[pt] O objetivo da dissertação é contribuir para a incorporação da sustentabilidade nas estratégias de exploração da Floresta Atlântica Tropical a partir da valoração dos recursos e serviços ecossistêmicos da Euterpe edulis Martius. No contexto de avaliar o alinhamento de negócios inovadores com os princípios nacionais e internacionais do desenvolvimento sustentável, considera-se que este trabalho contribuirá para o uso e exploração sustentável da Floresta Atlântica Tropical. Para tal adotou-se como estudo de caso o empreendimento intitulado de Amável, A Mata Atlântica Sustentável (Amável), localizado na área de preservação ambiental da Serrinha do Alambari, Rio de Janeiro, Brasil. A metodologia adotada compreende: (i) pesquisa bibliográfica e documental sobre a Floresta Atlântica Tropical e referenciais normativos em nível nacional e internacional; (ii) pesquisa de campo na área de preservação ambiental da Serrinha do Alambari; (iii) avaliação em sustentabilidade das atividades desempenhadas pelo Amável; (iv) formulação de recomendações para as entidades envolvidas e interessadas; (v) proposição de métrica para realização de inventários de estimativa de captura de carbono da Euterpe edulis Martius. Destacam-se como resultados: (i) que o Amável pode ser considerado um modelo de negócio inovador; (ii) que inventários de captura de carbono da Euterpe edulis Martius podem ser obtidos a partir de equações de aplicabilidade prática e direta; (iii) que a Euterpe edulis Martius é uma espécie chave da regeneração, preservação e fortalecimento da Floresta Atlântica Tropical e (iv) que o desenvolvimento sustentável produtivo contribui para um convívio harmonioso entre o homem (enquanto cidadão) e a natureza (enquanto seu habitat natural). / [en] The aim of the dissertation is to contribute to the incorporation of sustainability into exploitation strategies of the Atlantic Rainforest from the valuation of resources and ecosystem services of Euterpe edulis Martius. In the context of evaluating the alignment of business with innovative national and international principles of sustainable development, it is considered that this work will contribute to the sustainable use and exploitation of Atlantic Tropical Forest. To this end was adopted as a case study of the project titled Amável, the Sustainable Atlantic Rainforest (Amável), located in an environmentally protected area of the Serrinha Alambari, Rio de Janeiro, Brazil. The methodology includes: (i) bibliographic and documentary research on the Atlantic Rainforest and regulatory frameworks at the national and international levels, (ii) field research in the area of environmental preservation of the Serrinha Alambari, (iii) assessment of sustainability activities performed by Amável (iv) formulation of recommendations for those involved and interested, (v) propose metrics to estimate inventories of carbon capture from Euterpe edulis Martius. Results stand out as: (i) that Amável can be considered a innovative business model, (ii) that inventories of carbon capture Euterpe edulis Martius can be obtained from equations of direct practical applicability and (iii) Euterpe edulis Martius which is a kind of key regeneration, preservation and strengthening of the Atlantic Rainforest and (iv) that the development contributes to a sustainable productive harmonious coexistence between man (as a citizen) and nature (while their natural habitat).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the state of Rio Grande do Sul the expansion of forestry has been one of the major agents of landscape change, occupying land previously intended for livestock farming and agriculture with low technical level, in areas under the influence of the Pampa biome and the transition of this biome for the Atlantic Forest. There is a widespread belief about the negative impacts caused by forest plantations on natural resources. Thus, it is necessary to evaluate the impacts caused by the introduction of forest plantations on the landscape components, especially on the soil and organic matter. This study was performed to characterize the components of the landscape topography, vegetation cover and their relations with soil, as well as temporal variation in soillandscape Forestry Experiment Station, located in the central region of Rio Grande do Sul were also found, changes in inventory levels and nitrogen (N and SN) and organic carbon (CO and SCO) in profiles Typic Umbrian and the labile and stable organic matter in surface horizon of the soil under native forest at the intermediate stage