James Clerk Maxwell e a unidade do mundo: modelos e metáforas na construção de teorias científicas

Esta é uma pesquisa sobre o uso de metáforas na construção de modelos por parte do físico escocês James Clerk Maxwell. O objetivo da pesquisa foi buscar compreender de que maneira o uso de metáforas e modelos é legítimo na ciência e em que medida contribui para seu sucesso. Além disso, busca compreender em que medida o uso de artifícios como modelos e analogias entre ramos distintos da ciência são impulsionadores de sucesso explicativo e preditivo da teoria do físico estudado. Explora as crenças teológicas e filosóficas do autor, que vê o mundo como unidade, permitindo a analogia entre ramos distintos da física. Seus desenvolvimentos em torno de teorias como calor, cores, óptica, magnetismo e eletricidade permitem evidenciar essa visão em todo o seu trabalho. Maxwell é considerado inaugurador de nova metodologia com o uso de modelos e metáforas. Explora o desenvolvimento da teoria das cores, da descrição matemática da estabilidade dos anéis de Saturno e o desenvolvimento da teoria dos gases como preâmbulo à discussão da teoria do eletromagnetismo. Descreve o desenvolvimento teórico do eletromagnetismo em seus diversos momentos. A construção da teoria do eletromagnetismo evidencia paulatino abandono do mecanicismo, uso intenso de modelos e metáforas temporários e ênfase na quantificação e no uso de experimentos. Discute o relacionamento de Maxwell com as discussões filosóficas, sociais e teológicas de sua época, seu engajamento em atividades práticas nesse sentido e suas influências científicas e filosóficas. Descreve e discute os textos filosóficos do cientista, em que se evidenciam sua ontologia, suas crenças teológicas e sua concepção de analogias. Discute a questão do uso de analogias em ciência e compara diversos autores que abordam o tema. A metodologia utilizada foi a de levantamento bibliográfico com análise crítica da literatura do autor e de seus comentadores, além de comentário crítico sobre os textos primários e secundários. Conclui que o sucesso científico de Maxwell deve-se à sua aposta numa unidade do mundo garantida por Deus, bem como na unidade entre o mundo e a mente humana, posturas que mostraram ser bem-sucedidas quando aplicadas à metodologia científica. Conclui também pela legitimidade e necessidade do uso de metáforas e modelos no empreendimento científico.

Bioeletricidade no setor sucroalcooleiro paulista: participação no mercado de carbono, perspectivas e sustentabilidade.

2009

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Rural engineering infrastructures design and public facility locations

O desenvolvimento das redes de estradas rurais, especialmente em áreas montanhosas, é a intervenção chave para melhorar a acessibilidade às localidades e aos serviços públicos, cobrindo o maior número de localidades e de serviços públicos, otimizando os escassos recursos disponíveis em países em desenvolvimento. Este estudo explora diferentes modelos de organização de redes de estradas rurais considerando a construção de novas ligações ou o melhoramento de estradas existentes. Um método, baseado na cobertura da rede de estradas rurais, é utilizado para identificar os pontos nodais que formam a rede rural base numa específica região, a qual cobrirá um conjunto dos serviços públicos e de localidades. O modelo assenta numa rede rural de estradas típica ("backbone" e "branch") das regiões montanhosas do Nepal. Os modelos propostos fornecem um conjunto de possibilidades de ligações a estabelecer ou a melhorar e oferece soluções para diferentes níveis de orçamento, que otimizam os custos de transporte na rede, considerando diferentes tipos de pavimento (em solo, granular ou asfáltico). Foi realizado separadamente um modelo dedicado a análises multi-objetivo para resolver problemas de melhoramento de ligações dentro da rede considerando dois objectivos, minimizar os custos de operação para o utilizador e maximizar a população coberta pela rede de estradas, considerando ligações pavimentadas e não pavimentadas (em solo, granular ou asfáltico) dentro de um determinado limite orçamental. O modelo dá ao decisor (DM) diferentes alternativas eficientes para que este possa tomar uma decisão final. Estes modelos, desenvolvidos para redes de estradas rurais, são também aplicáveis a outras redes de infraestruturas rurais, tais como, de fornecimento de água, de eletricidade e de telecomunicações. A implementação dos modelos nas redes de estradas rurais dos distritos de Gorkha e Lamjung do Nepal permitiu confirmara sua aplicabilidade. Verifica-se que os modelos propostos são mais práticos e realísticos no estudo de soluções de melhoramento e de desenvolvimento de redes de estradas rurais em regiões montanhosas de países em desenvolvimento.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Economic optimization of wind farms in function of the cost of energy produced

