In dieser Arbeit verwende ich den Formalismus der endoreversiblen Thermodynamik um ein hydraulisches Rekuperationssystem für Nutzfahrzeuge zu modellieren und zu untersuchen. Dafür führe ich verlustbehaftete Übergänge extensiver Größen zwischen Teilsystemen eines Systems ein. Diese können einerseits der Modellierung von Leckagen und Reibungsverlusten, welche als Partikel- oder Drehmomentverluste dargestellt würden, dienen. Andererseits ermöglichen sie die Modellierung einer endoreversiblen Maschine, welche – durch Definition eines solchen verlustbehafteten, internen Überganges – ein gegebenes Wirkungsgradkennfeld und daraus resultierende Entropieproduktion inne hat. Diese wird infolge zur Modellierung der Hydraulikeinheit des Rekuperationssystems verwendet. Desweiteren basiert die Beschreibung des Rekuperationssystems auf der Modellierung der Hydraulikflüssigkeit als Van-der-Waals-Fluid, sodass Druckverluste im endoreversiblen Sinne konsistent berücksichtigt werden können. Von gegebenen Materialparamtern werden die dafür notwendigen Van-der-Waals-Parameter hergeleitet. Weitere Aspekte sind Wärmeverluste an die Umgebung sowie Wärmeübergänge zwischen Teilsystemen. Auf Grundlage realer Fahrdaten der Nutzfahrzeuge werden verschiedene dynamische und thermodynamische Effekte im Rekuperationssystem analysiert. Ihr Einfluss auf die resultierenden energetischen Einsparungen beim Abbremsen und Beschleunigen wird durch Variation zugehöriger Parameter aufgezeigt. Zuletzt wird mit einem vereinfachten Modell ohne Druck- und Wärmeverluste, aber unter Einbeziehung des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges, eine Optimierung der Steuerung des hydraulischen Rekuperationssystems mit Hinblick auf minimalen Kraftstoffverbrauch durchgeführt. Hier zeigt sich eine erhebliche Verbesserung durch die Leistungsaufteilung zwischen Verbrennungsmotor und Rekuperationssystem nach deren Betriebsbereichen mit maximalem Wirkungsgrad. / In this work I use the formalism of endoreversible thermodynamics to model and investigate a hydraulic recuperation system for commercial vehicles. For that, I introduce lossy transfers of extensive quantities between subsystems of an endoreversible system. On the one hand, these allow modeling of leakages and friction losses, which can be represented as particle or torque losses. On the other hand, they can be used as internal extensity transfers in endoreversible engines which, as a result, have a given efficiency or efficiency map and among other things give an expression for their entropy production. Such an engine is used to model the hydraulic unit of the recuperation system. Furthermore, the description of the recuperation system is based on the modeling of the hydraulic fluid as a van der Waals fluid, so that pressure losses can be taken into account in a consistent endoreversible fashion. From given material parameters the necessary van der Waals parameters are derived. Other aspects of the modeling include heat losses to the environment and heat transfers between subsystems. On the basis of real driving data, various dynamic and thermodynamic effects within the recuperation system are observed and their influence as well as the influence of selected parameters on the resulting energy savings for both acceleration and deceleration are shown. Finally, using a simplified model neglecting pressure and heat losses, but including the internal combustion engine of the vehicle, an optimization of the control strategy for the hydraulic recuperation system with regard to minimum fuel consumption is performed. Here, a significant improvement due to a power distribution between combustion engine and recuperation system according to their high efficiency operating ranges can be achieved.

Tesis por compendio / [ES] Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) plantean un llamamiento global para conseguir la sostenibilidad en aspectos esenciales de la vida humana. El actual consumo de energía para el tratamiento de aguas residuales es muy elevado, y las previsiones apuntan a un incremento de la demanda en la próxima década. En este contexto, resulta necesario aplicar la perspectiva de sostenibilidad, para conseguir de forma simultánea todos los ODS. Un desempeño energético más sostenible de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) implica acciones en dos líneas, reducir el consumo, y generar energías renovables in situ. Para implantar medidas a corto plazo, es necesario explorar las posibilidades que pueden ofrecer las tecnologías ya maduras, y evaluar su