Master of Science / Department of Chemistry / Jun Li / With the worldly consumption of energy continually increasing and the main source of this energy, fossil fuels, slowly being depleted, the need for alternate sources of energy is becoming more and more pertinent. One promising approach for an alternate method of producing energy is using solar cells to convert sunlight into electrical energy through photovoltaic processes. Currently, the most widely commercialized solar cell is based on a single p-n junction with silicon. Silicon solar cells are able to obtain high efficiencies but the downfall is, in order to achieve this performance, expensive fabrication techniques and high purity materials must be employed. An encouraging cheaper alternative to silicon solar cells is the dye-sensitized solar cell (DSSC) which is based on a wide band gap semiconductor sensitized with a visible light absorbing species. While DSSCs are less expensive, their efficiencies are still quite low compared to silicon. In this thesis, Grätzel cells (DSSCs based on TiO2 NPs) were fabricated and optimized to establish a reliable standard for further improvement. Optimized single layer GSCs and double layer GSCs showing efficiencies >4% and efficiencies of ~6%, respectively, were obtained. Recently, the incorporation of metallic nanoparticles into silicon solar cells has shown improved efficiency and lowered material cost. By utilizing their plasmonic properties, incident light can be scattered, concentrated, or trapped thereby increasing the effective path length of the cell and allowing the physical thickness of the cell to be reduced. This concept can also be applied to DSSCs, which are cheaper and easier to fabricate than Si based solar cells but are limited by lower efficiency. By incorporating 20 nm diameter Au nanoparticles (Au NPs) into DSSCs at the FTO/TiO2 interface as sub wavelength antennae, average photocurrent enhancements of 14% (maximum up to ~32%) and average efficiency enhancements of 13% (maximum up to ~23% ) were achieved with well dispersed, low surface coverages of nanoparticles. However the Au nanoparticle solar cell (AuNPSC) performance is very sensitive to the surface coverage, the extent of nanoparticle aggregation, and the electrolyte employed, all of which can lead to detrimental effects (decreased performances) on the devices.

A research report submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment at the University of the Witwatersrand, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Architecture (Sustainable Energy Efficient Cities) / Whereas the escalation of energy costs in South Africa over the past 5-years has been systematically reported, the extent to which low-income urban households are coping with the escalation has not been studied. Based on ethnographic data from Etwatwa in Ekurhuleni and secondary data from the Department of Energy and Statistics South Africa, the study evaluates the extent to which ongoing energy poverty mitigation programmes under FBE (Free Basic Electricity) and FBAE (Free Basic Alternative Energy) are facilitating how such households cope with the escalating costs. One of the key findings of the study is that FBE is not only inadequate for beneficiary household needs but also fails to accommodate large family sizes whose consumption goes beyond the set threshold of 450kWh/month. Since FBAE is only available for households not yet connected to the grid, the programme would not serve as a complementary intervention for households not benefiting from FBE due to consumption beyond the threshold. Based on the key finding of inadequacy of existing mitigation interventions (declining affordability of electricity, unresponsiveness of FBE to large-family size and the barrier to accessing FBAE while connected to grid) the study finds that energy poverty among low-income households and communities is deepening. As coping strategies, households resort to switching to alternative combustible fuels like paraffin, wood, coal, and solid waste which leads to indoor and outdoor air-pollution with related respiratory illnesses and under severe situations they resort to suppressing demand through options such foregoing cooked meals, irregular bathing/cleaning and space-heating in winter. The findings also allowed the study to critique the energy ladder model on its assumptions on linear energy carrier transitions in line with improved incomes of low-income households. In particular, the study finds that even as incomes of affected households improve, an ever increasing share of the income goes towards covering the escalating energy costs but still never managing to close the affordability gap for clean energy thus reinforcing a vicious cascade in energy poverty In order to systematically mitigate these escalating patterns of energy poverty, the study recommends the distribution of renewable technology through a more innovative FBAE policy which would allow municipalities, national government and other stakeholders to commit to more equitable long-term investments in energy efficiency and renewable energy interventions for such households. Key words: escalating energy costs, coping mechanism, energy poverty, Free Basic Electricity, Free Basic Alternative Energy

