ISEP - DM – Energias Sustentáveis
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- Optimization and economic analysis of energetic systems in a wastewater treatment plantPublication . Gonçalves, Rúben Ramalho; Ramos, Sérgio Filipe CarvalhoThe main purpose of this work was the development of energy optimization procedures for a wastewater treatment plant. Along with it, solutions were presented and analysed for economic viability. For this aim, extensive bibliographic research was undertaken to better understand the existing tools, models, and results already achieved with each set of conditions. To elaborate the case-study, data for biogas production and electricity needs of a wastewater treatment plant were retrieve. Alongside it, the Solcast API was utilized to retrieve historical data. After schematizing the functioning of the plant, a rule-based approach was selected for the simulation and optimization of energy. To guide the programming, flowcharts were designed to mimic the relations between each set of variables and components. With the intent of making the simulator have a more widespread utilization, the required programming was executed in Excel and VBA (Visual Basic for Applications). The results were broken down and analysed with the objectives of burnt biogas minimization, cost reduction, and self-sufficiency in view. Results showed a vast improvement after the introduction of the energy optimization system, with self-sustainability ratio increasing from 70% to above 91% in all analysed scenarios with both biogas and photovoltaic as renewable energy sources. The implementation of a secondary cogeneration unit was studied, to reduce the amount of burnt biogas in low-purchase scenarios. Results showed that the application of a second cogeneration unit can be profitable, if the wasted biogas is close to 25% of the total production. Similarly, the cost-effectiveness of the implementation of the photovoltaic system was also analysed, due to the high amount of exceeding energy derived from this source of energy. Two solutions were tested. The first one showed that establishing a renewable energy community with neighbouring facilities is a viable alternative to utilize the excess of produced electricity, with the internal rate of return oscillating between 38.68% and 15.45%, depending on the simulation scenario. The second analysis consisted of a sensitivity analysis of the selling price of electricity. It utilized the scenario which yielded the worst result on the previous analysis. It determined that, for selling prices higher than 0.15 €/kWh, it can be a viable option to sell the electricity back to the grid, even though it does not achieve the same economic benefits as the community approach.
- Desenvolvimento de protocolos de testagem de catalisadores para a produção de hidrogénio verdePublication . Fortunato, Mariela Osíris Manuel; Caetano, Nídia de SáNum contexto global de crescentes preocupações com as alterações climáticas, o desenvolvimento de tecnologias que contribuam para o processo de transição energética assume grande importância. Neste âmbito, a produção de hidrogénio verde através da eletrólise da água revela-se bastante promissora, não só pela capacidade de produzir um vetor ou portador de energia sustentável, mas também pelo seu contributo para a redução das emissões de gases com efeito de estufa. No entanto, esta tecnologia apresenta algumas limitações, como a inexistência de protocolos padronizados para a testagem de catalisadores, que são fundamentais para a correta comparação de resultados entre diferentes laboratórios e, assim, para o avanço desta tecnologia. Com base na revisão bibliográfica, foi estudada a estabilidade de um material catalisador de irídio e realizados testes de degradação acelerada, com o objetivo de propor protocolos de testagem de catalisadores por meio de técnicas de caracterização eletroquímica utilizando o elétrodo de disco rotativo. O catalisador foi caracterizado por voltametria cíclica, voltametria de varrimento linear e espectroscopia de impedância eletroquímica. O teste de estabilidade foi efetuado por cronopotenciometria, enquanto os testes de degradação acelerada foram realizados através de ciclos potenciodinâmicos de voltametria cíclica e ciclos alternados de tensão (arranque/paragem), simulando a intermitência típica de fontes de energias renováveis. Com os resultados obtidos, conclui-se que os protocolos de teste aplicados são eficientes e reprodutíveis. Desta forma, foram apresentadas duas propostas de protocolos para a testagem de catalisadores.
