The Long Run Demand for Lighting: Elasticities and Rebound Effects in Different Phases of Economic Development

25 p.

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.

O Protocolo de Kyoto e o mercado de crédito de carbono: estudo de caso das emissões de gases de efeito estufa da fábrica de combustível nuclear pertencente às Indústrias Nucleares do Brasil no ano de 2008

A presente dissertação discute as questões relacionadas à intensificação das mudanças climáticas por causas antrópicas conforme a evolução no uso dos recursos naturais, inovações nos processos produtivos, transformações econômicas, sociais, culturais, políticas e, especialmente ambientais. Aborda a comercialização dos créditos de carbono através de projetos de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), um dos mecanismos de flexibilização criados pelo Protocolo de Kyoto. No contexto de mudanças climáticas, uma matriz energética que utilize fontes de energia que não emitam gases causadores do efeito estufa (GEE) se mostra uma importante estratégia de desenvolvimento sustentável. Sob essa perspectiva, a energia nucleoelétrica é apresentada como uma alternativa viável aos combustíveis fósseis, considerando que esta é uma energia limpa e compatível com a perspectiva de desenvolvimento sustentável. A Fábrica de Combustível Nuclear (FCN), localizada em Resende (Rio de Janeiro), pertencente às Indústrias Nucleares do Brasil (INB), é um conjunto de sofisticadas fábricas nas quais se processam etapas importantes do ciclo do combustível nuclear. Na FCN, o Centro Zoobotânico realiza a gestão das atividades voltadas para a conservação da natureza tais como o Programa de Recuperação de Mata Ciliar, Reflorestamento e Fauna. O Relatório de inventário das emissões diretas e indiretas de GEE da FCN, elaborado pela INB para o ano de 2008, permite a auto-avaliação da empresa, retratando a preocupação corporativa com as questões relativas às mudanças climáticas. Segundo este Relatório, o total de emissões de GEE quantificado corresponde a 12,14% da capacidade total de sequestro de dióxido de carbono, no período de Janeiro a Dezembro de 2008. A proteção de florestas e a plantação de árvores são componentes essenciais de qualquer estratégia global para mitigação da mudança climática, e a participação da INB no mercado de crédito de carbono pode proporcionar externalidades positivas, tais como ganhos de imagem, adequação a padrões ambientais e melhoria do relacionamento com a sociedade.

Catalisadores à base de platina frente a correntes de H2 contendo acetaldeído geradas via reforma do etanol

Devido ao efeito estufa, a produção de hidrogênio a partir da reação de reforma do bioetanol tem se tornado um assunto de grande interesse em catálise heterogênea. Os catalisadores à base de Pt são empregados nos processos de purificação de H2 e também em eletrocatalisadores das células a combustível do tipo membrana polimérica (PEMFC). O hidrogênio obtido a partir da reforma do etanol contém como contaminante o acetaldeído e pequenas quantidades de CO. Assim, pode-se prever que muitas reações podem ocorrer na presença de catalisadores de Pt durante o processo de purificação do H2 e mesmo no próprio eletrocatalisador. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento do acetaldeído na presença de catalisadores de Pt. Para tanto foram preparados dois catalisadores, Pt/SiO2 e Pt/USY, contendo 1,5% de metal em ambos. Também foi estudado um eletrocatalisador (comercial) de Pt suportado em carvão (Pt/C). Os catalisadores foram caracterizados através das técnicas de análise textural, difração de raios X (DRX), quimissorção de H2, reação de desidrogenação do ciclohexano, espectroscopia no infravermelho de piridina adsorvida, dessorção a temperatura programada de n-butilamina (TPD de n-butilamina), dessorção a temperatura programada de CO2 (TPD-CO2), análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Os testes catalíticos foram realizados entre as temperaturas de 50 e 350 C em corrente contendo acetaldeído, H2 e N2. Foi observado que as propriedades ácido-básicas dos suportes promovem as reações de condensação com formação de éter etílico e acetato de etila. O acetaldeído em catalisadores de Pt sofre quebra das ligações C-C e C=O. A primeira ocorre em uma ampla faixa de temperaturas, enquanto a segunda apenas em temperaturas abaixo de 200 C. A quebra da ligação C-C produz metano e CO. Já a quebra da ligação C=O gera carbono residual nos catalisadores, assim como espécies oxigênio, que por sua vez são capazes de eliminar o CO da superfície dos catalisadores. Nota-se que o tipo de suporte utilizado influencia na distribuição de produtos, principalmente a baixas temperaturas. Além disso, constatou-se que a descarbonilação não é uma reação sensível à estrutura do catalisador. Verificou-se também a presença de resíduos sobre os catalisadores, possivelmente oriundos não somente da quebra da ligação C=O, mas também de reações de polimerização

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.

