[pt] Esta tese tem como objetivo encorajar o desenvolvimento da tecnologia híbrida de lixo-energia e sua aplicação em países com acesso a reservas de gás natural, tal como o Brasil. O método consiste em avaliá-la por meio de uma análise integrada de indicadores de desempenho energético, exergético, econômico e ambiental. A tecnologia inclui dois ciclos integrados: um ciclo superior e um inferior que interagem por meio de uma caldeira de recuperação. O lixo urbano não reciclável, in natura, alimenta o ciclo inferior na caldeira de lixo enquanto o gás natural alimenta o ciclo superior na turbina a gás. O objetivo da modelagem destes sistemas consiste em propor um layout de máxima eficiência aliado a um custo acessível de produção de eletricidade/tratamento do lixo, o que é atingido com um design otimizado. O desempenho termodinâmico mais eficiente é proporcional ao percentual de gás natural, isto é, quanto maior a quantidade de lixo em relação ao gás, menos eficiente é a planta, uma vez que o lixo tem menor poder calorífico. Portanto, o desafio é buscar uma maior eficiência com maior percentual de lixo, aliando também o aspecto custo. De uma forma geral, dois cenários coexistem no mundo atual, o dos países desenvolvidos e o dos países em desenvolvimento. Os primeiros possuem inúmeras aplicações de usinas não híbridas, poucas reservas próprias de gás natural e enfrentam redução na produção de lixo, causando a sub-utilização dos sistemas. Esta tese traz uma análise completa de potenciais alternativas para re-potenciamento de plantas sub-utilizadas, demonstrando o quão pior é o seu desempenho em comparação com o ciclo otimizado. Nos países em desenvolvimento ocorre o inverso: há crescente geração de resíduos, reservas pouco exploradas de gás natural e nenhuma usina lixo-energia. Portanto, existe um grande potencial para implantação de usinas híbridas, as quais, conforme a tese demonstra, são uma alternativa muito mais razoável do que implantar usinas convencionais não híbridas. / [en] This thesis aims to foster the development of hybrid waste-energy technology and its application in countries with access to natural gas reserves, such as Brazil. The method consists of evaluating it through an integrated analysis of energy, exergy, economic and environmental indicators. The investigated system consists of a topping and a bottoming cycle integrated through a heat recovery boiler. Raw non-recyclable urban waste feeds the waste boiler while natural gas feeds a gas turbine. The goal is to propose a cycle with high efficiency able to generate electricity/treat waste within affordable costs, which is achieved with an optimized design. The cycle s performance is proportional to the share of natural gas thermal input, that is, the greater the amount of waste the lower the efficiency (waste has lower calorific value). Therefore, the challenge is to seek greater efficiency with higher percentage of waste, including also the cost aspect. In general, there are two scenarios in the world: developed and developing countries. The former has several non-hybrid plants, few natural gas reserves and face reduced waste production, causing underutilization of the existing systems. This thesis provides a complete analysis of potential alternatives for re-potentiation of underutilized plants, demonstrating how worse their performance is compared to the optimized cycle. On the other hand, developing countries present increasing waste generation, under exploited reserves of natural gas and zero waste-to-energy plants. Therefore, there is a great potential for building hybrid waste-to-energy systems, which this work demonstrates are a much more reasonable alternative than nonhybrid conventional waste-to-energy plants.

[pt] A disposição final de resíduos sólidos urbanos, em aterros ou lixões, é um problema das grandes cidades. A utilização do lixo urbano em processos de tratamento térmico com recuperação energética vem ao encontro da busca de fontes alternativas, preferencialmente as renováveis, para a geração de energia. Assim, usinas de incineração com reaproveitamento de energia vêm sendo apresentadas como uma solução tanto para o destino do lixo quanto para a diversificação da matriz energética. Além disso, a prática da incineração proporciona máxima redução da massa e volume e inertização do lixo, estando o aproveitamento energético de resíduos (Waste-to-Energy) dentre as alternativas mais coerentes para a gestão de resíduos sólidos municipais. No Brasil, práticas como esta ainda são incipientes, porém apresentam grande potencial de estudo para aplicações nos centros urbanos em um futuro próximo. O presente trabalho apresenta uma proposta de uma usina lixo-energia, aplicável ao município do Rio de Janeiro, baseada na planta de Zabalgarbi/Bilbao (Espanha), que funciona em ciclo combinado a gás natural e incinera resíduos, aproveitando seu conteúdo energético para produzir eletricidade. Uma análise energética e exergética é realizada juntamente com uma estimativa do custo de geração de eletricidade, influenciada por um indicador de ecoeficiência que leva em consideração as emissões atmosféricas. Como conclusão, mostra-se a capacidade do sistema proposto em destinar os resíduos sólidos urbanos e atender a demanda elétrica do município do Rio de Janeiro/Brasil a um custo competitivo. / [en] The final disposal of municipal solid waste in landfills or dumps is a regular problem to the big cities. The use of municipal waste in processes of thermal treatment with energy recovery meets the search for alternative and renewable sources of energy production. Thus, energy recovery incineration facilities are being presented as a solution to both the waste disposal problem and the growing energy demand in the cities. Additionally, incineration provides the maximum reduction of mass, volume and dangerousness of the waste and the waste-to-energy practice stands out among the most coherent alternatives for municipal solid waste management in the world. In Brazil, however, it is still incipient and therefore presents a great potential for feasibility and application studies in the urban centers. This work presents a proposal of a waste-to-energy facility that could operate in the city of Rio de Janeiro (Brazil), based on the Zabalgarbi/Bilbao (Spain) plant, which operates in combined cycle fueled by natural gas and urban solid waste and generates electrical power. It is performed an energetic and exergetic analysis along with a cost estimate influenced by an eco-efficiency indicator that takes into account the air pollution emissions. The conclusion shows the capacity of the proposed facility to treat the municipal solid waste of Rio de Janeiro (Brazil) and supply its electricity demand with a competitive cost.