Eficiência energética e a queima de combustíveis limpos

Mestrado em Engenharia Química

Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Gestão da rede de hidrogénio da Refinaria de Matosinhos

Até há bem pouco tempo o hidrogénio não era considerado um elemento crucial nas refinarias, sendo por isso queimado juntamente com o fuel gás. Actualmente, o hidrogénio é considerado uma utilidade do processo e como tal deverá ser utilizado de forma eficiente. A procura crescente está também relacionada com as limitações ambientais exigidas bem como as especificações que os combustíveis devem apresentar, nomeadamente o teor de enxofre. Assim, torna-se necessário um melhor aproveitamento do hidrogénio presente na refinaria e como tal procede-se à gestão da rede de produção/distribuição/consumo do mesmo, dado ser um subproduto dos processos de refinação. Com tudo isto, a integração de processos tem sido a base de inúmeras metodologias sistemáticas que permitem identificar o ponto onde se poderá intervir. A gestão da rede de hidrogénio é baseada na metodologia pinch, que apresenta um procedimento que permite estabelecer a meta mínima de importação de hidrogénio à rede assim como localizar a corrente onde se pode aproveita-lo, e com isso reduzir os custos associados e obter novas especificações dos combustíveis. Esta dissertação de mestrado, teve como objectivo minimizar o hidrogénio presente no fuel gás da Refinaria de Matosinhos de forma a ser aproveitado na UN3700, unidade de hidrodessulfuração do gasóleo. Foi desenvolvida com base no trabalho proposto por Alves (1999), pois as correntes são consideradas em termos de qualidade (pureza em H2) e quantidade (caudal). Devido à existência de duas situações distintas nos resultados obtidos, concluise que para a situação em que se considera a corrente de reciclo, consegue-se obter uma percentagem de 55,21% de hidrogénio no fuel gás. Para a situação sem a corrente de reciclo é possível obter uma percentagem de 49,90%. Em ambas as situações será benéfico a ligação da UN1500 à UN1700 bem como do acumulador D- 4701 à UN1700.

Análise técnica e económico-financeira de um sistema de abastecimento de veículos zero emissões integrando um sistema fotovoltaico

Com o aumento da população mundial registado nos últimos anos surgiu também uma maior procura energética. Esse aumento foi inicialmente colmatado recorrendo essencialmente a fontes de origem fóssil, pelo facto destas serem mais baratas. No entanto, essa tendência de preços baixos sofreu o primeiro abalo nos anos 70 do século passado, altura em que o preço do petróleo disparou, devido a questões políticas. Nessa altura ficou visível para os países ocidentais o quanto estes eram dependentes dos países produtores de petróleo que, em geral, são instáveis politicamente. Começou então a procura de fontes energéticas alternativas. Além da questão económica do aumento do preço dos combustíveis, existe também o problema ambiental. Os maiores responsáveis pela emissão de gases efeito estufa (GEE) são os combustíveis fósseis. Os GEE contribuem para o aquecimento global, o que origina fenómenos ambientais severos que poderão levar a mudanças climáticas significativas. As energias renováveis apresentam-se como a solução mais viável ao problema energético e ambiental que se verifica actualmente, porque permitem colmatar o aumento da procura energética de uma forma limpa e sustentável. Na sequência destes problemas surgiram nos últimos anos veículos que permitem reduzir ou mesmo eliminar o consumo de combustíveis fósseis, como os veículos híbridos eléctricos, eléctricos e a hidrogénio. Nesta dissertação analisa-se um sistema que foi pensado para ser implementado em áreas de serviço, que permite efectuar o carregamento de electric vehicles (EV) utilizando energia eléctrica de origem fotovoltaica e a produção de hidrogénio para os fuels cell electric vehicles (FCEV). É efectuada uma análise económica do sistema, uma análise ambiental e analisou-se também o impacto na redução da dependência do país em relação ao exterior, sendo ainda efectuada uma pequena análise ao sistema MOBIE. No caso dos veículos a hidrogénio, foi determinada qual seria a melhor opção em termos económicos, para a produção de hidrogénio considerando três regimes de produção: recorrendo apenas à energia eléctrica proveniente do sistema fotovoltaico, apenas à energia eléctrica da rede, ou uma combinação dos dois regimes. O sistema estudado nesta dissertação apresenta um enorme potencial a nível energético e ambiental, surgindo como alternativa para abastecer os veículos que irão permitir, no futuro, eliminar a dependência energética em relação às fontes fósseis e ao mesmo tempo diminuir a quantidade de gases efeito estufa emitidos para a atmosfera.

Modelling and segmentation of the vocal tract during speech production by using deformable models in magnetic resonance images

The first and second authors would like to thank the support of the PhD grants with references SFRH/BD/28817/2006 and SFRH/PROTEC/49517/2009, respectively, from Fundação para a Ciência e Tecnol ogia (FCT). This work was partially done in the scope of the project “Methodologies to Analyze Organs from Complex Medical Images – Applications to Fema le Pelvic Cavity”, wi th reference PTDC/EEA- CRO/103320/2008, financially supported by FCT.

Analysis of tongue shape and motion in speech production using statistical modeling

The mechanisms of speech production are complex and have been raising attention from researchers of both medical and computer vision fields. In the speech production mechanism, the articulator’s study is a complex issue, since they have a high level of freedom along this process, namely the tongue, which instigates a problem in its control and observation. In this work it is automatically characterized the tongues shape during the articulation of the oral vowels of Portuguese European by using statistical modeling on MR-images. A point distribution model is built from a set of images collected during artificially sustained articulations of Portuguese European sounds, which can extract the main characteristics of the motion of the tongue. The model built in this work allows under standing more clearly the dynamic speech events involved during sustained articulations. The tongue shape model built can also be useful for speech rehabilitation purposes, specifically to recognize the compensatory movements of the articulators during speech production.