Dynamics of the East Asian Summer Monsoon in Present and Future Climates

This thesis aims at enhancing our fundamental understanding of the East Asian summer monsoon (EASM), and mechanisms implicated in its climatology in present-day and warmer climates. We focus on the most prominent feature of the EASM, i.e., the so-called Meiyu-Baiu (MB), which is characterized by a well-defined, southwest to northeast elongated quasi-stationary rainfall band, spanning from eastern China to Japan and into the northwestern Pacific Ocean in June and July.

We begin with an observational study of the energetics of the MB front in present-day climate. Analyses of the moist static energy (MSE) budget of the MB front indicate that horizontal advection of moist enthalpy, primarily of dry enthalpy, sustains the front in a region of otherwise negative net energy input into the atmospheric column. A decomposition of the horizontal dry enthalpy advection into mean, transient, and stationary eddy fluxes identifies the longitudinal thermal gradient due to zonal asymmetries and the meridional stationary eddy velocity as the most influential factors determining the pattern of horizontal moist enthalpy advection. Numerical simulations in which the Tibetan Plateau (TP) is either retained or removed show that the TP influences the stationary enthalpy flux, and hence the MB front, primarily by changing the meridional stationary eddy velocity, with reinforced southerly wind on the northwestern flank of the north Pacific subtropical high (NPSH) over the MB region and northerly wind to its north. Changes in the longitudinal thermal gradient are mainly confined to the near downstream of the TP, with the resulting changes in zonal warm air advection having a lesser impact on the rainfall in the extended MB region.

Similar mechanisms are shown to be implicated in present climate simulations in the Couple Model Intercomparison Project - Phase 5 (CMIP5) models. We find that the spatial distribution of the EASM precipitation simulated by different models is highly correlated with the meridional stationary eddy velocity. The correlation becomes more robust when energy fluxes into the atmospheric column are considered, consistent with the observational analyses. The spread in the area-averaged rainfall amount can be partially explained by the spread in the simulated globally-averaged precipitation, with the rest primarily due to the lower-level meridional wind convergence. Clear relationships between precipitation and zonal and meridional eddy velocities are observed.

Finally, the response of the EASM to greenhouse gas forcing is investigated at different time scales in CMIP5 model simulations. The reduction of radiative cooling and the increase in continental surface temperature occur much more rapidly than changes in sea surface temperatures (SSTs). Without changes in SSTs, the rainfall in the monsoon region decreases (increases) over ocean (land) in most models. On longer time scales, as SSTs increase, rainfall changes are opposite. The total response to atmospheric CO^2 forcing and subsequent SST warming is a large (modest) increase in rainfall over ocean (land) in the EASM region. Dynamic changes, in spite of significant contributions from the thermodynamic component, play an important role in setting up the spatial pattern of precipitation changes. Rainfall anomalies over East China are a direct consequence of local land-sea contrast, while changes in the larger-scale oceanic rainfall band are closely associated with the displacement of the larger-scale NPSH. Numerical simulations show that topography and SST patterns play an important role in rainfall changes in the EASM region.

Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários.

