A demanda por energia é crescente devido ao desenvolvimento mundial. A energia renovável advinda de Biomassa, na forma de biocombustível e energia elétrica, tem um papel importante no atendimento desse crescimento, devido às políticas de desenvolvimento sustentável e à pressão das organizações mundiais. Este trabalho tem como objetivo demonstrar que a integração de tecnologias de segunda geração, aproveitamento da celulose, em unidades existentes de processamento de cana-deaçúcar (etanol e energia elétrica), resulta em uma melhor eficiência energética, com um aumento de aproximadamente 25% na produção atual, visto que as unidades existentes convertem apenas sacarose em etanol e utiliza o bagaço apenas como insumo para caldeiras de vapor. Além disso, definem-se as plataformas bioquímica e termoquímica, informando o estado atual das principais tecnologias de segunda geração, realizando uma comparação entre as plataformas. Em seguida, é demonstrada a eficiência energética utilizando quatro cenários: cenário I unidade industrial atual sem aproveitamento do bagaço excedente; cenário II unidade industrial atual com aproveitamento do bagaço excedente; cenário III integração parcial com aproveitamento do bagaço excedente e 50% da palha com a tecnologia de Biomass Integrated Gasification/Gas Turbine (BIG/GT); cenário IV integração total utilizando 100% de bagaço e 50 % da palha com a tecnologia BIG/GT. Na seqüência, é realizado um estudo de caso, que simula a integração da tecnologia BIG/GT em uma usina existente de primeira geração, demonstrando os três cenários finais. Conclui-se que as unidades de processamento de cana-de-açúcar, produtoras de etanol e energia elétrica, existentes podem possuir um melhor aproveitamento energético, melhorando as suas instalações de primeira geração, reduzindo o consumo de vapor através de equipamentos eficientes. Porém, a utilização de tecnologias de segunda geração elevam para outro patamar a eficiência energética da planta, mesmo comparado com a primeira geração otimizada. É válido informar que essas novas tecnologias ainda estão em desenvolvimento, possuindo barreiras tecnológicas a serem ultrapassadas, possibilitando o desenvolvimento de diversas linhas de pesquisa. O conhecimento das tecnologias de segunda-geração, tanto da plataforma bioquímica como da termoquímica, e a consideração da utilização dessas tecnologias em curto prazo, no planejamento de ampliações das plantas existentes ou em novos empreendimentos de processamento de cana-de-açúcar que estão ocorrendo no Brasil, é essencial para um melhor aproveitamento energético da cana-de- açúcar e um bom aproveitamento dos equipamentos que estão sendo implantados. / The demand for energy has been increasing due to world development. Renewable energy of biomass, biofuel and electric energy have an important role to assist this growth, due to sustainable development policies and to the pressure of global organizations. The main aim of this dissertation is to demonstrate that the integration of second-generation technologies, cellulose utilization, in processing sugar cane units (Ethanol and Electric Energy), results in an increase of the energy efficiency, a rise of 25% in the current production, due to the fact that first-generation tecnologies convert only sucrose in ethanol and use the bagasse just as fuel to steam-boiler. Besides, this paper brings the concept of biochemical and thermochemical platforms, informing the second-generation status and making a comparision between the plataforms. After that, it demonstrates the energy efficiency using four scenarios: Scenario I present industrial plant without using the bagasse, Scenario II present industrial plant using the bagasse, Scenario III parcial integration using the bagasse and 50% sugar cane trash with the BIG/GT technology, Scenario IV- total integration using the bagasse and 50% sugar cane trash with the BIG/GT technology. Besides, it makes a case study that simulates the integration of BIG/GT technology in a real first-generation unit, showing the scenarios II, III and IV. It will be concluded that the existent plants of sugar cane processing, producers of ethanol and electric energy, can increase their energy efficiency, improving their instalation of firstgeneration, reducing steam consumption through more efficient equipment. Nevertheless, the application of second-generation technology takes to an even higher level the energy efficiency of the unit than the improved first-generation plant. It is important to inform that these new technologies are still being developed, and have to overcome technological barriers, leading to several research lines. The knowledge of second generation technologies, including thermochemical and biochemical platforms, and the possibility to utilize these technologies in a short period of time to plan the amplifications of the existing plants of sugar cane processing or to new ventures that are being established in Brazil, are essencial to a better sugar cane energetic utilization and good use of equipments that are being implanted.

