Contribuição para o planejamento brasileiro de exploração de petróleo e gás natural através da formulação de uma política nacional de uso sustentável das reservas de petróleo e gás natural

Petróleo e gás natural são recursos naturais não renováveis que possuem grande participação na matriz energética mundial e tendência de crescimento na matriz nacional, cujo marco regulatório limita-se a definir critérios técnicos e procedimentais sem incorporar o modelo de sustentabilidade instituído pela Constituição Federal de 1988. A natureza finita dos recursos não renováveis, como o petróleo e o gás natural, exige uma visão do planejamento de sua exploração de longo prazo na definição dos objetivos e metas. Essa perspectiva de longo prazo traduz uma das preocupações do desenvolvimento sustentável: a garantia de direitos para as futuras gerações. Assim, ao procurar fornecer elementos para a tradução do modelo de desenvolvimento sustentável no arcabouço institucional e legal da indústria petrolífera vigente no Brasil, o presente trabalho busca contribuir para o aprimoramento da regulação petrolífera nacional e a qualidade de vida das gerações presentes e futuras. E, mais do que propor a elaboração de um projeto de lei, como modalidade de implantação de uma política pública, queremos contribuir para o fortalecimento das práticas e ações governamentais voltadas para a aplicação do desenvolvimento sustentável, consoante apregoa a Constituição Federal brasileira. Trata-se aqui de demonstrar, através de metodologia quali-quantitativa, a tese de que é possível incorporar o princípio constitucional de desenvolvimento sustentável na atividade de exploração e produção de petróleo e gás natural, formulando uma política pública que incorpore, no regime de propriedade do petróleo, a variável ambiental e o uso intergeracional que já haviam sido e continuam sendo aplicados a algumas fontes renováveis de energia. Inicialmente, identificamos a composição da matriz energética brasileira desde a inserção do petróleo como uma questão de Estado a partir dos anos 50 do século XX. Em seguida, analisamos a concepção legal e doutrinária para propor, então, a conceituação de um modelo de desenvolvimento energético sustentável, estruturante para a proposição de uma política nacional para a indústria petrolífera. Com base nessa conceituação, analisamos o marco regulatório e os procedimentos institucionais praticados atualmente para identificar as lacunas existentes no ordenamento a serem supridas pela política nacional proposta. A partir da análise dos contextos legal e institucional, e das políticas energética e ambiental, propomos a tradução de conceitos, objetivos, princípios e instrumentos num projeto de lei de Política Nacional de Uso Sustentável das Reservas de Petróleo e Gás Natural. Concluímos tecendo considerações gerais e específicas sobre a proposição aqui formulada com vistas ao aprimoramento do modelo nacional de gestão de recursos energéticos e ao fomento das discussões voltadas para a sustentabilidade das políticas públicas e as práticas privadas enraizadas na exploração irracional de recursos não renováveis

Energías renovables en edificación: aplicación al abastecimiento de energía eléctrica y climatización

[ES]Este documento tiene el objeto de presentar el uso de las energías renovables en la edificación actual, para ello se analizaran las energías que hay en el mercado, sus beneficios y sus posibles aplicaciones en viviendas, naves industriales, polideportivos, centro comerciales, etc. Para lograr alcanzar todas estas competencias se hará mayor hincapié en el uso de estas nuevas tecnologías en abastecimientos de energía eléctrica y climatización, teniendo en cuenta que no todas las energías renovables son aplicables a la edificación y que no todas las energías tienen las mismas utilidades. El trabajo se lleva a cabo dentro de los trabajos de fin de grado de la escuela técnica superior de ingeniería de Bilbao (ETSIB), más concretamente se refiere al trabajo tipo TFG.3. El trabajo también consta de los apartados descargo de costes y planificación, donde se analiza el desglose de los gastos empleados para la realización de esta memoria y el tiempo elaboración para el mismo. Para concluir es añaden anexos, en los cuales se explican varias de las Normas que se manejan en la actualidad y también se incluyen algunos catálogos de productos comerciales y sus dispositivos para colocar en el edificio.

