i sistemi di gestione dell’energia e la previsione dei consumi in ambito industriale ai sensi della norma uni cei en iso 50001

La Tesi nasce a seguito della richiesta da parte di un’Azienda Socia del Consorzio Esperienza Energia di un servizio di supporto per l’ottimizzazione del proprio Sistema di Gestione dell’Energia (SGE/EnMS) ed in particolare per l’implementazione di metodologie di budgeting più efficienti rispetto a quelle attualmente utilizzate. Questo lavoro di Tesi si è sviluppato in due parti: Nella prima parte viene descritto, a livello generale, che cosa si intende per Sistema di Gestione dell’Energia o Energy Management System e quali sono i vantaggi nell’implementazione di tale sistema in una realtà industriale. Successivamente, viene presentata la norma “UNI CEI EN ISO 50001: Sistemi di Gestione dell’Energia – Requisiti e linee guida per l’uso” attraverso una breve introduzione su quelli che sono i requisiti e gli obiettivi descritti nella norma. Nella seconda parte viene descritta l’implementazione pratica di un SGE presso un’Azienda Socia di CEE, partendo dalla raccolta sia dei dati di consumo a livello globale (LIVELLO A) che a livello di Edificio (LIVELLO B), sia dall'individuazione dei principali Energy Drivers (parametri) che veicolano i consumi. Attraverso questi dati è stato creato un Modello di calcolo per la definizione dei consumi di Riferimento (Energy Baseline); tale Baseline traccia i dati di prestazione energetica da cui si parte per andare a costruire per l’azienda i principali Indicatori Energetici (EnPI, Energy Performance Indicators). Il modello energetico così costruito è stato quindi tarato sui consumi energetici misurati al fine di fornire all'Azienda un algoritmo di stima dei propri consumi energetici futuri, sia mensili che annuali. Il processo di taratura ha dimostrato come il modello energetico dell’azienda che è stato costruito in questa Tesi sia da ritenersi uno strumento affidabile per la previsione dei consumi energetici futuri ipotizzando un certo livello di produzione industriale nel corso dell’anno oggetto di simulazione.

Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.

Analisi del ciclo di vita di un processo industriale innovativo per la produzione di syngas da biogas

Una delle metodologie che negli ultimi tempi viene utilizzata più frequentemente per la valutazione ambientale di prodotti, processi e servizi è detta LCA, Life Cycle Assessment: essa valuta l’impatto ambientale associato ad un processo o ad un prodotto considerando tutto il suo ciclo di vita. Nel presente elaborato di tesi la metodologia è applicata ad un processo chimico industriale in fase di studio su scala di laboratorio presso il Dipartimento di Chimica Industriale dell’Università di Bologna, che prevede la sintesi di syngas a partire da biogas tramite le reazioni di dry reformng (DR) e steam refroming (SR). Tale processo è stato studiato poiché a livello teorico presenta i seguenti vantaggi: l’utilizzo di biogas come materia prima (derivante dalla digestione anaerobica dei rifiuti), lo sfruttamento dell’anidride carbonica presente nel biogas e l’utilizzo di un solo reattore anziché due. Il processo viene analizzato attraverso due diversi confronti: in primo luogo è comparato con processi con tecnologie differenti che producono il medesimo prodotto (syngas); in secondo luogo è paragonato a processi che impiegano la stessa materia prima (biogas), ottenendo prodotti differenti. Nel primo confronto i processi confrontati sono uno scenario di Autothermal reforming (ATR) e uno scenario che prevede DR e SR in due reattori separati; nel secondo confronto i prodotti che si ottengono sono: energia termica ed elettrica attraverso un sistema CHP, biometano con un sistema di upgrading del biogas, energia e biometano (CHP + upgrading) ed infine metanolo prodotto da syngas (generato dal processo studiato). Per il primo confronto è risultato che lo scenario che porta ad un minore impatto ambientale è il processo studiato dall'università di Bologna, seguito dallo Scenario con DR e SR in reattori separati ed infine dal processo di ATR. Per quanto concerne il secondo confronto lo scenario migliore è quello che produce biometano, mentre quello che produce metanolo è al terzo posto.

