Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.

Sviluppo di nuovi sistemi catalitici per la produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione di idrocarburi

La ricerca è collocata nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport) che è finalizzato alla produzione di idrogeno a bordo di aerei mediante deidrogenazione catalitica di cherosene avio. La deidrogenazione di molecole organiche volta alla produzione di idrogeno è una reazione poco studiata; in letteratura sono presenti solo esempi di deidrogenazione di molecole singole, tipicamente a basso peso molecolare, per la produzione di olefine. Già per questi substrati la conduzione della reazione risulta molto complessa, quindi l’impiego di frazioni di combustibili reali rende ancora più problematica le gestione del processo. L’individuazione dei parametri operativi e della corretta formulazione del catalizzatore possono essere definiti accuratamente solo dopo un approfondito studio dei meccanismi di reazione e di disattivazione. Pertanto questo lavoro ha come obiettivo lo studio di questi meccanismi partendo da molecole modello per giungere poi a definire la reattività di miscele complesse. Le problematiche principali che si presentano nella conduzione di questa reazione sono la disattivazione da coke e da zolfo. Quindi è evidente che la comprensione dei meccanismi di reazione, di formazione dei depositi carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo è uno stadio fondamentale per delineare quali siano i requisiti necessari alla realizzazione del processo. Il fine ultimo della ricerca è quello di utilizzare le informazioni acquisite dallo studio dei meccanismi coinvolti per arrivare a formulare un catalizzatore capace di soddisfare i requisiti del progetto, sia in termini di produttività di idrogeno sia in termini di tempo di vita, unitamente alla definizione di accorgimenti utili al miglioramento della conduzione della reazione.

Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Constraints on neutrino mass fraction using Redshift Space Distortions

Redshift Space Distortions (RSD) are an apparent anisotropy in the distribution of galaxies due to their peculiar motion. These features are imprinted in the correlation function of galaxies, which describes how these structures distribute around each other. RSD can be represented by a distortions parameter $\beta$, which is strictly related to the growth of cosmic structures. For this reason, measurements of RSD can be exploited to give constraints on the cosmological parameters, such us for example the neutrino mass. Neutrinos are neutral subatomic particles that come with three flavours, the electron, the muon and the tau neutrino. Their mass differences can be measured in the oscillation experiments. Information on the absolute scale of neutrino mass can come from cosmology, since neutrinos leave a characteristic imprint on the large scale structure of the universe. The aim of this thesis is to provide constraints on the accuracy with which neutrino mass can be estimated when expoiting measurements of RSD. In particular we want to describe how the error on the neutrino mass estimate depends on three fundamental parameters of a galaxy redshift survey: the density of the catalogue, the bias of the sample considered and the volume observed. In doing this we make use of the BASICC Simulation from which we extract a series of dark matter halo catalogues, characterized by different value of bias, density and volume. This mock data are analysed via a Markov Chain Monte Carlo procedure, in order to estimate the neutrino mass fraction, using the software package CosmoMC, which has been conveniently modified. In this way we are able to extract a fitting formula describing our measurements, which can be used to forecast the precision reachable in future surveys like Euclid, using this kind of observations.

A study of air-sea interaction processes on water mass formation and upwelling in the Mediterranean sea

Air-sea interactions are a key process in the forcing of the ocean circulation and the climate. Water Mass Formation is a phenomenon related to extreme air-sea exchanges and heavy heat losses by the water column, being capable to transfer water properties from the surface to great depth and constituting a fundamental component of the thermohaline circulation of the ocean. Wind-driven Coastal Upwelling, on the other hand, is capable to induce intense heat gain in the water column, making this phenomenon important for climate change; further, it can have a noticeable influence on many biological pelagic ecosystems mechanisms. To study some of the fundamental characteristics of Water Mass Formation and Coastal Upwelling phenomena in the Mediterranean Sea, physical reanalysis obtained from the Mediterranean Forecating System model have been used for the period ranging from 1987 to 2012. The first chapter of this dissertation gives the basic description of the Mediterranean Sea circulation, the MFS model implementation, and the air-sea interaction physics. In the second chapter, the problem of Water Mass Formation in the Mediterranean Sea is approached, also performing ad-hoc numerical simulations to study heat balance components. The third chapter considers the study of Mediterranean Coastal Upwelling in some particular areas (Sicily, Gulf of Lion, Aegean Sea) of the Mediterranean Basin, together with the introduction of a new Upwelling Index to characterize and predict upwelling features using only surface estimates of air-sea fluxes. Our conclusions are that latent heat flux is the driving air-sea heat balance component in the Water Mass Formation phenomenon, while sensible heat exchanges are fundamental in Coastal Upwelling process. It is shown that our upwelling index is capable to reproduce the vertical velocity patterns in Coastal Upwelling areas. Nondimensional Marshall numbers evaluations for the open-ocean convection process in the Gulf of Lion show that it is a fully turbulent, three-dimensional phenomenon.

Validation of water vapour profiles (version 13) retrieved by the IMK / IAA scientific retrieval processor based on full resolution spectra measured by MIPAS on board Envisat

Vertical profiles of stratospheric water vapour measured by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) with the full resolution mode between September 2002 and March 2004 and retrieved with the IMK/IAA scientific retrieval processor were compared to a number of independent measurements in order to estimate the bias and to validate the existing precision estimates of the MIPAS data. The estimated precision for MIPAS is 5 to 10% in the stratosphere, depending on altitude, latitude, and season. The independent instruments were: the Halogen Occultation Experiment (HALOE), the Atmospheric Chemistry Experiment Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS), the Improved Limb Atmospheric Spectrometer-II (ILAS-II), the Polar Ozone and Aerosol Measurement (POAM III) instrument, the Middle Atmospheric Water Vapour Radiometer (MIAWARA), the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding, balloon-borne version (MIPAS-B), the Airborne Microwave Stratospheric Observing System (AMSOS), the Fluorescent Stratospheric Hygrometer for Balloon (FLASH-B), the NOAA frostpoint hygrometer, and the Fast In Situ Hygrometer (FISH). For the in-situ measurements and the ground based, air- and balloon borne remote sensing instruments, the measurements are restricted to central and northern Europe. The comparisons to satellite-borne instruments are predominantly at mid- to high latitudes on both hemispheres. In the stratosphere there is no clear indication of a bias in MIPAS data, because the independent measurements in some cases are drier and in some cases are moister than the MIPAS measurements. Compared to the infrared measurements of MIPAS, measurements in the ultraviolet and visible have a tendency to be high, whereas microwave measurements have a tendency to be low. The results of χ2-based precision validation are somewhat controversial among the comparison estimates. However, for comparison instruments whose error budget also includes errors due to uncertainties in spectrally interfering species and where good coincidences were found, the χ2 values found are in the expected range or even below. This suggests that there is no evidence of systematically underestimated MIPAS random errors.