regeneration and field man-made with over 35 years, mixed forest of Eucalyptus and Eucalyptus robusta 35, forest of Eucalyptus grandis with 4 and 21 years, forest of Acacia mearnsii at age 7, forest of Eucalyptus saligna and 6 years mixed forest with Pinus 10 years. The results indicated that there is a transitory components of the landscape between the edge of the Southern Rio Grande Plateau and the Central Depression of Rio Grande do Sul, as well, there is a characterization of the natural vegetation types and conflicts of land use. It was also found that the relief and the genesis of the soils were vegetational conditions for development and that in 22 years there have been expanding cultivation of Eucalyptus and Pinus and the native forest on the anthropic field, especially in lands with Argissolos Bruno-Acinzentados and Argissolos Vermelhos. The organic matter of Argissolo Vermelho distrófico úmbrico, the results suggest that the levels and stocks of nitrogen and organic carbon of their surface horizon, altered by the introduction of man-made forest and field areas of deciduous forest, with a decrease especially in land occupied by forest of Acacia mearnsii and field of human activity. In relation to the stocks of organic carbon and nitrogen in the soil profile had a greater influence of other factors and processes of soil formation than the occupation of land in the last four decades. We also observed changes in the distribution of particulate organic carbon (POC g.kg-1) in the surface horizon of the soil, and this organic matter fraction of a sensitive indicator of changes in land use and soil. / No estado do Rio Grande do Sul a expansão da silvicultura tem atuado como um dos principais agentes de alteração da paisagem, ocupando terras anteriormente destinadas à pecuária extensiva e à agricultura com baixa tecnificação, em áreas sob a influência do bioma Pampa e na transição desse bioma para o de Mata Atlântica. Existe uma crença generalizada acerca dos impactos negativos ocasionados pelas plantações florestais sobre os recursos naturais. Assim, faz-se necessária a avaliação dos impactos causados pela introdução dos plantios florestais sobre os componentes da paisagem, principalmente sobre o solo e sua matéria orgânica. Neste estudo foi realizada a caracterização dos componentes da paisagem relevo, cobertura vegetal e suas relações com os solos, além da variação temporal da relação solo-paisagem numa Estação Experimental de Silvicultura, localizada na região central do Rio Grande do Sul. Foram verificadas também, as alterações nos teores e estoques de nitrogênio (N e SN) e de carbono orgânico (CO e SCO) em perfis de Argissolo Vermelho distrófico úmbrico e as frações lábeis e estáveis da matéria orgânica do horizonte superficial desse solo sob a Floresta nativa em estágio médio de regeneração e campo antrópico com mais de 35 anos, floresta mista do gênero Eucalyptus e de Eucalyptus robusta com 35 anos, floresta de Eucalyptus grandis com 4 e 21 anos , floresta de Acacia Mearnsii com 7 anos, floresta de Eucalyptus saligna com 6 anos e floresta mista do gênero Pinus com 10 anos. Os resultados indicaram que há um caráter transitório nos componentes da paisagem, entre o Rebordo do Planalto Sul-Riograndense e a Depressão Central do Rio Grande do Sul, como também, existe uma descaracterização das fitofisionomias naturais e a existência de conflitos de uso do solo. Constatou-se também, que o relevo e a gênese dos solos foram condicionantes para o desenvolvimento fitofisionômico e que em 22 anos houve expansão dos cultivos de Eucalyptus e Pinus, e da floresta nativa sobre o campo antrópico, principalmente nas terras com Argissolos Bruno-Acinzentados e Argissolos Vermelhos. Quanto à matéria orgânica do Argissolo Vermelho distrófico úmbrico, os resultados sugerem que os teores e estoques de nitrogênio e carbono orgânico do seu horizonte superficial, apresentam alterações frente à introdução de florestamentos e do campo antrópico sobre áreas de Floresta Estacional Decidual, havendo decréscimo principalmente em terras ocupadas pela floresta de Acacia Mearnsii e campo antrópico. Já em relação aos estoques de nitrogênio e carbono orgânico no perfil do solo, houve maior influência dos demais fatores e processos de formação do solo do que a ocupação das terras nas últimas quatro décadas. Foram constatadas também alterações na distribuição do carbono orgânico particulado (POC g.kg-1) no horizonte superficial do solo, sendo esta fração da matéria orgânica um indicador sensível às alterações no uso e ocupação do solo.