- Produção de biocombustível a partir de biomassa microalgal produzida no tratamento de uma água residualPublication . Ribeiro, Ana Catarina Pinto; Caetano, Nidia de SáAs microalgas são organismos fotossintéticos capazes de sobreviver em condições climatéricas extremas e adaptar-se a diferentes metabolismos consoante o ambiente onde se inserem. No contexto deste trabalho, a sua importância passa pela capacidade de fixação de CO2 e composição elevada de lípidos, fundamental para a utilização da biomassa como matéria-prima para a produção de biocombustíveis, como o biodiesel. A presente dissertação teve como objetivo estudar a capacidade de crescimento microalgal em meio com água residual doméstica, sem tratamento, para posterior utilização na produção de biodiesel, como forma de reduzir o consumo de nutrientes caros e realizar simultaneamente o tratamento de uma água residual doméstica. A Chlorella vulgaris foi cultivada com diferentes quantidades de meio BBM e água residual, tendo-se verificado que a substituição de parte do meio BBM por água residual recolhida no interior do tanque de arejamento resultava numa maior produção de microalgas. A biomassa liofilizada dos ensaios de crescimento foi utilizada em dois métodos diferentes de extração lipídica, com adaptações para comparação do rendimento de extração, tendo sido obtidos resultados de 10 a 22% de lípidos na biomassa seca, valores dentro da gama expectável no cultivo com estas condições. Nas condições utilizadas, o método mais eficaz foi o de Matyash em que é usado metanol e MTBE como solventes de extração. A produção de biodiesel foi realizada segundo diferentes protocolos de transesterificação direta (ácida ou alcalina), com ou sem utilização de co-solvente (hexano), tendo resultado num rendimento de produção de biodiesel na ordem dos 6,4 g biodiesel / 100 g biomassa seca. Dados os resultados obtidos, foi possível produzir biodiesel, mas concluiu-se que o processo é moroso e beneficiaria de otimizações para ser no futuro aplicado à escala industrial. O procedimento testado neste trabalho de utilizar biomassa liofilizada diretamente para a produção de biodiesel, eliminando a necessidade de extração de lípidos, poderá ser útil para esse fim. Outras dificuldades observadas durante o trabalho devem ser avaliadas no futuro quanto ao impacto no processo, destacando-se o efeito do arejamento das culturas nos ensaios de crescimento, a avaliação da composição das águas residuais no que diz respeito a nutrientes de interesse e outros fatores que possam afetar a taxa de crescimento e a composição das microalgas.
- Análise do comportamento térmico e energético de um edifício de habitação e de comércio e serviços com simulação dinâmicaPublication . Vieira, Rita Carlos Teixeira; Fontão, Eunice Maria VilaverdeOs edifícios têm grande impacto nas emissões de gases com efeito de estufa, devido ao alto consumo de energia causado pelo uso de equipamentos elétricos antigos, falta de manutenção adequada traduzindo-se em baixa eficiência energética que resulta da incapacidade de utilizar energia de forma eficaz. A certificação energética vem melhorar a eficiência incentivando a práticas mais sustentáveis. No âmbito deste tema foi realizado um estágio, onde foram utilizadas ferramentas para o estudo de comportamento térmico e energético, tanto em edifícios de habitação como de comércio e serviço. No caso da habitação foi utilizada a folha de cálculo do ITEcons e folha de cálculo do PTnZEB. Para os edifícios de comércio e serviços foi realizada a análise térmica com o apoio do Hourly Analysis Program. Realizaram-se durante o estágio um conjunto de tarefas e estudos, nos quais se destacam dois estudos. Para os quais foi realizada a caracterização da sua envolvente opaca e envidraçada, ventilação e sistemas técnicos. Foi feito um estudo e respetiva certificação energética de um edifício de habitação utilizando a folha de cálculo do ITEcons. O segundo estudo foi para um edifício de comércio e serviços utilizando as duas folhas PTnZEB, a simulação dinâmica multizona e o cálculo dinâmico simplificado. Com o objetivo de comparação das principais diferenças dos resultados alcançados. No edifício de habitação obteve-se classe energética A, como esperado, pois trata-se de um edifício novo. No edifício de serviços, a classificação energética resultante foi um B, em ambos os casos simulação dinâmica e cálculo dinâmico, uma vez que se trata de um edifício que irá ser sujeito a uma grande renovação.
