[pt] Uma análise experimental é desenvolvida para avaliação da transferência de calor durante a fusão ao redor de um cilindro isotérmico vertical imerso em um meio de mudança de fase. A posição e forma da interface sólido-líquido é determinada como função do tempo, para diferentes temperaturas do cilindro. A relação altura/diâmetro é de cinco, para comparação com resultados já existentes. A faixa de Número de Stefan investigado foi de 0,017 a 0,33 o que equivale a uma faixa de Número Rayleigh de 7x10 elevado a quarta potência a 2x10 elevado a sexta potência. Os dados obtidos foram utilizados para a determinação dos números de Nusselt locais na interface e médios para a superfície do cilindro. A dependência da massa fundida com o tempo foi também determinada, parametrizada por Rayleigh. Soluções do problema de fusão sem os efeitos de convecção natural (Problema tipo STEFAN) foram obtidos via método de elementos finitos e estes resultados foram comparados com os dados experimentais obtidos. Isto permitiu a determinação do tempo quando os efeitos de convecção natural tornam-se importantes. Comparações com resultados numéricos publicados, para a mesma condição física, foram desenvolvidas obtendo excelentes concordâncias. / [en] An experimental investigation was performed to determine heat transfer coefficients during the outward melting of a phase-change material (PCM),maintained at its fusion temperature, around an isothermal cylinder positioned vertically. The position and shape of the Solid-liquid interface were determined as a function of time, for diferent temperatures of the cylinder. The ratio height-to-diameter of the cylinder was chosen to be five, in order to allow comparisons with available results. The Stefan number range investigated was 0,017 - 0,33 corresponding to a Rayleigh number variation from 7x10 to the fourth power to 2x10 to the sixth power. The data obtained was used in the determination of local Nusselt numbers for the interface and average Nusselt numbers for cylinder surface. The dependence of the molten mass on time was also determined, for several combinations of the relevant parameters. Solutions of the axisymmetric melting problem without natural convection effects (Stefan-like problem) were obtained via finite-element analysis. These numerical results were compared with the experimental data, which permitted the determination of times when the natural convection effects in the liquid region become of importance. The experimental data were compared with the results of an available numerical analysis of the same physical situation, and excellent agreement was obtained.

[pt] Este trabalho apresenta uma análise da técnica de injeção de dióxido de carbono em aqüíferos salinos para fins de descarte e armazenamento. O objetivo foi obter as características do aqüífero a ser selecionado e do processo de injeção, visando uma maior quantidade de CO2 estocada num menor tempo. Para tanto se realizou uma revisão da literatura sobre os dados de laboratório disponíveis para o CO2 e água salgada. Também se pesquisou sobre campos de CO2 que podem servir como análogos ao método de armazenamento geológico deste gás, bem como, se levantou condições consideradas adequadas para a técnica em questão e sobre estudos de simulação numérica. A partir das informações obtidas na revisão bibliográfica e após validação do modelo de fluidos aos dados de laboratório, se definiu as variáveis do processo a serem analisadas e elaborou-se uma metodologia para o estudo. O procedimento consistiu em estabelecer as premissas para a simulação numérica do cenário-base e gerar os casos derivados. Assim foi necessário alterar individualmente cada um dos seguintes parâmetros: salinidade, profundidade, permeabilidade horizontal, relação entre as permeabilidades vertical e horizontal, vazão de injeção, porosidade e saturação de água residual. Por fim, se aplicaram os critérios, definidos na metodologia proposta, para comparar os resultados das simulações e concluiu-se que as características mais importantes e que possibilitaram, segundo as premissas adotadas, o armazenamento de uma maior quantidade de CO2 em um menor intervalo de tempo são, em ordem decrescente de importância: maior vazão de injeção, maior permeabilidade horizontal e menor profundidade de injeção. / [en] This work shows an analysis of the technique of carbon dioxide injection into saline aquifers with the purpose of discharge and storage. The final goal was to obtain the features of the aquifer, and of the injection process, to be selected in order to make the amount of stored CO2 higher and the injection time smaller. Considering such objective it was initially done a bibliography revision about the available lab data of the CO2 and water properties. It was also surveyed information about the natural CO2 fields that can be applied as analogous into the geological storage of such gas, and it was surveyed important information about the conditions considered suitable to the technique highlighted here and about numerical simulation studies. Then, with all the information surveyed on the previous works and, after validation of the fluid model to the lab data, it was set the process variables to be analyzed and a methodology was built for the study. The procedure consisted in establishing the assumptions to be applied on the numerical simulation of the base case and in generating the derived scenarios. By that way, it was required a change in each of the following properties, individually: salinity, depth, horizontal permeability, relation between vertical and horizontal permeabilities, injection rate, porosity and residual water saturation. Finally, it was applied the criterion set with the proposed methodology in order to compare the simulation results and it was concluded that, following the adopted assumptions, the most important features which allowed the storage of a higher amount of CO2 and a lower injection time, were in a decreasing order: higher injection rate, higher horizontal permeability and lower depth for the injection.

