Análise e optimização dos consumos de utilidades (vapor e energia eléctrica) na Petibol – Embalagens de Plásticos, S.A.

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Sequential application of soil vapor extraction and bioremediation processes for the remediation of ethylbenzene-contaminated soils

Soil vapor extraction (SVE) is an efficient, well-known and widely applied soil remediation technology. However, under certain conditions it cannot achieve the defined cleanup goals, requiring further treatment, for example, through bioremediation (BR). The sequential application of these technologies is presented as a valid option but is not yet entirely studied. This work presents the study of the remediation of ethylbenzene (EB)-contaminated soils, with different soil water and natural organic matter (NOMC) contents, using sequential SVE and BR. The obtained results allow the conclusion that: (1) SVE was sufficient to reach the cleanup goals in 63% of the experiments (all the soils with NOMC below 4%), (2) higher NOMCs led to longer SVE remediation times, (3) BR showed to be a possible and cost-effective option when EB concentrations were lower than 335 mg kgsoil −1, and (4) concentrations of EB above 438 mg kgsoil −1 showed to be inhibitory for microbial activity.

Soil vapor extraction in sandy soils: influence of airflow rate

Airflow rate is one of the most important parameters for the soil vapor extraction of contaminated sites, due to its direct influence on the mass transfer occurring during the remediation process. This work reports the study of airflow rate influence on soil vapor extractions, performed in sandy soils contaminated with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene and perchloroethylene. The objectives were: (i) to analyze the influence of airflow rate on the process; (ii) to develop a methodology to predict the remediation time and the remediation efficiency; and (iii) to select the most efficient airflow rate. For dry sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, containing the contaminants previously cited, it was concluded that: (i) if equilibrium between the pollutants and the different phases present in the soil matrix was reached and if slow diffusion effects did not occur, higher airflow rates exhibited the fastest remediations, (ii) it was possible to predict the remediation time and the efficiency of remediation with errors below 14%; and (iii) the most efficient remediation were reached with airflow rates below 1.2 cm3 s 1 standard temperature and pressure conditions.

Life cycle analysis of biodiesel production

Biodieselhas attracted considerable attention as a renewable, biodegradable, and nontoxic fuel and can contribute to solving the energy problems, significantly reducing the emission of gases which cause global warming. The first stage of this work was to simulate different alternative processes for producing biodiesel. The method used for the production of biodiesel is the transesterification of vegetable oilswith an alcohol in the presence of a catalyst. The raw materials used were palm oils and waste cooking oil. The second stage was a life cycle analysis for all alternatives under study, followed by an economic analysis for the alternatives that present minor impacts and which are more promising from an economic point of view. Finally,we proceeded to compare the different alternatives fromboth the point of view of life cycle and economic analysis. The feasibility of all processes was proven and the biodiesel obtained had good specifications. From the standpoint of life cycle analysis, the best alternative was the process of alkaline catalysiswith acid pretreatment for waste cooking oil. The economic analysis was done to the previous mentioned process and to the process that uses raw virgin oils, methanol, and sodium hydroxide. This process has lower investment costs but the process of alkaline catalysis with acid pre-treatment, whose main raw material is waste oil, is much more profitable and has less environmental impacts.

Simulation and life cycle assessment of process design alternatives for biodiesel production from waste vegetable oils

This study uses the process simulator ASPEN Plus and Life Cycle Assessment (LCA) to compare three process design alternatives for biodiesel production from waste vegetable oils that are: the conventional alkali-catalyzed process including a free fatty acids (FFAs) pre-treatment, the acid-catalyzed process, and the supercritical methanol process using propane as co-solvent. Results show that the supercritical methanol process using propane as co-solvent is the most environmentally favorable alternative. Its smaller steam consumption in comparison with the other process design alternatives leads to a lower contribution to the potential environmental impacts (PEI’s). The acid-catalyzed process generally shows the highest PEI’s, in particular due to the high energy requirements associated with methanol recovery operations.