- Análise de sustentabilidade das operações de manutenção durante o ciclo de vida de um parque fotovoltaicoPublication . Duarte, Tiago dos Santos; Martins, Florinda FigueiredoAs centrais fotovoltaicas, representam fontes de produção de energia elétrica através do recurso a uma fonte energia renovável com um potencial “infinito”. Energia elétrica que posteriormente poderá ser utilizada em diversas aplicações como o consumo doméstico, consumo industrial ou armazenamento. Contudo, para que durante a sua utilização se consigam atingir os níveis de produção estimados e garantir o fornecimento da procura, é imprescindível uma boa performance destas centrais. Isto significa que durante o ciclo de vida de um parque fotovoltaico existirão diversas intervenções de manutenção, tais como reparação ou substituição de módulos fotovoltaicos, inversores, transformadores e dispositivos de seccionamento de alta tensão para que se garanta a performance estimada e para que possam ser cumpridos todos os contratos associados. Assim configura-se como apropriado determinar o impacto destas atividades de manutenção durante o ciclo de vida da instalação fotovoltaica. Com este trabalho pretende-se a criação de uma matriz de avaliação de sustentabilidade, que possa posteriormente ser usada em futuras instalações no processo de tomada de decisão, contribuindo para o aumento da qualidade de uma instalação e futuras atividades mais sustentáveis. Na aplicação da matriz num caso de estudo foi possível concluir que a dimensão ambiental foi a que sofreu maior impacto. Desta foram, foram calculadas quantitativamente as emissões produzidas durante as diversas ações de manutenção, tendo-se percebido que a manutenção corretiva tem um maior impacto na emissão de poluentes para a atmosfera.
- O Impacto da EcoVadis no Desempenho da Sustentabilidade - Case Study EDP ComercialPublication . Madeira, Jéssica Carvalhinha; Sá, José Carlos Vieira deOs atuais desafios de sustentabilidade e a existência de um mercado cada vez mais competitivo, têm resultado numa maior consciencialização das empresas relativamente à importância de desenvolver os negócios de uma forma responsável, pensando no médio e no longo prazo, e nas necessidades e expectativas dos seus stakeholders (incluindo clientes). A adoção de boas práticas torna-se imprescindível para garantir competitividade e criação de valor de uma forma sustentável. A EcoVadis é uma plataforma que avalia o desempenho de sustentabilidade das empresas, de modo a promover cadeias de fornecimento sustentáveis, estimulando a sustentabilidade dos negócios e da sociedade em geral. No entanto, existe um gap na literatura, sobre o efeito da metodologia EcoVadis no desempenho organizacional. Assim surgiu a questão da investigação: Qual é o impacto da EcoVadis no Desempenho de Sustentabilidade das Organizações? Com o intuito de responder a esta questão, a presente investigação explora de que modo a utilização do registo EcoVadis permite potenciar a adoção de estratégias de sustentabilidade, enquanto ferramenta diferenciadora para a criação de valor para as Organizações e respetivos stakeholders. Para atingir os objetivos definidos, foi utilizada uma metodologia case study, na qual se avalia a evolução do desempenho de sustentabilidade de uma empresa de referência no setor energético português, que utiliza a ferramenta EcoVadis para report e melhoria contínua do seu desempenho. Os resultados apresentam as medidas implementadas pela empresa analisada para elevar o seu desempenho de sustentabilidade em 2023, considerando os insights do processo de avaliação EcoVadis em 2022. Verificou-se um aumento do desempenho avaliado pela EcoVadis, entre esse período, e concluiu-se que as medidas que mais impactaram esta melhoria foram a (i) criação de indicadores de monitorização específicos para a empresa analisada (separados do grupo empresarial a que pertence), (ii) o incremento da qualidade do report, validado por uma terceira parte, e (iii) os programas de transformação cultural implementados para melhorar o desempenho de sustentabilidade na organização (segurança e saúde no trabalho, security, circularidade, well-being, gestão sustentável da cadeia de fornecimento, etc.). Através da presente investigação, foi possível constatar que a EcoVadis contribui para potenciar a implementação de boas práticas de sustentabilidade empresarial, através dos insights do processo de avaliação do ano anterior, bem como do estímulo criado junto da empresa para acelerar o processo de melhoria contínua de modo a obter um rating superior, algo que é valorizado pelos clientes e pela sociedade em geral. A EcoVadis provou ser uma mais-valia para a sustentabilidade nas organizações, demonstrando um impacto positivo e significativo não só no desempenho de sustentabilidade das empresas, mas também nas cadeias de fornecimento e na perceção dos stakeholders das empresas. Por fim, tendo por base a literatura e os resultados desenvolvidos, foram propostas algumas estratégias para promover a melhoria contínua do desempenho de sustentabilidade nas organizações, entre as quais, antecipar as tendências relacionadas com o desenvolvimento sustentável, de modo a implementar atempadamente iniciativas organizacionais que permitam endereçar as necessidades e expectativas dos clientes e da sociedade em geral. Através de uma maior proximidade entre as empresas, a academia e as organizações que trabalham os temas da sustentabilidade (p.ex. ONG, ratings de sustentabilidade, etc.), será possível criar vantagens competitivas diferenciadores no mercado. No final da dissertação, são apresentadas algumas oportunidades para continuar a aprofundar a investigação no futuro, assim como as limitações do trabalho desenvolvido.
