Hydrogen from coal: Production and utilisation technologies

Error condition detected Although coal may be viewed as a dirty fuel due to its high greenhouse emissions when combusted, a strong case can be made for coal to be a major world source of clean H-2 energy. Apart from the fact that resources of coal will outlast oil and natural gas by centuries, there is a shift towards developing environmentally benign coal technologies, which can lead to high energy conversion efficiencies and low air pollution emissions as compared to conventional coal fired power generation plant. There are currently several world research and industrial development projects in the areas of Integrated Gasification Combined Cycles (IGCC) and Integrated Gasification Fuel Cell (IGFC) systems. In such systems, there is a need to integrate complex unit operations including gasifiers, gas separation and cleaning units, water gas shift reactors, turbines, heat exchangers, steam generators and fuel cells. IGFC systems tested in the USA, Europe and Japan employing gasifiers (Texaco, Lurgi and Eagle) and fuel cells have resulted in energy conversions at efficiency of 47.5% (HHV) which is much higher than the 30-35% efficiency of conventional coal fired power generation. Solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC) are the front runners in energy production from coal gases. These fuel cells can operate at high temperatures and are robust to gas poisoning impurities. IGCC and IGFC technologies are expensive and currently economically uncompetitive as compared to established and mature power generation technology. However, further efficiency and technology improvements coupled with world pressures on limitation of greenhouse gases and other gaseous pollutants could make IGCC/IGFC technically and economically viable for hydrogen production and utilisation in clean and environmentally benign energy systems. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Decision support for lifecycle planning and risk management of small-scale biomass combined heat and power (bCHP) projects in the UK

Biomass is projected to account for approximately half of the new energy production required to achieve the 2020 primary energy target in the UK. Combined heat and power (CHP) bioenergy systems are not only a highly efficient method of energy conversion, at smaller-scales a significant proportion of the heat produced can be effectively utilised for hot water, space heating or industrial heating purposes. However, there are many barriers to project development and this has greatly inhibited deployment in the UK. Project viability is highly subjective to changes in policy, regulation, the finance market and the low cost incumbent; a high carbon centralised energy system. Unidentified or unmitigated barriers occurring during the project lifecycle may not only negatively impact on the project but could ultimately lead to project failure. The research develops a decision support system (DSS) for small-scale (500 kWe to 10 MWe) biomass combustion CHP project development and risk management in the early stages of a potential project’s lifecycle. By supporting developers in the early stages of project development with financial, scheduling and risk management analysis, the research aims to reduce the barriers identified and streamline decision-making. A fuzzy methodology is also applied throughout the developed DSS to support developers in handling the uncertain or approximate information often held at the early stages of the project lifecycle. The DSS is applied to a case study of a recently failed (2011) small-scale biomass CHP project to demonstrate its applicability and benefits. The application highlights that the proposed development within the case study was not viable. Moreover, further analysis of the possible barriers with the DSS confirmed that some possible modifications to be project could have improved this, such as a possible change of feedstock to a waste or residue, addressing the unnecessary land lease cost or by increasing heat utilisation onsite. This analysis is further supported by a practitioner evaluation survey that confirms the research contribution and objectives are achieved.

Modelling of a Stirling engine with parabolic dish for thermal to electric conversion of solar energy

Stirling engines with parabolic dish for thermal to electric conversion of solar energy is one of the most promising solutions of renewable energy technologies in order to reduce the dependency from fossil fuels in electricity generation. This paper addresses the modelling and simulation of a solar powered Stirling engine system with parabolic dish and electric generator aiming to determine its energy production and efficiency. The model includes the solar radiation concentration system, the heat transfer in the ther- mal receiver, the thermal cycle and the mechanical and electric energy conversion. The thermodynamic and energy transfer processes in the engine are modelled in detail, including all the main processes occur- ring in the compression, expansion and regenerator spaces. Starting from a particular configuration, an optimization of the concentration factor is also carried out and the results for both the transient and steady state regimes are presented. It was found that using a directly illuminated thermal receiver with- out cavity the engine efficiency is close to 23.8% corresponding to a global efficiency of 10.4%. The com- ponents to be optimized are identified in order to increase the global efficiency of the system and the trade-off between system complexity and efficiency is discussed.

