Low Climate Stabilisation under Diverse Growth and Convergence Scenarios

9 p.

The Uniform World Model: A Methodology for Predicting the Health Impacts of Air Pollution

47 p.

Decarbonising urban transportation

18 p.

Sustainable IT and IT for sustainability

Energy and sustainability have become one of the most critical issues of our generation. While the abundant potential of renewable energy such as solar and wind provides a real opportunity for sustainability, their intermittency and uncertainty present a daunting operating challenge. This thesis aims to develop analytical models, deployable algorithms, and real systems to enable efficient integration of renewable energy into complex distributed systems with limited information.

The first thrust of the thesis is to make IT systems more sustainable by facilitating the integration of renewable energy into these systems. IT represents the fastest growing sectors in energy usage and greenhouse gas pollution. Over the last decade there are dramatic improvements in the energy efficiency of IT systems, but the efficiency improvements do not necessarily lead to reduction in energy consumption because more servers are demanded. Further, little effort has been put in making IT more sustainable, and most of the improvements are from improved "engineering" rather than improved "algorithms". In contrast, my work focuses on developing algorithms with rigorous theoretical analysis that improve the sustainability of IT. In particular, this thesis seeks to exploit the flexibilities of cloud workloads both (i) in time by scheduling delay-tolerant workloads and (ii) in space by routing requests to geographically diverse data centers. These opportunities allow data centers to adaptively respond to renewable availability, varying cooling efficiency, and fluctuating energy prices, while still meeting performance requirements. The design of the enabling algorithms is however very challenging because of limited information, non-smooth objective functions and the need for distributed control. Novel distributed algorithms are developed with theoretically provable guarantees to enable the "follow the renewables" routing. Moving from theory to practice, I helped HP design and implement industry's first Net-zero Energy Data Center.

The second thrust of this thesis is to use IT systems to improve the sustainability and efficiency of our energy infrastructure through data center demand response. The main challenges as we integrate more renewable sources to the existing power grid come from the fluctuation and unpredictability of renewable generation. Although energy storage and reserves can potentially solve the issues, they are very costly. One promising alternative is to make the cloud data centers demand responsive. The potential of such an approach is huge.

To realize this potential, we need adaptive and distributed control of cloud data centers and new electricity market designs for distributed electricity resources. My work is progressing in both directions. In particular, I have designed online algorithms with theoretically guaranteed performance for data center operators to deal with uncertainties under popular demand response programs. Based on local control rules of customers, I have further designed new pricing schemes for demand response to align the interests of customers, utility companies, and the society to improve social welfare.

Physical, Metabolic, and Energetic Investigations of Methane-Metabolizing Microbial Communities

Understanding the roles of microorganisms in environmental settings by linking phylogenetic identity to metabolic function is a key challenge in delineating their broad-scale impact and functional diversity throughout the biosphere. This work addresses and extends such questions in the context of marine methane seeps, which represent globally relevant conduits for an important greenhouse gas. Through the application and development of a range of culture-independent tools, novel habitats for methanotrophic microbial communities were identified, established settings were characterized in new ways, and potential past conditions amenable to methane-based metabolism were proposed. Biomass abundance and metabolic activity measures – both catabolic and anabolic – demonstrated that authigenic carbonates associated with seep environments retain methanotrophic activity, not only within high-flow seep settings but also in adjacent locations exhibiting no visual evidence of chemosynthetic communities. Across this newly extended habitat, microbial diversity surveys revealed archaeal assemblages that were shaped primarily by seepage activity level and bacterial assemblages influenced more substantially by physical substrate type. In order to reliably measure methane consumption rates in these and other methanotrophic settings, a novel method was developed that traces deuterium atoms from the methane substrate into aqueous medium and uses empirically established scaling factors linked to radiotracer rate techniques to arrive at absolute methane consumption values. Stable isotope probing metaproteomic investigations exposed an array of functional diversity both within and beyond methane oxidation- and sulfate reduction-linked metabolisms, identifying components of each proposed enzyme in both pathways. A core set of commonly occurring unannotated protein products was identified as promising targets for future biochemical investigation. Physicochemical and energetic principles governing anaerobic methane oxidation were incorporated into a reaction transport model that was applied to putative settings on ancient Mars. Many conditions enabled exergonic model reactions, marking the metabolism and its attendant biomarkers as potentially promising targets for future astrobiological investigations. This set of inter-related investigations targeting methane metabolism extends the known and potential habitat of methanotrophic microbial communities and provides a more detailed understanding of their activity and functional diversity.

