Assessment of direct radiological risk and indirect associated toxic risks originated by Coal-Fired Power Plants

Over the past few decades there has been some discussion concerning the increase of the natural background radiation originated by coal-fired power plants, due to the uranium and thorium content present in combustion ashes. The radioactive decay products of uranium and thorium, such as radium, radon, polonium, bismuth and lead, are also released in addition to a significant amount of 40K. Since the measurement of radioactive elements released by the gaseous emissions of coal power plants is not compulsory, there is a gap of information concerning this situation. Consequently, the prediction of dispersion and mobility of these elements in the environment, after their release, is based on limited data and the radiological impact from the exposure to these radioactive elements is unknown. This paper describes the methodology that is being developed to assess the radiological impact due to the raise in the natural background radiation level originated by the release and dispersion of the emitted radionuclides. The current investigation is part of a research project that is undergoing in the vicinity of Sines coal-fired power plant (south of Portugal) until 2013. Data from preliminary stages are already available and possible of interpretation.

Radiological impact associated to Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials (TENORM) from coal-fired power plants emissions

Certain materials used and produced in a wide range of non-nuclear industries contain enhanced activity concentrations of natural radionuclides. In particular, electricity production from coal is one of the major sources of increased human exposure to naturally occurring radioactive materials. A methodology was developed to assess the radiological impact due to natural radiation background. The developed research was applied to a specific case study, the Sines coal-fired power plant, located in the southwest coastline of Portugal. Gamma radiation measurements were carried out with two different instruments: a sodium iodide scintillation detector counter (SPP2 NF, Saphymo) and a gamma ray spectrometer with energy discrimination (Falcon 5000, Canberra). Two circular survey areas were defined within 20 km of the power plant. Forty relevant measurements points were established within the sampling area: 15 urban and 25 suburban locations. Additionally, ten more measurements points were defined, mostly at the 20-km area. The registered gamma radiation varies from 20 to 98.33 counts per seconds (c.p.s.) corresponding to an external gamma exposure rate variable between 87.70 and 431.19 nGy/h. The highest values were measured at locations near the power plant and those located in an area within the 6 and 20 km from the stacks. In situ gamma radiation measurements with energy discrimination identified natural emitting nuclides as well as their decay products (Pb-212, Pb-2142, Ra-226, Th-232, Ac-228, Th-234, Pa-234, U- 235, etc.). According to the results, an influence from the stacks emissions has been identified both qualitatively and quantitatively. The developed methodology accomplished the lack of data in what concerns to radiation rate in the vicinity of Sines coal-fired power plant and consequently the resulting exposure to the nearby population.

Modelling the Contribution of 40K, 232Th and 226Ra to Radiation Dose and Risk from Airborne Discharges of Coal-Fired Power Plants

Coal contains trace elements and naturally occurring radionuclides such as 40K, 232Th, 238U. When coal is burned, minerals, including most of the radionuclides, do not burn and concentrate in the ash several times in comparison with their content in coal. Usually, a small fraction of the fly ash produced (2-5%) is released into the atmosphere. The activities released depend on many factors (concentration in coal, ash content and inorganic matter of the coal, combustion temperature, ratio between bottom and fly ash, filtering system). Therefore, marked differences should be expected between the by-products produced and the amount of activity discharged (per unit of energy produced) from different coal-fired power plants. In fact, the effects of these releases on the environment due to ground deposition have been received some attention but the results from these studies are not unanimous and cannot be understood as a generic conclusion for all coal-fired power plants. In this study, the dispersion modelling of natural radionuclides was carried out to assess the impact of continuous atmospheric releases from a selected coal plant. The natural radioactivity of the coal and the fly ash were measured and the dispersion was modelled by a Gaussian plume estimating the activity concentration at different heights up to a distance of 20 km in several wind directions. External and internal doses (inhalation and ingestion) and the resulting risk were calculated for the population living within 20 km from the coal plant. In average, the effective dose is lower than the ICRP’s limit and the risk is lower than the U.S. EPA’s limit. Therefore, in this situation, the considered exposure does not pose any risk. However, when considering the dispersion in the prevailing wind direction, these values are significant due to an increase of 232Th and 226Ra concentrations in 75% and 44%, respectively.

Dispersion Modelling of Natural Radionuclides 238U, 232Th and 40K Released from Coal-fired Power Plants Operations

The aim of this work was to simulate the radionuclides dispersion in the surrounding area of a coal-fired power plant, operational during the last 25 years. The dispersion of natural radionuclides (236Ra, 232Th and 40K) was simulated by a Gaussian plume dispersion model with three different stability classes estimating the radionuclides concentration at ground level. Measurements of the environmen-tal activity concentrations were carried out by γ-spectrometry and compared with results from the air dispersion and deposition model which showed that the stabil-ity class D causes the dispersion to longer distances up to 20 km from the stacks.

