Use of alternative fuels obtained from renewable sources in brayton cycles

Analysis and simulation of the behaviour of gas turbines for power generation using different nonconventional fuels obtained from different renewable sources are presented. Three biomass-tobiofuel processes are considered: anaerobic digestion of biomass (biogas), biomass gasification (synthesis gas) and alcoholic fermentation of biomass and dehydration (bioethanol), each of them with two different biomass substrates (energy crops and municipal solid waste) as input. The gas turbine behaviour in a Brayton cycle is simulated both in an isolated operation and in combined cycle. The differences in gas turbine performance when fired with the considered biofuels compared to natural gas are studied from different points of view related with the current complex energetic context: energetic and exergetic efficiency of the simple/combined cycle and CO2 emissions. Two different tools have been used for the simulations, each one with a different approach: while PATITUG (own software) analyses the behaviour of a generic gas turbine allowing a total variability of parameters, GT-PRO (commercial software) is more rigid, albeit more precise in the prediction of real gas turbine behaviour. Different potentially interesting configurations and its thermodynamic parameters have been simulated in order to obtain the optimal range for all of them and its variation for each fuel.

Use of alternative fuels obtained from renowable sources in Brayton cycles

Analysis and simulation of the behaviour of gas turbines for power generation using different nonconventional fuels obtained from different renewable sources are presented. Three biomass-tobiofuel processes are considered: anaerobic digestion of biomass (biogas), biomass gasification (synthesis gas) and alcoholic fermentation of biomass and dehydration (bioethanol), each of them with two different biomass substrates (energy crops and municipal solid waste) as input. The gas turbine behaviour in a Brayton cycle is simulated both in an isolated operation and in combined cycle. The differences in gas turbine performance when fired with the considered biofuels compared to natural gas are studied from different points of view related with the current complex energetic context: energetic and exergetic efficiency of the simple/combined cycle and CO2 emissions. Two different tools have been used for the simulations, each one with a different approach: while PATITUG (own software) analyses the behaviour of a generic gas turbine allowing a total variability of parameters, GT-PRO (commercial software) is more rigid, albeit more precise in the prediction of real gas turbine behaviour. Different potentially interesting configurations and its thermodynamic parameters have been simulated in order to obtain the optimal range for all of them and its variation for each fuel.

Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.

