Analisi tecnica ed economica di un sistema di storage elettrochimico accoppiato ad un parco eolico

L'elaborato si occupa di analizzare diverse tecnologie di accumulo elettrochimico con lo scopo di dimensionare un sistema di accumulo che verrà accoppiato ad un parco eolico, collocato in Sicilia. Lo standard di connessione sarà in AT a 36 kV, un nuovo standard di Terna che permette di snellire le connessioni di impianti rinnovabili con potenza inferiore a 100 MW. A seguito di un primo dimensionamento analitico e di un confronto con i fornitori, si è optato per l'utilizzo della tecnologia Litio-ione, meno costosa e più performante e il cui impatto ambientale risulta essere controllato. Infine, si è realizzata una valutazione economica del sistema, ipotizzando tre diverse destinazioni di utilizzo del sistema di accumulo, che può offrire servizi ancillari alla rete o partecipare al nuovo mercato delle capacità di Terna, con lo scopo di creare una riserva di energia e partecipare al controllo e alla stabilità della rete. Si è quindi stimato un possibile tempo di ritorno dell'investimento, tenendo conto anche dell'aumento dei prezzi legato all'attuale condizione politico-economica.

Corona Poling per film polimerici di P(VDF-TrFE): applicazione e ottimizzazione

Negli ultimi anni, il copolimero piezoelettrico P(VDF-TrFE), poli(vinildenfluoruro-trifluoroetilene), ha suscitato un grande interesse nella ricerca scientifica per le potenziali applicazioni elettroniche come, ad esempio, l’energy harvesting per la produzione di dispositivi indossabili e auto-alimentabili, sensori biocompatibili e memorie non volatili. In questo elaborato viene descritta l'indagine sperimentale di ottimizzazione eseguita su campioni di P(VDF-TrFE) polarizzati tramite la tecnica innovativa del corona poling, la quale è stata applicata con l'ausilio di una cella appositamente progettata per lo scopo. Questa tecnica si distingue dalle precedenti per il fatto che non sia necessario un diretto contatto tra gli elettrodi e il materiale da polarizzare. Per questo motivo essa presenta numerosi vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali, riservando grandi potenzialità. I risultati sulla risposta piezoelettrica, matematicamente rappresentata dal coefficiente di deformazione d33 [C/N], dimostrano che sia possibile ottenere valori comparabili a quelli ottenibili con la tecnica tradizionale di DC poling.

Modellazione, controllo e sviluppo sperimentale di un azionamento con convertitore boost integrato per DC fast charge

La presente trattazione propone un metodo innovativo per la fast DC charge, che permette di collegare le colonnine di ricarica a 400 V ai veicoli con batteria ad 800 V. Il collegamento avviene tramite l’azionamento elettrico di propulsione, che deve dunque essere riconfigurato durante la ricarica sotto forma di “integrated boost DC/DC converter”. L'elaborato illustra il modello matematico del sistema, lo schema di controllo in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni. Infine, sono illustrate le prove a banco effettuate sul sistema in esame, la strumentazione utilizzata ed i risultati ottenuti per le configurazioni confrontate. Tuttavia, si dimostra che il metodo di ricarica richiede un’ulteriore induttanza per il collegamento al motore per evitare gli elevati ripple delle correnti di fase ed il conseguente surriscaldamento dei magneti rinvenuto durante le prove sperimentali.

Analisi e caratterizzazione di isolanti elettrici nanostrutturati a base polimerica per applicazioni in sistemi HVDC

I sistemi di trasporto dell’energia elettrica per lunghe distanze possono dimostrarsi convenienti attraverso l’utilizzo di cavi in corrente continua ad alta tensione (HVDC). Essi possono essere installati seguendo la classica configurazione aerea, oppure interrati, dove le difficili condizioni ambientali, possono portare alla degradazione dei materiali. I materiali polimerici che costituiscono l’isolamento del cavo sono soggetti ad invecchiamento, diventando sempre più fragili e poco affidabili sia a seguito delle condizioni ambientali che dall’applicazione dell’alta tensione, che comporta un forte campo elettrico fra la superficie del conduttore e l’isolante esterno. Per determinare l’integrità e le caratteristiche dei materiali polimerici si utilizzano tecniche diagnostiche. Molte tecniche prevedono però la distruzione del materiale, quindi se ne cercano altre non distruttive. Questa tesi studia gli effetti dell’aggiunta di un additivo alla matrice polimerica del materiale isolante, utilizzando la tecnica di spettroscopia dielettrica, la misura di conducibilità e il metodo dell’impulso elettroacustico. I provini testati sono costituiti da una matrice di polipropilene e polipropilene additivato con nitruro di boro, testati alle temperature di 20, 40, 70°C. In particolare, il primo capitolo introduce i sistemi HVDC, per poi presentare le caratteristiche e le proprietà dei materiali nanodielettrici. Nella terza parte si descrive il set sperimentale utilizzato nelle prove condotte. Nei capitoli 4 e 5 sono riportati i risultati ottenuti e la loro discussione.