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.

Nanophotonic Light Trapping In Thin Solar Cells

Over the last several decades there have been significant advances in the study and understanding of light behavior in nanoscale geometries. Entire fields such as those based on photonic crystals, plasmonics and metamaterials have been developed, accelerating the growth of knowledge related to nanoscale light manipulation. Coupled with recent interest in cheap, reliable renewable energy, a new field has blossomed, that of nanophotonic solar cells.

In this thesis, we examine important properties of thin-film solar cells from a nanophotonics perspective. We identify key differences between nanophotonic devices and traditional, thick solar cells. We propose a new way of understanding and describing limits to light trapping and show that certain nanophotonic solar cell designs can have light trapping limits above the so called ray-optic or ergodic limit. We propose that a necessary requisite to exceed the traditional light trapping limit is that the active region of the solar cell must possess a local density of optical states (LDOS) higher than that of the corresponding, bulk material. Additionally, we show that in addition to having an increased density of states, the absorber must have an appropriate incoupling mechanism to transfer light from free space into the optical modes of the device. We outline a portfolio of new solar cell designs that have potential to exceed the traditional light trapping limit and numerically validate our predictions for select cases.

We emphasize the importance of thinking about light trapping in terms of maximizing the optical modes of the device and efficiently coupling light into them from free space. To further explore these two concepts, we optimize patterns of superlattices of air holes in thin slabs of Si and show that by adding a roughened incoupling layer the total absorbed current can be increased synergistically. We suggest that the addition of a random scattering surface to a periodic patterning can increase incoupling by lifting the constraint of selective mode occupation associated with periodic systems.

Lastly, through experiment and simulation, we investigate a potential high efficiency solar cell architecture that can be improved with the nanophotonic light trapping concepts described in this thesis. Optically thin GaAs solar cells are prepared by the epitaxial liftoff process by removal from their growth substrate and addition of a metallic back reflector. A process of depositing large area nano patterns on the surface of the cells is developed using nano imprint lithography and implemented on the thin GaAs cells.

Dendrites Inhibition in Rechargeable Lithium Metal Batteries

The specific high energy and power capacities of rechargeable lithium metal (Li⁰) batteries are ideally suited to portable devices and are valuable as storage units for intermittent renewable energy sources. Lithium, the lightest and most electropositive metal, would be the optimal anode material for rechargeable batteries if it were not for the fact that such devices fail unexpectedly by short-circuiting via the dendrites that grow across electrodes upon recharging. This phenomenon poses a major safety issue because it triggers a series of adverse events that start with overheating, potentially followed by the thermal decomposition and ultimately the ignition of the organic solvents used in such devices.

In this thesis, we developed experimental platform for monitoring and quantifying the dendrite populations grown in a Li battery prototype upon charging under various conditions. We explored the effects of pulse charging in the kHz range and temperature on dendrite growth, and also on loss capacity into detached “dead” lithium particles.

Simultaneously, we developed a computational framework for understanding the dynamics of dendrite propagation. The coarse-grained Monte Carlo model assisted us in the interpretation of pulsing experiments, whereas MD calculations provided insights into the mechanism of dendrites thermal relaxation. We also developed a computational framework for measuring the dead lithium crystals from the experimental images.

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.

Distributed Load Control in Multiphase Radial Networks

The current power grid is on the cusp of modernization due to the emergence of distributed generation and controllable loads, as well as renewable energy. On one hand, distributed and renewable generation is volatile and difficult to dispatch. On the other hand, controllable loads provide significant potential for compensating for the uncertainties. In a future grid where there are thousands or millions of controllable loads and a large portion of the generation comes from volatile sources like wind and solar, distributed control that shifts or reduces the power consumption of electric loads in a reliable and economic way would be highly valuable.