potencial contribución a la descarbonización del sector. La generación de electricidad mediante maquinaria hidráulica aprovechando la energía potencial de los efluentes podría ser una de ellas. El principal objetivo de esta tesis doctoral consiste en desarrollar una metodología, dirigida a los agentes de gobernanza, para evaluar el potencial de generación de energía hidráulica en EDAR, considerando las tres dimensiones de sostenibilidad. De este modo, poder ilustrar las posibilidades de aplicación de esta tecnología, actualmente poco conocida para el sector, que podría contribuir a una gestión más sostenible de las aguas residuales. Las fases desarrolladas incluyeron: 1) Contextualización: Se revisó el estado del arte sobre las necesidades energéticas y las tecnologías para la generación de energía renovable en EDAR. Paralelamente sobre el estado de la tecnología para la recuperación de energía en redes de agua existentes mediante maquinaria hidráulica. Para completar este marco, la revisión se amplió con una búsqueda exhaustiva de casos de estudio reales de aplicación en EDAR. En esta fase se identificaron 49 casos de estudio y se analizó su desempeño energético. Los resultados de esta fase en general demostraron que existe una experiencia real en la aplicación práctica de esta tecnología que no se está utilizando para el desarrollo de todo su potencial en este sector. 2) Desarrollo de la metodología: Se analizaron las metodologías existentes para evaluación del potencial de esta tecnología, y el resultado se comparó con la información obtenida en la contextualización. Como resultado, durante esta tesis se ha desarrollado una metodología con una nueva perspectiva. En primer lugar, se introduce la necesidad de considerar el nivel al que se produce la toma de decisiones, para adaptar el alcance del estudio (un grupo de EDAR). A continuación, la metodología se desarrolla en dos etapas. En la etapa 1 (evaluación técnica) el potencial de generación de energía hidráulica se estima de forma individual para cada EDAR. En la etapa 2 (evaluación global) se propone un método de decisión multicriterio (MCDA) introduciendo criterios de sostenibilidad. La alineación de la metodología con su contexto de aplicación se considera una cuestión clave, de modo que el método propuesto se basa en las directrices del instrumento de gobernanza para aguas residuales en España (Plan DSEAR). 3) Aplicación práctica: Esta fase completa el estudio con la aplicación a un grupo de 186 EDAR de la Comunidad Valenciana (España), con la misma modalidad de financiación. Se estimó una generación de electricidad de 340,472 kWh/año, aunque como hallazgo se observó la posibilidad de que dicho potencial sea mayor. En la etapa 2 se mostró que, cuando los resultados de la etapa 1 se ponen en el contexto de sostenibilidad, se obtiene una nueva perspectiva. Esta investigación demuestra que, en el marco de los ODS, la recuperación de energía hidráulica del agua residual podría ser una opción más en la descarbonización de este sector. Tomando como base esta propuesta, agentes de gobernanza para la gestión de aguas residuales en otro contexto podrían desarrollar metodologías similares adaptadas a su propio entorno. / [CA] Els Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) plantegen una crida global per a aconseguir la sostenibilitat en aspectes essencials de la vida humana. L'actual consum d'energia per al tractament d'aigües residuals és molt elevat, i les previsions apunten a un increment de la demanda en la dècada vinent. En este context, resulta necessari aplicar la perspectiva de sostenibilitat, per a aconseguir de manera simultània tots els ODS. Un acompliment energètic més sostenible de les Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) implica accions en dues línies, reduir el consum, i generar energies renovables in situ. Per a implantar mesures a curt termini, és necessari explorar les possibilitats que poden oferir les tecnologies ja madures, i avaluar la seua potencial contribució a la descarbonització del sector. La generació d'electricitat mitjançant maquinària hidràulica aprofitant l'energia potencial dels efluents podria ser una d'elles. El principal objectiu d'esta tesi doctoral consisteix a desenvolupar una metodologia, dirigida als agents de governança, per a avaluar el potencial de generació d'energia hidràulica en EDAR, considerant les tres dimensions de sostenibilitat. D'aquesta manera, poder il·lustrar les possibilitats d'aplicació d'esta tecnologia, actualment poc coneguda per al sector, que podria