Optimization of Li-ion solid electrolytes

The synthesis and optimization of two Li-ion solid electrolytes were studied in this work. Different combinations of precursors were used to prepare La0.5Li0.5TiO3 via mechanosynthesis. Despite the ability to form a perovskite phase by the mechanochemical reaction it was not possible to obtain a pure La0.5Li0.5TiO3 phase by this process. Of all the seven combinations of precursors and conditions tested, the one where La2O3, Li2CO3 and TiO2 were milled for 480min (LaOLiCO-480) showed the best results, with trace impurity phases still being observed. The main impurity phase was that of La2O3 after mechanosynthesis (22.84%) and Li2TiO3 after calcination (4.20%). Two different sol-gel methods were used to substitute boron on the Zr-site of Li1+xZr2-xBx(PO4)3 or the P-site of Li1+6xZr2(P1-xBxO4)3, with the doping being achieved on the Zr-site using a method adapted from Alamo et al (1989). The results show that the Zr-site is the preferential mechanism for B doping of LiZr2(PO4)3 and not the P-site. Rietveld refinement of the unit-cell parameters was performed and it was verified by consideration of Vegard’s law that it is possible to obtain phase purity up to x = 0.05. This corresponds with the phases present in the XRD data, that showed the additional presence of the low temperature (monoclinic) phase for the powder sintered at 1200ºC for 12h of compositions with x ≥ 0.075. The compositions inside the solid solution undergo the phase transition from triclinic (PDF#01-074-2562) to rhombohedral (PDF#01-070-6734) when heating from 25 to 100ºC, as reported in the literature for the base composition. Despite several efforts, it was not possible to obtain dense pellets and with physical integrity after sintering, requiring further work in order to obtain dense pellets for the electrochemical characterisation of Li Zr2(PO4)3 and Li1.05Zr1.95B0.05(PO4)3.

Electrolytic cells for plastic waste recycling

The current project assesses potential molten alloy anodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) running on solid waste. A detailed phase diagram study was performed to locate probable anode systems. The molten metal oxide system PbO-Sb2O3 was selected as a possible molten alloy anode for this application. A detailed vapour pressure study of this system was performed. Several cells were fabricated to experimentally assess the electrochemical properties of this system. The work reveals several unexpected limiting features such as the incompatibility between the platinum and the chosen alloy. A second cell was built, this time using rhenium wires instead, preventing such reaction. However, the rhenium wire sublimes under oxidizing conditions (air) and the sealing glass and the chosen alloy system react with each other under long term use. Considering all these issues, a third cell design was conceived, surpassing some obstacles and providing some initial information regarding the electrochemical behaviour. The current project shows that many parameters need to be taken into account to ensure materials compatibility. For the PbOSb2O3 system, the high volatility of Sb2O3 was a serious limitation that can only be addressed through the application of new contact wires or sealing materials and conditions. Nonetheless, the project highlights several other potential systems that can be considered, such as Pb11Ge3O17, Pb3GeO5, Pb5Ge3O11, Bi2CuO4, Bi2PdO4, Bi12GeO20.

Medidas de eficiência energética numa indústria cerâmica

O presente relatório resulta de um estágio realizado no âmbito da eficiência energética assente no programa Galp 20-20-20 que tem por génese uma parceria entre a Universidade de Aveiro e a empresa de coberturas cerâmicas, CS – Coelho da Silva S.A. A Fábrica alvo de estudo é uma consumidora intensiva de energia, despendeu no ano de 2013 cerca de 3.768 tep. Devido aos seus processos de cozedura e secagem, apresenta uma elevada dependência de Gás Natural, representando pouco mais de 78% do consumo global da fábrica. Deste consumo de energia térmica, 83% respeita ao forno e os restantes 17% encontram-se alocados ao secador, pelo que as medidas de eficiência energética presentes neste relatório centram-se da redução deste vetor energético. São então propostas três medidas para a redução da dependência deste vetor. A primeira, incide na recuperação de calor residual presente nos gases de exaustão através da instalação de um permutador de calor. Esta medida permite uma redução do consumo na ordem dos 10% e conta com um payback de 2,3 anos resultante de uma economia anual de 150.000 €. Para este estudo foi desenvolvido um modelo dinâmico em excel que permite a simulação de diversos cenários. São também propostas mais duas intervenções que incidem na alteração do circuito térmico. Estas medidas têm um impacte mais reduzido no que respeita ao percentual de redução energético, ambas com menos de 1% de redução do consumo global da fábrica. Contudo são medidas bastante interessantes dada a sua simplicidade e contam com poupanças anuais na ordem dos 6.000 € que resultam num payback inferior a 2 meses. Paralelamente executaram-se dois estudos para a iluminação, o primeiro sugere a instalação de um modelador de tensão que reduz a potência de iluminação em 36%, implicando uma redução da iluminância de cerca de 5%. A redução da potência resulta numa economia energética na ordem dos 0,4% da energia global da instalação. Este equipamento poderá ser adquirido por completo ou em renting. Ao optar pela compra integral, o investimento será apenas ressarcido em 2,8 anos resultante de uma poupança anula de perto de 6.500 €. Caso seja por renting este não tem qualquer custo adicional e as economias monetárias são partilhadas entre a empresa que fornece o equipamento e a CS-Coelho da Silva, S.A. Por fim é sugerida a substituição de parte da iluminação atual da fábrica por tecnologia LED, com esta medida reduz-se o consumo global em 0,76%. Esta medida gera uma economia monetária na ordem dos 11.500 € sendo ressarcida em 2,1 anos.

