Dynamical modeling of biogas production supported by an experimental anaerobic digestion process

This paper presents the development of a combined experimental and numerical approach to study the anaerobic digestion of both the wastes produced in a biorefinery using yeast for biodiesel production and the wastes generated in the preceding microbial biomass production. The experimental results show that it is possible to valorise through anaerobic digestion all the tested residues. In the implementation of the numerical model for anaerobic digestion, a procedure for the identification of its parameters needs to be developed. A hybrid search Genetic Algorithm was used, followed by a direct search method. In order to test the procedure for estimation of parameters, first noise-free data was considered and a critical analysis of the results obtain so far was undertaken. As a demonstration of its application, the procedure was applied to experimental data.

On The Use of Genetic Algorithms for Parameter Identification in Anaerobic Digestion Modelling

Anaerobic digestion (AD) of wastewater is a very interesting option for waste valorization, energy production and environment protection. It is a complex, naturally occurring process that can take place inside bioreactors. The capability of predicting the operation of such bioreactors is important to optimize the design and the operation conditions of the reactors, which, in part, justifies the numerous AD models presently available. The existing AD models are not universal, have to be inferred from prior knowledge and rely on existing experimental data. Among the tasks involved in the process of developing a dynamical model for AD, the estimation of parameters is one of the most challenging. This paper presents the identifiability analysis of a nonlinear dynamical model for a batch reactor. Particular attention is given to the structural identifiability of the model, which considers the uniqueness of the estimated parameters. To perform this analysis, the GenSSI toolbox was used. The estimation of the model parameters is achieved with genetic algorithms (GA) which have already been used in the context of AD modelling, although not commonly. The paper discusses its advantages and disadvantages.

Percurso profissional. Destaque para a análise da produção de resíduos urbanos no Alentejo Central - portugal e utilização do modelo DEA na definição da meta da recolha seletiva

Neste trabalho de Projeto efetua-se o desenvolvimento do tema da produção de Resíduos Urbanos (RU) no Alentejo Central, utilizando-se o modelo DEA (Data Envelopment Analysis) para a análise das metas da recolha seletiva estabelecidas para 2020. Genericamente, quanto maior é o grau de desenvolvimento económico de um território, maior é a taxa de urbanização e maior é também a quantidade de resíduos urbanos produzidos por habitante. O rendimento e a urbanização são variáveis altamente correlacionadas, quando aumenta o rendimento disponível e os padrões de vida, aumenta também o consumo de bens e serviços de modo correspondente, o que leva ao aumento da quantidade de resíduos gerados. Assim, tendo em conta os impactos locais que os RU abandonados trazem, e com o objetivo de quebrar o elo entre crescimento económico e os impactos ambientais associados à produção de resíduos, são implementadas, nos países com elevados níveis de desenvolvimento, políticas baseadas em modelos integrados de gestão de RU que permitem a recuperação, reciclagem e valorização dos materiais, reservando-se a eliminação (deposição em aterro) para frações não valorizáveis, o que gera empregos e riqueza. Em Portugal vigora o Plano Estratégico para os Resíduos Urbanos (PERSU 2020) que define objetivos e metas nacionais, nomeadamente a meta da recolha seletiva, estabelecendo para 2020 um quantitativo nacional mínimo a recuperar de 47 kg por habitante por ano. Deste modo, importa caracterizar, para o período de 2002 a 2012, como evoluiu a produção de RU em comparação com a evolução do PIB em Portugal. A análise foca-se então na produção de RU na região do Alentejo em particular no Alentejo Central que evidencia um elevado nível per capita em comparação com o resto do país, situando-se mesmo acima das regiões do grande Porto e Lisboa. São apresentadas possíveis razões para o registo destes elevados níveis de produção de RU não se conseguindo, no entanto, avançar com evidências. Como o modelo DEA é utilizado no PERSU 2020 para fundamentar a projeção das metas da recolha seletiva por sistema de gestão de resíduos urbanos, fez-se a sua reprodução, o que permitiu uma análise mais detalhada dos dados e o ensaio de novos resultados considerando, para além do nível de produção de RU, o numero de equipamentos de deposição de recolha seletiva como input do modelo; Abstract: Title of the report: Professional career. Emphasis on the analysis of urban waste production in Alentejo Central - Portugal and the use of the DEA in defining the separate collection target This professional report presents the theme of the Urban Waste (UW) production in Central Alentejo, using the DEA (Data Envelopment Analysis) to analyse the target set for selective collection in 2020. Generally, the higher the degree of economic development of a region, the greater the rate of urbanization and the greater also the amount of municipal waste produced per capita. The variables income and urbanization are highly correlated, if you have an increase in the disposable income and living standards, the consumption of goods and services will increase accordingly, which leads to the increase of the amount of produced waste. Thus, taking into account the local impact that the abandoned UW brings, and in order to break the link between economic growth and the environmental impacts associated with the production of waste, countries with high levels of development implement policies based on integrated UW management models that allow the recovery, recycling and valorisation of materials, restricting the disposal (landfill) to non-recoverable fractions, which creates jobs and wealth. Portugal established a national strategic plan for Urban Waste (PERSU 2020) which defines the goals and national targets, including the selective collection target stating for 2020 a minimum recover of 47 kg per capita per year. Then it is relevant to characterize and compare the evolution of UW production and GDP in Portugal for the period 2002 to 2012. The analysis then focuses on the production of UW in Alentejo, particularly in Central Alentejo region, which shows a high per capita level compared to the rest of the country, placed just above the Greater Porto and Lisbon region. Then we explore several possible reasons for this high level of UW production in this region, but none is successful in producing strong evidence. As the DEA is used in PERSU 2020 to support the projection of the selective collection targets for the municipal waste management systems, in this report we develop the model, which allowed access to the data and a more detailed analyse. Then we introduce and test a new input, the number of separate collection deposition equipment, which gives new results that are compared with the original ones.