O objetivo desse trabalho é a construção de um sistema de geração de energia elétrica, para uso em locais remotos, tendo como fonte primária a energia proveniente de ondas marinhas. Numa primeira etapa foram realizados estudos e análises dos principais parâmetros significativos para a geração da energia elétrica e os dados de consumo de eletroeletrônicos. Este sistema serviu para coletar e armazenar dados que orientam o desenvolvimento de bombas e turbinas para a geração de energia elétrica. Foram também usados para avaliar o seu rendimento em diversas aplicações que necessitavam de energia elétrica. O uso da energia elétrica gerada também foi estudado para melhorar o seu rendimento diante dos vários equipamentos que foram utilizados desde notebooks até geladeiras convencionais. Foram empregados um microcontrolador, da família \"arduino\", vários sensores colocados em pontos estratégicos no local e os dados armazenados em memória durante o período do desenvolvimento. Sensores de pressão, vazão, amplitude das ondas, sentido do vento, temperatura e vários medidores (de tensão e corrente em AC e DC) foram usados para obter valores numéricos para análises de rendimentos de conversão em energia elétrica, vazão e outros parâmetros importantes para uma posterior melhoria no projeto inicial. Os dados foram armazenados em memórias do tipo cartão SD de 16 G bytes. Foi confeccionada uma bomba de água movida pelas ondas marinhas. Sua implantação ocorreu na Ilha do Arvoredo, em Guarujá, SP, onde a energia elétrica era gerada através do uso de motores a diesel. A água é bombeada a uma altura de 30 metros e armazenada em um tanque com capacidade de 20.000 litros. A água armazenada vai diretamente para uma turbina geradora de eletricidade por um sistema controlador de pressão e, pode gerar uma potência elétrica de até 200 W. O excedente de água poderá ser também usado para os viveiros de animais marinhos. A maior parte dos materiais que foram utilizados na fabricação dos equipamentos foi de materiais recicláveis reduzindo o custo do projeto. Esse projeto estará disponível para comunidades carentes que necessitam de energia elétrica em locais remotos, normalmente ilhas, mas podem ser adaptadas em terra desde que possuam quedas de água. O projeto de geração de energia usando ondas marinhas é inovador e com fins sociais para pessoas de baixa renda como os pescadores. Normalmente o pescado conseguido nas proximidades de ilhas isoladas são salgados para serem conservados devido à falta de refrigeração. / The aim of this work is the constructions of an electrical power generation system for use in remote locations, having primary source of energy from sea waves. At a first step were carried out studies and analyzes of the main important parameters for the generation of electricity and electronics power consumption data. This system was used to collect and store data that guide the development of pumps and turbines for generating electricity. Various electronics applications were also used to evaluate the total electricity was required and were studied to improve their performance like notebooks or conventional refrigerators. A microcontroller was employed and several sensors placed at strategic points in the power generation energy system and the data stored in the memory card during the development period. Pressure sensors, flow, amplitude of waves, wind direction, temperature and various electrical sensors (voltage and current in AC and DC) that were used to obtain numerical values for analysis of conversion into electrical energy, water flow and other important parameters for further improvement the initial project. The data were stored on SD memory card of 16 G bytes. A water pump driven by ocean sea waves was made. This work has taken place in Ilha do Arvoredo, in Guarujá, SP, where the electricity was generated using diesel engines. The water is pumped until 30 meters high and stored in a tank with 20.000 liters. This stored water goes directly to the turbine by a pressure system control and generate an electrical power output up to 200 W. When not require, the exceeding water can also be used for marine animals nurseries. Most materials that were used in manufacturing of the equipment is recyclable materials reducing the cost of the project. The final project will be available to poor communities that need electricity in remote locations. Usually the fish achieved near isolated islands are salted to be maintained for lack of refrigeration.