Orientador: Ivonete Ávila / Resumo: O crescimento populacional e o progresso tecnológico têm levado a crescente demanda por recursos naturais e energia, resultando na intensificação de impactos ambientais. O setor de energia é um dos principais emissores de CO2 antropogênico, principalmente devido a utilização de combustíveis fósseis, o que tem levado à busca por soluções tecnológicas visando a redução dos impactos ambientais associados à sua geração. Nesse contexto, esse trabalho visa realizar uma avaliação de desempenho ambiental da geração de energia elétrica das centrais termelétricas Fernando Gasparian e Piratininga com inserção da técnica de captura de CO2 por oxicombustão. Essa avaliação é realizada por meio de uma proposta conceitual própria que inclui avaliação do ciclo de vida (ACV) e avaliação termodinâmica com bases exergéticas. A avaliação termodinâmica abrange a operação das termelétricas, por meio de análise energética e exergética utilizando a teoria do custo exergético e o método CExC (cumulative exergy consumption). A ACV abrange desde a extração dos recursos até o fim de vida das instalações, utilizando os métodos de contabilização de recursos CED (cumulative energy demand), CExD (cumulative exergy demand) e CML IA baseline. Os resultados da avaliação termodinâmica permitiram verificar que a câmara de combustão é a principal destruidora de exergia e a inserção da técnica de oxicombustão impõe maior penalidade energética por causa da inserção dos componentes de separação de ar e processamento ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Population growth and technological progress have led to an increasing demand for natural resources and energy, resulting in the intensification of environmental impacts. The energy sector is one of the main emitters of anthropogenic CO2, mainly due to the use of fossil fuels, which has led to the search for technological solutions aimed at reducing the environmental impacts associated with its generation. In this context, this work aims to carry out an environmental performance evaluation of the electric power generation at the Fernando Gasparian and Piratininga thermoelectric plants with the insertion of the CO2 capture technique by oxy-combustion. This assessment is carried out through a conceptual proposal that includes life cycle assessment (LCA) and thermodynamic assessment with exergetic bases. Thermodynamic evaluation covers the operation of thermoelectric plants, through energy and exergetic analysis using the theory of exergetic cost and the CExC method (cumulative exergy consumption). ACV covers everything from resource extraction to the end of the facility's life, using the resource accounting methods CED (cumulative energy demand), CExD (cumulative exergy demand) and CML IA baseline. The results of the thermodynamic evaluation allowed to verify that the combustion chamber is the main destroyer of exergy and the insertion of the oxy-combustion technique imposes a greater energy penalty due to the insertion of the air separation unit and CO2 processing unit for CO2... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

[pt] Devido a sua ampla gama de aplicações, o gás natural ocupa papel importante na matriz energética global. No Brasil, a descoberta do pré-sal transformou a história do país em relação a exploração de óleo e gás. Porém, o gás lá encontrado possui grandes quantidades de CO2 associado, que requerem remoção por existirem normas da ANP que limitam o gás natural comercializado a 3 por cento mol. Diversas tecnologias se mostraram capazes de realizar essa remoção, porém para altas quantidades de CO2, a tecnologia de membranas vem sendo destaque nas plataformas offshore de extração de petróleo. Seu reduzido footprint é um grande atrativo, devido ao espaço limitado das plataformas. O presente trabalho compara a área e volume ocupados e os pesos totais dos arranjos 3D de módulos de membranas fibra oca e espiral para a separação de CO2 do gás natural no pré-sal brasileiro. Para isso, foram construídas maquetes 3D no software Solidworks (marca registrada), baseando-se em dados de plantas reais offshore em operação e dados disponibilizados pelos principais fornecedores dos módulos de membrana, para tentar alcançar valores mais próximos da realidade. Foi constatado que os módulos fibra oca apresentam grande vantagem sobre os espirais em relação a área do módulo individual (8.340,91 m2 vs 26,24 m2 ) e ao número de módulos necessários (48 vs 15.120), e também em relação às plantas completas, tanto em área e volume, quanto em peso. Uma planta completa de módulos fibra oca ocuparia apenas 7,75 por cento do volume da planta de módulos espirais. O peso da primeira totalizaria 38,42 t em oposição a 765,62 t da segunda planta. / [en] Due to its wide range of applications, natural gas plays an important role in the global energy matrix. In Brazil, the discovery of the pre-salt transformed the country s history in relation to oil and gas exploration. However, the gas found there has large amounts of associated CO2, which require removal because there are ANP standards that limit commercialized natural gas to 3 percent mol. Several technologies have proven capable of achieving this removal, but for high amounts of CO2, membrane technology has been on the spotlight on offshore oil extraction platforms. Its reduced footprint is a major attraction, due to the limited space on the platforms. The present work compares the occupied area and volume and the total weights of 3D arrangements of hollow fiber and spiral wound membrane modules for the separation of CO2 from natural gas in the Brazilian pre-salt. To achieve this, 3D models were built in Solidworks (trademark) software, based on real offshore plants in operation and data provided by leading membrane module suppliers, in an attempt to achieve results closer to reality. It was found that hollow fiber modules offer significant advantages over spiral wound modules in relation to the membrane area of the individual module (8,340.91 m2 vs 26.24 m2 ) and the number of modules required (48 vs 15,120), and also in relation to complete plants, both in area and volume, as well as in weight. A complete hollow fiber module plant would occupy only 7.75 percent of the volume of the spiral wound module plant. The weight of the first would total 38.42 t as opposed to 765.62 t of the second plant.

[ES] En los últimos años, la preocupación mundial con el aumento de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero ha motivado a las industrias del transporte y la energía a moverse hacia el desarrollo de tecnologías sostenibles con bajas o nulas emisiones de contaminantes de plantas de generación de potencia. Con este escenario, la oxicombustión surge como uno de los métodos más prometedores para mitigar la huella ambiental de plantas de generación de potencia, al erradicar sus emisiones contaminantes del tubo de escape, además de permitir la captura de dióxido de carbono (CO2) de sus gases producidos en la combustión. De esta manera, el oxígeno puro (O2) se diluye con el gas de escape recirculado para que reaccione con el combustible en el proceso de combustión y, de este modo, la corriente de gases de escape, compuesta principalmente por CO2 y vapor de agua, puede ser sometida a etapas elementales de enfriamiento y presurización para capturar CO2 de alta pureza a temperatura ambiente. Dado este contexto, en esta tesis, se desarrolla un modelo de sistema autosostenible a oxicombustión con captura de carbono para un motor policilíndrico de encendido por compresión (MEC) de 2,2 litros turboalimentado y de inyección directa como demostración de viabilidad de este concepto propuesto, considerando su aplicación potencial para el desarrollo de plantas de potencia de altas prestaciones con cero emisiones. En tales circunstancias, se emplea una membrana conductora mixta iónica-electrónica para generar O2 a partir del aire local. Para ello, se recupera la energía residual de los gases de escape mediante un ciclo Brayton adaptado con el fin de proporcionar las condiciones adecuadas para el correcto funcionamiento de la membrana en términos de temperatura y relación de presión alimentación-permeado. Asimismo, se diseña un sistema de captura de carbono (CC) local, compuesto esencialmente por dos compresores alternativos, tres unidades de refrigeración con separación de líquidos (flashes) y un tanque de almacenamiento de CO2, teniendo en cuenta las temperaturas de salida de los flashes y la presión de funcionamiento de la última etapa de purificación del CO2. En primer lugar, se diseña el modelo del sistema de oxicombustión con el motor y sus componentes auxiliares (intercambiadores de calor y turbocompresores) y, a continuación, el sistema es evaluado bajo condiciones de oxicombustión para la