POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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Hybrid parameter identification and P2D modeling of NMC532/Graphite Lithium-ion Cell using FEM in COMSOL
No full textLAUREA MAGISTRALECon la crescente necessità di veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, un accurato modello elettrochimico delle batterie agli ioni di litio è fondamentale per ottimizzarne la progettazione e la gestione. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione di un modello pseudo-bidimensionale (P2D) per una cella a sacchetto (pouch cell) con catodo in NMC532 e anodo in grafite, concentrandosi su un approccio ibrido e preciso per l'identificazione dei parametri al fine di descrivere il comportamento della batteria in diverse condizioni. Il modello è stato implementato in COMSOL Multiphysics utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM). Per ridurre l'uso di metodi distruttivi, è stata adottata una combinazione di analisi della letteratura, misurazioni sperimentali e ottimizzazione. I parametri chiave identificati per l'ottimizzazione, tra cui frazioni di volume, costanti di reazione e potenziali degli elettrodi, sono stati stimati tramite l'ottimizzatore IPOPT con una funzione obiettivo ai minimi quadrati. Inoltre, la tensione a circuito aperto (OCV) per l'NMC532 è stata determinata combinando l'OCV misurata per la cella completa con quella nota della grafite. Il modello ha mostrato inizialmente un'eccellente validazione a 0.1C e 20°C, con un RMSE di 10.4 mV, ma un errore maggiore a 0.5C (RMSE di circa 24 mV), attribuito al valore iniziale del coefficiente di diffusione dell'elettrodo negativo. Regolando manualmente tale coefficiente, si è ottenuto un miglioramento significativo a 0.5C (RMSE di circa 13.03 mV) con una minima variazione a 0.1C (RMSE di circa 13.88 mV). Il modello è stato poi validato con successo anche in condizioni dinamiche, ottenendo un RMSE di 7.71 mV per test a impulsi e di 16.85 mV per test a corrente variabile. Complessivamente, lo studio dimostra la fattibilità di sviluppare un modello elettrochimico affidabile riducendo la dipendenza da procedure di parametrizzazione distruttive, costose e lunghe, evidenziando l'importanza di un'attenta identificazione dei parametri.With the fast-growing need for electric vehicles and energy storage systems, an accurate electrochemical model of lithium-ion batteries is crucial for optimizing their design and management. This thesis presents the development and validation of a Pseudo-two-dimensional (P2D) model for a NMC532/graphite pouch cell. This study focuses on a precise, hybrid, parameter identification approach to capture the battery behavior under different conditions. The model was implemented in the COMSOL Multiphysics using the finite-element-method (FEM). A combination of literature review, experimental measurement (for geometrical values), and optimization (to measure the most critical parameters) was adopted to minimize destructive methods in parameter identification. Key parameters identified for optimization included the negative and positive active material volume fraction, negative and positive electrode reaction rate constant, maximum lithium concentration in cathode, and maximum and minimum potential for each electrode. The optimizer used for this purpose was Interior Point Optimizer (IPOPT) with a least square objective function implemented in COMSOL. To determine the open circuit voltage (OCV) for NMC532, the measured full cell OCV was combined with the known graphite OCV. With this in place, the model initially showed excellent validation at a low C rate (0.1C) at 20°C, achieving an RMSE of just 10.4 mV. A higher error was observed at 0.5 (RMSE about 24 mV)which was the result of high initial negative electrode diffusion coefficient. This problem was mitigated by manually tuning the diffusion coefficient. A significant improvement in 0.5C simulation was observed after the tuning (RMSE around 13.03 mV) and with a minor adjustment to 0.1C result (RMSE around 13.88 mV). The model was further validated under dynamic pulse tests and extended variable current operation. The RMSE was 7.71 mV and 16.85 mV for the pulse and variable current, respectively. The study successfully highlights the feasibility of developing a reliable, electrochemical battery model with reduced reliance on costly and time-consuming destructive parameterization, demonstrating the importance of careful parameter identification
TOCNF for sustanaible papermaking and functional hybrid catalysts
No full textLAUREA MAGISTRALEIl crescente bisogno di materiali sostenibili e ad alte prestazioni ha alimentato un forte interesse verso risorse rinnovabili come la nanocellulosa. Questa tesi esplora la valorizzazione della biomassa cellulosica attraverso la produzione, funzionalizzazione e applicazione delle nanofibre di cellulosa ossidata con TEMPO (TOCNF). La cellulosa, biopolimero abbondante, biodegradabile e non tossico, è stata trasformata in materiale nanostrutturato ad alta area superficiale e resistenza meccanica tramite ossidazione mediata da TEMPO. Questo processo introduce selettivamente gruppi carbossilici in posizione C6 delle unità glucosidiche, facilitando la nanofibrillazione senza alterare la cristallinità del materiale. Le TOCNF risultanti mostrano una dispersione stabile in acqua e rappresentano candidati ideali per successive modificazioni chimiche.