[pt] Para contribuir com a mitigação das mudanças climáticas, tecnologias com o intuito de promover a redução de emissões dos Gases de Efeito Estufa, como é o caso do dióxido de carbono, tem obtido grande destaque nas pesquisas ultimamente. Uma das alternativas para impedir que todo esse carbono seja liberado para a atmosfera é reinjetar o CO2 nos próprios reservatórios ou em outras formações geológicas próximas. Neste sentido, esta dissertação apresenta uma tecnologia relacionada à captura e armazenamento geológico de CO2 e avalia o processo de injeção de dióxido de carbono em aquíferos salinos. O principal objetivo é avaliar o processo de injeção de dióxido de carbono em aquíferos salinos de rochas carbonáticas, numa escala de tempo de três mil anos, para avaliar o aprisionamento do CO2 em suas diferentes formas, incluindo o armazenamento mineral. Tal estudo também considera na modelagem, as reações químicas entre os componentes na fase aquosa e a difusão molecular do dióxido de carbono na fase aquosa, assim como as reações químicas de dissolução e precipitação mineral. A partir das informações obtidas em literatura, estabeleceu-se as premissas para a simulação do caso base, e gerou-se casos derivados variando individualmente cada uma das seguintes propriedades: difusividade, salinidade, pH e temperatura, no qual avaliou-se a contribuição de cada uma delas nas diferentes formas de armazenamento do CO2. Por fim, concluiu-se que a mineralização do CO2 iniciou-se após aproximadamente 200 anos de simulação. No entanto, devido às lentas taxas da reação de precipitação mineral, a predominância do armazenamento do CO2 ainda foi na forma dissolvida. As propriedades variadas que contribuíram para o aumento do armazenamento mineral de CO2, que é considerada a forma mais estável, foram: menor fator de difusividade, maior salinidade do aquífero, pH básico (pH igual a 8,0) e maior temperatura. / [en] In order to contribute to climatic changes mitigation, technologies aiming the reduction of pollution gases emissions, such as carbon dioxide, have been highlighted in recent researches. One of the alternatives to prevent all this carbon from being released into the atmosphere is to reinject CO2 into reservoirs or in other nearby geological formations. In this sense, this work presents a technology related to the capture and geological storage of CO2 and evaluates the carbon dioxide injection process into saline aquifers. The main objective is to evaluate the carbon dioxide injection process in saline aquifers of carbonate rocks, in a time scale of three thousand years, to evaluate the storage mechanism of CO2 in its different forms, including mineral storage. Such study also considers in the modeling, the chemical reactions between the components in the aqueous phase and the molecular diffusion of the carbon dioxide in the aqueous phase, as well as the chemical reactions of mineral dissolution and precipitation. From the research made and the information gathered in the literature, the premises for the simulation of the base case were established, and derivative cases were generated by individually varying each of the following properties: diffusivity, salinity, pH and temperature, in which the contribution of each property was evaluated on the different CO2 storage forms. Finally, it was concluded that the injected CO2 mineralization process started after approximately 200 years of simulation. However, due to slow rates of the mineral precipitation, the CO2 storage in the dissolved form was still predominant. The different properties that contributed to increase the CO2 mineral storage, which is considered the more estable one, were: lower diffusivity factor, higher aquifer salinity, basic pH (pH equal to 8.0) and higher temperature.

