Fuzzy modelling of prescribed burning effects on soil physical properties

This paper presents the preliminary work of an approach where Fuzzy Boolean Nets (FBN) are being used to extract qualitative knowledge regarding the effect of prescribed fire burning on soil chemical physical properties. FBN were chosen due to the scarcity on available quantitative data.

Prescribed burning impact on forest soil properties – a fuzzy boolean nets approach

The Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the Summer season. These occurrences significantly affect and negatively impact all ecosystems, namely soil, fauna and flora. In order to reduce the occurrences of natural wildfires, some measures to control the availability of fuel mass are regularly implemented. Those preventive actions concern mainly prescribed burnings and vegetation pruning. This work reports on the impact of a prescribed burning on several forest soil properties, namely pH, soil moisture, organic matter content and iron content, by monitoring the soil self-recovery capabilities during a one year span. The experiments were carried out in soil cover over a natural site of Andaluzitic schist, in Gramelas, Caminha, Portugal, which was kept intact from prescribed burnings during a period of four years. Soil samples were collected from five plots at three different layers (0–3, 3–6 and 6–18) 1 day before prescribed fire and at regular intervals after the prescribed fire. This paper presents an approach where Fuzzy Boolean Nets (FBN) and Fuzzy reasoning are used to extract qualitative knowledge regarding the effect of prescribed fire burning on soil properties. FBN were chosen due to the scarcity on available quantitative data. The results showed that soil properties were affected by prescribed burning practice and were unable to recover their initial values after one year.

Soil attributes dynamics evaluation after prescribed burning practice in northwestern Portugal forest

The Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the summer season. These occurrences affect significant and rudely all ecosystems, namely soil, fauna and flora. Preventive actions such as prescribed burnings and clear-cut logging are frequently used and have showed a significant reduction of the natural wildfires occurrences. In Portugal, and due to some technical and operational conditions, prescribed burnings in forests are the most common preventive action used to reduce the existing fuel hazard. The overall impacts of this preventive action on Portuguese ecosystems are complex and not fully understood. This work reports to the study of a prescribed burning impact in soil chemical properties, namely pH, humidity and organic matter, by monitoring the soil self-recovery capacity. The experiments were carried out in soil cover over a natural site of Andaluzitic schist, in Gramelas, Caminha, Portugal, who was able to maintain itself intact from prescribed burnings from four years. The composed soil samples were collected from five plots at three different layers (0-3cm, 3-6cm and 6-18cm) 1 day before prescribed fire and after the prescribed fire. The results have shown that the dynamic equilibrium in soil was affected significantly.

On sampling collection procedure effectiveness for forest soil characterization

One of the most important measures to prevent wild forest fires is the use of prescribed and controlled burning actions as it reduce the fuel mass availability. The impact of these management activities on soil physical and chemical properties varies according to the type of both soil and vegetation. Decisions in forest management plans are often based on the results obtained from soil-monitoring campaigns. Those campaigns are often man-labor intensive and expensive. In this paper we have successfully used the multivariate statistical technique Robust Principal Analysis Compounds (ROBPCA) to investigate on the sampling procedure effectiveness for two different methodologies, in order to reflect on the possibility of simplifying and reduce the sampling collection process and its auxiliary laboratory analysis work towards a cost-effective and competent forest soil characterization.

Insignificant impact of prescribed fire on surface soil in a Pinus pinaster plantation, northern Portugal

Following a prescribed fire in a Pinus pinaster forest site located in the north-west Portugal, monitoring of any changes in selected soil characteristics and soil hydrology was undertaken to assess the effects of burning on the following: pH, electrical conductivity, water content, organic carbon and porosity. Thirty plots were established on a regular grid. At each sample plot before and after the fire, samples were collected (disturbed samples from depths of 0-1cm and 1-5cm; undisturbed core samples from 0-5cm). The results indicate that there was no measurable impact on the properties of the soil following this carefully conducted prescribed fire. The fire only affected the litter layer, as intended. Confirmation of this minimal impact on the soil was provided by regrowth of grasses and herbs already occurring two months after the fire. The implication is, therefore, that provided this wildfire-risk reduction strategy is carried out under existing strict guidelines, any impact on soil quality will be minimal.

Space-time monitoring of prescribed burnt soils performance – an effective tool for forest management

Among the most important measures to prevent wild forest fires is the use of prescribed and controlled burning actions in order to reduce the availability of fuel mass. However, the impact of these activities on soil physical and chemical properties varies according to the type of both soil and vegetation and is not fully understood. Therefore, soil monitoring campaigns are often used to measure these impacts. In this paper we have successfully used three statistical data treatments - the Kolmogorov-Smirnov test followed by the ANOVA and the Kruskall-Wallis tests – to investigate the variability among the soil pH, soil moisture, soil organic matter and soil iron variables for different monitoring times and sampling procedures.