Caratterizzazione delle proprietà elettriche di nanocompositi a matrice epossidica additivata con Quantum Dots

Questo elaborato prevede la caratterizzazione delle proprietà elettriche di nanocompositi a matrice epossidica additivata con Quantum Dots. Inizialmente sono state presentate le caratteristiche fondamentali dei materiali polimerici con particolare attenzione alle proprietà elettriche. In seguito, sono stati descritti i temi pratici e teorici delle misure che permettono di ottenere i risultati utili alla caratterizzazione, nello specifico: Spettroscopia Dielettrica, metodo Pulsed Electro-Acustic (PEA), Prova di Conducibilità e metodo Thermally Simulated Depolarization Current (TSDC). Le misure sono state effettuate su dei provini di resina epossidica vergine e nanocompositi Epoxy/QDsCS. Sono stati esposti i processi fondamentali che portano alla realizzazione dei diversi provini e di seguito sono stati mostrati i risultati delle misure precedentemente elencate. L’analisi e l’elaborazione dei dati ha portato alla caratterizzazione finale e permette di concludere che l’inserzione di Quantum Dots Core-Shell non provoca variazioni della conducibilità del materiale ma ne modifica le proprietà dielettriche, quali profondità di trappola e carica di spazio.

Analisi e progettazione di un sistema di accumulo per applicazioni in ambito industriale

"Electrification" è il concetto su cui è stata fondata l’idea del progetto trattato nell’elaborato. Si sente spesso parlare di elettrificazione e di transizione energetica, specialmente nell’ambito in cui ho avuto occasione di svolgere il tirocinio in preparazione della tesi. L’azienda con cui ho lavorato sull’attività di ricerca e analisi è, infatti, incentrata sul mercato Oil & Gas, per cui, in particolar modo in questo periodo storico, risente di un’enorme spinta all’ electrification e all’ottimizzazione degli impianti. A tal proposito, si sta dirigendo verso soluzioni che possano fornire supporto alla rete ed anche ridurre le emissioni di gas inquinanti in atmosfera. L’attività di ricerca si è basata su quelle che sono le tecnologie e le disponibilità sul mercato per sistemi di accumulo di energia all’interno dell’ambito industriale, con particolare attenzione ad aspetti quali sicurezza e innovazione. Le applicazioni di un sistema di accumulo sono svariate, per cui nell’elaborato ne sono state trattate due in particolare: peak shaving e sistema di backup. Sono stati sviluppati, quindi, tre progetti in parallelo: uno relativo al caso di peak shaving e due riguardanti sistemi di backup all’interno di una control cabin. Nel primo caso si è partiti da un progetto ex novo, mentre negli altri due casi si è fatto riferimento a due casi studio già ben definiti relativi a due impianti già esistenti a cui è stata sostituita la tecnologia alla base delle celle elettrochimiche che costituiscono il rack di batterie. L’obiettivo principale della tesi è stato dunque quello di progettare il sistema di accumulo per i relativi casi studio e di verificarne la fattibilità.

Implementazione di un simulatore per determinare la degradazione delle batterie nella partecipazione al Grid Support