Esta Tesis Doctoral se encuadra en el ámbito de la medida de emisiones contaminantes y de consumo de combustible en motores de combustión interna alternativos cuando se utilizan como plantas de potencia para propulsión de vehículos ligeros de carretera, y más concretamente en las medidas dinámicas con el vehículo circulando en tráfico real. En este ámbito, el objetivo principal de la Tesis es estudiar los problemas asociados a la medición en tiempo real con equipos embarcados de variables medioambientales, energéticas y de actividad, de vehículos ligeros propulsados por motores térmicos en tráfico real. Y como consecuencia, desarrollar un equipo y una metodología apropiada para este objetivo, con el fin de realizar consiguientemente un estudio sobre los diferentes factores que influyen sobre las emisiones y el consumo de combustible de vehículos turismo en tráfico real. La Tesis se comienza realizando un estudio prospectivo sobre los trabajos de otros autores relativos al desarrollo de equipos portátiles de medida de emisiones (Portable Emission Measurement Systems – PEMS), problemas asociados a la medición dinámica de emisiones y estudios de aplicación en tráfico real utilizando este tipo de equipos. Como resultado de este estudio se plantea la necesidad de disponer de un equipo específicamente diseñado para ser embarcado en un vehículo que sea capaz de medir en tiempo real las concentraciones de emisiones y el caudal de gases de escape, al mismo tiempo que se registran variables del motor, del vehículo y del entorno como son la pendiente y los datos meteorológicos. De esta forma se establecen las especificaciones y condiciones de diseño del equipo PEMS. Aunque al inicio de esta Tesis ya existían en el mercado algunos sistemas portátiles de medida de emisiones (PEMS: Portable Emissions Measurement Systems), en esta Tesis se investiga, diseña y construye un nuevo sistema propio, denominado MIVECO – PEMS. Se exponen, discuten y justifican todas las soluciones técnicas incorporadas en el sistema que incluyen los subsistema de análisis de gases, subsistemas de toma de muestra incluyendo caudalímetro de gases de escape, el subsistema de medida de variables del entorno y actividad del vehículo y el conjunto de sistemas auxiliares. El diseño final responde a las hipótesis y necesidades planteadas y se valida en uso real, en banco de rodillos y en comparación con otro equipos de medida de emisiones estacionarios y portátiles. En esta Tesis se presenta también toda la investigación que ha conducido a establecer la metodología de tratamiento de las señales registradas en tiempo real que incluye la sincronización, cálculos y propagación de errores. La metodología de selección y caracterización de los recorridos y circuitos y de las pautas de conducción, preparación del vehículo y calibración de los equipos forma también parte del legado de esta Tesis. Para demostrar la capacidad de medida del equipo y el tipo de resultados que pueden obtenerse y que son útiles para la comunidad científica, y las autoridades medioambientales en la parte final de esta Tesis se plantean y se presentan los resultados de varios estudios de variables endógenas y exógenas que afectan a las emisiones instantáneas y a los factores de emisión y consumo (g/km) como: el estilo de conducción, la infraestructura vial, el nivel de congestión del tráfico, tráfico urbano o extraurbano, el contenido de biocarburante, tipo de motor (diesel y encendido provocado), etc. Las principales conclusiones de esta Tesis son que es posible medir emisiones másicas y consumo de motores de vehículos en uso real y que los resultados permiten establecer políticas de reducción de impacto medio ambiental y de eficiencia energética, pero, se deben establecer unas metodologías precisas y se debe tener mucho cuidado en todo el proceso de calibración, medida y postratamientos de los datos. Abstract This doctoral thesis is in the field of emissions and fuel consumption measurement of reciprocating internal combustion engines when are used as power-trains for light-duty road vehicles, and especially in the real-time dynamic measurements procedures when the vehicle is being driven in real traffic. In this context, the main objective of this thesis is to study the problems associated with on-board real-time measuring systems of environmental, energy and activity variables of light vehicles powered by internal combustion engines in real traffic, and as a result, to develop an instrument and an appropriate methodology for this purpose, and consequently to make a study of the different factors which influence the emissions and the fuel consumption of passenger cars in real traffic. The thesis begins developing a prospective study on other authors’ works about development of Portable Emission Measurement Systems (PEMS), problems associated with dynamic emission measurements and application studies on actual traffic using PEMS. As a result of this study, it was shown that a measuring system specifically designed for being on-board on a vehicle, which can measure in real time emission concentrations and exhaust flow, and at the same time to record motor vehicle and environment variables as the slope and atmospheric data, is needed; and the specifications and design parameters of the equipment are proposed. Although at the beginning of this research work there were already on the market some PEMS, in this Thesis a new system is researched, designed and built, called MIVECO – PEMS, in order to meet such measurements needs. Following that, there are presented, discussed and justify all technical solutions incorporated in the system, including the gas analysis subsystem, sampling and exhaust gas flowmeter subsystem, the subsystem for measurement of environment variables and of the vehicle activity and the set of auxiliary subsystems. The final design meets the needs and hypotheses proposed, and is validated in real-life use and chassis dynamometer testing and is also compared with other stationary and on-board systems. This thesis also presents all the research that has led to the methodology of processing the set of signals recorded in real time including signal timing, calculations and error propagation. The methodology to select and characterize of the routes and circuits, the driving patterns, and the vehicle preparation and calibration of the instruments and sensors are part of the legacy of this thesis. To demonstrate the measurement capabilities of the system and the type of results that can be obtained and that are useful for the scientific community and the environmental authorities, at the end of this Thesis is presented the results of several studies of endogenous and exogenous variables that affect the instantaneous and averaged emissions and consumption factors (g/km), as: driving style, road infrastructure, the level of traffic congestion, urban and extra-urban traffic, biofuels content, type of engine (diesel or spark ignition) etc. The main conclusions of this thesis are that it is possible to measure mass emissions and consumption of vehicle engines in actual use and that the results allow us to establish policies to reduce environmental impact and improve energy efficiency, but, to establish precise methodologies and to be very careful in the entire process of calibration, measurement and data post-treatment is necessary.

Gas monitoring methodology and application to CCS projects as defined by atmospheric and remote sensing survey in the natural analogue of Campo de Calatrava

CO2 capture and storage (CCS) projects are presently developed to reduce the emission of anthropogenic CO2 into the atmosphere. CCS technologies are expected to account for the 20% of the CO2 reduction by 2050. Geophysical, ground deformation and geochemical monitoring have been carried out to detect potential leakage, and, in the event that this occurs, identify and quantify it. This monitoring needs to be developed prior, during and after the injection stage. For a correct interpretation and quantification of the leakage, it is essential to establish a pre-injection characterization (baseline) of the area affected by the CO2 storage at reservoir level as well as at shallow depth, surface and atmosphere, via soil gas measurements. Therefore, the methodological approach is important because it can affect the spatial and temporal variability of this flux and even jeopardize the total value of CO2 in a given area. In this sense, measurements of CO2 flux were done using portable infrared analyzers (i.e., accumulation chambers) adapted to monitoring the geological storage of CO2, and other measurements of trace gases, e.g. radon isotopes and remote sensing imagery were tested in the natural analogue of Campo de Calatrava (Ciudad Real, Spain) with the aim to apply in CO2 leakage detection; thus, observing a high correlation between CO2 and radon (r=0,858) and detecting some vegetation indices that may be successfully applied for the leakage detection.