Esta tese apresenta um estudo sobre otimização económica de parques eólicos, com o objetivo de obter um algoritmo para otimização económica de parques eólicos através do custo da energia produzida. No estudo utilizou-se uma abordagem multidisciplinar. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquiteturas utilizadas nos parques eólicos. Bem como esquemas de funcionamento e gestão dos parques. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para cálculo dos custos da energia produzida, tendo-se dado ênfase às instalações onshore e ligados a rede elétrica de distribuição. É feita uma análise rigorosa das características das topologias dos aerogeradores disponíveis no mercado, e simula-se o funcionamento de um parque eólico para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo para a obtenção de uma resposta otimizada para o ciclo de vida económico do parque eólico em estudo. A abordagem proposta envolve algoritmos para otimização do custo de produção com multiplas funções objetivas com base na descrição matemática da produção de eletricidade. Foram desenvolvidos modelos de otimização linear, que estabelece a ligação entre o custo económico e a produção de eletricidade, tendo em conta ainda as emissões de CO2 em instrumentos de política energética para energia eólica. São propostas expressões para o cálculo do custo de energia com variáveis não convencionais, nomeadamente, para a produção variável do parque eólico, fator de funcionamento e coeficiente de eficiência geral do sistema. Para as duas últimas, também é analisado o impacto da distribuição do vento predominante no sistema de conversão de energia eólica. Verifica-se que os resultados obtidos pelos algoritmos propostos são similares às obtidas por demais métodos numéricos já publicados na comunidade científica, e que o algoritmo de otimização económica sofre influência significativa dos valores obtidos dos coeficientes em questão. Finalmente, é demonstrado que o algoritmo proposto (LCOEwso) é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital e O&M dos parques eólicos com informação incompleta ou em fase de projeto. Nesse sentido, o contributo desta tese vem ser desenvolver uma ferramenta de apoio à tomada de decisão de um gestor, investidor ou ainda agente público em fomentar a implantação de um parque eólico.

Manutenção preventiva ou manutenção corretiva em linhas aéreas de média tensão? Utilização do data envelopment analysis como auxiliar de gestão dos ativos técnicos de manutenção

O uso de Data Envelopment Analysis (DEA) no setor de distribuição de energia elétrica tem dado origem à publicação de vários artigos científicos. No geral, estes artigos focam-se na comparação da eficiência das empresas de distribuição de eletricidade. Na generalidade dos artigos, o tratamento da informação tem sido predominantemente descritivo e classificatório, sem focar no processo de transformação. Em contraste, o trabalho que se apresenta aqui pretende mostrar as potencialidades do DEA na análise de variáveis do processo de transformação e procura explorar o seu potencial para a identificação dos programas e intervenções que contribuem para a melhoria efetiva no processo de distribuição de eletricidade. É nossa convicção que as avaliações de natureza formativa, com fins de aprendizagem, são mais eficazes do que os estudos sumativos porque contribuem para uma melhor compreensão das estruturas e processos, sendo portanto mais adequadas para contribuir para a melhoria do desempenho. Neste trabalho, apresenta-se uma questão importante no contexto da análise DEA: a de investigar, se as diferenças de eficiência são devidas a um programa específico de gestão ou às características de conceção. Para o efeito, o estudo recorre a dois métodos diferentes para realizar este tipo de análise. Em primeiro lugar, aplicamos a estatística de rank de Mann-Whitney aos scores do DEA, a fim de avaliar a significância estatística das diferenças observadas entre um programa de tratamento e o programa de controlo. Em segundo lugar, procedemos a uma análise dinâmica com o Índice de Produtividade de Malmquist, a fim de estudar o impacto da introdução de uma nova tecnologia num grupo de unidades. O estudo de caso desenvolvido centra-se na avaliação do desempenho de linhas de média tensão afetas a uma das regiões de serviço de uma empresa de distribuição de energia elétrica, regulada pelo Sistema Público de Distribuição de Energia em Portugal (ERSE). Os resultados do estudo de caso mostram que a aplicação do DEA tem um grande potencial para contribuir para a melhoria dos processos e deve ser explorado noutros contextos.

Corporate social marketing: um estudo de caso no setor da energia elétrica

Grupos privados que comercializam eletricidade ao setor residencial estão, atualmente, a implementar programas que procuram alcançar Eficiência Energética (EE). Estes programas levam a um menor consumo do produto core destas empresas. A EE é um tema destacado na atualidade, nações de todo o mundo traçam planos para alcançá-la, indo ao encontro do estabelecido no Protocolo de Quioto. Em Portugal, o setor da energia elétrica encontra-se entre os que mais danos acarretam para o ambiente. O presente estudo quis conhecer a orientação destes grupos nestes programas. Ou seja, conhecer a sua motivação para os implementar, bem como conhecer a abordagem disciplinar utilizada para os “desenhar”, procurando saber até que ponto o Corporate Social Marketing (CSM) é aplicado. O CSM utiliza a tecnologia do Marketing mainstream para alcançar mudanças comportamentais desejadas. Visa o bem-estar social e/ou ambiental e mede os resultados que atinge. A sua aplicação em programas que visam a EE no consumo, tratando-a como um produto social, é o foco da presente pesquisa. Para o efeito delineou-se a pesquisa através da metodologia Estudo de Caso, com o objetivo de estudar a orientação do Grupo EDP nestes programas, através do programa A Tua Energia, sabendo que “os projetos de Eficiência Energética são sempre definidos e implementados pela EDP enquanto Grupo” (EDP, 2012). A metodologia de análise de dados utilizada é a Grounded Theory (GT) que procura ir ao encontro de uma teoria substantiva, emersa dos dados, que se enquadre ao contexto da pesquisa. O Estudo da orientação do Grupo EDP levou a pesquisa a conhecer a realidade do setor elétrico em relação a estes programas, não só em Portugal mas noutro mercado onde a empresa EDP atua, o Brasil. Os principais resultados alcançados quanto à motivação dos Grupos privados para implementar estes programas foram Ganhos Empresariais, nos quais se integram Imagem Positiva, Estratégia de Negócio e Relacionamento com Stakeholders. Os dados revelam que o programa A Tua Energia não é um programa de CSM pois ainda que foque a mudança comportamental não a alcança efetivamente. Já a EDP no Brasil implementa um programa de mudança comportamental assente na abordagem do CSM. Concluiu-se que a envolvente influencia a orientação da EDP nestes programas, ainda que estes sejam designados pela EDP enquanto Grupo.

