Solar driven energy conversion applications based on 3C-SiC

There is a strong and growing worldwide research on exploring renewable energy resources. Solar energy is the most abundant, inexhaustible and clean energy source, but there are profound material challenges to capture, convert and store solar energy. In this work, we explore 3C-SiC as an attractive material towards solar-driven energy conversion applications: (i) Boron doped 3C-SiC as candidate for an intermediate band photovoltaic material, and (ii) 3C-SiC as a photoelectrode for solar-driven water splitting. Absorption spectrum of boron doped 3C-SiC shows a deep energy level at ~0.7 eV above the valence band edge. This indicates that boron doped 3C-SiC may be a good candidate as an intermediate band photovoltaic material, and that bulk like 3C-SiC can have sufficient quality to be a promising electrode for photoelectrochemical water splitting.

Grs 1915+105: a superluminal source in the Galaxy.

We present the results of additional observations of the high energy source GRS 1915+105, which produces ejecta with apparent superluminal motions. The observations reported here were carried out with the Very Large Array at 3.5 cm and 20 cm. The 3.5-cm observations made during 1994 May allowed us to continue following the proper motions of the bright 1994 March 19 ejecta, as well as those of a subsequent, fainter ejection. The proper motions of the 1994 March 19 ejecta continued to be ballistic (i.e., constant) over the period of about 75 days where they remained detectable. From the observations in 1994 March-May we have identified three ejections of pairs of plasma clouds moving ballistically in approximately the same direction on the sky with similar proper motions. The 20-cm observations made during 1994 November and December were used to search, yet unsuccessfully, for extended jets or lobes associated with GRS 1915+105.

Desempenho econômico de um sistema de produção de biomassa da cana energia

O uso da biomassa como fonte de energia elétrica corresponde a uma alternativa de grande importância para o planejamento estratégico do crescimento econômico de diversos países. A vasta extensão territorial e o clima favorável ao desenvolvimento da agricultura no Brasil trazem como vantagem o poder de planejar sua matriz energética utilizando variadas fontes primárias renováveis. A cana-de-açúcar destaca-se pela rusticidade e grande produtividade. O bagaço como um subproduto resultante do processamento da cana é utilizado como fonte para a cogeração de energia e pode contribuir significativamente para a descentralização das fontes de energia nacional. Com o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração, a busca pela maior produção de biomassa ganha relevância. Os programas de melhoramento identificaram que se caso com redução de 25 a 35% da sacarose na cana, a planta teria um potencial de aumento de mais de 100% da biomassa. Os híbridos derivados de programas de melhoramento da espécie Saccharum spp., direcionados exclusivamente para a produção de biomassa, foram denominados de cana energia. Tendo em vista o potencial de produtividade da cultura e consequentemente de geração de energia, torna-se necessário conhecer se esse potencial se traduz em resultado econômico. Com esse enfoque, o objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade econômica da produção de biomassa da cana energia. Para tanto foi desenvolvido um modelo em planilha eletrônica e o modelo foi empregado na simulação de cenários e alternativas. A planilha integra modelos de balanço hídrico, produtividade da cultura e distribuição de chuvas, e suas relações com aspectos econômicos e produtivos. O preço de venda da biomassa, a produtividade da cultura e a distância de transporte se mostraram como os itens que mais influem sobre os indicadores de viabilidade econômica. Diferentemente da eficiência gerencial, a eficiência de campo corresponde a um fator de grande importância a ser considerado para reduzir o custo de produção. A análise da área de colheita como uma variável crítica indicou que existem módulos ideais para a utilização de máquinas agrícolas, reduzindo o seu custo operacional devido ao uso melhor atribuído das máquinas na propriedade. A análise da textura do solo como variável crítica mostrou que o cultivo da planta em diferentes tipos de solos reflete em diferentes custos operacionais, produtividade potencial e no montante de investimento. O ano de reforma corresponde a um fator crítico para a viabilização da atividade. Para o cenário base, o indicador de atratividade financeira apresenta um Valor Presente Líquido de 6,4 milhões de reais e uma Taxa Interna de Retorno de 15,2%, com um horizonte de 20 anos de produção. As análises de sensibilidade mostram que as variáveis que mais impactam nos indicadores de viabilidade econômica financeira são o preço de venda da biomassa e a produtividade média da lavoura.

