Valuation of wind energy projects: A real options approach

27 p.

Evaluation of Two Alternative Carbon Capture and Storage Technologies: A Stochastic Model

30 p.

Time and tide wait for no man: pioneers and laggards in the deployment of CCS

19 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.

Model predictive control for deferrable loads scheduling

Real-time demand response is essential for handling the uncertainties of renewable generation. Traditionally, demand response has been focused on large industrial and commercial loads, however it is expected that a large number of small residential loads such as air conditioners, dish washers, and electric vehicles will also participate in the coming years. The electricity consumption of these smaller loads, which we call deferrable loads, can be shifted over time, and thus be used (in aggregate) to compensate for the random fluctuations in renewable generation.

In this thesis, we propose a real-time distributed deferrable load control algorithm to reduce the variance of aggregate load (load minus renewable generation) by shifting the power consumption of deferrable loads to periods with high renewable generation. The algorithm is model predictive in nature, i.e., at every time step, the algorithm minimizes the expected variance to go with updated predictions. We prove that suboptimality of this model predictive algorithm vanishes as time horizon expands in the average case analysis. Further, we prove strong concentration results on the distribution of the load variance obtained by model predictive deferrable load control. These concentration results highlight that the typical performance of model predictive deferrable load control is tightly concentrated around the average-case performance. Finally, we evaluate the algorithm via trace-based simulations.

Rational design of zinc phosphide heterojunction photovoltaics

The prospect of terawatt-scale electricity generation using a photovoltaic (PV) device places strict requirements on the active semiconductor optoelectronic properties and elemental abundance. After reviewing the constraints placed on an "earth-abundant" solar absorber, we find zinc phosphide (α-Zn₃P₂) to be an ideal candidate. In addition to its near-optimal direct band gap of 1.5 eV, high visible-light absorption coefficient (>10⁴ cm^-1), and long minority-carrier diffusion length (>5 μm), Zn₃P₂ is composed of abundant Zn and P elements and has excellent physical properties for scalable thin-film deposition. However, to date, a Zn₃P₂ device of sufficient efficiency for commercial applications has not been demonstrated. Record efficiencies of 6.0% for multicrystalline and 4.3% for thin-film cells have been reported, respectively. Performance has been limited by the intrinsic p-type conductivity of Zn₃P₂ which restricts us to Schottky and heterojunction device designs. Due to our poor understanding of Zn₃P₂ interfaces, an ideal heterojunction partner has not yet been found.

The goal of this thesis is to explore the upper limit of solar conversion efficiency achievable with a Zn₃P₂ absorber through the design of an optimal heterojunction PV device. To do so, we investigate three key aspects of material growth, interface energetics, and device design. First, the growth of Zn₃P₂ on GaAs(001) is studied using compound-source molecular-beam epitaxy (MBE). We successfully demonstrate the pseudomorphic growth of Zn₃P₂ epilayers of controlled orientation and optoelectronic properties. Next, the energy-band alignments of epitaxial Zn₃P₂ and II-VI and III-V semiconductor interfaces are measured via high-resolution x-ray photoelectron spectroscopy in order to determine the most appropriate heterojunction partner. From this work, we identify ZnSe as a nearly ideal n-type emitter for a Zn₃P₂ PV device. Finally, various II-VI/Zn₃P₂ heterojunction solar cells designs are fabricated, including substrate and superstrate architectures, and evaluated based on their solar conversion efficiency.

Cidades secas, vidas secas: A trajetória das águas e sua regulamentação no Rio de Janeiro sob uma perspectiva urbano-ambiental

Esta tese analisará a distribuição das águas na cidade do Rio de Janeiro considerando os elementos sociais, jurídicos, políticos, e seus reflexos no direito urbano e ambiental. Nesse aspecto referenciará as medidas de regulação e de organização da estrutura urbana, desde a formação da cidade até os dias atuais, assim como as consequências da exclusão e da ausência das políticas urbanas equitativas. No início, as ocupações irregulares, se distantes do centro e dos bairros elitizados, não despertavam maiores demandas do poder público, porém com o aumento das periferias e as ocupações próximas aos bairros formais, inúmeras medidas adotadas optaram pela remoção, contenção e a destruição dos espaços sem apresentar uma solução, agravando os problemas urbanos. Tais problemas, reconhecidamente sociais, passam a ser denominados urbanos e ambientais, gerando uma complexa criminalização dos moradores das periferias. As intervenções nos espaços são legalizadas pelo instrumento jurídico, as residências suburbanas são classificadas como ilegais e, por consequência, os recursos que deveriam atender a todos na cidade são direcionados apenas para cidade legalizada, criando a celeuma da desigualdade. Assim, amontoados em barracos precários, sem abastecimento de água, energia, esgoto e coleta de lixo, as periferias multiplicam as diversas formas de violência, uma vez que o direito não socorre esses moradores que, abandonados pela lei, vivem a escassez das águas e a especulação dos serviços ilegais de abastecimento. A crise do abastecimento não é causada pelas populações mais empobrecidas, mas pelo mercado que se apropria da maior parte desses recursos, dentro do sistema de uma lógica capitalista, e exclui aqueles que não podem pagar pelo abastecimento regular. Nesse sentido, este trabalho entende que o direito, ainda que tenha se tornado regulatório pode assumir um caráter revolucionário e transformador em que o direito das águas seja um direito da comunidade, por isso, um bem público não estatal, por fim objetiva esse trabalho estudar as leis das águas dentro do paradigma da solidariedade hídrica.