Load control needs to be conducted with network awareness. Otherwise, voltage violations and overloading of circuit devices are likely. To model these effects, network power flows and voltages have to be considered explicitly. However, the physical laws that determine power flows and voltages are nonlinear. Furthermore, while distributed generation and controllable loads are mostly located in distribution networks that are multiphase and radial, most of the power flow studies focus on single-phase networks.

This thesis focuses on distributed load control in multiphase radial distribution networks. In particular, we first study distributed load control without considering network constraints, and then consider network-aware distributed load control.

Distributed implementation of load control is the main challenge if network constraints can be ignored. In this case, we first ignore the uncertainties in renewable generation and load arrivals, and propose a distributed load control algorithm, Algorithm 1, that optimally schedules the deferrable loads to shape the net electricity demand. Deferrable loads refer to loads whose total energy consumption is fixed, but energy usage can be shifted over time in response to network conditions. Algorithm 1 is a distributed gradient decent algorithm, and empirically converges to optimal deferrable load schedules within 15 iterations.

We then extend Algorithm 1 to a real-time setup where deferrable loads arrive over time, and only imprecise predictions about future renewable generation and load are available at the time of decision making. The real-time algorithm Algorithm 2 is based on model-predictive control: Algorithm 2 uses updated predictions on renewable generation as the true values, and computes a pseudo load to simulate future deferrable load. The pseudo load consumes 0 power at the current time step, and its total energy consumption equals the expectation of future deferrable load total energy request.

Network constraints, e.g., transformer loading constraints and voltage regulation constraints, bring significant challenge to the load control problem since power flows and voltages are governed by nonlinear physical laws. Remarkably, distribution networks are usually multiphase and radial. Two approaches are explored to overcome this challenge: one based on convex relaxation and the other that seeks a locally optimal load schedule.

To explore the convex relaxation approach, a novel but equivalent power flow model, the branch flow model, is developed, and a semidefinite programming relaxation, called BFM-SDP, is obtained using the branch flow model. BFM-SDP is mathematically equivalent to a standard convex relaxation proposed in the literature, but numerically is much more stable. Empirical studies show that BFM-SDP is numerically exact for the IEEE 13-, 34-, 37-, 123-bus networks and a real-world 2065-bus network, while the standard convex relaxation is numerically exact for only two of these networks.

Theoretical guarantees on the exactness of convex relaxations are provided for two types of networks: single-phase radial alternative-current (AC) networks, and single-phase mesh direct-current (DC) networks. In particular, for single-phase radial AC networks, we prove that a second-order cone program (SOCP) relaxation is exact if voltage upper bounds are not binding; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact. For single-phase mesh DC networks, we prove that an SOCP relaxation is exact if 1) voltage upper bounds are not binding, or 2) voltage upper bounds are uniform and power injection lower bounds are strictly negative; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact.

To seek a locally optimal load schedule, a distributed gradient-decent algorithm, Algorithm 9, is proposed. The suboptimality gap of the algorithm is rigorously characterized and close to 0 for practical networks. Furthermore, unlike the convex relaxation approach, Algorithm 9 ensures a feasible solution. The gradients used in Algorithm 9 are estimated based on a linear approximation of the power flow, which is derived with the following assumptions: 1) line losses are negligible; and 2) voltages are reasonably balanced. Both assumptions are satisfied in practical distribution networks. Empirical results show that Algorithm 9 obtains 70+ times speed up over the convex relaxation approach, at the cost of a suboptimality within numerical precision.

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.

Palladium-Catalyzed Decarboxylative and Decarbonylative Transformations in the Synthesis of Fine and Commodity Chemicals

Decarboxylation and decarbonylation are important reactions in synthetic organic chemistry, transforming readily available carboxylic acids and their derivatives into various products through loss of carbon dioxide or carbon monoxide. In the past few decades, palladium-catalyzed decarboxylative and decarbonylative reactions experienced tremendous growth due to the excellent catalytic activity of palladium. Development of new reactions in this category for fine and commodity chemical synthesis continues to draw attention from the chemistry community.