Il lavoro si articola in due obiettivi principali: il primo è l’impiego delle TOCNF come additivi strutturali e funzionali nell’industria cartaria, con l’obiettivo di ridurre l’uso di resine sintetiche a base di poliammidoammina-epicloridrina (PAE); il secondo è la funzionalizzazione delle TOCNF con aminosilani per ottenere supporti nanostrutturati per la catalisi eterogenea. In ambito cartario, le TOCNF hanno migliorato la resistenza meccanica, la coesione interna e la densità del foglio, mostrando effetti sinergici anche a basse dosi di PAE. La letteratura conferma che anche basse concentrazioni di nanocellulosa migliorano l’interazione tra fibre e le proprietà del foglio (Isogai et al., 2011; Boufi et al., 2016; Zhao et al., 2022).
Nella seconda parte del lavoro, le TOCNF sono state funzionalizzate covalentemente con aminosilani in condizioni miti, mantenendo la morfologia e la cristallinità delle nanofibre. Le nanofibre modificate sono state utilizzate come supporti per ioni rame, creando un catalizzatore eterogeneo. Il sistema catalitico ha mostrato efficienza e riutilizzabilità nella reazione click Cu(I)-catalizzata tra azide e alchine, producendo triazoli 1,2,3 con alta resa e regioselettività. I risultati confermano il duplice ruolo delle TOCNF, sia come rinforzanti che come supporti funzionali per materiali avanzati.
Questa ricerca evidenzia il potenziale delle TOCNF nel sostituire additivi petrolchimici e nel fungere da piattaforma versatile per la catalisi bio-based, contribuendo alla chimica verde e all’economia circolare.The growing need for sustainable, high-performance materials has fueled a strong interest in renewable resources such as nanocellulose. This thesis explores the valorization of cellulosic biomass through the production, functionalization and application of TEMPO oxidized cellulose nanofibers (TOCNF). Cellulose, an abundant, biodegradable and non-toxic biopolymer, has been transformed into nanostructured material with high surface area and mechanical strength by TEMPO-mediated oxidation. This process selectively introduces carboxyl groups at the C6 position of the glucosidic units, facilitating nanofibrillation without altering the crystallinity of the material. The resulting TOCNFs show a stable dispersion in water and are ideal candidates for subsequent chemical modifications.
The work has different focuses objectives: the use of TOCNFs as structural and functional additives in the paper industry, with the aim of reducing the use of synthetic resins based on polyamide-epichlorohydrin (PAE) and the functionalization of TOCNFs with aminosilanes to obtain nanostructured supports for heterogeneous catalysis. In the paper sector, TOCNFs have improved mechanical strength, internal cohesion and sheet density, showing synergistic effects even at low doses of PAE. The literature confirms that even low concentrations of nanocellulose improve the interaction between fibers and the properties of the foil (Isogai et al., 2011; Boufi et al., 2016; Zhao et al., 2022).
In the functionalization focus, TOCNFs were covalently functionalized with aminosilanes under mild conditions, maintaining the morphology and crystallinity of the nanofibers. The modified nanofibres were used as carriers for copper ions, creating a heterogeneous catalyst. The catalytic system showed efficiency and reusability in the Cu(I)-catalyzed click reaction between azide and alkyne, producing 1,2,3 triazoles with high yield and regioselectivity. The results confirm the dual role of TOCNFs, both as reinforcers and as functional supports for advanced materials.
This research highlights the potential of TOCNFs to replace petrochemical additives and serve as a versatile platform for bio-based catalysis, contributing to green chemistry and the circular economy
Pushing the envelope: TBCC engines for spaceplanes and supersonic aircrafts
No full textLAUREA MAGISTRALELa tesi introduce il lettore all’argomento di profili missione ad alte prestazioni come SSTO ed ALTO nel contesto aerospaziale attuale e loro sistemi propulsivi.
I motori a ciclo variabile/combinato, basati su turbina, sono quindi presi in considerazione in questo studio grazie alle promettenti doti di flessibilità operativa, riusabilità e performance nell’ambito di spazioplani SSTO e aeri supersonici. Programmi storici e pietre miliari sono quindi discussi e guidano il lettore verso la parte analitica della tesi, che consiste nello studio parametrico di progetto e fuori progetto di un motore costituito da turbofan, turbojet e ramjet con modulo a razzo.
Lo studio dei rispettivi cicli termodinamici si basa su ipotesi di condizioni stazionarie, geometria 1D, espansione ottimale in ugello e blocco statori di turbina per il generatore a gas.