Rentabilidade e risco na comercialização agregada de energia elétrica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica na Área de Especialização de Energia

Gestão do deslastre de cargas: Évora como caso de estudo

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica na Área de Especialização de Energia

Abordagem à previsão do preço de energia elétrica via métodos de suavização exponencial

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

Avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar de uma piscina coberta

Este trabalho teve como propósito fazer uma avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar no interior das instalações de uma Piscina Municipal Coberta, localizada na zona norte de Portugal, sendo estabelecidos os seguintes objetivos: caracterização geral da piscina, no que respeita aos seus diferentes espaços e equipamentos, cálculo dos consumos térmicos e elétricos bem como o registo das concentrações de elementos poluentes para controlo da qualidade do ar no interior da piscina, tendo como base a legislação atualmente em vigor. A caracterização geral da piscina permitiu verificar algumas inconformidades como a temperatura da água nos tanques de natação que tem valores superiores aos recomendados e a sala de primeiros socorros que não possui acesso direto ao exterior. Acrescente-se que o pavimento nos chuveiros da casa de banho feminina e os valores de pH para água do tanque grande e pequeno não estão sempre dentro da gama de recomendação. O caudal da renovação de ar está a ser operado manualmente e quando está a funcionar a 50% da sua capacidade máxima, que acontece numa parte do dia, apenas consegue renovar 77,5% do caudal recomendado pelo RSECE. Para se obter o valor recomendado é necessário ter pelo menos 7 horas com o caudal a 100% da capacidade máxima. A avaria na UTA2 originou que 40% dos registos diários da humidade relativa interior estivessem fora da gama de valores recomendados e que esta é fortemente dependente da humidade no exterior e pode ser agravada quando as portas dos envidraçados da nave são abertas. Analisando ainda a quantidade de água removida na desumidificação do ar com a água evaporada em condições de Outono-Inverno ou Primavera-Verão, este estudo permitiu concluir que todas as combinações demonstraram a necessidade de desumidificação salvo a combinação Outono-Inverno e UTA2 a funcionar a 100% da sua capacidade máxima. Os isolamentos das tubagens na sala das caldeiras foram observados e comparados com as soluções recomendadas pelas empresas especialistas e verificou-se que alguns estão mal colocados com parcial ou total degradação, promovendo perdas térmicas. No caso das perdas calorificas por evaporação, estas representaram cerca de 67,78% das perdas totais. Como tal, estudou-se a aplicação de uma cobertura sobre o plano de água durante o período de inatividade da piscina (8 horas) e verificou-se que o resultado seria uma poupança de 654,8 kWh/dia, na ausência de evaporação da água, mais 88,00 kWh/dia do período da UTA2 a funcionar a 50% da sua capacidade, perfazendo um total de 742,8 kWh/dia. A aplicação da cobertura permite obter um VAL de valor positivo, uma TIR de 22,77% e sendo este valor superior ao WACC (Weight Average Cost of Capital), o projeto torna-se viável com um Pay-Back de 3,17 anos. Caracterizou-se também o consumo total diário em eletricidade, e verificou-se que as unidades de climatização, as bombas de circulação de água, a iluminação, e outros equipamentos representam, respetivamente, cerca de 67,81, 25,26, 2,68 e 3,91% da energia elétrica total consumida. Por fim, a análise à qualidade do ar no interior da nave em Maio e Setembro identificou que as concentrações de ozono apresentavam valores no limite do aceitável em Maio e superiores ao valor de emissão em Setembro. Os compostos orgânicos voláteis também apresentavam valores em Maio 4,98 vezes superior e em Setembro 6,87 vezes superior aos valores máximos exigidos pelo D.L. nº 79/2006. Houve ainda altas concentrações de radão registadas na casa dos filtros, em Maio com um valor 11,49 vezes superior, no entanto esse valor desceu em Setembro para 1,08 vezes, mesmo assim superior ao exigido pelo D.L. nº 79/2006.

Construção de um parque eólico industrial

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Projeto e construção de subestações

Relatório de Estágio para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Estratégias de investimento em mercados liberalizados de energia elétrica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Energia