Eficiência energética e a queima de combustíveis limpos

Mestrado em Engenharia Química

Estudo técnico relativo à instalação de micro eólicas em edifícios urbanos para microprodução de energia eléctrica

O Planeta Terra tem vindo a ser fustigado pelas alterações climáticas resultado da poluição ambiental provocada pelo Homem. Com o objectivo de minimizar estes efeitos deletérios, os países mais desenvolvidos estabeleceram compromissos relativamente às emissões de gases com efeito de estufa, tendo por base o Protocolo de Kyoto. A iniciativa «Renováveis na Hora» é uma das medidas previstas no plano para a política de energia e alterações climáticas, apresentado em Fevereiro de 2008, pelo Ministério da Economia e da Inovação Português. Actualmente, em Portugal, existe um mercado emergente para a microgeração, que se rege segundo a legislação aplicada recentemente, que estabelece o novo regime jurídico aplicável à produção de energia por intermédio de unidades de microprodução. Esta iniciativa levará à criação de um novo paradigma de exploração e utilização de energia. Deste modo, é fundamental avançar com alguns alertas das condições de exploração. A energia eólica é umas das fontes renováveis em que o rendimento de conversão pode atingir valores interessantes (poderá ser superior a 50%) e em determinadas regiões o seu potencial é bastante bom, nomeadamente em zonas litorais e em zonas montanhosas. Em ambiente urbano é impraticável a instalação de grandes torres eólicas, mas a micro produção baseada em pequenas turbinas eólicas é perfeitamente possível e desejável. O propósito deste trabalho é realizar um estudo de cariz técnico acerca da instalação de um mini parque eólico num edifício urbano, tendo em conta todas as condicionantes (velocidade do vento, obstáculos na zona, altura de montagem, inter-distância entre aerogeradores). Foi realizado um software que irá auxiliar a escolha dos aerogeradores e inversores para o tipo de local onde vai ser instalado o parque eólico.

Evaluation of dynamic pass-through of carbon prices into electricity prices – a cointegrated VECM analysis

This paper addresses the impact of the CO2 opportunity cost on the wholesale electricity price in the context of the Iberian electricity market (MIBEL), namely on the Portuguese system, for the period corresponding to the Phase II of the European Union Emission Trading Scheme (EU ETS). In the econometric analysis a vector error correction model (VECM) is specified to estimate both long–run equilibrium relations and short–run interactions between the electricity price and the fuel (natural gas and coal) and carbon prices. The model is estimated using daily spot market prices and the four commodities prices are jointly modelled as endogenous variables. Moreover, a set of exogenous variables is incorporated in order to account for the electricity demand conditions (temperature) and the electricity generation mix (quantity of electricity traded according the technology used). The outcomes for the Portuguese electricity system suggest that the dynamic pass–through of carbon prices into electricity prices is strongly significant and a long–run elasticity was estimated (equilibrium relation) that is aligned with studies that have been conducted for other markets.

Gestão da manutenção e o novo paradigma de manuseamento de gases fluorados com efeito de estufa

As alterações climáticas são atualmente reconhecidas como uma das mais relevantes ameaças ambientais, sociais e económicas. A resposta a este problema tem-se traduzido na aplicação de um conjunto de legislação e práticas, com o objetivo de promover uma redução significativa das emissões de gases com efeito de estufa. Entre outros, os gases fluorados são dos mais relevantes gases com efeito de estufa, conforme identificados no Protocolo de Quioto. No enquadramento legal em vigor a certificação de técnicos e empresas, assim como certificação de ferramentas para o manuseamento de gases fluorados, sofreu, desde 2011, uma profunda alteração, com impacto nos procedimentos de manutenção existentes até essa data, na atividade de empresas prestadoras de serviços de manutenção e na atuação dos proprietários de edifícios civis e industriais com equipamentos que contêm gases fluorados. Esta tese tem como objetivo evidenciar as ações que as empresas prestadores de serviços necessitam executar para a sua certificação, assim como informar os proprietários de edifícios civis ou industriais, sobre as diferentes vertentes que têm à sua disposição, em termos de gestão da manutenção, de forma a garantir o cumprimento da legislação em vigor nas suas instalações e a gestão de ativos físicos que contêm gases fluorados, tais como equipamentos e instalações de aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração. Foi efetuada uma pesquisa aprofundada sobre os requisitos legais e técnicos necessários para a cerificação das empresas que atuam neste sector. Um caso de estudo foi realizado e os resultados apresentados sobre todo o processo de certificação de uma empresa do setor do ar condicionado e refrigeração, para poder prestar serviços em equipamentos ou sistemas que contenham gases fluorados com efeito de estufa.

