Global change and climate-driven invasion of the Pacific oyster (Crassostrea gigas) along European coasts: a bioenergetics modelling approach

Aim The spread of non-indigenous species in marine ecosystems world-wide is one of today's most serious environmental concerns. Using mechanistic modelling, we investigated how global change relates to the invasion of European coasts by a non-native marine invertebrate, the Pacific oyster Crassostrea gigas. Location Bourgneuf Bay on the French Atlantic coast was considered as the northern boundary of C. gigas expansion at the time of its introduction to Europe in the 1970s. From this latitudinal reference, variations in the spatial distribution of the C. gigas reproductive niche were analysed along the north-western European coast from Gibraltar to Norway. Methods The effects of environmental variations on C. gigas physiology and phenology were studied using a bioenergetics model based on Dynamic Energy Budget theory. The model was forced with environmental time series including in situ phytoplankton data, and satellite data of sea surface temperature and suspended particulate matter concentration. Results Simulation outputs were successfully validated against in situ oyster growth data. In Bourgneuf Bay, the rise in seawater temperature and phytoplankton concentration has increased C. gigas reproductive effort and led to precocious spawning periods since the 1960s. At the European scale, seawater temperature increase caused a drastic northward shift (1400 km within 30 years) in the C. gigas reproductive niche and optimal thermal conditions for early life stage development. Main conclusions We demonstrated that the poleward expansion of the invasive species C. gigas is related to global warming and increase in phytoplankton abundance. The combination of mechanistic bioenergetics modelling with in situ and satellite environmental data is a valuable framework for ecosystem studies. It offers a generic approach to analyse historical geographical shifts and to predict the biogeographical changes expected to occur in a climate-changing world.

Development of predictive energy management strategies for hybrid electric vehicles supported by connectivity

Nowadays, the spreading of the air pollution crisis enhanced by greenhouse gases emission is leading to the worsening of the global warming. In this context, the transportation sector plays a vital role, since it is responsible for a large part of carbon dioxide production. In order to address these issues, the present thesis deals with the development of advanced control strategies for the energy efficiency optimization of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), supported by the prediction of future working conditions of the powertrain. In particular, a Dynamic Programming algorithm has been developed for the combined optimization of vehicle energy and battery thermal management. At this aim, the battery temperature and the battery cooling circuit control signal have been considered as an additional state and control variables, respectively. Moreover, an adaptive equivalent consumption minimization strategy (A-ECMS) has been modified to handle zero-emission zones, where engine propulsion is not allowed. Navigation data represent an essential element in the achievement of these tasks. With this aim, a novel simulation and testing environment has been developed during the PhD research activity, as an effective tool to retrieve routing information from map service providers via vehicle-to-everything connectivity. Comparisons between the developed and the reference strategies are made, as well, in order to assess their impact on the vehicle energy consumption. All the activities presented in this doctoral dissertation have been carried out at the Green Mobility Research Lab} (GMRL), a research center resulting from the partnership between the University of Bologna and FEV Italia s.r.l., which represents the industrial partner of the research project.

Measuring the eco-efficiency of cement use

At present, the cement industry generates approximately 5% of the world`s anthropogenic CO(2) emissions. This share is expected to increase since demand for cement based products is forecast to multiply by a factor of 2.5 within the next 40 years and the traditional strategies to mitigate emissions, focused on the production of cement, will not be capable of compensating such growth. Therefore, additional mitigation strategies are needed, including an increase in the efficiency of cement use. This paper proposes indicators for measuring cement use efficiency, presents a benchmark based on literature data and discusses potential gains in efficiency. The binder intensity (bi) index measures the amount of binder (kg m(-3)) necessary to deliver 1 MPa of mechanical strength, and consequently express the efficiency of using binder materials. The CO(2) intensity index (ci) allows estimating the global warming potential of concrete formulations. Research benchmarks show that bi similar to 5 kg m(-3) MPa(-1) are feasible and have already been achieved for concretes >50 MPa. However, concretes with lower compressive strengths have binder intensities varying between 10 and 20 kg m(-3) MPa(-1). These values can be a result of the minimum cement content established in many standards and reveal a significant potential for performance gains. In addition, combinations of low bi and ci are shown to be feasible. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cenários de mudanças climáticas para a América do Sul : impacto no zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar

