Exergetic, energetic, economic and environmental evaluation of concentrated solar power plants in Libya

The PhD project addresses the potential of using concentrating solar power (CSP) plants as a viable alternative energy producing system in Libya. Exergetic, energetic, economic and environmental analyses are carried out for a particular type of CSP plants. The study, although it aims a particular type of CSP plant – 50 MW parabolic trough-CSP plant, it is sufficiently general to be applied to other configurations. The novelty of the study, in addition to modeling and analyzing the selected configuration, lies in the use of a state-of-the-art exergetic analysis combined with the Life Cycle Assessment (LCA). The modeling and simulation of the plant is carried out in chapter three and they are conducted into two parts, namely: power cycle and solar field. The computer model developed for the analysis of the plant is based on algebraic equations describing the power cycle and the solar field. The model was solved using the Engineering Equation Solver (EES) software; and is designed to define the properties at each state point of the plant and then, sequentially, to determine energy, efficiency and irreversibility for each component. The developed model has the potential of using in the preliminary design of CSPs and, in particular, for the configuration of the solar field based on existing commercial plants. Moreover, it has the ability of analyzing the energetic, economic and environmental feasibility of using CSPs in different regions of the world, which is illustrated for the Libyan region in this study. The overall feasibility scenario is completed through an hourly analysis on an annual basis in chapter Four. This analysis allows the comparison of different systems and, eventually, a particular selection, and it includes both the economic and energetic components using the “greenius” software. The analysis also examined the impact of project financing and incentives on the cost of energy. The main technological finding of this analysis is higher performance and lower levelized cost of electricity (LCE) for Libya as compared to Southern Europe (Spain). Therefore, Libya has the potential of becoming attractive for the establishment of CSPs in its territory and, in this way, to facilitate the target of several European initiatives that aim to import electricity generated by renewable sources from North African and Middle East countries. The analysis is presented a brief review of the current cost of energy and the potential of reducing the cost from parabolic trough- CSP plant. Exergetic and environmental life cycle assessment analyses are conducted for the selected plant in chapter Five; the objectives are 1) to assess the environmental impact and cost, in terms of exergy of the life cycle of the plant; 2) to find out the points of weakness in terms of irreversibility of the process; and 3) to verify whether solar power plants can reduce environmental impact and the cost of electricity generation by comparing them with fossil fuel plants, in particular, Natural Gas Combined Cycle (NGCC) plant and oil thermal power plant. The analysis also targets a thermoeconomic analysis using the specific exergy costing (SPECO) method to evaluate the level of the cost caused by exergy destruction. The main technological findings are that the most important contribution impact lies with the solar field, which reports a value of 79%; and the materials with the vi highest impact are: steel (47%), molten salt (25%) and synthetic oil (21%). The “Human Health” damage category presents the highest impact (69%) followed by the “Resource” damage category (24%). In addition, the highest exergy demand is linked to the steel (47%); and there is a considerable exergetic demand related to the molten salt and synthetic oil with values of 25% and 19%, respectively. Finally, in the comparison with fossil fuel power plants (NGCC and Oil), the CSP plant presents the lowest environmental impact, while the worst environmental performance is reported to the oil power plant followed by NGCC plant. The solar field presents the largest value of cost rate, where the boiler is a component with the highest cost rate among the power cycle components. The thermal storage allows the CSP plants to overcome solar irradiation transients, to respond to electricity demand independent of weather conditions, and to extend electricity production beyond the availability of daylight. Numerical analysis of the thermal transient response of a thermocline storage tank is carried out for the charging phase. The system of equations describing the numerical model is solved by using time-implicit and space-backward finite differences and which encoded within the Matlab environment. The analysis presented the following findings: the predictions agree well with the experiments for the time evolution of the thermocline region, particularly for the regions away from the top-inlet. The deviations observed in the near-region of the inlet are most likely due to the high-level of turbulence in this region due to the localized level of mixing resulting; a simple analytical model to take into consideration this increased turbulence level was developed and it leads to some improvement of the predictions; this approach requires practically no additional computational effort and it relates the effective thermal diffusivity to the mean effective velocity of the fluid at each particular height of the system. Altogether the study indicates that the selected parabolic trough-CSP plant has the edge over alternative competing technologies for locations where DNI is high and where land usage is not an issue, such as the shoreline of Libya.

