Cost Allocation Model for Distribution Networks Considering High Penetration of Distributed Energy Resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitiveenvironment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The networkcost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribu-tion networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop afairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are usingthe network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, andcongestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation(DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehi-cles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). Theproposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in aneconomic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen’s andBialek’s tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the net-work. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distributionnetwork of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposedmodel.

Real-time Energy Resource Scheduling considering a Real Portuguese Scenario

The development in power systems and the introduction of decentralized generation and Electric Vehicles (EVs), both connected to distribution networks, represents a major challenge in the planning and operation issues. This new paradigm requires a new energy resources management approach which considers not only the generation, but also the management of loads through demand response programs, energy storage units, EVs and other players in a liberalized electricity markets environment. This paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), concerning the energy resource scheduling in smart grids, considering day-ahead, hour-ahead and real-time scheduling. The case study considers a 33-bus distribution network with high penetration of distributed energy resources. The wind generation profile is based on a real Portuguese wind farm. Four scenarios are presented taking into account 0, 1, 2 and 5 periods (hours or minutes) ahead of the scheduling period in the hour-ahead and realtime scheduling.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Cost allocation model for distribution networks considering high penetration of distributed energy resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitive environment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The network cost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribution networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop a fairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are using the network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, and congestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation (DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehicles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). The proposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in an economic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen's and Bialek's tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the network. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distribution network of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposed model.

Estudo de Avarias em Compressores de Ar

As instalações de ar comprimido são uma constante em quase todo o tipo de indústria, já que o ar comprimido assume cada vez mais importância como fonte de energia para a movimentação de dispositivos com cargas moderadas ou médias. O uso cada vez mais frequente da pneumática por via da automação de sistemas e processos de fabrico, é outro fator que tem incrementado fortemente o uso de instalações de ar comprimido. A utilização de ar comprimido tem subjacente um ou mais compressores, responsáveis por captar o ar e criar as condições necessárias de pressão na rede que vai abastecer uma qualquer instalação industrial, ou mesmo comercial, como no caso dos serviços de reparação automóvel, entre outras. Desta forma, cria-se uma forte dependência em torno desta fonte de energia, sendo a avaria do compressor um fator extremamente limitativo do processo produtivo ou dos serviços a prestar. As empresas fabricantes de compressores, cientes deste facto, têm primado pela fiabilidade. No entanto, os utilizadores nem sempre criam as condições ideais para o funcionamento desses compressores, conduzindo a problemas de funcionamento. Neste trabalho pretendeu-se elaborar um estudo que permitisse identificar quais as causas que estão por detrás das avarias mais frequentes de alguns dos modelos mais vendidos pela Ingersoll-Rand no nosso país, através da Comingersoll, analisando as mesmas e tentando encontrar soluções que evitassem essas avarias. O estudo permitiu dissecar as avarias registadas em cinco diferentes modelos nos últimos anos, identificar possíveis causas, perceber a frequência com que ocorrem e sugerir melhorias que pudessem minimizar a ocorrência dessas mesmas avarias.

Otimização energética à secção das malhas

A presente dissertação realizada na empresa Continental-Indústria Têxtil do Ave, S.A., teve como objetivo a otimização energética da secção das malhas. Esta secção divide-se em duas áreas, a tricotagem e a ramulagem. Os artigos produzidos diferem no seu peso específico, composição e condições de operação, sendo os artigos A, B e C compostos por poliéster e termofixados a 190ºC e os artigos D e E compostos por poliéster e algodão, com uma temperatura de operação de 205ºC. Numa primeira etapa estudou-se o funcionamento da máquina de termofixação – a râmula – que opera em trabalho contínuo a 40 m/min. Esta máquina tem incorporado um permutador de calor, que aquece o ar fresco de entrada com os gases de exaustão das estufas. Posteriormente efetuou-se o levantamento energético de cada artigo, para as áreas de tricotagem e ramulagem. Verificou-se que os artigos D e E, pela sua constituição, são os que apresentam um consumo específico superior, em tep/ton. Entre as várias utilidades consumidas (gás natural, eletricidade e ar comprimido) o gás natural representa mais de 50% do consumo de energia total necessário para a produção de cada artigo. Após a completa análise aos consumos energéticos da râmula, foram realizados ensaios de otimização, tendo-se concluído que a diminuição do caudal de exaustão pode atingir valores de poupança anual de gás natural na ordem dos 3.000 €. Com o objetivo de avaliar o consumo de gás natural, não sendo possível a realização experimental, foram feitas simulações com base em alterações na corrente de entrada de ar fresco no permutador. Foi também estudada a possibilidade de isolamento e revestimento térmico da conduta exterior, projetada para o reaproveitamento do ar dos compressores, tendo-se obtido um orçamento de 2.500 €. Admitindo-se uma gama de temperaturas entre os 40ºC e os 60ºC, com um caudal de insuflação de 30%, obteve-se um payback entre os 0,97 e os 3,28 anos. Numa segunda fase admitiu-se uma temperatura média de 50ºC, aumentando o caudal de insuflação até 100%. O período de retorno obtido variou entre os 0,33 e os 1,38 anos, podendo as poupanças anuais atingirem os 7.600 €.