O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) através do seu Quarto Relatório de Avaliação das Mudanças Climáticas Globais (IPCC-AR4), publicado em 2007, atribui as emissões de gases de efeito estufa como a principal causa do aumento médio das temperaturas e alerta para uma elevação entre 1,8 ºC e 6,4 ºC até 2100, podendo modificar assim a aptidão climática para as culturas agrícolas em diversas regiões do planeta. Diante disso, existe a necessidade de substituição dos combustíveis fósseis por fontes renováveis e limpas de energia, como o etanol. A cana-de-açúcar apresenta-se, portanto, como uma cultura estratégica na produção do etanol. O presente trabalho teve como objetivos: 1) avaliar o desempenho dos Modelos Climáticos Globais (MCGs) do IPCC-AR4 na simulação de dados climáticos de temperatura do ar e precipitação pluviométrica para o período anual e mensal; 2) elaborar o zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar para a América do Sul considerando o clima referência e o futuro para as décadas de 2020, 2050 e 2080 em função do cenário de emissão A1B considerado pessimista e que usa um equilíbrio entre todas as fontes de energia. Para a avaliação do desempenho dos MCGs, foram utilizados dados climáticos médios mensais observados de precipitação e temperatura do ar provenientes do Climatic Research Unit (CRU) e dados simulados oriundos dos 22 MCGs do IPCC (cenário 20c3m) compreendidos entre o período de 1961-1990, além do Multimodel (ensemble) – MM que é a média da combinação dos dados de todos os modelos. O desempenho dos MCGs foi avaliado pelos índices estatísticos: desvio padrão, correlação, raiz quadrada da média do quadrado das diferenças centralizadas e o “bias” dos dados simulados com os observados, que foram representados no diagrama de Taylor. Para a etapa da elaboração do zoneamento agroclimático procedeu-se o cálculo dos balanços hídricos (referência e futuros) da cultura, pelo método de Thornthwaite & Mather (1955). Para o cenário referência, utilizaram-se dados das médias mensais da precipitação e temperatura provenientes do CRU, enquanto que para as projeções futuras, dados provenientes das anomalias do Multimodel (ensemble) – MM para as décadas de 2020, 2050 e 2080, que foram ajustados, obtendo-se assim as projeções futuras para cada período analisado. Baseado nos mapas temáticos reclassificados de deficiência hídrica anual, temperatura média anual, excedente hídrico anual e no índice de satisfação das necessidades de água (ISNA), realizou-se uma sobreposição dessas informações obtendo assim, os mapas finais do zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar. Posteriormente ao zoneamento, realizou-se a análise das transições (ganhos, perdas e persistências) entre as classes de aptidão climática da cultura. Os resultados mostram que o Multimodel (ensemble) – MM para o período mensal apresenta o melhor desempenho entre os modelos analisados. As áreas inaptas correspondem a maior parte da América do Sul e uma expressiva transição entre as classes de aptidão climática da cultura.

Mudanças climáticas nas regiões insulares

Tese de Doutoramento, Física, 27 de Novembro de 2013, Universidade dos Açores.

Climatização passiva em edifício de serviços

Dissertação Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil no Ramo de Edificações

Construção de um parque eólico industrial

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Algorithms and methodologies for decision support in energy efficiency on buildings

Dissertação apresentada na faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Towards a unified European electricity market: The contribution of data-mining to support realistic simulation studies

Worldwide electricity markets have been evolving into regional and even continental scales. The aim at an efficient use of renewable based generation in places where it exceeds the local needs is one of the main reasons. A reference case of this evolution is the European Electricity Market, where countries are connected, and several regional markets were created, each one grouping several countries, and supporting transactions of huge amounts of electrical energy. The continuous transformations electricity markets have been experiencing over the years create the need to use simulation platforms to support operators, regulators, and involved players for understanding and dealing with this complex environment. This paper focuses on demonstrating the advantage that real electricity markets data has for the creation of realistic simulation scenarios, which allow the study of the impacts and implications that electricity markets transformations will bring to the participant countries. A case study using MASCEM (Multi-Agent System for Competitive Electricity Markets) is presented, with a scenario based on real data, simulating the European Electricity Market environment, and comparing its performance when using several different market mechanisms.

Data Mining Approach to support the Generation of Realistic Scenarios for Multi-Agent simulation of Electricity Markets

This paper presents the Realistic Scenarios Generator (RealScen), a tool that processes data from real electricity markets to generate realistic scenarios that enable the modeling of electricity market players’ characteristics and strategic behavior. The proposed tool provides significant advantages to the decision making process in an electricity market environment, especially when coupled with a multi-agent electricity markets simulator. The generation of realistic scenarios is performed using mechanisms for intelligent data analysis, which are based on artificial intelligence and data mining algorithms. These techniques allow the study of realistic scenarios, adapted to the existing markets, and improve the representation of market entities as software agents, enabling a detailed modeling of their profiles and strategies. This work contributes significantly to the understanding of the interactions between the entities acting in electricity markets by increasing the capability and realism of market simulations.