A demanda por energia é crescente devido ao desenvolvimento mundial. A energia renovável advinda de Biomassa, na forma de biocombustível e energia elétrica, tem um papel importante no atendimento desse crescimento, devido às políticas de desenvolvimento sustentável e à pressão das organizações mundiais. Este trabalho tem como objetivo demonstrar que a integração de tecnologias de segunda geração, aproveitamento da celulose, em unidades existentes de processamento de cana-deaçúcar (etanol e energia elétrica), resulta em uma melhor eficiência energética, com um aumento de aproximadamente 25% na produção atual, visto que as unidades existentes convertem apenas sacarose em etanol e utiliza o bagaço apenas como insumo para caldeiras de vapor. Além disso, definem-se as plataformas bioquímica e termoquímica, informando o estado atual das principais tecnologias de segunda geração, realizando uma comparação entre as plataformas. Em seguida, é demonstrada a eficiência energética utilizando quatro cenários: cenário I unidade industrial atual sem aproveitamento do bagaço excedente; cenário II unidade industrial atual com aproveitamento do bagaço excedente; cenário III integração parcial com aproveitamento do bagaço excedente e 50% da palha com a tecnologia de Biomass Integrated Gasification/Gas Turbine (BIG/GT); cenário IV integração total utilizando 100% de bagaço e 50 % da palha com a tecnologia BIG/GT. Na seqüência, é realizado um estudo de caso, que simula a integração da tecnologia BIG/GT em uma usina existente de primeira geração, demonstrando os três cenários finais. Conclui-se que as unidades de processamento de cana-de-açúcar, produtoras de etanol e energia elétrica, existentes podem possuir um melhor aproveitamento energético, melhorando as suas instalações de primeira geração, reduzindo o consumo de vapor através de equipamentos eficientes. Porém, a utilização de tecnologias de segunda geração elevam para outro patamar a eficiência energética da planta, mesmo comparado com a primeira geração otimizada. É válido informar que essas novas tecnologias ainda estão em desenvolvimento, possuindo barreiras tecnológicas a serem ultrapassadas, possibilitando o desenvolvimento de diversas linhas de pesquisa. O conhecimento das tecnologias de segunda-geração, tanto da plataforma bioquímica como da termoquímica, e a consideração da utilização dessas tecnologias em curto prazo, no planejamento de ampliações das plantas existentes ou em novos empreendimentos de processamento de cana-de-açúcar que estão ocorrendo no Brasil, é essencial para um melhor aproveitamento energético da cana-de- açúcar e um bom aproveitamento dos equipamentos que estão sendo implantados. / The demand for energy has been increasing due to world development. Renewable energy of biomass, biofuel and electric energy have an important role to assist this growth, due to sustainable development policies and to the pressure of global organizations. The main aim of this dissertation is to demonstrate that the integration of second-generation technologies, cellulose utilization, in processing sugar cane units (Ethanol and Electric Energy), results in an increase of the energy efficiency, a rise of 25% in the current production, due to the fact that first-generation tecnologies convert only sucrose in ethanol and use the bagasse just as fuel to steam-boiler. Besides, this paper brings the concept of biochemical and thermochemical platforms, informing the second-generation status and making a comparision between the plataforms. After that, it demonstrates the energy efficiency using four scenarios: Scenario I present industrial plant without using the bagasse, Scenario II present industrial plant using the bagasse, Scenario III parcial integration using the bagasse and 50% sugar cane trash with the BIG/GT technology, Scenario IV- total integration using the bagasse and 50% sugar cane trash with the BIG/GT technology. Besides, it makes a case study that simulates the integration of BIG/GT technology in a real first-generation unit, showing the scenarios II, III and IV. It will be concluded that the existent plants of sugar cane processing, producers of ethanol and electric energy, can increase their energy efficiency, improving their instalation of firstgeneration, reducing steam consumption through more efficient equipment. Nevertheless, the application of second-generation technology takes to an even higher level the energy efficiency of the unit than the improved first-generation plant. It is important to inform that these new technologies are still being developed, and have to overcome technological barriers, leading to several research lines. The knowledge of second generation technologies, including thermochemical and biochemical platforms, and the possibility to utilize these technologies in a short period of time to plan the amplifications of the existing plants of sugar cane processing or to new ventures that are being established in Brazil, are essencial to a better sugar cane energetic utilization and good use of equipments that are being implanted.