Potencialidades da cidade do Rio de Janeiro no contexto da política global do clima: um enfoque em árvores urbanas

Este trabalho objetivou traçar um percurso analítico da base institucional e material da gestão da arborização na cidade do Rio de Janeiro, visando a adoção de procedimentos para a quantificação do carbono armazenado nas árvores na malha urbana para possibilitar o conhecimento sobre o arboreto e o estabelecimento de objetivos quantificáveis, reportáveis e verificáveis de redução de emissões de gases de efeito estufa. Com a instituição da obrigatoriedade em nível nacional da metas de redução das emissões de gases de efeito estufa, através da Lei n 12.187/09, o município do Rio de Janeiro oficializou legalmente, com a Lei Muncipal n 5.248/11, o compromisso de adoção de medidas e programas de incentivo para reduzir as emissões de gases de efeito estufa na cidade. Entretanto, a única ação de mitigação controlada pelo município, com procedimentos regulamentados, é a compensação de emissões nas construções através do plantio de árvores. O acompanhamento da execução dos plantios de árvores, exigidos no licenciamento das construções é a atual forma de estabelecer objetivos quantificáveis, reportáveis e verificáveis de redução de emissões antrópicas de gases de efeito estufa no Município. De forma específica, foi realizada uma análise dos recursos institucionais e materiais disponíveis e potenciais à disposição do sistema de planejamento e gestão ambiental do município, com a proposição de criar um sistema de banco de dados (SGBD) da arborização urbana. O banco de dados estruturado ao longo da pesquisa, foi utilizado em um sistema de informação geográfico (SIG), onde foi possível realizar um estudo exploratório da estimativa de estoque de carbono em árvores em logradouros. A investigação desta pesquisa teve dupla expectativa: contribuir para a eficácia das ações de manejo e controle do arboreto urbano, com base no monitoramento contínuo dos serviços ambientais das árvores; e consolidar critérios analíticos habilitados para quantificar as alterações de fitomassa do arboreto urbano, em uma proposta de um plano de arborização para a cidade, até agora inexistente, que foi delineado ao final do trabalho, que seguramente irá garantir significativos benefícios ambientais, econômicos e sociais à sociedade.

Cálculo do inventário de emissões de gases efeito estufa, estudo de caso em uma indústria química

O Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas da ONU (IPCC) tem comprovado com nível de confiança cada vez maior, ao longo dos últimos anos, a forte relação entre o aumento da temperatura média global e o aumento dos gases de efeito estufa (GEEs) principalmente quanto ao gás que mais contribui para a composição desses gases: o gás carbônico ou CO2. O Brasil se insere no rol dos emissores desse gás, principalmente devido ao desmatamento das reservas florestais que possui. Assim, assumiu o compromisso na Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (United Nations Framework Convention on Climate Change UNFCCC) de estabilizar suas emissões e inventariar periodicamente os seus GEEs. Dentro deste contexto, cabe também à indústria levantar sua parcela de responsabilidade significativa neste processo ameaçador para a vida no planeta terra. Desta forma, o principal objetivo do presente trabalho foi o de levantar e contabilizar o Inventário dos GEEs emitidos em 2006 por uma empresa que produz importantes insumos para a indústria de petróleo. A pesquisa bibliográfica sobre a metodologia mais adequada e sua aplicação para a empresa em estudo foram os principais objetivos específicos. A autora não encontrou fatores de emissão de CO2 (kg CO2/TJ do combustível, detalhado no decorrer deste trabalho) desenvolvidos no Brasil para levantar o inventário, com um nível razoável de confiança, que reflita a situação real e local. Toda a pesquisa bibliográfica feita mostrou que os trabalhos realizados mesmo por órgãos governamentais brasileiros usaram a metodologia do IPCC (versão anterior à usada neste trabalho) que foi elaborada por países desenvolvidos, que não é o nosso caso ou realidade. Foram feitas diversas visitas à empresa, levantadas todas as fontes potenciais de emissão, consumos e características de todos os combustíveis usados, bem como o levantamento do trabalho desenvolvido sobre geração de mudas de plantas no seu horto. Através de cálculos por essa metodologia reconhecida mundialmente (IPCC) a autora encontrou um valor em torno de 76.000 toneladas de CO2 emitidos pela empresa em 2006. A empresa neutralizou cerca de 80 toneladas de CO2, através da produção de mudas (para doação e plantio em torno de uma área que é um passivo ambiental) em seu horto e o que plantou na área desse passivo em 2006. Isso significou cerca de 0,1% do que emitiu

Estudo Experimental de Gases em Camadas de Cobertura no Aterro de Nova Iguaçu - RJ.

