[pt] A Indústria do Petróleo e Gás vem implementando sensores a fibra óptica com o intuito de otimizar sua produção através do monitoramento do campo petrolífero em diversas aplicações. Entretanto, há um desafio na implementação de sensores à fibra óptica em locais com presença de compostos como o ácido sulfídrico (H2S). Tal substância, em contato com a umidade, pode gerar reações químicas que resultem na formação de hidrogênio (H2), que ao difundir-se nas fibras ópticas, pode comprometer a capacidade de transmissão do sinal óptico devido à interação deste composto com a estrutura atômica da sílica. O presente trabalho estudou os efeitos de difusão de hidrogênio em quatro diferentes tipos de fibras ópticas, a fim de entender as atenuações induzidas por este processo. Este estudo foi realizado utilizando dois métodos experimentais: a avaliação do desempenho dos sensores de temperatura distribuída (DTS) e a análise dos perfis de atenuação do sinal óptico no infravermelho quando as fibras ópticas foram submetidas a diferentes condições de temperatura e pressão de hidrogênio. Dentre as fibras ópticas estudadas, destaca-se a fibra óptica monomodo especial em tubo de metal (FIMT), que não apresentou atenuações significativas e alterações em sua composição estrutural ao ser exposta a presença de diferentes pressões de hidrogênio e diversas temperaturas. / [en] The Oil and Gas Industry is implementing fiber optic sensors, in order to optimize their production by monitoring oilfield in various applications. However, there is a challenge in the implementation of fiber optic sensors in places with presence of compounds such as hydrogen sulphide (H2S). Such a substance in contact with moisture can cause chemical reactions that result in the formation of hydrogen (H2), whicht spread in to optical fibers, may affect the transmission capacity of the optical signal due to interaction of this compound with the atomic structure of silica. In order to understand such effects, this dissertation studied the impacts of hydrogen diffusion in four fiber optics. This study was conducted using two experimental methods: An evaluation of performance of distributed temperature sensors (DTS) and analysis of the profiles of attenuation of the optical signal in the infrared when the optical fibers were subjected to different conditions of temperature and hydrogen pressure. Among the studied optical fibers, the single mode special optical fiber in metal tube (FIMT) stands out because it s showed no significant attenuation and changes in its structural composition when exposed to different hydrogen pressures and various temperatures.

[pt] Neste trabalho foram sintetizados fotocatalisadores baseados em Ti e suportados nas sílicas mesoporosas HMS e SBA-15 preparados pelos métodos de deposição estrutural e impregnação ao ponto úmido. Os fotocatalisadores foram testados na reação de separação da água para a produção de hidrogênio usando radiação UV. Estudou-se também a influência da razão molar Si/Ti de 20 e 40, e o uso de diferentes fontes de titânio como: isopropóxido de titânio, oxalato de titânio, butóxido de titânio, incluindo o óxido de titânio comercial P25. Também foi estudado o uso da platina e do cério como cocatalisadores. Os suportes e os fotocatalisadores foram caracterizados pelas técnicas de ICP-OES, FRX, DRX, isotermas de adsorção e dessorção de N2, ATG, MET, MEV, DRS UV-Vis e espectroscopia de IV. Os resultados mostraram que a substituição parcial do Ti na rede da sílica mesoporosa modificou a estrutura sem destruir os canais cilíndricos dos suportes. Os fotocatalisadores preparados por deposição estrutural em HMS usando diferentes fontes de Ti apresentaram produções de H2 diferentes, seguindo a ordem isopropóxido maior do que oxalato maior do que butóxido, devido à formação de diferentes espécies de Ti isoladas tetraedricamente e octaedricamente coordenadas. Foi comprovado também que com o aumento do teor de Ti a atividade fotocatalítica diminui. A comparação entre os suportes mostraram que a produção de H2 para os fotocatalisadores baseados em HMS foram superiores aos preparados em SBA-15. Quanto aos métodos de preparo, a atividade fotocatalítica para as amostras preparadas por impregnação foi maior após 3 h de reação que nos fotocatalisadores preparados por deposição