- Avaliação de Ciclo de Vida de Agregado Artificial de Escórias de Incineração da LIPOR IIPublication . Lopes, Hugo Miguel Martins; Martins, Florinda FigueiredoNo presente trabalho, efetuou-se a avaliação de ciclo de vida de produção de 1 tonelada de agregado artificial de escória, resultante da valorização, como material de construção, da fração residual do processo de valorização energética de resíduos urbanos na LIPOR II, e comparou-se com a produção de agregado britado de origem natural. Com este estudo, pretendeu-se reforçar a validação com marcação CE do agregado artificial de escória que está em desenvolvimento. O estudo tem em conta que a utilização será regional, tendencialmente nos municípios associados da LIPOR, sendo a avaliação de ciclo de vida aplicada na obtenção de matérias-primas, nos resíduos urbanos, e a entrega em obras nos locais estimados na área geográfica indicada. Este estudo foi feito, observando a normalização aplicável, nomeadamente as normas da série ISO 14040, e com ferramenta de cálculo OPENLCA, usando a informação disponibilizada pela LIPOR II relativa à operação e dados secundários provenientes de bases de dados como a ECOINVENT. As categorias de impacto consideradas foram os presentes nos modelos CML IA, IMPACT 2002+ e EN 15804.
- Caracterização avançada de células fotovoltaicas de filme fino tipo CIGSPublication . Monteiro, Pedro Duarte Alves; Fernandes, Paulo Alexandre Franco PonteThe world is currently facing a global energy crisis which requires investment in new energy production technologies. Renewable energy sources are becoming increasingly important as an alternative and complement to fossil energy sources. A highlight in this scenario is solar energy, especially photovoltaic production, since it can be used in a variety of environments and scales. The use of solar energy has evolved over the years, with new structures and materials being sought for their development, one such solution being second-generation solar cells based on copper, indium, gallium and selenium, known as CIGS. However, mass production of these cells faces challenges such as oxidation and lack of sodium, which are difficult to overcome. To understand how these problems affect solar cells, a study based on electrical tests were carried out, including measurements of current vs voltage, external quantum efficiency, capacitance vs voltage, light intensity-dependent current vs voltage and temperature-dependent current vs voltage. The results show that both production problems have a negative impact on solar cells, with oxidation causing only a small reduction in efficiency, while a lack of sodium leads to the creation of electron barriers and high recombination rates, resulting in a significant loss of efficiency.
- Casa energeticamente autossustentávelPublication . Ribeiro, João Carlos Gonçalves Sá e Silva; Ramos, Sergio Filipe CarvalhoEste trabalho foca-se no desenvolvimento de estratégias e soluções para a otimização energética de uma habitação turística, com o fim de alcançar autossuficiência energética através da integração de sistemas de produção de energia renovável. A relevância desta investigação reside na necessidade urgente de mitigar os impactos ambientais decorrentes do consumo energético proveniente de fontes não renováveis, promovendo a sustentabilidade e eficiência energética em edificações. A habitação em estudo, já construída, não foi originalmente projetada com princípios de sustentabilidade, impondo assim limitações e desafios únicos. O estudo procedeu com uma análise aprofundada do desempenho energético atual do edifício e explorou potenciais melhorias através de simulações energéticas e dimensionamento de sistemas renováveis, considerando dois cenários: um “Ideal”, que ignora as restrições práticas e visa a autossuficiência total, e um “Real”, ajustado às condições e restrições existentes da habitação. Nos cenários propostos, foram analisadas a viabilidade e a eficácia de diferentes combinações de tecnologias renováveis, sempre considerando o retorno do investimento ao longo de um período de 25 anos, a vida útil estimada do sistema. A análise revelou que o cenário “Real”, embora não alcançasse a autossuficiência total, conseguiu satisfazer integralmente as necessidades térmicas de AQS e parcialmente as elétricas da habitação, demonstrando ser uma solução tecnicamente viável e economicamente rentável, com um retorno do investimento em 9 anos. Este trabalho não só valida a aplicação prática de soluções renováveis em habitações já existentes, mas também destaca a importância da adaptabilidade e inovação contínua em projetos de sustentabilidade energética, contribuindo significativamente para a literatura existente e para futuras implementações em edifícios residenciais.