Efeito da adição de fibras de cana-de-açúcar pré-tratadas na produção de metano advinda da biodigestão anaeróbia de gorduras do leite

A digestão anaeróbia é uma alternativa para o tratamento de resíduos com altas concentrações de matéria orgânica. Por meio dos processos anaeróbios é possível a produção de biogás, fonte de energia renovável e ambientalmente amigável. Elevadas concentrações de lipídios, todavia, apesar de representarem elevado potencial metanogênico, interferem negativamente nos sistemas de tratamento, podendo inibir a atividade microbiana e, consequentemente, a produção de metano. O presente projeto avaliou o efeito da adição de bagaço de cana-de-açúcar no processo de biodigestão anaeróbia de elevadas concentrações de gorduras advindas de efluentes de laticínio. Para tanto foi utilizado bagaço de cana-de-açúcar in natura e pré-tratadas pelos seguintes métodos: organossolve, hidrotérmico, explosão à vapor e ácido diluído. O uso desse material lignocelulósico teve o objetivo de controlar a inibição causada pelos produtos da hidrólise dos lipídios por meio de sua adsorção e, consequentemente, diminuição das concentrações de tais compostos no meio. Outra hipótese era que o bagaço de cana-de-açúcar pudessem agir como co-substrato no processo de biodigestão anaeróbia. Inicialmente realizaram-se ensaios de biodegradabilidade anaeróbia com concentrações crescentes de gordura, que resultaram em relação entre substrato e microrganismo 0,06, 0,1, 0,2, 0,4 e 0,6 g DQO/gSTV. O ensaio com concentração em que foi verificada a inibição severa (0,4 gDQO/gSTV) do processo foi repetido com adição das fibras tratadas e não tratadas. Aos dados de produção acumulada de metano ajustou-se modelo de Gompertz, e parâmetros cinéticos foram inferidos. O bagaço de cana-de-açúcar mostrou potencial como adsorvente de gordura, pois as produções metanogênicas foram superiores à condição inibida sem adição desse material. A adição de fibras pré-tratadas por método organossolve resultou nas maiores produções de metano.

Outlook for Electricity and Renewable Energy in Southern and Eastern Mediterranean Countries. MEDPRO Technical Report No. 16/October 2012

The aim of this report is to elaborate the MEDPRO Energy Reference Scenario for electricity demand and power generation (by energy source) in the southern and eastern part of the Mediterranean (MED- 11 countries) up to 2030. The report assesses  the prospects for the implementation of renewable energy in the MED-11 countries over the next decades. The development of renewable energy is a cornerstone of the MED-11 countries’ efforts to improve security of supply and reduce CO2 emissions;  the prospects for regional renewable-energy plans (the Mediterranean Solar Plan, DESERTEC and Medgrid); and  the development of electricity interconnections in MED-11 countries and the possible integration of Mediterranean electricity and renewable markets (both south–south and south–north).

Smart electricity grids: A very slow deployment in the EU. Egmont Paper No. 74, February 2015