estrutural. O TiO2-P25 incorporado na HMS também criou espécies octaédricas isoladas possibilitando uma produção de H2 mais eficiente que o TiO2-P25 puro. / [en] Photocatalysts were synthesized based on Ti and supported on mesoporous silica SBA-15 and HMS. They were prepared by structural deposition and wet impregnation methods. The photocatalysts were tested in the reaction of water splitting to produce hydrogen using UV radiation. It was also studied the influence of the Si/Ti molar ratio of 20 and 40 and the use of different titanium sources: titanium isopropoxide, titanium oxalate, titanium butoxide and titanium oxide P25. Platinum and cerium were also studied as cocatalysts. The supports and photocatalysts were characterized by the techniques of ICP-OES, XRF, XRD, N2 adsorption–desorption isotherms, TGA, TEM, SEM, FT-IR and UV-Vis DRS. The results showed that when Ti was partly substituted into the silica framework the structure was modified without destroying the supports cylindrical channels. The photocatalysts prepared by structural deposition into HMS using different sources of Ti showed different production of H2, following the order: isopropoxide more than oxalate more than butoxide due to the formation of different isolated Ti species tetrahedrally and octahedrally coordinated. It was also demonstrated that increasing Ti content the photocatalytic activity decreases. The comparison between the supports showed that H2 production for photocatalysts based on HMS were superior to those prepared with SBA-15. Regarding methods of preparation, the photocatalytic activity for the samples prepared by impregnation method was higher after 3 h of reaction than photocatalysts prepared by deposition structure. The TiO2-P25 incorporated into HMS also create the octahedral isolated species enabling a H2 production more efficient than pure TiO2-P25.

[pt] O presente trabalho trata da implementação de um sistema integrado de fornecimento de energia elétrica a sistemas isolados da rede de distribuição através de célula a combustível, combustível renovável (etanol) e painéis fotovoltaicos. Apresenta como objetivo a construção de um simulador para a otimização do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica. O sistema consiste em um reformador de hidrogênio que utiliza etanol para a reforma do hidrogênio, uma célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo, inversor de corrente, compressor de hidrogênio. O sistema foi dimensionado para atender um consumidor SIGFI 45. A partir da implementação do sistema foram realizados diferentes tipos de ensaios a fim de caracterizar o funcionamento de cada um dos equipamentos separadamente. Conhecendo o funcionamento de cada equipamento foi possível simular o funcionamento deles em diferentes condições de operação. Posteriormente foi implementado um simulador em VBA desse sistema e os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com os simulados para a validação desse simulador. Com o simulador validado foi possível simular diversos casos de operação com o intuito de otimizar o funcionamento desse sistema. / [en] This current work deals with the implementation of an integrated electrical power supply system with isolated fuel cell distribution networks: renewable fuel (ethanol) and photovoltaic panels. This thesis presents the objective of constructing a simulator in order to optimize the integrated electrical power supply system. The system consists of a hydrogen reformer that uses ethanol to produce hydrogen, a PEM fuel cell, photovoltaic panels, lead battery bank, current inverter, hydrogen compressor. The system has been sized to meet SIGFI 45 consumer. During the implementation and application of the system, different types of tests were carried out in order to characterize the behavior of each component separately. Knowing the function of each component within the system, it was possible to simulate their behavior in different operating conditions. Later, a VBA simulator of this system was created and then implemented. The results produced by the simulator were compared with those carried out experimentally to validate the accuracy of this simulation. With the validation of the simulator it was possible to simulate several operational cases in order to optimize the function of this system.