Esta pesquisa apresenta uma revisão bibliográfica sobre as emissões de metano em aterros sanitários, os conceitos de geração de gases em aterros sanitários, movimentações de gases em aterro, apresenta os métodos de medição de gases in situ, tipos de cobertura finais para aterros e a oxidação do metano na camada de cobertura. A pesquisa também tem como objetivo medir as emissões de gases e avaliar a infiltração das águas pluviais através da camada de cobertura do aterro sanitário da CTR Nova Iguaçu. As medições foram realizadas nos meses de julho a novembro de 2010, na camada de cobertura monolítica existente e em outra construída sobre uma barreira capilar. Sensores para medir temperatura e umidade foram instalados em profundidade nas duas camadas. Foram realizados ensaios de placa de fluxo para medir a composição dos gases e o fluxo através dos dois tipos de camadas, e avaliadas duas situações: com os poços de extração de gás ativos e desligados. Os sensores indicaram que em período de baixa pluviosidade, a barreira capilar apresenta uma eficácia superior à camada monolítica, e com a intensificação das chuvas, as umidades medidas nos dois tipos de camadas aumentam, e na barreira capilar o gradiente estabelecido entre os sensores diminui, indicando uma possível tendência à saturação desta barreira capilar. Porém, com a paralisação das chuvas, recupera e retoma sua condição inicial. Os resultados de medidas dos gases demostraram a eficiência do sistema de extração de gás quando ativado, resultando em emissões quase nulas de metano e gás carbônico nos dois tipos de camadas. No entanto, quando o sistema está desativado, as emissões através da camada monolítica são cerca de 3 vezes maiores do que através da barreira capilar.

Materiais tipo hidrotalcita contendo Cu como precursores de catalisadores para a redução de NO pelo CO

Dentre os óxidos de nitrogênio, o N2O é um gás do efeito estufa altamente nocivo. Devido ao potencial contaminante que este possui, torna-se importante a implementação de processos capazes de reduzir a sua emissão, bem como a dos NOx. Tradicionalmente, têm-se empregado catalisadores baseados em metais nobres, porém estes apresentam como principal desvantagem o elevado custo. Desse modo, sempre houve o interesse pelo uso de outros tipos de catalisadores e metais neste sistema de reação. Nesse contexto, na presente dissertação procurou-se sintetizar precursores de catalisadores tipo hidrotalcita Cu-AlCO3 e avaliar o seu desempenho na reação de redução do NO pelo CO, visando melhorar a atividade e a seletividade a N2. Foram estudados diversos parâmetros de síntese e diferentes composições. Os parâmetros mais influentes na síntese foram a relação molar H2O/(Al+Cu) e a temperatura de secagem do sólido, cujos melhores valores foram 434 e 25C, respectivamente. Testaram-se dois sólidos, o primeiro composto pela fase hidrotalcita quase pura e o segundo com uma clara mistura entre fases hidrotalcita e malaquita. As análises térmica e química revelaram presença da fase malaquita em ambos os materiais com porcentagens de 14 e 40%, respectivamente. Os resultados de difração de raios X indicaram a presença da fase CuO para os catalisadores provenientes da calcinação dos materiais tipo hidrotalcita, porém a espectroscopia Raman evidenciou a presença de Cu2O no catalisador proveniente do material com maior mistura de fases. Os ciclos redox mostraram uma melhora na redutibilidade dos catalisadores após um ciclo de oxidação-redução. Além disso, foi estudado o impacto do envelhecimento térmico a 900C por 12 h no desempenho dos catalisadores. Pelos resultados de teste catalítico os melhores desempenhos foram alcançados pelos catalisadores envelhecidos, contudo o catalisador proveniente do precursor mais puro apresentou-se melhor tanto novo como envelhecido em termos de menor rendimento de N2O. Uma comparação com catalisadores à base de metal nobre mostrou um bom desempenho dos catalisadores à base de cobre, com a vantagem destes apresentarem menor emissão de N2O em temperaturas menores

Using strong sustainability to optimize electricity generation fuel mixes

This work represents a contribution to the field of sustainable electricity system design by using an optimization tool to specify the final mix composition, subject to the constraints of: emissions that are within the biocapacity of the region; a diverse and robust electricity supply system; and supply that at least meets current demand. The 25-country European Union (EU-25) is used as a case study. All the goals, save diversity, can be met by re-structuring the current fuel mix, thus maintaining current consumption levels. The diversity target is only met when consumption is reduced by 10-15% and the constraint on maximum material throughput is relaxed. Re-structuring the mix and reducing consumption is insufficient to achieve a sustainable EU carbon footprint. However, the solution proposed singlehandedly allows the EU to meet its Kyoto emissions target as well as its 2007 policy of a reduction of 20% in greenhouse gas emissions by 2020. © 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Linking energy policy, electricity generation and transmission using strong sustainability and co-optimization

The design of a sustainable electricity generation and transmission system is based on the established science of anthropogenic climate change and the realization that depending on imported fossil-fuels is becoming a measure of energy insecurity of supply. A model is proposed which integrates generation fuel mix composition, assignment of plants and optimized power flow, using Portugal as a case study. The result of this co-optimized approach is an overall set of generator types/fuels which increases the diversity of Portuguese electricity supply, lowers its dependency on imported fuels by 14.62% and moves the country towards meeting its regional and international obligations of 31% energy from renewables by 2020 and a 27% reduction in greenhouse gas emissions by 2012, respectively. The quantity and composition of power generation at each bus is specified, with particular focus on quantifying the amount of distributed generation. Based on other works, the resultant, overall distributed capacity penetration of 19.02% of total installed generation is expected to yield positive network benefits. Thus, the model demonstrates that national energy policy and technical deployment can be linked through sustainability and, moreover, that the respective goals may be mutually achieved via holistic, integrated design. ©2009 IEEE.

Carbon dioxide from earthworks: A bottom-up approach

Concerns over climate change mean engineers need to understand the greenhouse gas emissions associated with infrastructure projects. Standard coefficients are increasingly used to calculate the embodied emissions of construction materials, but these are not generally appropriate to inherently variable earthworks. This paper describes a new tool that takes a bottom-up approach to calculating carbon dioxide emissions from earthworks operations. In the case of bulk earthworks this is predominantly from the fuel used by machinery moving materials already on site. Typical earthworks solutions are explored along with the impact of using manufactured materials such as lime.

Initial global perspective of climate for the last thousand years: the ice core record

Climatic and environmental records from low, middle, and high latitude ice cores greatly increase our knowledge of the course of past events. This historical perspective is essential to predict climatic oscillations, dominated as they may be by increasing greenhouse gas concentrations. Forcing factors, internal and external, that have operated in the past will continue to influence the course of events.

