Environmental impacts of freshwater use and suspended solids in life cycle assessment

Perturbation of natural ecosystems, namely by increasing freshwater use and its degradative use, as well as topsoil erosion by water of land-use production systems, have been emerging as topics of high environmental concern. Freshwater use has become a focus of attention in the last few years for all stakeholders involved in the production of goods, mainly agro-industrial and forest-based products, which are freshwater-intensive consumers, requiring large inputs of green and blue water. This thesis presents a global review on the available Water Footprint Assessment and Life Cycle Assessment (LCA)-based methods for measuring and assessing the environmental relevance of freshwater resources use, based on a life cycle perspective. Using some of the available midpoint LCA-based methods, the freshwater use-related impacts of a Portuguese wine (white ‘vinho verde’) were assessed. However, the relevance of environmental green water has been neglected because of the absence of a comprehensive impact assessment method associated with green water flows. To overcome this constraint, this thesis helps to improve and enhance the LCA-based methods by providing a midpoint and spatially explicit Life Cycle Impact Assessment (LCIA) method for assessing impacts on terrestrial green water flow and addressing reductions in surface blue water production caused by reductions in surface runoff due to land-use production systems. The applicability of the proposed method is illustrated by a case study on Eucalyptus globulus conducted in Portugal, as the growth of short rotation forestry is largely dependent on local precipitation. Topsoil erosion by water has been characterised as one of the most upsetting problems for rivers. Because of this, this thesis also focuses on the ecosystem impacts caused by suspended solids (SS) from topsoil erosion that reach freshwater systems. A framework to conduct a spatially distributed SS delivery to freshwater streams and a fate and effect LCIA method to derive site-specific characterisation factors (CFs) for endpoint damage on aquatic ecosystem diversity, namely on algae, macrophyte, and macroinvertebrates organisms, were developed. The applicability of this framework, combined with the derived site-specific CFs, is shown by conducting a case study on E. globulus stands located in Portugal as an example of a land use based system. A spatially explicit LCA assessment was shown to be necessary, since the impacts associated with both green water flows and SS vary greatly as a function of spatial location.

Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Argamassas funcionais para uma construção sustentável

A aposta na sustentabilidade tem conduzido o mercado da construção a procurar novas soluções técnicas e novos materiais, que por serem mais eficientes, conseguem dar resposta aos requisitos cada vez mais exigentes deste sector. A aplicação dos conceitos de sustentabilidade não se pode restringir a novas construções, tendo que prever também as renovações e a reabilitação de edifícios antigos. Assim, novos materiais que sejam desenvolvidos, devem contemplar todas estas vertentes de utilização. Neste trabalho desenvolveram-se argamassas com novas funcionalidades, que contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade dos edifícios, através da incorporação de nanomateriais para armazenamento de calor latente e degradação de poluentes do ar interior. Estudou-se não só o impacto da incorporação destas nanopartículas no estado fresco e endurecido, mas também o seu desempenho do ponto de vista funcional quando integrados na estrutura da argamassa. É possível obter argamassas com capacidade para armazenar calor latente através da incorporação de um material de mudança de fase. Este material constituído por uma mistura de parafinas, consegue armazenar calor e libertálo posteriormente. As composições desenvolvidas podem ser aplicadas em novos projectos ou na reabilitação de edifícios contribuindo para reduzir o consumo energético, melhorando o conforto térmico no interior. Com a redução da factura energética obtém-se uma efectiva diminuição do impacto ambiental, energético e económico do edifício. Para além do armazenamento de calor latente, também se desenvolveram argamassas capazes de eliminar poluentes do ar interior e, simultaneamente, com capacidade de auto-limpeza. Utilizaram-se nanopartículas de dióxido de titânio como aditivo fotocatalítico, tendo-se analisado o efeito da introdução deste aditivo nas argamassas. As composições testadas demonstraram elevada capacidade fotocatalítica e de auto-limpeza, sem comprometer as suas propriedades no estado endurecido. Ao aplicar estas composições na camada de acabamento interior melhora-se a qualidade do ar no interior das habitações e reduz-se a necessidade de utilização de sistemas de ventilação. As argamassas funcionais contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade da construção, tendo impacto económico e ambiental em todo o ciclo de vida do edifício.