curva de plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm en ausencia del CC, contrastando sus resultados con el comportamiento del MEC convencional de referencia. En segundo lugar, se amplía el mapa de funcionamiento de carga del motor de oxicombustión hasta los límites de estabilidad del sistema modificando el dosado oxígeno-combustible y la temperatura de los gases de escape para tres regímenes del motor. Por último, se diseña el CC y se lo acopla a la unidad de generación de O2, reciclando el agua y el exceso de O2 del CC de nuevo a la admisión del motor. A este respecto, un barrido es llevado a cabo sobre el inicio de la inyección y el flujo másico de agua recirculada para encontrar el punto de funcionamiento óptimo a 3500 rpm con respeto a la compensación entre las prestaciones del motor y la potencia de refrigeración adicional. A continuación, se mejora y adapta el modelo del sistema completo de oxicombustión con captura de carbono para una aplicación realista a escala de laboratorio y una prueba de concepto experimental, siguiendo la misma filosofía de compensación. Aunque el diseño final del motor de oxicombustión con captura de carbono presenta un ligero empeoramiento de prestaciones comparado con el MEC convencional de referencia a 3500 rpm, este nuevo concepto propuesto puede seguir siendo competitivo desde el punto de vista de la eficiencia energética como tecnología emergente que puede contribuir a la concepción de plantas de generación de potencia con emisiones cero a escala industrial comercial. / [CA] En els darrers anys, la preocupació mundial amb l'augment de les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle ha motivat les indústries del transport i l'energia a moure's cap al desenvolupament de tecnologies sostenibles amb baixes o nul·les emissions de contaminants de plantes de generació de potència. Amb aquest escenari, l'oxicombustió sorgeix com un dels mètodes més prometedors per mitigar l'empremta ambiental de plantes de generació de potència, en eradicar les emissions contaminants del tub d'escapament, a més de permetre la captura de diòxid de carboni (CO2) dels seus gasos produïts a la combustió. D'aquesta manera, l'oxigen pur (O2) es dilueix amb el gas d'escapament recirculat perquè reaccioni amb el combustible en el procés de combustió i així el corrent de gasos d'escapament, compost principalment per CO2 i vapor d'aigua , pot ser sotmesa a etapes elementals de refredament i pressurització per capturar CO2 d'alta puresa a temperatura ambient. Atès aquest context, en aquesta tesi, es desenvolupa un model de sistema autosostenible a oxicombustió amb captura de carboni per a un motor policilíndric d'encesa per compressió (MEC) de 2,2 litres turboalimentat i d'injecció directa com a demostració de viabilitat d'aquest concepte proposat , considerant la seva aplicació potencial per al desenvolupament de plantes de potència d'altes prestacions amb zero emissions. En aquestes circumstàncies, es fa servir una membrana conductora mixta iònica-electrònica per generar O2 a partir de l'aire local. Per això, es recupera l'energia residual dels gasos d'escapament mitjançant un cicle Brayton adaptat per tal de proporcionar les condicions adequades per al funcionament correcte de la membrana en termes de temperatura i relació de pressió alimentació-permeat. Així mateix, es dissenya un sistema de captura de carboni (CC) local, compost essencialment per dos compressors alternatius, tres unitats de refrigeració amb separació de líquids (flaixos) i un tanc d'emmagatzematge de CO2, tenint en compte les temperatures de sortida dels flaixos i la pressió de funcionament de l'última etapa de purificació del CO2. En primer lloc, es dissenya el model del sistema d'oxicombustió amb el motor i els seus components auxiliars (intercanviadors de calor i turbocompressors) i, a continuació, el sistema és avaluat sota condicions d'oxicombustió per a la corba de plena càrrega del motor des de 1250 rpm fins a 3500 rpm en absència del CC, contrastant els resultats amb el comportament del MEC convencional de referència. En segon lloc, s'amplia el mapa de funcionament de càrrega del motor d'oxicombustió fins als límits d'estabilitat del sistema modificant el dosatge oxigen-combustible i la temperatura dels gasos d'escapament per a tres règims del motor. Finalment, es dissenya el CC i l'acobla a la unitat de generació d'O2, reciclant l'aigua i