Orientador: Isaias de Carvalho Macedo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T15:17:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Seabra_JoaquimEugenioAbel_D.pdf: 2147529 bytes, checksum: e9ebd63f7d029f2346cd2c026285a2cf (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi investigar, no cenário prospectivo, as opções tecnológicas que deverão permitir o melhor aproveitamento da biomassa da cana e suas possíveis implicações no contexto das usinas. Além das possibilidades envolvendo o uso mais diversificado da sacarose, este estudo investigou o aproveitamento do bagaço e palha da cana considerando quatro tecnologias: geração de. energia elétrica através da cogeração com ciclos a vapor (opção atualmente comercial); produção de etanol através da hidrólise (opções para curto, médio e longo prazo); geração de energia elétrica a partir da gasificação da biomassa integrada a ciclos combinados (BIG/GT -C C) (opções para médio-longo prazo); e a produção de combustíveis de síntese a partir da gasificação da biomassa (opções para médio-longo prazo). Para cada uma destas opções, foram discutidos os aspectos tecnológicos mais importantes e estimados os rendimentos e custos de sistemas integradps a uma usina de cana, além de terem sido avaliados seus efeitos nos balanços de energia e emissões de GEE. Neste trabalho ficou evidenciado o grande benefício econômico que pode representar o uso diversificado dos açúcares da cana para a produção de produtos de maior valor agregado, como aminoácidos, por exemplo. No caso da fibra da cana, foi avaliado que opções atualmente comerciais já propiciariam a geração de excedentes de energia elétrica superiores a 140 kWh/tc, com custos em tomo de 100 R$/MWh, para os casos de cogeração com alta pressão e uso de alguma palha em conjunto com o bagaço. Para o futuro, sistemas de cogeração com ciclos combinados deverão permitir que os níveis de excedentes ultrapassem os 200 kWh/tc, mas com custos também superiores (> 140 R$/MWh). Pensando na produção de combustíveis, as opções de curto prazo para a conversão bioquímica do bagaço possibilitariam um aumento na produção de etanol de cerca de 20 L/tc (a um custo de ~680 R$/m / Abstract: The objective of the present work was to investigate, in the prospective scenario, the technology options that might lead to a better use of sugar cane biomass and their possible implications in the mills' context. Besides the possibilities involving the diversified use of cane's sugars, this study evaluated the use of bagasse and cane trash considering four technologies: power generation with c~nventional steam cycles (current options); ethanol production through biomass hydrolysis (options for short, middle and long term); power generation through biomass gasification integrated to combined cycles (BIG/GT -CC) (options for middle-Iong term); and the production of synthetic fuels through biomass gasification (options for middle-Iong term). For each one of these options, were discussed the main technological aspects and estimated the yields and costs for systems integrated to cane mills; their effects over energy and GHG emission balances were assessed as well. In this work was evidenced the great economical benefit which would represent the díversífied use of cane's sugars for the production of higher value products, such as amino acids, for example. For the fiber fraction, it was concluded that current commercial options could already lead to electricity surpluses as high as 140 kWh/tc, with costs around 100 R$/MWh, for those configurations with high pressure boilers and using some amount of trash in addition to bagasse. For the future, combined cycles systems might lead to electricity surpluses higher than 200 kWh/tc, but also with higher costs (> 140 R$/MWh). Regarding fuels production, the short term options for biochemical conversion would allow 20 L/tc ethanol production increasing (produced at ~680 R$/m3), while the long term yields could reach 40 L/tc, with costs at 270 R$/m3. For thermochemical conversion, in the middle-Iong term, Fischer- Tropsch liquids, for instance, could be produced with yields closed to 490 MJ/tc, at costs around 30 R$/GJ. As for energy and GHG emission balances, for the current situation the energy ratio of ethanol production was evaluated as 9.4, with a life cycle net avoided emission of 1.8 t C02eq/m3 anhydrous. But for 2020, considering the expectations about the evolution on cane production and the availability of advanced technologies for biomass use, the energy ratio might rise to 14.2, while net avoided emissions would reach 2.9 t C02eq/m3 anhydrous, based on the adoption ofBIG/GT-CC systems for biomass use. Bearing all these aspects in mind, a broader comparison of the effects of these technology options utilization on the overall mill performance is presented in the end of the study, pointing out their implications for the establishment of the future sugar cane bio-refineries / Doutorado / Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos