A tendência da indústria aeronáutica comercial é o desenvolvimento de aviões mais eficientes em termos de consumo de combustível e custos operacionais diretos. No que diz respeito ao consumo de combustível, algumas estratégias da indústria aeronáutica são o uso de uma aerodinâmica mais eficiente, materiais mais leves e motores e sistemas mais eficientes. O motor turbo jato convencional fornece potência elétrica para os sistemas de cabine (luzes, entretenimento, cozinha) e aviônicos, potência hidráulica para os sistemas de controle de vôo e potência pneumática para proteção contra formação de gelo e unidade de controle ambiental. Motores mais eficientes e diferentes tipos de arquiteturas de sistemas, como os sistemas mais elétricos, são promessas para reduzir o consumo de combustível. A fim de comparar os processos energéticos das arquiteturas de sistemas e motor numa mesma base, a exergia é o verdadeiro valor termodinâmico que deve ser utilizada como ferramenta de decisão para projeto de sistemas, motores e aeronaves, assim como parâmetro de otimização. Trabalhos de outros autores focaram apenas em redução da exergia destruída e nenhum trabalho apresentou um método harmonizador que consolide os parâmetros já existentes e crie outros parâmetros comparativos entre sistemas. Este trabalho propõe um método baseado em análise exergética para concepção e avaliação de sistemas aeronáuticos, que pode ser aplicado ao projeto de uma nova aeronave desde as fases de estudos conceituais e ante projeto até a fase de definição. O método pode suportar o projeto completo de uma aeronave como um único sistema, pois integra todos os subsistemas numa mesma estrutura. Os principais índices propostos neste trabalho são: exergia destruída, rendimento exergético, consumo específico de exergia, exergia destruída na missão e eficiência exergética da missão. Este trabalho também apresenta resultados comparativos ao aplicar o método exergético entre versões de uma mesma aeronave comercial regional, considerando sistemas de gerenciamento de ar (sistema de extração pneumática, unidade de controle ambiental e sistema de proteção contra formação de gelo) convencionais e mais elétricos. Para tanto, quantificam-se os requisitos de dimensionamento e faz-se a modelagem termodinâmica dos sistemas convencionais e mais elétricos, assim como a modelagem do motor para ambas as versões da aeronave. Os resultados da aplicação do método exergético evidenciam que os sistemas convencionais de gerenciamento de ar são os maiores consumidores de exergia de uma aeronave e que a substituição por sistemas mais elétricos é uma boa alternativa para melhorar a eficiência termodinâmica da mesma. Considerando os mesmos requisitos exergéticos de tração entre as duas versões de aeronaves, a abordagem mais elétrica apresenta maiores rendimentos exergéticos de missão em torno de 0,5%. Entretanto, a análise completa também leva em conta as diferenças de peso e arrasto entre as duas versões de aeronaves, a qual evidencia que a escolha por sistemas mais elétricos deve ser guiada pela variação dos requisitos de tração que esta aeronave possui com relação ao avião com sistemas convencionais. / A tendency of the commercial aeronautical industry is to develop more efficient aircraft in terms of fuel consumption and direct operational costs. Regarding fuel consumption, some strategies of the aeronautical industry are to use more efficient aerodynamics, lightweight materials and more efficient engines and systems. The conventional turbo fan engine mainly provides electric power for cabin systems (lights, entertainment, galleys) and avionics, hydraulic power for flight control systems and bleed air for ice protection and environmental control systems. More efficient engines and different types of systems architectures, such as more electric systems, are a promise to reduce fuel consumption. In order to compare the energy processes of systems and engine architectures at the same basis, exergy is the true thermodynamic value that shall be used as a decision tool to aircraft systems and engine design, and also as an optimization tool. Other works have focused only on reduction of exergy destruction and none have presented a method that harmonizes and consolidates the existing comparative parameters and creates new parameters among systems. This work proposes a method based on exergy analysis for conception and assessment of aircraft systems, that can be applied to an aircraft project from the conceptual and preliminary designs to the detail design. The method can support the design of the complete vehicle as a system and all of its subsystems in a common framework. The main proposed parameters in this work are: exergy destruction, exergy efficiency, specific exergy consumption, mission exergy destruction and mission exergy efficiency. This work also presents comparative results by applying the method to conventional and more electric version of the same regional commercial aircraft, considering conventional and electric air management systems (bleed system, environmental control system and ice protection system). In order to, sizing requirements are evaluated and thermodynamic models are performed for both conventional and more electric air management systems, and also engine models are performed for both aircraft. Results show that conventional air management systems are the higher exergy consumers among aircraft systems and the substitution for more electric systems is a good alternative to improve the aircraft thermodynamic efficiency. Considering the same thrust exergy requirements for both aircraft, the more electric version presents higher mission exergy efficiency around 0.5%. However, a complete trade-off also takes into account weight and drag differences of both versions, which makes evident that the selection for more electric systems must be driven by the variation of thrust requirements between more electric and conventional aircraft.

A análise exergética é aplicada ao corpo humano a fim de determinar o comportamento exergético padrão do corpo e do seu sistema respiratório para um indivíduo saudável em diferentes condições ambientais e intensidades de atividade física. Para isso, são calculadas as taxas de exergia destruída e as eficiências exergéticas do pulmão e do corpo como um todo para diferentes altitudes, períodos de aclimatação, temperaturas, umidades relativas e intensidades de atividade física. São utilizados modelos do corpo e do sistema respiratório disponíveis na literatura, assim como um modelo exergético do corpo. Para a análise exergética do sistema respiratório é proposto um modelo exergético baseado no modelo de transferência de calor e massa presente na literatura. A análise exergética é aplicada a dois volumes de controle: o corpo e o sistema respiratório, que compreende as vias aéreas e os pulmões. No primeiro volume de controle ocorre transferência de exergia para o ambiente através de convecção e radiação, assim como fluxos de exergia através da respiração e evaporação, além da geração de exergia pelo metabolismo exergético. No volume de controle relativo ao sistema respiratório, os fluxos de exergia estão associados ao ar inspirado e expirado e ao sangue venoso e arterial. A transferência de exergia ocorre através do calor gerado pelo metabolismo e do trabalho dos músculos respiratórios. Há também uma variação da exergia relativa ao metabolismo exergético do pulmão. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética do pulmão diminui com a altitude e atividade física, enquanto a do corpo aumenta para ambos os parâmetros. Com relação à aclimatação, o período no qual as eficiências exergéticas são máximas é a partir de vinte dias. No que diz respeito à variação da temperatura e da umidade relativa, observa-se que quanto maior a intensidade da atividade física, menor a temperatura próxima do conforto. Nota-se que as eficiências do corpo e do pulmão têm comportamentos distintos, sendo o corpo mais influenciado pela intensidade da atividade física, enquanto o sistema respiratório é mais suscetível a alterações das condições ambientais. / Exergy analysis is applied to human body in order to determine the exergy behavior pattern of the body and its respiratory system for a healthy subject under different environmental conditions and physical activity intensities. In order to do so, destroyed exergy rate and exergy efficiencies are calculated for different altitudes, acclimatization periods, temperatures, relative humidities and exercise intensities. An integrated model of the body and its respiratory system and an exergy model of the body are utilized. To perform the exergy analysis of respiratory system, an exergy model based on that available in literature is proposed. Exergy analysis is applied to two control volumes: the human body as a whole and the respiratory system, which comprises the lungs and the airways. In the first control volume, the exergy rate transferred to the environment due to convection and radiation is considered, as well as the exergy flow rate associated with respiration and transpiration and the internal exergy generation caused by the exergy metabolism. In the second one, the exergy rates and flow rates are associated with the venous blood and the inspired air in the inlet and the arterial blood and expired air in the outlet. An internal exergy variation due to the exergy metabolism of the lung, an exergy transfer associated with the metabolism of the lung and the work performed by the respiratory muscles were also taken into account. The results indicate that the exergy efficiency of the lung decreases as the altitude and exercise intensity increase, while the exergy efficiency of the body increases for both parameters. Regarding acclimatization period, the greatest exergy efficiencies are obtained after twenty days. Concerning temperature and humidity variations, the higher the activity level, the lower the thermal comfort temperature. It is also possible to observe distinct behaviors between body and lung. The body is more influenced by the physical activity intensity, while the respiratory system is more affected by environmental parameters.

A análise exergética é aplicada ao corpo humano a fim de determinar o comportamento exergético padrão do corpo e do seu sistema respiratório para um indivíduo saudável em diferentes condições ambientais e intensidades de atividade física. Para isso, são calculadas as taxas de exergia destruída e as eficiências exergéticas do pulmão e do corpo como um todo para diferentes altitudes, períodos de aclimatação, temperaturas, umidades relativas e intensidades de atividade física. São utilizados modelos do corpo e do sistema respiratório disponíveis na literatura, assim como um modelo exergético do corpo. Para a análise exergética do sistema respiratório é proposto um modelo exergético baseado no modelo de transferência de calor e massa presente na literatura. A análise exergética é aplicada a dois volumes de controle: o corpo e o sistema respiratório, que compreende as vias aéreas e os pulmões. No primeiro volume de controle ocorre transferência de exergia para o ambiente através de convecção e radiação, assim como fluxos de exergia através da respiração e evaporação, além da geração de exergia pelo metabolismo exergético. No volume de controle relativo ao sistema respiratório, os fluxos de exergia estão associados ao ar inspirado e expirado e ao sangue venoso e arterial. A transferência de exergia ocorre através do calor gerado pelo metabolismo e do trabalho dos músculos respiratórios. Há também uma variação da exergia relativa ao metabolismo exergético do pulmão. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética do pulmão diminui com a altitude e atividade física, enquanto a do corpo aumenta para ambos os parâmetros. Com relação à aclimatação, o período no qual as eficiências exergéticas são máximas é a partir de vinte dias. No que diz respeito à variação da temperatura e da umidade relativa, observa-se que quanto maior a intensidade da atividade física, menor a temperatura próxima do conforto. Nota-se que as eficiências do corpo e do pulmão têm comportamentos distintos, sendo o corpo mais influenciado pela intensidade da atividade física, enquanto o sistema respiratório é mais suscetível a alterações das condições ambientais. / Exergy analysis is applied to human body in order to determine the exergy behavior pattern of the body and its respiratory system for a healthy subject under different environmental conditions and physical activity intensities. In order to do so, destroyed exergy rate and exergy efficiencies are calculated for different altitudes, acclimatization periods, temperatures, relative humidities and exercise intensities. An integrated model of the body and its respiratory system and an exergy model of the body are utilized. To perform the exergy analysis of respiratory system, an exergy model based on that available in literature is proposed. Exergy analysis is applied to two control volumes: the human body as a whole and the respiratory system, which comprises the lungs and the airways. In the first control volume, the exergy rate transferred to the environment due to convection and radiation is considered, as well as the exergy flow rate associated with respiration and transpiration and the internal exergy generation caused by the exergy metabolism. In the second one, the exergy rates and flow rates are associated with the venous blood and the inspired air in the inlet and the arterial blood and expired air in the outlet. An internal exergy variation due to the exergy metabolism of the lung, an exergy transfer associated with the metabolism of the lung and the work performed by the respiratory muscles were also taken into account. The results indicate that the exergy efficiency of the lung decreases as the altitude and exercise intensity increase, while the exergy efficiency of the body increases for both parameters. Regarding acclimatization period, the greatest exergy efficiencies are obtained after twenty days. Concerning temperature and humidity variations, the higher the activity level, the lower the thermal comfort temperature. It is also possible to observe distinct behaviors between body and lung. The body is more influenced by the physical activity intensity, while the respiratory system is more affected by environmental parameters.

