Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Banca: Emanuel Rocha Woiski / Banca: Eduardo Manfredini Ferreira / Resumo: Com o crescimento da colheita mecanizada impulsionada pelas leis ambientais que restringem a queima da palha, houve um aumento na quantidade de palha deixada no campo. Tal fato tem sido objeto de estudos no setor sucroalcooleiro quanto à tecnologia empregada no recolhimento e transporte, bem como o aproveitamento dessa biomassa pela indústria, que pode ser misturada junto ao bagaço para incrementar a cogeração de energia elétrica ou para produzir o etanol celulósico. No presente trabalho, foi estudado o aproveitamento da palha com transporte até indústria em caminhões junto com a cana-de-açúcar, embora exista a possibilidade de enfardamento para o transporte. Por conseguinte, foram avaliados termodinamicamente diferentes casos de utilização da palha baseado em uma usina produtora de açúcar, etanol (anidro e hidratado) e eletricidade, considerando o aumento da produção de eletricidade, através da incorporação de uma caldeira e um turbogerador de condensação no sistema de cogeração, e, também, levando-se em conta a produção de etanol celulósico, através da instalação de planta anexa com este propósito. Para cada caso estudado foi apresentada uma análise econômica identificando os investimentos com taxa interna de retorno e valor presente líquido, a fim de obter condições de viabilidade. As considerações finais apresentaram situações de retorno de investimento para casos em que foram considerados valores de venda acima do praticado atualmente na comercialização do MWh em contrato e no preço do etanol anidro negociado com as distribuidoras de combustíveis / Abstract: With the growth of mechanized harvesting driven by environmental laws that restrict the burning of straw, there was an increase in the amount of straw left in the field. This situation have been studied by the sugarcane mill factories with respect to the technology employed in gathering and transportation of straw, as well as the utilization of this biomass, which can be mixed with the bagasse to increase cogeneration of electricity or to produce cellulosic ethanol. In the present study, the use of straw transported with the sugarcane to industry by trucks was considered although there is the possibility of packing it before transporting. Therefore different cases for straw utilization in an industrial plant that produces sugar, ethanol (anhydrous and hydrated) and electricity were thermodynamically analyzed, considering the increase of electricity production, by means incorporation of a boiler and a condensation turbogenerator in the cogeneration system, and, also, taking into account the production of cellulosic ethanol, by installing an annexed plant for this purpose. For each case studied an economic analysis to identify investments, the internal rate of return and net present value, in order to obtain feasibility conditions, was carried out. The final considerations presented situations of return on investment for cases where sale values above the currently practiced in the marketing of MWh in contract and negotiated price of anhydrous ethanol with fuel distributors were considered / Mestre

Resumo: A escassez da disponibilidade de água doce no mundo torna-se preocupante para os próximos anos e, apesar da crescente divulgação de tal situação, são poucas as pessoas que, na prática adotam uma postura consciente acerca da economia e uso racional do bem natural mais precioso existente. A presente tese apresenta uma proposta de produção de água potável a partir da água do mar pelo uso de processos de dessalinização associados a processos de cogeração, para que produzama energia térmica e elétrica para o funcionamento da instalação. A mesma é analisada com o uso de diferentes configurações, com vistas à otimização da instalação. São analisados 4 casos, verificando-se a viabilidade de sistemas de duplo propósito e sistemas híbridos, considerando-se, pelo lado do sistema de cogeração, a disputa entre diferentes conjuntos a gás de produção comercial, queimando gás natural ou biomassa gaseificada, com geradores de vapor, queimando óleo combustível ou biomassa in natura; pelo lado do sistema de dessalinização, concorrem unidades de osmose reversa acionadas térmica (ORS) ou eletricamente (ORE), unidades de evaporação (MED) e de destilação (MSF); no atendimento ás necessidades de vapor concorrem turbinas de contrapressão e condensação/extração. Foram analisados dados referentes à cidade litorânea de Ubatuba, SP, para avaliação do atendimento conjunto das necessidades de energia elétrica ee água potável para o abastecimento de situações limítrofes, como ocorre durante os picos de consumo de verão. Conclui-se que a proposta é viável para os casos analisados, podendo haver a possibilidade de venda de excedente energético, de acordo com o nível de produção da unidade como um todo. / Abstract: World's fresh water availability scarcity is becoming a concerning