contribuir a una gestió més sostenible de les aigües residuals. Les fases desenvolupades van incloure: 1) Contextualització: Es va revisar l'estat de l'art sobre les necessitats energètiques i les tecnologies per a la generació d'energia renovable en EDAR. Paral·lelament sobre l'estat de la tecnologia per a la recuperació d'energia en xarxes d'aigua existents mitjançant maquinària hidràulica. Per a completar este marc, la revisió es va ampliar amb una cerca exhaustiva de casos d'estudi reals d'aplicació en EDAR. En esta fase es van identificar 49 casos d'estudi i es va analitzar el seu acompliment energètic. Els resultats d'esta fase en general van demostrar que existeix una experiència real en l'aplicació pràctica d'esta tecnologia que no s'està utilitzant per al desenvolupament de tot el seu potencial en este sector. 2) Desenvolupament de la metodologia: Es van analitzar les metodologies existents per a avaluació del potencial d'esta tecnologia, i el resultat es va comparar amb la informació obtinguda en la contextualització. Com a resultat, durant esta tesi s'ha desenvolupat una metodologia amb una nova perspectiva. En primer lloc, s'introdueix la necessitat de considerar el nivell al qual es produeix la presa de decisions, per a adaptar l'abast de l'estudi (un grup de EDAR). A continuació, la metodologia es desenvolupa en dues etapes. En l'etapa 1 (avaluació tècnica) el potencial de generació d'energia hidràulica s'estima de manera individual per a cada EDAR. En l'etapa 2 (avaluació global) es proposa un mètode de decisió multicriteri (MCDA) introduint criteris de sostenibilitat. L'alineació de la metodologia amb el seu context d'aplicació es considera una qüestió clau, de manera que el mètode proposat es basa en les directrius de l'instrument de governança per a aigües residuals a Espanya (Pla DSEAR). 3) Aplicació pràctica: Esta fase completa l'estudi amb l'aplicació a un grup de 186 EDAR de la Comunitat Valenciana, amb la mateixa modalitat de finançament. Es va estimar una generació d'electricitat de 340,472 kWh/any, encara que com a troballa es va observar la possibilitat que aquest potencial siga major. En l'etapa 2 es va mostrar que, quan els resultats de l'etapa 1 es posen en el context de sostenibilitat, s'obté una nova perspectiva. Esta investigació demostra que, en el marc dels ODS, la recuperació d'energia hidràulica de l'aigua residual podria ser una opció més en la descarbonització d'este sector. Prenent com a base esta proposta, agents de governança per a la gestió d'aigües residuals en un altre context podrien desenvolupar metodologies similars adaptades al seu propi entorn. / [EN] The Sustainable Development Goals establish a universal agenda to call for action and achieve sustainability in essential aspects of human life. Nowadays the energy demand for wastewater treatment is very high and it is expected to increase in the next decade. Therefore, the performance of this industry will have an effect on SDG 6, but also on SDG 7 and 13. In this context, it is necessary to apply the sustainability approach to wastewater systems to simultaneously achieve all these goals. More sustainable energy performance of wastewater treatment plants (WWTPs) implies two parallel steps: a reduction of energy consumption and the implementation of renewable energy technologies. To take action in the short term, existing mature technologies should be explored to evaluate their potential contribution to the decarbonization roadmaps in the wastewater industry. Hydropower might be one of these technologies. The main objective of this thesis is to develop a methodology, addressed to wastewater governance stakeholders, to assess the potential of hydropower application to WWTPs, regarding all three dimensions of sustainability. According to this, the final aim of this study is to illustrate the practical possibilities, usually unknown, that hydropower could offer to the wastewater sector in the pathway towards more sustainable systems. To achieve that aim, the steps in this research included: 1) Contextualization: The review of the state of the art was conducted in two lines. Firstly, about the energy needs for wastewater treatment and technologies for renewable energy generation. Secondly, about hydropower for energy recovery from existing networks. To complete the framework, this stage was extended with an exhaustive search and analysis of real case studies of hydropower applications to WWTPs. In this stage, 49 case studies were identified, and their energy data were extracted to obtain energy self-sufficiency indicators and analyze their renewable energy profiles. Furthermore, the technical data of their hydropower systems were examined. The overall results of this stage showed that there is an existing experience that is not being used to explore hydropower as an option for energy recovery in the wastewater sector. 