A tendência da indústria aeronáutica comercial é o desenvolvimento de aviões mais eficientes em termos de consumo de combustível e custos operacionais diretos. No que diz respeito ao consumo de combustível, algumas estratégias da indústria aeronáutica são o uso de uma aerodinâmica mais eficiente, materiais mais leves e motores e sistemas mais eficientes. O motor turbo jato convencional fornece potência elétrica para os sistemas de cabine (luzes, entretenimento, cozinha) e aviônicos, potência hidráulica para os sistemas de controle de vôo e potência pneumática para proteção contra formação de gelo e unidade de controle ambiental. Motores mais eficientes e diferentes tipos de arquiteturas de sistemas, como os sistemas mais elétricos, são promessas para reduzir o consumo de combustível. A fim de comparar os processos energéticos das arquiteturas de sistemas e motor numa mesma base, a exergia é o verdadeiro valor termodinâmico que deve ser utilizada como ferramenta de decisão para projeto de sistemas, motores e aeronaves, assim como parâmetro de otimização. Trabalhos de outros autores focaram apenas em redução da exergia destruída e nenhum trabalho apresentou um método harmonizador que consolide os parâmetros já existentes e crie outros parâmetros comparativos entre sistemas. Este trabalho propõe um método baseado em análise exergética para concepção e avaliação de sistemas aeronáuticos, que pode ser aplicado ao projeto de uma nova aeronave desde as fases de estudos conceituais e ante projeto até a fase de definição. O método pode suportar o projeto completo de uma aeronave como um único sistema, pois integra todos os subsistemas numa mesma estrutura. Os principais índices propostos neste trabalho são: exergia destruída, rendimento exergético, consumo específico de exergia, exergia destruída na missão e eficiência exergética da missão. Este trabalho também apresenta resultados comparativos ao aplicar o método exergético entre versões de uma mesma aeronave comercial regional, considerando sistemas de gerenciamento de ar (sistema de extração pneumática, unidade de controle ambiental e sistema de proteção contra formação de gelo) convencionais e mais elétricos. Para tanto, quantificam-se os requisitos de dimensionamento e faz-se a modelagem termodinâmica dos sistemas convencionais e mais elétricos, assim como a modelagem do motor para ambas as versões da aeronave. Os resultados da aplicação do método exergético evidenciam que os sistemas convencionais de gerenciamento de ar são os maiores consumidores de exergia de uma aeronave e que a substituição por sistemas mais elétricos é uma boa alternativa para melhorar a eficiência termodinâmica da mesma. Considerando os mesmos requisitos exergéticos de tração entre as duas versões de aeronaves, a abordagem mais elétrica apresenta maiores rendimentos exergéticos de missão em torno de 0,5%. Entretanto, a análise completa também leva em conta as diferenças de peso e arrasto entre as duas versões de aeronaves, a qual evidencia que a escolha por sistemas mais elétricos deve ser guiada pela variação dos requisitos de tração que esta aeronave possui com relação ao avião com sistemas convencionais. / A tendency of the commercial aeronautical industry is to develop more efficient aircraft in terms of fuel consumption and direct operational costs. Regarding fuel consumption, some strategies of the aeronautical industry are to use more efficient aerodynamics, lightweight materials and more efficient engines and systems. The conventional turbo fan engine mainly provides electric power for cabin systems (lights, entertainment, galleys) and avionics, hydraulic power for flight control systems and bleed air for ice protection and environmental control systems. More efficient engines and different types of systems architectures, such as more electric systems, are a promise to reduce fuel consumption. In order to compare the energy processes of systems and engine architectures at the same basis, exergy is the true thermodynamic value that shall be used as a decision tool to aircraft systems and engine design, and also as an optimization tool. Other works have focused only on reduction of exergy destruction and none have presented a method that harmonizes and consolidates the existing comparative parameters and creates new parameters among systems. This work proposes a method based on exergy analysis for conception and assessment of aircraft systems, that can be applied to an aircraft project from the conceptual and preliminary designs to the detail design. The method can support the design of the complete vehicle as a system and all of its subsystems in a common framework. The main proposed parameters in this work are: exergy destruction, exergy efficiency, specific exergy consumption, mission exergy destruction and mission exergy efficiency. This work also presents comparative results by applying the method to conventional and more electric version of the same regional commercial aircraft, considering conventional and electric air management systems (bleed system, environmental control system and ice protection system). In order to, sizing requirements are evaluated and thermodynamic models are performed for both conventional and more electric air management systems, and also engine models are performed for both aircraft. Results show that conventional air management systems are the higher exergy consumers among aircraft systems and the substitution for more electric systems is a good alternative to improve the aircraft thermodynamic efficiency. Considering the same thrust exergy requirements for both aircraft, the more electric version presents higher mission exergy efficiency around 0.5%. However, a complete trade-off also takes into account weight and drag differences of both versions, which makes evident that the selection for more electric systems must be driven by the variation of thrust requirements between more electric and conventional aircraft.