Finite element modelling of heat transfer through permeable cracks in hydrothermal systems with upward throughflow

We use the finite element method to model the heat transfer phenomenon through permeable cracks in hydrothermal systems with upward throughflow. Since the finite element method is an approximate numerical method, the method must be validated before it is used to soh,e any new, kind of problem. However, the analytical solution, which can be used to validate the finite element method and other numerical methods, is rather limited in the literature, especially, for the problem considered here. Keeping this in mind, we have derived analytical solutions for the temperature distribution along the vertical axis of a crack in a fluid-saturated porous layer. After the finite element method is validated by comparing the numerical solution with the analytical solution for the same benchmark problem, it is used to investigate the pore-fluid flow and heat transfer in layered hydrothermal systems with vertical permeable cracks. The related analytical and numerical results have demonstrated that vertical cracks are effective and efficient members to transfer heat energy from the bottom section to the top section in hydrothermal systems with upward throughflow.

Avaliação da rentabilidade económica dos sistemas de microgeração fotovoltaica em Portugal (1990-2010)

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - ramo de Energia

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Avaliação da auto-suficiência energética na indústria nacional arrozeira

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia mecânica

Projecto integrado de AVAC e outras especialidades para um edifício com necessidades quase nulas de energia

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Análise do sistema de tratamento de efluentes gasosos de uma central de valorização energética de resíduos sólidos urbanos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Química e Biológica Ramo de processos Químicos

Micro-generation Evaluation of the Zero Emissions Technologies in the Portuguese Market

Micro-generation is the small scale production of heat and/or electricity from a low carbon source and can be a powerful driver for carbon reduction, behavior change, security of supply and economic value. The energy conversion technologies can include photovoltaic panels, micro combined heat and power, micro wind, heat pumps, solar thermal systems, fuel cells and micro hydro schemes. In this paper, a small research of the availability of the conversion apparatus and the prices for the micro wind turbines and photovoltaic systems is made and a comparison between these two technologies is performed in terms of the availability of the resource and costs. An analysis of the new legal framework published in Portugal is done to realize if the incentives to individualspsila investment in sustainable and local energy production is worth for their point of view. An economic evaluation for these alternatives, accounting with the governmentpsilas incentives should lead, in most cases, into attractive return rates for the investment. Apart from the attractiveness of the investment there are though other aspects that should be taken into account and those are the benefits that these choices have to us all. The idea is that micro-generation will not only make a significant direct contribution to carbon reduction targets, it will also trigger a multiplier effect in behavior change by engaging hearts and minds, and providing more efficient use of energy by householders. The diversified profile of power generation by micro-generators, both in terms of location and timing, should reduce the impact of intermittency or plant failures with significant gains for security of supply.

Integração energética da unidade 2100 da Fábrica de Óleos Base da Refinaria de Matosinhos