Studio di catalizzatori a base di Ni modificati con La per la metanazione della CO2

Le emissioni di CO2 in atmosfera da fonti antropogeniche sono attualmente la principale causa del surriscaldamento globale. Tecnologie sostenibili note come Power-to-gas, consentono di valorizzare la CO2, per la produzione di metano, mediante reazione con H2 proveniente dall’elettrolisi dell’acqua, utilizzando energia prodotta da fonti rinnovabili. Il metano, essendo un vettore energetico molto importante, se possiede requisiti di purezza adeguati, può essere introdotto direttamente nella rete del gas. In questo lavoro di tesi sono state investigate le prestazioni catalitiche, nella reazione di metanazione della CO2, di catalizzatori derivati da composti tipo idrotalcite a base di Ni, modificati con La, e con l’aggiunta di Mg e Zn. I catalizzatori sono stati sintetizzati per coprecipitazione a pH costante, calcinati e ridotti prima di condurre le prove catalitiche. Sono stati inoltre caratterizzati mediante tecniche XRD, H2-TPR, analisi porosimetrica e spettroscopia micro-Raman, sia da calcinati che da spenti. I risultati ottenuti dalle prove catalitiche hanno dimostrato che la presenza del La in un catalizzatore Ni/Al aumenta notevolmente l’attività in termini di conversione di CO2 e selettività in CH4, soprattutto a temperature tra 250 e 300°C. L’aggiunta dello Zn nella struttura ad ossidi misti invece ne inibisce l’attività catalitica, portando ad una diminuzione drastica della conversione e selettività. La presenza del Mg promuove una migliore attività catalitica, rispetto ai catalizzatori con solo La, ma necessita di una temperatura di riduzione più elevata.

Progetto e implementazione di circuiti a switch sincronizzato per la conversione di micropotenze da trasduttori piezoelettrici

Una delle principali caratteristiche dei trasduttori per energy harvesting piezoelettrici è il fatto che la loro impedenza d'uscita è principalmente capacitiva. Questo consente di elaborare schemi di conversione dell'energia basati su circuiti risonanti attivati in modo sincrono con le vibrazioni, che risultano in grado di aumentare notevolmente la potenza di uscita rispetto alle comuni interfacce passive. Questa tesi si è posta come obiettivo la progettazione e implementazione di un circuito per energy harvesting da vibrazioni basato sulla tecnica Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) che garantisse un'elevata efficienza di conversione. Dovendo gestire potenze in ingresso tipicamente di debole entità, l'architettura proposta è stata ottimizzata per minimizzare la dissipazione di potenza interna al convertitore. Il circuito proposto è stato infine validato sperimentalmente tramite allestimento di un setup di misura dedicato.

Impiego dell’idrogeno per la sostenibilità delle flotte del Trasporto Pubblico Locale

La domanda mondiale di energia è in costante aumento e le attuali tecnologie per la produzione di energia dai combustibili fossili emettono anidride carbonica (CO2). La combinazione di idrogeno ed elettricità è un’incoraggiante soluzione verso la realizzazione di un futuro a “zero emissioni” basato sull’energia sostenibile. L’idrogeno molecolare è un elemento scarso in natura; la sua produzione è quasi esclusivamente da fonti fossili. Se prodotto tramite elettrolisi da fonti di energia naturali è possibile produrre idrogeno senza significative emissioni di anidride carbonica ma con costi ancora troppo elevati; tali metodologie al giorno d’oggi sono ancora poco sviluppate e non in grado di competere con le tecniche industriali più consolidate di derivazione dell’ idrogeno dalle fonti fossili. Un altro ostacolo risiede nella difficoltà di immagazzinarlo e trasportarlo; viene stoccato con sicurezza in grandi contenitori industriali o in recipienti ad alta pressione. Occorre garantire una sufficiente capacità di stoccaggio nelle applicazioni per autoveicoli, così da ottenere un buon equilibrio tra autonomia di guida e spazio di stoccaggio. Nell’autotrazione possono essere utilizzate le fuel cells che assicurano un uso efficiente dell’idrogeno; convertono l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica, acqua e calore, assicurando rendimenti di conversione energetica molto alti, oltre a garantire una notevole silenziosità dovuta essenzialmente all’assenza di organi rotanti. Le fuel cells possono essere applicate anche ai veicoli dedicati al trasporto pubblico locale, garantendo l’abbattimento delle emissioni nocive nelle aeree urbane al fine del benessere dei cittadini. Tper è da anni attiva sul fronte della mobilità sostenibile; vanta una delle flotte di autobus più “verdi” d’Italia e in un futuro molto prossimo incrementerà ancora di più la percentuale di autobus a basse emissioni puntando soprattutto all’acquisto di autobus ad idrogeno.