O presente estudo visou avaliar alguns parâmetros de desempenho operacional das operações de enleiramento e enfardamento prismático de palhiço de cana-de-açúcar colhida mecanicamente, sem queima prévia, e de suas eficiências energéticas. Os ensaios de campo foram realizados em área da Cosan-Usina Costa Pinto, Município de Piracicaba, SP. A localização geográfica do centro do talhão é Latitude: 22 o 40’ 30’’ Sul, Longitude: 47 o 36’ 38’’ Oeste e Altitude de 605m. A variedade de cana-de-açúcar era a RB 82 5336, plantada em espaçamento de 1,40 m, em seu terceiro corte, com 11 meses de idade e apresentou uma produtividade média de colmos de 78,00 t.ha -1 . O canavial da área de estudo foi colhido por colhedora de cana-de-açúcar. O palhiço foi amostrado e analisado antes das operações de enleiramento e enfardamento. Foram obtidos, como resultados os índices médios de: folhas de 69,93%, frações de colmos de 21,44%, ponteiros de 2,27% e matéria estranha total de 6,36%. A produtividade média estimada apresentou uma grande variabilidade com coeficientes de variação 33,00%. Os valores médios obtidos do palhiço: de poderes caloríficos superiores de 18,43 MJ.kg -1 , inferior de 17,00 MJ.kg -1 e útil de 12,94 MJ.kg -1 . O potencial energético do palhiço determinado confirmou ser uma função varietal e apresentou valor médio de 342,48 GJ.ha -1 . Estimou-se para um hectare de palhiço o equivalente energético a 30,52 t de madeira, 15,16 t de carvão e de 11648,58 a 10104,17 L de óleo combustível. Foram realizados três tratamentos de enleiramentos: simples, duplo e triplo. A retirada de palhiço foi efetuada por meio de ancinho e de enfardadora prismática para fenação e foi viável do ponto de vista operacional e de eficiência energética, sendo que o enleiramento no tratamento de enleiramento simples apresentou os melhores resultados, com a maior capacidade efetiva média de 83,06 t.ha -1 , a menor média de consumo de combustível de 0,18 L.t -1 e eficiência energética positiva de 99,95%. Nas operações de enfardamento os fardos no tratamento de enleiramento triplo apresentaram a maior massa específica média de 221,11 kg.m -3 e as maiores médias de porcentagem de terra. As massas de terra no fardo aumentaram com enleiramentos sucessivos, e o tratamento de enleiramento triplo resultou em médias de terra nos fardo de 6,41%, contra 6,31% e 5,71% dos tratamentos de enleiramento duplo e simples, respectivamente. A operação de enfardamento do tratamento de enleiramento triplo foi a que obteve melhores resultados, apresentando as capacidades efetivas médias de 20,29 t.h -1 e 1,45 ha.h -1 e o consumo de combustível por tonelada de palhiço enfardado em 1,37 L.t -1 . A alta eficiência energética total de 99,53% indica que seja tecnicamente viável o recolhimento do palhiço. / This study was carried out aiming to evaluate some parameters of operational acting of windrowing and prismatic baling operations sugarcane trash picked mechanically without a previous burning and energy efficiency. The field tests were performed in a sugar cane trash field in Piracicaba, State of São Paulo, Brazil. The geographic location of the area is: latitude 22 o 40' 30' S, longitude 47 o 36' 38' W and altitude of 605m. The sugar-cane variety was RB 82 5336, planted in spacing of 1.40 m, in its third cut, with 11 months and it presented an average productivity of stalks of 78.00 t.ha -1 . The sugar cane field of the studied area was picked by a sugarcane harvester. Samples of the trash were analyzed before the windrowing and baling operations. From the trash analysis, before baling, the following average results were obtained: leaves indexes of 89.93%, 21,44% of stalks fractions, 2.27% of tops and 6.36% of total strange matter. The estimated productivity and index presented a great variability with coefficients of variation 33.00% and 68.00% respectively. From the sampled trash, were obtained average values of gross heat of 18.43 MJ.kg -1 , low heat of 17.00 MJ.kg -1 and useful heat of 12.94 MJ.kg -1 . The energy potential of the trash presented average value of 342.48 GJ.ha -1 confirmed to be a varietal function. It was considered for a hectare of trash the equivalent energy of 30,52 t of wood, 15,16 t of coal and from 11648,58 to 10104,17 L of fuel oil. Three different windrowing process were carried out, where the simple windrowing treatment consisted of a simple windrow formed by only one passage of the rake, the double of a windrow formed by two simple windrows and the triple by three simple windrows. The picking of sugarcane trash, by means of rake and prismatic baler was viable from the operational and of energy efficiency stand points. The windrowing in the treatment of simple windrowing presented the best results, with the effective capacity of 83.06 t.ha -1 , consumption of fuel of 0.18 L.t -1 and 99.95% of positive energy efficiency. In bales obtained in the treatment of triple windrowing presented the largest specific mass average of 221.11 kg.m -3 and the largest averages of soil percentage. The soil masses in the bales increased with successive windrowing, and the triple windrowing treatment resulted in 6.41% of soil in the bale, against 6.31% in treatments of double windrowing and 5.71% in the simple windrowing. The baling operation in the triple windrowing treatment obtained better results, presenting the effective capacities of 20.29 t.h -1 and 1.45 ha.h -1 and fuel consumption of for baled in 1.37 L.t -1 . The high total energy efficiency of 99.53% indicates that is technically viable the withdrawal of the trash.

