Há um cenário de agrave na indústria de energia elétrica no Brasil, por escassez de energia afluente na produção hídrica, exigindo maior acionamento térmico. Para o futuro, usinas predominantemente a fio dágua, que estão sendo inseridas, estarão pronunciando ainda mais essa necessidade. Por força da estruturação térmica, sobrarão mais emissões de gases de efeito estufa - GEEs e consumo de recursos fósseis por unidade de energia elétrica produzida. Este estudo visa testar a possibilidade de construção de um cenário futuro, eleito 2050, de fornecimento de energia elétrica no país, balizado na aceleração do uso das fontes renováveis, premissa postulada como alinhamento à busca de desenvolvimento sustentável para o país. É utilizada a pesquisa, análise e síntese, com abordagem sistêmica, e aplicação de indicadores eleitos fundamentais para alcance do objetivo. São sistematizados dados e informações existentes em diferentes tipos de documentos elaborados por autores e organizações nacionais e internacionais, e nos planos governamentais de expansão da produção de energia elétrica. A partir do referencial teórico metodológico adotado, os resultados obtidos demonstram que é possível estabelecer um planejamento de longo prazo baseado no uso renovável dos recursos de que o país dispõe, com menores pressões socioambientais, consumos de fósseis, e emissões de gases de efeito estufa, por unidade de energia produzida. São obtidas maiores participações de fontes renováveis com menor participação da fonte hídrica, e menores participações de emissões de gases de efeito estufa e de consumo de óleo combustível. Sem incorrer em aumento nos custos de produção. Resulta um sistema descentralizado, híbrido, com maior expansão das fontes térmicas renováveis, eólica e solar, maior participação de produção independente cogeração, autoprodução, e geração distribuída e menor carga na rede de transmissão, comparativamente ao cenário atual. / There is an aggravated prospect in the Brazilian electric energy industry, due to a shortage of affluent energy in the hydric production, requiring a greater thermal use. For the future, the insertion of hydroelectric power plants predominantly without reservoirs will make this need even more evident. Due to the thermal structuring, there will be more emissions of greenhouse gases (GHGs) and consumption of fossil resources per unit of electric energy produced. This study aims to test the possibility of building a future setting, elected 2050, of electric energy supply in the country, beaconed on the acceleration of the use of renewable sources, premise postulated in alignment with the pursuit of sustainable development for the country. The research, analysis and synthesis is adopted, with a systemic approach, and applying the indicators elected as paramount to reach the goal. Data and information from different types of documents produced by international and national authors and organizations as well as governmental plans of expansion of electric energy production were systematized. From the theoretical and methodological framework adopted, the results obtained have shown that it is possible to establish a long term plan, based on the use of the available resources, with decreased social and environmental pressure, fossil consumption, and emission of GHGs per unity of energy produced. A greater participation of renewable sources is achieved, while the participation of hydric sources, the emissions of GHGs and consumption of oil-fuels are reduced. There is no increase in the production costs. The result is a decentralized, hybrid system with larger expansion of renewable thermal, wind and solar sources, larger participation of independent production co-generation, auto-generation and distributed generation and a diminished load on the transmission network, compared to the current scenario.

En raison de la variabilité et de l'intermittence de l'énergie solaire photovoltaïque, son intégration à grande échelle dans le mix énergétique des micros réseaux intégrant différents moyens de production demeure compliquée. En plus, cette variabilité de la ressource solaire ne permet pas l’utilisation du photovoltaïque seul pour des systèmes énergétiques autonomes. Une des solutions pour surmonter ces handicaps est le stockage d'énergie qui est généralement basé sur l’utilisation de batteries lithium-ion. Cependant, leur coût élevé et leur impact négatif sur l'environnement lors de l'extraction de leurs matières premières et lors de leur destruction ou de leur recyclage en fin de vie forcent à rechercher d’autres moyens de stockage. Dans cette thèse,nous avons modélisé et simulé un système de stockage d'énergie basé sur l'air comprimé (Compressed Air Energy Storage : CAES) qui semble être une bonne alternative au système à batterie compte tenu des désavantages cités plus haut. Cette technologie à air comprimé consiste à augmenter la pression de l’air dans une enceinte par le biais d’un compresseur alimenté par une source électrique. À ce jour, les systèmes de stockage à air comprimé existant sont basés sur des configurations à grande puissance avec des réservoirs souterrains tels que d’anciennes mines de sel ou de charbon, dont le stockage se fait sur une longue durée. Dans cette étude, nous présentons la modélisation, la simulation et l’optimisation d’un système de stockage à air comprimé d'une dizaine de kilowatts destiné à alimenter un bâtiment universitaire à énergie positive de façon instantanée à l’opposé des systèmes existants. Le modèle conçu reflète le fonctionnement en régime dynamique du système global composé du bâtiment, du champ photovoltaïque, du réseau électrique et du module de stockage à air comprimé. L’optimisation effectuée permet le dimensionnement d’un système de stockage à air comprimé pour un meilleur rendement (environ 55 %). L’intégration d’un récupérateur de chaleur muni de résistance électrique et l’introduction d’un module de compression à vitesse variable permettent au bâtiment alimenté de tendre vers l’autonomie énergétique à l’image d’un système à batterie pour un site isolé. / Due to the variability and intermittency of renewable energy such as solar technology, its large-scale integration into the micro-grid