The Stoltz laboratory has established a palladium-catalyzed enantioselective decarboxylative allylic alkylation of β-keto esters for the synthesis of α-quaternary ketones since 2005. Recently, we extended this chemistry to lactams due to the ubiquity and importance of nitrogen-containing heterocycles. A wide variety of α-quaternary and tetrasubstituted α-tertiary lactams were obtained in excellent yields and exceptional enantioselectivities using our palladium-catalyzed decarboxylative allylic alkylation chemistry. Enantioenriched α-quaternary carbonyl compounds are versatile building blocks that can be further elaborated to intercept synthetic intermediates en route to many classical natural products. Thus our chemistry enables catalytic asymmetric formal synthesis of these complex molecules.

In addition to fine chemicals, we became interested in commodity chemical synthesis using renewable feedstocks. In collaboration with the Grubbs group, we developed a palladium-catalyzed decarbonylative dehydration reaction that converts abundant and inexpensive fatty acids into value-added linear alpha olefins. The chemistry proceeds under relatively mild conditions, requires very low catalyst loading, tolerates a variety of functional groups, and is easily performed on a large scale. An additional advantage of this chemistry is that it provides access to expensive odd-numbered alpha olefins.

Finally, combining features of both projects, we applied a small-scale decarbonylative dehydration reaction to the synthesis of α-vinyl carbonyl compounds. Direct α-vinylation is challenging, and asymmetric vinylations are rare. Taking advantage of our decarbonylative dehydration chemistry, we were able to transform enantioenriched δ-oxocarboxylic acids into quaternary α-vinyl carbonyl compounds in good yields with complete retention of stereochemistry. Our explorations culminated in the catalytic enantioselective total synthesis of (–)-aspewentin B, a terpenoid natural product featuring a quaternary α-vinyl ketone. Both decarboxylative and decarbonylative chemistries found application in the late stage of the total synthesis.

Avaliação da biodegradabilidade de compósitos à base de poliéster e amido com fibra de coco verde

Os materiais poliméricos tem sido uma das causas dos problemas ambientais discutidos em todo mundo nos últimos tempos. Como uma das soluções para esse problema, estão os polímeros biodegradáveis que são materiais que se degradam pela ação de microorganismos. Uma Indústria sediada no Brasil lançou recentemente um poliéster biodegradável que surge boa alternativa para o crescimento no mercado dos polímeros biodegradáveis, principalmente por possuir em sua composição matéria prima de fonte renovável. Neste trabalho foram preparados compósitos com matriz de poliéster biodegradável e fibra de coco verde com e sem modificação química por acetilação em misturador interno Haake. Foi estudada a biodegradabilidade em solo simulado do polímero puro e de seus compósitos e foram avaliadas as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do polímero puro e de alguns de seus compósitos. O teste de biodegradabilidade foi feito pelo enterro das amostras em solo simulado por períodos distintos, variando de duas a dezessete semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 03. Após cada período de teste, as amostras foram retiradas do solo e analisadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e análise mecânica de tração. Os resultados obtidos indicaram que tanto o polímero puro quanto os seus compósitos sofreram biodegradação, a presença da fibra apenas atrasa o processo de biodegradação, as fibras de coco tiveram uma boa afinidade com a matriz polimérica, a incorporação de 5% fibra de coco na matriz torna o compósito mais rígido e a incorporação da fibra e o processo de biodegradação alteram as características da fase cristalina no material polimérico.