A geração de energia a partir do biogás do lixo em aterros sanitários é uma maneira de produzir energia elétrica renovável e limpa, reduzindo os impactos globais provocados pela queima dos resíduos sólidos urbanos. A contribuição ambiental mais relevante é a redução de emissões dos gases de efeito estufa (GEE), por meio da conversão do metano em dióxido de carbono, visto que o metano possui um potencial de aquecimento global cerca de 21 vezes maior, quando comparado ao dióxido de carbono (através da combustão do mesmo). De acordo com o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), os países ricos podem comprar créditos de carbono (CERs) dos países em desenvolvimento (que possuam projetos sustentáveis) para cumprir suas metas ambientais. O objetivo é transformar um passivo ambiental (destinação final dos resíduos sólidos urbanos) em um recurso energético, além do estudo da alternativa de obtenção de recursos financeiros através dos CERs. São analisadas as tecnologias de conversão energética (tecnologia de gás de lixo, incineração, entre outras), com a seleção da melhor alternativa para a geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários. A metodologia utilizada é a recomendada pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos - USEPA (2005). Serão apresentadas outras duas metodologias de cálculo da geração de metano: a do Banco Mundial e a do IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). São apresentados estudos comparativos demonstrando quando as turbinas a gás, motores de combustão interna (ciclos Otto ou Diesel) ou outras tecnologias de conversão energética serão viáveis na área técnica e econômica para implantação de Unidades Termoelétricas a biogás. No caso do Aterro de Gramacho, o projeto é viável com a utilização de motores a combustão interna e a obtenção de receitas com a venda da produção de energia e créditos de carbono. Por fim, será apresentada a alternativa do uso do biogás como substituto do gás natural para fins energéticos ou outros fins industriais.

Efectos de la salinidad y el herbicida glifosato sobre la especie invasora Baccharis halimifolia

CASTELLANO. La introducción de especies exóticas invasoras es una de las causas más importantes de pérdida de biodiversidad. Baccharis halimifolia es una de las 20 especies exóticas invasoras mas perjudiciales en España e invade gran parte de la marisma de Urdaibai. En dicha marisma se aplicaron tratamientos de control mediante la corta y aplicación de herbicida (glifosato) tras los cuales se observó un variable porcentaje de rebrote en función de la salinidad edáfica. Se realizó un experimento en el que las plantas recolectadas en las parcelas tratadas fueron sometidas en el invernadero a un tratamiento de salinidad y a otro de glifosato con el fin de estudiar la interacción entre ambos tratamientos en individuos originados por germinación y por rebrote y las posibles diferencias entre sexos. Se estudiaron los parámetros de biomasa y acumulación de iones sodio. No se han observado diferencias significativas entre los sexos para ninguno de los parámetros. Sin embargo, los rebrotes acumulan más Na+ que los individuos procedentes de germinación y su biomasa disminuye significativamente tras la aplicación de glifosato, únicamente en medio no salino. Nuestros resultados sugieren que los rebrotes de B. halimifolia reaccionan en mayor medida a la salinidad y al glifosato, lo que proporciona información de interés para la gestión.

Cultura de tecidos desdiferenciados e embriões somáticos de Petiveria alliacea L. visando à produção de substâncias bioativas

Petiveria alliacea L. pertence à família Phytolaccacceae e é conhecida popularmente como guiné ou amansa-senhor, entre outros nomes. Tem sido muito utilizada na medicina popular como agente terapêutico, devido à diversas propriedades farmacológicas. Estudos fitoquímicos têm contribuído para a descoberta de grande variedade de substâncias biologicamente ativas produzidas em diferentes partes da planta (saponinas, alcalóides, flavonóides, sulfetos, taninos, cumarinas, entre outros). A análise química da raiz tem revelado grande quantidade de derivados sulfurados, principalmente o dibenzil trissulfeto (DTS), com atividade antifúngica, antibacteriana, antioxidante e anticancerígena. Visando avaliar a produção biotecnológica do DTS, o presente trabalho teve como objetivo, otimizar a cultura de novas linhagens de calos, células em suspensão e embriões somáticos, a partir de plantas de P. alliacea L. mantidas in vitro, com o monitoramento da capacidade biossintética das culturas. Os resultados mostraram que a produção de calos friáveis foi possível em explantes foliares inoculados em meio MS suplementado com PIC ou 2,4-D. Além da resposta calogênica, foi observada a produção de estruturas globulares caracterizadas como embriões somáticos. A ocorrência de embriogênese somática direta foi confirmada através da análise histológica do processo regenerativo. A indução de embriões somáticos gerou um processo de embriogênese secundária altamente repetitivo até 150 dias de cultura e conversão a plantas em freqüência de 5%. Em relação à cultura de células em suspensão a partir dos calos friáveis, observou-se uma diminuição do crescimento celular ao longo das subculturas. As culturas em suspensão originadas de tecido embriogênico secundário continuaram o processo repetitivo em meio líquido e apresentaram conversão a plantas em taxas mais baixas que as obtidas em meio sólido. A obtenção de plantas completas a partir dos embriões somáticos demonstrou a possibilidade de utilização desse sistema para a micropropagação dessa espécie. O monitoramento fitoquímico dos sistemas de cultura in vitro e plantas de campo mantidas em casa de vegetação durante 02 anos apresentou diferenças significativas, confirmando que a cultura de tecidos pode alterar as rotas metabólicas. A cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas realizada com extrato em diclorometano de embriões secos e hexânico de embriões frescos e raízes secas de plantas provenientes de embriões somáticos, demonstrou a presença do DTS, constituindo, portanto, sistemas in vitro importantes para a modulação desta substância.