Modelo de controlo difuso de um sistema de produção de energia com base em recursos renováveis

A satisfação das necessidades energéticas mundiais, cada vez mais exigentes, bem como a necessidade urgente de procurar caminhos que permitam usufruir de energia, da forma menos poluente possível, levam à necessidade de serem explorados caminhos que permitam cumprir estes pressupostos. A escolha da utilização das energias renováveis na produção de energia, torna-se cada vez mais interessante, quer do ponto de vista ambiental quer económico. O fundamento da lógica difusa está associado à recolha de informações vagas, que são no fundo uma linguagem falada por seres humanos, possibilitando a passagem deste tipo de linguagem para formato numérico, permitindo assim uma manipulação computacional. Elementos climáticos como o sol e o vento, podem ser descritos em forma de variáveis linguísticas, como é o caso de vento forte, temperatura baixa, irradiação fraca, etc. Isto faz com que a aplicação de um controlo a partir destes fenómenos, justifique ser realizado com recurso a sistemas de inferência difusa. Para a realização do trabalho proposto, foram consumados estudos relativos às energias renováveis, com particular enfoque na solar e na eólica. Também foi realizado um estudo dos conceitos pertencentes à lógica difusa e a sistemas de inferência difusa com o objetivo de perceber os diversos parâmetros constituintes desta matéria. Foi realizado o estudo e desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados, bem como do controlador difuso que é o busílis do trabalho descrito neste relatório. Para tal, o trabalho foi efetuado com o recurso ao software MATLAB, a partir do qual foram desenvolvidas aplicações que possibilitaram a obtenção de dados climáticos, com vista à sua utilização na toolbox Fuzzy Logic a qual foi utilizada para o desenvolvimento de todo o algoritmo de controlo. Com a possibilidade de aquisição de dados concluída e das variáveis que iriam ser necessárias definidas, foi implementado o controlador difuso que foi sendo sintonizado ao longo do trabalho por forma a garantir os melhores resultados possíveis. Com o recurso à ferramenta Guide, também do MATLAB, foi criada a interface do sistema com o utilizador, sendo possível a averiguação da energia a ser produzida, bem como das contribuições de cada uma das fontes de energia renováveis para a obtenção dessa mesma energia. Por último, foi feita uma análise de resultados através da comparação entre os valores reais esperados e os valores obtidos pelo controlador difuso, bem como assinaladas conclusões e possibilidades de desenvolvimentos futuros deste trabalho.

Learning sustainability by developing a solar dryer for microalgae retrieval

The development of nations depends on energy consumption, which is generally based on fossil fuels. This dependency produces irreversible and dramatic effects on the environment, e.g. large greenhouse gas emissions, which in turn cause global warming and climate changes, responsible for the rise of the sea level, floods, and other extreme weather events. Transportation is one of the main uses of energy, and its excessive fossil fuel dependency is driving the search for alternative and sustainable sources of energy such as microalgae, from which biodiesel, among other useful compounds, can be obtained. The process includes harvesting and drying, two energy consuming steps, which are, therefore, expensive and unsustainable. The goal of this EPS@ISEP Spring 2013 project was to develop a solar microalgae dryer for the microalgae laboratory of ISEP. A multinational team of five students from distinct fields of study was responsible for designing and building the solar microalgae dryer prototype. The prototype includes a control system to ensure that the microalgae are not destroyed during the drying process. The solar microalgae dryer works as a distiller, extracting the excess water from the microalgae suspension. This paper details the design steps, the building technologies, the ethical and sustainable concerns and compares the prototype with existing solutions. The proposed sustainable microalgae drying process is competitive as far as energy usage is concerned. Finally, the project contributed to increase the deontological ethics, social compromise skills and sustainable development awareness of the students.

Previsão e definição de perfis na gestão dos recursos de energia no âmbito de edifícios auto-sustentáveis