Células solares de Cu2ZnSnS4 por sulfurização de camadas metálicas

As energias renováveis têm estado em destaque desde o fi nal do século XX. São vários os motivos para que isto esteja a acontecer. As previsões apontam para problemas de depleção das reservas de combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo e gás natural, durante o presente século. O carvão, ainda abundante, apresenta problemas ambientais signi cativos. Os perigos associados à energia nuclear estão fazer com que os governos de vários países repensem as suas políticas energéticas . Todas estas tecnologias têm fortes impactos ambientais. Considerando o conjunto das energias renováveis, a energia solar fotovoltaica tem ainda um peso menor no panorama da produção energética actual. A explicação para este facto deve-se ao custo, ainda elevado, dos sistemas fotovoltaicos. Várias iniciativas governamentais estão em curso, a SET for 2020 (UE) e a Sunshot (EUA), para o desenvolvimento de tecnologias que façam frente a este problema. A fatia de mercado que a tecnologia de filmes fi nos representa ainda é pequena, mas tem vindo a aumentar nos últimos anos. As vantagens relativamente à tecnologia tradicional baseada em Si são várias, como por ex. os custos energéticos e materiais para a fabricação das células. Esta dissertação apresenta um processo de fabricação de células solares em fi lmes finos usando como camada absorvente um novo composto semicondutor, o Cu2ZnSnS4, que apresenta como grande argumento, relativamente aos seus predecessores, o facto de ser constituído por elementos abundantes e de toxicidade reduzidas. Foi realizado um estudo sobre as condições termodinâmicas de crescimento deste composto, bem como a sua caracterização e das células solares finais. Este trabalho inclui um estudo dos compostos ternários, CuxSnSx+1 e compostos binários SnxSy, justi cado pelo facto de surgirem como fases secundárias no crescimento do Cu2ZnSnS4. Em seguida são descritos resumidamente os vários capítulos que constituem esta tese. No capítulo 1 é abordada de forma resumida a motivação e o enquadramento da tecnologia no panorama energético global. A estrutura da célula solar adoptada neste trabalho é também descrita. O capítulo 2 é reservado para uma descrição mais detalhada do composto Cu2ZnSnS4, nomeadamente as propriedades estruturais e opto-electrónicas. Estas últimas são usadas para explicar as composições não estequiométricas aplicadas no crescimento deste composto. São também descritas as várias técnicas de crescimento apresentadas na literatura. A última secção deste capítulo apresenta os resultados da caracterização publicados pelos vários grupos que estudam este composto. O método que foi implementado para crescer a camada absorvente, bem como os efeitos que a variação dos vários parâmetros têm neste processo são abordados no capítulo 3. Neste é também incluída uma descrição detalhada dos equipamentos usados na caraterização da camada absorvente e das células solares finais. As fases calcogêneas binária e ternárias são estudadas no capítulo 4. É apresentada uma descrição do método de crescimento, quer para as fases do tipo CuxSnSx+1, quer para as fases do tipo SnxSy e a sua caracterização básica, nomeadamente a sua composição e as propriedades estruturais, ópticas e eléctricas. No caso dos compostos binários são também apresentados os resultados de uma célula solar. No capítulo 5 são reportados os resultados da caracterização dos fi lmes de Cu2ZnSnS4. Técnicas como a dispersão Raman, a fotoluminescência, a efi ciência quântica externa e a espectroscopia de admitância são usadas para analisar as propriedades quer da camada absorvente quer da célula solar. No capítulo 6 é apresentada uma conclusão geral do trabalho desenvolvido e são referidas sugestões para melhorar e complementar os estudos feitos.