- Estudo de viabilidade económico-ambiental de sistema passivo de armazenamento de energia térmica usando materiais de mudança de fase (PCMs)Publication . Pinto, Ricardo Manuel Lemos Correia Santos; Costa, José Carlos Pereira Lopes daO contínuo aumento do nível de emissões de gases com efeito de estufa e a necessidade de segurança face a crises energéticas, que provocam a subida dos preços dos combustíveis, são os principais impulsionadores do esforço de transição energética para fontes renováveis de energia. Essa transição passa pela massificação na utilização de tecnologia de produção de energia renovável, que apresenta uma grande variabilidade na produção, por estar dependente da disponibilidade do sol, água ou vento. Atendendo a essa variabilidade, a par do incremento de fontes de energia renovável, está também o armazenamento de energia, que pelo seu papel de conservação de energia, além de reduzir o desfasamento entre a oferta e procura, melhora o desempenho, fiabilidade e eficiência dos sistemas energéticos. Isto proporciona a poupança de combustíveis, pela redução do desperdício de energia, aumentando a rentabilidade do sistema energético e reduzindo assim o custo de capital. A presente dissertação, realizada em parceria com a empresa MC, nomeadamente no Entreposto de Congelados do Pólo Logístico da Maia, visa estudar a eficiência energética, a viabilidade económica e o impacto na pegada de carbono obtida pela implementação de um sistema passivo de armazenamento de energia térmica, utilizando materiais de mudança de fase (PCMs) no interior da câmara de congelados. Com o objetivo de se determinar a produção de eletricidade da instalação de painéis fotovoltaicos, efetuou-se uma simulação, utilizando o software PVsyst. Conhecida a energia produzida pela instalação fotovoltaica, consumida para autoconsumo e disponível para venda à rede, o diagrama de cargas da instalação e os consumos do sistema de produção de frio negativo, foi efetuada a ponderação da energia consumida à rede mensalmente, hora a hora, e aplicada a tarifa tetra-horária correspondente ao respetivo período, com a finalidade de se conhecer o valor pago anualmente pela eletricidade consumida na instalação. Tendo-se definido o cenário base, ou seja, os consumos e custos com eletricidade da instalação, procedeu-se então à simulação dos diferentes cenários/perfis de carga do sistema de PCMs, que utilizam o sistema de produção de frio em diferentes momentos do dia. Os cenários considerados foram: carga noturna, carga diurna e carga combinada. Para cada um destes cenários foi ponderada a eficiência associada à utilização dos PCMs e as variações de energia consumida e vendida à rede, considerando diferentes tarifas de compra e venda de eletricidade. Foram calculados os indicadores financeiros e pegada de carbono decorrente da variação de eletricidade consumida à rede, para cada cenário, tendo-se concluído que é possível obter proveitos na utilização de PCMs na câmara de congelados. No cenário de carga noturna o benefício é exclusivamente financeiro, havendo um incremento na pegada de carbono, devido ao acréscimo de eletricidade comprada à rede. No cenário de carga combinada verificaram-se benefícios financeiros e também ambientais, pela redução do consumo de eletricidade à rede, reduzindo a pegada de carbono. O cenário de carga diurna consegue benefício ambiental, mas não financeiro, pelo que foi desconsiderado. Constatou-se que a aplicação dos PCMs possibilitam a diversificação do sistema de modo a viabilizar apenas a carga noturna ou aproveitar também o excedente FV, oferecendo assim a possibilidade de absorver e articular alterações de funcionamento ao longo do tempo, atendendo a flutuações do mercado ou necessidades internas do Pólo. Verificou-se ainda que permite, até certo ponto, flexibilizar e diversificar os horários de carga e de consumo de acordo com as condições tarifárias de eletricidade. Outra conclusão é que bons indicadores económicos podem não corresponder a um menor consumo energético, que se reflita numa redução da pegada carbónica. Pode ser mais vantajoso vender eletricidade à rede, em vez de usar para autoconsumo, levando à compra de eletricidade, na qual o vetor energético é menos sustentável.