O setor energético e o setor do transporte são responsáveis por boa parte das emissões de poluentes. Uma alternativa para mitigar a crise climática é o emprego de veículos elétricos (VEs) para realização de serviços e entrega de mercadorias, e.g. empresas de transporte de passageiros, correios e delivery de alimentos. Entretanto, existem comunidades que se encontram distantes de centros urbanos e que possuem fornecimento de energia instável, o que muitas vezes dificulta a adoção de VEs, pois sua autonomia pode ser insuficiente para atender clientes mais afastados. Assim, visando planejar uma infraestrutura energética eficiente, um edifício inteligente poderia abrigar uma microrrede composta de energia renovável e baterias, capaz de recarregar VEs que prestam serviços na região e suprir cargas internas do edifício, promovendo a modernização do sistema e contribuindo para uma comunidade mais sustentável. Assim, este projeto propõe o desenvolvimento de um modelo de programação linear para o dimensionamento de uma microrrede com energia fotovoltaica e baterias alocadas em um edifício inteligente de uma comunidade remota, que seja capaz de alimentar cargas do edifício e recarregar VEs que prestam serviços na região. O modelo será implementado na linguagem AMPL e resolvida utilizando o solver comercial CPLEX, obtendo uma solução composta pela rota ótima do VE, número ótimo de painéis fotovoltaicos e banco de baterias para compor a microrrede. Além disso, restrições do VE serão consideradas no modelo para observar estado da bateria ao longo da rota, o consumo de energia e tempo de navegação. Por fim, propõe-se analisar com este modelo o cenário ambiental, isto é, a quantidade de poluentes depositados no meio ambiente que seriam evitados ao adotar VEs para prestarem serviços nestas comunidades. (AU)

As microrredes são sistemas que integram energias sustentáveis que podem operar de forma conectada ou desconectada à rede elétrica principal. Tradicionalmente, as microrredes operam com fontes de energia distribuída (distributed energy resources, ou DERs) do tipo fotovoltaica, eólica, sistemas de armazenamento e geração térmica. Os padrões de geração renovável nas microrredes são altamente intermitentes, criando problemas de natureza estocástica, que desafiam o controle e a confiabilidade do sistema em tempo real. Nesse contexto, é necessária a detecção e processamento desses eventos dinâmicos e aleatórios que estão fora do controle humano, o que pode ser feito através de algoritmos de aprendizado de máquina e estimação de estado, para calcular e prever as condições dos componentes das microrredes nos diferentes cenários de funcionamento. Assim, a estimação de estado em microrredes é utilizada para converter as leituras dos medidores e outras informações disponíveis em uma estimativa confiável das variáveis não monitoradas, ou alternativamente pode ser usada para filtragem de ruídos e leituras sujeitas a erros grosseiros da medida. Por outro lado, o aprendizado de máquina pode ser usado para lidar com os parâmetros estocásticos das microrredes. Por exemplo, na previsão de curto prazo da energia renovável, da demanda, dos sinais do mercado elétrico, e da operação dos sistemas de armazenamento sob incerteza. Neste contexto, o objetivo deste projeto de pesquisa é desenvolver e avaliar o desempenho de algoritmos de aprendizado de máquina e de estimação de estado para executar funções essenciais das microrredes, tais como o gerenciamento energético baseado em dados (data-driven) e a previsão da geração renovável e da demanda ao curto prazo. Dois software protótipos serão desenvolvidos e testados na microrrede laboratorial da UNICAMP, especificamente na microrrede piloto LABREI, que está sendo implantada na UNICAMP através do projeto P&D MERGE - Microgrids for Efficient, Reliable and Greener Energy, através do projeto temático em andamento FAPESP 2016/08645-9 e do Centro Paulista de Estudos da Transição Energética (CPTEn) FAPESP 2021/11380-5. A microrrede piloto LABREI é único do seu tipo no Brasil, por contar com tecnologias para a análise da operação de microrredes em presença de DERs, com controle e sensoriamento digital em tempo real e sistemas de telecomunicações e aquisição de dados avançados, essenciais para a validação prática dos algoritmos propostos. (AU)