of energy production remains complicated because the large-scale photovoltaic power plants directly connected to the electricity grid may create instabilities. In addition, this variability of the solar resource does not allow the use of photovoltaics for the stand-alone system. Dealing with these issues, one of the solutions for a deployment of renewables such as photovoltaic is the set-up of energy storage inside the grid. However, the most common technique is based on the use of lithium-ion batteries, which remains not environmentally friendly during the recycling or during the destruction after their use. So, the Compressed Air Energy Storage system (CAES) appears as a solution to this disadvantage. In fact, my thesis aims to study the feasibility of this kind of energy storage technology using a small and medium photovoltaic power plant, and its instant operation to supply electricity to the buildings and the unconnected areas. In this thesis, we present the modeling, simulation, and optimization of a ten-kilowatt compressed air storage system designed to supply instantly a building with real loads. The model performed reflects the dynamic operation of the overall system consisting of the building, the photovoltaic field, the electrical grid, and the compressed air storage module. The optimization carried out allows the sizing of a compressed air storage system with a better efficiency (about 55%). The integration of a heat recovery unit equipped with electrical resistance and the adding of a variable speed compression module allow the building to reach the energy autonomy as a battery system for a standalone site.

La transition énergétique suppose de modifier notre mix énergétique en y intégrant des énergiesde sources renouvelables. Leur émergence implique une transition juridique de manière à adapter le droità l’urgence de les voir se développer. Le régime juridique des énergies vertes n’apparaît en effet pasefficient pour favoriser leur développement. Une réadaptation de leur cadre juridique se révèle en ce sensnécessaire, notamment du point de vue de leur gouvernance, de leur planification, de leurs mesures desoutien et des procédures administratives encadrant l’implantation des ouvrages les produisant. Cettetransition juridique devra par ailleurs concilier les impératifs de développement des énergies de sourcesrenouvelables avec ceux de protection du milieu environnant, dans le souci d’un développement raisonné / The way to an energy transition will be reached with an integration of renewable energies inour energy mix. This development includes a legal transition because the current legal context that appliesto green energies is not efficient and does not contribute to this emergency. Changing the legal framebecomes a necessity and particularly the way these energies are governed, planned and supported. It’salso important that administrative procedures that regulate the implantation of energies productionsystem are set. At last, this legal transition will have to conciliate imperatives linked to the development ofrenewable energies with those governing the protection of surroundings, all aiming to a sustainabledevelopment.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-08-25T13:13:40Z No. of bitstreams: 1 Pedro Bezerra.pdf: 8233591 bytes, checksum: 5f7ac936ebaea088e770ad09f5751e48 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-25T13:13:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Bezerra.pdf: 8233591 bytes, checksum: 5f7ac936ebaea088e770ad09f5751e48 (MD5) Previous issue date: 2012-11-23 / CNPQ, CAPES / The challenges on the world’s energy sector, such as environmental questions and the rising on demand, has been stimulated the use of several kind of energy sources, such as tidal energy. These challenges associated to development of the technologies used in electromechanical devices enable the tidal exploitation attractive under technological and economic aspects. In this work, a methodology to estimating the energetic performance of a tidal power plant on the estuary of Bacanga is presented. Moreover, a dispatch strategy based on Genetic Algorithms was developed to maximize the total energy generated by the plant through an optimal scheduling of the turbines during the generation process. By modeling components and tidal cycle, several generation scenarios were simulated and analyzed considering single-effect and double-effect operation over one year of operation. From results obtained, it can be concluded that, although some constraints to the full exploitation of the potential of the estuary, it is still possible to exploit a significant amount of energy. This is due to improvements in efficiency of electromechanical devices currently available that allow the exploitation of energy in very low heads, as is the case of Bacanga. / Os grandes desafios do setor energético mundial tais como questões ambientais e a crescente demanda por energia, têm estimulado a utilização de diversas fontes alternativas de energia, inclusive as marés. Tais desafios associados ao desenvolvimento das tecnologias utilizadas em dispositivos eletromecânicos tornaram a exploração da energia das marés atrativa sob os aspectos tecnológicos e econômicos. Neste trabalho, é apresentada uma metodologia para a estimação de indicadores energéticos de uma usina maremotriz. Foi desenvolvida uma estratégia de despacho baseada em Algoritmos Genéticos visando-se maximizar a energia total gerada pela usina através do despacho ótimo das turbinas durante o processo de geração. Através da modelagem de componentes e do ciclo de mares, foram simulados e analisados cenários de geração em efeito-simples e efeito-duplo para um ano de operação. Como estudo de caso foi considerado o estuário do Bacanga, localizado na área urbana de São Luís, Maranhão. Dos resultados obtidos pode-se concluir que, embora algumas restrições impeçam o pleno aproveitamento do potencial do estuário, ainda é possível um aproveitamento significativo do mesmo. Isto se deve em grande parte às melhorias, em termos de eficiência, dos equipamentos eletromecânicos disponíveis atualmente, que possibilitam a exploração energética de baixíssimas quedas, como é o caso do Bacanga.