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.

Luminol-doped nanostructured composite materials for chemiluminescent sensing of hydrogen peroxide

Silica based nanostructured composite materials doped with luminol and cobalt(II) ion were synthesized and characterized, resulting in a highly chemiluminescent material in the presence of hydrogen peroxide. A detection system with the CL light guided from the reaction tube to the photomultiplier tube using a one millimeter glass optical fiber was developed and assessed. A linear response was observed using a semi-logarithm calibration between 50–2000 µM hydrogen peroxide with 1 µM as the limit of detection.

A new MILP based approach for unit commitment in power production planning

This paper presents a complete, quadratic programming formulation of the standard thermal unit commitment problem in power generation planning, together with a novel iterative optimisation algorithm for its solution. The algorithm, based on a mixed-integer formulation of the problem, considers piecewise linear approximations of the quadratic fuel cost function that are dynamically updated in an iterative way, converging to the optimum; this avoids the requirement of resorting to quadratic programming, making the solution process much quicker. From extensive computational tests on a broad set of benchmark instances of this problem, the algorithm was found to be flexible and capable of easily incorporating different problem constraints. Indeed, it is able to tackle ramp constraints, which although very important in practice were rarely considered in previous publications. Most importantly, optimal solutions were obtained for several well-known benchmark instances, including instances of practical relevance, that are not yet known to have been solved to optimality. Computational experiments and their results showed that the method proposed is both simple and extremely effective.

CYCLOTech - an innovative approach for the reliable production of 99mTc - technetium

CYCLOTech is a high-tech Project, related with an innovative method for direct production of a radioactive pharmaceutical, used in excess of 85% of 35 Million Nuclear Medicine procedures done yearly, worldwide, representing globally more than 3 Billion Euros. The CYCLOTech team has developed an innovative proprietary methodology based on the use of Cyclotron Centers, formally identified as the Clients (actually, there are around 450 of this Centers in function worldwide), to directly produce and deliver the radiopharmaceutical to the final users, at the Hospitals and other Health Institutions (estimating at around 25.000, worldwide). The investment still need to finish Research and Technological Development (RTD), Industrial, Regulatory and Intellectual Property Rights (IPR) issues and allow the introduction in the Market is 4,35 M€, with a Payback of 3 years, with an Investment Return Rate (IRR) of 81,7% and a Net Present Value (NPV) of 60.620.525€ (in 2020).

Green production of zero-valent iron nanoparticles using tree leaf extracts

The interest in zero-valent iron nanoparticles has been increasing significantly since the development of a green production method in which extracts from natural products or wastes are used. However, this field of application is yet poorly studied and lacks knowledge that allows the full understanding of the production and application processes. The aim of the present work was to evaluate the viability of the utilization of several tree leaves to produce extracts which are capable of reducing iron(III) in aqueous solution to form nZVIs. The quality of the extracts was evaluated concerning their antioxidant capacity. The results show that: i) dried leaves produce extracts with higher antioxidant capacities than non-dried leaves, ii) the most favorable extraction conditions (temperature, contact time, and volume:mass ratio) were identified for each leaf, iii) with the aim of developing a green, but also low-cost,method waterwas chosen as solvent, iv) the extracts can be classified in three categories according to their antioxidant capacity (expressed as Fe(II) concentration): >40 mmol L−1; 20–40 mmol L−1; and 2–10 mmol L−1; with oak, pomegranate and green tea leaves producing the richest extracts, and v) TEManalysis proves that nZVIs (d=10–20 nm) can be produced using the tree leaf extracts.

Two-production-period in a duopoly with nonprofit and for-profit firms

We investigate endogenous roles in a competition between a nonprofit firm and a for-profit firm in a homogeneous goods market, by allowing two production periods. We find that the Cournot-type equilibrium and one Stackelberg-type equilibrium where the nonprofit firm becomes the follower exist; however, another tackelberg-type equilibrium where the nonprofit firm becomes the leader does not exist.

Recycling of pultrusion production waste into innovative concrete-polymer composite solutions

In this study, the added value resultant from the incorporation of pultrusion production waste into polymer based concretes was assessed. For this purpose, different types of thermoset composite scrap material, proceeding from GFRP pultrusion manufacturing process, were mechanical shredded and milled into a fibrous-powdered material. Resultant GFRP recyclates, with two different size gradings, were added to polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements, at various load contents between 4% up to 12% in weight of total mass. Flexural and compressive loading capacities were evaluated and found better than those of unmodified polymer mortars. Obtained results highlight the high potential of recycled GFRP pultrusion waste materials as efficient and sustainable admixtures for concrete and mortar-polymer composites, constituting an emergent waste management solution.

Utilization of food industry wastes for the production of zero-valent iron nanoparticles

The proper disposal of the several types of wastes produced in industrial activities increases production costs. As a consequence, it is common to develop strategies to reuse these wastes in the same process and in different processes or to transform them for use in other processes. This work combines the needs for new synthesis methods of nanomaterials and the reduction of production cost using wastes from citrine juice (orange, lime, lemon and mandarin) to produce a new added value product, green zero-valent iron nanoparticles that can be used in several applications, including environmental remediation. The results indicate that extracts of the tested fruit wastes (peel, albedo and pulp fractions) can be used to produce zero-valent iron nanoparticles (nZVIs). This shows that these wastes can be an added value product. The resulting nZVIs had sizes ranging from 3 up to 300 nm and distinct reactivities (pulp > peel > albedo extracts). All the studied nanoparticles did not present a significant agglomeration/settling tendency when compared to similar nanoparticles, which indicates that they remain in suspension and retain their reactivity.