2) Methodology development: In a preliminary step, existing methodologies for hydropower potential assessment were analyzed and compared with the framework obtained from the contextualization. As a result, a methodology with a broader approach was developed. First, it introduces the consideration of the decision-making level to select the scope of the study (a group of WWTPs). Then, the proposed methodology consists of two steps. In step 1 (technical assessment of hydropower potential) individual power output is estimated for each site. This step was validated with the data obtained during the contextualization. In step 2 (global assessment), after analyzing existing guidelines, a multi-criteria decision analysis (MCDA) method with sustainability criteria is defined. As the alignment with the context is a key issue introduced in this proposal, this method is based on the guidelines in the wastewater governance instrument in Spain (PDSEAR). 3) Practical application: This stage completes the research with the application of the proposed methodology to a case study, a group of 186 WWTPs in the region of Valencia (Spain), selected according to their management model. The generation was estimated at 340,472 kWh/year, but it was found that the potential could be higher. The results also showed that the perspective may be different, if the outcomes from step 1, are put into context in step 2, with the application of the MCDA method. This research demonstrates that, in a sustainability framework, hydropower might be an interesting option to consider for the decarbonization of wastewater systems. Based on this study, decision-making stakeholders could design their own methodologies, adapted to the specific context. / The authors would like to acknowledge grant PID2020–114781RA-I00 funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033. / Llácer Iglesias, RM. (2023). Hydropower Potential for Energy Recovery in Wastewater Systems. Assessment Methodology and Practical Application [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201558 / Compendio

[ES] En los últimos años, la preocupación mundial con el aumento de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero ha motivado a las industrias del transporte y la energía a moverse hacia el desarrollo de tecnologías sostenibles con bajas o nulas emisiones de contaminantes de plantas de generación de potencia. Con este escenario, la oxicombustión surge como uno de los métodos más prometedores para mitigar la huella ambiental de plantas de generación de potencia, al erradicar sus emisiones contaminantes del tubo de escape, además de permitir la captura de dióxido de carbono (CO2) de sus gases producidos en la combustión. De esta manera, el oxígeno puro (O2) se diluye con el gas de escape recirculado para que reaccione con el combustible en el proceso de combustión y, de este modo, la corriente de gases de escape, compuesta principalmente por CO2 y vapor de agua, puede ser sometida a etapas elementales de enfriamiento y presurización para capturar CO2 de alta pureza a temperatura ambiente. Dado este contexto, en esta tesis, se desarrolla un modelo de sistema autosostenible a oxicombustión con captura de carbono para un motor policilíndrico de encendido por compresión (MEC) de 2,2 litros turboalimentado y de inyección directa como demostración de viabilidad de este concepto propuesto, considerando su aplicación potencial para el desarrollo de plantas de potencia de altas prestaciones con cero emisiones. En tales circunstancias, se emplea una membrana conductora mixta iónica-electrónica para generar O2 a partir del aire local. Para ello, se recupera la energía residual de los gases de escape mediante un ciclo Brayton adaptado con el fin de proporcionar las condiciones adecuadas para el correcto funcionamiento de la membrana en términos de temperatura y relación de presión alimentación-permeado. Asimismo, se diseña un sistema de captura de carbono (CC) local, compuesto esencialmente por dos compresores alternativos, tres unidades de refrigeración con separación de líquidos (flashes) y un tanque de almacenamiento de CO2, teniendo en cuenta las temperaturas de salida de los flashes y la presión de funcionamiento