[pt] Um gerador de pasta de gelo foi desenvolvido para o estudo experimental de suas características de transferência de calor. Uma das características da pasta de gelo é que pode ser bombeada como qualquer líquido. O gerador de pasta de gelo é um evaporador, do tipo trocador de calor de superfície raspada com intensificação mecânica de transferência de calor. Foi estabelecida a influência de vários parâmetros na transferência de calor no gerador de pasta de gelo: a vazão mássica, a velocidade de rotação do raspador, a temperatura da parede na interface, a temperatura de operação da solução aquosa, entre outros. Estudou-se tanto a transferência de calor com ou sem mudança de fase. Utilizaram-se soluções aquosas de etanol com diferentes concentrações. A pasta de gelo era produzida continuamente sem acumulação no evaporador. O gerador era parte de um sistema integral contendo os seguintes componentes: o sistema de medição da fração de gelo on-line, através da medição da massa específica da pasta de gelo; uma bomba helicoidal de cavidade progressiva, que permitia controlar a vazão, por meio de um variador de freqüência; um aquecedor elétrico, atuando como carga térmica, com a possibilidade de variar a capacidade desta carga térmica e, com isto, o controle da temperatura de operação do sistema; e o sistema de aquisição de dados. Foi estabelecido um modelo para determinar, experimentalmente, o número de Nusselt e, por conseguinte, o coeficiente interno de transferência de calor da pasta de gelo. Utilizou-se uma unidade condensadora convencional, com R22 como fluido refrigerante. A pasta de gelo resultante era bombeada continuamente em um circuito fechado, assegurando o estudo de um fluido homogeneamente distribuído, visto que o circuito não permitia a acumulação de pasta de gelo. Os sistemas de geração de pasta de gelo apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulação estáticos de gelo ou dinâmicos, como o ice harvesting. / [en] An ice slurry generator for was developed for the experimental study of its heat transfer characteristics. One of the main characteristic of ice slurry is that it can be pumped as any liquid. The ice slurry generator is an evaporator, with mechanical heat transfer enhancement, by surface scraping. The dependence of several parameters on heat exchanger performance was established. They included: mass flow rate, scraped rotational velocity, surface temperature, solution operating temperature. Single and two-phase flow was studied. Aqueous ethanol solutions, of different concentrations, were used. Ice slurry was produced on a continuous basis. The experimental apparatus consisted of the heat exchanger itself, an on-line ice mass fraction measurement device, a helicoidal positive displacement variable flow rate pump, an electrical heater, the data acquisition system and a R22 condensing unit. The ice slurry was pumped continuously on a closed circuit, providing a homogeneous fluid, as no accumulation of ice was possible. Ice slurry systems have the potential of significant reduction on capital and maintenance costs, when compared to traditional technologies, static or dynamic, of ice thermoaccumulation.

[pt] Um sistema térmico de armazenamento da energia com pasta de cristais de gelo foi desenvolvido para aplicações de condicionamento de ar e resfriamento de processos. O sistema usa um evaporador orbital de haste, um trocador de calor vertical do tipo tubo e carcaça com intensificação mecânica de transferência de calor. A pasta de gelo é produzida continuamente sem acumulação no evaporador e é compatível com unidades condensadoras convencionais, tanques de armazenamento e bombas. Soluções aquosas diluídas ou soluções inorgânicas de salmoura promovem a formação de cristais de gelo, e o gelo líquido resultante pode ser bombeado ou por gravidade alimentar um tanque de armazenamento. O circuito hidráulico de refrigeração (carga térmica) pode ser desacoplado da produção do gelo utilizando-se o tanque de armazenamento. O armazenamento de gelo líquido fornece temperaturas consistentemente baixas à medida que se derrete o gelo, que por sua forma pode ser derretido também muito rapidamente. Com suas altas temperaturas características de evaporação e elevados fluxos do calor, os sistemas de geração de gelo líquido apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas estáticos de gelo ou ice harvesting. / [en] New ice crystal slurry thermal energy storage (TES) system has been developed for both HVAC and process cooling applications. The system uses an orbital rod evaporator (ORE), a vertical shell-and-tube heat exchanger with mechanical heat transfer augmentation, as a dynamic ice maker to generate liquid ice. Ice forms continuously without accumulation in the ORE and is compatible with conventional condensing units, storage tanks, and pumps. Dilute glycol or inorganic brine solutions promote formation of ice crystals, and the resulting liquid ice may be pumped or gravity fed to a storage tank. The cooling load circuit can be hydraulically decoupled from ice production at the storage tank. Stored liquid ice provides consistently low solution supply temperatures over significant portions of the ice melt period and may be melted very rapidly. With its characteristic high evaporator temperatures and high heat fluxes, ORE TES systems have the potential for significantly lower capital and operating costs than static ice or ice harvesting technologies.