Advances in integration of photovoltaic power and energy production in practical systems

This thesis presents advances in integration of photovoltaic (PV) power and energy in practical systems, such as existing power plants in buildings or directly integrated in the public electrical grid. It starts by providing an analyze of the current state of PV power and some of its limitations. The work done in this thesis begins by providing a model to compute mutual shading in large PV plants, and after provides a study of the integration of a PV plant in a biogas power plant. The remainder sections focus on the work done for project PVCROPS, which consisted on the construction and operation of two prototypes composed of a PV system and a novel battery connected to a building and to the public electrical grid. These prototypes were then used to test energy management strategies and validate the suitability of the two advanced batteries (a lithium-ion battery and a vanadium redox ow battery) for households (BIPV) and PV plants. This thesis is divided in 7 chapters: Chapter 1 provides an introduction to explain and develop the main research questions studied for this thesis; Chapter 2 presents the development of a ray-tracing model to compute shading in large PV elds (with or without trackers); Chapter 3 shows the simulation of hybridizing a biogas plant with a PV plant, using biogas as energy storage; Chapters 4 and 5 present the construction, programming, and initial operation of both prototypes (Chapter 4), EMS testing oriented to BIPV systems (Chapter 5). Finally, Chapters 6 provides some future lines of investigation that can follow this thesis, and Chapter 7 shows a synopsis of the main conclusions of this work; Resumo: Avanços na integracão de potência fotovoltaica e producão de energia em sistemas práticos Esta tese apresenta avanços na integração de potência e energia fotovoltaica (PV) em sistemas práticos, tais como centrais existentes ou a rede eléctrica pública. Come ça por analisar o estado corrente do fotovoltaico no mundo e aborda algumas das suas limitações. O trabalho feito para esta tese de doutoramento começou pelo desenvolvimento de um modelo para calcular os sombreamentos que ocorrem em grandes campos fotovoltaicos, e depois apresenta um estudo sobre a integração um sistema fotovoltaico em uma central eléctrica a bióg as. As ultimas secções da tese focam-se no trabalho feito para o projecto PVCROPS, que consistiu na construção e operação de dois demonstratores, cada um formado por um sistema fotovoltaico e bateria conectados a um edíficio e a rede eléctrica pública. Estes protótipos foram posteriormente utilizados para testar estratégias de gestão de energia (EMS) e para validar a operação de duas baterias avançadas (bateria de Iões de Li tio e bateria de Fluxo Redox de Van adio) e a sua utiliza ção para habitações e centrais PV. A tese está dividida em 7 capitulos: O capitulo 1 apresenta uma introdução para explicar e desenvolver as principais questões que foram investigadas nesta tese; O capitulo 2 mostra o desenvolvimento de um modelo baseado em traçados de raios para calcular sombreamentos mútuos em grandes centrais PV (com e sem seguidores); O capitulo 3 mostra a simulação da hibridização de uma central electrica a biogas com uma central PV, e utilizando o biógas como armazenamento de energia. Os capitulos 4 e 5 apresentam a construção, programação e operação inicial dos dois demonstradores (Capitúlo 4), o teste de EMS orientadas para sistemas PV em habitações (Capítulo 5). Finalmente, o capítulo 6 sugere algumas futuras linhas de investigação que poderão seguir esta tese, e o Capítulo 7 faz uma sinopse das principais conclusões deste trabalho.