O processamento de petróleo e seus derivados é analisado pela aplicação combinada e sistemática da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica, análise exergética, permitindo a localização dos principais processos destruidores da capacidade de realização de trabalho ao longo da cadeia de processamento. Após a localização das irreversibilidades, diversas opções para melhoria dos processos são avaliadas. A exergia consumida nos processos é dividida em renovável e não renovável e posteriormente repartida, junto com as respectivas emissões de CO2, entre as diversas correntes de cada unidade de processamento. Para uma repartição racional dos fluxos exergéticos e de CO2, a análise exergoeconômica foi utilizada. Um sistema, que permite interações cíclicas entre a cadeia produtiva dos principais combustíveis utilizados no Brasil e a produção de eletricidade, foi elaborado a fim de permitir uma comparação entre os diversos combustíveis levando em consideração toda a cadeia produtiva. Esta comparação está fundamentada no consumo de exergia renovável e não renovável e nas emissões de CO2. Pode-se concluir que o coque de petróleo é o combustível que mais emite CO2, em seguida, encontram-se o carvão e a gasolina. O diesel hidrotratado vem após a gasolina, devido principalmente ao consumo de hidrogênio pelo hidrotratamento. Embora o diesel convencional emita mais SOx e NOx, este diesel exige menos exergia não renovável e emite menos CO2 que o diesel hidrotratado. O hidrogênio, se produzido da forma convencional (reforma a vapor de hidrocarbonetos leves), é o combustível mais intenso em exergia não renovável e com emissão de CO2 próxima ao valor da gasolina e maior que o valor obtido para o diesel convencional. O etanol se mostra uma boa alternativa ao uso dos derivados de petróleo, mesmo considerando configurações típicas para as usinas sucroalcooleiras. / The oil processing is analyzed by the combined and systematic application of the First and Second Laws of Thermodynamics, exergy analysis, allowing the location of the processes responsable for the main destructions of work capability along the processing chain. After the location of irreversibilities, several options for improving processes efficiency are evaluated. The exergy consumed in the processes is divided into renewable and non-renewable and then distributed, along with their CO2 emissions, among the various currents of each processing unit. For a rational distribution of the exergy and CO2 flows, exergoeconomy analysis takes place. A system that allows cyclical interactions between the productive chain of the main fuels used in Brazil and electricity production, is designed to allow the comparison among different fuels taking into account the entire production chain. This comparison is based on renewable and non-renewable exergy consumption and CO2 emissions. It can be concluded that the petroleum coke is the fuel that emits more CO2 followed by coal and gasoline. The hydrotreated diesel comes after gasoline, mainly due to the consumption of hydrogen for hydrotreating. Although conventional diesel emit more NOx and SOx, this diesel requires less non-renewable exergy and emits less CO2 than hydrotreated diesel. Hydrogen, if produced in the conventional way (steam reforming of light hydrocarbons) is the fuel most intense in nonrenewable exergy consumption and has CO2 emission near the value of gasoline and higher than the value obtained for conventional diesel. Ethanol is a good alternative to the use of petroleum derived fuels, even considering typical configurations for sugarcane mills.