[pt] Os mecanismos envolvidos na produção de metano e no sequestro de CO2 no carvão são complexos, tendo em vista grande quantidades de fatores envolvidos no processo. O entendimento do comportamento mecânico do carvão assim como a caracterização de sistema poroso é de fundamental importância para o êxito de um projeto de explotação. Esse trabalho visou à caracterização de amostras de carvão oriundas da camada Barro Branco. A fim de caracterizar o sistema poroso do material, uma campanha de análises foi programada como: microtomógrafo, microscopia eletrônica de varredura (MEV), micropermiametria e porosimetria por injeção a mercúrio. Ensaios mecânicos foram realizados visando à caracterização mecânica do material e a validação de um modelo constitutivo. O carvão apresentou comportamentos mecânicos de resistência e deformabilidade consistentes e com pouca variabilidade, o que permitiu um ajuste confiável da envoltória de resistência de Mohr-Coulomb bem como o do modelo constitutivo elastoplástico de Lade-Kim. / [en] Mechanisms involved in geological storage of CO2 and eventual production of methane are complex due to a number of different factors involved. One of the important factors to be taken into account is the geomechanical behaviour of coal, key to the success of the exploration as well as the characterization of the pore structure of the material.Coal can be regarded as a sedimentary rock possessing two perpendicular families of microfissures called cleats.This work presents results of an experimental program aiming at the characterization of the mechanical properties of coal from the Barro Branco formation. A constitutive model (Lade-Kim s model) was tested in order to check its validity in the representation of the stress-strain-strength behaviour of the coal. Lade-Kim s model is well accepted for the representation of the mechanical behaviour of soft rocks. Furthermore, in order to characterize the porous structure of the material, a number of tests were performed such as: X Ray Micro CT scan, scanning electron microscopy, minipermeameter determination of permeability and mercury injection porosimetry.

[pt] Atrelado aos cenários cada vez mais complexos de extração de energia, o estudo de fenômenos acoplados em meios porosos - notadamente térmicos, hidráulicos, químicos e mecânicos - tem se apresentado como essencial na previsão de comportamento de meios geológicos no que diz respeito à disposição de rejeitos radioativos, armazenamento de dióxido de carbono, engenharia de reservatórios geotérmicos e geomecânica de reservatórios. Assim, este trabalho objetiva desenvolver um esquema de acoplamento termo-hidro-mecânico-químico iterativo visando a simulação do armazenamento geológico de dióxido de carbono, empregando um simulador de fluxo composicional (GEM) e um programa de análise de tensões (ABAQUS ou CHRONOS). A idealização das metodologias de acoplamento foi efetuada através dos processos hidro-mecânico, termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico, bem como as validações e aplicações em casos reais. Os casos de validação, realizados empregando modelos simplificados monofásicos, apresentaram resultados satisfatórios quanto ao comportamento hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico. Adicionalmente às validações, os esquemas termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico foram aplicados em dois casos reais de armazenamento de CO2 apresentados na literatura, projeto In Salah (Argélia) e aquífero Utsira (Noruega), respectivamente. De maneira geral, os resultados encontrados, para ambos os casos estudados, representaram acuradamente as respostas encontradas em campo, fato que evidencia a qualidade, robustez e aplicabilidade dos esquemas de acoplamento propostos neste trabalho. / [en] Considering the increasingly complex scenarios of energy extraction, the study of coupled phenomena in porous media - notably thermal, hydraulic, chemical and mechanical - has been considered as essential in order to predict the behavior of geological media with regard to radioactive waste storage, CO2 geological storage, geomechanics of geothermal reservoirs and reservoir geomechanics. Thus, this work aims to develop a thermo-hydro-mechanical-chemical iterative coupling scheme in order to simulate the geological storage of CO2, employing a compositional flow simulator (GEM) and a stress analysis program (ABAQUS or CHRONOS). The idealization of the coupling methodologies was carried out through the processes hydro-mechanical, thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical, as well as the validations and applications in real cases. The validation cases, performed employing simplified single-phase models, presented satisfactory results regarding the hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical behaviors. Additionally to the validations, the thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical schemes were applied in two real cases of CO2 geological storage reported by the literature, In Salah project (Algeria) and Utsira aquifer (Norway), respectively. In general, the results found, in both cases studied, accurately represented the behavior observed in the field, which in turn highlights the accuracy, robustness and applicability of the coupling schemes proposed in this work.

