Decision support methodology for sustainable smart energy systems integration

The global demand for energy is continuously increasing, and the carbon dioxide production related to the energy sector represents a large share of the overall anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions, since most of the energy needs are still provided by fossil fuels. To achieve the energy efficiency targets set by EU for the 2030 an energy transition towards more sustainable energy sources is required. The challenge will be the integration of different energy sectors in a smart energy system (SMES). Adopting a circular economy perspective it will be possible to turn the view on waste starting considering them as an energy source allowing more interactions between different stakeholders while exploiting technologies for the reduction of the environmental impact. This change in perspective needs also a change in the paradigm while taking decision on the implementation of this kind of interventions. The aim of this thesis is to fill the gaps in the development of decision support tools aiding the stakeholders in those interventions where SMES are implemented with developing and sustainable solutions

Demand-Response Application in Wastewater Treatment Plants Using Compressed Air Storage System: A Modelling Approach

Wastewater treatment plants (WWTPs) are known to be one of the most energy-intensive industrial sectors. In this work, demand response was applied to the biological phase of wastewater treatment to reduce plant electricity cost, considering that the daily peak in flowrate typically coincides with the maximum electricity price. Compressed air storage system, composed of a compressor and an air storage tank, was proposed to allow energy cost reduction. A multi-objective modelling approach was applied by analyzing dierent scenarios (with and without anaerobic digestion, AD), considering both plant characteristics (in terms of treated flowrate and influent chemical oxygen demand, COD, concentration) and storage system properties (volume, air pressure), together with the current Italian market economic conditions. The results highlight that air tank volume has a strong positive influence on the obtainable economic savings, with a less significant impact held by air pressure, COD concentration and flowrate. In addition, biogas exploitation from AD led to an improvement in economic indices. The developed model is highly flexible and can be applied to dierent WWTPs and market conditions

Evaluating the environmental and economic impact of fruit and vegetable waste valorisation: The lettuce waste study-case

The fruit and vegetable sector generates large amounts of waste, which poses both environmental and economic issues. Different strategies can be applied to valorise fruit and vegetable waste (FVW) by turning it into value-added products. However, the economic and environmental impact of such strategies is largely unknown. In this paper, the environmental and economic impact of FVW valorisation on an industrial scale was evaluated by developing a Decision Support System (DSS). To this aim, the lettuce waste study-case was considered, since different innovative laboratory-scale strategies have been recently proposed for its valorisation. Investment and running costs, energetic demand and yields of lettuce waste valorisation processes were collected based on laboratory tests and industrial surveys. The application of the DSS estimated that if 30% of lettuce waste annually produced by a large company was valorised by using a system configuration that involves not only anaerobic digestion and composting, but also high pressure homogenisation to produce fresh juices, and ultrasound-assisted extraction to produce antioxidant extracts, this configuration would lead to an investment lower than 10 million \u20ac, a 1 year-pay-back time and a 72 tons-reduction of carbon dioxide emissions, thus representing a rational compromise between economic returns and environmental advantage. The developed multi-objective DSS is a valuable tool to identify the most sustainable and investment-worthy processes for the valorisation of FVW

Le couple Eh/pH du sol : sa mesure, son impact sur la mobilité des nutriments et la croissance du tournesol

Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte d’agriculture durable qui vise à consommer de moins en moins d’intrants tout en maintenant des niveaux de production de biomasse croissante, aussi bien en termes de quantité que de qualité. De tels niveaux ne peuvent être atteints qu’à la condition que les végétaux cultivés puissent se développer dans des conditions optimales, et notamment avoir accès aux éléments minéraux essentiels à leur croissance. De nombreux facteurs interviennent dans la mise à disposition des nutriments présents dans le sol pour les cultures comme le pH ou le potentiel d’oxydo-réduction (Eh). Plusieurs auteurs ont montré que les plantes fonctionnaient au sein d’une gamme interne Eh/pH bien spécifique et qu’elles ont la capacité de modifier ces paramètres dans la rhizosphère pour assurer l’homéostasie intracellulaire. Cette étude a pour objectif final de contribuer à la compréhension des effets du potentiel redox du sol sur la mobilité et la mise à disposition des nutriments pour la plante. La difficulté réside dans la nécessité de réaliser les mesures aussi bien pour le Eh que le pH, in situ dans le sol et en présence de plantes. Bien que connaître le Eh sol soit essentiel, sa mesure reste complexe en raison du manque de fiabilité des protocoles proposés, de l’hétérogénéité du système poral du sol et de la variabilité temporelle des conditions pédoclimatiques. Ainsi, le premier défi relevé par ces travaux a été d’ordre métrologique. Cette thèse propose des avancées pratiques sur la mesure du Eh dans les sols en utilisant des électrodes combinées. Le dispositif a été appliqué au suivi d’une culture en pots (1L) de tournesols placés pendant 70 jours dans différentes conditions pédoclimatiques. Cette campagne a notamment permis d’évaluer les relations existantes entre le couple Eh /pH du sol et la forme chimique disponible des principaux nutriments présents dans celui-ci (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, B, Zn, Cu et Mo). Les travaux ont ainsi montré que l’azote et le fer étaient les variables clés déterminant le Eh des sols. Alors que certains éléments (N, Fe, Mn, S) sont directement dépendants des variations du Eh et du pH des sols, d’autres (Mg, Ca, P, Cu, Zn, Mo) voient leur disponibilité indirectement impactée. Considérant l’ensemble de ces résultats, la question posée a alors été de savoir si la mesure du Eh du sol permettrait, d’une quelconque manière, de fournir un indicateur capable de rendre compte de « l’état favorable » du sol dans lequel sont cultivés les plantes. Afin de répondre à ce besoin un nouveau paramètre, nommé Ehcumul a été proposé, à l’instar du degré jour qui décrit, en agronomie, les besoins en température des plantes pour leur développement. De fortes corrélations entre Ehcumul et la croissance des tournesols ont permis de confirmer qu’il existe bien des conditions optimales de Eh des sols : 440 mV/ENH, dans notre expérimentation. Plus les conditions s’éloignent de cette valeur optimale, et moins le tournesol produit de biomasse. Faisant l’hypothèse que l’activité biologique des sols pouvait jouer un rôle central sur les valeurs du Eh, le suivi du tournesol a également été mené sur des sols préalablement stérilisés par étuvage. Ayant été portés 5 jours à 105°C, ces sols ont vu leur teneur en carbone organique dissous (COD) bien supérieure aux autres, suite à une dégradation de la matière organique la plus labile. L’augmentation du COD a eu de multiples impacts, dont celui de maintenir une valeur de Eh relativement modérée. Ces résultats ouvrent des perspectives concernant l’impact des matières organiques du sol pour y maintenir des valeurs de potentiels d’oxydo-réduction optimales pour la croissance des végétaux

La Guinée Espagnole

Cottes A. La Guinée Espagnole. In: Annales de Géographie, t. 18, n°102, 1909. pp. 433-450

The soil redox potential (Eh) : its measurement, its impact on the mobility of nutrients and the growth of sunflower

Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte d’agriculture durable qui vise à consommer de moins en moins d’intrants tout en maintenant des niveaux de production de biomasse croissante, aussi bien en termes de quantité que de qualité. De tels niveaux ne peuvent être atteints qu’à la condition que les végétaux cultivés puissent se développer dans des conditions optimales, et notamment avoir accès aux éléments minéraux essentiels à leur croissance. De nombreux facteurs interviennent dans la mise à disposition des nutriments présents dans le sol pour les cultures comme le pH ou le potentiel d’oxydo-réduction (Eh). Plusieurs auteurs ont montré que les plantes fonctionnaient au sein d’une gamme interne Eh/pH bien spécifique et qu’elles ont la capacité de modifier ces paramètres dans la rhizosphère pour assurer l’homéostasie intracellulaire. Cette étude a pour objectif final de contribuer à la compréhension des effets du potentiel redox du sol sur la mobilité et la mise à disposition des nutriments pour la plante. La difficulté réside dans la nécessité de réaliser les mesures aussi bien pour le Eh que le pH, in situ dans le sol et en présence de plantes. Bien que connaître le Eh sol soit essentiel, sa mesure reste complexe en raison du manque de fiabilité des protocoles proposés, de l’hétérogénéité du système poral du sol et de la variabilité temporelle des conditions pédoclimatiques. Ainsi, le premier défi relevé par ces travaux a été d’ordre métrologique. Cette thèse propose des avancées pratiques sur la mesure du Eh dans les sols en utilisant des électrodes combinées. Le dispositif a été appliqué au suivi d’une culture en pots (1L) de tournesols placés pendant 70 jours dans différentes conditions pédoclimatiques. Cette campagne a notamment permis d’évaluer les relations existantes entre le couple Eh /pH du sol et la forme chimique disponible des principaux nutriments présents dans celui-ci (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, B, Zn, Cu et Mo). Les travaux ont ainsi montré que l’azote et le fer étaient les variables clés déterminant le Eh des sols. Alors que certains éléments (N, Fe, Mn, S) sont directement dépendants des variations du Eh et du pH des sols, d’autres (Mg, Ca, P, Cu, Zn, Mo) voient leur disponibilité indirectement impactée. Considérant l’ensemble de ces résultats, la question posée a alors été de savoir si la mesure du Eh du sol permettrait, d’une quelconque manière, de fournir un indicateur capable de rendre compte de « l’état favorable » du sol dans lequel sont cultivés les plantes. Afin de répondre à ce besoin un nouveau paramètre, nommé Ehcumul a été proposé, à l’instar du degré jour qui décrit, en agronomie, les besoins en température des plantes pour leur développement. De fortes corrélations entre Ehcumul et la croissance des tournesols ont permis de confirmer qu’il existe bien des conditions optimales de Eh des sols : 440 mV/ENH, dans notre expérimentation. Plus les conditions s’éloignent de cette valeur optimale, et moins le tournesol produit de biomasse. Faisant l’hypothèse que l’activité biologique des sols pouvait jouer un rôle central sur les valeurs du Eh, le suivi du tournesol a également été mené sur des sols préalablement stérilisés par étuvage. Ayant été portés 5 jours à 105°C, ces sols ont vu leur teneur en carbone organique dissous (COD) bien supérieure aux autres, suite à une dégradation de la matière organique la plus labile. L’augmentation du COD a eu de multiples impacts, dont celui de maintenir une valeur de Eh relativement modérée. Ces résultats ouvrent des perspectives concernant l’impact des matières organiques du sol pour y maintenir des valeurs de potentiels d’oxydo-réduction optimales pour la croissance des végétaux.This work is part of a sustainable agriculture context that aims to consume fewer and fewer inputs while maintaining increasing biomass production levels, both in terms of quantity and quality. Such levels can only be achieved if cultivated plants can develop under optimal conditions, including access to the mineral elements essential for their growth. Many factors are involved in the availability of nutrients in the soil for crops such as pH or oxidation-reduction potential (Eh). Several authors have shown that plants grow within a specific Eh/pH range and are able to alter these parameters in the rhizosphere to ensure intracellular homeostasis. The final objective of this study is to understand the effects of soil redox potential on mobility and availability of nutrients to the plant. The need to carry out measurements for both Eh and pH, in situ in the soil with plants is a real matter. Measuring soil Eh is essential but complex due to the lack of measurement reliability resulting from high temporal variability and metrological challenges. This work proposes practical advancements for measuring Eh in soils using combined electrodes. The protocol was applied to monitor a sunflowers pot culture (1L) for a 70 days campaign under different soil and climate conditions. The relationships between soil Eh / pH and the availability of nutrients presents in the soil (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, B, Zn, Cu and Mo) has been analysed. This study has highlighted the impact of nitrogen and iron in soil Eh values. While some elements (N, Fe, Mn, S) are directly impacted by soil Eh and pH variations, others (Mg, Ca, P, Cu, Zn, Mo) have their mobility and availability indirectly affected. Considering all these results, the objective of this experiment was to determine if soil Eh would in any way provide an indicator that could represents the "favourable state" of soil for plants growth. To achieve this objective a new parameter, called Ehcumul, has been proposed, similar to the degree day, which describes, in agronomy, the temperature needs for plants growth. Strong correlations between Ehcumul and sunflower growth revealed the existence of optimal soil Eh conditions: 440 mV/ENH, in our experiment. Assuming that biological activity of the soils could play a central role in Eh values, sunflower monitoring was also carried out on soils previously sterilized by drying (105°C for 5 days). The dissolved organic carbon (DOC) contents of these soils is increased compared to non-sterilised soils, due to degradation of the most labile organic matter. The consequence was a moderated and constant Eh value. These results open up perspectives on the impact of soil organic matter to maintain optimal soil redox potential values for plant growth