Gestão de resíduos para uma construção sustentável

Os resíduos sólidos (RS) têm vindo a aumentar em quantidade e diversidade nas últimas décadas em todo o mundo, em resultado da explosão demográfica, do crescimento económico e do aumento da construção, acentuando-se também a produção de resíduos perigosos. Por estas mesmas razões têm surgido limitações do espaço disponível para deposição final de RS. A prática atual no sector da construção pode ser alterada através da introdução de uma gestão eficiente, optimizadora de custos, com a produção de menos resíduos produzidos e também através da implementação de medidas preventivas de produção de resíduos nas obras. Pretende-se, no âmbito deste trabalho, abordar a problemática da gestão de resíduos de construção em obra e contribuir para alterar a situação descrita, apresentando e validando ferramentas a utilizar na gestão de RS. O principal objetivo do trabalho é avaliar os impactes ambientais associados à gestão dos resíduos produzidos na obra na fase de construção. Nas obras em estudo foi recolhida informação sobre os resíduos (quantidades e tipologia) e analisada, tratada com a finalidade de criar uma ferramenta indispensável na gestão de resíduos de construção e compilado o inventário dos resíduos. Após esta compilação, procedeu-se à avaliação dos impactes. A aplicação da ferramenta de avaliação de ciclo de vida permitem avaliar o impacte das decisões na sustentabilidade da construção, nomeadamente no que diz respeito à geração de resíduos.

Road traffic information platform for energy and emissions savings

Apesar das recentes inovações tecnológicas, o setor dos transportes continua a exercer impactes significativos sobre a economia e o ambiente. Com efeito, o sucesso na redução das emissões neste setor tem sido inferior ao desejável. Isto deve-se a diferentes fatores como a dispersão urbana e a existência de diversos obstáculos à penetração no mercado de tecnologias mais limpas. Consequentemente, a estratégia “Europa 2020” evidencia a necessidade de melhorar a eficiência no uso das atuais infraestruturas rodoviárias. Neste contexto, surge como principal objetivo deste trabalho, a melhoria da compreensão de como uma escolha de rota adequada pode contribuir para a redução de emissões sob diferentes circunstâncias espaciais e temporais. Simultaneamente, pretende-se avaliar diferentes estratégias de gestão de tráfego, nomeadamente o seu potencial ao nível do desempenho e da eficiência energética e ambiental. A integração de métodos empíricos e analíticos para avaliação do impacto de diferentes estratégias de otimização de tráfego nas emissões de CO2 e de poluentes locais constitui uma das principais contribuições deste trabalho. Esta tese divide-se em duas componentes principais. A primeira, predominantemente empírica, baseou-se na utilização de veículos equipados com um dispositivo GPS data logger para recolha de dados de dinâmica de circulação necessários ao cálculo de emissões. Foram percorridos aproximadamente 13200 km em várias rotas com escalas e características distintas: área urbana (Aveiro), área metropolitana (Hampton Roads, VA) e um corredor interurbano (Porto-Aveiro). A segunda parte, predominantemente analítica, baseou-se na aplicação de uma plataforma integrada de simulação de tráfego e emissões. Com base nesta plataforma, foram desenvolvidas funções de desempenho associadas a vários segmentos das redes estudadas, que por sua vez foram aplicadas em modelos de alocação de tráfego. Os resultados de ambas as perspetivas demonstraram que o consumo de combustível e emissões podem ser significativamente minimizados através de escolhas apropriadas de rota e sistemas avançados de gestão de tráfego. Empiricamente demonstrou-se que a seleção de uma rota adequada pode contribuir para uma redução significativa de emissões. Foram identificadas reduções potenciais de emissões de CO2 até 25% e de poluentes locais até 60%. Através da aplicação de modelos de tráfego demonstrou-se que é possível reduzir significativamente os custos ambientais relacionados com o tráfego (até 30%), através da alteração da distribuição dos fluxos ao longo de um corredor com quatro rotas alternativas. Contudo, apesar dos resultados positivos relativamente ao potencial para a redução de emissões com base em seleções de rotas adequadas, foram identificadas algumas situações de compromisso e/ou condicionantes que devem ser consideradas em futuros sistemas de eco navegação. Entre essas condicionantes importa salientar que: i) a minimização de diferentes poluentes pode implicar diferentes estratégias de navegação, ii) a minimização da emissão de poluentes, frequentemente envolve a escolha de rotas urbanas (em áreas densamente povoadas), iii) para níveis mais elevados de penetração de dispositivos de eco-navegação, os impactos ambientais em todo o sistema podem ser maiores do que se os condutores fossem orientados por dispositivos tradicionais focados na minimização do tempo de viagem. Com este trabalho demonstrou-se que as estratégias de gestão de tráfego com o intuito da minimização das emissões de CO2 são compatíveis com a minimização do tempo de viagem. Por outro lado, a minimização de poluentes locais pode levar a um aumento considerável do tempo de viagem. No entanto, dada a tendência de redução nos fatores de emissão dos poluentes locais, é expectável que estes objetivos contraditórios tendam a ser minimizados a médio prazo. Afigura-se um elevado potencial de aplicação da metodologia desenvolvida, seja através da utilização de dispositivos móveis, sistemas de comunicação entre infraestruturas e veículos e outros sistemas avançados de gestão de tráfego.