Na atualidade, a geração de eletricidade e a produção de etanol de segunda geração a partir de materiais lignocelulósicos se apresentam como uma alternativa de desenvolvimento tecnológico no setor sucroenergético. Não obstante, a introdução de novos processos produtivos representa um verdadeiro desafio devido à complexidade e diversidade das rotas tecnológicas alternativas que podem ser avaliadas. Além disso, existem fatores econômicos e ambientais, que devem ser considerados durante o desenvolvimento e consolidação destas novas configurações. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia para realizar a hierarquização exergética e exergo-ambiental de processos para obtenção de etanol e eletricidade a partir da cana-de-açúcar em distintas configurações de biorrefinarias. Para este fim, dados técnicos de operação foram adotados nas rotas tecnológicas envolvidas, bem como os aspectos ambientais da utilização destes sistemas. Os modelos propostos avaliaram as rotas Convencional (Caso 1), Bioquímica (Caso 2) e Termoquímica (Caso 3), utilizando programas de simulação e ferramentas matemáticas para simular estes processos. Ainda, a integração dos processos e diferentes usos para o bagaço excedente foram estudados, junto com diversos métodos de pré-tratamento visando à otimização e hierarquização destas rotas. O resultado final indicou configurações ótimas que permitiram a hierarquização em termos do índice exergético de renovabilidade dos processos de produção das rotas analisadas. Desse modo a rota convencional otimizada apresentou a máxima eficiência exergética dos processos e, por tanto, o menor custo exergético unitário médio das plataformas avaliadas. Ao passo que a rota bioquímica foi o sistema que promoveu um incremento de 28,58 % e 82,87 % na produção de etanol, quando comparado com o Caso 1 e o Caso 3, respectivamente. Além disso, a rota termoquímica apresentou a configuração com a maior taxa de geração de eletricidade excedente (214,98 kWh/TC). Em relação aos resultados do impacto ambiental das rotas tecnológicas, encontrou-se que a configuração mais sustentável foi a plataforma bioquímica, apresentando as menores taxas de emissões globais de CO2 (131,45 gCO2/MJ produtos). / Currently, electricity generation and second-generation bioethanol production from lignocellulosic materials represent technological alternatives in the sugar-energy sector. Nevertheless, the introduction of new production processes represents a real challenge due to the complexity and diversity of the technological routes that can be evaluated. In addition, there are economic and environmental factors that must be considered during the development and consolidation of these new configurations. Accordingly, this project aims to develop a methodology to perform the exergy and exergo-environmental analysis, evaluation and ranking of processes in order to obtain ethanol and electricity from sugarcane in different biorefinery configurations. Hence, operating technical data of each technological route were adopted as well as the environmental aspects of using these systems. The proposed models assessed the Conventional (Case 1), Biochemical (Case 2) and Thermochemical (Case 3) routes using simulation programs and mathematical tools to simulate the ethanol production and electricity generation. Furthermore, the process integration and different uses for the excess bagasse were studied with various pretreatment methods aiming the optimizing and ranking of routes. The results indicated optimal settings that allowed the ranking in terms of the environmental exergy indicator \"renewability\" of the production processes for analyzed routes. In this way, the optimized conventional route presented the maximum exergy efficiency of the processes, therefore the lowest exergetic cost average of the evaluated platforms. While the biochemical route was the system that promoted an increase of 28.58 % and 82.87% in the ethanol production, when compared to Case 1 and Case 3, respectively. In addition, the thermochemical route presented the configuration with the highest power generation rate exceeding (214.98 kWh/TC). Concerning, the environmental impact results, it was found that the most sustainable configuration was the biochemical platform, which presented the lowest overall CO2 emissions rates (131.45 gCO2/MJ products).

A descentralização do setor de eletricidade brasileiro associado à premente necessidade de aumento da oferta de energia elétrica tem fomentado a busca por fontes alternativas para produção de energia elétrica. Este fato motiva empresas do setor sucroalcooleiro a produzir eletricidade a partir da queima do bagaço de canade- açúcar em sistemas de cogeração, elevando dessa forma a capacidade de geração de energia elétrica exatamente no período de menor oferta hídrica. A geração de eletricidade a partir da biomassa canavieira revela-se uma opção interessante, pois além de ser produzida de forma distribuída e próxima aos centros consumidores, tem criado oportunidades a destilarias e usinas de açúcar para aumentarem seus portfólios de produtos. Nesse aspecto, o presente estudo se propõe a apresentar e discutir possibilidades de cogeração de energia elétrica em usinas autônomas (destilarias) em diferentes condições de processo e operação. Para atender a estes propósitos, foram definidos cenários de cogeração e desenvolvidos modelos para simulação e análise da produção de energia térmica e elétrica bem como estimar os impactos ambientais associados, considerando um sistema de cogeração que opera através do ciclo Rankine, que é o sistema mais utilizado pelas usinas brasileiras. Os cenários foram analisados a partir das técnicas de Análise Exergética (Análise Termodinâmica de Primeira e Segunda Lei) e Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). Adotou-se para o caso da avaliação