L'elaborato descrive l'esperienza di tirocinio svolta nell'azienda Vertiv, dove è stato chiesto di realizzare un simulatore per il calcolo della degradazione delle batterie nella partecipazione al Grid Support. Nella prima parte viene illustrato il panorama energetico attuale, descrivendo il funzionamento generale di un sistema elettrico. Successivamente vengono descritti i gruppi di continuità e le loro modalità di funzionamento. A questo si collega la descrizione dei prodotti dell'azienda che verranno considerati nel simulatore. Vengono descritti i servizi di Grid Support che un cliente può scegliere al fine di ottenere un uso ottimale dell'energia elettrica, e quindi un risparmio, e quelli che aiutano la rete a bilanciare le variazioni di frequenza. Vi è inoltre una descrizione delle batterie, le loro caratteristiche e i parametri fondamentali di questa modalità di immagazzinamento dell'energia. Vengono riportate le principali tipologie delle batterie al Litio, essendo queste quelle utilizzate all'interno del simulatore. L'ultimo capitolo riguarda la descrizione del simulatore; vengono riportate le caratteristiche delle batterie considerate, divise a seconda del fornitore. Il simulatore è diviso in due parti, una chiamata "Frequency Regulation", l'altra "Peak Shaving". Nella prima vengono mostrati i dati di input che possono essere cambiati, la degradazione delle batterie collegata ai servizi FFR e FCR-D, i possibili guadagni che un cliente potrebbe ottenere nel momento in cui firma un contratto per partecipare ad un programma di variazione della frequenza, a seconda del mercato elettrico scelto. Nella seconda i dati di input, la degradazione delle batterie e i possibili risparmi associati al servizio Peak Shaving. Infine vengono riportati degli scenari di esempio per mostrare come un ipotetico cliente possa giocare con i dati di input e confrontare i risultati ottenuti allo scopo di ottenere la miglior soluzione possibile.

Studio e implementazione del processo di polarizzazione in AC su materiali piezoelettrici nanofibrosi

I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali che hanno la capacità di convertire energia elettrica in meccanica, e viceversa. I piezoelettrici si suddividono in tre classi: naturarli, ceramici e polimerici. Quest'ultimi, seppur mostrando coefficienti piezoelettrici non elevati rispetto ai primi due, presentano grandi vantaggi in termini di proprietà meccaniche, essendo per esempio molto flessibili, grazie anche all'ausilio delle nanotecnologie. In questo elaborato si è utilizzato il PVDF-TrFE, un materiale polimerico, prodotto sotto forma di nanofibre tramite il processo di elettrofilatura. La struttura nanofibrosa incrementa le proprietà piezoelettriche, che dipendono dalla superficie totale del materiale, poiché massimizza il rapporto superficie/volume. Lo scopo dell'elaborato è quello di ottimizzare il processo di polarizzazione, e quindi incrementare la risposta elettromeccanica dei provini a seguito di una sollecitazione, applicando una tecnica innovativa. Questa prevede l'applicazione di un campo elettrico AC sinusoidale, partendo da un valor nullo fino a un valore massimo di regime, continuando successivamente con un campo in DC avente la stessa apiezza massima. Questa tecnica è stata applicata a differenti provini di PVDF-TrFE, variando alcuni parametri come frequenza, numero di cicli e temperatura. I valori misurati sono stati suddivisi in diversi grafici al variare della temperatura, mostrando notevoli miglioramenti rispetto alle tecniche già note di polarizzazione. È stata inoltre mostrata la struttura in scala nanometrica delle fibre, valutando così l'effetto della temperatura di esercizio sui provini durante il processo di polarizzazione.

Analisi fluidodinamica di reattori gas-liquido operanti con giranti multiple

La miscelazione di sistemi gas-liquido all’interno di recipienti meccanicamente agitati ritrova molte applicazioni industriali. I recipienti meccanicamente agitati rappresentano la scelta più conveniente poiché consentono una dispersione ottimale della fase dispersa all’interno della fase continua ed uno scambio di materia e di calore efficiente. I parametri chiave sono il consumo di potenza, l’hold-up di gas ed il regime gas-impeller. La fase sperimentale è stata sviluppata mediante l’utilizzo di un reattore pilota operante con tre turbine Rushton. Il consumo di potenza è stato valutato ed i risultati ottenuti dalle analisi di laboratorio sono stati confrontati con la correlazione empirica di Warmoeskerken (1986). Le tecniche impiegate in passato per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido sono caratterizzate da diversi svantaggi quali la possibilità di essere utilizzate solo per lo studio di sistemi trasparenti, l’intrusività ed i costi alti. Attualmente, la tomografia a resistenza elettrica (ERT) è una delle tecniche di ispezione più utilizzate grazie alla sua potenzialità di fornire informazioni qualitative e quantitativi. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è quello di validare una metodologia da seguire per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido. L’ERT è stata utilizzata per la valutazione dell’hold-up di gas e per l’identificazione del regime instaurato all’interno dell’apparecchiatura. I risultati sono stati confrontati con le valutazioni visive e le correlazioni proposte dalla letteratura. La strumentazione dell’ERT comprende un sistema di sensori, un sistema di acquisizione dati (DAS) ed un computer sul quale è installato il software per la ricostruzione dell’immagine, il quale, generalmente, è basato sull’algoritmo linear back - projection. Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare sulla convenienza di adoperare un software più sofisticato per la ricostruzione dell’immagine.