problem day by day, and depende the increasing of the alarming new about such situation, just a few people adopt a positive position about the economy and rational use os this precious natural resource. This thesis presents a fresh water production proposal from seawater by desalination processes associated to cogeneration processes for producing the necessary thermal and electric energy for the whole installation. The dual-purpose systems is analyzed with the use of differente configurations by an optimization viewpoint. Four cases are analyzed with hybrid and dua purpose systems availability verification. The considerations, with respect to cogeneration were the use different commercial gas turbines, burning natural gas or gasified biomass, with or without steam generator, burning fuel oil or biomass in natura. For desalination system, it wasallowed the choice of reverse osmosi thermally driven (ROS) reverse osmosis elctrically driven (ROE), evaporation (MED) and distillation (MSF) units. Also, the steam supply system could be constituted of backpressure and extraction-condensation turbines. The data analyzed here refers to the Ubatuba coastal city, situated in the São Paulo Statte - Brazil, the relationship between the electrical energy and fresh water simultaneous supplying for extrem situations, like it occurs during summer consumption peaks was analyzed. The present study concluded that the analyzed cases were feasible, with the possibility of energetic surplus selling, according to the unit production operational level. / Orientador: José Antonio Perrella Balestieri / Coorientador: Mauricio Araujo Zanardi / Banca: Paulo Magalhães Filho / Banca: Ricardo Alan Verdú Ramos / Banca: Rogério José da Silva / Banca: Miguel Edgar Morales Udaeta / Doutor

Resumo: Com os avanços humanos observados desde os tempos pré-históricos houve uma crescente necessidade de se obter cada vez mais energia, de modo a sustentar o desenvolvimento das civilizações e de seus meios de produção. Atualmente grande parte do consumo energético mundial é proveniente de fontes não renováveis de energia, ou seja, fontes energéticas cuja formação pela natureza ocorre num tempo muito maior do que a velocidade com que são consumidas, tornando-se passíveis de se esgotarem, além das substâncias indesejáveis e dos impactos ambientais decorrentes de sua utilização. O presente trabalho enfoca a aplicação de uma forma renovável de energia na utilização em pequenas comunidades ou propriedades rurais. O objetivo geral é a obtenção de um produto de valor energético originado da biomassa que possa suprir as necessidades energéticas do local considerado (granja de frangos de corte), com o emprego de um processo de transformação adequado. Para efetuar o aproveitamento da energia contida na biomassa em benefício do local onde ela é disponível, duas tecnologias são apresentadas e comparadas quanto a aplicabilidade nas condições locais, realizando-se uma análise sobre a quantidade e forma de energia produzidas, a quantidade e forma de energia necessárias no local, a possibilidade do emprego de um sistema de cogeração para satisfazer tais condições, os custos do investimento e o tempo de retorno do capital. / Abstract: With the human advances observed since the pre-historic ages have grown the needing of more and more quantities of energy to feed the development of the civilizations and their production ways. Nowadays, a big part of the world energetic demand is obtained from unrenewable energy sources, that means sources of energy formed naturally during a time so much longer than their consumption velocity, being possible to become exhausted, moreover undesirable products are generated and environmental impacts are caused by their utilization. The present work studies an aplication of a renewable source of energy in small villages or properties. The general objective is the obtainment of an energetic product from the biomass, to supply the local energy needings (broiler chicken farm), employing an adequate transformation process. To make the biomass energy profit, looking for the benefit of the place where the biomass is available, two technologies of are presented and compared as regards the quantity and kind of produced energy, the quantity and kind of necessary energy in the place, the possibility of the utilization of a cogeneration system to satisfy the local conditions, the costs of the investment and the pay-back period. / Orientador: Pedro Magalhães Sobrinho / Coorientador: José Luz Silveira / Mestre

