Orientador: Prof° Dr. Marcelo Modesto da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016. / Existe um crescente interesse mundial pelo uso de biocombustíveis devido à preocupação com impactos ambientais provenientes do uso de fontes não-renováveis, além da busca por diversificação da matriz e redução da dependência em relação aos combustíveis fósseis. Diante desse contexto, destaca-se a biomassa de cana-de-açúcar, que pode ser aproveitada nas usinas para atender as demandas elétrica e térmica do processo. No Brasil quase todas as usinas sucroalcooleiras são autossuficientes em energia térmica, mecânica e elétrica, mas geralmente estes sistemas de cogeração possuem baixa eficiência. No que se refere a novas tecnologias de geração de energia, a gaseificação do bagaço, integrada a um ciclo combinado, se apresenta como uma alternativa promissora para aumentar a eficiência de geração de energia elétrica. Assim sendo, o objetivo principal desta dissertação foi desenvolver um módulo computacional para a simulação do comportamento termodinâmico de sistemas de cogeração BIGCC (Biomass Integrated Gasification Combined Cycle) através da metodologia de análises energética, exergética e custo exergético. A etapa inicial foi executada descrevendo-se um breve panorama do setor sucroalcooleiro brasileiro e uma visão geral do processo de gaseificação. A implementação de um modelo de equilíbrio químico não estequiométrico através da minimização da Energia Livre de Gibbs, utilizando o método dos Multiplicadores de Lagrange, foi realizada no software EES®, bem como versões modificadas desse modelo incluindo a quantidade de carbono não convertido e fração de metano, através do uso de equações empíricas de modo a melhorar os resultados do modelo. Os resultados obtidos foram comparados com outros trabalhos da literatura e mostraram boa concordância. Comparou-se também com simulações realizadas no software Thermoflex®, obtendo bons resultados. A modelagem também foi realizada no software EMSO. Em seguida, realizou-se a implementação de um ciclo de potência BIGCC em quatro etapas: a implementação da configuração proposta no softwareThermoflex® para a realização dos balanços de massa e energia; aplicação da mesma configuração no software EES® para validação e inserção das análises exergética e de custo exergético, utilizando modelo de equilíbrio puro; implementação do modelo modificado para comparação dos resultados e, por fim, simulação com inserção de palha ao gaseificador. / There is a growing interest worldwide for the use of biofuels due to concerns about environmental impacts from the use of non-renewable energies, and the search for diversification of the energy matrix and reducing dependence on fossil fuels. In this context, there is biomass sugarcane, which can be utilized in power plants to meet the electrical and thermal demands of the process. In Brazil almost all sugar and ethanol mills are self-sufficient in thermal, mechanical and electrical energy, but usually these cogeneration systems have low efficiency. With regard to new power generation technologies, gasification of bagasse, integrated with a combined cycle, is presented as a promising alternative to increase the efficiency of power generation. Therefore, the main objective of this thesis was to develop a computer module for the simulation of thermodynamic behavior of BIGCC cogeneration systems (Biomass Integrated Gasification Combined Cycle) using the methodology of energy, Exergy and exergetic cost analysis. The initial step was performed by describing a brief overview of the Brazilian sugar and alcohol sector and an overview of the gasification process. The implementation of a non-stoichiometric chemical equilibrium model by minimizing the free energy of Gibbs, using the method of Lagrange multipliers, was held at EES® software, as well as modified versions of this model including the amount of unconverted carbon and methane fraction, through the use of empirical equations to improve the model results. The results obtained were compared with other work from literature and shown good agreement. It is also compared with simulations in Thermoflex® software, getting good results. The modeling was also performed in EMSO software. Then, the implementation of a BIGCC power cycle in four steps are carried out: the implementation of the proposed configuration in Thermoflex® software for the realization of mass and energy balances; application of the same configuration in EES® software for validation and integration of Exergy and exergetic cost analysis using pure equilibrium model; implementing the modified model to compare the results and finally simulation with straw inserting the gasifier.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Garrido Gallego / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / Embora classificada como biomassa, no Brasil, os resíduos sólidos urbanos apresentam-se como um desafio tanto na utilização como fonte energética como também em sua destinação. Desde a promulgação da Lei 12.305 de 02 de agosto de 2010, poucas mudanças foram realizadas principalmente em relação à disposição dos resíduos. Desse montante, 42% dos resíduos gerados não são destinados em aterros sanitários e sim em lixões ou vazadouros, colocando em risco a saúde da população local quanto o meio ambiente. Tecnologias de conversão dos resíduos como fonte energética já existem em vários países do mundo inclusive para minimizar a problemática de armazenamento, e apesar da matriz energética brasileira ser em grande parte renovável, o processo termoquímico de conversão dos resíduos ainda não está implantado para fins comerciais. Neste trabalho pretendeu-se analisar a influência da umidade e da composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos em específico da cidade de Santo André, em uma planta de gaseificação. Para isso foram efetuadas simulações modificando-se a umidade dos resíduos e sua composição para verificação do rendimento e eficiência da planta. O estudo foi realizado utilizando-se o ciclo Rankine e posteriormente escolhido o Rankine Orgânico para as demais simulações. Como estes resíduos não são em sua maioria homogêneos, poderão ocorrer variações do ciclo ao longo do ano aumentando ou diminuindo sua eficiência global principalmente devido a variação da umidade e do poder calorífico inferior. Foi escolhido o ciclo Rankine Orgânico por apresentar como característica principal a minimização de utilização de água. Com esse estudo pode-se verificar também a eficiência de minimização de gases de efeito estufa em especial a emissão de metano na atmosfera. Dessa forma pode-se concluir que a gaseificação em conjunto com o ciclo Rankine Orgânico se apresenta como tecnologia apropriada para mitigação de vários problemas que envolvem a destinação do RSU e utilização desses recursos. Pode-se observar também que a medida que a umidade e a quantidade de compostos orgânicos diminuem, maior é a eficiência energética da planta. / Although municipal solid waste is classified as biomass in Brazil, it presents a challenge in utilization as energetic source as well as its destination. Since the enactment of law 12,305 of August 02nd , 2010, few changes were made mainly related to waste disposal. Of this amount, 42% of the waste generated are not disposed in controlled landfills but in dumps, posing a risk to population¿s health and the environment. Waste conversion technologies as an energetic source is already exists overseas in order to minimize major issues concerning its disposal; Brazilian energy matrix is in most part renewable, although thermochemical conversion is not available for commercial purposes. The aim of this work is analyze the influence of moisture content and gravimetric composition of MSW in the city of Santo Andre in a gasification plant. Simulation of generation plant was carried out modifying the moisture content of residues and its composition to verify the yield and efficiency of the plant. This study was carried out using Rankine cycle and then Organic Rankine cycle for the remaining simulations. As these residues are not mostly homogeneous, variations of the cycle may occur throughout the year increasing or decreasing their overall efficiency concerning with humidity and low heating value variation. Organic Rankine cycle was chosen due to the main characteristic of this cycle is the minimization of water use. The efficiency related to greenhouse gases emission was also verified concerning methane emission. Thus, gasification and Organic Rankine cycle may present as an appropriate technology despite municipal solid waste destination be still a question. The maximization of the efficiency of the plant is achieved when the humidity and organic compounds decrease.