Analysis of a controversial decision process: the case of the pumped hydro storage power plant Atdorf in Germany

Based on the report for the unit “Métodos Interactivos de Participação e Decisão A” (Interactive methods of participation and decision A), coordinated by Prof. Lia Maldonado Teles de Vasconcelos and Prof. Nuno Miguel Ribeiro Videira Costa. This unit was provided for the PhD Program in Technology Assessment in 2015/2016.

Dynamic range prediction for an electric vehicle

Electric Vehicles (EVs) have limited energy storage capacity and the maximum autonomy range is strongly dependent of the driver's behaviour. Due to the fact of that batteries cannot be recharged quickly during a journey, it is essential that a precise range prediction is available to the driver of the EV. With this information, it is possible to check if the desirable destination is achievable without a stop to charge the batteries, or even, if to reach the destination it is necessary to perform an optimized driving (e.g., cutting the air-conditioning, among others EV parameters). The outcome of this research work is the development of an Electric Vehicle Assistant (EVA). This is an application for mobile devices that will help users to take efficient decisions about route planning, charging management and energy efficiency. Therefore, it will contribute to foster EVs adoption as a new paradigm in the transportation sector.

Desenvolvimento de microcápsulas ativadas por radiação solar para aplicação em painéis cerâmicos exteriores

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Flexible thin-film lithium battery

Tese de Doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e Computadores.

Investigation into the feasibility of a West of Ireland Pumped Storage System

Ireland’s remote position on the tip of Europe ensures that the country is vulnerable to uncertainty of supply. The reliance on conventional sources of electricity has ensured that escalated prices and high carbon emissions have been witnessed whilst opportunities that inherent resources provide, such as the wind, have not been capitalised upon. The intermittent nature of the wind make it difficult to maximise its potential as in many cases the highest wind speeds are highest when demand is low. The West of Ireland’s combination of wind speeds and unique topography makes it suitable for and innovative wind powered pumped storage system, which can essentially regulate the wind generated electricity and integrate further penetration of renewable energy. In addition, its location along the Atlantic Ocean provides further scope for innovation as seawater can be integrated into the system design. The construction of such an unprecedented project in combination with increased interconnectors has the potential to make Ireland a rechargeable battery for Europe. However, such ambitious plans are at the very early stages and are in direct contrast to current events in the Irish energy market. This study focuses on the feasibility of West of Ireland pumped storage systems. Entailed within this is an extensive desk study, a detailed site selection process and a feasibility study of grid connection. To increase opportunities to identify the best possible site, the feasibility study was focused on the Galway and Mayo areas solely.

Numerical simulation of combined heat transfer phenomena (conduction, convection, and radiation). Application to he optimisation of thermal systems

Thermal systems interchanging heat and mass by conduction, convection, radiation (solar and thermal ) occur in many engineering applications like energy storage by solar collectors, window glazing in buildings, refrigeration of plastic moulds, air handling units etc. Often these thermal systems are composed of various elements for example a building with wall, windows, rooms, etc. It would be of particular interest to have a modular thermal system which is formed by connecting different modules for the elements, flexibility to use and change models for individual elements, add or remove elements without changing the entire code. A numerical approach to handle the heat transfer and fluid flow in such systems helps in saving the full scale experiment time, cost and also aids optimisation of parameters of the system. In subsequent sections are presented a short summary of the work done until now on the orientation of the thesis in the field of numerical methods for heat transfer and fluid flow applications, the work in process and the future work.