Integration of geochemical and biological modifications in mining areas: waters, sediments and diatoms

The development of mining activities over thousands of years in the region of Aljustrel is nowadays visible as a vast area of ore tailings, slag and host rocks of sulphides mineralization. The generation of acidic waters by the alteration of pyritic minerals - Acid Mine Drainage (AMD) - causes a significant impact on the river system both in the south of the village (Rib ª. Água Forte) and in the north of it (Rib ª. Água Azeda and Barranco do Farrobo), which is reflected in extremely low pH values (< 3) and high concentrations of As, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn and sulphates. This study aimed to assess the environmental impacts extent, integrating geochemical (surface waters and stream sediments) and biological (diatoms) parameters. Three groups of sites were defined, based on sediments and water analysis, which integration with diatom data showed the same association of groups: Group 1- impacted, with acidic pH (1.9-5.1), high metal contents (0.4-1975 mg L-1) and Fe-Mg-sulphate waters, being metals more bioavailable in waters in cationic form (Me2+); mineralogically the sediments were characterized by phyllosilicates and sulphates/oxy-hydroxysulphate phases, easily solubilized, retaining a high amount of metals when precipitated; dominant taxon was Pinnularia aljustrelica (a new species); Group 2- slightly impacted, weak acid to neutral pH (5.0-6.8), metal contents not so high (0.2-25 mg L-1) and Fe-Mg-sulphate to Mg-chloride waters; dominant taxa were Brachysira neglectissima and Achnanthidium minutissimum; Group 3- unimpacted, alkaline pH (7.0-8.4), low metal contents (0-7 mg L-1) with Mg-chloride waters. In this group, metals were associated to the primary phases (e.g. sulphides), not so easily available; the existence of high chloride contents explained the presence of typical taxa of brackish/marine (e.g. Entomoneis paludosa) waters. Taxonomical aspects of the diatoms were studied (discovery of a new species: Pinnularia aljustrelica Luis, Almeida et Ector sp. nov.), as well as morphometric (size decrease of diatoms valves, as well as the appearance of deformed valves of Eunotia exigua in Group 1 and A. minutissimum in Group 2) and physiological (effective to assess the effects of metals/acidity in the photosynthetic efficiency through PAM Fluorometry) aspects. A study was carried out in an artificial river system (microcosm) that aimed to mimic Aljustrel’s extreme conditions in controlled laboratory conditions. The chronic effects of Fe, SO42- and acidity in field biofilms, inoculated in the artificial rivers, were evaluated as well as their contribution to the communities’ tolerance to metal toxicity, through acute tests with two metals (Cu and Zn). In general, the effects caused by low pH values and high concentrations of Fe and SO42- were reflected at the community level by the decrease in diversity, the predominance of acidophilic species, the decrease in photosynthetic efficiency and the increase of enzymatic (e.g. catalase, superoxide dismutase) and non-enzymatic activities (e.g. total glutathione and total phytochelatins). However, it was possible to verify that acidity performed a protective effect in the communities, upon Cu and Zn addition. A comparative study between Aljustrel mining area and New Brunswick mining area was carried out, both with similar mining and geological conditions, reflected in similar diatom communities in both mines, but in very different geographic and climatic areas.