High energy radiation grafting of fluoropolymers

Fluoropolymers are known as chemically inert materials with good high temperature resistance, so they are often the materials of choice for harsh chemical environments. These properties arise because the carbon-fluorine bond is the strongest of all bonds between other elements and carbon, and, because of their large size, fluorine atoms can protect the carbon backbone of polymers such as poly(tetrafluoroethylene), PTFE, from chemical attack. However, while the carbon-fluorine bond is much stronger than the carbon hydrogen bond, the G values for radical formation on high energy radiolysis of fluoropolymers are roughly comparable to those of their protonated counterparts. Thus, efficient high energy radiation grafting of fluoropolymers is practical, and this process can be used to modify either the surface or bulk properties of a fluoropolymer. Indeed, radiation grafted fluoropolymers are currently being used as separation membranes for fuel cells, hydrophilic filtration membranes and matrix substrate materials for use in combinatorial chemistry. Herein we present a review of recent studies of the high energy radiation grafting of fluoropolymers and of the analytical methods available to characterize the grafts. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo e otimização de uma pilha de combustível de pequena potência (10W) e sua integração em equipamento portátil

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

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

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

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

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

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

A general overview on hybrid and electric vehicles

The economical and environment impacts of fossil energies increased the interest for hybrid, battery and fuel-cell electric vehicles. Several demanding engineering challenges must be faced, motivated by different physical domains integration. This paper aims to present an overview on hybrid (HEV) and electric vehicles (EV) basic structures and features. In addition, it will try to point out some of the most relevant challenges to overcome for HEV and EV may be a solid option for the mobility issue. New developments in energy storage devices and energy management systems (EMS) are crucial to achieve this goal.

Micro-generation Evaluation of the Zero Emissions Technologies in the Portuguese Market

Micro-generation is the small scale production of heat and/or electricity from a low carbon source and can be a powerful driver for carbon reduction, behavior change, security of supply and economic value. The energy conversion technologies can include photovoltaic panels, micro combined heat and power, micro wind, heat pumps, solar thermal systems, fuel cells and micro hydro schemes. In this paper, a small research of the availability of the conversion apparatus and the prices for the micro wind turbines and photovoltaic systems is made and a comparison between these two technologies is performed in terms of the availability of the resource and costs. An analysis of the new legal framework published in Portugal is done to realize if the incentives to individualspsila investment in sustainable and local energy production is worth for their point of view. An economic evaluation for these alternatives, accounting with the governmentpsilas incentives should lead, in most cases, into attractive return rates for the investment. Apart from the attractiveness of the investment there are though other aspects that should be taken into account and those are the benefits that these choices have to us all. The idea is that micro-generation will not only make a significant direct contribution to carbon reduction targets, it will also trigger a multiplier effect in behavior change by engaging hearts and minds, and providing more efficient use of energy by householders. The diversified profile of power generation by micro-generators, both in terms of location and timing, should reduce the impact of intermittency or plant failures with significant gains for security of supply.

Membrane design and characterisation by incorporation of ionic liquids

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Operações Unitárias e Fenómenos de Transferência, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Electricity markets modeling considering complex contracts and aggregators