Estudio de la gestión de la variable ambiental en la generación termoeléctrica

En la actualidad, el cambio climático es uno de los temas de mayor preocupación para la población mundial y los científicos de todo el mundo. Debido al crecimiento de la población de forma exponencial, la demanda de energía aumenta acorde con ello, por lo que las actividades de producción energética aumentan consecuentemente, siendo éstas las principales causantes de la aceleración del cambio climático. Pese a que muchos países previamente habían apostado por la producción energética mediante tecnologías limpias a partir de energías renovables, hoy en día es imposible prescindir de los combustibles fósiles pues, junto a la energía nuclear, suponen el mayor porcentaje dentro del mix energético de los países más grandes del mundo, por lo que el cambio debe ser global y con todos los países implicados al unísono. Por ello, los países desarrollados decidieron acordar una serie de leyes y normas para la regulación y el control de la expansión energética en el mundo, mediante programas de incentivo a las empresas para la producción de energía limpia, libre de emisiones, sustituyendo y mejorando los procesos tecnológicos para que garanticen un desarrollo sostenible. De esta forma, se conseguiría también reducir la dependencia energética de los países productores de los recursos fósiles más importantes y a su vez, ayudar a otros sectores a diversificar su negocio y mejorar así la economía de las áreas colindantes a las centrales de producción térmica. Gracias a estos programas de incentivo o, también llamados mecanismos de flexibilidad, las empresas productoras de energía, al acometer inversiones en tecnologia limpia, dejan de emitir gases de efecto invernadero a la atmósfera. Por tanto, gracias al comercio de emisiones y al mercado voluntario, las empresas pueden vender dichas emisiones aumentando la rentabilidad de sus proyectos, haciendo más atractivo de por sí el hecho de invertir en tecnología limpia. En el proyecto desarrollado, se podrá comprobar de una forma más extensa todo lo anteriormente citado. Para ello, se desarrollará una herramienta de cálculo que nos permitirá analizar los beneficios obtenidos por la sustitución de un combustible fósil, no renovable, por otro renovable y sostenible, como es la biomasa. En esta herramienta se calcularán, de forma estimada, las reducciones de las emisiones de CO2 que supone dicha sustitución y se hallará, en función del valor de las cotizaciones de los bonos de carbono en los diferentes mercados, cuál será el beneficio económico obtenido por la venta de las emisiones no emitidas que supone esta sustitución. Por último, dicho beneficio será insertado en un balance económico de la central donde se tendrán en cuenta otras variables como el precio del combustible o las fluctuaciones del precio de la electricidad, para hallar finalmente la rentabilidad que supondría la inversión de esta adaptación en la central. Con el fin de complementar y aplicar la herramienta de cálculo, se analizarán dos casos prácticos de una central de carbón, en los cuales se decide su suscripción dentro del contexto de los mecanismos de flexibilidad creados en los acuerdos internacionales.

Projeto e construção de bancada para ensaios de certificação de gases fluorados com efeitos de estufa

Prestando atenção e observando o que se passa à nossa volta, conclui-se que as condições climáticas da Terra estão a mudar rapidamente. As alterações ambientais que impomos ao nosso planeta em resultado da atividade humana nas suas múltiplas áreas de ação, obrigam-nos a tomar consciência da necessidade na adoção de atitudes e formas de vida mais condizentes com a preservação do ambiente, agindo no respeito pelos processos naturais de renovação ambiental. A resposta a este problema tem-se traduzido na aplicação de um conjunto de legislações e práticas com o objetivo de promover uma redução significativa das emissões de gases com efeito de estufa. Entre outros, os gases fluorados são dos mais relevantes gases com efeito de estufa, conforme identificados no Protocolo de Quioto. Esta tese tem como objetivo mostrar as ações que os técnicos de AVAC e refrigeração necessitam de executar para a sua certificação, para operar com equipamentos fixos de refrigeração que contenham gases fluorados com efeito de estufa, bem como procedimentos e cuidados necessários no respeito e conformidade com a legislação em vigor. Foi construída uma plataforma experimental com um equipamento de refrigeração para a prática e manuseamento do gás fluorados com a eventualidade de desenvolver sessões de formação.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

Communication protocol for the rempli project

The overall goal of the REMPLI project is to design and implement a communication infrastructure for distributed data acquisition and remote control operations using the power grid as the communication medium. The primary target application is remote meter reading with high time resolution, where the meters can be energy, heat, gas, or water meters. The users of the system (e.g. utility companies) will benefit from the REMPLI system by gaining more detailed information about how energy is consumed by the end-users. In this context, the power-line communication (PLC) is deployed to cover the distance between utility company’s Private Network and the end user. This document specifies a protocol for real-time PLC, in the framework of the REMPLI project. It mainly comprises the Network Layer and Data Link Layer. The protocol was designed having into consideration the specific aspects of the network: different network typologies (star, tree, ring, multiple paths), dynamic changes in network topology (due to network maintenance, hazards, etc.), communication lines strongly affected by noise.