[pt] A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental e economicamente sustentáveis. A adesão à energias renováveis (como solar e eólica) e a descentralização da matriz energética por meio de tecnologias de geração distribuída (visando a melhoria da eficiência do uso da energia) são alguns dos movimentos mais relevantes realizados para fazer frente a essas demandas. Neste ínterim, o presente trabalho é dedicado à simulação numérica mediante o conceito 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) de um sistema híbrido CHP (Combined Heat and Power) on-grid para atendimento de pequenas demandas residenciais ou industriais, tendo gás natural e energia solar como vetores energéticos preferenciais. O sistema inclui um reformador de gás natural para produção de gás de síntese rico em hidrogênio, uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEM), painéis fotovoltaicos, baterias conectadas à rede elétrica por um inversor bidirecional, trocadores de calor e componentes auxiliares como compressores e boilers. Os componentes do sistema foram modelados separadamente com base em equações de conservação e seus modelos devidamente validados. Uma análise energética e exergética do reformador de gás natural foi conduzida mediante a metodologia de planejamento de experimentos a fim de avaliar a necessidade de considerar uma formulação complexa do combustível em vez de um substituto (metano puro). Posteriormente, estes modelos foram inseridos como módulos de uma rotina mais ampla destinada a simular o desempenho econômico do sistema integrado num intervalo de tempo de até 20 anos. Tal rotina, implementada no MATLAB, permite a flexibilização de critérios operacionais importantes como número de consumidores, configuração do sistema híbrido (armazenamento e participação de painéis fotovoltaicos), diferentes tipos de tarifa (convencional ou branca) e o possível uso de rejeito térmico para cogeração, enriquecendo o escopo de resultados obtidos. Paybacks entre 7 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020, onde consumidores residenciais obtiveram resultados predominantemente melhores do que os industriais em virtude da demanda menos exigente dos primeiros. Foram também previstas reduções de até 50% no custo cumulativo total para consumidores residenciais referente a adesão ao sistema proposto por 20 anos, levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. A avaliação do sistema em termos ambientais foi feita através da quantidade equivalente de CO2 por unidade de energia. Concluiu-se que a configuração completa, mesmo auxiliada por cogeração, supera a média de emissões da matriz energética brasileira (devido à alta participação das fontes renováveis nessa matriz), permanecendo, ainda assim, como uma opção melhor do que a combustão pura do gás natural, especialmente no que diz respeito ao atendimento de demanda térmica. / [en] The growing energy demand verified around the world and public awareness about the harmful effects of greenhouse gases excess in the atmosphere have been contributing to the articulation of far-reaching commitments in the name of adapt energy matrices to environmentally and economically sustainable ways. The adherence to renewable energy (such as solar and eolic) and descentralization of energy matrix through distributed generation technologies (aiming at the improvment of efficiency of energy use) are some of the more relevant movements done in order to deal with these demands. In the meantime, the present work is dedicated to numerical simulation using the 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) concept of an on-grid hybrid CHP system to meet small residential or industrial demands, using natural gas and solar energy as preferred energy vectors. The system includes a natural gas reformer for the production of hydrogen-rich synthesis gas, a proton exchange membrane fuel cell (PEM), photovoltaic panels, batteries connected to the grid by a bidirectional inverter, heat exchanger and auxiliary componentes, such as compressors and boilers. The system components were modeled separately based on conservation equations and their models duly validated. An energy and exergy analysis of the natural gas reformer was conducted using design of experiment methodology in order to assess the necessity to consider a complex formulation of the fuel instead of a surrogate (pure methane). Subsequently, these models were inserted as modules of a broader routine designed to simulate the economic performance of the integrated system in a time interval of up to 20 years. This routine implemented in MATLAB allows for the flexibility of important operational criteria such as the number of consumers, configuration of the hybrid system (storage and participation of solar energy), different types of tariff (conventional or white) and the posible use of reject heat for cogeneration, enriching the scope of the results obtained. Paybacks between 7 and 20 years of system operation were achieved for different combinations of the examined parameters considering adherence in the year 2020, where residential consumers have predominantly obtained better results than industrial ones due to the less intense demand of the first ones. Reductions of up to 50% in the total cumulative cost related to adherence to the proposed system for 20 years for residential users were also foreseen, taking into account the expected drop in component acquisition costs over the next few decades. The evaluation of the system in environmental terms was assessed through equivalent amount of CO2 by energy unit. It was concluded that the complete configuration, even supported by cogeneration, exceeds the average of the brazilian energy matrix emissions (due to the high share of renewable sources in this matrix), nevertheless remaining as a better option than pure combustion of natural gas, specially for meeting thermal demand.