Fuzzy Boolean nets investigation of the alteration of some physical forest soil properties due to a prescribed fire action

Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the summer season. Some preventive actions, such as prescribed (or controlled) burnings and clear-cut logging, are often used as a measure to reduce the occurrences of wildfires. In the particular case of Serra da Cabreira forest, due to extremely difficulties in operational field work, the prescribed (or controlled) burning technique is the the most common preventive action used to reduce the existing fuel load amount. This paper focuses on a Fuzzy Boolean Nets analysis of the changes in some forest soil properties, namely pH, moisture and organic matter content, after a controlled fire, and on the difficulties found during the sampling process and how they were overcome. The monitoring process was conducted during a three-month period in Anjos, Vieira do Minho, Portugal, an area located in a contact zone between a two-mica coarse-grained porphyritic granite and a biotite with plagioclase granite. The sampling sites were located in a spot dominated by quartzphyllite with quartz veins whose bedrock is partially altered and covered by slightly thick humus, which maintains low undergrowth vegetation.

Acquisition and data analysis related to changes in some forest soils properties after prescribed fire action

Controlled fires in forest areas are frequently used in most Mediterranean countries as a preventive technique to avoid severe wildfires in summer season. In Portugal, this forest management method of fuel mass availability is also used and has shown to be beneficial as annual statistical reports confirm that the decrease of wildfires occurrence have a direct relationship with the controlled fire practice. However prescribed fire can have serious side effects in some forest soil properties. This work shows the changes that occurred in some forest soils properties after a prescribed fire action. The experiments were carried out in soil cover over a natural site of Andaluzitic schist, in Gramelas, Caminha, Portugal, that had not been burn for four years. The composed soil samples were collected from five plots at three different layers (0-3cm, 3-6cm and 6-18cm) during a three-year monitoring period after the prescribed burning. Principal Component Analysis was used to reach the presented conclusions.

Polycyclic aromatic hydrocarbons: levels and phase distributions in preschool microenvironment

This work aims to characterize levels and phase distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in indoor air of preschool environment and to assess the impact of outdoor PAH emissions to indoor environment. Gaseous and particulate (PM1 and PM2.5) PAHs (16 USEPA priority pollutants, plus dibenzo[a,l]pyrene, and benzo[j]fluoranthene) were concurrently sampled indoors and outdoors in one urban preschool located in north of Portugal for 35 days. The total concentration of 18 PAHs (ΣPAHs) in indoor air ranged from 19.5 to 82.0 ng/m3; gaseous compounds (range of 14.1–66.1 ng/m3) accounted for 85% ΣPAHs. Particulate PAHs (range 0.7–15.9 ng/m3) were predominantly associated with PM1 (76% particulate ΣPAHs) with 5-ring PAHs being the most abundant. Mean indoor/outdoor ratios (I/O) of individual PAHs indicated that outdoor emissions significantly contributed to PAH indoors; emissions from motor vehicles and fuel burning were the major sources.

Fire effects on soil after an experimental burnt

5th International Conference of Fire Effects on Soil Properties

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Influência das energias renováveis na certificação energética de uma habitação de acordo com o regulamento do desempenho energético dos edifícios de habitação

A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo da importância que os sistemas de energias renováveis têm na obtenção da classe de eficiência energética em edifícios de habitação. Analisou-se assim, qual dos sistemas apresentados na legislação é mais vantajoso na relação entre a classe energética e o investimento necessário a efetuar. Como caso de estudo, utilizou-se um edifício de habitação em fase de projeto situada em ambiente urbano, a uma distância muito curta da costa marítima, no distrito do Porto. A primeira etapa da dissertação passou pela caracterização do edifício, determinando as suas necessidades nominais anuais de energia para aquecimento, para arrefecimento, para preparação de águas quentes sanitárias e por fim, as necessidades nominais de energia primária. Com isto, obteve-se a classe de eficiência energética da habitação sem a utilização de qualquer tipo de sistema de aproveitamento de energia renovável. Após esta obtenção, verificou-se que o edifício em análise já possuía uma classe muito eficiente, classe A, superior à classe mínima exigida pelo regulamento, B-. A desvantagem do edifício já possuir esta classe é que a implementação de sistemas de energia não iriam alterar drasticamente a classe, e por isso, não se iria conseguir retirar uma dedução correta de qual o melhor para promover a eficiência energética. De seguida, procedeu-se ao estudo dos sistemas de energia renovável, apresentando sistemas adequados para a habitação e calculando-se as novas classes de eficiência energética, com a utilização de cada sistema. Consecutivamente, começou-se a retirar ilações dos sistemas mais eficientes, ou seja, os sistemas que tem como função aquecer a moradia ou a função de preparar águas quentes sanitárias, pois, iriam mitigar necessidades nominais de energia, enquanto os sistemas de produção de energia elétrica apenas iriam contribuir para uma melhoria energética. Outra desvantagem verificada foi que, devido ao local onde a habitação se situa, não seria possível efetuar uma análise a todos os sistemas de aproveitamento de energia renovável. iv Por fim, efetuou-se uma análise dos investimentos necessários para a implementação dos sistemas de energias renováveis face às diminuições percentuais do rácio de eficiência energética. Posto isto, obteve-se os melhores sistemas a implementar na moradia, no ponto de vista de melhorar a classe de eficiência energética, seria uma caldeira a pellets com função de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias, enquanto que, do ponto de vista financeiro obteve-se o sistema de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias através de um recuperador de calor a lenha, que em ambos os casos a classe de eficiência energética passou de A para A+.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.