All over the world, the liberalization of electricity markets, which follows different paradigms, has created new challenges for those involved in this sector. In order to respond to these challenges, electric power systems suffered a significant restructuring in its mode of operation and planning. This restructuring resulted in a considerable increase of the electric sector competitiveness. Particularly, the Ancillary Services (AS) market has been target of constant renovations in its operation mode as it is a targeted market for the trading of services, which have as main objective to ensure the operation of electric power systems with appropriate levels of stability, safety, quality, equity and competitiveness. In this way, with the increasing penetration of distributed energy resources including distributed generation, demand response, storage units and electric vehicles, it is essential to develop new smarter and hierarchical methods of operation of electric power systems. As these resources are mostly connected to the distribution network, it is important to consider the introduction of this kind of resources in AS delivery in order to achieve greater reliability and cost efficiency of electrical power systems operation. The main contribution of this work is the design and development of mechanisms and methodologies of AS market and for energy and AS joint market, considering different management entities of transmission and distribution networks. Several models developed in this work consider the most common AS in the liberalized market environment: Regulation Down; Regulation Up; Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve. The presented models consider different rules and ways of operation, such as the division of market by network areas, which allows the congestion management of interconnections between areas; or the ancillary service cascading process, which allows the replacement of AS of superior quality by lower quality of AS, ensuring a better economic performance of the market. A major contribution of this work is the development an innovative methodology of market clearing process to be used in the energy and AS joint market, able to ensure viable and feasible solutions in markets, where there are technical constraints in the transmission network involving its division into areas or regions. The proposed method is based on the determination of Bialek topological factors and considers the contribution of the dispatch for all services of increase of generation (energy, Regulation Up, Spinning and Non-Spinning reserves) in network congestion. The use of Bialek factors in each iteration of the proposed methodology allows limiting the bids in the market while ensuring that the solution is feasible in any context of system operation. Another important contribution of this work is the model of the contribution of distributed energy resources in the ancillary services. In this way, a Virtual Power Player (VPP) is considered in order to aggregate, manage and interact with distributed energy resources. The VPP manages all the agents aggregated, being able to supply AS to the system operator, with the main purpose of participation in electricity market. In order to ensure their participation in the AS, the VPP should have a set of contracts with the agents that include a set of diversified and adapted rules to each kind of distributed resource. All methodologies developed and implemented in this work have been integrated into the MASCEM simulator, which is a simulator based on a multi-agent system that allows to study complex operation of electricity markets. In this way, the developed methodologies allow the simulator to cover more operation contexts of the present and future of the electricity market. In this way, this dissertation offers a huge contribution to the AS market simulation, based on models and mechanisms currently used in several real markets, as well as the introduction of innovative methodologies of market clearing process on the energy and AS joint market. This dissertation presents five case studies; each one consists of multiple scenarios. The first case study illustrates the application of AS market simulation considering several bids of market players. The energy and ancillary services joint market simulation is exposed in the second case study. In the third case study it is developed a comparison between the simulation of the joint market methodology, in which the player bids to the ancillary services is considered by network areas and a reference methodology. The fourth case study presents the simulation of joint market methodology based on Bialek topological distribution factors applied to transmission network with 7 buses managed by a TSO. The last case study presents a joint market model simulation which considers the aggregation of small players to a VPP, as well as complex contracts related to these entities. The case study comprises a distribution network with 33 buses managed by VPP, which comprises several kinds of distributed resources, such as photovoltaic, CHP, fuel cells, wind turbines, biomass, small hydro, municipal solid waste, demand response, and storage units.

Functional characterization and directed engineering of redox proteins for a rational improvement of Bioelectrochemical systems

In recent years, new methods of clean and environmentally friendly energy production have been the focus of intense research efforts. Microbial fuel cells (MFCs) are devices that utilize naturally occurring microorganisms that feed on organic matter, like waste water, while producing electrical energy. The natural habitats of bacteria thriving in microbial fuel cells are usually marine and freshwater sediments. These microorganisms are called dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB), but in addition to metals like iron and manganese, they can use organic compounds like DMSO or TMAO, radionuclides and electrodes as terminal electron acceptors in their metabolic pathways.(...)

Modelització i control d'un reactor de producció d'hidrogen per a l'alimentació de piles de combustible