l'excés d'O2 del CC de nou a l'admissió del motor. Quant a això, un escombrat és dut a terme sobre l'inici de la injecció i el flux màssic d'aigua recirculada per trobar el punt de funcionament òptim a 3500 rpm respecte a la compensació entre les prestacions del motor i la potència de refrigeració addicional. A continuació, es millora i s'adapta el model del sistema complet d'oxicombustió amb captura de carboni per a una aplicació realista a escala de laboratori i una prova de concepte experimental, seguint la mateixa filosofia de compensació. Tot i que el disseny final del motor d'oxicombustió amb captura de carboni presenta un lleuger empitjorament de prestacions comparat amb el MEC convencional de referència a 3500 rpm, aquest nou concepte proposat pot continuar sent competitiu des del punt de vista de l'eficiència energètica com a tecnologia emergent que pot contribuir a la concepció de plantes de generació de potència amb emissions zero a escala industrial comercial. / [EN] In recent years, a worldwide concern with respect to an increase in anthropogenic greenhouse gas emissions has pushed transport and energy industries towards the development of sustainable technologies with low or zero pollutant emissions from powerplants. Within this scenarios, oxy-fuel combustion arises as one of the most promising methods to mitigate the environmental footprint of powerplants, by eradicating their pollutant tailpipe emissions, in addition to enabling carbon dioxide (CO2) capture from their flue gas. In this case, pure oxygen (O2) is diluted with recirculated exhaust gas to react with fuel for the combustion process and, thereby, the exhaust stream, mainly composed of CO2 and water vapor, may be subjected to elementary cooling and pressurizing steps for capturing high-purity CO2 at ambient temperature. Therefore, in this thesis, a self-sustaining oxy-fuel carbon-capture layout model is developed for a 2.2 liter turbocharged and direct-injection multicylinder compression ignition engine (CIE) as a feasibility demonstration of this proposed concept considering its potential application for development of zero-emission high-duty powerplants. In such circumstances, a mixed ionicelectronic conducting membrane is employed to generate O2 from air in-situ. For this purpose, exhaust gas wasted energy is recovered via a tailored Brayton cycle in order to provide suitable conditions for proper membrane operation in terms of temperature and feed-permeate pressure ratio. Also, an in-situ carbon capture system (CC), composed essentially of two reciprocating compressors, three cooling units with liquid separation (flashes) and a CO2 storage tank, is designed taking into account the flash out temperatures and operating pressure of the last CO2 purification step. Firstly, the oxy-fuel layout model with engine and its auxiliary components (heat exchangers and turbochargers) is designed and then assessed under oxyfuel combustion conditions for the engine full-load curve from 1250 rpm to 3500 rpm in the absence of the CC, contrasting its outputs against the baseline conventional multi-cylinder CIE behavior. Secondly, the oxy-fuel powerplant load operation map is extended until system stability limits by modifying oxygen-fuel ratio and exhaust gas temperature for three engine speeds. Finally, the CC is designed and then coupled to the O2 generation unit, recycling water and excess of O2 from CC back to engine intake. In this regard, start of injection and recirculated water mass flow are swept in order to find out optimum operating point concerning the trade-off between powerplant performance and additional cooling power at 3500 rpm. Thereafter, the complete oxy-fuel carbon-capture layout model is enhanced and adapted for realistic application at laboratory scale and experimental proof of concept, following same trade-off philosophy. Although the final oxyfuel carbon-capture engine layout presents slight deterioration in performance if compared to the baseline conventional multi-cylinder CIE at 3500 rpm, this proposed novel concept may be still energy-efficient competitive as an emerging technology which might contribute for conception of zero-emission powerplant on commercial industrial scale. / Farias Da Silva, VH. (2024). Study of oxy-fuel combustion-based power plants with in-situ O2 production and carbon capture [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207281