de la última etapa de purificación del CO2. En primer lugar, se diseña el modelo del sistema de oxicombustión con el motor y sus componentes auxiliares (intercambiadores de calor y turbocompresores) y, a continuación, el sistema es evaluado bajo condiciones de oxicombustión para la curva de plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm en ausencia del CC, contrastando sus resultados con el comportamiento del MEC convencional de referencia. En segundo lugar, se amplía el mapa de funcionamiento de carga del motor de oxicombustión hasta los límites de estabilidad del sistema modificando el dosado oxígeno-combustible y la temperatura de los gases de escape para tres regímenes del motor. Por último, se diseña el CC y se lo acopla a la unidad de generación de O2, reciclando el agua y el exceso de O2 del CC de nuevo a la admisión del motor. A este respecto, un barrido es llevado a cabo sobre el inicio de la inyección y el flujo másico de agua recirculada para encontrar el punto de funcionamiento óptimo a 3500 rpm con respeto a la compensación entre las prestaciones del motor y la potencia de refrigeración adicional. A continuación, se mejora y adapta el modelo del sistema completo de oxicombustión con captura de carbono para una aplicación realista a escala de laboratorio y una prueba de concepto experimental, siguiendo la misma filosofía de compensación. Aunque el diseño final del motor de oxicombustión con captura de carbono presenta un ligero empeoramiento de prestaciones comparado con el MEC convencional de referencia a 3500 rpm, este nuevo concepto propuesto puede seguir siendo competitivo desde el punto de vista de la eficiencia energética como tecnología emergente que puede contribuir a la concepción de plantas de generación de potencia con emisiones cero a escala industrial comercial. / [CA] En els darrers anys, la preocupació mundial amb l'augment de les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle ha motivat les indústries del transport i l'energia a moure's cap al desenvolupament de tecnologies sostenibles amb baixes o nul·les emissions de contaminants de plantes de generació de potència. Amb aquest escenari, l'oxicombustió sorgeix com un dels mètodes més prometedors per mitigar l'empremta ambiental de plantes de generació de potència, en eradicar les emissions contaminants del tub d'escapament, a més de permetre la captura de diòxid de carboni (CO2) dels seus gasos produïts a la combustió. D'aquesta manera, l'oxigen pur (O2) es dilueix amb el gas d'escapament recirculat perquè reaccioni amb el combustible en el procés de combustió i així el corrent de gasos d'escapament, compost principalment per CO2 i vapor d'aigua , pot ser sotmesa a etapes elementals de refredament i pressurització per capturar CO2 d'alta puresa a temperatura ambient. Atès aquest context, en aquesta tesi, es desenvolupa un model de sistema autosostenible a oxicombustió amb captura de carboni per a un motor policilíndric d'encesa per compressió (MEC) de 2,2 litres turboalimentat i d'injecció directa com a demostració de viabilitat d'aquest concepte proposat , considerant la seva aplicació potencial per al desenvolupament de plantes de potència d'altes prestacions amb zero emissions. En aquestes circumstàncies, es fa servir una membrana conductora mixta iònica-electrònica per generar O2 a partir de l'aire local. Per això, es recupera l'energia residual dels gasos d'escapament mitjançant un cicle Brayton adaptat per tal de proporcionar les condicions adequades per al funcionament correcte de la membrana en termes de temperatura i relació de pressió alimentació-permeat. Així mateix, es dissenya un sistema de captura de carboni (CC) local, compost essencialment per dos compressors alternatius, tres unitats de refrigeració amb separació de líquids (flaixos) i un tanc d'emmagatzematge de CO2, tenint en compte les temperatures de sortida dels flaixos i la pressió de funcionament de l'última etapa de purificació del CO2. En primer lloc, es dissenya el model del sistema d'oxicombustió amb el motor i els seus components auxiliars (intercanviadors de calor i turbocompressors) i, a continuació, el sistema és avaluat sota condicions d'oxicombustió per a la corba de plena càrrega del motor des de 1250 rpm fins a 3500 rpm en absència del CC, contrastant els resultats amb el comportament del MEC convencional de referència. En segon lloc, s'amplia el mapa de funcionament de càrrega del motor d'oxicombustió fins als límits d'estabilitat del sistema modificant el dosatge oxigen-combustible i la temperatura dels