A durabilidade dos clássicos do design como instrumento de apoio ao processo de conceção de produto: 10 princípios para o projeto

A presente investigação identifica o caminho seguido no estudo que se centrou na durabilidade dos produtos como estratégia para a prevenção/redução dos impactes ambientais provocados pela excessiva produção e consumo das sociedades ocidentais. O trabalho baseou-se primeiramente na reunião de argumentos que justificassem a necessidade da investigação. A partir dos conhecimentos obtidos sobre as consequências do descarte prematuro de produtos, incluindo a produção de resíduos e utilização de recursos naturais, a investigação foi direcionada para as estratégias que motivam a redução do consumo pelo aumento da vida útil do produto. A durabilidade de alguns produtos designados de Clássicos do Design motivou o desenvolvimento da investigação. Depois de definido o universo que se enquadra nesta categoria, foi selecionada uma amostra que se considerou representativa e criou-se uma base de dados onde se sistematizou os conteúdos relevantes a conhecer. Através da análise qualitativa e quantitativa da amostra desses produtos, obteve-se uma matriz operativa composta por 10 princípios que pode ser introduzida no processo de design de novos produtos para aquisição de um tempo de vida útil inicial potencialmente maior. Os resultados da aplicação prática da estratégia desenvolvida, a tese, determinarão no futuro a conceção e produção de artefactos que se pretende apresentar à indústria nacional.

Production of bioplastics from hydrolysates of paper industry by Haloferax mediterranei

The biorefinery concept has attracted much attention over the last decade due to increasing concerns about the use of fossil resources. In this context emerged the use of bioplastics, namely polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA are biocompatible and biodegradable plastics that can be obtained from renewable raw materials and can constitute an alternative solution to conventional plastics. In this work, hydrolysed cellulose pulp, coming from Eucalyptus globulus wood cooking, was used as substrate to the PHA-storing bacteria Haloferax mediterranei. The hydrolysed pulp is rich in simple sugars, mainly glucose (81.96 g.L-1) and xylose (20.90 g.L-1). Tests were made in defined medium with glucose and xylose and in hydrolysate supplemented with salts and yeast extract. Different concentrations of glucose were tested, namely 10, 15, 20, 30 and 40 g.L-1. The best accumulation results (27.1 % of PHA) were obtained in hydrolysate medium with 10 g.L-1. Using this concentration, assays were performed in fed-batch and sequencing batch reactor conditions in order to determine the best feeding strategy. The strategy that led to the best results was fed-batch assay with 24.7 % of PHA. An assay without sterile conditions was performed, in which was obtained the same growth than in sterilization test. Finally it was performed an assay in a bioreactor and a fast growth (0.14 h-1) with high glucose and xylose consumption rates (0.368 g.L-1.h-1 and 0.0947 g.L-1.h-1, respectively) were obtained. However 1.50 g.L-1 of PHA, corresponding to 16.1 % (92.52 % of 3HB and 3HV of 7.48 %) of % PHA were observed. The polymer was further characterized by DSC with a glass transition temperature of -6.07 °C, a melting temperature of 156.3 °C and a melting enthalpy of 63.07 J.g-1, values that are in accordance with the literature. This work recognizes for the first time the suitability of the pulp paper hydrolysate as a substrate for PHA production by H. mediterranei.