Os efeitos do aquecimento global têm evidenciado a necessidade de desenvolvimento e aprimoramento de fontes de energia ecologicamente corretas, como as células solares. Nesse contexto, as células solares de perovskita (PSCs) têm recebido atenção principalmente devido à sua alta eficiência de conversão de energia próxima às células solares de silício (25,7 vs 26,1%), baixo custo de preparação e propriedades versáteis. Para obter PSCs altamente eficientes, o recozimento térmico é necessário para completar a cristalização e minimizar os defeitos na camada de perovskita. A desvantagem deste processo é a criação de deformação (de compressão ou tração) na estrutura da perovskita devido ao descasamento entre o coeficiente de expansão da perovskita e do substrato. A tensão afeta várias propriedades, como estabilidade, bandgap, condutividade em massa, energia de formação de vacâncias de haletos, vida útil da fotoluminescência e energia de ativação da migração de íons. Em geral, a tensão compressiva tem sido relatada como benéfica. No entanto, há uma falta de compreensão da influência da deformação durante a operação de uma célula solar, o que pode ser fundamental para uma compreensão mais precisa desse efeito em dispositivos da vida real. Neste projeto, propomos investigar o comportamento da deformação em perovskita sob condições operando (temperatura, luz e polarização) para entender melhor esse efeito nas propriedades da perovskita, principalmente usando microscopia de difração de raios X de campo completo (FFXDM) para mapear a deformação e obter informações espacialmente resolvidas. Os experimentos operando serão realizados usando um chip de aquecimento projetado no LNLS e adaptado para uso na linha de luz ID01/ESRF na instituição anfitriã. Esta investigação pode contribuir fortemente para o desenvolvimento tecnológico de PSCs e acelerar sua comercialização. (AU)

A preocupação mundial com as alterações climáticas decorrentes do uso exacerbado de fontes fósseis pelo homem tem impulsionado a ciência na busca por alternativas de energia renovável, como por exemplo a biomassa lignocelulósica vegetal. A biomassa lignocelulósica é basicamente composta de carboidratos, especialmente pelos açúcares glicose e xilose, e a conversão de todos os açúcares da biomassa em bioprodutos é essencial para a viabilidade econômica das biorrefinarias. Embora a levedura mais utilizada na indústria, a Saccharomyces cerevisiae, se destaque no consumo de glicose, ela não é capaz de consumir xilose naturalmente. Estratégias de engenharia metabólica e evolução adaptativa têm sido empregadas ao longo dos anos para construir cepas fermentadoras de xilose, porém, o consumo de xilose por essas cepas ainda é muito inferior ao consumo de glicose. Estudos buscando a razão pelo baixo consumo de xilose demonstraram que essa pentose não é sentida pela levedura como um açúcar fermentescível, indicando a detecção e sinalização de xilose como um gargalo para a melhora do consumo de pentoses. Desse modo, neste projeto será integrado pela primeira vez um biossensor real-time single-cell para monitorar a sinalização de açúcar em uma cepa industrial de S. cerevisiae, elucidando as convergências entre as vias da xilose isomerase (XI) e da xilose redutase/xilitol desidrogenase (XR-XDH) para o metabolismo da xilose, além de analisar o perfil da sinalização das mutações individuais e duplas dos genes YFH1, YPR1, ZWF1, CLN3 e SSK2. Os resultados ajudarão a desenvolver estratégias para melhorar a detecção e sinalização de xilose extracelular para a conversão eficiente de açúcares derivados de biomassa em produtos de valor agregado. (AU)

As pesquisas por fontes de energia renováveis estão cada vez mais crescentes atualmente, devido a uma possível escassez de combustíveis fósseis no futuro. Neste contexto, uma alternativa promissora de energia limpa é o tratamento de efluentes domésticos e industriais usando o processo de digestão anaeróbia em biorreatores, no qual microrganismos degradam a matéria orgânica complexa e a converte em biogás, hidrogênio e metano. O hidrogênio, comparado ao metano, tem seu interesse ainda mais acentuado, porque durante seu processo de combustão produz apenas água (2H2+O2 -2H2O). Nestes biorreatores acidogênicos, microrganismos degradam diferentes tipos de substratos e produzem hidrogênio e ácidos orgânicos. Entretanto, tão importante quanto conhecer o processamento experimental de produção de biogás, é importante também realizar a modelagem matemática para simular o processo em outros cenários e aumentar a escala. O modelo mais amplamente usado é o Anaerobic Digestion Model Number 1 (ADM1), proposto em 2002 pelo Task Group da International Water Association. Este modelo foi formulado para uma digestão anaeróbia completa, na qual o produto final é o metano. Entretanto, modificações foram feitas em sua estrutura para que seja capaz de simular o processamento em biorreatores acidogênicos. Portanto, mais estudos são necessários para que este modelo seja usado na simulação de biorreatores operados de forma contínua e com fluxo pistonado. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é discretizar o ADM1 e incorporar as equações de transferência de massa gás líquido para a simulação de um reator de fluxo pistonado chamado de reator anaeróbio de leito estruturado (Anaerobic Structured Bed Reactor - AnSTBR), o qual foi operado previamente em escala de bancada para a produção de biohidrogênio. (AU)

