What happened during the climate change negotiations in Copenhagen 2009?

4 p.

Is the current EU climate instrument mix adequate?

4 p.

ICT Applications in the Research for Environmental Sustainability

26 p.

A dynamic CGE modelling approach for analyzing trade-offs in climate change policy options: the case of Green Climate Fund

38 p.

Estudio comparativo de diferentes soluciones de fachada y cubierta para un edificio residencial

[ES]En el proyecto se analizan diferentes soluciones de fachada y cubierta de un edificio residencial, buscando la eficiencia energética y la economía. Para ello, partiendo de un caso concreto, se estudian las cargas térmicas del edificio existente y de otras dos soluciones posibles. En estas además, se utilizan materiales sostenibles, con el fin de hacer el menor impacto medioambiental posible. Se ha analizado también la rentabilidad de estas soluciones, para comprobar cuál es la más adecuada desde un punto de vista económico.

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.

Wastewater Electrolysis Cell for Environmental Pollutants Degradation and Molecular Hydrogen Generation

This study proposes a wastewater electrolysis cell (WEC) for on-site treatment of human waste coupled with decentralized molecular H₂ production. The core of the WEC includes mixed metal oxides anodes functionalized with bismuth doped TiO₂ (BiO_x/TiO₂). The BiO_x/TiO₂ anode shows reliable electro-catalytic activity to oxidize Cl- to reactive chlorine species (RCS), which degrades environmental pollutants including chemical oxygen demand (COD), protein, NH4⁺, urea, and total coliforms. The WEC experiments for treatment of various kinds of synthetic and real wastewater demonstrate sufficient water quality of effluent for reuse for toilet flushing and environmental purposes. Cathodic reduction of water and proton on stainless steel cathodes produced molecular H2 with moderate levels of current and energy efficiency. This thesis presents a comprehensive environmental analysis together with kinetic models to provide an in-depth understanding of reaction pathways mediated by the RCS and the effects of key operating parameters. The latter part of this thesis is dedicated to bilayer hetero-junction anodes which show enhanced generation efficiency of RCS and long-term stability.

Chapter 2 describes the reaction pathway and kinetics of urea degradation mediated by electrochemically generated RCS. The urea oxidation involves chloramines and chlorinated urea as reaction intermediates, for which the mass/charge balance analysis reveals that N₂ and CO₂ are the primary products. Chapter 3 investigates direct-current and photovoltaic powered WEC for domestic wastewater treatment, while Chapter 4 demonstrates the feasibility of the WEC to treat model septic tank effluents. The results in Chapter 2 and 3 corroborate the active roles of chlorine radicals (Cl•/Cl₂^-•) based on iR-compensated anodic potential (thermodynamic basis) and enhanced pseudo-first-order rate constants (kinetic basis). The effects of operating parameters (anodic potential and [Cl^-] in Chapter 3; influent dilution and anaerobic pretreatment in Chapter 4) on the rate and current/energy efficiency of pollutants degradation and H₂ production are thoroughly discussed based on robust kinetic models. Chapter 5 reports the generation of RCS on Ir_0.7Ta_0.3O_y/Bi_xTi_1-xO_z hetero-junction anodes with enhanced rate, current efficiency, and long-term stability compared to the Ir_0.7Ta_0.3O_y anode. The effects of surficial Bi concentration are interrogated, focusing on relative distributions between surface-bound hydroxyl radical and higher oxide.