Optimización técnico-económica del sistema de refrigeración de una planta termosolar de colectores cilindroparabólicos.

[ES]Este proyecto comprende la realización de un estudio de optimización mediante análisis técnico-económico del sistema de refrigeración de una planta termosolar de colectores cilindroparabólicos. Se incluye una exposición descriptiva de la planta y el sistema de agua de circulación y condensado. El estudio técnico-económico se apoya en la realización de los balances térmicos variando los parámetros dimensionantes relativos a dicho sistema mediante el software Thermoflex, partiendo del valor de estos que proporciona la potencia nominal de la planta. Se calcula la producción eléctrica diferencial e inversión diferencial de cada alternativa de dimensionamiento del sistema, calculándose la rentabilidad económica para cada caso. Se refleja también el cambio legislativo sucedido en cuanto al precio de venta de la electricidad y como afecta éste en la rentabilidad de cada caso. De esta forma se seleccionará la solución óptima y se extraerán las conclusiones.

Análisis exergético de una planta de microcogeneración mediante maci de 5 kw eléctricos para la producción de ACS en un edificio de viviendas

[ES]El presente trabajo consiste en el análisis exergético de una planta experimental con microcogeneración diseñada para satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria de un bloque de viviendas. El ACS la generan una caldera con producción de energía térmica variable y una unidad de microcogneración que produce 5 kW eléctricos y 12 kW térmicos. El análisis exergético que se realiza en el trabajo permite determinar la eficiencia del uso que se hace del combustible, y compararla con la de una planta convencional.

Estudio de la situación actual en las empresas de producción fotovoltaica

[ES]La energía solar fotovoltaica es un sistema de generación eléctrica cada vez más importante entre los países desarrollados. En este contexto, España siempre ha sido una de los países que más ha invertido a lo largo de su historia. En los últimos años, sin embargo, por culpa del déficit tarifario esta situación ha cambiado, implantando medidas para ahorrar costes que a largo plazo deterioran dicho sector. En el trabajo, se presenta un estudio que muestra la actualidad de este tejido empresarial. Para ello, se ha realizado una encuesta a varias empresas, sobre la situación del sector y las perspectivas de crecimiento y desarrollo dentro de ese entorno. Así, se ha concluido con algunas de las consecuencias que pueden suceder debido al cambio de legislación.

Speculation-Aware Resource Allocation for Cluster Schedulers

Real-time demand response is essential for handling the uncertainties of renewable generation. Traditionally, demand response has been focused on large industrial and commercial loads, however it is expected that a large number of small residential loads such as air conditioners, dish washers, and electric vehicles will also participate in the coming years. The electricity consumption of these smaller loads, which we call deferrable loads, can be shifted over time, and thus be used (in aggregate) to compensate for the random fluctuations in renewable generation.

In this thesis, we propose a real-time distributed deferrable load control algorithm to reduce the variance of aggregate load (load minus renewable generation) by shifting the power consumption of deferrable loads to periods with high renewable generation. The algorithm is model predictive in nature, i.e., at every time step, the algorithm minimizes the expected variance to go with updated predictions. We prove that suboptimality of this model predictive algorithm vanishes as time horizon expands in the average case analysis. Further, we prove strong concentration results on the distribution of the load variance obtained by model predictive deferrable load control. These concentration results highlight that the typical performance of model predictive deferrable load control is tightly concentrated around the average-case performance. Finally, we evaluate the algorithm via trace-based simulations.

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.

Análisis de precios del mercado diario de electricidad español

El trabajo analiza los precios de la electricidad del mercado diario español. En el mismo se realiza un estudio del mercado eléctrico español y sus componentes junto con un análisis de los cambios regulatorios más significativos durante el periodo muestral. A partir de allí, se analiza la muestra a través de los estadísticos descriptivos principales. Luego se presenta un modelo general que es analizado a partir de los resultados empíricos principales obtenidos con su estimación. Finalmente, se realizan ajustes al mismo para obtener un modelo simplificado que se ajuste mejor a lo que se quiere conseguir, que es analizar la evolución de los precios de la electricidad. Los resultados del ajuste arrojan que los precios horarios dependen en su mayor parte de los precios de las horas anteriores. También que el modelo recoge muy bien la estacionalidad mensual y horaria que presenta la muestra. Por otro lado, características de la serie de precios como son la volatilidad y los saltos no quedan bien recogidos por el modelo, lo que lleva a plantearse la búsqueda de modelos alternativos.