Summary. The European electricity sector will have to deal with a huge challenge in the decades to come. On the one hand, electrical power is increasingly substituted for other forms of energy. It has been forecast that electricity demand will increase in the future (notably because of new needs in transport and heat sectors), although it is currently stagnant, mainly because of the economic crisis. Unless a major alternative energy source is discovered, electricity will become the central energy pillar in the long term. On the other hand, electricity production remains uncertain and will depend on numerous factors: the growth of renewable energy and decentralized energy, the renewal of old power generation capacities, increased external dependency, CO2 charges, etc. This increases the demand for electricity networks that are more reliable, more efficient, and more flexible. Europe’s current electricity networks are ageing, and, as already indicated by the International Energy Agency, many of them will need to be modernized or replaced in the decades to come. Finally, the growing impact of energy trading also needs to be taken into account. These considerations explain the need to modernize the electric grid through various ICT means. This modernization alone may allow the grid to become more flexible and interactive, to provide real time feedback, more adaptation to a fluctuating demand, and finally to reduce the global electricity costs. The paper begins with a description of the EU definition of the term ‘smart grid’ (§ 1) and of the body in charge of advising the Commission (§ 2). The EU legal framework applicable to smart grids is also detailed (§ 3). It is a rather complex domain, connected to various regulations. The paper then examines three critical factors in the development of smart grids (and smart meters as a precondition). Standardization is quite complex, but absolutely essential (§ 4). Innovation is not easily put into action (§ 5). Finally, as digital insecurity has worsened dramatically in recent years, the security of electricity networks, and especially their multiplied electronic components, will become increasingly important (§ 6). Lastly, the paper provides a concise overview of the progress of smart grids in the EU in recent years (§ 7). In a nutshell, the conclusion is that progress is quite slow, many obstacles remain, and, given the appearance of many new regulatory problems, it would be useful to organize a review of the present EU strategy.

Towards Batteryless Cardiac Implantable Electronic Devices – The Swiss Way

Energy harvesting devices are widely discussed as an alternative power source for todays active implantable medical devices. Repeated battery replacement procedures can be avoided by extending the implants life span, which is the goal of energy harvesting concepts. This reduces the risk of complications for the patient and may even reduce device size. The continuous and powerful contractions of a human heart ideally qualify as a battery substitute. In particular, devices in close proximity to the heart such as pacemakers, defibrillators or bio signal (ECG) recorders would benefit from this alternative energy source. The clockwork of an automatic wristwatch was used to transform the hearts kinetic energy into electrical energy. In order to qualify as a continuous energy supply for the consuming device, the mechanism needs to demonstrate its harvesting capability under various conditions. Several in-vivo recorded heart motions were used as input of a mathematical model to optimize the clockworks original conversion efficiency with respect to myocardial contractions. The resulting design was implemented and tested during in-vitro and in-vivo experiments, which demonstrated the superior sensitivity of the new design for all tested heart motions.

Stoichiometric and kinetic characterisation of Nitrosomonas sp in mixed culture by decoupling the growth and energy generation processes

A novel method that relies on the decoupling of the energy production and biosynthesis processes was used to characterise the maintenance, cell lysis and growth processes of Nitrosomonas sp. A Nitrosolnonas culture was enriched in a sequencing batch reactor (SBR) with ammonium as the sole energy source. Fluorescent in situ hybridization (FISH) showed that Nitrosomonas bound to the NEU probe constituted 82% of the bacterial population, while no other known ammonium or nitrite oxidizing bacteria were detected. Batch tests were carried out under conditions that both ammonium and CO, were in excess, and in the absence of one of these two substrates. The oxygen uptake rate and nitrite production rate were measured during these batch tests. The results obtained from these batch tests, along with the SBR performance data, allowed the determination of the maintenance coefficient and the in situ cell lysis rate, as well as the maximum specific growth rate of the Nitrosomonas culture. It is shown that, during normal growth, the Nitrosomonas culture spends approximately 65% of the energy generated for maintenance. The maintenance coefficient was determined to be 0.14 - 0.16 mgN mgCOD(biomass)(-1) h(-1), and was shown to be independent of the specific growth rate. The in situ lysis rate and the maximum specific growth rate of the Nitrosomonas culture were determined to be 0.26 and 1.0 day(-1) (0.043 h(-1)), respectively, under aerobic conditions at 30 degrees C and pH7. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Optimal design of the renewable energy map of Greece using weighted goal-programming and data envelopment analysis