Projeto de reabilitação energética de piscinas interiores

O presente relatório de projeto explicita as etapas da elaboração e os resultados obtidos através da realização de um projeto de reabilitação energética de um complexo de piscinas interiores. Esta reabilitação energética tem por objetivo a redução dos custos energéticos através da subtração de consumos supérfluos de energia ou da melhoria da eficiência energética dos equipamentos. Para alcançar estes objetivos recorreu-se à simulação dinâmica do edifício de modo a estimar múltiplas variáveis energéticas e identificar quais os setores e equipamentos que maior influência têm no consumo energético do complexo em estudo. Para a realização da simulação, recorreu-se a um software desenvolvido pelo DOE dos Estados Unidos da América, o Energy Plus, com o auxílio do Design Builder, que permite a criação e edição do modelo de forma mais fácil e acessível. Os valores retirados da simulação foram posteriormente comparados com valores reais. Com o complexo caraterizado e os principais consumidores identificados foi possível iniciar o estudo das medidas de melhoria da eficiência energética. As principais medidas estudadas incidiram na instalação de coberturas isotérmicas nas piscinas para reduzir a perda de energia através da evaporação e da radiação, a introdução de fontes de energia renovável como alternativa energética, substituição de elementos do sistema de iluminação e o aproveitamento de energia dissipada em equipamentos. Com este estudo, a entidade gestora do complexo encontra-se mais informada e pronta a tomar decisões que influenciem de forma significativa o consumo de energia no complexo, podendo optar pela instalação de alguma das medidas propostas.

Energy efficiency and climate policy in the management of public spaces: public lighting

Public Lightning is an important part of municipality’s nighttime landscape. Lighting can be used to enhance public safety and security while improving the aesthetic appeal of the surrounding properties but with the current global financial crisis, such lighting systems must also be sustainable. Most climate policy efforts focus on the state and international level, however national governments won’t be able to meet their international commitments without local action. In Portugal, the Public Lighting is responsible for 3% of energy consumption. The problem is that the trend is to increase (about 4-5% per year) which represents very high costs for the municipal authorities. In terms of numbers are analyzed in this thesis 45 of 278 existent in Continental Portugal what represents only 16,2 % of the counties. This where the local authorities in Portugal that had a Sustainable Energy Action Plan (SEAP) that had been accepted and made available in the Covenant of Mayors website until the end of year 2013. It is important that the Covenant of Mayors will increase the local authorities awareness for energy efficiency and especially to public lighting because there is still a long way to go in terms of energy consumption reduction. In future works it would be interesting to see the payback of the EolGreen post in a real scenario due to lack of energy consumption from the grid it would allow to have a pretty high initial investment even with the maintenance that those technologies need.

Modelação da qualidade do ar interior em edifícios com ventilação natural

A qualidade do ar interior (QAI) em edifícios é uma preocupação que acompanha o Homem desde há séculos. A qualidade do ar interior nas escolas, em particular, tem vindo a provocar um crescente interesse, dado que o grupo populacional pertence a um grupo etário mais suscetível de ser afetado. A utilização de ferramentas numéricas de modelação na avaliação da QAI é uma mais valia, pois permite estimar as concentrações dos poluentes no interior dos edifícios. O principal objetivo deste estudo consiste na avaliação da qualidade do ar interior através da aplicação de uma ferramenta a um caso de estudo. Neste caso de estudo estimou-se a concentração de material particulado (PM10) numa sala de aula da Escola Básica nº 1 da Glória, em Aveiro. Neste âmbito, foi aplicado o modelo INDEX, Indoor Exposure model, que possibilita o cálculo de concentrações interiores de poluentes atmosféricos. Os resultados da aplicação indicam que as concentrações do ar interior são influenciadas pelas concentrações exteriores e pela velocidade do vento. Note-se, contudo, que os valores simulados cumprem os valores legislados na Portaria nº 353-A/2013, de 4 de Dezembro. Embora os resultados simulados não revelem uma má qualidade do ar interior na sala de aula da Escola Básica nº 1 da Glória, a avaliação de outros poluentes seria um ponto de extrema importância, de forma a verificar se os requisitos da qualidade do ar interior estarão a ser garantidos.