Esclonamento de máquinas de cogeração utilzando programação inteira mista

As centrais termoelétricas convencionais convertem apenas parte do combustível consumido na produção de energia elétrica, sendo que outra parte resulta em perdas sob a forma de calor. Neste sentido, surgiram as unidades de cogeração, ou Combined Heat and Power (CHP), que permitem reaproveitar a energia dissipada sob a forma de energia térmica e disponibilizá-la, em conjunto com a energia elétrica gerada, para consumo doméstico ou industrial, tornando-as mais eficientes que as unidades convencionais Os custos de produção de energia elétrica e de calor das unidades CHP são representados por uma função não-linear e apresentam uma região de operação admissível que pode ser convexa ou não-convexa, dependendo das caraterísticas de cada unidade. Por estas razões, a modelação de unidades CHP no âmbito do escalonamento de geradores elétricos (na literatura inglesa Unit Commitment Problem (UCP)) tem especial relevância para as empresas que possuem, também, este tipo de unidades. Estas empresas têm como objetivo definir, entre as unidades CHP e as unidades que apenas geram energia elétrica ou calor, quais devem ser ligadas e os respetivos níveis de produção para satisfazer a procura de energia elétrica e de calor a um custo mínimo. Neste documento são propostos dois modelos de programação inteira mista para o UCP com inclusão de unidades de cogeração: um modelo não-linear que inclui a função real de custo de produção das unidades CHP e um modelo que propõe uma linearização da referida função baseada na combinação convexa de um número pré-definido de pontos extremos. Em ambos os modelos a região de operação admissível não-convexa é modelada através da divisão desta àrea em duas àreas convexas distintas. Testes computacionais efetuados com ambos os modelos para várias instâncias permitiram verificar a eficiência do modelo linear proposto. Este modelo permitiu obter as soluções ótimas do modelo não-linear com tempos computationais significativamente menores. Para além disso, ambos os modelos foram testados com e sem a inclusão de restrições de tomada e deslastre de carga, permitindo concluir que este tipo de restrições aumenta a complexidade do problema sendo que o tempo computacional exigido para a resolução do mesmo cresce significativamente.

Modeling radionuclides dispersion and deposition downwind of a coal-fired power plant

In this study the inhalation doses and respective risk are calculated for the population living within a 20 km radius of a coal-fired power plant. The dispersion and deposition of natural radionuclides were simulated by a Gaussian dispersion model estimating the ground level activity concentration. The annual effective dose and total risk were 0.03205 mSv/y and 1.25 x 10-8, respectively. The effective dose is lower than the limit established by the ICRP and the risk is lower than the limit proposed by the U.S. EPA, which means that the considered exposure does not pose any risk for the public health.

Radiation dose rates and exposure associated to Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials (TENORM) at locations of a Portuguese coal-fired power plant

Coal contains trace quantities of natural radionuclides such as Th-232, U-235, U-238, as well as their radioactive decay products and 40K. These radionuclides can be released as fly ash in atmospheric emissions from coal-fired power plants, dispersed into the environment and deposited on the surrounding top soils. Therefore, the natural radiation background level is enhanced and consequently increase the total dose for the nearby population. A radiation monitoring programme was used to assess the external dose contribution to the natural radiation background, potentially resulting from the dispersion of coal ash in past atmospheric emissions. Radiation measurements were carried out by gamma spectrometry in the vicinity of a Portuguese coal-fired power plant. The radiation monitoring was achieved both on and off site, being the boundary delimited by a 20 km circle centered in the stacks of the coal plant. The measured radionuclides concentrations for the uranium and thorium series ranged from 7.7 to 41.3 Bq/kg for Ra-226 and from 4.7 to 71.6 Bq/kg for Th-232, while K-40 concentrations ranged from 62.3 to 795.1 Bq/kg. The highest values were registered near the power plant and at distances between 6 and 20 km from the stacks, mainly in the prevailing wind direction. The absorbed dose rates were calculated for each sampling location: 13.97-84.00 ηGy/h, while measurements from previous studies carried out in 1993 registered values in the range of 16.6-77.6 ηGy/h. The highest values were registered at locations in the prevailing wind direction (NW-SE). This study has been primarily done to assess the radiation dose rates and exposure to the nearby population in the surroundings of a coal-fired power plant. The results suggest an enhancement or at least an influence in the background radiation due to the coal plant past activities.