abstract: The Energiewende aims to drastically reduce Germany’s greenhouse gas emissions, without relying on nuclear power, while maintaining a secure and affordable energy supply. Since 2000 the country’s renewable-energy share has increased exponentially, accounting in 2017 for over a third of Germany's gross electricity consumption. This unprecedented achievement is the result of policies, tools, and institutional arrangements intended to steer society to a low-carbon economy. Despite its resounding success in renewable-energy deployment, the Energiewende is not on track to meet its decarbonization goals. Energiewende rules and regulations have generated numerous undesired consequences, and have cost much more than anticipated, a burden borne primarily by energy consumers. Why has the Energiewende not only made energy more expensive, but also failed to bring Germany closer to its decarbonization goals? I analyzed the Energiewende as a complex socio-technical system, examining its legal framework and analyzing the consequences of successive regulations; identifying major political and energy players and the factors that motivated them to pursue socio-technical change; and documenting the political trends and events in which the Energiewende is rooted and which continue to shape it. I analyzed the dynamics and the loopholes that created barriers to transition, pushed the utility sector to the brink of dissolution, and led to such undesirable outcomes as negative wholesale prices and forced exports of electricity to Germany’s European neighbors. Thirty high-level energy experts and stakeholders were interviewed to find out how the best-informed members of German society perceive the Energiewende. Surprisingly, although they were highly critical of the way the transition has unfolded, most were convinced that the transition would eventually succeed. But their definitions of success did not always depend on achieving carbon-mitigation targets. Indeed, Germany jeopardizes the achievement of these targets by changing too many policy and institutional variables at too fast a pace. Good intentions and commitment are not enough to create economies based on intermittent energy sources: they will also require intensive grid expansion and breakthroughs in storage technology. The Energiewende demonstrates starkly that collective action driven by robust political consensus is not sufficient for steering complex socio-technical systems in desired directions. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Sustainability 2018

A atual situação de degradação ambiental tem sido muito discutida nos últimos anos. Um dos principais fatores agravantes dessa situação é a crescente demanda energética e suas atuais formas de produção. O petróleo, matriz energética mundial, é altamente poluente, e um combustível finito com o preço sempre crescente. A energia elétrica brasileira está baseada nas hidrelétricas, considerada fonte de energia limpa e renovável, porém o custo ambiental para sua construção é bem alto. Atualmente já existem tecnologias alternativas que podem servir essa crescente demanda energética sem prejudicar o meio ambiente. Na arquitetura, como em todas as áreas, houve um aumento com preocupação, e o estudo sobre o desempenho energético das edificações para reduzir a demanda de energia se tornou um assunto em pauta. Medidas e soluções estão sendo tomadas na decisão dos projetos mais sustentáveis. Mas para isso, o profissional deve estar atento às novas tecnologias alternativas de produção e distribuição de energia. Quando em um projeto é considerado o uso de fontes alternativas e o uso de técnicas de iluminação e ventilação natural, pode-se economizar não só nas despesas direcionadas para as fornecedoras de energia, mas poupar recursos naturais, ajudando a preservar o meio ambiente, fundamental para a nossa sobrevivência. Este trabalho traz algumas definições sobre sustentabilidade e a relação que a arquitetura tem com a problemática ambiental através da energia. Foi feita uma procura de novas tecnologias de produção e geração de energia e então, composto um estado da arte dos principais centros mundiais em P&D e dos projetos de demonstração envolvendo células à combustível, uma nova tecnologia que gera energia limpa in loco, descrevendo as características mais importantes destes projetos e compilando os resultados para uma possível adaptação aqui no Brasil, a fim de que diminua a participação das edificações no consumo de energia elétrica produzida a partir de hidrelétricas. O objetivo desta pesquisa é contribuir com a disseminação do conhecimento sobre energias alternativas e renováveis no meio arquitetônico, e demonstrar os principais centros mundiais em P&D e os projetos de demonstração que envolvam a geração de energia limpa através das células à combustível para uma adaptação no contexto brasileiro. Os resultados dessa pesquisa foram a constatação de que em todos países desenvolvidos há um forte apoio governamental para introdução dessa nova tecnologia de geração de energia para possibilitar futuramente a \"Economia do Hidrogênio\". A maioria dos projetos pesquisados são de células de tecnologia tipo PEM e abastecidas à gás natural (GN), pois esses países já possuem uma infra-estrutura formada para o GN. No contexto brasileiro, o apoio governamental à essa nova tecnologia ainda é pouco, salvo o fomento de algumas instituições como FAPESP, CAPES, CNPQ e centros universitários. Esta ausência governamental deixa espaço para respostas a curto prazo às novas demandas de energia elétrica ocasionando o preenchimento com outros tipos de fontes de energia poluentes e fósseis como é o caso do aumento das termelétricas ultimamente. / The current situation of environmental degradation has been much discussed in recent years. One of the main factors aggravating this situation is the growing energy demand and its current production methods most used. The oil, world energy matrix, is highly polluting fuel and a finite with the ever-increasing price. The Brazilian energy matrix is based on hydro, considered a clean and renewable