Les piles de combustible permeten la transformació eficient de l’energia química de certs combustibles a energia elèctrica a través d’un procés electroquímic. De les diferents tecnologies de piles de combustible, les piles de combustible de tipus PEM són les més competitives i tenen una gran varietat d’aplicacions. No obstant, han de ser alimentades únicament per hidrogen. Per altra banda, l’etanol, un combustible interessant en el marc dels combustibles renovables, és una possible font d’hidrogen. Aquest treball estudia la reformació d’etanol per a l’obtenció d’hidrogen per a alimentar piles de combustible PEM. Només existeixen algunes publicacions que tractin l’obtenció d’hidrogen a partir d’etanol, i aquestes no inclouen l’estudi dinàmic del sistema. Els objectius del treball són el modelat i l’estudi dinàmic de reformadors d’etanol de baixa temperatura. Concretament, proposa un model dinàmic d’un reformador catalític d’etanol amb vapor basat en un catalitzador de cobalt. Aquesta reformació permet obtenir valors alts d’eficiència i valors òptims de monòxid de carboni que evitaran l’enverinament d’una la pila de combustible de tipus PEM. El model, no lineal, es basa en la cinètica obtinguda de diferents assaigs de laboratori. El reformador modelat opera en tres etapes: deshidrogenació d’etanol a acetaldehid i hidrogen, reformat amb vapor d’acetaldehid, i la reacció WGS (Water Gas Shift). El treball també estudia la sensibilitat i controlabilitat del sistema, caracteritzant així el sistema que caldrà controlar. L’anàlisi de controlabilitat es realitza sobre la resposta de dinàmica ràpida obtinguda del balanç de massa del reformador. El model no lineal és linealitzat amb la finalitat d’aplicar eines d’anàlisi com RGA, CN i MRI. El treball ofereix la informació necessària per a avaluar la possible implementació en un laboratori de piles de combustibles PEM alimentades per hidrogen provinent d’un reformador d’etanol.

Análisis del ciclo de vida de sistemas de tratamiento de aguas residuales: influencia de los materiales utilizados

En este proyecto se tiene como objetivo comparar una EDAR específica con otras tres, desde el punto de vista ambiental, y establecer diferentes alternativas. En particular, se ha evaluado la mejor alternativa en la obtención de energía eléctrica para la propia utilización de la planta de tratamiento de aguas residuales, a partir del biogás generado en el digestor en la línea de lodos. En este tipo de instalaciones, entre las alternativas tanto en su uso actual como en fase de desarrollo, el motor de cogeneración de electricidad y el calor es el más utilizado para obtener simultáneamente la electricidad necesaria para las instalaciones y el calor necesario para mantener el digestor de lodos a la temperatura de trabajo (36ºC aproximadamente). Las otras alternativas evaluadas en este estudio son las pilas de biogás de membrana electrolítica polimérica (en inglés Polymeric Electrolyte Membrane, PEM) y las pilas de óxidos sólidos (en inglés Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) con una turbina de gas (sistema híbrido SOFC-GT). Por otro lado, se estudian las características de los materiales que componen los dispositivos MEC (microbial electrolysis cell) y las pilas PEM y SOFC, así como las ventajas e inconvenientes de usar estas nuevas tecnologías en el tratamiento de aguas residuales, así como la evaluación del impacto ambiental de la EDAR objeto de estudio, que se ha llevado a cabo utilizando el análisis de ciclo de vida (ACV). El ACV es una herramienta que permite comparar diferentes procesos o productos que tengan la misma función, y así evaluar la alternativa que conlleve una mejora en el medio ambiental. La metodología de ACV pretende evaluar en detalle el ciclo de vida completo de un producto o proceso. Un ACV se suele definir de tipo "cradle to grave" o "desde la cuna hasta la tumba" o bien de tipo "gate to gate", o "de puerta a puerta". En el primer caso el estudio analiza el ciclo de vida completo del sistema, dese el origen hasta el final, mientras que en el segundo caso el ACV no tiene en cuenta su disposición final (vertedero, reciclaje, etc.). Un estudio de ACV del primer tipo conlleva hacer un estudio muy detallado, que en la práctica puede resultar muy largo y laborioso por la dificultad de encontrar todos los datos necesarios. Por ello, muchos estudios de ACV que se encuentran en la literatura suelen ser del tipo "gate to gate". Además, hay que esablecer las fronteras del sistema a estudiar, ya que hay procesos que tienen muy poca contribución a las categorías de impacto ambiental. En una EDAR los principales procesos considerados en el ACV llevado a cabo son el consumo de productos químicos, de electricidad, la producción de lodos y su utilización como composta, el biogás y su utilización para producir electricidad, los residuos sólidos y las distintas emisiones al medio producidas por el propio funcionamiento de la EDAR. Las operaciones relacionadas indirectamente como el transporte de los lodos, de productos químicos, de los residuos sólidos y la infraestructura con una vida media de 30 años no influyen significativamente en los resultados, por ejemplo el transporte de los lodos con un camión a 30km contribuyen en menos de 1% en todas las categorías de impacto. De acuerdo con las normativas ISO series 14040 que regulan las pautas de un ACV, se establece una unidad funcional apropiada, o sea habitante equivalente, ya que es la más apropiada por tener en cuenta la carga contaminante en el agua a tratar, parámetro imprescindible para comparar EDARs. Redefiniendo las fronteras, se realiza un ACV del depósito del biogás sin tener en cuenta el resto de la instalación y se toma como unidad funcional m3 de biogás, en el caso concreto de obtener biogás mediante un dispositivo MEC, que maximiza la cantidad de hidrógeno en detrimento de la cantidad de metano contenido en el biogás, observándose que la contribución de un biogás con un alto contenido en hidrógeno y, por tanto bajo en metano, produce una mejora ambiental. Las categorías de impacto ambiental que tienen contribución son el calentamiento global y la oxidación fotoquímica; el dispositivo MEC hace quela contribución a estas categorías de impacto sea de un orden de magnitud inferior con respecto al biogás generado en un digestor. Además, si se produce la combustión del biogás, la única categoría de impacto que tiene contribución es la de calentamiento global; para una dispositivo MEC la contribución sigue siendo un orden de magnitud inferior con respecto al biogás de un digestor de lodos.