I punti di progetto per la fase di On-Design sono stati scelti lungo il range di quote e velocità tipici e i risultati ottenuti hanno permesso la piena definizione del motore in analisi.
Il fuori progetto ha considerato il decollo e le transizioni per il modulo esoreattore, per il modulo a razzo si è considerata l’evoluzione di performance con la quota dall’attivazione alla line di Karmann; a corredo, il confronto con i risultati dell’On-Design. Ipotesi di base, la costanza dei rapporti di temperatura delle turbine tra regimi progetto e fuori da essi per le rispettive modalità motore.
La tesi chiude con una semplice procedura di dimensionamento della struttura del velivolo definendo autonomia e passeggeri trasportabili nonché payload e propellente necessario per l’ascesa allo spazio per l’aereo supersonico e lo spazioplano, rispettivamente.
I risultati non solo hanno permesso di confermare la versatilità di motori VCE/CCE TBCC per su spazioplani ed aerei supersonici ma hanno anche mostrato la possibilità di coesistenza dei due diversi tipi di velivolo qualora una base strutturale comune, dotata del medesimo modulo esoreattore condiviso, possa essere progettata permettendo quindi non solo flessibilità operativa ma, anche, di progetto.This work opens by introducing performance demanding mission types such as SSTO and ALTO profiles in the today’s world aerospace context and develops into the analysis of adequate propulsion systems.
Turbine Based Variable/Combined Cycle Engines are analysed as possible answer to the requirements of operational flexibility, reusability, and performances for SSTO spaceplanes and supersonic aircrafts. Notable programmes and historical milestones do guide the reader toward the analytical part of the work which consists of On-Design, parametrical analysis, and Off-Design study for a VCE/CCE TBCC comprising of turbofan/turbojet/ramjet (TF/TJ/RJ) and rocket (RK) modes.
These cycle(s) investigation relies on different assumptions, mainly the ones of steady state conditions, 1D geometry, optimal nozzle’s expansion for the air-breathing modes, turbines’ stators chocking.
For the On-Design part, adequate Design Points were chosen across typical flight’s speeds and altitudes: retrieved performances helped defining the engine.
For the Off-Design procedure, take-off, TF-to-TJ and TJ-to-RJ phases were considered for the air-breathing module, while for the RK module the evolution of performances with height was considered; comparisons with the Design Point’s results are also there. Base assumption for the procedure is the preservation of turbines’ temperature ratios across On and Off Design for each engine’s mode.
Work closes with a preliminary dimensioning that defines RK mode required propellant, payload, passenger capacity and range; this procedure originates from the definition of common MTOW, OEW and fuselage’s volume for the spaceplane and the aircraft.
This work returned consistent findings that not only confirmed the profitability of VCE/CCE TBCC propulsion systems in spaceplanes and supersonic aircrafts applications but also preliminary demonstrated the possible coexistence of these two types of vehicles given an adequate baseline shared airframe and air-breathing engine’s module thus allowing not only for operational flexibility but also for design process convenience
An application of urban building energy modelling: a district heating case study
No full textLAUREA MAGISTRALENel percorso di decarbonizzazione del patrimonio edilizio urbano, i sistemi di teleriscaldamento (District Heating Systems- DHS) si configurano come una soluzione strategica per la fornitura di energia termica a basse emissioni. L’Urban Building Energy Modelling (UBEM) rappresenta un metodo scalabile per simulare la domanda energetica a livello edilizio e distrettuale, supportando la pianificazione e l’ottimizzazione dei sistemi basandosi su dati. Tuttavia, persistono importanti interrogativi riguardo all’affidabilità dei risultati prodotti dai modelli UBEM, in particolare per quanto riguarda la sensibilità agli input e la capacità di riprodurre correttamente i carichi di picco. La presente tesi analizza le prestazioni di un modello UBEM bottom-up e basato su approcci fisici, applicato a un reale caso studio dotato di un sistema di teleriscaldamento situato nel Nord Italia. Il lavoro propone una metodologia innovativa che integra la modellazione tridimensionale tramite OpenStreetMap, simulazioni con la piattaforma Urban Modeling Interface (UMI) e dati climatici localizzati. Sono stati modellati complessivamente 105 edifici, utilizzando assunzioni basate su archetipi edilizi, poi raffinati a un campione di 65 edifici validati tramite dati di consumo reali. Lo studio prevede tre scenari di simulazione: un modello di base con parametri standard, un modello raffinato con geometrie aggiornate, dati costruttivi e profili di occupazione, e un’ultima simulazione basata su dati climatici provenienti dalla stazione meteorologica più vicina. La metodologia adottata segue un flusso operativo in cinque fasi, raccolta degli input, generazione