Il modello Positive Energy Districts. Approcci innovativi e strumenti operativi per la transizione verso città clima-neutrali

Ad oggi le città europee si configurano come i principali centri di cultura, innovazione e sviluppo economico. Tuttavia, ospitando circa il 75% della popolazione e consumando quasi l’80% dell’energia prodotta, a causa delle significative emissioni di gas serra esse contribuiscono in modo rilevante ai cambiamenti climatici e, allo stesso tempo, ne subiscono gli effetti più intensi. La Comunità Europea ha preso atto della necessità di intraprendere un’azione sinergica che adotti strategie di mitigazione climatica e preveda misure di adattamento per far fronte agli impatti climatici ormai inevitabili. L'orientamento dei Programmi europei di Ricerca e Innovazione sul tema delle città smart e clima-neutrali sposta l'attenzione dalla dimensione urbana verso la scala di distretto. In questa prospettiva, i Positive Energy Districts (PEDs) si configurano come distretti di nuova edificazione, ma anche come soluzioni ambiziose per la riqualificazione di quartieri esistenti che gestiscono in modo attivo il fabbisogno energetico con un bilancio nullo di emissioni e un surplus di energia prodotta da rinnovabili. La ricerca di dottorato focalizza l’indagine sul modello PEDs esplorandone il potenziale di applicabilità nel contesto urbano consolidato. Nello specifico, la tesi lavora allo sviluppo di due contributi di ricerca originali: il PED-Portfolio e il PED-Toolkit. Tali contributi propongono un approccio sistemico, attraverso il quale intraprendere un percorso di conoscenza e sperimentazione del modello PEDs in una prospettiva di riduzione del fabbisogno energetico, ma anche in un’ottica di migliore accessibilità, vivibilità e resilienza di questi distretti. Al fine di verificare l’applicabilità dei risultati della ricerca, gli strumenti sviluppati vengono testati su un’area pilota e gli esiti di tale sperimentazione sono poi messi a confronto con il quadro dello stato dell’arte e con le principali linee di ricerca internazionali sul tema PEDs, affinando gli esiti del progetto di dottorato in un processo di ricerca-sperimentazione-ricerca.

Società a partecipazione pubblica nel mercato dell'energia elettrica tra concorrenza e obblighi di servizio pubblico

La disciplina pubblicistica dell’energia elettrica presenta specificità rilevanti rispetto ad altri settori della regolazione economica. Il settore energetico si caratterizza infatti per una complessa regolazione, dovuta sia alle specificità dell’oggetto della disciplina, cioè l’energia elettrica come bene immateriale, sia alla molteplicità degli interessi pubblici coinvolti, che si innestano su fallimenti di mercato (i.e. il sistema a rete non duplicabile), sia agli obiettivi di politica internazionale e di sicurezza nazionale, che intercettano delicate interrelazioni con l’ambiente e il clima, come tutelati nel Green Deal, nelle normative europee e nazionali e negli accordi internazionali sulla decarbonizzazione e sullo sviluppo sostenibile. Inoltre, la filiera elettrica è “verticalmente integrata”, cioè suddivisa in attività diverse, cioè la produzione, il dispacciamento, la trasmissione, la distribuzione, la vendita all’ingrosso e al dettaglio di energia. Queste sono esercitate in regimi di mercato differenti: monopolio naturale (dovuto al carattere sub-additivo dei costi) per il dispacciamento, la trasmissione e la distribuzione di energia; libera concorrenza per la produzione e la vendita. L’esigenza di assicurare la concorrenza nel mercato energetico si contempera con la necessità di rispettare gli obblighi di servizio pubblico, in un delicato bilanciamento tra esigenze contrapposte. La Direttiva U.E. del 13 luglio 2009 n. 2009/72/Cee, all’art. 3, qualifica infatti la fornitura di energia elettrica come un servizio universale, attribuendo agli utenti il diritto di ricevere la fornitura e di mantenere prezzi ragionevoli, facilmente e chiaramente comparabili, trasparenti e non discriminatori.

Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

Uno studio della massima energia raggiungibile da nuove classi di acceleratori cosmici

I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposto qualunque corpo celeste dell’Universo. Possono essere leptoni, mesoni, barioni o loro stati aggregati, ad un energia che spazia diversi ordini di grandezza rendendo così la loro natura e la loro origine complessa da studiare. Risulta interessante la massima energia che essi possono avere, ma non risulta semplice studiare come riescono a raggiungerla. Una classe di raggi cosmici sui quali le informazioni sono ancora scarse sono gli ultra high energy cosmic rays (UHECRs), ovvero i raggi cosmici con un’energia superiore a 1e18 eV. Oltre ad essere molto raro rilevarli, non si `e nemmeno a conoscenza da cosa possano essere originati. In questo testo verrà spiegato come un raggio cosmico può accrescere la sua energia e verrà stimato se tre potenziali sorgenti possano o meno generare raggi cosmici ad altissima energia. Si osserva che i tre candidati, ovvero i filamenti cosmici, il ponte intracluster tra Abell 0399 e Abell 0401 e la radiogalassia gigante Alcioneo, non soddisfano le caratteristiche per essere la fonte di UHECRs ad altissima energia, potendo al più raggiungere energie di 3.5e19 eV, a patto che i raggi cosmici siano composti da nuclei di ferro.

Ottimizzazione della selezione dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− per la misura delle asimmetrie di CP

In questa tesi è presentato il lavoro svolto per ottimizzare le selezioni dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− al fine di misurarne le asimmetrie di CP. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 6 fb−1, raccolto dall'esperimento LHCb in collisioni protone-protone ad un'energia nel centro di massa di 13 TeV. L'ottimizzazione della selezione è di fondamentale importanza nello studio di questi decadimenti, per ottenere la minor incertezza statistica possibile sulle asimmetrie misurate. Il lavoro svolto in questa tesi ha portato ad avere incertezze statistiche sulle singole asimmetrie di CP pari a: σ(A pK CP ) = 0.76%, σ(A pπ CP) = 0.95%, che risultano essere minori di circa un fattore due rispetto ai risultati già pubblicati dalla Collaborazione LHCb. Il lavoro svolto in questa tesi sarà parte della pubblicazione dei risultati ottenuti su rivista internazionale, prevista per il 2023

Meccanismi di trasporto dell'energia in astrofisica

L’energia viene prodotta in ogni parte dell’universo attraverso numerosi processi, tra cui le reazioni termonucleari, e può essere trasportata attraverso tre meccanismi possibili: la conduzione, il trasporto radiativo e la convezione. La conduzione si basa sul trasporto di energia tramite elettroni, e diventa rilevante dal punto di vista astrofisico nel caso di materia degenere. Il trasporto radiativo, invece, utilizza come agente di trasporto il fotone ed è il meccanismo di trasporto principale nell’universo. La convezione, infine, si basa sul trasporto di energia e materia tramite celle di gas. In particolare, è possibile descrivere conduzione, convezione e trasporto radiativo analizzando la struttura stellare, in quanto negli interni stellari l’energia può essere trasportata con ognuno dei tre meccanismi, a seconda delle condizioni della stella. L’energia viene prodotta all’interno del nucleo tramite reazioni termonucleari e viene trasportata verso i gusci esterni più freddi. Il flusso di radiazione, quindi, dipende principalmente dal gradiente termico, senza il quale non si avrebbe trasporto di energia, ma sono rilevanti anche altri fattori, come l’opacità k. Nella seguente tesi verranno trattati i tre meccanismi di trasporto dell’energia in astrofisica , descrivendone le principali caratteristiche. Innanzitutto, per quanto riguarda la conduzione, si analizzerà la causa per cui questo meccanismo è trascurabile negli interni stellari e la condizione nella quale, invece, diventa rilevante. Si descriverà, poi, il trasporto radiativo, sia negli interni stellari sia nelle atmosfere stellari, tramite le equazioni del trasporto, con particolare attenzione all’opacità del mezzo. Infine, per la convezione, si affronterà l’espressione del flusso convettivo e il criterio di Schwarzschild, che definisce la condizione per cui una regione è o meno stabile alla convezione.