Electrochemical synthesis of mesoporous CoPt nanowires for methanol oxidation

A new electrochemical method to synthesize mesoporous nanowires of alloys has been developed. Electrochemical deposition in ionic liquid-in-water (IL/W) microemulsion has been successful to grow mesoporous CoPt nanowires in the interior of polycarbonate membranes. The viscosity of the medium was high, but it did not avoid the entrance of the microemulsion in the interior of the membrane"s channels. The structure of the IL/W microemulsions, with droplets of ionic liquid (4 nm average diameter) dispersed in CoPt aqueous solution, defined the structure of the nanowires, with pores of a few nanometers, because CoPt alloy deposited only from the aqueous component of the microemulsion. The electrodeposition in IL/W microemulsion allows obtaining mesoporous structures in which the small pores must correspond to the size of the droplets of the electrolytic aqueous component of the microemulsion. The IL main phase is like a template for the confined electrodeposition. The comparison of the electrocatalytic behaviours towards methanol oxidation of mesoporous and compact CoPt nanowires of the same composition, demonstrated the porosity of the material. For the same material mass, the CoPt mesoporous nanowires present a surface area 16 times greater than compact ones, and comparable to that observed for commercial carbon-supported platinum nanoparticles.

SiC-Based MIS gas sensor for high water vapor environments

In this work we will prove that SiC-based MIS capacitors can work in environments with extremely high concentrations of water vapor and still be sensitive to hydrogen, CO and hydrocarbons, making these devices suitable for monitoring the exhaust gases of hydrogen or hydrocarbons based fuel cells. Under the harshest conditions (45% of water vapor by volume ratio to nitrogen), Pt/TaOx/SiO2/SiC MIS capacitors are able to detect the presence of 1 ppm of hydrogen, 2 ppm of CO, 100 ppm of ethane or 20 ppm of ethene, concentrations that are far below the legal permissible exposure limits.

Uudet DCHP-prosessit

Diplomityön tavoitteena on selvittää viiden uuden yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotantoprosessin taloudellisuus Suomessa ja Keski-Euroopassa. Polttoaineena käytetään maakaasua. Tehoalue on 1 kW – 1 MW. Työn alkuosassa on kerrottu kyseisten prosessien tekniset ominaisuudet ja käyttö tällä hetkellä. Työn loppuosassa on laskettu jokaisen prosessin taloudellisuus viidessä eri maassa (Suomessa, Alankomaassa, Belgiassa, Iso-Britanniassa ja Saksassa) viidessä eri skenaariossa (omakotitalot, rivitalot, kerrostalot, pienteollisuus ja keskisuuri teollisuus). Toisena aihepiirinä diplomityössä on verrattu kompressori- ja absorptiojäähdyttimiä keskenään ja kerrottu kaukokylmän tekemisestä. Työn tuloksena saatiin arvio siitä, miten taloudellisesti kannattavia kyseiset prosessit ovat tällä hetkellä verrattuna perinteisiin sähkön- ja lämmöntuotantotapoihin.