del modello, simulazione, aggregazione dei risultati e validazione, realizzato all’interno dell’ambiente Rhinoceros con il supporto del tool UMI. La validazione è stata condotta confrontando i dati simulati con quelli monitorati, sia su base oraria che annuale, utilizzando indicatori standard (i.e., MPE, CVRMSE, NMBE) per valutare l’accuratezza del modello. Il modello raffinato ha raggiunto un NMBE pari all’1,30% sul fabbisogno energetico annuale totale, dimostrando un buon allineamento a livello distrettuale. Tuttavia, si osservano una sovrastima costante dei consumi per acqua calda sanitaria e una sottostima del 31% nella previsione dei picchi di carico. Tali limiti sono attribuibili principalmente a imprecisioni nella definizione degli archetipi e a pattern di consumo anomali. I risultati evidenziano l’importanza cruciale della qualità degli input, in particolare dei dati climatici e costruttivi, nel determinare l’accuratezza dei modelli UBEM. Inoltre, confermano che, se opportunamente calibrato, l’UBEM può rappresentare uno strumento efficace per supportare la progettazione dei DHS e l’implementazione di politiche coerenti con gli obiettivi europei. Il lavoro fornisce un flusso metodologico validato per l’applicazione dell’UBEM in contesti urbani reali e individua le principali aree da perfezionare in termini di calibrazione e integrazione dei dati.As cities work toward decarbonizing their building stock, District Heating Systems (DHS) are emerging as a critical solution for delivering low-carbon thermal energy. Urban Building Energy Modelling (UBEM) provides a scalable method to simulate energy demand at the building and district levels, enabling data-driven planning and system optimization. However, there remain significant concerns regarding the reliability of UBEM outputs, particularly their sensitivity to input assumptions and their capacity to reproduce peak demand behaviour. This thesis investigates the performance of a bottom-up, physics-based UBEM workflow applied to a real DHS in northern Italy, using a novel integration of OpenStreetMap-based 3D modelling, UMI simulation, and localized weather datasets. A total of 105 buildings were modelled using archetype-based input assumptions, then refined down to 65 buildings, and validated against real monitored data. The study evaluates three simulation scenarios: a baseline using default parameters, a refined model incorporating updated geometry, construction data, and occupancy assumptions, and a final simulation using localized weather data from the nearest meteorological station. The adopted methodology follows a five-step UBEM workflow, input acquisition, model generation, simulation, output aggregation, and validation, executed using the UMI simulation tool within a Rhino environment. Validation was performed using hourly and annual real-world consumption data, applying standard error metrics (MPE, CVRMSE, NMBE) to assess accuracy. The refined UBEM model achieved a Normalized Mean Bias Error (NMBE) of 1.30% in total annual energy demand, indicating good agreement at district level. Nonetheless, consistent overestimation of domestic hot water (DHW) demand, and a 31% underestimation in peak load magnitude were observed. These limitations were largely attributed to inaccuracies in archetype definitions and abnormal consumption patterns. The findings underline the critical importance of input fidelity, particularly for weather files and building construction data, in shaping UBEM accuracy. Moreover, they demonstrate that while UBEM can effectively support DHS design and EU-aligned policy development, further improvements are needed in behavioural modelling and DHW representation to increase reliability at the building level. This work contributes a validated methodological pipeline for UBEM deployment in real-world urban energy contexts and highlights key areas for future refinement in model calibration and data integration
Mini neutron monitors and NM2023: a comparison with NM64 based on cosmic ray data
No full textLAUREA MAGISTRALEI monitor di neutroni (NMs) sono ad oggi tra i dispositivi più utilizzati per il monitoraggio delle radiazioni cosmiche con rigidità da 1 a 15 GV. Grazie all’elevato rateo di conteggio ed efficienza di rilevazione, sono in grado di misurare variazioni del flusso di radiazione cosmica, come gli eventi di Ground Level Enhancement (GLE) e di Forbush Decrease (FD). Attualmente il network globale, composto da più di 50 stazioni, è costituito principalmente da NM64; tuttavia, negli ultimi design più compatti ed economici sono stati adottati come alternativa, in particolare i mini monitor di neutroni (mNMs) e il NM2023.
Lo scopo di questa tesi è di fornire un’analisi comparativa tra questi nuovi design e il modello NM64 standard, evidenziando differenze in termini di dimensione, peso, funzione di risposta e le varie dipendenze da parametri ambientali. Vengono poi discusse le limitazioni e vantaggi dei vari design, per poi identificare le situazioni ottimali in cui possono essere introdotti per colmare lacune nel network globale.