source of energy, but the environmental cost and its construction are very high. Nowadays, there are alternative technologies that can serve this growing energy demand without harming the environment. In architecture, as in all areas, there was an increase in concern, and the study on the energy performance of buildings to reduce energy demand has become a subject matter. Measures and solutions are being taken in deciding the projects more sustainable. But for this, the practitioner must be aware of new alternative technologies of production and distribution of energy. When a project is considered the use of alternative techniques and the use of natural lighting and ventilation, you can save not only the costs directed for energy providers, but save natural resources, helping to preserve the environment, essential for our survival. This study offers some definitions of sustainability and the relationship that architecture has with the environment through energy. It was made a demand for new production technologies and power generation and then made a \"state of the art world\'s main centers of R&D and demonstration projects involving fuel cells, describing the most important features of these projects and compiling the results for a possible adjustment in Brazil, in order to decrease the participation of the buildings in the consumption of electricity produced from hydropower plants in Brazil. The research aims to contribute to the dissemination of knowledge on alternative and renewable energy among architectural and demonstrate the major world centers in R & D and demonstration projects involving the application of clean energy through fuel cells to adapt Brazilian context. The results of this research was the finding that in all developed countries there is strong government support for the introduction of this new technology to generate energy to enable a future \"Hydrogen Economy\". Most projects are cell PEM technology and supplied with natural gas because these countries already have an infrastructure set up to NG. In the Brazilian context, government support to this new technology is still little, except the promotion of some institutions like FAPESP, CAPES, CNPq and universities. This government leaves no room for short-term responses to new demands for power resulting in filling other types of no clean energy clean and fuels such as increasing the thermal power plants.

A matriz energética brasileira atualmente está concentrada na geração de energia hidrelétrica. Mas, devido aos últimos acontecimentos de escassez de recursos hídricos, faz-se necessário diversificar a matriz energética por meio do investimento em energias alternativas. O Brasil ainda possui muitas pessoas na área rural sem abastecimento de energia elétrica, fato que limita a implantação de técnicas agrícolas como a irrigação. Nesse contexto, a energia solar fotovoltaica (FV) é uma alternativa para diversificar a matriz energética brasileira e ampliar o uso de sistemas de irrigação. Foram instalados dois módulos FV, um estático e outro com um sistema de rastreamento solar manual de três passos, na área experimental do Departamento de Engenharia de Biossistemas - ESALQ/USP (22° 42\' 30\'\'S, 47° 38\' 00\'\'W, altitude de 546 metros). Para cada módulo FV, estático e móvel, foram acoplados sistemas de bombeamento de água para um sistema simulado de irrigação. O objetivo foi avaliar o incremento de energia FV gerada, tempo de bombeamento, volume bombeado e área irrigada; com o uso do sistema rastreador. A partir dos dados encontrados, verificou-se que o sistema rastreador solar manual de três passos apresentou maior eficiência na captação de energia (8 - 19% dia-1), quando comparado com geradores fixos; o que refletiu no incremento significativo do tempo de bombeamento (40 - 160 min dia-1), no volume bombeado (884 - 3479 litros dia-1) e na área irrigada (196 - 773 m² dia-1 para uma lâmina de irrigação de 4,5 mm). Com isso, o rastreador se mostrou uma alternativa técnica viável para melhorar a captação de energia solar e aumentar a área irrigada com um mesmo tamanho de área de gerador FV. Em relação ao investimento, o sistema rastreador custou apenas 0,2% do custo total da instalação FV, e proporcionou a redução do tempo de retorno do investimento em 2 anos e 5 meses comparado ao módulo FV estático. / The current Brazilian Energetic Matrix is concentrated in the generation of hydroelectric energy. But, due the latest water resources scarcity, it is necessary to diversify the energetic matrix by investing in alternatives energies. Brazil still have a plenty of people living in rural areas without supply of electric energy, this fact limits the implantation of agriculture techniques like irrigation. In this sense, the photovoltaic solar energy (PV) is an alternative to diversify the Brazilian Energetic Matrix and expand the use of irrigation systems. It were installed two PV modules, one static and another with solar three steps manual tracking system, Biosystems Engineering Department - ESALQ/USP (22° 42\' 30\'\'S, 47°38\' 00\'\'W, at 546 meters altitude). For each PV module, static and moving, it was coupled water pumping systems for simulated irrigation systems. The goal was evaluate the gain of the PV energy generated; pumping time; pumping volume and irrigated area; using the tracking system. From obtained data, it was observed that the solar three steps manual tracking system shows more efficiency in the energy harvesting (8 - 19% day-1), compared to static generator; which resulted in significant gain of pumping time (40 - 160 min day-1), pumping volume (884 - 3479 liters day-1) and irrigates area (196 - 773 m² day-1 for a irrigation depth equal 4.5 mm). Therewith, the tracking system shows a viable alternative technique to improve solar energy harvesting and increase the irrigated area with same area of PV generator. In relation to investment of the tracking system, it cost only 0.2 % of the total cost of PV installation and provided the reduction in the return on investment time of 2 years and 5 month compared to static PV module.