Estudio experimental sobre la efectividad y la viabilidad de distintas soluciones constructivas para reducir la concentración de gas radón en edificaciones

El trabajo de investigación desarrollado que ha dado lugar a la realización de esta Tesis, aborda la protección de los edificios frente a la entrada de gas radón y su acumulación en los espacios habitados. Dicho gas (isótopo del radón Rn-222) es un elemento radiactivo que se genera, principalmente, en terrenos con altos contenidos de radio (terrenos graníticos por ejemplo). Su alto grado de movilidad permite que penetre en los edificios a través de los materiales de cerramiento del mismo (porosidad de los materiales, fisuras, grietas y juntas) y se acumule en su interior, donde puede ser inhalado en altas concentraciones. La Organización Mundial de la Salud, califica al radón como agente cancerígeno de grado 1. Según este Organismo, el radón es la segunda causa de contracción de cáncer pulmonar detrás del tabaco. Como respuesta a esta alarma, distintos estados ya han elaborado normativas en las que se proponen soluciones para que los niveles de concentración de radón no superen los valores recomendados por los organismos internacionales responsables de la protección radiológica. En España aún no existe normativa de protección frente a este agente cancerígeno causante de numerosas muertes, y es por tal motivo evidente la necesidad de aportar documentación técnica que ayude a las administraciones nacionales y locales a desarrollar dicha normativa para ajustarse a las recomendaciones europeas e internacionales sobre los niveles que no se deben superar y que, por otro lado, ya han contemplado una gran cantidad de países. Como principal aportación de este trabajo se muestran los resultados de reducción de concentración de gas radón de distintas soluciones constructivas enfocadas a frenar la entrada de gas radón al interior de los edificios haciendo uso de técnicas y materiales habituales en el ámbito de la construcción en España. Para ello, se han estudiado las efectividades de dichas soluciones, en lo referente a su capacidad para frenar la inmisión de radón, en un prototipo de vivienda construido al efecto en un terreno con altas concentraciones de radón. Las soluciones propuestas y ensayadas han sido el resultado de una labor de optimización de los sistemas estudiados en la bibliografía con el fin de adaptar las técnicas a los sistemas constructivos habituales en España y en concreto a la situación real del prototipo de vivienda construido en un lugar con contenidos de radón en terreno muy elevados. El trabajo incluye un capítulo inicial con los conceptos básicos necesarios para entender la problemática que supone habitar en espacios con altos contenidos de radón. ABSTRACT The research developed, which has led to the completion of this thesis, deal with the protection of buildings against entry of radon gas and its accumulation in the ocupated spaces. This gas (radon isotope Rn-222) is a radioactive element generated, mainly, in areas with high levels of radio (granitic terrain for example). Its high mobility allows entering in buildings through the enclosure materials of it (porosity of materials, cracks, crevices and joints) and accumulates inside, where it can be inhaled in high concentrations. The World Health Organization describes radon gas as a carcinogen agent in level 1. According to this Agency, radon is the second leading cause of lung cancer behind tobacco. In response to this alarm, some states have developed regulations that propose solutions to reduce radon concentration levels for not exceeding the values recommended by international agencies responsible in radiation protection. In Spain there is still no legislation to protect against this carcinogen element that cause numerous deaths, and for that reason it is evident the need to provide technical documentation to help the national and local governments to develop legislation for reaching the European and international levels recommendations. As the main contribution of this work are the results of reducing radon concentration using different constructive solutions aimed to stop radon entry in buildings, with techniques and materials common in Spain. To do this, effectiveness of such solutions, have been studied in terms of its ability to stop radon entry in a housing prototype built for this purpose in an area with high radon levels. The solutions proposed and tested have been the result of a process of optimization of systems studied in the literature in order to adapt the techniques to Spanish building material and, specifically, to the actual situation of housing prototype built in a place with high contents of radon in soil. The work includes an initial chapter with the basic concepts needed to understand the problem of living in areas with high levels of radon.