Remediation of soils combining soil vapor extraction and bioremediation: benzene

This work reports the study of the combination of soil vapor extraction (SVE) with bioremediation (BR) to remediate soils contaminated with benzene. Soils contaminated with benzene with different water and natural organic matter contents were studied. The main goals were: (i) evaluate the performance of SVE regarding the remediation time and the process efficiency; (ii) study the combination of both technologies in order to identify the best option capable to achieve the legal clean up goals; and (iii) evaluate the influence of soil water content (SWC) and natural organic matter (NOM) on SVE and BR. The remediation experiments performed in soils contaminated with benzene allowed concluding that: (i) SVE presented (a) efficiencies above 92% for sandy soils and above 78% for humic soils; (b) and remediation times from 2 to 45 h, depending on the soil; (ii) BR showed to be an efficient technology to complement SVE; (iii) (a) SWC showed minimum impact on SVE when high airflow rates were used and led to higher remediation times for lower flow rates; (b) NOM as source of microorganisms and nutrients enhanced BR but hindered the SVE due the limitation on the mass transfer of benzene from the soil to the gas phase.

Comparison of allocation approaches in soybean biodiesel life cycle assessment

This work shows the influence of using different allocation approaches when modelling the inventory analysis in a soybean biodiesel life cycle assessment (LCA). Results obtained using mass, energy and economic based allocations are compared, focusing on the following aspects: normalised potential environmental impact (PEI) categories, total PEI and relative contributions to the total PEI from each life cycle stage and environmental impact category. Similar results are obtained either using economic and energy based allocations. However, different results are obtained when mass based allocation is used when compared with the other two. This study also illustrates that using different allocation approaches in biodiesel LCA may influence the final conclusions, especially in comparative assertions, emphasising the need to perform a sensitivity analysis in the LCA interpretation step.

Cycle time properties of the PROFIBUS timed-token protocol

A recent trend in distributed computer-controlled systems (DCCS) is to interconnect the distributed computing elements by means of multi-point broadcast networks. Since the network medium is shared between a number of network nodes, access contention exists and must be solved by a medium access control (MAC) protocol. Usually, DCCS impose real-time constraints. In essence, by real-time constraints we mean that traffic must be sent and received within a bounded interval, otherwise a timing fault is said to occur. This motivates the use of communication networks with a MAC protocol that guarantees bounded access and response times to message requests. PROFIBUS is a communication network in which the MAC protocol is based on a simplified version of the timed-token protocol. In this paper we address the cycle time properties of the PROFIBUS MAC protocol, since the knowledge of these properties is of paramount importance for guaranteeing the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system which is supported by this type of network.

Produção centralizada a biogás - análise do impacto a nível cooperativo

A utilização de energia renovável é hoje tema abordado em todo o mundo, devido à preocupação com a preservação do meio ambiente. Entre as energias renováveis, a biomassa destaca-se pela excelente disponibilidade que possui. Os dejetos bovinos são uma das mais abundantes, o qual tem grande potencial energético, se fermentado corretamente em biodigestores, obtendo como um dos produtos finais, o biogás. Esse gás é constituído na sua maior parte por gás metano (CH4) que é altamente inflamável. Neste trabalho pretende-se fazer a avaliação do potencial energético das propriedades de produção de leite na região do concelho de BRAGA aplicando uma tecnologia de queima de biogás e de produção de eletricidade utilizando um sistema de cogeração convencional e uma tecnologia mais recente, o Organic Rankine Cycle (ORC) e explicitando a respetiva análise económica. As opções por um sistema ORC na central em análise foram justificadas ponderando as vantagens e desvantagens deste ciclo em relação ao ciclo de vapor de água. O objetivo é a obtenção de energia elétrica e térmica e o aumento do rendimento global da instalação com o aproveitamento de todas as energias disponíveis, assim como a eliminação da toxidade dos dejetos para aproveitamento como biomassa. Partindo do levantamento bibliográfico e caraterização das diversas propriedades existentes no concelho, utilizando a tecnologia mais indicada e atual para este tipo de instalação. A biomassa utilizada foi uma mistura de dejetos bovinos com água. O biogás produzido foi convertido em energia elétrica e térmica, através da sua queima. Tem-se assim uma central que além de dar destino adequado aos dejetos animais, diminui a contaminação ambiental, evita a emissão de gás metano para a atmosfera e produz biogás. Efetua-se os cálculos económicos para dois cenários distintos, implementação de uma central de valorização de biogás em cada um dos oito maiores produtores de leite do núcleo de Penso e o aproveitamento dos dejetos produzidos pelos mesmos para implementação de uma central global de recolha dos mesmos, onde é feito o tratamento dos mesmos e a consequente produção de biogás. Na análise económica foram utilizados os seguintes critérios: o VAL (valor atual líquido), a TIR (taxa interna de rendibilidade) e o Período de Retorno Financeiro do Projeto.