Este trabalho buscou entender a situação da atividade de fabricação de módulos fotovoltaicos no Brasil com o objetivo de avaliar a possibilidade de estimular a indústria nacional e o uso dessa fonte alternativa mais acentuadamente. Para tanto, foi necessário analisar os benefícios energéticos e econômicos da cadeia de produção, além de entender o estado da arte atual de todo o processo. É um ramo industrial que está sendo implantado no Brasil e este estudo teve como objetivo obter informações relevantes dos problemas e facilidades que os empreendedores enfrentam, e quais são os custos e benefícios à sociedade em geral, inclusive para obtenção dos sistemas fotovoltaicos pelo consumidor final. O trabalho contém uma avaliação do estado da produção e utilização dos sistemas de energia solar fotovoltaica no mundo e o que ocorre no Brasil. Buscou-se conhecer as possíveis, e/ou mais relevantes, ações regulatórias e iniciativas da área privada para viabilizar este ramo industrial. São considerados os impactos da atividade em pauta, procurando mostrar as relações de custo-benefício em projetos de geração centralizada (Leilões de Energia de Reserva) e de geração distribuída. / This study aims to understand the status of the manufacturing activity of photovoltaic modules in Brazil to evaluate the possibility of stimulating the local production and its widespread use. It was necessary to evaluate the energetic and economic benefits of the production chain. In addition, the study focused the understanding of the current state of the art of the whole process. Photovoltaic solar energy is an industrial branch recently receiving impulse in Brazil. This study aims to obtain relevant information about the difficulties faced by the entrepreneurs and the benefits and costs to the society. The study assess the state of the production and use of solar PV systems in the world and what happens in Brazil. At this study, we sought to understand what are the possible, and/or more relevant, regulatory actions and private area initiatives to enable this industrial branch and its diffusion to the final consumers. The impacts of the related activity are considered, trying to show the cost-benefit relationship in centralized generation projects (Reserve Energy Auctions) and distributed generation.

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:25:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Osvaldo.pdf: 5754399 bytes, checksum: 701637b7657c10259c85108bc616425b (MD5) Previous issue date: 2012-05-15 / The cassava starch industries generate daily a large volume of wastewater effluent that, stabilized in ponds, waste its biogas energy and pollute the atmosphere. To contribute with the reversion of this reality, this manipueira treatment research in one phase anaerobic horizontal pilot reactor with continuous feeding was developed. The reactor was implanted at a starch factory, Toledo, PR, which processes 160 ton cassava day-1 and originates 800 m3 of cassava wastewater. The biomass agitation was obtained by biogas recirculation, pumped by radial compressor, being the support medium set up with 15 x 4 cm bamboo pieces. The cassava wastewater, in natura, flowed by a sand and clay separating chamber, feeding the reactor with volume measured by an hydrometer. The experimental design was a completely randomized design, with the responses submitted to multivariate analysis and to statistical quality control through R 13.0 and Minitab 15.1.0.0 softwares, respectively. The average organic loadings in chemical oxygen demand (COD) were 0.556; 0.670; 0.678; 0.770 and 0.902 g L-1; and in volatile solids (VS) 0.659; 0.608; 0.570; 0.761 and 0.816 g L-1 at the hydraulic retention times (HRT) of 13.0; 11.5; 10.0; 7.0 and 7.0 days. The average reductions for COD, at the same order that the HRTs, were 88; 80; 88; 67 and 70% and for VS 76; 77; 65; 61 and 53%. The biogas productions relatively to COD consumed were 0.368; 0.795; 0.891; 0.907 and 0.626 Lg-1, relatively to VS consumed were 0.524; 0.930; 1.757; 0.952 and 0.981 Lg-1 and volumetrically 0.131; 0.330; 0.430; 0.374 and 0.377 L L-1 d-1, with an average methane content of 56%. The 10.0 days HRT was evaluated with an average temperature of 27.7 °C and the others with temperatures ranging from 21.2 to 23.5 °C. The agitation efficiency was proven as it increased the reactor s performance, in spite of a 2.3 °C average reduction at the