Viabilidade do biodiesel de microalgas: otimização de técnicas de extração

Os problemas relacionados com o consumo energético e as emissões de poluentes relativas ao setor dos transportes representam seguramente a maior preocupação ao nível Europeu no que respeita aos gases com efeito de estufa e à poluição atmosférica. Uma das formas de resolver/minimizar estes problemas é através da aposta em combustíveis alternativos. Em particular, os biocombustíveis poderão ser uma alternativa interessante aos combustíveis convencionais. As microalgas, como matéria-prima para produção de biodiesel, apresentam-se com excelentes perspetivas de futuro e com vantagens competitivas no campo das energias renováveis. É nesta perspetiva que se enquadra o presente trabalho, cujos objetivos consistiram na extração de biodiesel a partir de microalgas secas (Nannochloropsis gaditana e Scenedesmus sp.) e na otimização das respetivas técnicas de extração lipídica. Verificou-se que, em função dos métodos e condições utilizadas, a espécie Nannochloropsis gaditana apresenta um potencial de produção de biodiesel superior à espécie Scenedesmus sp. (eficiências de extração de 24,6 (wt.%) e 9,4 (wt.%) respetivamente). Um método de rotura celular conjugado com o processo de extração lipídica via solvente orgânico é essencial, pois conseguiu-se um acréscimo de 42% no rendimento de extração, sendo 10 minutos o tempo ideal de operação. Solventes como o metanol e sistema de solventes diclorometano/metanol mostraram ser mais eficazes quando se pretende extrair lípidos de microalgas, com valores de eficiência de remoção de 30,9 (wt.%) e 23,2 (wt.%) respetivamente. De forma a valorizar os resultados obtidos no processo de extração recorreu-se à sua conversão em biodiesel através da transesterificação catalítica ácida, onde se obteve uma eficiência de conversão de 17,8 (wt.%) para a espécie Nannochloropsis gaditana.

Plano de ação para a sustentabilidade energética do Município de Vale de Cambra

O crescimento exponencial da população mundial que assentou essencialmente na utilização de combustíveis fósseis e o facto de aproximadamente ¾ da população mundial viver em cidades, criou uma situação insustentável de emissões de CO2 para a atmosfera. No sentido de minimizar e tentar reverter este comportamento a União Europeia criou o programa Pacto dos Autarcas, que visa o comprometimento de um território em reduzir as suas emissões de CO2 em, pelo menos, 20% até 2020, através do chamado Plano de Ação. O presente trabalho pretende desenvolver um possível Plano de Ação para a Sustentabilidade Energética para o município de Vale de Cambra. Da realização da matriz energética para este município foi inventariado o consumo de 47.154 tep e respectivas emissões de CO2 associada de 108.084 toneladas, para o ano de referência 2012. Face ao estudo compreendido entre 2002 e 2012 são previstos consumos e emissões na ordem de 54.327 tep e 123.059 toneladas de CO2 respetivamente até 2020 caso não sejam tomadas medidas para inverter essa tendência. Baseado na interpretação da matriz energética criada, propõe-se um conjunto de ações nas áreas da indústria, mobilidade, edifícios, energias renováveis, eficiência energética, governabilização e ainda sensibilização/formação para obter uma redução de 20% das emissões e consumo em 2020, passando para 98.447 toneladas de CO2 emitidas e 43.462 tep respetivamente. Conclui-se que o planeamento energético de um território é de elevada importância porque permite articular vários aspectos, conseguindo aumentar a protecção do ambiente (com a redução de emissões de gases efeito de estufa) e aumentando a eficiência energética do território, aumenta a sua competitividade económica e consequentemente maior oportunidade de investimentos externos, criando mais oportunidades de emprego e bem-estar social.

