Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.

Energy systems analysis of transboundary river basins in a nexus approach: the Sava river basin study case

Resource management policies are frequently designed and planned to target specific needs of particular sectors, without taking into account the interests of other sectors who share the same resources. In a climate of resource depletion, population growth, increase in energy demand and climate change awareness, it is of great importance to promote the assessment of intersectoral linkages and, by doing so, understand their effects and implications. This need is further augmented when common use of resources might not be solely relevant at national level, but also when the distribution of resources ranges over different nations. This dissertation focuses on the study of the energy systems of five south eastern European countries, which share the Sava River Basin, using a water-food(agriculture)-energy nexus approach. In the case of the electricity generation sector, the use of water is essential for the integrity of the energy systems, as the electricity production in the riparian countries relies on two major technologies dependent on water resources: hydro and thermal power plants. For example, in 2012, an average of 37% of the electricity production in the SRB countries was generated by hydropower and 61% in thermal power plants. Focusing on the SRB, in terms of existing installed capacities, the basin accommodates close to a tenth of all hydropower capacity while providing water for cooling to 42% of the net capacity of thermal power currently in operation in the basin. This energy-oriented nexus study explores the dependency on the basin’s water resources of the energy systems in the region for the period between 2015 and 2030. To do so, a multi-country electricity model was developed to provide a quantification ground to the analysis, using the open-source software modelling tool OSeMOSYS. Three main areas are subject to analysis: first, the impact of energy efficiency and renewable energy strategies in the electricity generation mix; secondly, the potential impacts of climate change under a moderate climate change projection scenario; and finally, deriving from the latter point, the cumulative impact of an increase in water demand in the agriculture sector, for irrigation. Additionally, electricity trade dynamics are compared across the different scenarios under scrutiny, as an effort to investigate the implications of the aforementioned factors in the electricity markets in the region.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

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.

Production of biodiesel from the resources endogeneous of Timor Leste

Os biocombustíveis têm estado na linha da frente das políticas energéticas mundiais visto que as suas vantagens conseguem colmatar as incertezas e resolver alguns dos problemas associados aos combustíveis fósseis. O biodiesel tem provado ser um combustível muito fiável, alternativo ao petrodiesel. É uma mistura de ésteres alquílicos produzidos a partir de óleos vegetais e gorduras animais através de uma reacção de transesterificação. Como combustível, o biodiesel é economicamente viável, socialmente responsável, tecnicamente compatível e ambientalmente amigável. O principal desafio associado ao seu desenvolvimento tem a ver com a escolha de matéria-prima para a sua produção. Nos países do terceiro mundo, óleos alimentares são mais importantes para alimentar pessoas do que fazer funcionar carros. Esta tese tem como objectivos produzir/processar biodiesel a partir de recursos endógenos de Timor-Leste e medir/prever as propriedades termodinâmicas do biodiesel, a partir das dos esteres alquílicos. A síntese do biodiesel a partir dos óleos de Aleurites moluccana, Jatropha curcas e borras de café foram aqui estudados. As propriedades termodinâmicas como densidade, viscosidade, tensão superficial, volatilidade e velocidade do som também foram medidas e estimadas usando modelos preditivos disponíveis na literatura, incluindo as equações de estado CPA e soft-SAFT. Timor-Leste é um país muito rico em recursos naturais, mas a maioria da população ainda vive na pobreza e na privação de acesso a serviços básicos e condições de vida decentes. A exploração de petróleo e gás no mar de Timor tem sido controlado pelo Fundo Petrolífero. O país ainda carece de electricidade e combustíveis que são cruciais para materializar as políticas de redução da pobreza. Como solução, o governo timorense criou recentemente o Plano Estratégico de Desenvolvimento a 20 anos cujas prioridades incluem trazer o desenvolvimento do petróleo do mar para a costa sul de Timor-Leste e desenvolver as energias renováveis. É neste último contexto que o biodiesel se insere. O seu desenvolvimento no país poderá ser uma solução para o fornecimento de electricidade, a criação de empregos e sobretudo o combate contra a pobreza e a privação. Para ser usado como combustível, no entanto, o biodiesel deve possuir propriedades termodinâmicas coerentes com as especificadas nas normas da ASTM D6751 (nos Estados Unidos) ou EN 14214 (na Europa) para garantir uma adequada ignição, atomização e combustão do biodiesel no motor.