Novo roteiro para a Arte Nova em Aveiro e Ílhavo: proposta de uma aplicação mobile

A presente investigação tem como objeto de estudo a Arte Nova nas cidades de Aveiro e Ílhavo, traduzindo-se posteriormente na criação de uma aplicação mobile de um roteiro diferenciador referente ao património Arte Nova localizado nas duas cidades. Existe em Aveiro, uma tomada de consciência notória relativa ao património que se enquadra no espírito e nas características do estilo Arte Nova. Isso em muito se deve à originalidade e diversidade de interpretações que a caracterizam localmente. No entanto, apesar dos melhoramentos efetuados na comunicação deste património, especialmente depois da reabilitação do edifício Mário Belmonte Pessoa e da sua transformação em Museu Arte Nova, o roteiro atual não contempla todos os artefactos do estilo existentes na cidade e exclui aqueles que se encontram fora do centro urbano da cidade de Aveiro. Em Ílhavo a realidade é completamente díspar da encontrada na cidade vizinha, Aveiro, não existindo grande decoro pelo tratamento da informação referente ao estilo Arte Nova, apenas algumas referencias breves em guias culturais e um roteiro limitado no site da Câmara Municipal de Ílhavo. Paralelamente a isto, a região de Aveiro tornou-se numa das regiões com o espólio mais significativo do país. Dada à sua importância cultural e local, o roteiro diferenciador que propomos nesta investigação irá intervir de forma a melhorar o que já existe, passando pelo aprofundamento de conhecimentos sobre o tema, catalogação, cruzamento e agrupamento de toda a informação dos artefactos que se encontrem dispersos pelas duas cidades, de forma a tornar mais fácil a procura e o acesso à informação. Numa primeira fase, a investigação irá focar-se nos conteúdos afetos a cada um dos artefactos, sendo estes metodologicamente trabalhados através do método triangular de Francisco Providência, a interpretação autoral (autoria) que se traduz na evolução dos edifícios (tecnologia) e a relevância da sua história (programa) para o património nacional. Posteriormente, os conteúdos anteriormente referidos serão adaptados a uma aplicação mobile que facilitará o acesso à informação previamente selecionada referente a cada artefacto, apresentando uma breve história sobre as manifestações da Arte Nova nas cidades de Aveiro e Ílhavo. Esta aplicação mobile permitirá perceber a evolução dos edifícios desde a sua construção até à atualidade, ao nível de recuperação estrutural ou da falta de reabilitação e recuperação dos mesmos. Contribuirá para conhecer se os edifícios mantiveram (ou não) as suas características originais relativas ao desenho e tecnologia, para tal fará valerse de tecnologias como Realidade Aumentada, assim como os princípios de elaboração e leitura de QR codes, para facilitar o acesso, localização e compreensão dessa mesma informação, permitindo ainda que o seu utilizador embarque numa viagem no tempo e experiencie o roteiro de uma forma diferente. Paralelamente, pretende-se que este roteiro funcione como um roteiro único do património Arte Nova nas duas cidades, com o intuito de se expandir a outras cidades e se tornar num roteiro único do património Arte Nova na região de Aveiro. A diversidade do património Arte Nova nesta região assenta no cunho pessoal e social que os proprietários atribuíram aos seus artefactos, assim como na formação e a capacidade artística fortemente influenciada pela técnica pessoal, temperamento e sensibilidade dos seus autores, fazendo destes artefactos autênticas obras de arte, que merecem o seu estudo. Constatou-se, ao nível dos resultados que o protótipo da aplicação mobile, se adequaram ao que foi anunciado, a nível investigativo, e por isso, interessou a este estudo confirmar a demonstração do que foi enunciado. No entanto, concluiu-se que o respetivo protótipo necessita de ser ‘afinado’ em estudos futuros. Independentemente, das fragilidades encontradas, considera-se que este protótipo de aplicação mobile poderá servir como meio de excelência para a integração de conteúdos que vão mais além do que a visualização dos artefactos. Assim, contribui-se para o adensamento e acesso ao conhecimento sobre a história da Arte Nova em Portugal.