Síntese e caracterização de biodiesel obtido via catálises homogênea e heterogênea de óleo extraído de sementes de Helianthus annuus

O biodiesel é definido como um mono alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa derivado de fontes renováveis tais como óleos vegetais e gorduras animais. Sua importância esta associada ao uso como um combustível alternativo para motores do ciclo Diesel podendo ser utilizado puro ou em misturas com o diesel representando economia de petróleo e menor poluição ambiental. Em geral é obtido por meio da reação de transesterificação na qual os triacilgliceróis, principais constituintes dos óleos e gorduras reagem com álcool, em presença de um catalisador ácido ou básico, produzindo ésteres de ácidos graxos e glicerol. A transesterificação pode ser conduzida por catálise homogênea ou heterogênea. O grande desafio da indústria é otimizar o processo a fim de alcançar um produto e uma rota de produção tecnologicamente eficiente e ambientalmente correta. O objetivo desta pesquisa foi estudar a síntese do biodiesel utilizando o processo de transesterificação do óleo de girassol por catálises homogênea e heterogênea. Foram realizadas reações de transesterificação via rotas metílica e etílica, empregando como catalisador homogêneo alcóxido de potássio e como catalisador heterogêneo a resina comercial de troca iônica Amberlyst 26

Co-pirólise de polipropileno pós-consumo com gasóleo

O presente trabalho buscou avaliar o processo de co-pirólise de resíduos de polipropileno com gasóleo, variando a temperatura e a quantidade de polipropileno no meio reacional. A co-pirólise é uma rota promissora, uma vez que minimiza o impacto ambiental causado pela disposição do plástico de maneira inadequada, evita seu acúmulo em lixões e permite um melhor aproveitamento de um recurso natural não-renovável, o petróleo, matéria-prima importante para a geração de energia e obtenção de produtos químicos. As amostras de polipropileno e gasóleo foram submetidas à co-pirólise térmica em atmosfera inerte, em sistema de leito fixo, sob fluxo constante de nitrogênio, variando a temperatura de 400C a 500C e a quantidade de PP no meio reacional de 0,1 a 1,0 g. A influência do gasóleo no meio foi avaliada pelos testes na ausência de PP. Os líquidos pirolíticos obtidos foram caracterizados por cromatografia gasosa modificada, com o objetivo de avaliar a geração de frações na faixa da destilação do diesel. De uma maneira geral, pôde-se observar que o aumento da quantidade de PP no meio reacional favorece a redução do rendimento de líquido pirolítico e o aumento da quantidade de sólido gerado, efeito inverso ao do aumento da temperatura. Com relação ao rendimento geral de produtos na faixa de destilação do diesel na co-pirólise, a adição de PP ao meio não interfere muito no resultado. Já o aumento de temperatura favorece o aumento do rendimento de produtos nessa faixa de destilação. Os resultados obtidos comprovam o potencial da co-pirólise como método de reciclagem química de artefatos de polipropileno pós-consumo

Generación de energía eléctrica por combustión de biomasa forestal mediante ciclo rankine. Central de 2MW

[ES]Este proyecto se centra en el estudio y diseño de una central de generación de energía eléctrica por medio de biomasa forestal. La motivación para la realización de este proyecto reside en la gran importancia que en los últimos años están tomando las energías renovables. El Calentamiento Global es un hecho que durante los últimos años ha llevado a la investigación y desarrollo de las energías alternativas, que frenan o contribuyen al ralentizamiento de este fenómeno. Por su parte la implantación de una planta como la que se estudia a continuación, no solo ayudaría a la reducción de emisiones netas de CO2 a la atmósfera, sino que también tendría numerosas ventajas como son la creación de empleo, la limpieza de bosques, lo que ayuda a la prevención de incendios y plagas, y proporcionaría una independencia energética. Los pasos que se van a seguir en el proyecto son los siguientes:  Explicar el alcance y los objetivos del proyecto. Desarrollar las posibles alternativas que existen para la valorización de la biomasa forestal, incluyendo un resumen de las ventajas y desventajas que cada una presenta. Informe detallado de la alternativa seleccionada, la combustión, que incluye la explicación del proceso en la planta desde que el residuo sale del bosque, hasta la obtención de la energía eléctrica. Análisis económico y rentabilidad de la planta. Realizar el cronograma del proyecto. Por último se realizará un análisis de los posibles riesgos.

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.

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.