Resumo: Neste trabalho analisa-se a viabilidade técnica e econômica da instalação de sistemas de cogeração, com emprego de turbinas a gás e dois diferentes tipos de trocadores de calor: um utilizando vidro e o outro convencional. Os sistemas são aplicados em uma indústria de transformação de cevada em malte, de médio porte, localizada no Vale do Paraíba. Para cada tipo de tecnologia empregada, seja por operação em paridade elétrica ou térmica, seleciona-se diferentes turbinas comercialmente disponíveis no mercado. Os resultados demonstram que existe viabilidade técnica e econômica para o emprego desta tecnologia na referida indústria. O período de amortização do capital investido é relativamente pequeno em relação à vida útil dos equipamentos empregados. PALAVRAS-CHAVES: Cogeração, Gás Natural, Conservação de Energia, Turbina a Gás. / Abstract: The purpose of this work is to analyses the technical and economic feasibility to install cogeneration systems, using gas turbine associated with two different kinds of heat exchanger: the first utilize glass heat exchanger and second utilize conventional heat exchanger. These systems are being applied in medium sized barley transformation industry into malt located in “Vale do Paraíba”. To each kind of technology, is made a comparison in cogeneration operating in electric parity or thermal parity. Different turbines commercially available are chosen. The results show that there are technical and economic feasibility to make use of this technology in the industry in question. The pay-back period of investment is determinate as a function of annual interest rate, electricity tariff and fuel price. Key Words: Cogeneration, natural gas, energy conservation, Gas turbines. / Orientador: Pedro Magalhães Sobrinho / Coorientador: José Luz Silveira / Banca: Julio Santana Antunes / Banca: Messias Borges Silva / Mestre

Resumo: Este trabalho apresenta as fases do desenvolvimento de um programa computacional elaborado com a finalidade de selecionar, dimensionar e especificar sistemas de cogeração com turbinas a gás, buscando satisfazer as demandas térmicas do processo (operação em paridade térmica). As configurações utilizadas são: turbina a gás associada à caldeira de recuperação, turbina a gás associada ao sistema de refrigeração por absorção e turbina a gás associada à caldeira de recuperação e turbina a vapor (ciclo combinado). O programa computacional seleciona sistemas de turbinas a gás comercialmente disponíveis no mercado (condições ISO) e faz correções de performance para as condições ambientais do local da instalação. O código computacional efetua análises energéticas, exergéticas, energoeconômicas e exergoeconômicas, sempre buscando escolher os melhores sistemas de turbinas a gás dentre os previamente selecionados. / Abstract: This work presents the steps to structure a computer program for selecting, dimension and specifying gas turbine cogeneration systems, satifying the termical condition of the process. The following configurations are used: gas turbine associated to the heat recovering, gas turbine associated to the absorption cooling system, gas turbine associated to the recovering and vapor turbine (combined cycles). The computational program selects gas turbine systems commercially available and performs corrections due to the local environment of the gas turbine system. The computational code develops: energetic, exergetic, economic and exergoeconomic analysis, always searching to choose the best gas turbine systems. / Orientador: José Luz Silveira / Coorientador: José Antônio Perrella Balestieri / Banca: Nelson Manzanares Filho / Banca: Messias Borges Silva / Banca: Luiz Roberto Carrocci / Doutor

Orientador: José Alexandre Matelli / Coorientador: José Luz Silveira / Banca: Celso Eduardo Tuna / Banca: Pedro Lacava / Resumo: Os métodos mais promissores para reduzir gases de efeito estufa, bem como combater o iminente esgotamento das reservas de energia fóssil, são: a) o uso de combustíveis alternativos obtidos a partir da biomassa, como o biogás ou gás de síntese (syngas); b) o aumento da eficiência do sistema através da redução da percentagem de energia útil perdido para o ambiente. Enquanto a otimização da eficiência de uma determinada máquina da central elétrica, por exemplo, turbina a gás ou compressor, é um desenvolvimento muito demorado, a cogeração pode rápida e significativamente aumentar a eficiência global da central. Neste trabalho, análise termodinâmica, econômica e de emissões de um sistema de cogeração baseado em uma microturbina a gás de 200 kW combinado com uma caldeira de recuperação são conduzidas. Além disso, a operação de biogás e syngas é comparada com a operação de gás natural para investigar a pertinência destes dois combustíveis alternativos para o uso em micro turbinas a gás. A central de cogeração proposta mostrou-se tecnicamente viável para todos os combustíveis, porque a microturbina selecionada é disponível em várias versões, específicas para cada combustível, com sistemas de injeção de combustível otimizados. A central apresentou eficiências energéticas globais de 50,9%, 48,6% e 47,9% para operação com gás natural, biogás e syngas, respectivamente. Devido aos preços muito elevados do gás natural e do syngas, a central de cogeração apresentou viabilidade econômica apenas no caso de operação com biogás, com curtos períodos de retorno de aproximadamente 2,8 anos e alta economia anual esperada. Além disso, o biogás tem a maior eficiência