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung neuer Hangmankomplexe, die auf ihre katalytischen Fähigkeiten bei der Wasseroxidation oder bei der Sauerstoffreduktion hin untersucht wurden. Diese beiden katalytischen Reaktionen sind von entscheidender Rolle bei der Speicherung erneuerbarer Energien in Form einer chemischen Bindung. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit mechanistische Studien an bekannten Katalysatorsystemen mittels verschiedener spektroskopischer Methoden durchgeführt. Als Referenzsystem bei der katalytischen Wasseroxidation diente der Komplex [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+ (bpy = 2,2′-bipyridin, tpy = 2,2′;6′,2″-terpyridin), welcher nach einer bereits publizierten Vorschrift synthetisiert werden konnte. Durch die Kombination des bekannten Hangmansystems von NOCERA et al. mit dem Komplex [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+ konnte eine neue Klasse von Wasseroxidationskatalysatoren geschaffen werden Die Hangmankomplexe konnten in sehr guten Ausbeuten synthetisiert und vollständig charakterisiert werden. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass diese Komplexe in der Lage sind, eine intramolekulare basenassistierte Wasseroxidation zu katalysieren. Bei der Verwendung des Hanmgankatalysators mit Iodidligang und Perchlorat als nicht koordinierenden Anions mit einer TON von 21,5 nach acht Stunden (beschränkt auf 25 Zyklen) im Vergleich zu den anderen Ruthenium Hangmankomplexen die größte katalytische Aktivität auf und stand damit im Vordergrund weiterer Untersuchungen. Durch die Verwendung von (NH4)2[Ce(NO3)6] (CAN) als Oxidationsmittel war die Katalyse des Hangmankomplexes in homogenen Katalysesystemen lediglich auf sehr niedrige pH-Werte beschränkt, was zur Verlangsamung der Katalysegeschwindigkeit (TOF) führte. Mittels UV-Vis-Spektroskopie konnte die Bildung hochvalenter RuIII-OH- und RuIV=O Intermediate durch schrittweise Oxidation des Rutheniumzentrums mit CAN nachgewiesen werden. Durch MALDI MS/MS Experimente ist es zudem gelungen, den Hangmaneffekt, der durch den Einbau einer Carbonsäurefunktion herbeigeführt wurde, zu beweisen, da die Existenz eines zweiten Wassermoleküls in der zweiten Koordinationssphäre bestätigt werden konnte. Dieser seltene Einblick legte nahe, dass ein zweites Wassermolekül durch Wasserstoffbrückenbindungen so in die Struktur eingelagert wurde, dass die Ausbildung der O O Bindung bei der Wasseroxidation unterstützt wird. Der Verwendung des Hangmankomplexes in heterogenen Katalysesystemen war ebenfalls erfolgreich: Durch den Einsatz von Nafion-beschichteten ITO-Glass-Elektroden war es gelungen, den Hangmankomplex auf einer Oberfläche zu immobilisieren. Dadurch konnten elektrochemische Untersuchungen in allen pH-Bereichen, ohne auf Löslichkeitseffekte und Oxidationsmittel Rücksicht zu nehmen, durchgeführt werden. Bei der Bestimmung der onset-Potentiale (Potential, bei dem die Wasseroxidation beginnt) in verschiedenen wässrigen Pufferlösungen zeigte der Hangmankomplex ein zum Referenzkomplex [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+ stark verändertes Verhalten. Diese pH Abhängigkeit war auf den Protonierungszustand der freien Carbonsäuregruppe zurückzuführen ist. Durch die Auswertung der onset Potentiale war es möglich, den pks Wert der Carbonsäure abzuschätzen; dieser liegt bei etwa 4,6. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass bei diesem pH Wert der Hangmankomplex, wie erwartet, eine maximale Umsatzfrequenz bei der Wasseroxidation besitzt; sie ist viermal höher als die des Referenzsystems [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+. So erreichte der Referenzkomplex innerhalb der ersten Stunde der Elektrokatalyse eine TOF von 10,8 ± 0,11 h-1, welche durch den Hangmanliganden auf eine TOF von 45,6 ± 0,46 h-1 gesteigert werden konnte. Im Gegensatz dazu ließ sich bei den pH-Werten 3 und 7, wo die Carbonsäuregruppe vollständig protoniert bzw. deprotiert vorliegt, kein signifikanter Unterschied in der Katalyseaktivität beider Komplexe feststellen. Es ist demnach gelungen, die katalytische Aktivität von [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+ durch den Einbau einer Hangmanfunktion signifikant zu steigern. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung neuer Hangman porphyrinbasierter Sauerstoffreduktionskatalysatoren, welche durch Polymerisation auf intramolekulare Wechselwirkungen innerhalb des Polymers, die das katalytische Verhalten beeinflussen, untersucht werden sollten. Für die Polymerisation der Sauerstoffreduktions-katalysatoren wurden neue Porphyrinsysteme entwickelt. Diese bestanden einerseits aus para-bromphenylsubstituierten und andererseits aus 3 thiophensubstituierten Porphyrinen, welche als Hangmankomplexe und tetrafunktionalisierte Porphyrine synthetisiert und vollständig charakterisiert werden konnten. Die Polymerisation der Komplexe konnte über die meso-Substituenten am Porphyrinring durch Ni(COD)2 in einer YAMAMOTO-Polymerisation und mit CuI in einer SONOGASHIRA-Polymerisation, sowie oxidativ via Elektrolyse auf einer FTO beschichteten Glaselektrode erreicht werden. Gerade die Polymerisation der para-bromfunktionalisierten Porphyrine nach SONOGASHIRA zeigte eine sehr gute Reproduzierbarkeit. Es konnten mittels BET-Analysen gleichbleibend große Oberflächen für die gebildeten Polymere ermittelt werden. Die nachfolgenden elektrochemisch katalysierten Untersuchungen legten nahe, dass eine Aktivität in der Sauerstoffreduktion besteht. Jedoch wurde durch die Polymerisation der Komplexe keine Verbesserung der katalytischen Eigenschaften für die Hangmansysteme im Vergleich zu den unfunktionalisierten Systemen erreicht, was vermutlich an der Wahl des pH Werts liegt. Dennoch konnte präparativ eine Methode aufgezeigt werden, um einfache Porphyrine und Hangmanporphyrine zu polymerisieren und so für heterogene Katalysen zugänglich zu machen. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit waren Untersuchungen von Hangmanporphyrinkomplexen mittels sowohl oberflächenverstärkter Resonanz-Raman-Spektroskopie (surface enhanced resonance Raman, SERR) als auch oberflächenverstärkter IR-Absorptions-Spektroskopie (surface enhanced-infrared-absorption, SEIRA). Dies waren die ersten Studien an immobilisierten Eisenporphyrinkomplexen, die den Einfluss der Carboxylgruppe der Hangmanfunktion auf eine mögliche Substrataktivierung analysierten. Dabei diente der Methylestergeschützte Komplex von NOCERA et al. bei allen Untersuchungen als Referenzsystem. Die beiden Komplexe Hangmanporphyrinkomplexe mit Eisen, mit freier und geschützter Carbonsäure, wurden auf einer Goldoberfläche auf einer selbstangeordneten Monolage (SAM), die mit Imidazol-Endgruppen versehen war, immobilisiert. Die Gold bzw. Silberoberfläche diente als Elektrode, um über Potentialveränderung das Redoxverhalten zu beobachten. Durch SEIRA Differenzspektren konnte der Protonierungsgrad der Carboxylgruppe bei verschiedenen pH-Werten bestimmt werden. Zu diesem Zweck wurde die Veränderung einer intensiven Bande bei 1737 cm-1 mit sinkendem pH Wert verfolgt. Über die normierte Intensität wurde eine Titrationskurve erhalten, mit deren Hilfe erstmalig direkt der pKs-Wert der Hangmangruppe (3,4 ± 0,2) bestimmt werden konnte. Durch zeitaufgelöste SERR Spektroskopie konnte die heterogene Elektronentransfergeschwindigkeit kHET für die Reduktion des Eisen(III)metallzentrums erhalten werden. Dabei wurde festgestellt, dass beim Methylester nur eine geringe Veränderung der kHET mit Variation des pH-Wertes auftritt, jedoch das Gegenteil für die freie Carbonsäure zutrifft. Hier verändert sich die kHET stark in Abhängigkeit vom pH-Wert und somit auch vom Protonierungsgrad der funktionellen Gruppe. Durch den Einsatz von deuterierten Pufferlösungen wurde für den geschützten Komplex kein kinetischer Isotopeneffekt gefunden, was sehr wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Methylesterfunktion nicht in den Redoxprozess am Eisenzentrum involviert ist. Anders ist es bei der freien Carbonsäure: Hier stieg die Elektronentransferrate um das etwa 10-fache an und ergibt folglich einen inversen kinetischen Isotopeneffekt. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse aus den ermittelten Elektronentransfergeschwindigkeiten, dem Redoxverhalten von FeII/III und dem Protonierungsgrad der Carbonsäurefunktion ließ sich ein Mechanismus für die ablaufenden Prozesse postulieren, der im Wesentlichen von zwei Transferreaktionen ausgeht. Zum einen dem Elektronentransfer (ET) von der Elektrode zum Eisenzentrum und zum anderen von einem Protonentransfer (PT) zum sechsten Liganden am Eisenzentrum des Porphyrins. Durch die Interpretation der SERR- und SEIRA-Spektroskopie konnte bewiesen werden, dass der Protonierungsgrad der Carbonsäurefunktion am Hangmankomplex tatsächlich den ET und den PT beeinflusst. Nur unter neutralen und schwach basischen Bedingungen scheint ein PCET-Mechanismus am wahrscheinlichsten. / Major fuel sources for the world’s energy supply are carbon-based (gas, oil, coal), with an associated emission of climate-damaging carbon dioxide. Therefore, we need a change from a fossil fuels based energy system to a system of renewable energy. The solution of these energy problems is the development of clean and sustainable fuel technologies. One possible pathway is the splitting of water into hydrogen and oxygen to drive a hydrogen based society. The oxidation of water into protons and dioxygen by a proton-coupled electron transfer (PCET) is the critical - high-energetic - half reaction of this process. [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+ (bpy = 2,2′-bipyridine, tpy = 2,2′;6′,2″-terpyridine) is the archetype of many known single-site ruthenium complexes used for catalytic water oxidation. Its efficiency is likely influenced by installing a proton-donor/acceptor functionality in proximity to the catalytic site because the reaction mechanism is believed to occur by nucleophilic attack of a water molecule on a high-valent metal–oxo species assisted by hydrogen-bonding interactions. Thus, a new metal complex based on the „Hangman“ motive was synthesized and characterized. The known [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+-unit is connected to a xanthene backbone with a carboxylic acid-function in proximity to the catalytic site. The proof of the catalytic activity and mechanistic investigations are the target of current work. Iron hangman complexes exhibit improved catalytic properties regarding O2 and H2O2 reduction, which are attributed to the presence of a proton donating group in defined vicinity of the catalytic metal centre. Surface enhanced resonance Raman (SERR) and IR (SEIRA) spectro-electrochemistry has been applied concomitantly for the first time to analyse such iron hangman porphyrin complexes attached to electrodes in aqueous solution. While the SERR spectra yield information about the redox state of the central iron, the SEIRA spectra show protonation and deprotonation events of the 2nd coordination sphere. To investigate the influence of a proton active hanging group on the heterogeneous electron transfer between the iron porphyrin and the electrode, two hangman complexes with either an acid or ester functional group were compared. Using time resolved SERR spectroscopy the electron transfer rates of both complexes were determined. Complexes with an acid group showed a slow electron transfer rate at neutral pH that increased significantly at pH 4, while complexes with an ester group exhibited a much faster, but pH independent rate. SEIRA measurements were able to determine directly for the first time a pKa value of 3.4 of a carboxylic hanging group in the immobilized state that shifted to 5.2 in D2O buffer solution. The kinetic data showed an increase of the heterogeneous electron transfer rate with the protonation degree of the acid groups. From these results, we propose a PCET which is strongly modulated by the protonation state of the acid hanging group via hydrogen bond interactions.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.