La stima dell'inerzia nelle reti elettriche

Negli ultimi anni, la rete elettrica ha subito importanti cambiamenti dovuti principalmente al fatto che vi è stato un sensibile sviluppo di impianti di produzione da fonti rinnovabili. Questo aspetto ha però influenzato in modo considerevole il funzionamento della rete ed in particolare la risposta inerziale che essa ha a fronte di uno squilibrio della potenza attiva. In particolare, nella rete si è registrata una importante riduzione dell’inerzia disponibile in quanto molte delle fonti rinnovabili attualmente installate sono connesse tramite inverter, macchine statiche, che non sono in grado di fornire alcuna risposta inerziale in modo intrinseco. Si sta perciò rendendo sempre più necessario possedere degli strumenti volti a fornire una stima dell’inerzia a disposizione della rete, in modo tale da facilitare e migliorare la gestione del Sistema Elettrico. In tale contesto, in questa tesi ci si è concentrati sulla realizzazione di un modello EMTP della rete di distribuzione benchmark europea Cigrè, che permettesse di includere tutte le caratteristiche dinamiche della rete, dei generatori di produzione e in particolare, ci si è soffermati sulla modellizzazione dei carichi, eseguendo un’analisi e un confronto sulle possibili modalità di modellizzazione dei carichi in forma aggregata. Nella seconda parte, sono stati poi sviluppati degli algoritmi che permettessero dai dati raccolti attraverso le simulazioni di ricavare il valore della costante d’inerzia nei differenti scenari.

Modellazione e simulazione di un processo di produzione per l'industria 4.0

In un mondo in continua trasformazione cresce sempre più il numero delle aziende che hanno colto l’importanza della digitalizzazione dei processi produttivi. Alcune di esse si affidano ad esperti capaci di suggerire soluzioni per ottenere servizi di alta qualità e fruibilità con l’integrazione di sistemi gestionali. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi del processo produttivo di una azienda che realizza armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Si compone di sei capitoli, il primo affronta il tema della Simulazione e le sue principali caratteristiche per analizzare un processo di produzione; il secondo esamina i linguaggi, le applicazioni e i modelli di simulazione; il terzo analizza e descrive le peculiarità e le caratteristiche del software utilizzato per la simulazione; il quarto capitolo affronta il tema dell’industria 4.0 spingendo all’innovazione nei sistemi produttivi per raggiungere una produzione del tutto automatizzata e interconnessa; nel quinto viene descritto il modello digitale per ottenere in modo preciso un oggetto fisico, così da avere una Simulazione precisa, infine, il sesto esamina la Simulazione e Modellizzazione come strumento per l’ottimizzazione del processo produttivo riguardante armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Il raggiungimento dell’uso della simulazione come supporto all’analisi dinamica di un processo consente di avere una panoramica complessiva di tutte le operazioni, rappresentando, così un vantaggio per le aziende che possono valutare con oggettività soluzioni progettuali alternative, di cui è difficile prevedere il comportamento, le prestazioni e l’impatto su altri sistemi. Questi risultati sono la risposta alle necessità di disporre strumenti per l’anticipazione, il dimensionamento e il contenimento dei rischi di progetto.

Soluzioni per i sistemi di post-trattamento dei gas di scarico in vista della nuova normativa antinquinamento EURO7

Nel presente elaborato sono state analizzate delle soluzioni per i sistemi di post-trattamento che permettano ai veicoli di rispettare la futura norma Euro7. In particolare è stato affrontato il principale problema dell'avviamento a freddo dei veicoli che produce la maggior parte degli inquinanti emessi. Sono stati vagliati diversi studi scientifici al fine di trovare soluzioni efficaci per rendere le emissioni dei veicoli sotto i limiti imposti dalla futura normativa, i cui valori sono stati proposti dal consorzio CLOVE. Dopo aver analizzato uno studio sul confronto di varie configurazioni di sistemi di post-trattamento, sono state prese in considerazione due soluzioni. La prima prevede l'introduzione di un bruciatore nel sistema al fine di mantenerlo alla temperatura ottimale di funzionamento, ovvero alla temperatura a cui avvengono le reazioni di ossidazione e di riduzione delle sostanze inquinanti. La seconda soluzione prevede, invece, l'aggiunta nel sistema di un riscaldatore elettrico accoppiato ad un generatore termoelettrico: il primo ha lo stesso scopo del bruciatore, mentre il secondo serve per convertire il calore di scarto dei gas di scarico in energia elettrica da fornire al riscaldatore. Infine, dopo aver analizzato le due soluzioni attraverso i test riportati dagli articoli scientifici studiati, si è concluso che entrambe le strategie permettono un'efficace riduzione delle emissioni anche per avviamento a freddo del veicolo e, quindi, possono essere considerate valide per permettere ai veicoli di rientrare all'interno dei limiti imposti dalla nuova normativa Euro7.