temperature. The stability indicators pH and volatile acidity/total alkalinity (VA/TA) relation remained between 6.51 to 7.45 and 0.11 to 0.82, respectively. Although the relation VA/TA has presented risk values, the reactor remained stable, possibly due to the support medium presence / As fecularias produzem diariamente um grande volume de manipueira, que, estabilizada em lagoas, desperdiça a energia do biogás e polui a atmosfera. Para contribuir com a reversão dessa realidade, desenvolveu-se esta pesquisa de tratamento de manipueira em reator anaeróbio horizontal piloto com alimentação contínua. O reator foi implantado numa fecularia, em Toledo PR, que processa 160 t de mandioca dia-1 e gera 800 m3 de manipueira. A agitação da biomassa foi realizada por recirculação de biogás bombeado por compressor radial e o meio suporte foi montado com peças de bambu de 15 x 4 cm. A manipueira, in natura, fluiu por uma caixa separadora de areia e argila e alimentou o reator com volume medido por hidrômetro. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com respostas submetidas à análise multivariada que permitiram avaliar as correlações entre as variaveis e ao controle estatístico da qualidade através dos programas R 13.0 e Minitab 15.0, respectivamente. As cargas orgânicas médias em demanda química de oxigênio (DQO) aplicadas foram de 0,556; 0,670; 0,678; 0,770 e 0,902 g L-1 e em sólidos voláteis (SV) de 0,659; 0,608; 0,570; 0,761 e 0,816 g L-1 nos tempos de retenção hidráulica (TRH) de 13,0; 11,5; 10,0; 7,0 e 7,0 dias, respectivamente, sendo o último TRH com agitação. As reduções médias de DQO, na ordem de apresentação dos TRHs, foram de 88; 80; 88; 67 e 70% e de SV 76; 77; 65; 61 e 53%. As produções de biogás por DQOc foram de 0,368; 0,795; 0,891; 0,907 e 0,626 Lg-1, por SVc de 0,524; 0,930; 1,757; 0,952 e 0,981 Lg-1 e volumétrica de 0,131; 0,330; 0,430; 0,374 e 0,377 L L-1 d-1, com média de metano em 56%. O TRH de 10,0 dias foi avaliado com temperatura média mais elevada, de 27,7 °C, e os demais com temperatura variando entre 21,2 a 23,5 °C. A eficiência do agitador foi comprovada ao melhorar o desempenho do reator, apesar da redução média de 2,3 °C na temperatura. Os indicadores de estabilidade, pH e relação acidez volátil/alcalinidade total (AV/AT), mantiveram médias entre 6,51 a 7,45 e 0,11 a 0,82, respectivamente. Apesar da relação AV/AT ter apresentado valores de risco, o reator permaneceu estável, o que pode ser devido à presença do meio suporte

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Douglas _Torres.pdf: 3616129 bytes, checksum: a4f03d06a9a51441bb0fbfebd263c6b0 (MD5) Previous issue date: 2014-02-20 / Hydrogen is naturally formed in intermediate stages of anaerobic digestion and is subsequently consumed to generate products such as methane and hydrogen sulphide. So, in order to increase the energetic efficiency of gases produced in the system, it was necessary to separate hydrogen. It is essential to interrupt hydrogen consumption by methanogenic and sulphidegenic phases of anaerobic digestion process. As the effluent from cassava processing presents high concentration of sugars, there may be some possibility to favor the acidogenic digestion process, which provides better conditions to produce hydrogen gas and inhibit methanogenic archaea. Thus, this trial aims at evaluating hydrogen production from anaerobic digestion of wastewater from the cassava manufacturing process in an upflow anaerobic reactor, where bamboo was used as support medium. Four experimental runs (R1, R2, R3 and R4) were carried out in a 3.0 L plexiglass reactor, operated at 0.75 h-1 flow rate and Hydraulic Detention Time (HDT) of 4 hours. The assays were inoculated with 10% of the effective volume of an anaerobic sludge digester installed on a cassava industry at 95 °C for 15 min to eliminate microorganisms that produce methane. The cassava pH adjustment was managed to 6.0, but only at the R1 run. In R2, R3 and R4 runs, without any pH change, the values ranged from 3.74 to 4.47. The reactors showed a consumption average from total sugar superior at 80%, whose COD removals were 55.26, 15.27, 46.16 and 40.42% for R1, R2, R3 and R4, respectively. It was also observed that biogas flow decreasing provided greater biomass accumulation in the reactor. Thus, the results of HDT values were obtained by hydrodynamic essay of 3.75, 1.08, 1.83 and 2.43 for R1, R2 R3 and