Membranas de troca aniônica (AEMs) podem ser usadas em vários dispositivos eletroquímicos para a produção de energia limpa e moléculas de alto valor agregado. A sociedade está progredindo para uma economia baseada em energias renováveis e há um sério compromisso global em reduzir a emissão dos gases do efeito estufa. Nesse contexto, a necessidade de armazenamento de energia em escala multi-GW torna-se iminente. Uma resposta para esse problema é a utilização de um sistema de armazenamento de energia à base de hidrogênio gerado pela eletrólise da água a partir de elétrons produzidos sem emissão de carbono. Nesse cenário, as AEMs são promissores eletrólitos sólidos para eletrolisadores de água (AEMWE) compactos e baratos. O uso de AEMs neste tipo de dispositivo reduz os problemas de corrosão dos componentes e permite a substituição de materiais caros por outros baratos e abundantes. No entanto, as AEMs tradicionais contem, frequentemente, grupos funcionais do tipo amônio quaternário, os quais geralmente oferecem pobre estabilidade química devido à suscetibilidade ao ataque pelo íon hidróxido (OH-). A necessidade de AEMs mais química e mecanicamente estáveis é o gargalo das tecnologias que usam este material como o componente principal. Nesse contexto, uma classe emergente de novo eletrólito de polímero sólido alcalino vem ganhando mais atenção: os ionenos. Ionenos são polímeros que incorporam cátions diretamente na estrutura base do polímero. Nesse tipo de polímero, o número de rotas de degradação é reduzido, tornando mais simples encontrar possíveis melhorias. Polímeros à base de poli (benz)imidazol, um tipo de ioneno, têm mostrado estabilidade química melhorada em ambientes de alto pH, proporcionando alta condutividade de hidróxido, e têm sido explorados com sucesso em vários dispositivos eletroquímicos. Diante desse cenário, esta proposta compreende a síntese de novas AEMs modificadas e quimicamente estáveis à base de poli(benz)imidazol para aplicações em reatores de conversão de metano e AEMWE, bem como o teste de AEMs e ionômeros produzidos no Brasil via enxertia induzida por radiação em AEMWEs. Este desenvolvimento de novas AEMs e testes em AEMWE serão realizados durante o estágio de 12 meses na Simon Fraser University, no Canadá, sob a supervisão do Professor Dr. Steven Holdcroft, que é um cientista líder neste tópico. (AU)

As preocupações com os problemas ambientais causados pelos combustíveis fósseis e a contínua crise energética aumentaram o interesse por fontes de energia renováveis, como vento, maré e luz solar. Porém, para atender à alta demanda de energia da sociedade, a energia fotovoltaica e eólica deve ser armazenada em baterias, devido à intermitência inerente a essas fontes renováveis. As baterias de fluxo redox (RFBs) são o sistema mais promissor para armazenamento sustentável de energia em grande escala, pois têm design e operação modular flexível, custos de manutenção moderados, excelente escalabilidade e longo ciclo de vida. Eletrodos à base de carbono têm sido amplamente aplicados em RFBs orgânicas aquosas. No entanto, muitos desses materiais não apresentam estabilidade química e robustez mecânica satisfatórias, e são impregnados com ligantes que diminuem a hidrofilicidade e a área superficial eletroquimicamente ativa do eletrodo. Nesse contexto, o objetivo principal deste trabalho é examinar e comparar as propriedades e o desempenho de diferentes eletrodos de carbono comercialmente disponíveis em experimentos de meia-célula e em RFBs orgânicas aquosas. Além disso, materiais à base de carbono com defeitos de bordas e grupos funcionais oxigenados serão projetados para alcançar eletrodos de baixo custo e altas densidades de energia e potência sem catalisadores. O desempenho dos eletrodos à base de carbono será avaliado por meio de experimentos eletroquímicos e sua morfologia, estrutura e composição serão caracterizadas por técnicas microscópicas e espectroscópicas. Dessa forma, propõe-se uma aplicação inovadora para eletrodo à base de carbono em uma RFB, que está sendo desenvolvida no projeto de pesquisa de doutorado no Brasil. (AU)