The impact of biofuels for road traffic on air quality : a modelling approach

The selection of the energy source to power the transport sector is one of the main current concerns, not only relative with the energy paradigm but also due to the strong influence of road traffic in urban areas, which highly affects human exposure to air pollutants and human health and quality of life. Due to current important technical limitations of advanced energy sources for transportation purposes, biofuels are seen as an alternative way to power the world’s motor vehicles in a near-future, helping to reduce GHG emissions while at the same time stimulating rural development. Motivated by European strategies, Portugal, has been betting on biofuels to meet the Directive 2009/28/CE goals for road transports using biofuels, especially biodiesel, even though, there is unawareness regarding its impacts on air quality. In this sense, this work intends to clarify this issue by trying to answer the following question: can biodiesel use contribute to a better air quality over Portugal, particularly over urban areas? The first step of this work consisted on the characterization of the national biodiesel supply chain, which allows verifying that the biodiesel chain has problems of sustainability as it depends on raw materials importation, therefore not contributing to reduce the external energy dependence. Next, atmospheric pollutant emissions and air quality impacts associated to the biodiesel use on road transports were assessed, over Portugal and in particular over the Porto urban area, making use of the WRF-EURAD mesoscale numerical modelling system. For that, two emission scenarios were defined: a reference situation without biodiesel use and a scenario reflecting the use of a B20 fuel. Through the comparison of both scenarios, it was verified that the use of B20 fuels helps in controlling air pollution, promoting reductions on PM10, PM2.5, CO and total NMVOC concentrations. It was also verified that NO2 concentrations decrease over the mainland Portugal, but increase in the Porto urban area, as well as formaldehyde, acetaldehyde and acrolein emissions in the both case studies. However, the use of pure diesel is more injurious for human health due to its dominant VOC which have higher chronic hazard quotients and hazard indices when compared to B20.

Biocatálise aplicada à valorização de óleos alimentares usados

O crescente consumo de energia, bem como a possibilidade de esgotamento dos recursos não renováveis, tem fomentado a busca de fontes de energia alternativas. O biodiesel é um biocombustível obtido a partir de fontes renováveis e a sua utilização permite reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. Nos últimos anos tem-se produzido biodiesel a partir de óleos alimentares usados (OAU), sendo que com esta aplicação valoriza-se um resíduo e simultaneamente produz-se um combustível “verde”. O biodiesel é produzido através das reações de transesterificação e/ou esterificação entre triglicerídeos e/ou ácidos gordos livres e um álcool, na presença de um catalisador. O rendimento do processo está estritamente relacionado com o tipo de catalisador e as condições que este opera. O principal objetivo do presente trabalho consistiu na avaliação do efeito de alguns parâmetros operacionais no desempenho de uma lípase imobilizada (Novozyme® 435), nomeadamente: (i) índice de acidez do óleo, (ii) razão mássica de enzima/óleo e (iii) método regeneração da enzima com vista à sua reutilização. Também foi objeto de estudo do presente trabalho a produção em contínuo, num (bior)reator tubular de leito fixo, de ésteres metílicos de ácidos gordos (FAME) usando a referida enzima. Registou-se um aumento rendimento em com o incremento do índice de acidez do óleo usado, o que indicia que a enzima catalisa simultaneamente as reações de esterificação e transesterificação. Relativamente à razão mássica de enzima/óleo, dentro da gama testada verificou-se um aumento do rendimento em FAME com a concentração da enzima em meio reacional. Dos vários solventes testados, a aplicação de solvente tert-butanol na regeneração (com incubação) da enzima foi o que melhores resultados teve. Finalmente, os resultados obtidos no ensaio de produção de FAME num biorreator contínuo são motivadores, criando expectativas de uma possível aplicação industrial no futuro.

Características de cinzas e sua aplicação no tratamento de gases durante a gasificação de biomassa

Na procura de melhores combustíveis para a produção de energia térmica e energia elétrica, a biomassa apresenta-se como uma das fontes de energia renováveis menos prejudiciais ao meio ambiente, esta é considerada como um recurso neutro do ponto de vista de emissões de dióxido de carbono. Atualmente, a tecnologia predominante no domínio da conversão energética de biomassa por via termoquímica é a combustão. Contudo, verifica-se a procura de combustíveis de melhor qualidade produzidos a partir de biomassa, como por exemplo na forma gasosa (gás de combustível). A produção deste tipo de combustíveis gasosos envolvendo processos de gasificação carece do desenvolvimento de tecnologia que permita obter um gás combustível com características adequadas às utilizações pretendidas. Os problemas mais relevantes relacionados com a conversão termoquímica da biomassa incluem a produção de cinzas e de alcatrões, estes podem levar a vários problemas operatórios. O presente trabalho teve dois objetivos, a caracterização das cinzas resultantes do processo de combustão de biomassa e o estudo do efeito da aplicação das cinzas para melhorar as propriedades do gás produzido durante o processo de gasificação de biomassa, principalmente na redução de compostos condensáveis (alcatrões). As cinzas volantes da combustão de biomassa analisadas apresentam na sua constituição elementos químicos característicos da biomassa, onde o cálcio apresenta-se em concentrações mais elevadas. Em menores concentrações encontram-se sódio, magnésio, fósforo, enxofre, cloro, potássio, manganês e ferro. As cinzas de fundo, pelo contributo que a areia do leito tem, são caracterizadas por conterem grandes concentrações de silício. Durante os processos de gasificação de biomassa a concentração de compostos condensáveis diminuiu com o aumento da razão de equivalência. As cinzas, colocadas no reator de leito fixo, apresentam um efeito positivo sobre a qualidade do gás, nomeadamente um aumento de 47,8% no teor de H2 e de 11% de CO, consequentemente obteve-se um gás combustível com PCI (poder calorífico inferior) mais elevado.