Projeto de biodigestor para geração de bioenergia em sistema de produção de suínos: um estudo de caso da região de Icolo e Bengo - Angola

A tecnologia da biodigestão anaeróbia tem sido comprovada como uma das mais eficientes no tratamento dos dejetos de suínos, esta tecnologia, encontra-se num crescimento tímido em Angola facilitando assim uma poluição maior dos Rios, solos e o ar atmosférico, por falta de tratamento adequado da biomassa produzida por milhares de suínos existentes neste País. O emprego do biogás como fonte de energia para o funcionamento dos equipamentos ainda encontra limitações de ordem tecnológica e por falta de informação, organização e em muitos casos apoios tecnológicos e de instituições governamentais ou Não Governamentais. Este trabalho avaliou a viabilidade técnica, na implantação de Biodigestores na Região de Icolo Bengo em Angola. Foi estudada a implantação de Biodigestores, Modelo Indiano, na fazenda Menga assim como o potencial de geração de energia elétrica existente na produção de Biogás. O tratamento anaeróbio dos resíduos de Suínos como fonte renovável de energia, dentro de um conceito de desenvolvimento sustentável e de racionalização da produção sem agressão ao Meio-Ambiente também são referenciados mostrando que esta tecnologia pode ser apropriada como estratégia de conservação e uso eficiente da energia elétrica que é muito escasso em Angola. O emprego da biodigestão anaeróbia neste caso é possível e desejável, uma vez que contribui para preservação do Meio Ambiente, viabiliza os modernos sistemas de confinamento e reduz o custo da produção assim como ajuda na produção de energia elétrica e de fertilizantes. Um sistema integrado foi proposto e será aplicado na Fazenda Menga, como um dos projetos pioneiros em Angola.

Análise da aplicação do regulamento técnico da qualidade do nível de eficiência energética no prédio do IBAM

A racionalização do uso da energia elétrica nas edificações é um assunto atual e de grande importância face ao grande impacto ambiental produzido. O consumo de energia elétrica no Brasil nas edificações residenciais, comerciais, de serviços e públicas é bastante significativo. Calcula-se que quase 50% da energia elétrica produzida no país seja consumida não só na operação e manutenção das edificações como também nos sistemas artificiais, que proporcionam conforto ambiental para seus usuários como iluminação, climatização e aquecimento de água. O Regulamento Técnico de Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais e Serviços e Públicos, RQT-C do INMETRO surge como uma contribuição à etiquetagem do nível de eficiência energética das edificações de uso coletivo. Para a determinação da eficiência são considerados três requisitos: envoltória da edificação, sistema de iluminação e sistema de condicionamento de ar. Todos os requisitos têm cinco níveis de eficiência que variam de A (mais eficiente) até E (menos eficiente), que associados com algumas bonificações (uso da energia solar, ventilação natural, etc.) tornam possível a atribuição de uma classificação geral para o edifício em seu todo. Neste trabalho objetivou-se avaliar esse desempenho energético para o prédio do Instituto Brasileiro de Adminstração Municipal -IBAM, situado na cidade do Rio de Janeiro, de concepção modernista. Foi mostrado como as decisões arquitetônicas tomadas e o uso da ventilação natural podem influenciar na avaliação de sua eficiência energética.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Etxebizitza baten kalifikazio energetikoa. Hobekuntza proposamenak

[EU]Komunikabideetan hainbesteko oihartzuna izan zuen eta saldu edo alokatutako etxebizitzak energia eraginkortasunaren ziurtagiria izatera derrigortzen zituen dekretuak urtebete eskas bete du. Proiektu honetan aipatutako legea 2020. urterako ezarritako europar helburu energetikoak betetzeko bidean kokatu egiten da, ziurtapenerako jarraitu beharreko metodologian gehiago sakonduz eta aipaturiko helburuentzako duen garrantzia azpimarratuz. Proiektuak bi zati nagusi ditu. Lehenengo zatian, proiektuaren helburu nagusia den etxebizitza baten kalifikazio energetikoa burutzen da, G letrako kalifikaziorik baxuena lortuz. Ondoren, kalifikatutako etxebizitzaren energia eraginkortasuna hobetzeko neurri posible batzuek bideragarritasuna aztertzen da. E letra erraztasun nahikoz lor daiteke, inbertsioaren berreskuratze aldi oso onargarriekin. C letraraino igotzea ere posible da aztertutako neurriak bateratuz, baina berreskuratze aldiak handiagoak izango lirateke.