O armazenamento de energia eletroquímica (EES) consiste em uma vertente muito utilizada, permitindo a concentração da geração de eletricidade em fontes renováveis intermitentes. Eletrodos positivos de conversão para a próxima geração de baterias de lítio-enxofre (Li-S) têm atraído o interesse de diversos pesquisadores. Um vez que, os sistemas Li-S têm alta capacidade específica e densidade de energia. No entanto, as baterias de Li-S possuem alguns problemas que precisam ser aprimorados antes da comercialização. A incorporação de enxofre em matrizes porosas tem se tornado cada vez mais utilizada nos últimos anos. Metal Organic Frameworks (MOFs) e outros materiais porosos têm chamado a atenção, devido a versatilidade sintética desses materiais. Esses novos eletrodos baseados em enxofre, melhoraram significativamente o desempenho eletroquímico das baterias de Li-S. No entanto, o desenvolvimento de baterias de Li-S requer uma compreensão detalhada do mecanismo de reação eletroquímica e da cinética do enxofre/Li2Sx, bem como do processo de degradação da bateria. Alguns métodos in-situ e in-operando foram desenvolvidos para avaliar os sistemas Li/S. O conhecimento do mecanismo das baterias de Li-S através de técnicas de caracterização avançadas, especialmente técnicas de raios-X e espalhamento de nêutrons, tem aumentado recentemente. Isso inclui difração de raios-X (XRD), que é útil para observar estruturas cristalinas, enquanto a espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) pode fornecer informações sobre as mudanças estruturais locais mais delicadas. Imagens de raios-X, como tomografia computadorizada (TC) de contraste de fase e transição, podem fornecer informações sobre as alterações morfológicas. O espalhamento de nêutrons de baixo ângulo (SANS) e o espalhamento de raios X de baixo ângulo (SAXS) também são usados, principalmente no estudo de materiais porosos. Portanto, esses métodos complementares podem ser usados para estudar a microestrutura dos eletrodos positivos das baterias de Li-S. Assim, o projeto permitirá novos insights sobre os eletrodos positivos das baterias Li-S durante suas performances para fornecer novas ideias sobre o mecanismo que ajudarão a desenvolver eletrodos eficientes para células Li-S. (AU)

Durante bilhões de anos de evolução, a natureza encontrou diferentes maneiras de utilizar a luz solar como fonte de energia por meio da absorção de luz, utilizando fotossistemas complexos e sofisticados. Este objetivo é alcançado de forma elegante e relativamente simples na unidade fotossintética bacteriana. Além disso, além da capacidade de realizar transdução de energia luminosa, a grande diversidade metabólica de bactérias fototróficas roxas abre novos insights para ajustar a produção de bioenergia e compostos químicos alvo. Uma geração de fotocorrente eficiente e de longo prazo usando bactérias foto-heterotróficas roxas, entretanto, requer abordagens artificiais para coletar os elétrons fotogerados de sua membrana celular, evitando a fotoinibição ou efeitos citotóxicos que mudam os máximos espectrais. Dessa forma, o uso de mediadores redox à base de quinonas solúveis pode não ser a melhor escolha, considerando seu potencial de toxicidade ao aparato fotossintético. No entanto, alternativas eficientes ainda não estão disponíveis, pois informações detalhadas sobre o processo de transferência de elétrons extracelular (EET) de bactérias roxas não sulfurosas (PNSB), bem como sobre sua interação com as superfícies dos eletrodos, permanecem pouco compreendidas. Portanto, esta proposta visa realizar uma avaliação aprofundada da EET de bactérias foto-heterotróficas roxas e desenvolver novas estratégias para o seu aprimoramento, como a exploração de grupos funcionais de superfície gerados pelo tratamento térmico de uma matéria-prima sustentável, como a biomassa, bem como funcionalizando a superfície dos eletrodos à base de biocarvão com polidopamina (PDA) in natura e termicamente tratada. Espera-se que este polímero mimético contribua para a adesão da célula da bactéria à superfície do eletrodo e para o ajuste do metabolismo da cepa de R. capsulatus usando sua capacidade de fotoexcitação como a força motriz para promover a superestimulação da cadeia fotossintética e ajustar o metabolismo do PNSB para uma geração melhorada de fotocorrentes e produtos químicos de alto valor agregado, como poli-²-hidroxibutiratos ou polihidroxialcanoatos. Portanto, espera-se que o conhecimento profundo dos processos bioeletroquímicos fundamentais responsáveis pela EET permita a exploração eficiente do metabolismo extremamente versátil das PNSB em sistemas foto-bioeletroquímicos, abrindo novas perspectivas para atender simultaneamente a necessidade de tratamento de águas residuárias com a crescente demanda por produtos energia limpa e sustentável. (AU)