Até 2020, a Europa terá de reduzir 20% das suas emissões de gases com efeito de estufa, 20% da produção de energia terá de ser proveniente de fontes renováveis e a eficiência energética deverá aumentar 20%. Estas são as metas apresentadas pela União Europeia, que ficaram conhecidas por 20/20/20 [1]. A Refinaria de Matosinhosé um complexo industrial que opera no sector da refinação e que apresenta preocupações ao nível da eficiência energética e dos aspectos ambientais subjacentes. No âmbito da racionalização energética das refinarias, a Galp Energia tem vindo a implementar um conjunto de medidas, adoptando as melhores tecnologias disponíveis com o objectivo de diminuir os consumos de energia, promover a eficiência energética e reduzir as emissões de dióxido de carbono. Para ir de encontro a estas medidas foi elaborado um estudo comparativo que permitiu à empresa definir as medidas consideradas prioritárias. Uma solução encontrada visa a execução de projectos que não requerem investimento e que têm acções imediatas, tais como o aumento da eficiência energética das fornalhas [1]. Este trabalho realizado na Galp Energia S.A. teve como objectivo principal a optimização energética da Unidade de Desalfatação do Propano da Fábrica de Óleos Base. Esta optimização baseou-se no aproveitamento energético da corrente de fundo da coluna de rectificação T2003C com uma potência calorífica de 2,79 Gcal/h. Após levantamento de todas as variáveis do processo relativas a esta unidade, especialmente a potência calorífica das correntes envolvidas chegou-se á conclusão que a fornalha H2101 poderá ser substituída por dois permutadores, reduzindo desta forma os consumos energéticos. Pois a corrente de fundo da coluna T2003 com uma potência calorífica 2,79 Gcal/h poderá permutar calor com a corrente da mistura asfalto com propano, fazendo com que esta atinja temperatura superior à obtida com a fornalha em funcionamento. A análise económica ao consumo e respectivo custo do fuelóleo na fornalha para o período de um ano foi realizada, sendo o seu custo de combustível de 611.396,00 €. O valor da aquisição dos permutadores é 86.355,97€, sendo rentável a alteração proposta neste projecto.

Estudo de aplicação de coletores solares na produção de eletricidade e calor para uso doméstico

O trabalho apresentado explora o aproveitamento da energia solar para suprir as necessidades energéticas, tanto elétricas como térmicas, de uma habitação tipo 3, recorrendo ao uso de coletores solares, em que o fluido de trabalho é água. As necessidades elétricas serão supridas através da produção de energia com recurso a um ciclo de Rankine, em que fluido de trabalho é um frigorigénio aquecido através de um permutador cujo fluido quente será uma mistura, de água com anticongelante, aquecida pelo coletor solar. Por outro lado, as necessidades térmicas serão satisfeitas através do calor libertado no ciclo de Rankine. Na instalação solar estará integrado um acumulador térmico com apoio energético, caldeira elétrica, que funcionará nas situações em que coletor seja insuficiente para satisfazer as necessidades térmicas. No final será feita uma avaliação económica para que possa atestar a viabilidade económica do projeto, tendo em conta os seus custos totais versus as poupanças energéticas que este sistema origina.

Destruction of the tar present in syngas by combustion in porous media

The cleaning of syngas is one of the most important challenges in the development of technologies based on gasification of biomass. Tar is an undesired byproduct because, once condensed, it can cause fouling and plugging and damage the downstream equipment. Thermochemical methods for tar destruction, which include catalytic cracking and thermal cracking, are intrinsically attractive because they are energetically efficient and no movable parts are required nor byproducts are produced. The main difficulty with these methods is the tendency for tar to polymerize at high temperatures. An alternative to tar removal is the complete combustion of the syngas in a porous burner directly as it leaves the particle capture system. In this context, the main aim of this study is to evaluate the destruction of the tar present in the syngas from biomass gasification by combustion in porous media. A gas mixture was used to emulate the syngas, which included toluene as a tar surrogate. Initially, CHEMKIN was used to assess the potential of the proposed solution. The calculations revealed the complete destruction of the tar surrogate for a wide range of operating conditions and indicated that the most important reactions in the toluene conversion are C6H5CH3 + OH <-> C6H5CH2 + H2O, C6H5CH3 + OH <-> C6H4CH3 + H2O, and C6H5CH3 + O <-> OC6H4CH3 + H and that the formation of toluene can occur through C6H5CH2 + H <-> C6H5CH3. Subsequently, experimental tests were performed in a porous burner fired with pure methane and syngas for two equivalence ratios and three flow velocities. In these tests, the toluene concentration in the syngas varied from 50 to 200 g/Nm(3). In line with the CHEMKIN calculations, the results revealed that toluene was almost completely destroyed for all tested conditions and that the process did not affect the performance of the porous burner regarding the emissions of CO, hydrocarbons, and NOx.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.