Optimization and Control of Power Flow in Distribution Networks

Climate change is arguably the most critical issue facing our generation and the next. As we move towards a sustainable future, the grid is rapidly evolving with the integration of more and more renewable energy resources and the emergence of electric vehicles. In particular, large scale adoption of residential and commercial solar photovoltaics (PV) plants is completely changing the traditional slowly-varying unidirectional power flow nature of distribution systems. High share of intermittent renewables pose several technical challenges, including voltage and frequency control. But along with these challenges, renewable generators also bring with them millions of new DC-AC inverter controllers each year. These fast power electronic devices can provide an unprecedented opportunity to increase energy efficiency and improve power quality, if combined with well-designed inverter control algorithms. The main goal of this dissertation is to develop scalable power flow optimization and control methods that achieve system-wide efficiency, reliability, and robustness for power distribution networks of future with high penetration of distributed inverter-based renewable generators.

Proposed solutions to power flow control problems in the literature range from fully centralized to fully local ones. In this thesis, we will focus on the two ends of this spectrum. In the first half of this thesis (chapters 2 and 3), we seek optimal solutions to voltage control problems provided a centralized architecture with complete information. These solutions are particularly important for better understanding the overall system behavior and can serve as a benchmark to compare the performance of other control methods against. To this end, we first propose a branch flow model (BFM) for the analysis and optimization of radial and meshed networks. This model leads to a new approach to solve optimal power flow (OPF) problems using a two step relaxation procedure, which has proven to be both reliable and computationally efficient in dealing with the non-convexity of power flow equations in radial and weakly-meshed distribution networks. We will then apply the results to fast time- scale inverter var control problem and evaluate the performance on real-world circuits in Southern California Edison’s service territory.

The second half (chapters 4 and 5), however, is dedicated to study local control approaches, as they are the only options available for immediate implementation on today’s distribution networks that lack sufficient monitoring and communication infrastructure. In particular, we will follow a reverse and forward engineering approach to study the recently proposed piecewise linear volt/var control curves. It is the aim of this dissertation to tackle some key problems in these two areas and contribute by providing rigorous theoretical basis for future work.

Improved uniformity of target illumination by combining a lens array and the technique of spectral dispersion

A scheme using a lens array and the technique of spectral dispersion is presented to improve target illumination uniformity in laser produced plasmas. Detailed two-dimensional simulation shows that a quasi-near-field target pattern, of steeper edges and without side lobes, is achieved with a lens array, while interference stripes inside the pattern are smoothed out by the use of the spectral dispersion technique. Moving the target slightly from the exact focal plane of the principal focusing lens can eliminate middle-scale-length intensity fluctuation further. Numerical results indicate that a well-irradiated laser spot with small nonuniformity and great energy efficiency can be obtained in this scheme. (c) 2007 American Institute of Physics.

二元振幅型面板用于光束空间整形

为了提高高功率激光系统的整体效率和充分利用光能,需要对前端注入的高斯光束进行空间整形,实现驱动器终端激光的均匀化输出。采用振幅型二元面板对激光光束进行空间强度整形,利用误差扩散法进行了理论设计,数值摸拟了整形效果,同时讨论了面板加工误差以及空间滤波器的小孔大小等因素带来的影响。根据理论设计,分别加工了反高斯透射率分布和抛物线透射率分布的二元面板,并进行了整形实验,实现了各自的整形功能,并做了误差分析。实验证明二元面板能对激光光束的空间强度分布实现了精确的整形。

Certificación de la propia vivienda del alumno y proyecto de posibles mejoras.

[ES]Certificación de la eficiencia energética de un edificio. Introducción de los datos característicos en el programa CE3X y obtención de la calificación energética. Análisis del resultado y estudio, comparación y determinación de una o varias propuestas de mejora. Desarrollo del presupuesto del proyecto global así como el de las distintas opciones de mejora.