[pt] O advento da Internet coloca grandes desafios para o projeto de sistemas de submissão abertos, uma vez que elimina barreiras físicas e geográficas. A redução de custos, associada a passagem de mídias analógicas para digitais, dificultou a projeção de capacidades e recursos necessários para a construção de tais sistemas. Neste trabalho propomos uma arquitetura de software, baseada em computação na nuvem, que provê a escalabilidade necessária para a construção de sistemas de submissão abertos. Estes sistemas são caracterizados pela geração de grandes volumes de dados. Um caso real de uso é analisado utilizando o processamento de vídeos. / [en] The advent of the Internet poses great challenges to the design of public submission systems as it eliminates traditional barriers, such as geographical location and cost. With open global access, it is very hard to estimate storage space and processing power required by this class of applications. In this thesis we explore cloud computing technology as an alternative solution. The main contribution of this work is a general architecture in which to built open access, data intensive, public submission systems. A real world scenario is analyzed using this architecture for video processing.

[pt] O aumento da penetração de fontes de energia intermitentes é uma realidade dentro da matriz energética brasileira. A utilização em larga escala de energia renovável diminui a flexibilidade operativa com a redução da inércia equivalente sincronizada no sistema, podendo colocar em risco a segurança e a qualidade do suprimento de energia dos sistemas elétricos de potência com a diminuição da capacidade de regulação de frequência. Com expectativas de crescimento acentuado, surgem os dispositivos de armazenamento de energia (Energy Storage Devices – ESD) como uma alternativa viável para contornar essas dificuldades, principalmente quando se trata de um sistema de potência isolado. Nesta dissertação, avalia-se o comportamento dinâmico do sistema elétrico do estado de Roraima, através de uma metodologia desenvolvida para quantificar a penetração de energia renovável intermitente em sistemas isolados. Avalia-se também como a utilização de dispositivos de armazenamento de energia podem contribuir para o controle de frequência, observando as vantagens que tais dispositivos podem acarretar nesse sistema. A construção do Mapa de Decisão pode auxiliar as análises tanto na etapa de planejamento como na fase de programação e operação dos sistemas. Nas simulações realizadas foi possível constatar que a utilização de ESD pode promover um aumento significativo na penetração de usinas renováveis intermitentes, como eólica e solar fotovoltaica, em sistemas de potência isolados / [en] The increase in the penetration of intermittent energy sources is a reality within the Brazilian energy matrix. The large-scale use of renewable energy decreases the operational flexibility with the reduction of the equivalent inertia synchronized in the system, which can endanger the safety and quality of the energy supply of electric power systems with the reduction of the frequency regulation capacity. With expectations of sharp growth, energy storage devices (ESD) appear as a feasible alternative to overcome these difficulties, particularly when it comes to an isolated power network. In this dissertation, the dynamic assessment of the electrical system of the state of Roraima is evaluated, using a methodology developed to quantify the penetration of intermittent renewable energy in isolated systems. It is also evaluated how the use of energy storage devices can contribute to frequency control, observing the advantages that such devices can bring to this system. The construction of the Decision Map can assist the analyses during the planning, programming and operation phases. In the simulations carried out, it was possible to verify that the use of ESD can promote a significant increase in the penetration of intermittent renewable plants, such as wind and solar photovoltaic, in isolated power systems.

[pt] Umas das principais características do Sistema Elétrico Brasileiro é a alta penetração de renováveis, principalmente da energia hidráulica, e com destaque para a expansão das fontes solar e eólica. No entanto, estas duas últimas têm como particularidades a inerente variabilidade e imprevisibilidade, mesmo no curto prazo. Para lidar com este problema, usinas hidrelétricas reversíveis (UHR) vem sendo consideradas com uma boa complementação às fontes intermitentes devido a sua capacidade de armazenamento de energia em períodos de baixa demanda. No Brasil, ainda não há UHRs em operação comercial, e este trabalho analisará a viabilidade econômico-financeira de sua implantação no país. Adicionalmente, será estudada a contratação ótima, sob o ponto de vista da UHR, em dois mercados, um de longo prazo e outro de curto prazo com preços de liquidação de diferenças (PLD) horários. / [en] One of the main characteristics of the Brazilian Electrical System is the high penetration of renewable energy, mainly hydroelectric power, and especially the expansion of solar and wind power sources. However, these last two sources have as their main characteristics the inherent variability and unpredictability, even in the short term. To deal with this issue, pumped-storage hydropower plants (UHR) are being considered as a good complementation to these intermittent sources, due to their energy storage capacity in low demand periods. In Brazil, there are still no UHRs in commercial operation, and this work will analyze the economic and financial viability of their implementation in the country. In addition, the optimal hiring, from the UHR s point of view, will be studied in two markets: long-term and short-term with hourly settlement prices (PLD).