Energy systems analysis of transboundary river basins in a nexus approach: the Sava river basin study case

Resource management policies are frequently designed and planned to target specific needs of particular sectors, without taking into account the interests of other sectors who share the same resources. In a climate of resource depletion, population growth, increase in energy demand and climate change awareness, it is of great importance to promote the assessment of intersectoral linkages and, by doing so, understand their effects and implications. This need is further augmented when common use of resources might not be solely relevant at national level, but also when the distribution of resources ranges over different nations. This dissertation focuses on the study of the energy systems of five south eastern European countries, which share the Sava River Basin, using a water-food(agriculture)-energy nexus approach. In the case of the electricity generation sector, the use of water is essential for the integrity of the energy systems, as the electricity production in the riparian countries relies on two major technologies dependent on water resources: hydro and thermal power plants. For example, in 2012, an average of 37% of the electricity production in the SRB countries was generated by hydropower and 61% in thermal power plants. Focusing on the SRB, in terms of existing installed capacities, the basin accommodates close to a tenth of all hydropower capacity while providing water for cooling to 42% of the net capacity of thermal power currently in operation in the basin. This energy-oriented nexus study explores the dependency on the basin’s water resources of the energy systems in the region for the period between 2015 and 2030. To do so, a multi-country electricity model was developed to provide a quantification ground to the analysis, using the open-source software modelling tool OSeMOSYS. Three main areas are subject to analysis: first, the impact of energy efficiency and renewable energy strategies in the electricity generation mix; secondly, the potential impacts of climate change under a moderate climate change projection scenario; and finally, deriving from the latter point, the cumulative impact of an increase in water demand in the agriculture sector, for irrigation. Additionally, electricity trade dynamics are compared across the different scenarios under scrutiny, as an effort to investigate the implications of the aforementioned factors in the electricity markets in the region.

Modelo de operação de unidades de fragmentação no tratamento de veículos em fim de vida

A recuperação de metais a partir de resíduos é uma actividade ligada à valorização de resíduos que se afigura essencial à preservação de recursos naturais. O tratamento de resíduos metálicos é essencial para o sucesso da reciclagem. O tratamento permite diminuir contaminações com outros materiais, melhorar a valorização e diminuir os custos de transporte. Ao tratamento encontram-se associadas diferentes operações, cuja finalidade é preparar os metais de acordo com os requisitos de processo dos recicladores. A fragmentação é uma das operações de pré-tratamento mais relevantes pela sua capacidade de processamento e pela possibilidade de permitir separar resíduos contaminados com outros materiais. O presente trabalho efectua uma análise inicial ao sector e às tecnologias existentes permitindo introduzir posteriormente o caso de estudo, a instalação em Vila Nova de Gaia da empresa Constantino Fernandes Oliveira & Filhos, SA. O enfoque ao caso de estudo aborda o tema da eficiência energética, um dos principais custos de produção. Nesta perspectiva identifica pontos críticos e estabelece medidas de eficiência energética que permitam reduzir o consumo energético. As medidas propostas foram a colocação de um variador electrónico de velocidade no ventilador principal da fragmentadora e no compressor e a substituição da iluminação existente por iluminação LED. As medidas propostas permitem a redução do consumo específico de energia de 9,39 kgep/t para 8,81 kgep/t. Sendo a fragmentação uma das operações mais relevantes na actividade da instalação estudada, no presente trabalho, efectuou-se a análise do modelo operatório com recurso à aplicação STAN de análise de fluxos de materiais. O procedimento de análise envolveu a criação de vários cenários de exploração no tratamento de resíduos. O objectivo das simulações é a contabilização dos custos referentes ao tratamento dos resíduos permitindo melhorias na vertente operacional, ambiental e económica. Um dos cenários simulados foi a remoção dos veículos em fim de vida dos resíduos a fragmentar, onde se constatou que apesar de uma redução dos resíduos processados, os proveitos por quantidade processada não alteram relativamente ao modelo operatório de base. Este facto deve-se sobretudo aos custos elevados de tratamento de resíduos gerados no processo de fragmentação dos veículos em fim de vida.