Multiple Linear Regression and Artificial Neural Networks to Predict Time and Efficiency of Soil Vapor Extraction

The prediction of the time and the efficiency of the remediation of contaminated soils using soil vapor extraction remain a difficult challenge to the scientific community and consultants. This work reports the development of multiple linear regression and artificial neural network models to predict the remediation time and efficiency of soil vapor extractions performed in soils contaminated separately with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene, and perchloroethylene. The results demonstrated that the artificial neural network approach presents better performances when compared with multiple linear regression models. The artificial neural network model allowed an accurate prediction of remediation time and efficiency based on only soil and pollutants characteristics, and consequently allowing a simple and quick previous evaluation of the process viability.

Projecto e concepção de um dispositivo experimental para medição e caracterização dos esforços aplicados no finca-pés de um caiaque de pista: Investigação, desenho e desenvolvimento

Após o enquadramento da canoagem, como modalidade Olímpica, verificou-se um aumento significativo de estudos e pesquisas acerca da biomecânica da modalidade, o que contribuiu para uma diminuição dos tempos na competição. Contudo poucos foram os que se focaram nas forças desenvolvidas e aplicadas ao caiaque através do finca-pés, criado assim oportunidade de desenvolvimento de dispositivos para a medição das mesmas. Assim, o objectivo primordial é desenvolver um sistema experimental capaz de quantificar as forças geradas em cada um dos lados do finca-pés (esquerdo e direito). Este, deverá não só ser passível de se utilizar em caiaque ergómetro como também num caiaque de pista, permitido avaliar as forças aplicadas durante o ciclo de pagaiada, tanto em compressão como em tracção. A sua concepção baseou-se num modelo de finca-pés já existente, tornando-o compatível com os caiaques de competição mais comercializados, e permitindo que no futuro se possa utilizar na água, bastando para isso apenas possuir um caiaque e embarcar o sistema de medição. Este sistema experimental foi testado em caiaque ergómetro por 7 (sete) sujeitos com níveis distintos: seis homens (um atleta olímpico medalhado e cinco de nível nacional) e uma mulher (de nível de selecção Portuguesa) que, entre outros, realizaram um plano definido por 60s a uma frequência de 75 pagaiadas por minuto, seguido de uma intensa mudança de ritmo e força (Sprint). Após análise dos dados obtidos em cada um dos diferentes sujeitos, conseguimos identificar algumas das suas características, tais como: esforço assimétrico dos membros inferiores; utilização de forma heterogénea da fita do finca-pés; diferença de forças máximas aplicadas entre atletas (Ex.: para um atleta olímpico as forças medidas (Min; Max): Pé Esquerdo (- 444; 1087) N e Pé Direito (- 476; 1068) N); etc. Os resultados não só são bastante promissores como também são motivantes e congruentes com estudos anteriores, nomeadamente Begon et al. 2008 e Sturm 2010 e 2012. Finalmente, consegue-se afirmar, com segurança, que foram alcançados os objectivos propostos com a concepção deste dispositivo de medição de forças. Este permite caracterizar os esforços desenvolvidos no finca-pés por cada membro inferior, com ou sem a fita de suporte, possibilitando aos treinadores e atletas uma visão, para muitos desconhecida, das forças transmitidas e das suas assimetrias. No final, este conhecimento permitirá aos atletas melhorar o seu desempenho desportivo bem como facilitar a gestão desportiva, com base nos principais princípios mecânicos inerentes ao movimento dos atletas desde desporto Olímpico.