Renewable energy forms have been widely used in the past decades highlighting a "green" shift in energy production. An actual reason behind this turn to renewable energy production is EU directives which set the Union's targets for energy production from renewable sources, greenhouse gas emissions and increase in energy efficiency. All member countries are obligated to apply harmonized legislation and practices and restructure their energy production networks in order to meet EU targets. Towards the fulfillment of 20-20-20 EU targets, in Greece a specific strategy which promotes the construction of large scale Renewable Energy Source plants is promoted. In this paper, we present an optimal design of the Greek renewable energy production network applying a 0-1 Weighted Goal Programming model, considering social, environmental and economic criteria. In the absence of a panel of experts Data Envelopment Analysis (DEA) approach is used in order to filter the best out of the possible network structures, seeking for the maximum technical efficiency. Super-Efficiency DEA model is also used in order to reduce the solutions and find the best out of all the possible. The results showed that in order to achieve maximum efficiency, the social and environmental criteria must be weighted more than the economic ones.

Resonance Energy Transfer-Based Molecular Switch Designed Using a Systematic Design Process Based on Monte Carlo Methods and Markov Chains

A RET network consists of a network of photo-active molecules called chromophores that can participate in inter-molecular energy transfer called resonance energy transfer (RET). RET networks are used in a variety of applications including cryptographic devices, storage systems, light harvesting complexes, biological sensors, and molecular rulers. In this dissertation, we focus on creating a RET device called closed-diffusive exciton valve (C-DEV) in which the input to output transfer function is controlled by an external energy source, similar to a semiconductor transistor like the MOSFET. Due to their biocompatibility, molecular devices like the C-DEVs can be used to introduce computing power in biological, organic, and aqueous environments such as living cells. Furthermore, the underlying physics in RET devices are stochastic in nature, making them suitable for stochastic computing in which true random distribution generation is critical.

In order to determine a valid configuration of chromophores for the C-DEV, we developed a systematic process based on user-guided design space pruning techniques and built-in simulation tools. We show that our C-DEV is 15x better than C-DEVs designed using ad hoc methods that rely on limited data from prior experiments. We also show ways in which the C-DEV can be improved further and how different varieties of C-DEVs can be combined to form more complex logic circuits. Moreover, the systematic design process can be used to search for valid chromophore network configurations for a variety of RET applications.

We also describe a feasibility study for a technique used to control the orientation of chromophores attached to DNA. Being able to control the orientation can expand the design space for RET networks because it provides another parameter to tune their collective behavior. While results showed limited control over orientation, the analysis required the development of a mathematical model that can be used to determine the distribution of dipoles in a given sample of chromophore constructs. The model can be used to evaluate the feasibility of other potential orientation control techniques.

Conceptual Design of a Circulating Fluidized Bed Reactor as a Thermochemical Thermal Energy Storage System for Applications in Concentrated Solar Thermal Power Plants

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Responses to various protein and energy supplements by steers fed low-quality tropical hay. 1. Comparison of response surfaces for young steers