ambiental um enfoque do berço ao portão da fábrica, conforme diretrizes metodológicas descritas nas normas ISO 14040 e 14044. A unidade funcional adotada foi gerar 1,0 MWh de eletricidade excedente em sistema de cogeração energética. O sistema de produto compreende as cargas ambientais da etapa industrial e da produção agrícola da cana-de-açúcar. Especialistas no setor e pesquisadores da área sugerem concentrar esforços de melhoria de desempenho termodinâmico na elevação das propriedades de estado do vapor na saída da caldeira de 20 bar até 100 bar, e simulação de sistemas de cogeração com reaquecimento e regeneração, que são melhorias técnicas próprias de centrais termelétricas, mas com potencial de aproveitamento pelo setor sucroalcooleiro. Os cenários foram projetados com base em diferentes combinações dessas condições considerando duas possibilidades de utilização da biomassa como fonte de energia térmica: exclusivamente bagaço de cana-de-açúcar; e uma composição de bagaço e palha. A comparação dos desempenhos termodinâmicos e ambientais dos cenários ocorreu principalmente em termos da geração específica de eletricidade, da eficiência exergética, do perfil destruição de exergia ao longo do ciclo e dos perfis de impactos ambientais potenciais. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética é aumenta com a elevação das funções de estado do vapor superaquecido na alimentação da turbina, e ao aumento do grau de complexidade do ciclo Rankine, conseguido à medida que arranjos com reaquecimento e regeneração são integrados ao ciclo. Esses arranjos mostraram-se efetivos na melhoria dos desempenhos exergético e ambiental dos sistemas de cogeração a partir da queima do bagaço e da palha da cana-de-açúcar. Em termos de desempenho ambiental, observou-se a redução sistêmica de efeitos negativos associada ao aumento da eficiência do ciclo termodinâmico. Os resultados da ACV ratificaram também, que a melhoria da eficiência exergética do sistema é seguida de redução de impactos ambientais. Os melhores resultados ambientais, tanto em termos relativos, como absolutos, foram obtidos aproveitando a palha como fonte de energia térmica na caldeira, na condição de geração de vapor a 100 bar e 511 oC, com ciclo Rankine que utiliza reaquecimento e regeneração simultaneamente, numa proposta chamada de ciclo Resultante, cuja redução de impactos ambientais ocorreu entre 5,3% e 15,6% nas categorias analisadas. / The decentralization of the Brazilian electricity sector in association with the internal electricity supply crisis has encouraged companies in the sugarcane industry to produce electricity by burning sugarcane bagasse in cogeneration plants. This approach reduces the environmental impact of the sugarcane production and has opened up opportunities for distilleries and annex plants to increase their product portfolios. Potential scenarios for technically and environmentally improving the cogeneration performance were analyzed by using Thermodynamic analysis and Life Cycle Assessment (LCA). The method used in this study aimed to provide an understanding and a model of the electrical and thermal energy production and the environmental impacts of conventional vapor power systems which operate with Rankine cycle that are commonly used by Brazilian distilleries. Vapor power system experts have suggested focusing on the following technical improvement areas: increasing the properties of the steam from 20 to 100 bar, regeneration and reheating. The case scenarios were projected based on different Rankine cycle configurations and two possibilities of biomass utilization: only sugarcane bagasse or sugarcane bagasse with straw. The LCA was carried out according to ISO 14040 and 14044 regulations, with focus from cradle to gate. A Functional unit of: \"To delivery 1.0 MWh of electricity to the power grid using cogeneration system\" was defined. The product system covers the environmental burdens of the industrial stage and the agricultural production of sugarcane. Thermodynamic evaluation indicated that the energy efficiency and the potential net power exported to the grid increase as the pressure at which the vapor leaves the boiler increases. From the LCA, it was noted that the improved energy performance of the system is accompanied by reduced environmental impacts for all evaluated categories. In addition, vapor production at 100 bar and 511 °C resulted in greater environmental gains, both in absolute and relative terms. Reheating and regeneration concepts were found to be considerably effective in improving the energy and environmental performance of cogeneration systems by burning sugarcane bagasse and straw. For the evaluated categories, the results indicated that the proposed modifications are favorable for increasing the efficiency of the thermodynamic cycle and for decreasing the environmental impacts of the product system. The best results were obtained using bagasse and straw in the boiler furnace and using reheat-regenerative Rankine cycle. In this case it was noted a reduction between 5.3% and 15.6% over all impact categories analysed.