Attraverso l’analisi di differenti modulazioni della radiazione cosmica, in particolar modo dei Forbush Decrease, si valuta la capacità di questi nuovi design a rilevare tali fenomeni. Inoltre, viene introdotto un primo confronto con i detector di muoni, al fine di estendere la copertura in rigidità e direzionalità.
Dalle analisi emerge che, se integrati correttamente, questi nuovi design mostrano risultati promettenti. Nonostante manchi ancora una sufficiente validazione su campo, a causa della recente introduzione, questi modelli possono essere un’opzione più semplice ed economica del NM64 per scenari futuri.Neutron monitors (NMs) are currently among the most used instruments to monitor cosmic radiation in the rigidity range from 1 to 15 GV. Thanks to their high counting rate and detection efficiency, they are capable of measuring variations of the cosmic ray flux, such as Ground Level Enhancement (GLE) and Forbush Decrease (FD). At present, the global network, consisting of more than 50 stations, is primarily composed of NM64 monitors. However, in recent years more compact and cost-efficient designs have been deployed as alternatives, particularly mini neutron monitors (mNMs) and the NM2023.
The aim of this thesis is to provide a comparative analysis between these new designs and the standard NM64, highlighting differences in terms of size, weight, response function, and dependence on environmental parameters. The limitations and advantages of each model are discussed, to then identify the optimal conditions in which these new designs could be implemented to fill gaps in the global network.
Through the analysis of different modulations of cosmic radiation, with a particular focus on Forbush Decreases, the capabilities of these new designs to detect such events are evaluated. Furthermore, a preliminary comparison with muon detectors is introduced, with the aim of extending coverage in both rigidity and directionality.
From the analysis, it emerges that, if properly integrated, these new designs show promising results. Although field validation is still limited due to their recent developments, these models represent a potentially simpler and more cost-effective alternative to the NM64 in future development scenarios
Types, applications, and design aspects of high-speed electrical machines
No full textLAUREA MAGISTRALELa domanda di macchine elettriche ad alta velocità (HSEMs) è aumentata significativamente grazie al loro potenziale di fornire una maggiore densità di potenza riducendo
contemporaneamente volume e peso. Queste macchine sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, automobilistico, medico ed energetico, dove la compattezza e l’efficienza
sono fondamentali. Le HSEMs, operanti a velocità generalmente superiori ai 10.000
giri/min, offrono vantaggi distinti, ma pongono anche complesse sfide progettuali dovute
all’aumento dei carichi termici, delle sollecitazioni meccaniche e delle perdite elettromagnetiche.
Questa tesi propone una revisione approfondita delle macchine elettriche ad alta velocità,
tra cui le macchine a induzione, a magneti permanenti, a riluttanza commutata e sincrone
omopolari. Ogni topologia viene analizzata in termini di caratteristiche strutturali, comportamento elettromagnetico e idoneità al funzionamento ad alta velocità. Particolare
attenzione è rivolta ai compromessi tra resistenza meccanica ed efficienza elettromagnetica nelle varie configurazioni di rotore, come quelle a rotore solido liscio, con cave assiali,
lamellare e a gabbia di scoiattolo.
Inoltre, lo studio esamina le applicazioni pratiche che evidenziano i vantaggi delle HSEMs
nei diversi settori industriali. Viene condotta un’analisi multidisciplinare completa degli
aspetti progettuali, tra cui le perdite nei conduttori e nel ferro, la dinamica del rotore, la
selezione dei cuscinetti, la modellazione termica e i sistemi di raffreddamento. L’obiettivo
è identificare le caratteristiche progettuali essenziali e le limitazioni che influenzano le
prestazioni e l’affidabilità delle macchine ad alta velocità. Il lavoro si conclude con una
raccolta di tecniche e linee guida ottimali per migliorare la progettazione delle HSEMs in
presenza di esigenze contrastanti di natura meccanica ed elettromagnetica.The demand for high-speed electrical machines (HSEMs) has significantly increased thanks
to its potential to provide higher power density while minimizing volume and weight.
These machines are extensively utilized in the aerospace, automotive, medical, and energy industries, where compactness and efficiency are paramount. HSEMs, operating
at speeds generally over 10,000 RPM, present distinct advantages while simultaneously
posing complicated design issues due to higher thermal loads, mechanical stress, and
electromagnetic losses.
This thesis offers a comprehensive review of high-speed electric machines, namely highspeed induction machines, permanent magnet machines, switching reluctance machines,
and synchronous homopolar machines. Each topology is analyzed regarding its structural
characteristics, electromagnetic behaviour, and suitability for high-speed performance.
Emphasis is placed on the trade-offs between mechanical strength and electromagnetic efficiency in various rotor topologies, including smooth solid, slitted, laminated, and squirrel
cage designs.