gasos d'escapament per a tres règims del motor. Finalment, es dissenya el CC i l'acobla a la unitat de generació d'O2, reciclant l'aigua i l'excés d'O2 del CC de nou a l'admissió del motor. Quant a això, un escombrat és dut a terme sobre l'inici de la injecció i el flux màssic d'aigua recirculada per trobar el punt de funcionament òptim a 3500 rpm respecte a la compensació entre les prestacions del motor i la potència de refrigeració addicional. A continuació, es millora i s'adapta el model del sistema complet d'oxicombustió amb captura de carboni per a una aplicació realista a escala de laboratori i una prova de concepte experimental, seguint la mateixa filosofia de compensació. Tot i que el disseny final del motor d'oxicombustió amb captura de carboni presenta un lleuger empitjorament de prestacions comparat amb el MEC convencional de referència a 3500 rpm, aquest nou concepte proposat pot continuar sent competitiu des del punt de vista de l'eficiència energètica com a tecnologia emergent que pot contribuir a la concepció de plantes de generació de potència amb emissions zero a escala industrial comercial. / [EN] In recent years, a worldwide concern with respect to an increase in anthropogenic greenhouse gas emissions has pushed transport and energy industries towards the development of sustainable technologies with low or zero pollutant emissions from powerplants. Within this scenarios, oxy-fuel combustion arises as one of the most promising methods to mitigate the environmental footprint of powerplants, by eradicating their pollutant tailpipe emissions, in addition to enabling carbon dioxide (CO2) capture from their flue gas. In this case, pure oxygen (O2) is diluted with recirculated exhaust gas to react with fuel for the combustion process and, thereby, the exhaust stream, mainly composed of CO2 and water vapor, may be subjected to elementary cooling and pressurizing steps for capturing high-purity CO2 at ambient temperature. Therefore, in this thesis, a self-sustaining oxy-fuel carbon-capture layout model is developed for a 2.2 liter turbocharged and direct-injection multicylinder compression ignition engine (CIE) as a feasibility demonstration of this proposed concept considering its potential application for development of zero-emission high-duty powerplants. In such circumstances, a mixed ionicelectronic conducting membrane is employed to generate O2 from air in-situ. For this purpose, exhaust gas wasted energy is recovered via a tailored Brayton cycle in order to provide suitable conditions for proper membrane operation in terms of temperature and feed-permeate pressure ratio. Also, an in-situ carbon capture system (CC), composed essentially of two reciprocating compressors, three cooling units with liquid separation (flashes) and a CO2 storage tank, is designed taking into account the flash out temperatures and operating pressure of the last CO2 purification step. Firstly, the oxy-fuel layout model with engine and its auxiliary components (heat exchangers and turbochargers) is designed and then assessed under oxyfuel combustion conditions for the engine full-load curve from 1250 rpm to 3500 rpm in the absence of the CC, contrasting its outputs against the baseline conventional multi-cylinder CIE behavior. Secondly, the oxy-fuel powerplant load operation map is extended until system stability limits by modifying oxygen-fuel ratio and exhaust gas temperature for three engine speeds. Finally, the CC is designed and then coupled to the O2 generation unit, recycling water and excess of O2 from CC back to engine intake. In this regard, start of injection and recirculated water mass flow are swept in order to find out optimum operating point concerning the trade-off between powerplant performance and additional cooling power at 3500 rpm. Thereafter, the complete oxy-fuel carbon-capture layout model is enhanced and adapted for realistic application at laboratory scale and experimental proof of concept, following same trade-off philosophy. Although the final oxyfuel carbon-capture engine layout presents slight deterioration in performance if compared to the baseline conventional multi-cylinder CIE at 3500 rpm, this proposed novel concept may be still energy-efficient competitive as an emerging technology which might contribute for conception of zero-emission powerplant on commercial industrial scale. / Farias Da Silva, VH. (2024). Study of oxy-fuel combustion-based power plants with in-situ O2 production and carbon capture [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207281