Misura della non-linearità nella risposta dello scintillatore GAGG:Ce per la missione HERMES

HERMES (High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites) è una missione basata su una costellazione di nano-satelliti in orbita terrestre bassa, ospitanti rivelatori di raggi X e gamma, avente l'obiettivo di indagare l'emissione di Gamma Ray Burst (GRB). Si tratta di un insieme di spettrografi ad alta risoluzione temporale, attivi nella banda 3–2000 keV, che operando congiuntamente sono in grado di localizzare eventi transienti. Questo esperimento fornirà un metodo veloce e complementare alla rivelazione di onde gravitazionali per l'osservazione di eventi brillanti come i GRB nell'ambito dell'astrofisica multimessaggero. Il rivelatore di ogni nano-satellite di HERMES è composto da Silicon Drift Deterctors (SDD) collegati otticamente a cristalli scintillatori di tipo GAGG:Ce. Il GAGG:Ce è uno scintillatore inorganico di nuova generazione (sviluppato attorno al 2012). L'obiettivo di questa tesi è studiare la risposta, in termini di ampiezza assoluta e uscita luce, del GAGG:Ce accoppiato a una SDD, concentrandosi nello studio della risposta non lineare dello scintillatore, dovuta al K-edge del gadolinio all'energia di 50.23 keV, per contribuire all'ottimizzazione della calibrazione strumentale per il satellite HERMES. Per l'esperimento sono stati usati tre diversi campioni di scintillatore GAGG:Ce. L'esperimento si è basato sull'osservazione di sorgenti radioattive di calibrazione e di un fascio monocromatico di fotoni X, prodotto attraverso il generatore disponibile presso la facility LARIX-A dell'Università di Ferrara, con un rivelatore composto dallo scintillatore in analisi letto con una SDD. L'intervallo di energie scelto per il fascio monocromatico è di 20-160 keV, mentre i radioisotopi consentono di acquisire dati anche ad energie maggiori. La risposta dello scintillatore è stata quindi studiata dalla minima energia rivelabile (20-40 keV) all'energia della riga del 137Cs a 661.65 keV.

Progetto PCB di un circuito per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi

L’obiettivo di questa tesi consiste nel progetto e nella realizzazione di un PCB (Printed Circuit Board) per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi, implementato con software di progettazione CAD. In primo luogo è affrontato il tema dell’ Energy Harvesting, sono descritte le tipologie di fonti energetiche principali previste e le prospettive future di questa nuova tecnologia. In secondo luogo sono descritti i processi e i meccanismi per la conversione dell’energia, con un particolare sguardo ai circuiti integrati per la conversione e gestione della potenza (PMIC). Successivamente vengono illustrate le fasi del progetto, basato su un PMIC commerciale: la progettazione dello schema elettrico, la scelta dei componenti (BOM - Bill of Materials) e la progettazione del layout del circuito stampato. Infine sono mostrati il processo di montaggio della scheda e i test realizzati mediante oscilloscopio insieme ad alcune stime di potenza.

Una nuova formulazione semplificata per la soluzione del problema di Maxwell non omogeneo

Il problema di Maxwell canonico si suddivide nel problema di Maxwell omogeneo e nel problema di Maxwell non omogeneo, o della radiazione, a seconda che siano presenti le correnti impresse. Il problema della radiazione ci mostra come si può generare un’onda elettromagnetica. In questo elaborato si risolverà il problema di Maxwell non omogeneo utilizzando un metodo relativamente nuovo che sfrutta la funzione di Green e la funzione generalizzata tridimensionale di dirac. Tramite quest'ultima, vedremo come sarà possibile riscrivere l’elemento infinitesimo di corrente impressa.