochastically Perturbed Parameterisation Tendencies (SPPT). Infine, si sono portati due esempi di soluzione numerica del DO, sia con che senza l’introduzione della correzione apportata dallo schema SPPT, e si è visto in che misura SPPT porta reali miglioramenti al modello studiato.