Métabolisme énergétique de la femme enceinte [Energy metabolism in the pregnant woman].

The maternal and foetal anabolic phase characterizing pregnancy requires energy storage and hence a state of positive energy balance. Dietary surveys, however, have shown an increase in energy intake during pregnancy of small magnitude only. Furthermore, indirect calorimetry measurements indicate an elevation of basal or resting energy expenditure (EE), particularly during the 3rd trimester of pregnancy. These results are confirmed by measurements performed in a respiration chamber which showed that the rate of 24 hours EE of pregnant women is significantly more elevated in the 3rd trimester than in the nonpregnant state; the latter is explained by a rise of basal EE and to a smaller extent by an increase in energy cost of moving around as a result of the greater body weight. In contrast, when the results are expressed per unit body weight, the difference in 24 hours EE observed during pregnancy disappeared. It seems that energy sparing mechanisms-which are still largely unknown-may come into play during this period: postprandial thermogenesis appears to be blunted during pregnancy. This indicates an increase in net efficiency of food energy utilization. The degree of adaptation of physical activity-which has not been previously investigated-remains a research topic of great interest for the future.

Energy gap in the aetiology of body weight gain and obesity: a challenging concept with a complex evaluation and pitfalls.

The concept of energy gap(s) is useful for understanding the consequence of a small daily, weekly, or monthly positive energy balance and the inconspicuous shift in weight gain ultimately leading to overweight and obesity. Energy gap is a dynamic concept: an initial positive energy gap incurred via an increase in energy intake (or a decrease in physical activity) is not constant, may fade out with time if the initial conditions are maintained, and depends on the 'efficiency' with which the readjustment of the energy imbalance gap occurs with time. The metabolic response to an energy imbalance gap and the magnitude of the energy gap(s) can be estimated by at least two methods, i.e. i) assessment by longitudinal overfeeding studies, imposing (by design) an initial positive energy imbalance gap; ii) retrospective assessment based on epidemiological surveys, whereby the accumulated endogenous energy storage per unit of time is calculated from the change in body weight and body composition. In order to illustrate the difficulty of accurately assessing an energy gap we have used, as an illustrative example, a recent epidemiological study which tracked changes in total energy intake (estimated by gross food availability) and body weight over 3 decades in the US, combined with total energy expenditure prediction from body weight using doubly labelled water data. At the population level, the study attempted to assess the cause of the energy gap purported to be entirely due to increased food intake. Based on an estimate of change in energy intake judged to be more reliable (i.e. in the same study population) and together with calculations of simple energetic indices, our analysis suggests that conclusions about the fundamental causes of obesity development in a population (excess intake vs. low physical activity or both) is clouded by a high level of uncertainty.

Paineilmajärjestelmän ja -hankinnan kehittäminen sementtitehtaalla

Työn tavoitteena oli kartoittaa Lappeenrannan sementtitehtaan paineilmajärjestelmä, tehdä järjestelmän kehittämissuunnitelma ja arvioida suunnitelman mukaisen investoinnin kannattavuus investointilaskelmilla. Kartoituksesta selviää paineilman hankinnan toteutus, järjestelmään kuuluvien laitteiden selvitys ja energiankulutus sekä jakeluverkon ja paineilman käytön kartoitus. Kartoituksen ja aineiston pohjalta laadittiin suunnitelma järjestelmän kehittämiseksi. Aineistoa kerättiin haastattelemalla laitetoimittajia sekä muiden sementtitehtaiden johtoa. Paineilman käyttöä tehostettiin ja tehtaan matalapaine- eli kuumailmaverkon osalta tehtiin suunnitelmat sen täydellisestä uusimisesta. Tehtaan korkeapaine- eli yleisilmaverkkoon päätettiin olla investoimatta työssä esiteltävien käytännön syiden vuoksi. Investoinnin taloudellinen kannattavuus arvioitiin työhön rakennetulla investointilaskentamallilla. Sen avulla laskettiin investoinnin kannattavuus annuiteettimenetelmällä. Laskelmien tulokseen liittyvä epävarmuus arvioitiin myös malliin rakennetulla herkkyysanalyysillä. Lisäksi mallilla vertailtiin investoinnin eri hankintavaihtoehtojen kannattavuutta. Investointi osoittautui kannattavaksi.