R4, respectively. It can also be observed that the process of hydrogen generation was associated with the metabolic route to generate butyric acid, since the increase of this product from acidogenesis resulted in higher amounts of hydrogen. It was also pointed out that the peak incidences of lactic and propionic acid concentrations in the effluent occurred simultaneously to the decreased production, which could indicate H2 consumption. The use of cassava without pH correction in R2, R3 and R4 resulted in lower productions of H2 maybe as a result of solventogenesis possibility that was recorded by the increase in butanol and ethanol production, which matched to the hydrogen flow reduction. The highest molar flow rates of H2 were observed in R1, with maximum value of 10.6mmolH2.h-1. R2 essay showed the highest percentages of hydrogen in biogas (45.37%) and maximum flow of 3.37 mmolH2.h-1, whose highest concentrations of calcium in cassava lots were used in that period. However, R3 and R4 reactors showed the highest flows (0.99 and 1.80 mmolH2.h-1). Thus, it should be highlighted the importance of correcting pH of cassava industry wastewater and monitoring alcohols and volatile fatty acids generated during this process. / O hidrogênio é naturalmente formado em etapas intermediárias da digestão anaeróbia e é posteriormente consumido para geração de produtos como o metano e o ácido sulfídrico. Para possibilitar a separação do hidrogênio, em busca do aumento da eficiência energética dos gases gerados no reator, torna-se necessária a interrupção do consumo do hidrogênio pelas fases metanogênica e sulfetogênica do processo de digestão anaeróbia. Como o efluente do processamento da mandioca apresenta elevada concentração de açúcares, pode ocorrer o favorecimento do processo de digestão acidogênica, que proporciona melhores condições para a geração do gás hidrogênio e inibição das arqueias metanogênicas. Assim, o presente trabalho teve como objetivo geral avaliar a produção de hidrogênio a partir da digestão anaeróbia de efluente do processo de fabricação de fécula de mandioca (manipueira), em reator anaeróbio de leito fixo e fluxo ascendente, utilizando hastes de bambu como meio suporte. Foram realizados 4 ensaios experimentais (R1, R2, R3 e R4) em reator de plexiglass com 3,0 L de volume útil, operados com vazão de 0,75 L.h-1 e tempo de detenção hidráulica (TDH) de 4 horas. Os ensaios foram inoculados com 10% do volume útil de lodo anaeróbio de um biodigestor instalado em uma fecularia, previamente aquecido a 95 °C por 15 minutos para eliminação de microrganismos produtores de metano. O ajuste do pH da manipueira foi realizado para 6,0 somente no ensaio R1. Nos ensaios R2, R3 e R4, sem alterações do pH, os valores variaram de 3,74 a 4,47. Os reatores apresentaram média de consumo de açúcares totais superiores a 80%, com remoções de DQO de 55,26; 15,27; 46,16 e 40,42% para R1, R2, R3 e R4, respectivamente. Foi observado que a redução das vazões de biogás proporcionou maior acúmulo de biomassa no reator. Os resultados dos valores de TDH foram obtidos pelo ensaio hidrodinâmico de 3,75, 1,08, 1,83 e 2,43 para R1, R2, R3 e R4, respectivamente. Foi possível verificar que o processo de geração de hidrogênio estava associado à via metabólica de geração de ácido butírico, uma vez que o aumento deste produto da acidogênese proporcionou elevação dos valores de hidrogênio. Observou-se também que os picos de concentrações de ácido lático e propiônico no efluente ocorreram simultaneamente às reduções de produtividade e podem indicar o consumo de H2. A utilização da manipueira, sem correção de pH em R2, R3 e R4, resultou em menores produtividades de H2, possivelmente resultantes do favorecimento da solvetogênese, verificada pela elevação das produções de butanol e etanol, que coincidiram com a redução das vazões de hidrogênio. As maiores vazões molares de H2 foram observadas em R1, com valor máximo de 10,6 mmolH2.h-1. O ensaio R2 apresentou as maiores percentagens de hidrogênio no biogás (45,37%) e vazão máxima de 3,37 mmolH2.h-1, em que foram observadas as maiores concentrações de cálcio nos lotes de manipueira, utilizados naquele período. Os reatores R3 e R4 apresentaram vazões máximas de 0,99 e 1,80 mmolH2.h-1. Dessa forma, destaca-se a necessidade da correção dos valores de pH do efluente de fecularia e monitoramento dos álcoois e ácidos graxos voláteis gerados no processo.