Additionally, the study explores practical applications that demonstrate the advantages
of HSEMs across diverse sectors. A comprehensive multidisciplinary analysis is performed
on design elements including copper and iron losses, rotor dynamics, bearing selection,
thermal modeling, and cooling systems. The objective is to identify essential design characteristics and restrictions that influence machine performance and dependability at high
speeds. This study closes with a collection of optimal techniques and guidelines for enhancing HSEM design amidst competing mechanical and electromagnetic demands
Super-CORO : superstructure-based capex/opex robust optimizer : a process superstructure optimization framework
Get PDFLAUREA MAGISTRALEL’ottimizzazione svolge un ruolo centrale nella progettazione e nello sviluppo dei processi chimici, permettendo agli ingegneri di ridurre i costi, aumentare l’efficienza energetica e valutare alternative complesse in condizioni di incertezza. In questo contesto, i metodi basati su superstrutture offrono un approccio sistematico e flessibile per identificare configurazioni ottimali di processo a partire da un insieme di tecnologie realizzabili in un mercato in rapida evoluzione.
Questa tesi presenta lo sviluppo e l’implementazione di un algoritmo Branch and Bound per l’ottimizzazione di superstrutture nell’industria di processo. Il metodo è applicato a una superstruttura di un ciclo Rankine modellata in Aspen HYSYS e controllata tramite Excel VBA. L’algoritmo esplora sistematicamente configurazioni alternative del processo definendo il flowsheet come un grafo e suddividendolo in “nodi” interconnessi delimitati da switch strutturali. Ogni nodo rappresenta una sottorete di unità e correnti, il cui costo capitale è valutato utilizzando equazioni modulari derivate dal metodo di Turton.
L’albero decisionale viene esplorato utilizzando una strategia di depth-first search (DFS). Un meccanismo di potatura basato sul costo viene adottato per scartare i rami subottimali. L’algoritmo gestisce con successo topologie complesse, incluse correnti di riciclo, recupero di calore e unità condivise, senza richiedere interventi manuali. In particolare, questo approccio non richiede alcun modello matematico di ottimizzazione, rendendolo intuitivo e facilmente adattabile.
I risultati confermano la robustezza e l’efficienza computazionale del metodo. La sua logica basata su grafi consente una rappresentazione chiara e modulare delle configurazioni alternative, aprendo la strada a futuri sviluppi. In particolare, come l’inclusione dei costi operativi, strategie ibride DFS/BFS e l’integrazione in interfacce più user-friendly, l’approccio potrebbe essere esteso per minimizzare l’impatto ambientale tramite Life Cycle Assessment (LCA), semplicemente ridefinendo la funzione obiettivo.Optimization plays a central role in the design and development of chemical processes, enabling engineers to reduce costs, increase energy efficiency, and evaluate complex alternatives under uncertainty. In this context, superstructure-based methods offer a systematic and flexible way to identify optimal process configurations from a set of feasible technologies in a rapidly changing market.
This thesis presents the development and implementation of a Branch and Bound algorithm for superstructure optimization in the process industry. The method is applied to a superstructure of a Rankine cycle modeled in Aspen HYSYS and controlled via Excel VBA. The algorithm systematically explores alternative process configurations by defining the flowsheet as a graph and partitioning it into interconnected "nodes" bounded by structural switches. Each node represents a subnetwork of units and streams. Its capital cost is evaluated using modular equations derived from Turton’s method.
The decision tree is explored using a depth-first search (DFS) strategy. A costbased pruning mechanism is adopted to discard suboptimal branches. The algorithm successfully handles complex topologies including recycle streams, heat recovery, and shared units, without requiring manual intervention. Notably, this approach does not require any mathematical optimization model, making it intuitive and easily adaptable.
The results confirm the robustness and computational efficiency of the method. Its graph-based logic allows for a clear and modular representation of alternative configurations, paving the way for future developments. In particular, such as the inclusion of operating costs, hybrid DFS/breadth-first search (BFS) strategies, and integration into more user-friendly interfaces., the approach could be extended to minimize environmental impacts via Life Cycle Assessment (LCA) by simply redefining the objective function
The Château de Rosières-en-Vivarais: a study of the history of the castle, its condition today, and the future of chateaux in France
No full textLAUREA MAGISTRALEEssendo sempre stato una residenza privata, la documentazione relativa alla storia e all'architettura del Castello di Rosières è scarsa. Gli storici locali hanno studiato la regione: le sue importanti famiglie nobiliari, i villaggi, le guerre e la geografia, ma mancano informazioni specifiche sulla storia di questo castello in particolare. Questa tesi racconta i cambiamenti del castello nel corso del tempo, raccogliendo informazioni provenienti da storici locali come punto di partenza e avvalendosi dell'osservazione diretta, dell'analisi archeologica e dello studio dei documenti d'archivio privati relativi al castello e alla famiglia. La ricerca parte da uno studio approfondito sulla storia del Castello di Rosières, partendo dall'analisi dei manoscritti storici conservati negli archivi della famiglia e ripercorrendone la storia, tramandata di famiglia in famiglia, dalla sua costruzione originaria nel XII secolo, passando per la Guerra dei Cent'anni del XIV-XV secolo, le guerre di religione del XVI-XVII secolo, fino al periodo più pacifico del XVII-XX secolo, fino ai giorni nostri.