Response curves were established for different supplements, offered at intakes ranging from 0 to 20 g/kg liveweight (W).day to young Bos indicus crossbred steers fed low-quality Rhodes grass (Chloris gayana) hay ad libitum in two pen experiments. Supplements included protein meals of varying rumen-degradability (cottonseed meal (CSM) or fishmeal), as well as ‘energy sources’ comprising grains of high and low ruminal starch degradability (barley and sorghum) and a highly fermentable sugar source (molasses), with all diets adjusted for rumen-degradable nitrogen and mineral content. Unsupplemented steers gained 0.08 and 0.15 kg/day, in Experiments 1 and 2, respectively. Growth of steers increased linearly with intake of ‘energy source’ supplements in increasing order of molasses, sorghum and barley (all differences P < 0.05). Steer growth rate also increased linearly with fishmeal, albeit over a narrow intake range (0–4.1 g/kg W.day), whereas the response with CSM was asymptotic, showing a steep response at low intake before levelling at ~1.2 kg/day. All supplement types were associated with a linear reduction in hay intake by the steers (energy substitution) where the reduction was greater (P < 0.05) for barley and molasses (not different) than for sorghum (P < 0.05), and for fishmeal compared with CSM (P < 0.05). In concurrent metabolism studies with the same rations, organic matter digestibility of the total ration (561–578 g/kg DM, unsupplemented) was increased linearly by barley and molasses (both P < 0.05) but was unaffected by CSM and sorghum supplements. The efficiency of microbial protein synthesis in steers increased linearly, from 91 g microbial crude protein/kg digestible organic matter (unsupplemented), in both molasses and CSM-supplemented steers, with the trend for a higher response to molasses (P = 0.05), and appeared most closely related to digestible organic matter intake. The response curves from these studies provide the practical framework upon which to formulate rations for cattle grazing low-quality forages.

Quantitative phosphoproteomics reveals the role of the AMPK plant ortholog SnRK1 as a metabolic master regulator under energy deprivation

Since years, research on SnRK1, the major cellular energy sensor in plants, has tried to define its role in energy signalling. However, these attempts were notoriously hampered by the lethality of a complete knockout of SnRK1. Therefore, we generated an inducible amiRNA::SnRK1α2 in a snrk1α1 knock out background (snrk1α1/α2) to abolish SnRK1 activity to understand major systemic functions of SnRK1 signalling under energy deprivation triggered by extended night treatment. We analysed the in vivo phosphoproteome, proteome and metabolome and found that activation of SnRK1 is essential for repression of high energy demanding cell processes such as protein synthesis. The most abundant effect was the constitutively high phosphorylation of ribosomal protein S6 (RPS6) in the snrk1α1/α2 mutant. RPS6 is a major target of TOR signalling and its phosphorylation correlates with translation. Further evidence for an antagonistic SnRK1 and TOR crosstalk comparable to the animal system was demonstrated by the in vivo interaction of SnRK1α1 and RAPTOR1B in the cytosol and by phosphorylation of RAPTOR1B by SnRK1α1 in kinase assays. Moreover, changed levels of phosphorylation states of several chloroplastic proteins in the snrk1α1/α2 mutant indicated an unexpected link to regulation of photosynthesis, the main energy source in plants.

El desarrollo del sistema energético solar-hidrógeno en América Latina: potencialidades, oportunidades y barreras

El Sistema Energético Solar-Hidrógeno (SESH) constituye un sistema energético cuya fuente primaria es la energía solar, directa o indirecta, y la secundaria el hidrógeno. Actualmente, se considera como la mejor opción para complementar en el mediano y sustituir en el largo plazo, al actual sistema energético basado en fuentes fósiles. En este contexto se desenvuelve este trabajo, cuyo objetivo es identificar y analizar los factores intervinientes en el desarrollo del SESH en el ámbito latinoamericano, mediante una investigación documental basada en una amplia revisión bibliográfica. Se obtiene que la mayoría de países latinoamericanos disponen de ingentes potenciales aprovechables de energías renovables que harían posible y atractiva económicamente la implantación del SESH; que la hidrogenaría y biomasa son las fuentes más adecuadas como base para esta implantación, tanto por su potencial como por su presencia en la matriz energética y costos del SESH. Los estudios indican que la energización rural y el transporte urbano constituyen nichos de oportunidad para la penetración del SESH. También se reportan barreras: acciones de investigación escasas y concentradas en pocos países, un exiguo talento humano formado y capacitado para operar y desarrollar esta tecnología, como resultado de una débil oferta formativa; y la carencia de un marco legal e institucional que incentive el desarrollo de este sistema. Se concluye que sólo con la acción concertada de centros de investigación, universidades y la empresa privada, bajo la tutela del estado, se logrará que este elemento químico singular conduzca el desarrollo humano de la región por caminos sustentables.