Análise crítica do consumo de energia na indústria de faiança

Com este trabalho pretende-se analisar o consumo de energia na indústria de faiança e identificar medidas de poupança energética. Em 2014, o consumo específico foi de 191 kgep/t e a intensidade carbónica 2,15 tCO2e/t, tendo havido uma redução de, respectivamente, 50,2% e 1,3%, comparativamente a 2010. O consumo total correspondeu a 1108 tep, sendo 66% relativo ao consumo de gás natural. Foi utilizado um analisador de energia eléctrica nos principais equipamentos consumidores, e na desagregação de consumos térmicos, efectuaram-se leituras no contador geral de gás natural e foram utilizados dados das auditorias ambiental e energética. O processo de cozedura é responsável por 58% do consumo térmico da instalação, seguido da pintura com 24%. A conformação é o sector com maior consumo de energia eléctrica, correspondendo a 23% do consumo total. As perdas térmicas pelos gases de exaustão dos equipamentos de combustão e pela envolvente do forno, considerando os mecanismos de convecção natural e radiação, correspondem a cerca de 6% do consumo térmico total, sendo necessário tomar medidas a nível do isolamento térmico e da redução do excesso de ar. A instalação de variadores de velocidade nos ventiladores do ar de combustão do forno poderia resultar em poupanças significativas, em particular, no consumo de gás natural – redução de 4 tep/ano e cerca de 2500€/ano– tendo um tempo de retorno do investimento inferior a 1 ano. Deverá ser, no entanto, garantida a alimentação de ar combustão a todos os queimadores, bem como, a combustão completa do gás natural. O funcionamento contínuo do forno poderia resultar no aumento da sua eficiência energética, com redução de custos de operação e manutenção, sendo necessário avaliar os custos adicionais de stock e de mão de obra. Verificou-se que as medidas relacionadas com a monitorização de consumos, eliminação de fugas de ar comprimido e a instalação de variadores de velocidade nos ventiladores do ar de combustão do forno poderiam resultar em reduções de consumo de 26 tep e de emissões de 66tCO2e, num total de quase 14 000€.

Projecto climatização e ventilação: unidade de saúde familiar

Nesta Tese Final de Mestrado vai ser desenvolvido um projecto de climatização, ventilação e ar condicionado (AVAC) de um edifício do tipo Hospitalar, sem internamento, designado por “Unidade de Saúde Familiar”, com o objectivo de se discutirem os conceitos teóricos e práticos em todos os aspectos que fazem parte integrante de um projecto deste tipo. A Tese Final de Mestrado baseia-se num sistema hidráulico centralizado a 4 tubos, ao longo da qual se irão dimensionar e seleccionar todos os equipamentos necessários para manter a temperatura ambiente dentro dos limites de conforto e limitar os níveis de ruído e a qualidade do ar interior dentro de valores regulamentares, sempre dentro de parâmetros económicos sustentáveis. Ao elaborar esta Tese Final de Mestrado procurou-se seguir critérios e concepções que garantam a obtenção de elevados níveis de qualidade, tendo presente a preocupação de assegurar uma condução fiável, económica e simples da instalação. Procurou-se também seguir uma rigorosa definição de conceitos e parâmetros reguladores do projecto ao nível de qualidade dos equipamentos e das exigências de montagem face à legislação e regulamentação vigentes DL 78/2006 de 4 de Abril – Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios, RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (DL. nº 79/2006), RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (DL. nº 80/2006), DL 9/2007, de 13 de Janeiro – Regulamento Geral sobre o Ruído.

Impacto de cenários de alterações climáticas nos recursos energéticos renováveis: sistema elétrico português até 2070

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Gestão e Sistemas Ambientais

Sistemas solares e arquitetura: uma relação holística

Dissertação de mestrado integrado em Arquitectura

Atributos físicos e carbono orgânico em latossolo vermelho sob diferentes sistemas de uso e manejo

A compreensão e a quantificação do impacto dos sistemas de uso e manejo nos teores de C orgânico do solo (COS) e em propriedades físicas são fundamentais para o desenvolvimento de sistemas agrícolas sustentáveis. O objetivo deste trabalho foi avaliar alterações em alguns atributos físicos e COS de um Latossolo Vermelho da região noroeste do Paraná sob diferentes sistemas de uso e manejo: mata nativa, pastagem e as culturas de mandioca e de cana-de-açúcar. Foram coletadas amostras deformadas para determinação da textura, da densidade de partículas, do ensaio de Proctor normal e dos teores de matéria orgânica; e amostras indeformadas, para determinação da densidade do solo (Ds) e porosidade do solo. Os resultados indicaram que os sistemas de manejo estudados induziram alterações nos atributos físicos do solo em relação à mata nativa, o que foi verificado pelos maiores valores de Ds, densidade relativa do solo e densidade máxima do solo e menores valores de macroposidade, porosidade total, COS e estoque de C do solo, na seguinte ordem crescente: pastagem, mandioca e cana-de-açúcar. Contudo, as áreas não são consideradas fisicamente degradadas. Os valores de densidade máxima do solo foram de 1,91, 1,93, 2,00 e 2,03 Mg m-3, e os de estoque de C do solo, de 17,8, 16,6, 12,8 e 12,1 Mg ha-1, para mata nativa, pastagem, mandioca e cana-de-açúcar, respectivamente.