La ricerca storica è integrata da ricerche di prima mano in loco. Attraverso l'osservazione diretta e il rilievo dello stato attuale del castello, e un'analisi archeologica delle facciate, viene tracciata una cronologia che ipotizza l'evoluzione dell'edificio nel corso dei secoli. La ricerca storica culmina in disegni di ipotesi sulle fasi di sviluppo del castello, rappresentate attraverso planimetrie e disegni assonometrici. La tesi si conclude con un'analisi del ruolo dei castelli oggi e della tendenza alla loro riconversione in attività commerciali, in particolare a seguito dello scoppio del COVID. I proprietari del Castello di Rosières stanno lavorando per realizzare un modello di business sostenibile che sia un esempio di come onorare al meglio la storia di questi importanti edifici. L'obiettivo è che questa ricerca supporti i proprietari nei loro interventi sul castello, svelandone la storia e il significato culturale, dimostrando così un approccio universale: solo attraverso una profonda comprensione di questi edifici è possibile restaurarli e utilizzarli nel modo più rispettoso possibile.Having always been a private residence, there is little documentation regarding the history and architecture of the Château de Rosières. Local historians have researched the region: its important noble families, villages, wars, and geography, but there is a gap concerning the history of this castle in particular. This thesis recounts the changes in the castle over time, collecting information sourced from local historians as a starting point, and using direct observation, archaeological analysis, and a study of the private archival documents related to the castle and the family.
The research departs with a comprehensive study into the history of the Château de Rosières, starting from an analysis of the historic manuscripts in the Rosières archives, and tracing its history as it has passed from family to family from its original construction in the 12th century, through the Hundred Years’ War of the 14th-15th centuries, the religious wars of the 16th- 17th centuries, to the more peaceful period of the 17th-20th centuries, and the present day.
Historic research is complemented by first-hand research on-site. Through direct observation and surveying of the existing state of the castle, and an archaeological analysis of the facades, a chronological timeline is created hypothesising the evolution of the building over the centuries. The historical research culminates in hypothesis drawings of the phases of development of the castle, represented through plans and axonometric drawings.
The thesis concludes with an exploration of the role of châteaux today and the trend in the conversion of châteaux into businesses, particularly since the outbreak of covid. The owners of the Château de Rosières are working towards achieving a sustainable business model which serves as an example of how to best honour the history of these important buildings. The intention is that this research will support the owners in their works on the castle by revealing the history and cultural significance of the property, thus demonstrating a universal approach, for it is only through a deep understanding of these buildings that they can be restored and used in the most respectful way possible
Towards the green production of base chemicals
Get PDFDOTTORATOTra i principali responsabili di emissioni di gas climalteranti nell’industria chimica, vi sono diversi processi della chimica di base (e.g., sintesi dell’ammoniaca o del metanolo) che si distinguono per l’elevato consumo di idrogeno. La presente tesi di dottorato si concentra sulla sostituzione di tale idrogeno “grigio” (poiché tipicamente sintetizzato da idrocarburi: e.g., gas naturale o carbone) con idrogeno “verde” (i.e. prodotto tramite elettrolisi dell’acqua con elettricità rinnovabile). Nondimeno, la principale complessità operativa introdotta da questo approccio consiste nella necessità di conciliare la non-programmabilità delle fonti energetiche rinnovabili (che si ripercuote inevitabilmente sull’elettrolizzatore e, conseguentemente, sulla produzione di idrogeno verde) con la scarsa flessibilità degli impianti chimici (tradizionalmente concepiti per essere operati in condizioni stazionarie). Nello specifico, in questo lavoro vengono introdotte delle nuove metodologie per la progettazione di (i) sistemi per la produzione di idrogeno verde (i.e. volti a dimensionare l’elettrolizzatore ed il parco rinnovabile necessario ad alimentarlo) e (ii) sistemi che consentano di adeguare l’intrinseca discontinuità delle fonti rinnovabili ai requisiti operativi degli impianti chimici a valle tramite accumulo materiale (i.e. serbatoi) e/o elettrico (i.e. batterie). Dunque, tali strumenti sono stati applicati per condurre studi di fattibilità su impianti per la produzione di ammoniaca il cui fabbisogno di idrogeno fossile risulta parzialmente (“hybrid-green ammonia”) o totalmente (“green ammonia”) rimpiazzato