Nos últimos anos o consumo de energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis tem aumentado significativamente. Este aumento deve-se ao impacto ambiental que recursos como o petróleo, gás, urânio, carvão, entre outros, têm no meio ambiente e que são notáveis no diaa- dia com as alterações climáticas e o aquecimento global. Por sua vez, estes recursos têm um ciclo de vida limitado e a dada altura tornar-se-ão escassos. A preocupação de uma melhoria contínua na redução dos impactos ambientais levou à criação de Normas para uma gestão mais eficiente e sustentável do consumo de energia nos edifícios. Parte da eletricidade vendida pelas empresas de comercialização é produzida através de fontes renováveis, e com a recente publicação do Decreto de Lei nº 153/2014 de 20 outubro de 2014 que regulamenta o autoconsumo, permitindo que também os consumidores possam produzir a sua própria energia nas suas residências para reduzir os custos com a compra de eletricidade. Neste contexto surgiram os edifícios inteligentes. Por edifícios inteligentes entende-se que são edifícios construídos com materiais que os tornam mais eficientes, possuem iluminação e equipamentos elétricos mais eficientes, e têm sistemas de produção de energia que permitem alimentar o próprio edifício, para um consumo mais sustentado. Os sistemas implementados nos edifícios inteligentes visam a monitorização e gestão da energia consumida e produzida para evitar desperdícios de consumo. O trabalho desenvolvido visa o estudo e a implementação de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para prever os consumos de energia elétrica dos edifícios N e I do ISEP/GECAD, bem como a previsão da produção dos seus painéis fotovoltáicos. O estudo feito aos dados de consumo permitiu identificar perfis típicos de consumo ao longo de uma semana e de que forma são influenciados pelo contexto, nomeadamente, com os dias da semana versus fim-de-semana, e com as estações do ano, sendo analisados perfis de consumo de inverno e verão. A produção de energia através de painéis fotovoltaicos foi também analisada para perceber se a produção atual é suficiente para satisfazer as necessidades de consumo dos edifícios. Também foi analisada a possibilidade da produção satisfazer parcialmente as necessidades de consumos específicos, por exemplo, da iluminação dos edifícios, dos seus sistemas de ar condicionado ou dos equipamentos usados.

The role of biomass and biorefineries in a sustainable future

Some o f the biggest issues facing humanity in the 21st century include energy security, global warming and resource scarcity. These issues will affect every nation and Ireland is no exception. There is much research underway to uncover technologies that will allow the world to overcome such problems, but none offer the flexibility o f biomass. Unlike other sustainable technologies, which offer a solution to one or at most two o f the above problems, biomass as demonstrated by the author, can play a part in mitigating all o f the above problems. It has been known for some time that biomass can be used in various ways as a form o f renewable energy, but with the development o f biorefineries biomass can be used to produce material as well as fuel products. In this report the author has looked at the viability and benefits o f biomass, bioenergy and biorefining in Ireland. The author has demonstrated that such technologies when implemented correctly are sustainable from an economic, environmental and societal point o f view. The author has shown in this thesis that abundant supplies o f biomass make bio re fineries a viable business opportunity in Ireland and has shown how a number o f biorefinery scenarios have the potential to be extremely profitable. The author has evaluated the profitability o f material product-based bio re fineries as well as fuel productbased configurations. The author demonstrated that value-added co-products help to make bio refineries profitable even when excise-relief is not granted on bio fuels. In this thesis the author has revealed some o f the problems that bioenergy and biorefineries have had to overcome to date and examines challenges that remain for bioenergy and biorefining, and looks at the future opportunities for bio fuels. This report concludes that biomass and biorefining has exciting business potential while offering unique opportunities to mitigate the problems o f the future.

Emissions distribution in post-Kyoto international negotiations: a policy

An abundant scientific literature about climate change economics points out that the future participation of developing countries in international environmental policies will depend on their amount of pay offs inside and outside specific agreements. These studies are aimed at analyzing coalitions stability typically through a game theoretical approach. Though these contributions represent a corner stone in the research field investigating future plausible international coalitions and the reasons behind the difficulties incurred over time to implement emissions stabilizing actions, they cannot disentangle satisfactorily the role that equality play in inducing poor regions to tackle global warming. If we focus on the Stern Review findings stressing that climate change will generate heavy damages and policy actions will be costly in a finite time horizon, we understand why there is a great incentive to free ride in order to exploit benefits from emissions reduction efforts of others. The reluctance of poor countries in joining international agreements is mainly supported by historical responsibility of rich regions in generating atmospheric carbon concentration, whereas rich countries claim that emissions stabilizing policies will be effective only when developing countries will join them.Scholars recently outline that a perceived fairness in the distribution of emissions would facilitate a wide spread participation in international agreements. In this paper we overview the literature about distributional aspects of emissions by focusing on those contributions investigating past trends of emissions distribution through empirical data and future trajectories through simulations obtained by integrated assessment models. We will explain methodologies used to elaborate data and the link between real data and those coming from simulations. Results from this strand of research will be interpreted in order to discuss future negotiations for post Kyoto agreements that will be the focus of the next. Conference of the Parties in Copenhagen at the end of 2009. A particular attention will be devoted to the role that technological change will play in affecting the distribution of emissions over time and to how spillovers and experience diffusion could influence equality issues and future outcomes of policy negotiations.