Determinación de la distribución de tamaño y número de partículas provenientes de motores diesel operando en trafico real con equipos embarcados

El presente trabajo se propone determinar la distribución de tamaño y número de partículas nanométricas provenientes de motores diésel con equipos embarcados en tráfico extraurbano. Para ello, se utilizaron equipos de medición de última generación en condiciones promedio de conducción en tráfico extraurbano por más de 800 km a lo largo del trayecto Madrid-Badajoz-Madrid mediante un vehículo característico del parque automotor español y se implementaron métodos novedosos y pioneros en el registro de este tipo de emisiones. Todo ello abre el camino para líneas de investigación y desarrollo que contribuirán a entender, dimensionar y cualificar el comportamiento de las partículas, así como su impacto en la calidad de vida de la población. El estudio hace dos grandes aportes al campo. Primero, permite registrar las emisiones en condiciones transitorias propias del tráfico real. Segundo, permite mantener controladas las condiciones de medición y evita la formación aleatoria de partículas provenientes de material volátil, gracias al sistema de adecuación de la muestra de gases de escape incorporado. Como resultado, se obtuvo una muestra abundante y confiable que permitió construir modelos matemáticos para calcular la emisión de partículas nanométricas, ultrafinas, finas y totales sobre las bases volumétrica, espacial y temporal en función de la pendiente del perfil orográfico de la carretera, siempre y cuando esté dentro del intervalo ±5.0%. Estos modelos de cálculo de emisiones reducen tanto los costos de experimentación como la complejidad de los equipos necesarios, y fundamentaron el desarrollo de la primera versión de una aplicación informática que calcula las partículas emitidas por un motor diésel en condiciones de tráfico extraurbano ("Partículas Emitidas por Motores Diésel, PEMDI). ABSTRACT The purpose of this research is to determine the distribution of size and number of nanometric particles that come from diesel engines by means of on-board equipment in extra-urban traffic. In order to do this, cutting-edge measuring equipment was used under average driving conditions in extra-urban traffic for more than 800 km along the Madrid-Badajoz-Madrid route using a typical vehicle from Spain's automotive population and innovative, groundbreaking registering methods for this type of emissions were used. All this paves the way for lines of research and development which should help understand, measure and characterize the behavior of such particles, as well as their impact in the quality of life of the general population. The study makes two important contributions to the field. First, it makes it possible to register emissions under transient conditions, which are characteristic to real traffic. Secondly, it provides a means to keep the measuring conditions under control and prevents the random formation of particles of volatile origin through the built-in adjustment system of the exhaust gas sample. As a result, an abundant and reliable sample was gathered, which enabled the building of mathematical models to estimate the emission of nanometric, ultrafine, fine and total particles on volumetric, spatial and temporal bases as a function of the orographic outline of the road within a ±5.0% range. These emission estimating models lower both the experimentation costs and the required equipment's complexity, and they provided the basis for the development of a first software application version that estimates the particles emitted from diesel engines under extra-urban traffic conditions (Partículas Emitidas por Motores Diésel, PEMDI).

Hybrid wind-diesel power plant valuation and optimization using real option theory and dynamic programming