Analisi relativa allo sviluppo e alle soluzioni applicate nell'ambito della mobilità aerea urbana

L'elaborato di tesi descrive il mercato e le principali strutture della mobilità aerea urbana, definendo le principali aziende ed i relativi modelli, protagonisti della nuova rete di trasporti ad alimentazione elettrica. Il corpo centrale del documento analizza i velivoli, esplorandone i concetti costruttivi, il design, le caratteristiche aerodinamiche e propulsive. La parte conclusiva propone invece un'analisi comparativa tra questi, basandosi sulle loro prestazioni.

Valutazione del ciclo antropogenico del neodimio in Italia, mediante metodologie MFA e LCA

Per raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica del 2050 stabiliti dal Green Deal europeo, l’approvvigionamento sicuro e sostenibile di materie prime critiche è considerato essenziale e l’attuale crisi energetica ne ha rimarcato l’importanza. Tra queste materie prime, il neodimio risulta essere fondamentale per un ampio numero di applicazioni tecnologiche di interesse crescente come la mobilità elettrica e la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. La produzione mondiale di neodimio è dominata dalla Cina e l’Italia dipende completamente dalle importazioni per soddisfare la propria domanda. Il riciclo dei prodotti a fine vita potrebbe coprire parte della domanda nazionale di neodimio e ridurre la dipendenza dalle importazioni cinesi. Ma, attualmente, la percentuale di riciclo del metallo è inferiore all’1% globalmente con attività di riciclo spesso inesistenti su scala industriale a livello nazionale. Per dare chiarezza sulla catena del valore di neodimio in Italia e dimostrare le potenzialità del suo riciclo, in questa tesi sono state applicate le metodologie di MFA e di LCA. Un modello dinamico retrospettivo di MFA è stato sviluppato col fine di investigare il ciclo antropogenico del neodimio, identificando e valutando i flussi e le riserve nazionali dal 1995 al 2020. Attraverso un modello di distribuzione dei tempi di vita è stata quantificata la riserva in uso del metallo, che ammonta a 3,3 kt Nd o 56 g Nd pro capite. Un riciclo della riserva in uso potrebbe soddisfare l’attuale domanda di neodimio oltre al 2030. I risultati dell’MFA sono stati integrati con i fattori LCA di caratterizzazione di impatto ambientale, dimostrando che il riciclo potrebbe ridurre più dell’80% delle emissioni di gas serra e della energia richiesta associate alla produzione di neodimio primario. Si prevede che lo studio possa contribuire all’implementazione di politiche e strategie di rafforzamento della catena di approvvigionamento del neodimio.

Sviluppo di un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di implementare un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si in regime statico e dinamico, mediante l’identificazione e l’ottimizzazione dei parametri caratteristici del modello di Jiles-Atherton. Tale fine è stato perseguito attraverso l’uso del software di calcolo Matlab-Simulink. Il modello, validato mediante i dati reperibili in letteratura, permette di simulare la curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi per materiali ferromagnetici soft mediante la conoscenza di un set limitato di dati sperimentali ricavabili dalle prove magnetiche. Il modello è stato impiegato per eseguire la simulazione anche su campioni prodotti industrialmente in acciaio al silicio a grano non orientato forniti allo stato fully-processed M470-50A preventivamente sottoposti a caratterizzazione microstrutturale, mediante microscopia ottica, elettronica e analisi EBSD, e meccanica, attraverso le prove di trazione. I risultati ottenuti dalla simulazione presentano ottimale accuratezza, in particolar modo nel caso statico sia in termini di estrazione dei parametri sia di definizione del ciclo; risulta ancora da migliorare ulteriormente il grafico in frequenza. Al fine di rendere fruibile il modello realizzato è stata progettata una Graphical User Interface. Nell’ottica di una mobilità green in accordo con gli obiettivi globali, l’implementazione del presente modello pone quindi le basi per uno studio futuro del comportamento dei materiali magnetici per la realizzazione di motori elettrici sempre più performanti in funzione dei parametri di produzione e delle condizioni di utilizzo, aspetti che incidono notevolmente sulle proprietà di tale materiale.