An heuristic approach for optimal location of gas supply units in transportation system

The best places to locate the Gas Supply Units (GSUs) on a natural gas systems and their optimal allocation to loads are the key factors to organize an efficient upstream gas infrastructure. The number of GSUs and their optimal location in a gas network is a decision problem that can be formulated as a linear programming problem. Our emphasis is on the formulation and use of a suitable location model, reflecting real-world operations and constraints of a natural gas system. This paper presents a heuristic model, based on lagrangean approach, developed for finding the optimal GSUs location on a natural gas network, minimizing expenses and maximizing throughput and security of supply.The location model is applied to the Iberian high pressure natural gas network, a system modelised with 65 demand nodes. These nodes are linked by physical and virtual pipelines – road trucks with gas in liquefied form. The location model result shows the best places to locate, with the optimal demand allocation and the most economical gas transport mode: by pipeline or by road truck.

Natural gas system operation: lagrangean optimization techniques

To comply with natural gas demand growth patterns and Europe´s import dependency, the gas industry needs to organize an efficient upstream infrastructure. The best location of Gas Supply Units – GSUs and the alternative transportation mode – by phisical or virtual pipelines, are the key of a successful industry. In this work we study the optimal location of GSUs, as well as determining the most efficient allocation from gas loads to sources, selecting the best transportation mode, observing specific technical restrictions and minimizing system total costs. For the location of GSUs on system we use the P-median problem, for assigning gas demands nodes to source facilities we use the classical transportation problem. The developed model is an optimisation-based approach, based on a Lagrangean heuristic, using Lagrangean relaxation for P-median problems – Simple Lagrangean Heuristic. The solution of this heuristic can be improved by adding a local search procedure - the Lagrangean Reallocation Heuristic. These two heuristics, Simple Lagrangean and Lagrangean Reallocation, were tested on a realistic network - the primary Iberian natural gas network, organized with 65 nodes, connected by physical and virtual pipelines. Computational results are presented for both approaches, showing the location gas sources and allocation loads arrangement, system total costs and gas transportation mode.

A case study on the eco-efficiency performance of a composite processing industry: evaluation and quantification of potential improvements

In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency performance of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of World Business Council for Sustainable Development (WCSD) and the directives of ISO 14301 standard were followed and applied. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent eco-efficiency ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, at both upstream and downstream of the production process, namely: i) Adoption of a new heating system for pultrusion die-tool in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; ii) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Assessing the eco-efficiency of a composite processing industry: evaluation and quantification of potential improvements’

In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency performance of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of World Business Council for Sustainable Development (WCSD) and the directives of ISO 14301 standard were followed and applied. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent ecoefficiency’s ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, both in upstream and downstream of the production process, namely: a) Adoption of new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; c) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

A case study on the improvement of eco-efficiency ratios: application to a composite processing industry

The World Business Council for Sustainable Development (WBCSD) defines Eco-Efficiency as follows: ‘Eco- Efficiency is achieved by the delivery of competitively priced-goods and services that satisfy human needs and bring quality of life, while progressively reducing ecological impacts and resource intensity throughout the life-cycle to a level at least in line with the earth’s estimated carrying capacity’. Eco-Efficiency is under this point of view a key concept for sustainable development, bringing together economic and ecological progress. Measuring the Eco-Efficiency of a company, factory or business, is a complex process that involves the measurement and control of several and relevant parameters or indicators, globally applied to all companies in general, or specific according to the nature and specificities of the business itself. In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of WBCSD [1] and the directives of ISO 14301 standard [2] were followed and applied. The analysis was restricted to the main business branch of the company: the production and sale of standard GFRP pultrusion profiles. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined according to ISO 14031 recommendations. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent eco-efficiency’s ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and ecoefficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, both in upstream and downstream of the production process, namely: a) Adoption of new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; b) Implementation of new software for stock management (raw materials and final products) that minimize production failures and delivery delays to final consumer; c) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. In particular, the last approach seems to significantly improve the eco-efficient performance of the company. Currently, by-products and wastes generated in the manufacturing process of GFRP profiles are landfilled, with supplementary added costs to this company traduced by transport of scrap, landfill taxes and required test analysis to waste materials. However, mechanical recycling of GFRP waste materials, with reduction to powdered and fibrous particulates, constitutes a recycling process that can be easily attained on heavy-duty cutting mills. The posterior reuse of obtained recyclates, either into a close-looping process, as filler replacement of resin matrix of GFRP profiles, or as reinforcement of other composite materials produced by the company, will drive to both costs reduction in raw materials and landfill process, and minimization of waste landfill. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Optimization of River Water Quality Surveys by Multivariate Analysis of Physicochemical, Bacteriological and Ecotoxicological Data

This study aims to optimize the water quality monitoring of a polluted watercourse (Leça River, Portugal) through the principal component analysis (PCA) and cluster analysis (CA). These statistical methodologies were applied to physicochemical, bacteriological and ecotoxicological data (with the marine bacterium Vibrio fischeri and the green alga Chlorella vulgaris) obtained with the analysis of water samples monthly collected at seven monitoring sites and during five campaigns (February, May, June, August, and September 2006). The results of some variables were assigned to water quality classes according to national guidelines. Chemical and bacteriological quality data led to classify Leça River water quality as “bad” or “very bad”. PCA and CA identified monitoring sites with similar pollution pattern, giving to site 1 (located in the upstream stretch of the river) a distinct feature from all other sampling sites downstream. Ecotoxicity results corroborated this classification thus revealing differences in space and time. The present study includes not only physical, chemical and bacteriological but also ecotoxicological parameters, which broadens new perspectives in river water characterization. Moreover, the application of PCA and CA is very useful to optimize water quality monitoring networks, defining the minimum number of sites and their location. Thus, these tools can support appropriate management decisions.

Optimização do processo de fabrico de componentes para a indústria automóvel

A qualidade é um factor-chave na indústria automóvel. Todos os fornecedores de componentes para a indústria automóvel estão sujeitos a qualificações e auditorias sistemáticas, com vista a melhorar os processos e verificar a sua rastreabilidade. Quando os processos assentam essencialmente em mão-de-obra intensiva, torna-se muito mais difícil atingir a ambicionada meta dos zero-defeitos, e a garantia da qualidade pode ficar comprometida, sendo necessário instalar procedimentos de controlo mais apurados. No entanto, se o processo ou processos forem convenientemente definidos, e se optar por capital intensivo em detrimento da mão-de-obra intensiva, a garantia da qualidade pode ser uma realidade, podendo ser fortemente minimizadas as operações de controlo da qualidade. Este trabalho teve por base a necessidade de reduzir fortemente, ou eliminar mesmo, o aparecimento de defeitos de montagem num sistema designado por remachado. Após cuidada análise do processo instalado, já parcialmente automatizado, mas ainda fortemente dependente de mão-de-obra, procedeu-se ao projecto de um equipamento capaz de reproduzir o mesmo efeito, mas que acomodasse alguns possíveis defeitos oriundos dos fornecedores dos componentes que são inseridos neste conjunto, colocados a montante na cadeia de fornecimento do produto. O equipamento resultante deste trabalho permitiu baixar o tempo de ciclo, acomodar a variabilidade dimensional detectada nos componentes que constituem o conjunto e reduzir drasticamente o número de não-conformidades.

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.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.