Measurements of environmental background radiation in the surrounding area of a coal-fired power plant

Certain materials used and produced in a wide range of non-nuclear industries contain enhanced activity concentrations of natural radionuclides. In particular, electricity production from coal is one of the major sources of increased exposure to man from enhanced naturally occurring materials. Over the past decades there has been some discussion about the elevated natural background radiation in the area near coal-fired power plants due to high uranium and thorium content present in coal. This work describes the methodology developed to assess the radiological impact due to natural radiation background increasing levels, potentially originated by a coal-fired power plant’s operation. Gamma radiation measurements have been done with two different instruments: a scintillometer (SPP2 NF, Saphymo) and a gamma ray spectrometer with energy discrimination (Falcon 5000, Canberra). A total of 40 relevant sampling points were established at locations within 20 km from the power plant: 15 urban and 25 suburban measured stations. The highest values were measured at the sampling points near to the power plant and those located in the area within the 6 and 20 km from the stacks. This may be explained by the presence of a huge coal pile (1.3 million tons) located near the stacks contributing to the dispersion of unburned coal and, on the other hand, the height of the stacks (225 m) which may influence ash’s dispersion up to a distance of 20 km. In situ gamma radiation measurements with energy discrimination identified natural emitting nuclides as well as their decay products (212Pb, 214Pb, 226Ra 232Th, 228Ac, 234Th 234Pa, 235U, etc.). This work has been primarily done to in order to assess the impact of a coal-fired power plant operation on the background radiation level in the surrounding area. According to the results, an increase or at least an influence has been identified both qualitatively and quantitatively.

Reactive power management strategies in future smart grids

The reactive power management in distribution network with large penetration of distributed energy resources is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the inclusion of more distributed recourses and a more efficient operation of distributed network. Currently, the reactive power is only controlled in large power plants and in high and very high voltage substations. In this paper, several reactive power control strategies considering a smart grids paradigm are proposed. In this context, the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator, namely Virtual Power Player (VPP), is proposed and implemented in a MAS simulation tool. The proposed methods have been computationally implemented and tested using a 32-bus distribution network with intensive use of distributed resources, mainly the distributed generation based on renewable resources. Results concerning the evaluation of the reactive power management algorithms are also presented and compared.

Projetos geotérmicos para usos diretos em Portugal Continental: tipologias e viabilidade económica

Os aproveitamentos geotérmicos têm vindo a aumentar significativamente em todo o mundo, sendo os Estados Unidos da América, o maior produtor desta energia proveniente do interior da Terra, com cerca de 3.187 MW de capacidade instalada. Portugal tem capacidade instalada total de 29 MW, no entanto no que se refere ao aproveitamento de “alta entalpia”, isto é, o aproveitamento geotérmico para produção elétrica, apenas se encontra no arquipélago dos Açores, na ilha de S. Miguel, onde estão instaladas e em funcionamento duas centrais geotérmicas com a potência total de 23 MW, com produção de energia de 185 GWh. Em Portugal Continental, não se consegue produzir energia elétrica devido às temperaturas existentes, restringindo esta utilização apenas ao aproveitamento de baixa entalpia (máximo de 76 ºC). Este aproveitamento normalmente é feito em cascata, segundo, predominando o aquecimento de águas sanitárias, climatização, e para termas, usando águas termominerais. Para a exploração deste recurso renovável, é necessário conhecer a hidrogeologia do país, e relacioná-la com a fracturação, e acidentes tectónicos. Portugal Continental, está divido em quatros partes distintas a nível hidrogeológico, o Maciço Antigo, a Orla Ocidental, a Bacia Tejo-Sado e a Orla Meridional. Qualquer aproveitamento geotérmico em Portugal terá de atender a estas características, potenciando também, novas explorações geotérmicas orientadas para as pessoas, respeitando os valores sociais, culturais e ambientais. Neste contexto, existem alguns complexos geotérmicos em funcionamento, outros abandonados, e muitos outros em estudo para uma breve aplicação. Um exemplo de sucesso no aproveitamento do calor geotérmico, é o complexo de Chaves, que foi evoluindo desde 1985, até aos dias de hoje, continuando em exploração e em expansão para um melhor servir da população local. A existência de dois furos, e brevemente dum terceiro, servem para o abastecimento duma piscina, dum hotel, das termas, e da balneoterapia. Devido à riqueza a nível das temperaturas, dos caudais, e ao nível das necessidades energéticas existentes, este complexo apresenta um tempo de retorno de investimento de cerca de 7 anos, o que é geralmente considerado para investimentos para fins públicos, como é o caso. No âmbito das investigações agora realizadas, foi constatado que estes projetos suportam a cobertura de alguma incerteza hidrogeológica, dada a importante procura existente.