Genre nouveau de Staphylinien et description de nouvelles esp\ue8ces de Col\ue9opt\ue8res de Syrie et d\u27Europe

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Integrating industrial waste heat recovery into sustainable smart energy systems

To achieve the EU climate and energy objectives, a transition towards a future sustainable energy system is needed. The integration of the huge potential for industrial waste heat recovery into smart energy system represents a main opportunity to accomplish these goals. To successfully implement this strategy, all the several stakeholders' con\ufb02icting objectives should be considered. In this paper an evolutionary multi-objective optimization model is developed to perform a sustainability evaluation of an energy system involving an industrial facility as the waste heat source and the neighbourhood as district heating network end users. An Italian case study of heat recovery from a steel casting facility shows how the model allows to properly select the district heating network set of users to fully exploit the available waste energy. Design directions such as the thermal energy storage capacity can be also provided. Moreover, the model enables the analysis of the trade-off between the stakeholders\u2019 different per-spectives, allowing to identify possible win-win solutions for both the industrial sector and the citizenship

100% renewable wastewater treatment plants: Techno-economic assessment using a modelling and optimization approach

Renewable energies are being given increasing attention worldwide, as they are able to reduce the dependence on depletable fossil fuels. At the same time, wastewater treatment is known to be a significantly energy-intensive sector, which could potentially exploit renewable energies conversion in different forms. This study investigated the feasibility to design high renewable share wastewater treatment plants through dynamic simulations and optimization, aiming to move towards greener and energy-wise wastewater remediation processes. The main aim of the work was achieved by integrating photovoltaic systems with wind turbines, multi-energy storage technologies, i.e., batteries and hydrogen systems, and reverse osmosis tertiary treatment to absorb the power production surpluses. It was supposed that, in the newly proposed scenario, most of the plant electricity need would be covered by renewable energy. The optimization problem was multi-objective and found the trade-off solutions between minimizing the net present cost and maximizing the renewable share. In the first part of the study, the model was developed and applied to a medium-scale Italian municipal wastewater treatment plant. Model generalization was successively accomplished by applying the model to different locations and plant scales across the world. For all the investigated scenarios and cases, the optimal system integration was to design a renewable and storage system with a renewable share of 70%, corresponding to the lowest net present cost. The developed model is highly flexible and can be applied to other relevant case studies, boosting for a more sustainable wastewater treatment sector, enhancing at the same time local renewable energy conversion