A descentralização do setor de eletricidade brasileiro associado à premente necessidade de aumento da oferta de energia elétrica tem fomentado a busca por fontes alternativas para produção de energia elétrica. Este fato motiva empresas do setor sucroalcooleiro a produzir eletricidade a partir da queima do bagaço de canade- açúcar em sistemas de cogeração, elevando dessa forma a capacidade de geração de energia elétrica exatamente no período de menor oferta hídrica. A geração de eletricidade a partir da biomassa canavieira revela-se uma opção interessante, pois além de ser produzida de forma distribuída e próxima aos centros consumidores, tem criado oportunidades a destilarias e usinas de açúcar para aumentarem seus portfólios de produtos. Nesse aspecto, o presente estudo se propõe a apresentar e discutir possibilidades de cogeração de energia elétrica em usinas autônomas (destilarias) em diferentes condições de processo e operação. Para atender a estes propósitos, foram definidos cenários de cogeração e desenvolvidos modelos para simulação e análise da produção de energia térmica e elétrica bem como estimar os impactos ambientais associados, considerando um sistema de cogeração que opera através do ciclo Rankine, que é o sistema mais utilizado pelas usinas brasileiras. Os cenários foram analisados a partir das técnicas de Análise Exergética (Análise Termodinâmica de Primeira e Segunda Lei) e Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). Adotou-se para o caso da avaliação ambiental um enfoque do berço ao portão da fábrica, conforme diretrizes metodológicas descritas nas normas ISO 14040 e 14044. A unidade funcional adotada foi gerar 1,0 MWh de eletricidade excedente em sistema de cogeração energética. O sistema de produto compreende as cargas ambientais da etapa industrial e da produção agrícola da cana-de-açúcar. Especialistas no setor e pesquisadores da área sugerem concentrar esforços de melhoria de desempenho termodinâmico na elevação das propriedades de estado do vapor na saída da caldeira de 20 bar até 100 bar, e simulação de sistemas de cogeração com reaquecimento e regeneração, que são melhorias técnicas próprias de centrais termelétricas, mas com potencial de aproveitamento pelo setor sucroalcooleiro. Os cenários foram projetados com base em diferentes combinações dessas condições considerando duas possibilidades de utilização da biomassa como fonte de energia térmica: exclusivamente bagaço de cana-de-açúcar; e uma composição de bagaço e palha. A comparação dos desempenhos termodinâmicos e ambientais dos cenários ocorreu principalmente em termos da geração específica de eletricidade, da eficiência exergética, do perfil destruição de exergia ao longo do ciclo e dos perfis de impactos ambientais potenciais. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética é aumenta com a elevação das funções de estado do vapor superaquecido na alimentação da turbina, e ao aumento do grau de complexidade do ciclo Rankine, conseguido à medida que arranjos com reaquecimento e regeneração são integrados ao ciclo. Esses arranjos mostraram-se efetivos na melhoria dos desempenhos exergético e ambiental dos sistemas de cogeração a partir da queima do bagaço e da palha da cana-de-açúcar. Em termos de desempenho ambiental, observou-se a redução sistêmica de efeitos negativos associada ao aumento da eficiência do ciclo termodinâmico. Os resultados da ACV ratificaram também, que a melhoria da eficiência exergética do sistema é seguida de redução de impactos ambientais. Os melhores resultados ambientais, tanto em termos relativos, como absolutos, foram obtidos aproveitando a palha como fonte de energia térmica na caldeira, na condição de geração de vapor a 100 bar e 511 oC, com ciclo Rankine que utiliza reaquecimento e regeneração simultaneamente, numa proposta chamada de ciclo Resultante, cuja redução de impactos ambientais ocorreu entre 5,3% e 15,6% nas categorias analisadas. / The decentralization of the Brazilian electricity sector in association with the internal electricity supply crisis has encouraged companies in the sugarcane industry to produce electricity by burning sugarcane bagasse in cogeneration plants. This approach reduces the environmental impact of the sugarcane production and has opened up opportunities for distilleries and annex plants to increase their product portfolios. Potential scenarios for technically and environmentally improving the cogeneration performance were analyzed by using Thermodynamic analysis and Life Cycle Assessment (LCA). The method used in this study aimed to provide an understanding and a model of the electrical and thermal energy production and the environmental impacts of conventional vapor power systems which operate with Rankine cycle that are commonly used by Brazilian distilleries. Vapor power system experts have suggested focusing on the following technical improvement areas: increasing the properties of the steam from 20 to 100 bar, regeneration and reheating. The case scenarios were projected based on different Rankine cycle configurations and two possibilities of biomass utilization: only sugarcane bagasse or sugarcane bagasse with straw. The LCA was carried out according to ISO 14040 and 14044 regulations, with focus from cradle to gate. A Functional unit of: \"To delivery 1.0 MWh of electricity to the power grid using cogeneration system\" was defined. The product system covers the environmental burdens of the industrial stage and the agricultural production of sugarcane. Thermodynamic evaluation indicated that the energy efficiency and the potential net power exported to the grid increase as the pressure at which the vapor leaves the boiler increases. From the LCA, it was noted that the improved energy performance of the system is accompanied by reduced environmental impacts for all evaluated categories. In addition, vapor production at 100 bar and 511 °C resulted in greater environmental gains, both in absolute and relative terms. Reheating and regeneration concepts were found to be considerably effective in improving the energy and environmental performance of cogeneration systems by burning sugarcane bagasse and straw. For the evaluated categories, the results indicated that the proposed modifications are favorable for increasing the efficiency of the thermodynamic cycle and for decreasing the environmental impacts of the product system. The best results were obtained using bagasse and straw in the boiler furnace and using reheat-regenerative Rankine cycle. In this case it was noted a reduction between 5.3% and 15.6% over all impact categories analysed.