Evolutionary algorithms for the modeling of bioreactors

This work aims to study the application of Genetic Algorithms in anaerobic digestion modeling, in particular when using dynamical models. Along the work, different types of bioreactors are shown, such as batch, semi-batch and continuous, as well as their mathematical modeling. The work intendeds to estimate the parameter values of two biological reaction model. For that, simulated results, where only one output variable, the produced biogas, is known, are fitted to the model results. For this reason, the problems associated with reverse optimization are studied, using some graphics that provide clues to the sensitivity and identifiability associated with the problem. Particular solutions obtained by the identifiability analysis using GENSSI and DAISY softwares are also presented. Finally, the optimization is performed using genetic algorithms. During this optimization the need to improve the convergence of genetic algorithms was felt. This need has led to the development of an adaptation of the genetic algorithms, which we called Neighbored Genetic Algorithms (NGA1 and NGA2). In order to understand if this new approach overcomes the Basic Genetic Algorithms (BGA) and achieves the proposed goals, a study of 100 full optimization runs for each situation was further developed. Results show that NGA1 and NGA2 are statistically better than BGA. However, because it was not possible to obtain consistent results, the Nealder-Mead method was used, where the initial guesses were the estimated results from GA; Algoritmos Evolucionários para a Modelação de Bioreactores Resumo: Neste trabalho procura-se estudar os algoritmos genéticos com aplicação na modelação da digestão anaeróbia e, em particular, quando se utilizam modelos dinâmicos. Ao longo do mesmo, são apresentados diferentes tipos de bioreactores, como os batch, semi-batch e contínuos, bem como a modelação matemática dos mesmos. Neste trabalho procurou-se estimar o valor dos parâmetros que constam num modelo de digestão anaeróbia para o ajustar a uma situação simulada onde apenas se conhece uma variável de output, o biogas produzido. São ainda estudados os problemas associados à optimização inversa com recurso a alguns gráficos que fornecem pistas sobre a sensibilidade e identifiacabilidade associadas ao problema da modelação da digestão anaeróbia. São ainda apresentadas soluções particulares de idenficabilidade obtidas através dos softwares GENSSI e DAISY. Finalmente é realizada a optimização do modelo com recurso aos algoritmos genéticos. No decorrer dessa optimização sentiu-se a necessidade de melhorar a convergência e, portanto, desenvolveu-se ainda uma adaptação dos algoritmos genéticos a que se deu o nome de Neighboured Genetic Algorithms (NGA1 e NGA2). No sentido de se compreender se as adaptações permitiam superar os algoritmos genéticos básicos e atingir as metas propostas, foi ainda desenvolvido um estudo em que o processo de optimização foi realizado 100 vezes para cada um dos métodos, o que permitiu concluir, estatisticamente, que os BGA foram superados pelos NGA1 e NGA2. Ainda assim, porque não foi possivel obter consistência nos resultados, foi usado o método de Nealder-Mead utilizado como estimativa inicial os resultados obtidos pelos algoritmos genéticos.