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

Power Law Behavior and Self-similarity in Modern Industrial Accidents

Advances in technology have produced more and more intricate industrial systems, such as nuclear power plants, chemical centers and petroleum platforms. Such complex plants exhibit multiple interactions among smaller units and human operators, rising potentially disastrous failure, which can propagate across subsystem boundaries. This paper analyzes industrial accident data-series in the perspective of statistical physics and dynamical systems. Global data is collected from the Emergency Events Database (EM-DAT) during the time period from year 1903 up to 2012. The statistical distributions of the number of fatalities caused by industrial accidents reveal Power Law (PL) behavior. We analyze the evolution of the PL parameters over time and observe a remarkable increment in the PL exponent during the last years. PL behavior allows prediction by extrapolation over a wide range of scales. In a complementary line of thought, we compare the data using appropriate indices and use different visualization techniques to correlate and to extract relationships among industrial accident events. This study contributes to better understand the complexity of modern industrial accidents and their ruling principles.

Assessment of the environmental radiation by in situ gamma ray spectrometry

Naturally occurring radioactive materials (NORM) under certain conditions can reach hazardous radiological levels contributing to an additional exposure dose to ionizing radiation. Most environmental concerns are associated with uranium mining and milling sites, but the same concerns should be addressed to natural near surface occurrences of uranium as well as man-made sources such as technologically enhanced naturally occurring radioactive materials (TENORM) resulting from phosphates industry, ceramic industry and energy production activities, in particular from coal-fired power plants which is one of the major sources of increased exposure to man from enhanced naturally occurring materials. This work describes the methodology developed to assess the environmental radiation by in situ gamma spectrometry in the vicinity of a Portuguese coal fired power plant. The current investigation is part of a research project that is undergoing in the vicinity of Sines Coal-Fired Power Plant (south of Portugal) until the end of 2013.

Avaliação da eficiência energética e optimização de uma unidade de trigeração

Portugal é um país dependente da energia do exterior, devido à elevada percentagem de consumo de energia a partir de fontes primárias, como por exemplo o gasóleo. Para colmatar este cenário, têm vindo a criar-se incentivos para o uso de energias renováveis e para intensificação de medidas de eficiência energética, como os sistemas de cogeração, de forma a tornar os processos industriais nacionais mais autónomos e mais competitivos. O presente trabalho, centra-se na determinação do potencial térmico disponível na central de trigeração da empresa Monteiro, Ribas-Indústria, SA, com a finalidade de identificar a quantidade de energia não utilizada, com vista ao aproveitamento dessa mesma energia nos processos mais problemáticos da empresa. Verificou-se que a água líquida era a fonte de maior energia não aproveitada, representando cerca de 30%, relativamente à energia disponível na água de refrigeração que é de 1890 kW. Assim, perante este facto, fez-se um estudo em dois setores autónomos da empresa, o setor dos revestimentos e o setor dos componentes técnicos da borracha. Pretendeu-se propor medidas para melhorar os seus processos produtivos, aproveitando essa energia. Para o efeito foi projetado um permutador de calor de placas com necessidade energética de 131,4 MWh, no setor dos revestimentos e um permutador compacto no setor de produção de placas de borracha, necessitando de uma energia de 335,2 MWh. Face à energia disponível na central de trigeração, de 161,9 MWh, verifica-se que esta apenas poderá ser aproveitada no setor dos revestimentos. Para tornar este objetivo real, a empresa Monteiro, Ribas- Indústria, SA necessitaria de efetuar um investimento no total de 49.390€. Além disso, foi contabilizado o rendimento das caldeiras da central térmica e da cogeração, ambas pelo método direto, apresentando estas os valores de 72% e 42%, respectivamente.

Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

As caldeiras são equipamentos de extrema importância na maioria das indústrias portuguesas. É prática frequente os projectos de caldeiras possuírem apenas cálculos de materiais ou estruturais, nunca abordando as questões térmicas das mesmas. Neste contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o comportamento térmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal. A caldeira em estudo é uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a biomassa e com pressão de funcionamento de 10 bar. A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informação relativa aos aspectos construtivos da caldeira e as condições de operação da mesma, através da consulta do seu projecto. O estudo do comportamento térmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelação do comportamento térmico na ante-fornalha seguido da modelação do comportamento térmico do feixe tubular. Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gás para as paredes da mesma por convecção e por radiação, tendo-se utilizado o Método de Hottel para modelar a transferência de calor por radiação. No feixe tubular a transferência de calor por radiação foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferência de calor por condução e convecção entre os gases quentes e a água. Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potência transferida por radiação (96%) é muito superior à potência transferida por convecção (4%), tendo-se obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potência térmica transferida por radiação e por convecção, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potência térmica transferida por convecção foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240ºC para a temperatura de exaustão dos gases pela chaminé. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %. O balanço global de energia à caldeira indicou um peso para a potência transferida por convecção de 86,3% e para a potência transferida por radiação de 13,6%. O rendimento da caldeira foi calculado pelo método das perdas tendo-se obtido o valor de 39%.