TEA: Timing and Energy Aware compression architecture for Efficient Configuration in CGRAs

Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) are emerging as enabling platforms to meet the high performance demanded by modern applications (e.g. 4G, CDMA, etc.). Recently proposed CGRAs offer time-multiplexing and dynamic applications parallelism to enhance device utilization and reduce energy consumption at the cost of additional memory (up to 50% area of the overall platform). To reduce the memory overheads, novel CGRAs employ either statistical compression, intermediate compact representation, or multicasting. Each compaction technique has different properties (i.e. compression ratio, decompression time and decompression energy) and is best suited for a particular class of applications. However, existing research only deals with these methods separately. Moreover, they only analyze the compaction ratio and do not evaluate the associated energy overheads. To tackle these issues, we propose a polymorphic compression architecture that interleaves these techniques in a unique platform. The proposed architecture allows each application to take advantage of a separate compression/decompression hierarchy (consisting of various types and implementations of hardware/software decoders) tailored to its needs. Simulation results, using different applications (FFT, Matrix multiplication, and WLAN), reveal that the choice of compression hierarchy has a significant impact on compression ratio (up to 52%), decompression energy (up to 4 orders of magnitude), and configuration time (from 33 n to 1.5 s) for the tested applications. Synthesis results reveal that introducing adaptivity incurs negligible additional overheads (1%) compared to the overall platform area.

Limit Cycle Prediction of Systems with Fractional Controllers and Backlash

This article investigates the limit cycle (LC) prediction of systems with backlash by means of the describing function (DF) when using discrete fractional-order (FO) algorithms. The DF is an approximate method that gives good estimates of LCs. The implementation of FO controllers requires the use of rational approximations, but such realizations produce distinct dynamic types of behavior. This study analyzes the accuracy in the prediction of LCs, namely their amplitude and frequency, when using several different algorithms. To illustrate this problem we use FO-PID algorithms in the control of systems with backlash.

Life Cycle Assessment of the Hybrid Vehicle – Toyota Prius

Die Luftverschmutzung, die globale Erwärmung sowie die Verknappung der endlichen Ressourcen sind die größten Bedenken der vergangenen Jahrzehnte. Die Nachfrage nach jeglicher Mobilität steigt rapide. Dementsprechend bemüht ist die Automobilindustrie Lösungen für Mobilität unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit und dem Umweltschutz anzubieten. Die Elektrifizierung hat sich hierbei als der beste Weg herausgestellt, um die Umweltprobleme sowie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu lösen. Diese Arbeit soll einen Einblick über die Umweltauswirkungen des Hybridfahrzeuges Toyota Prius geben. Hierbei findet eine Gliederung in vier verschiedene Lebensphasen statt. Im Anschluss bietet die Sachbilanz die Möglichkeit die Umweltauswirkungen mit verschiedenen Antriebsmöglichkeiten und Brennstoffen zu vergleichen. Das Modell hat gezeigt, dass der Toyota Prius während der Nutzung einen hohen Einfluss auf das Treibhauspotenzial aufweist. Durch die Nutzung anderer Brennstoffe, wie beispielsweise Ethanol oder Methanol lassen sich die Auswirkungen am Treibhauspotenzial sowie der Verbrauch an abiotischen Ressourcen reduzieren. Vergleicht man die Elektromobilität mit der konventionellen, so ist festzustellen, dass diese Art der Mobilität die derzeit beste Möglichkeit zur Reduzierung der Umweltbelastungen bietet. Die Auswirkungen der Elektromobilität sind im hohen Maße abhängig von der Art des verwendeten Strommixes.