[pt] Os combustíveis de baixo impacto ambiental estão em destaque na mídia e na sociedade, atualmente. Neste contexto, o hidrogênio, fonte de energia limpa, tem um grande potencial. Entretanto, ainda não existe uma infraestrutura adequada para sua comercialização. O crescimento da demanda por hidrogênio é de difícil previsão, gerando um alto grau de incerteza na definição das necessidades de capacidades futuras de sua rede logística. Esta dissertação propõe uma metodologia para o planejamento do projeto da cadeia de suprimentos de hidrogênio para uso em transporte. Para representar o problema e avaliar diferentes alternativas de investimentos em infraestrutura logística foi desenvolvido um modelo matemático estocástico de dois estágios utilizando programação linear inteira mista (PLIM). O elevado nível de incerteza desta cadeia aumenta a complexidade do modelo, requerendo uma grande quantidade de cenários, inviabilizando sua otimização. Para contornar esta dificuldade, foi utilizada a técnica de aproximação por média amostral (SAA). Esta abordagem gera soluções, cuja qualidade pode ser estatisticamente avaliada utilizando-se um número reduzido de cenários. A metodologia proposta foi aplicada em um estudo de caso com dados reais da cadeia de suprimentos de hidrogênio líquido da Grã-Bretanha. Os gaps de otimalidade gerados nestes testes foram inferiores a 1 por cento, demonstrando a adequação do método desenvolvido. Mesmo com o alto nível de incerteza do problema, o SAA possibilitou definir como, quando, e onde investir. Os resultados obtidos devem contribuir para proporcionar avanços na criação de uma infraestrutura apropriada para a comercialização do hidrogênio. / [en] Nowadays, fuels with low environmental impact are highlighted in media and society. In this context, hydrogen, as a clean energy source, has a great potential. However, there is still no appropriate infrastructure for its commercialization. The prediction of demand for hydrogen is difficult, generating a high degree of uncertainty in the definition of capacity needs in the future for its logistics network. This work proposes a methodology for the design of the hydrogen supply chain for use in transportation. To represent the problem and evaluate alternatives to invest in logistics infrastructure, a two-stage stochastic mixed-integer programming was developed. The high degree of uncertainty in this chain increases the complexity of the mathematical model, requiring a huge number of scenarios which makes its optimization impossible. To overcome this difficulty, the technique of sample average approximation (SAA) is used. This approach generates solutions, whose quality can be statistically evaluated using a reduced number of scenarios. The proposed methodology was tested in a study case with real data from Great Britain s liquid hydrogen supply chain. The optimal gaps generated in these tests were below 1 percent, demonstrating the adequacy of the developed methodology. Even with the high level of uncertainty of the problem, the propose methodology using SAA technique can define how, when, and where to invest. The results should be helpful in advancing the creation of an appropriate infrastructure for hydrogen commercialization.

[pt] Neste trabalho é realizada a simulação de um sistema híbrido de geração de energia para pequenas comunidades, através de um simulador do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica para consumidores sem acesso à rede de distribuição de energia elétrica desenvolvido para este fim. O simulador foi desenvolvido em Excel e Visual Basic for Applications (VBA). O sistema inicial consiste basicamente de uma unidade de células a combustível, baterias, um reformador de etanol para produção de hidrogênio, compressor, cilindros de armazenamento e painéis fotovoltaicos. A simulação foi desenvolvida aumentando-se gradativamente a quantidade dos componentes do sistema para atender à demanda de vários consumidores SIGFI45, até o limite do sistema, visando a diminuição do custo total de instalação por kWh para cada consumidor. Posteriormente foram avaliadas as características de cada equipamento (reformador de hidrogênio, célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo-ácido, inversor de frequência, compressor de hidrogênio) e a ampliação do sistema para atender a mais usuários. Foram analisados diferentes cenários, de acordo com o aumento do número de usuários do sistema e a demanda de energia resultante. Como resultado, a simulação do sistema ampliado atendeu a um maior número de consumidores, satisfazendo a demanda de pequenas comunidades com um custo menor para a produção de energia do que no caso com o sistema inicial. / [en] In this current work it is realized the simulation of a hybrid energy generation system for small communities, through a simulation program of the integrated system of energy supply for offgrid costumers developed for this purpose. The simulator was developed in Excel and Visual Basic for Applications (VBA). The starting system consists of a unit of fuel cells, lead-acid batteries, ethanol reformer to produce hydrogen, compressor, storage cylinders and photovoltaic panels. The simulation was developed adding a new component when it was necessary to supply the demand of more than one customer SIGFI45, up to the limit of the system, aiming at reducing the installation cost per kWh for each consumer. Subsequently, the characteristics of each equipment (hydrogen reformer, PEM fuel cell, photovoltaic panels, battery bank, inverter, hydrogen compressor) were evaluated and the system was expanded to supply more users. Different scenarios were analyzed in accordance with the increase in the number of users of the system and the resulting energy demand. As a result, the optimization of the system has supplied a greater number of customers and it can supply energy for small communities with a lower cost for energy production than the original system.