Na atualidade, a geração de eletricidade e a produção de etanol de segunda geração a partir de materiais lignocelulósicos se apresentam como uma alternativa de desenvolvimento tecnológico no setor sucroenergético. Não obstante, a introdução de novos processos produtivos representa um verdadeiro desafio devido à complexidade e diversidade das rotas tecnológicas alternativas que podem ser avaliadas. Além disso, existem fatores econômicos e ambientais, que devem ser considerados durante o desenvolvimento e consolidação destas novas configurações. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia para realizar a hierarquização exergética e exergo-ambiental de processos para obtenção de etanol e eletricidade a partir da cana-de-açúcar em distintas configurações de biorrefinarias. Para este fim, dados técnicos de operação foram adotados nas rotas tecnológicas envolvidas, bem como os aspectos ambientais da utilização destes sistemas. Os modelos propostos avaliaram as rotas Convencional (Caso 1), Bioquímica (Caso 2) e Termoquímica (Caso 3), utilizando programas de simulação e ferramentas matemáticas para simular estes processos. Ainda, a integração dos processos e diferentes usos para o bagaço excedente foram estudados, junto com diversos métodos de pré-tratamento visando à otimização e hierarquização destas rotas. O resultado final indicou configurações ótimas que permitiram a hierarquização em termos do índice exergético de renovabilidade dos processos de produção das rotas analisadas. Desse modo a rota convencional otimizada apresentou a máxima eficiência exergética dos processos e, por tanto, o menor custo exergético unitário médio das plataformas avaliadas. Ao passo que a rota bioquímica foi o sistema que promoveu um incremento de 28,58 % e 82,87 % na produção de etanol, quando comparado com o Caso 1 e o Caso 3, respectivamente. Além disso, a rota termoquímica apresentou a configuração com a maior taxa de geração de eletricidade excedente (214,98 kWh/TC). Em relação aos resultados do impacto ambiental das rotas tecnológicas, encontrou-se que a configuração mais sustentável foi a plataforma bioquímica, apresentando as menores taxas de emissões globais de CO2 (131,45 gCO2/MJ produtos). / Currently, electricity generation and second-generation bioethanol production from lignocellulosic materials represent technological alternatives in the sugar-energy sector. Nevertheless, the introduction of new production processes represents a real challenge due to the complexity and diversity of the technological routes that can be evaluated. In addition, there are economic and environmental factors that must be considered during the development and consolidation of these new configurations. Accordingly, this project aims to develop a methodology to perform the exergy and exergo-environmental analysis, evaluation and ranking of processes in order to obtain ethanol and electricity from sugarcane in different biorefinery configurations. Hence, operating technical data of each technological route were adopted as well as the environmental aspects of using these systems. The proposed models assessed the Conventional (Case 1), Biochemical (Case 2) and Thermochemical (Case 3) routes using simulation programs and mathematical tools to simulate the ethanol production and electricity generation. Furthermore, the process integration and different uses for the excess bagasse were studied with various pretreatment methods aiming the optimizing and ranking of routes. The results indicated optimal settings that allowed the ranking in terms of the environmental exergy indicator \"renewability\" of the production processes for analyzed routes. In this way, the optimized conventional route presented the maximum exergy efficiency of the processes, therefore the lowest exergetic cost average of the evaluated platforms. While the biochemical route was the system that promoted an increase of 28.58 % and 82.87% in the ethanol production, when compared to Case 1 and Case 3, respectively. In addition, the thermochemical route presented the configuration with the highest power generation rate exceeding (214.98 kWh/TC). Concerning, the environmental impact results, it was found that the most sustainable configuration was the biochemical platform, which presented the lowest overall CO2 emissions rates (131.45 gCO2/MJ products).

O processamento de petróleo e seus derivados é analisado pela aplicação combinada e sistemática da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica, análise exergética, permitindo a localização dos principais processos destruidores da capacidade de realização de trabalho ao longo da cadeia de processamento. Após a localização das irreversibilidades, diversas opções para melhoria dos processos são avaliadas. A exergia consumida nos processos é dividida em renovável e não renovável e posteriormente repartida, junto com as respectivas emissões de CO2, entre as diversas correntes de cada unidade de processamento. Para uma repartição racional dos fluxos exergéticos e de CO2, a análise exergoeconômica foi utilizada. Um sistema, que permite interações cíclicas entre a cadeia produtiva dos principais combustíveis utilizados no Brasil e a produção de eletricidade, foi elaborado a fim de permitir uma comparação entre os diversos combustíveis levando em consideração toda a cadeia produtiva. Esta comparação está fundamentada no consumo de exergia renovável e não renovável e nas emissões de CO2. Pode-se concluir que o coque de petróleo é o combustível que mais emite CO2, em seguida, encontram-se o carvão e a gasolina. O diesel hidrotratado vem após a gasolina, devido principalmente ao consumo de hidrogênio pelo hidrotratamento. Embora o diesel convencional emita mais SOx e NOx, este diesel exige menos exergia não renovável e emite menos CO2 que o diesel hidrotratado. O hidrogênio, se produzido da forma convencional (reforma a vapor de hidrocarbonetos leves), é o combustível mais intenso em exergia não renovável e com emissão de CO2 próxima ao valor da gasolina e maior que o valor obtido para o diesel convencional. O etanol se mostra uma boa alternativa ao uso dos derivados de petróleo, mesmo considerando configurações típicas para as usinas sucroalcooleiras. / The oil processing is analyzed by the combined and systematic application of the First and Second Laws of Thermodynamics, exergy analysis, allowing the location of the processes responsable for the main destructions of work capability along the processing chain. After the location of irreversibilities, several options for improving processes efficiency are evaluated. The exergy consumed in the processes is divided into renewable and non-renewable and then distributed, along with their CO2 emissions, among the various currents of each processing unit. For a rational distribution of the exergy and CO2 flows, exergoeconomy analysis takes place. A system that allows cyclical interactions between the productive chain of the main fuels used in Brazil and electricity production, is designed to allow the comparison among different fuels taking into account the entire production chain. This comparison is based on renewable and non-renewable exergy consumption and CO2 emissions. It can be concluded that the petroleum coke is the fuel that emits more CO2 followed by coal and gasoline. The hydrotreated diesel comes after gasoline, mainly due to the consumption of hydrogen for hydrotreating. Although conventional diesel emit more NOx and SOx, this diesel requires less non-renewable exergy and emits less CO2 than hydrotreated diesel. Hydrogen, if produced in the conventional way (steam reforming of light hydrocarbons) is the fuel most intense in nonrenewable exergy consumption and has CO2 emission near the value of gasoline and higher than the value obtained for conventional diesel. Ethanol is a good alternative to the use of petroleum derived fuels, even considering typical configurations for sugarcane mills.