Projetos

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Os inflamadores pirotécnicos atuais, utilizados na iniciação de qualquer componente pirotécnico (ex. fogos de artifício, airbags, pré-tensores de cintos de segurança, sistemas de segurança de ação rápida e outros), são constituídos por uma ponte metálica envolvida por uma substância explosiva sensível ao calor (ex. azida de chumbo, fulminato de mercúrio, estifinato de chumbo). A descarga de corrente elétrica através da ponte metálica do inflamador gera calor suficiente para iniciar a reação da substância explosiva, que, por sua vez, inicia o componente pirotécnico. Por utilizarem substâncias explosivas, os inflamadores pirotécnicos atuais são classificados como matérias explosivas da classe 1.3G ou 1.4G, de acordo com o Acordo Relativo ao Transporte Internacional de Mercadorias Perigosas por Estrada (ADR) [1].

O uso de componentes classificados como substâncias perigosas de classe 1 do ADR exige a implementação e cumprimento de procedimentos de segurança durante o fabrico, armazenagem, transporte e utilização muito mais restritivos do que os aplicados a outras matérias perigosas (ex. combustíveis líquidos – classe 3 ou combustíveis sólidos – classe 4).

Para além da questão da segurança, os inflamadores pirotécnicos atuais também utilizam matérias que geram grande impacte ambiental por utilizarem metais pesados (ex. chumbo ou mercúrio). De acordo com o Regulamento REACH (Registo, Avaliação, Autorização e Restrição de Substâncias Químicas) [2], esses materiais perigosos devem ser substituídos por novos materiais que gerem menos impacto ambiental e humano, estando previsto a restrição do uso de chumbo e mercúrio a partir de abril 2026, conforme a Diretiva Europeia [3], já transposta para a legislação nacional, através do Decreto-Lei n.º 106/2023.

Face a este enquadramento, os objetivos do presente projeto visam ultrapassar os dois problemas acima descritos, por um lado desenvolver um novo inflamador que não utilize substâncias explosivas (classe 1) e, por outro lado, que as matérias utilizadas gerem menos impacto ambiental e na saúde. Deste modo, pretende-se criar um inflamador, designado por IIMEX - constituído apenas por uma ponte metálica que consiga gerar um estímulo térmico, que permita iniciar uma classe de componentes pirotécnicos mais sensíveis, e um IIMEX+ que contemple, além da ponte metálica, uma composição isenta de matérias explosivas e que permita gerar um estímulo térmico superior (“booster” térmico), com capacidade para iniciar os componentes pirotécnicos menos sensíveis.

Os novos inflamadores (IIMEX e IIMEX+) isentos de matérias explosivas, deverão ser capazes de iniciar os componentes pirotécnicos. Estes dispositivos serão compostos por uma ponte metálica capaz de gerar um estímulo térmico para iniciar uma classe de componentes pirotécnicos mais sensíveis (IIMEX), e uma versão acrescida de um “booster” composto por uma composição, que permita gerar um estímulo térmico superior, com capacidade para iniciar componentes pirotécnicos menos sensíveis (IIMEX+). Por outro lado, estes inflamadores deverão ser acionados pelos sistemas de disparo atuais ou com o melhoramento de algumas características.