Avaliação de gases efeito estufa na cidade do Rio de Janeiro

O presente trabalho teve como objetivo a validação de uma metodologia de amostragem para GEE Gases do Efeito Estufa, com a utilização de seringas e análise por cromatografia de fase gasosa com múltiplos detectores. O trabalho se dividiu em duas etapas. A primeira etapa consistiu em um teste de estabilidade avaliando o meio de amostragem proposto, a seringa, e comparando-o a dois meios de amostragem convencionais canister e bolsa de teflon -, utilizando uma amostra padrão de GEE. A segunda etapa foi a aplicação desta nova metodologia de amostragem na cidade do Rio de Janeiro, buscando a avaliação da concentração dos GEE em diferentes bairros da cidade e a correlação destas com dados meteorológicos e características da localização dos pontos amostrados. Nestas amostragens realizadas na cidade do Rio de Janeiro obteve-se uma média de 536 ppmv, 2,04 ppmv e 274 ppbv, para o CO2, CH4 e N2O, respectivamente, que foram os GEE analisados. Foi possível neste trabalho verificar o grau de correlação dos GEE estudados com variáveis meteorológicas, bem como com outros poluentes já legislados e participantes de monitoramento contínuo. As conclusões alcançadas foram que a nova metodologia proposta para amostragem de GEE é viável devido ao seu bom desempenho no teste de estabilidade, ao baixo custo do material empregado e à praticidade do mesmo, e que as concentrações dos GEE avaliados na cidade do Rio de Janeiro encontram-se superiores às concentrações indicadas como médias globais para os mesmos. Apontando desta forma, a necessidade de um monitoramento contínuo destes de forma a contribuir para a tomada de ações de mitigação dos GEE

Proposta de construção de um indicador global para sustentabilidade ambiental do processo industrial numa empresa petroquímica instalada no estado do Rio de Janeiro

No presente trabalho foi realizada uma na pesquisa bibliográfica sobre indicadores globais para avaliação da eficiência de um sistema de gestão ambiental (SGA) e sobre o conceito de sustentabilidade ambiental, com o objetivo de estudar o SGA de uma empresa petroquímica, instalada no Rio de Janeiro, certificada pela ISO 9001, ISO 14001 e OSHA 18001. Procurou-se, assim, identificar, a partir da análise dos indicadores de avaliação do desempenho ambiental, a possibilidade de implantar um indicador único para avaliação da eficiência do SGA estudado, de forma a mostrar aos observadores externos e internos, o efetivo engajamento da empresa na preservação dos recursos naturais e na minimização das emissões atmosféricas e de gases de efeito estufa, dentro da ótica de sustentabilidade ambiental focando-se um processo produtivo industrial. Por meio da pesquisa, verificou-se que, apesar de a empresa utilizar indicadores relacionados com o consumo de água, de emissões fugitivas e de geração de resíduos, dentre outros, ela não monitora, de forma objetiva, as emissões em termos de CO2 equivalente e todas as ações ligadas à sustentabilidade ambiental. Assim, foi proposto um indicador global de sustentabilidade ambiental para ser utilizado como referência do processo produtivo, visando fornecer ao responsável pelo SGA os subsídios necessários para tratar da gestão do processo sob a ótica da sustentabilidade ambiental

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.