Ante a integração contínua da geração distribuída (GD) baseada em fontes renováveis nos sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEEs), as empresas distribuidoras determinam a necessidade de desenvolver técnicas inovadoras de planejamento para permitir a integração de altos níveis de GD na infraestrutura disponível do sistema de distribuição. As propostas da integração de GD baseados em recursos renováveis podem ser apresentadas como propostas de investimento tanto por investidores independentes como pelas empresas distribuidoras; no entanto, em alguns casos, da perspectiva do SDEE, estas propostas podem não satisfazer as exigências operacionais impostas pela agência reguladora. Nesse contexto, as empresas distribuidoras devem determinar as capacidades apropriadas das unidades de GD para atender as restrições operacionais e técnicas da rede. Não obstante, ações de investimento de curto prazo podem ser realizadas para reforçar o sistema de distribuição e, consequentemente, permitir uma maior alocação de GD baseada em fontes renováveis. Desta forma, os benefícios da alocação de GD independentes em nós específicos da rede, do ponto de vista dos interesses econômico e operacional das empresas distribuidoras, devem ser analisados. Neste projeto de pesquisa propõe-se uma estratégia de planejamento de curto prazo da rede de distribuição baseada em acordos bilaterais econômicos e técnicos entre os investidores independentes de GD e as empresas distribuidoras. Esta estratégia deve incentivar investimentos em projetos de GD nos nós específicos da rede, através do uso de programas de incentivos. Por outro lado, para permitir uma maior alocação de fontes de GD, ações tradicionais de planejamento de curto prazo, como recondutoramento, alocação de dispositivos para controlar a magnitude da tensão e compensar a potência reativa, entre outros, devem ser investigadas para reforçar o sistema. Nesse sentido, a abordagem proposta considera a participação dos investidores independentes de GD em uma interação dinâmica com as empresas distribuidoras como um elemento importante no problema de planejamento. Além disso, a estratégia proposta deve determinar a solução de investimento de menor custo obtida por meio de uma combinação de alternativas tradicionais de planejamento e projetos de investimento de GD. Aspectos ambientais com ênfase na mitigação de emissões de carbono devem ser consideradas e formuladas no modelo geral de otimização matemática para compensar o impacto ambiental. Esse problema de planejamento deve ser formulado como um modelo de programação linear inteiro misto que considere as condições técnicas, econômicas, ambientais e operacionais para as partes envolvidas no uso e operação da rede (empresas distribuidoras e investidores independentes de GD). Elevados níveis de incertezas estão associados à operação das unidades de GD renováveis e à demanda de energia. Dessa forma, a formulação deve ser estendida para um modelo de otimização baseado nas incertezas. Considerando o desenvolvimento desta estratégia de planejamento para sistemas de grande porte, deve ser analisada a viabilidade técnica e operacional de aplicar um algoritmo de simplificação para representar redes de distribuição de grande porte em sistemas equivalentes de pequeno e médio porte. O objetivo é desenvolver uma ferramenta computacional de suporte para o processo de tomada de decisão para planejar e projetar um SDEE eficiente com baixo impacto ambiental com vistas a sua aplicação prática. Vários casos de estudo devem ser realizados sob diferentes condições de teste para demonstrar a eficiência e robustez da estratégia de planejamento proposta. (AU)