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Os novos desafios impostos à sociedade atual, relativamente a novas formas de obtenção de energia, têm levado a um forte desenvolvimento de sistemas energeticamente mais eficientes e de menor impacto ambiental que se encontram, cada vez mais, alinhados com a produção e utilização de biocombustíveis sintéticos verdes. Com base nestes princípios e mantendo, sempre, subjacentes preocupações de caráter ambiental, este
projeto estará focado no desenvolvimento de uma tubeira para a captura criogénica de CO2, através da expansão direta em condições subsónicas.
Esta iniciativa não só permitirá colaborar na transição energética e descarbonização do setor dos transportes, como também contribuirá para a proteção ambiental, através da mitigação das emissões de gases com efeito de estufa. Os sistemas de captura criogénicos de CO2 envolvem o arrefecimento dos gases de combustão até temperaturas que levem à mudança de fase do CO2, de modo a permitir a sua posterior separação. De entre os diferentes métodos disponíveis, destaca-se a sublimação inverna por apresentar requisitos energéticos inferiores e a não utilização de agentes químicos e pouco sustentáveis. Atualmente, a sublimação inversa do CO2 pode ser realizada recorrendo-se a diferentes processos que utilizam um meio frio. A grande maioria destes sistemas realizam a sublimação inversa por meio de contacto e troca de energia entre os gases de combustão e um meio criogénico, resultando em problemas de acumulação de CO2 sólido nas superfícies de transferência de calor, criando assim uma barreira térmica que inviabiliza o processo de captura eficiente. O processo de arrefecimento criogénico provocado pela expansão direta dos gases de combustão aparenta ser um processo simples e compacto. Contudo, a sua implementação é desafiante do ponto de vista operacional, sobretudo quando há formação de um escoamento supersónico. Deste modo, pretende-se estudar detalhadamente o arrefecimento do CO2 por expansão direta numa tubeira, visando a sua otimização para assegurar um escoamento subsónico e criar as condições ideias para a sublimação inversa do CO2. Assim, este projeto visa desenvolver e aprimorar um sistema de captura de CO2 através da expansão direta em condições subsónicas e arrefecimento criogénico. Em primeiro lugar, pretende-se, por meio de uma revisão sistemática da literatura, estabelecer uma base sólida de conhecimento relativo aos atuais sistemas de captura de carbono criogénicos com expansão direta existentes nas comunidades científica e industrial. Esta pesquisa permitirá, através de uma análise detalhada e comparativa, a seleção da geometria da tubeira mais adequada. Pretende-se que a solução final do sistema seja, fisicamente e numericamente, modelada e otimizada através da Mecânica dos Fluidos Computacional. Posteriormente pretende-se construir e caracterizar experimentalmente a tubeira, bem como validar os modelos físicos e numéricos desenvolvidos, através da realização de ensaios experimentais em diferentes condições de operação.
Para a realização deste projeto, foi formada uma equipa de trabalho, especializada e multidisciplinar, constituída por 5 elementos nucleares da Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial (ADAI), que colaborarão de forma efetiva ao longo do projeto, possuindo competências em diversas áreas científicas, nomeadamente Termodinâmica, Mecânica de Fluidos, Transferência de Calor (particularmente no
processo de sublimação inversa), Mecânica Computacional, Projeto Mecânico e Instrumentação. Os membros constituintes da equipa apresentam ainda uma vasta experiência em investigação laboratorial e industrial e na condução e execução de projetos de I&D.

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O projeto BW₂C visa o desenvolvimento de um sistema inovador de captura criogénica de CO₂ biogénico, direcionado para gases de pós-combustão de resíduos florestais. A tipologia do projeto centra-se na investigação e desenvolvimento experimental, promovendo uma solução tecnológica pioneira para a valorização sustentável dos resíduos florestais. O projeto contribui simultaneamente para a descarbonização e para uma gestão integrada e eficiente da floresta.

O projeto BW₂C representa uma abordagem inovadora na valorização dos resíduos florestais, através do desenvolvimento de um sistema semimóvel e energeticamente autónomo para a captura criogénica de CO₂ biogénico diretamente no local. Esta solução aborda desafios amplamente reconhecidos na literatura científica e no mercado, como o elevado custo do transporte da biomassa florestal e a necessidade de tecnologias sustentáveis para captura de CO₂.

As soluções existentes para captura de CO₂, baseadas sobretudo nas tecnologias de absorção química ou adsorção, enfrentam limitações relacionadas com o uso de produtos químicos e elevados consumos energéticos. Em contraste, o sistema Kryos-C utiliza uma tecnologia criogénica de sublimação inversa, que evita o uso de reagentes químicos e permite a captura do CO₂ no estado sólido, com alta eficiência e elevada pureza. Além disso, a mobilidade do sistema oferece uma vantagem competitiva ao permitir operações diretas na floresta.

As tecnologias criogénicas têm demonstrado elevado potencial, mas permanecem, na sua maioria, em estágios iniciais de desenvolvimento ou limitadas a aplicações de grande escala. O BW₂C, ao adaptar a captura criogénica a um sistema compacto, semi-móvel e adequado à floresta, introduz uma solução única no setor. Assim, o projeto não só responde às lacunas identificadas, como também define um novo paradigma na gestão de resíduos florestais e na transição para uma economia de baixo carbono.

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Projeto orientado para formação e certificação de competências profissionais na área dos materiais energéticos na área da formação, criado sob a égide da EDA – “European Defence Agency“.

O projeto desenvolve-se no âmbito de um contrato celebrado entre 6 parceiros europeus: EDA, TNO (Holanda), ADAI (Portugal), FOI (Suécia), Universidade de Pardubice e Explosia (Chéquia), Armasuissse (Suíça), tendo o TNO com líder do projeto. Projeto financiado pelo Ministério de Defesa Nacional, por intermédio da EDA.

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Conscientes de que, quer por razões de segurança, nomeadamente as que se prendem com a redução do risco de incêndio, quer por questões económico-ambientais, associadas ao facto de os produtos florestais terem cada vez mais valor e da biomassa poder ser utilizada como vetor energético renovável, terá que haver uma mudança de paradigma no modo como é feita a gestão florestal em Portugal e que, como consequência, a quantidade de resíduos que resultam de uma gestão integrada da floresta terá tendência a aumentar, o consórcio procurar aproveitar a oportunidade que se abre com aumento da disponibilidade desse resíduo para, fugindo às soluções clássicas de valorização energética, considerar a produção de um novo vetor energético. Nesta fase, o principal objetivo passa pela avaliação da viabilidade técnica e identificação dos desafios tecnológicos que se colocam à produção desse vetor energético a partir do supracitado recurso florestal.