开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量的影响

本文采用野外观测和室内测定相结合的方法，研究了内蒙古草原两种主要的土地利用方式（开垦和放牧）对土壤碳库和温室气体通量的影响，结果如下： 1．内蒙古草甸草原开垦后30年后，与天然草原相比，在休闲年份0～20 cm土壤有机碳和土壤微生物量碳含量均没有显著下降，但开垦导致土壤易分解碳下降了24%。土壤易氧化碳受季节性水热因子的驱动，表现出明显的季节变化动态。因此，土壤易分解碳的较土壤碳库的其他组分对开垦更敏感，是表征土壤管理措施引起有机质变化的一个重要指标。 草原开垦后，土壤-植物系统氧化大气甲烷的能力明显提高，农田和天然草原CH4平均吸收通量分别是48.9 和 29.0 μg C m-2 h-1，开垦后增加了1.7倍。开垦没有改变CH4吸收通量 “夏季高秋季低” 的季节变化规律（由降水决定）;开垦使N2O的平均释放通量增加了47%，农田和天然草原N2O平均吸收通量分别是56.6 和 38.6 ugN m-2 h-1;开垦同时也增大了通量的变异幅度;但没有改变N2O季节变化规律，只是出现高峰的时间较天然草原推后约10天左右。 2．开垦后的农田土壤在模拟添加厩肥后，刺激了土壤微生物的呼吸代谢，使CO2的释放量增加了5-7倍。试验期间总体排放的CO2中，约60%来源于羊粪，40% 来源于土壤。两种土壤即羊草顶级草原土壤（高碳高氮）和冷蒿－小禾草退化草原土壤（低碳低氮），在CO2的释放总量和释放比例上都没有显著性差异。添加厩肥均造成两种土壤碳库的净碳损失，并且退化草原土壤（7.0%）的土壤净碳损失要大于羊草草原（2.6%）。说明与开垦后的高C土壤相比，在已经退化草原的低C土壤上施厩肥将趋向于土壤更大的净碳损失。 3．自由放牧22年后，羊草草原0～10 cm土壤有机碳、微生物量碳和易分解碳分别下降了14.1%、27.9%和22.0%;大针茅草原0～5 cm土壤有机碳和微生物量碳分别下降了27.6%和38.2%。两类草原土壤碳组分的季节变化受水热因子的驱动，大针茅草原季节波动出现高峰的时间较羊草草原迟。土壤微生物量碳在表征羊草草原和大针茅草原土壤碳素的动态变化时，要敏感于土壤总有机碳。放牧对冷蒿-小禾草草原土壤各碳素组分影响不明显。在表征放牧对冷蒿-小禾草草原土壤的影响指示上，MB-C/ Org-C和Lab-C/ Org-C要比MB-C和Lab-C更加敏感。这说明在研究放牧对草原土壤碳库影响时，不同的草原类型应使用不同的指标来表征其变化。 内蒙古羊草草原是大气CH4的汇，自由放牧增加土壤对CH4的吸收。CH4平均吸收通量增加了27%，但CH4吸收的季节变化形式没有改变;放牧使。自由放牧还增大了N2O的排放通量，将原来N2O源、汇的双重功能改变为单一的源功能;放牧使N2O平均释放通量增加了1倍;放牧显著增加了羊草草原向大气排放CO2的量（p<0.05），并且年度排放量范围也有所增大。 4．草原羊尿斑土壤的pH和NH4+浓度在施后显著升高，但土壤微生物C和N没有明显变化，尿斑N素会发生大量的流失。粪斑和厩肥斑中各有46%和27%的N素分解后转移到植物中。羊草种群斑块上粪尿斑引起CO2和N2O通量的变化，要大于星毛委陵菜种群斑块。与植被类型的影响相比，羊粪尿斑尤其是尿斑对温室气体通量的影响更大。尿斑既降低了土壤对CH4的吸收，又增加了CO2和N2O的释放，使粪尿斑上相当于CO2的净排放量比对照土壤增加了15%。 在内蒙古草原中等放牧条件下，家畜粪尿斑在放牧草地上的覆盖面积约只有2%，与未被家畜排泄物覆盖的草原土壤 相比，粪尿斑对内蒙古草原温室气体总体收支产生的影响可以忽略不计。因此内蒙古草原地区温室气体减排措施的重点，应放在家畜的食性食量对温室气体的影响以及厩肥的科学利用上。但随放牧强度的加大，家畜排泄物覆盖草地的面积将大大增加，加之放牧生态系统中家畜瘤胃代谢产生的的大量温室气体，其对草原温室气体的核算将会产生的影响也是不容忽视的。

Implications of local lifecycle analyses and low carbon fuel standard design on gasohol transportation fuels

State and regional policies, such as low carbon fuel standards (LCFSs), increasingly mandate that transportation fuels be examined according to their greenhouse gas (GHG) emissions. We investigate whether such policies benefit from determining fuel carbon intensities (FCIs) locally to account for variations in fuel production and to stimulate improvements in FCI. In this study, we examine the FCI of transportation fuels on a lifecycle basis within a specific state, Minnesota, and compare the results to FCIs using national averages. Using data compiled from 18 refineries over an 11-year period, we find that ethanol production is highly variable, resulting in a 42% difference between carbon intensities. Historical data suggests that lower FCIs are possible through incremental improvements in refining efficiency and the use of biomass for processing heat. Stochastic modeling of the corn ethanol FCI shows that gains in certainty due to knowledge of specific refinery inputs are overwhelmed by uncertainty in parameters external to the refiner, including impacts of fertilization and land use change. The LCA results are incorporated into multiple policy scenarios to demonstrate the effect of policy configurations on the use of alternative fuels. These results provide a contrast between volumetric mandates and LCFSs. © 2011 Elsevier Ltd.