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.

Profibus protocol extensions for enabling inter-cell mobility in bridge-based hybrid wired/wireless networks

Future industrial control/multimedia applications will increasingly impose or benefit from wireless and mobile communications. Therefore, there is an enormous eagerness for extending currently available industrial communications networks with wireless and mobility capabilities. The RFieldbus European project is just one example, where a PROFIBUS-based hybrid (wired/wireless) architecture was specified and implemented. In the RFieldbus architecture, interoperability between wired and wireless components is achieved by the use specific intermediate networking systems operating at the physical layer level, i.e. operating as repeaters. Instead, in this paper we will focus on a bridge-based approach, which presents several advantages. This concept was introduced in (Ferreira, et al., 2002), where a bridge-based approach was briefly outlined. Then, a specific Inter-Domain Protocol (IDP) was proposed to handle the Inter-Domain transactions in such a bridge-based approach (Ferreira, et al., 2003a). The major contribution of this paper is in extending these previous works by describing the protocol extensions to support inter-cell mobility in such a bridge-based hybrid wired/wireless PROFIBUS networks.

Using a prioritized medium access control protocol for incrementally obtaining an interpolation of sensor readings

This paper addresses sensor network applications which need to obtain an accurate image of physical phenomena and do so with a high sampling rate in both time and space. We present a fast and scalable approach for obtaining an approximate representation of all sensor readings at high sampling rate for quickly reacting to critical events in a physical environment. This approach is an improvement on previous work in that after the new approach has undergone a startup phase then the new approach can use a very small sampling period.

BANMAC: an opportunistic MAC protocol for reliable communications in body area networks

We consider reliable communications in Body Area Networks (BAN), where a set of nodes placed on human body are connected using wireless links. In order to keep the Specific Absorption Rate (SAR) as low as possible for health safety reasons, these networks operate in low transmit power regime, which however, is known to be error prone. It has been observed that the fluctuations of the Received Signal Strength (RSS) at the nodes of a BAN on a moving person show certain regularities and that the magnitude of these fluctuations are significant (5 - 20 dB). In this paper, we present BANMAC, a MAC protocol that monitors and predicts the channel fluctuations and schedules transmissions opportunistically when the RSS is likely to be higher. The MAC protocol is capable of providing differentiated service and resolves co-channel interference in the event of multiple co-located BANs in a vicinity. We report the design and implementation details of BANMAC integrated with the IEEE 802.15.4 protocol stack. We present experimental data which show that the packet loss rate (PLR) of BANMAC is significantly lower as compared to that of the IEEE 802.15.4 MAC. For comparable PLR, the power consumption of BANMAC is also significantly lower than that of the IEEE 802.15.4. For co-located networks, the convergence time to find a conflict-free channel allocation was approximately 1 s for the centralized coordination mechanism and was approximately 4 s for the distributed coordination mechanism.

RiSeG: a ring based secure group communication protocol for resource-constrained wireless sensor networks

Securing group communication in wireless sensor networks has recently been extensively investigated. Many works have addressed this issue, and they have considered the grouping concept differently. In this paper, we consider a group as being a set of nodes sensing the same data type, and we alternatively propose an efficient secure group communication scheme guaranteeing secure group management and secure group key distribution. The proposed scheme (RiSeG) is based on a logical ring architecture, which permits to alleviate the group controller’s task in updating the group key. The proposed scheme also provides backward and forward secrecy, addresses the node compromise attack, and gives a solution to detect and eliminate the compromised nodes. The security analysis and performance evaluation show that the proposed scheme is secure, highly efficient, and lightweight. A comparison with the logical key hierarchy is preformed to prove the rekeying process efficiency of RiSeG. Finally, we present the implementation details of RiSeG on top of TelosB sensor nodes to demonstrate its feasibility.

A synchronous transition protocol with periodicity for global scheduling of multimode real-time systems on multiprocessors

We consider the global scheduling problem of multimode real-time systems upon identical multiprocessor platforms. During the execution of a multimode system, the system can change from one mode to another such that the current task set is replaced with a new task set. Thereby, ensuring that deadlines are met requires not only that a schedulability test is performed on tasks in each mode but also that (i) a protocol for transitioning from one mode to another is specified and (ii) a schedulability test for each transition is performed. In this paper, we extend the synchronous transition protocol SM-MSO in order to take into account mode-independent tasks [1], i.e., tasks of which the execution pattern must not be jeopardized by the mode changes.