El sistema de energía eólica-diesel híbrido tiene un gran potencial en la prestación de suministro de energía a comunidades remotas. En comparación con los sistemas tradicionales de diesel, las plantas de energía híbridas ofrecen grandes ventajas tales como el suministro de capacidad de energía extra para "microgrids", reducción de los contaminantes y emisiones de gases de efecto invernadero, y la cobertura del riesgo de aumento inesperado del precio del combustible. El principal objetivo de la presente tesis es proporcionar nuevos conocimientos para la evaluación y optimización de los sistemas de energía híbrido eólico-diesel considerando las incertidumbres. Dado que la energía eólica es una variable estocástica, ésta no puede ser controlada ni predecirse con exactitud. La naturaleza incierta del viento como fuente de energía produce serios problemas tanto para la operación como para la evaluación del valor del sistema de energía eólica-diesel híbrido. Por un lado, la regulación de la potencia inyectada desde las turbinas de viento es una difícil tarea cuando opera el sistema híbrido. Por otro lado, el bene.cio económico de un sistema eólico-diesel híbrido se logra directamente a través de la energía entregada a la red de alimentación de la energía eólica. Consecuentemente, la incertidumbre de los recursos eólicos incrementa la dificultad de estimar los beneficios globales en la etapa de planificación. La principal preocupación del modelo tradicional determinista es no tener en cuenta la incertidumbre futura a la hora de tomar la decisión de operación. Con lo cual, no se prevé las acciones operativas flexibles en respuesta a los escenarios futuros. El análisis del rendimiento y simulación por ordenador en el Proyecto Eólico San Cristóbal demuestra que la incertidumbre sobre la energía eólica, las estrategias de control, almacenamiento de energía, y la curva de potencia de aerogeneradores tienen un impacto significativo sobre el rendimiento del sistema. En la presente tesis, se analiza la relación entre la teoría de valoración de opciones y el proceso de toma de decisiones. La opción real se desarrolla con un modelo y se presenta a través de ejemplos prácticos para evaluar el valor de los sistemas de energía eólica-diesel híbridos. Los resultados muestran que las opciones operacionales pueden aportar un valor adicional para el sistema de energía híbrida, cuando esta flexibilidad operativa se utiliza correctamente. Este marco se puede aplicar en la optimización de la operación a corto plazo teniendo en cuenta la naturaleza dependiente de la trayectoria de la política óptima de despacho, dadas las plausibles futuras realizaciones de la producción de energía eólica. En comparación con los métodos de valoración y optimización existentes, el resultado del caso de estudio numérico muestra que la política de operación resultante del modelo de optimización propuesto presenta una notable actuación en la reducción del con- sumo total de combustible del sistema eólico-diesel. Con el .n de tomar decisiones óptimas, los operadores de plantas de energía y los gestores de éstas no deben centrarse sólo en el resultado directo de cada acción operativa, tampoco deberían tomar decisiones deterministas. La forma correcta es gestionar dinámicamente el sistema de energía teniendo en cuenta el valor futuro condicionado en cada opción frente a la incertidumbre. ABSTRACT Hybrid wind-diesel power systems have a great potential in providing energy supply to remote communities. Compared with the traditional diesel systems, hybrid power plants are providing many advantages such as providing extra energy capacity to the micro-grid, reducing pollution and greenhouse-gas emissions, and hedging the risk of unexpected fuel price increases. This dissertation aims at providing novel insights for assessing and optimizing hybrid wind-diesel power systems considering the related uncertainties. Since wind power can neither be controlled nor accurately predicted, the energy harvested from a wind turbine may be considered a stochastic variable. This uncertain nature of wind energy source results in serious problems for both the operation and value assessment of the hybrid wind-diesel power system. On the one hand, regulating the uncertain power injected from wind turbines is a difficult task when operating the hybrid system. On the other hand, the economic profit of a hybrid wind-diesel system is achieved directly through the energy delivered to the power grid from the wind energy. Therefore, the uncertainty of wind resources has increased the difficulty in estimating the total benefits in the planning stage. The main concern of the traditional deterministic model is that it does not consider the future uncertainty when making the dispatch decision. Thus, it does not provide flexible operational actions in response to the uncertain future scenarios. Performance analysis and computer simulation on the San Cristobal Wind Project demonstrate that the wind power uncertainty, control strategies, energy storage, and the wind turbine power curve have a significant impact on the performance of the system. In this dissertation, the relationship between option pricing theory and decision making process is discussed. A real option model is developed and presented through practical examples for assessing the value of hybrid wind-diesel power systems. Results show that operational options can provide additional value to the hybrid power system when this operational flexibility is correctly utilized. This framework can be applied in optimizing short term dispatch decisions considering the path-dependent nature of the optimal dispatch policy, given the plausible future realizations of the wind power production. Comparing with the existing valuation and optimization methods, result from numerical example shows that the dispatch policy resulting from the proposed optimization model exhibits a remarkable performance in minimizing the total fuel consumption of the wind-diesel system. In order to make optimal decisions, power plant operators and managers should not just focus on the direct outcome of each operational action; neither should they make deterministic decisions. The correct way is to dynamically manage the power system by taking into consideration the conditional future value in each option in response to the uncertainty.

Methodology for instantaneous average exhaust gas mass flow rate measurement

This paper presents a new methodology for measurement of the instantaneous average exhaust mass flow rate in reciprocating internal combustion engines to be used to determinate real driving emissions on light duty vehicles, as part of a Portable Emission Measurement System (PEMS). Firstly a flow meter, named MIVECO flow meter, was designed based on a Pitot tube adapted to exhaust gases which are characterized by moisture and particle content, rapid changes in flow rate and chemical composition, pulsating and reverse flow at very low engine speed. Then, an off-line methodology was developed to calculate the instantaneous average flow, considering the ?square root error? phenomenon. The paper includes the theoretical fundamentals, the developed flow meter specifications, the calibration tests, the description of the proposed off-line methodology and the results of the validation test carried out in a chassis dynamometer, where the validity of the mass flow meter and the methodology developed are demonstrated.