con idrogeno verde.Among the main emitters of greenhouse gases in the chemical industry, several base-chemical processes (e.g., ammonia and methanol synthesis) stand out for their high hydrogen consumption. The present doctoral dissertation examines the opportunity of replacing such “grey” hydrogen (as it is typically synthesized from hydrocarbons, e.g., natural gas and coal) with “green” hydrogen (i.e. produced via water electrolysis powered by renewable electricity). Nevertheless, major operational issues due to this approach arise from the need to reconcile non-dispatchable renewable energy sources (which inevitably affect the electrolyzer and, therefore, the production of green hydrogen) with the low flexibility of chemical plants (traditionally designed to operate in stationary conditions). Specifically, this thesis introduces new methodologies for the design of (i) systems to produce green hydrogen (i.e. aimed at sizing the electrolyzer and its renewable power plant) and (ii) systems allowing the inherent discontinuities of renewable sources to meet the operational requirements of the downstream chemical plant through a material (i.e. tanks) or electrical (i.e. batteries) storage. Consequently, such tools have been applied to carry out feasibility studies on ammonia plants wherein the fossil-based hydrogen input is partially (“hybrid-green ammonia”) or totally (“green ammonia”) replaced with green hydrogen.DIPARTIMENTO DI CHIMICA, MATERIALI E INGEGNERIA CHIMICA "GIULIO NATTA"37MAESTRI, MATTEOCAVALLOTTI, CARLO ALESSANDR
Sustainable insulation with hemp-lime: a performance study of a timber building in Italy
No full textLAUREA MAGISTRALEL'industria delle costruzioni è sempre più orientata verso materiali sostenibili ed energeticamente efficienti, con l'obiettivo di ridurre l'impatto ambientale mantenendo al contempo integrità strutturale e comfort abitativo. Tra i materiali innovativi che stanno suscitando crescente interesse vi è la calcecanapa, un biocomposito realizzato a partire dal canapulo, il nucleo legnoso della pianta di canapa, e un legante a base di calce. Questa risorsa ecologica e innovativa si distingue per le promettenti proprietà di isolamento termico, regolazione dell'umidità e cattura di CO2, rappresentando così una potenziale alternativa ai materiali isolanti convenzionali come la vetroresina o i foam boards.
Questo studio analizza le prestazioni della calcecanapa come materiale isolante all'interno di una piccola abitazione in legno realizzata da CreoPURO nelle campagne vicino a Verona. L'attenzione si concentra sulla resistenza termica, sulla capacità di gestione dell'umidità e sull'impatto complessivo sul comfort abitativo. L'obiettivo è valutare se la calcecanapa possa costituire una soluzione valida per abitazioni a basso consumo energetico, offrendo al contempo vantaggi ambientali ed economici. Attraverso una combinazione di simulazioni in laboratorio e di monitoraggi reali, effettuati grazie a sensori integrati nelle pareti della casa, questa ricerca mira ad approfondire la conoscenza di questa risorsa sostenibile e a fornire indicazioni pratiche sulla sua fattibilità nell'ambito delle costruzioni.
L'ultima parte dello studio include un'analisi del ciclo di vita (LCA) dell'edificio, condotta utilizzando il software One-Click LCA, fondamentale per avere una visione d'insieme dell'impatto ambientale associato alla realizzazione di un'abitazione in calcecanapa.The construction industry is increasingly seeking sustainable and energy-efficient materials to reduce environmental impact while maintaining structural integrity and comfort. One such material gaining attention is hemp-lime (also known as hempcrete), a bio-composite made from hemp shives, the woody core of the hemp plant, and a lime-based binder. This innovative and eco-friendly resource is characterized by promising thermal insulation, moisture regulation and carbon sequestration properties, making it a potential alternative to conventional insulating materials, such as fiberglass or foam boards.
This study investigates the performance of hemp-lime as an insulating material in a small wooden house built in the countryside near Verona by CreoPURO. The focus is on its thermal resistance, moisture-handling capabilities, and overall impact on indoor comfort. The aim is to assess whether hemp-lime can offer a viable solution for energy-efficient housing while also offering environmental and economic benefits. Through a combination of simulations of laboratory and real-world monitoring using sensors embedded in the house’s walls, this research seeks to deepen understanding of this green resource and provide practical insights into its feasibility in sustainable construction.
The final part of the research includes a Life Cycle Assessment (LCA) of the building, conducted using One-Click LCA. This analysis is essential to have a general view on the environmental impact associated with constructing a house using hemp-lime