Projeto financiado:

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A descarbonização do sector energético é uma das maiores preocupações deste século que a nossa sociedade deve enfrentar e a única solução de longo prazo disponível é a exploração intensiva de Fontes de Energia Renovável (FER). No entanto, o aumento do rácio de energia renovável na rede elétrica tem um grande impacto nos sistemas e redes de energia. A produção de eletricidade, principalmente, a proveniente de FER como a eólica e solar sofre flutuações diárias o que requer uma rede mais ágil, flexível e inteligente. Equilibrar o contraste entre a procura e a oferta de energia é um desafio que no futuro requer um Armazenamento de Energia Elétrica (AEE) ajustável, de baixo custo e eficiente (Stauber et al. 2019).
As tecnologias convencionais para um armazenamento eficiente de eletricidade são as Baterias (de diferentes tipos), Armazenamento de Energia por Bombeamento Hidroelétrico (AEBH), que atualmente representa 96% da capacidade de armazenamento mundial, e Armazenamento de Energia em Ar Comprimido (AEAC) com eficiências significativamente acima de 50% e um alto nível de maturidade (Frate et al. 2020). No entanto, os recursos limitados de matérias-primas e os requisitos geográficos e geológicos impõem restrições à implementação destas tecnologias e impulsiona o desenvolvimento de tecnologias alternativas de armazenamento de eletricidade. Neste contexto, o Armazenamento de Energia Térmica Bombeada (AETB), ou Bateria de Carnot (BC), é uma tecnologia recente e promissora para armazenar eletricidade, pois prevê-se económica, com longa duração (ao contrário de muitas baterias químicas) e geograficamente independente (ao contrário de AEBH e AEAC). Embora a implementação de soluções de AEE seja ainda limitada, principalmente
por razões financeiras e técnicas, é expectável que aumente rapidamente nos próximos anos (Dumont et al. 2020).
A bateria de Carnot consiste em dois ciclos termodinâmicos. O ciclo de carga converte o excesso de energia elétrica em calor para o reservatório de alta temperatura através de uma bomba de calor (ou outro sistema de aquecimento) quando a produção de eletricidade é maior do que a procura. O ciclo de descarga é ativado quando a procura de eletricidade supera a produção e o AETB gera eletricidade a partir da energia térmica armazenada (possivelmente por meio de um ciclo de Rankine) (Dumont, Lemort, 2020). Estudos iniciais referem que a energia térmica pode ser armazenada desde várias horas até alguns dias sem perdas consideráveis de energia (Rahman et al. 2016) e eficiências globais em torno de 50-70% (Staub et al. 2018).
O AEE através da tecnologia das BC ainda não foi devidamente abordado e avaliado devido à novidade da tecnologia. Alguns protótipos de baterias de Carnot já foram desenvolvidos e descritos na literatura, mas apenas algumas configurações foram testadas. Diferentes tecnologias para os processos de carga e descarga que afetam as condições de funcionamento do sistema devem ser estudadas e determinada a melhor relação entre o custo do sistema, a sua complexidade e desempenho. Além disso, a capacidade de o sistema ser escalável é fundamental para a ampla adoção da tecnologia.
Este projeto visa avaliar a viabilidade técnica e económica das inovadoras Baterias Carnot como solução de armazenamento de energia elétrica. Em primeiro lugar, deve ser obtida uma visão geral desta tecnologia emergente e inovadora para avaliar os atuais desenvolvimentos, técnicas e características dos protótipos existentes nas comunidades científica e industrial. Uma estratégia de desenvolvimento do produto, já previamente testada e validada pelos membros da equipa, será implementada para o projeto de um protótipo em escala laboratorial da BC. A estratégia começa com o desenvolvimento de um modelo termodinâmico simplificado para compreender totalmente o processo, incluindo as fases de carga e descarga, filtrar possíveis fluidos de trabalho, diferentes configurações e tipos de reservatórios. Em segundo lugar, um modelo completo e realístico do sistema será projetado, construído e testado numa ampla gama de condições de operação para avaliar o comportamento em cargas parciais. Por fim, será realizada uma otimização tecno-económica para projetar a sistema piloto. No final do projeto, deverão ser obtidas as especificações de uma BC que poderá ser construída no futuro, incluindo a seleção dos componentes da bancada de teste e um desenho da solução projetada num software CAD.
Para a realização deste projeto, formou-se uma equipa composta por quatro membros da Universidade de Coimbra com doutoramento na área da termodinâmica e também investigadores da ADAI. Todos os membros têm formação em termodinâmica e uma vasta experiência no ciclo orgânico de Rankine, fruto da participação em diversos projetos sore o tema e da publicação de artigos científicos.

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