ecológica e, portanto, apresentou-se como a melhor alternativa aos combustíveis fósseis / Abstract: The most promising methods to reduce greenhouse gases as well as counteract against the imminent depletion of fossil fuels are: a) the use of alternative fuels obtained from biomass, such as biogas or bio-syngas; b) enhancing the power plant efficiency by decreasing the percentage of useful energy lost to the environment. Whereas efficiency optimisation of a particular machine in a power plant, e.g. gas turbine or compressor, is a very longsome development, cogeneration can quickly and significantly increase the overall efficiency of a power plant. In this work, energetic, exergetic, emissions and economic analyses of a cogeneration system consisting of a 200 kW micro gas turbine combined with a heat recovery steam generator are introduced and conducted. Furthermore, biogas and syngas operation are compared to natural gas operation, to investigate the adequacy of these two alternative fuels for use in micro gas turbines. The proposed cogeneration plant proved to be technically feasible for all fuels, because the selected micro gas turbine Capstone C200 is available in various, fuel-specific versions with optimised fuel injection systems. The plant presented overall energetic efficiencies of 50.9%, 48.6% and 47.9% for natural gas, biogas and syngas operation, respectively. Due to very high natural gas and syngas prices, the cogeneration plant presented economic feasibility only in case of biogas operation, with short payback periods of approximately 2.8 years and high expected annual saving. Moreover, biogas has the highest ecologic efficiency and was therefore found to be the best alternative to fossil fuels / Mestre

Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Banca: Cassio Roberto Macedo Maia / Banca: Robson Leal da Silva / Resumo: No presente trabalho foram apresentadas diferentes simulações para a operação de uma planta sucroalcooleira produtora de açúcar, etanol e bioenergia, a qual passou por uma ampliação recente, havendo momentaneamente a necessidade de compra de bagaço para atender aos contratos de venda de energia. Para tanto, foram considerados variações na moagem (de 1.500.000 até 1.800.000 toneladas de cana por safra) e no mix de produção (de 40 a 80 %), mantendo-se a potência gerada em 39,3 MW e 45 MW para cada situação. Além disso, também foi considerada o efeito da variação da taxa condensação na turbina (entre 50 e 70 t/h). Para cada caso são apresentadas análises termodinâmica, termoeconômica e econômica, identificando as vantagens e desvantagens de cada situação, incluindo a verificação da viabilidade e atratividade do empreendimento. Os resultados mostram que a ampliação da termoelétrica geram benefícios tanto para a produção de açúcar e etanol, através do aumento da capacidade de moagem, como, também, proporciona uma possibilidade de ganho na comercialização de energia através do aumento de mais de 82 % na energia exportada / Abstract: In this work, different simulations for the operation of a sugarcane mill that produces sugar, ethanol and bioenergy, which has undergone a recent expansion requiring purchase of bagasse to meet energy sales contracts, were carried out. For this was taking into account the variations in the milling (from 1,500,000 to 1,800,000 tons of cane by harvest) and in the sugar-alcohol production mix (from 40 to 80 %), keeping the power output of 39.3 MW and 45 MW for each situation. Furthermore, the effect of the variation in the turbine condensation rate (from 50 to 70 t/h) was also considered. For each case, thermodynamic, thermoeconomic and economic analyzes are presented, identifying the advantages and disadvantages of each situation, including the viability and attractiveness of the investment. The results show that the expansion of plant generates benefits both for the production of sugar and ethanol, by increasing the milling capacity, as provides a chance to gain on sale of energy through the increase of over 82 % in the energy exported / Mestre

Orientador: José Alexandre Matelli / Banca: Eliana Vieira Canettieri / Banca: Carlos Manuael Romero Luna / Resumo: Os modelos energéticos atuais são baseados majoritariamente na utilização de combustíveis fósseis, os quais, além de serem fontes finitas, ainda geram gases poluentes que contribuem para o efeito estufa e, consequentemente, para o aquecimento global. As células a combustível, por possuírem alta eficiência de conversão, baixa emissão, simplicidade de operação e flexibilidade em sua utilização, vêm sendo estudadas como opção mais limpa de geração. A célula a combustível de carbonato fundido, em particular, além de ter vantagens estruturais por operar a alta temperatura, possui calor residual que pode ser aproveitado para cogeração. O presente trabalho propõe uma configuração de ciclo combinado de uma célula a combustível de carbonato fundido de 10 MW, que possui reforma interna de gás natural, com um ciclo a vapor que aproveita o calor residual da célula. A reforma a vapor do gás natural, simulada pelo software STANJAN Chemical Equilibrium Solver, apresentou valores satisfatórios de produção de H2 na temperatura de operação da célula. As análises energética e exergética, simuladas através do software Engineering Equation Solver (EES), apontaram aumentos nas respectivas eficiências globais de 4,8 e 4,6%, respectivamente. A análise exergoeconômica indicou custo de geração de 0,4679 USD/kWh, valor acima das tarifas nacionais. Entretanto, a análise de sensibilidade mostrou que plantas de grande porte com essa configuração podem ser economicamente competitivas em diferentes cenários... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Current researches point to a significant increase in energy demand over the next few years. Energy models are mostly based on fossil fuels, which generates greenhouse gases that contribute to global warming. Thus, it becomes necessary to develop equipment and cycles that operate with greater efficiency, as well as new technologies of energy generation with both fossil and renewable sources. Fuel cells are being widely investigated due to their high conversion efficiency, low emissions, structural simplicity and flexibility. Among several fuel cell types, molten carbonate fuel cell has advantages such as fuel flexibility and high operating temperature, which leads to high thermal energy residue. This residue can be used for cogeneration and combined cycles, in order to enhance the global efficiency. This study aimed to introduce a 10 MW internal reforming molten carbonate fuel cell and steam turbine combined cycle. Steam reforming of natural gas was simulated by STANJAN Chemical Equilibrium Solver and presented satisfactory H2 production at MCFC operating temperature. Simulation in Engineering Equation Solver (EES) of energetic and exergetic analysis showed efficiency increases of 4,8 and 4,6%, respectively. Exergoeconomic analysis pointed to a 0,4679 USD/kWh power cost. However, sensitivity analysis showed that higher plants can achieve economic viability in different scenarios / Mestre

Orientador: José Luz Silveira / Banca: Julio Santana Antunes / Banca: Ederaldo Godoy Junior / Resumo: Neste trabalho são estudados dois processos que utilizam biogás para obtenção do biohidrogênio. Inicialmente é analisado o processo de eletrólise da água, com o uso de energia elétrica gerada em conjunto motor de combustão interna/gerador (MCI) operando com biogás de aterro sanitário. Visando aproveitamento de calor dos gases de escape do MCI estuda-se o potencial de geração de energia térmica útil pela aplicação da técnica de cogeração. Considera-se dois casos: o primeiro para a produção de água quente em um trocador de calor, e o segundo, para a produção de água gelada em um sistema de refrigeração por absorção. Posteriormente é estudada a reforma a vapor de biogás para a produção de biohidrogênio, que utiliza também esse biocombustível para a geração de vapor superaquecido necessário ao processo de reforma. O objetivo é efetuar a análise energética de modo a determinar as eficiências dos processos, o potencial de produção de biohidrogênio, água quente ou água gelada, nos aterros sanitários da cidade de São Paulo. Também é efetuada análise de engenharia econômica para a determinação do custos da produção de biohidrogênio, água quente e água gelada, em US$/kWh. Esse estudo baseia-se em parâmetros tais como, investimento capital, custos de manutenção e operação dos equipamentos, período equivalente de utilização e período de amortização de capital. Em fase final, foram realizados estudos de impactos ambientais para a determinação das eficiências ecológicas dos processos de p... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work is studied two processes to obtain hydrogen using biogas. Initially is analyzed the process of electrolysis of water, with the use of electricity generated in conjunction with an internal combustion engine / generator (ICE) operating with landfill biogas. generated by an internal combustion engine/generator operating with landfill biogas, is analyzed. In order to take advantage of the exhaust gases from the combustion of biogas, the potential of cogeneration is studied, another two cases are considered. The first one studies the production of hot water in the heat exchanger and the second analyzes the use of absorption refrigeration system to produce cold water. Subsequently it is studied the steam reform of biogas for the production of hydrogen, which is constituted of biogas burning for the generation of superheated steam used in the conversion of the fuel input. The objective is to make the energy analysis in order to determine the efficiency of the processes and the potential of producing hydrogen, hot water or ice water in the landfills of the city of São Paulo using the biogas generated. An economic engineering analysis to determine the production hydrogen cost, hot water and ice water, in US$/kWh, based on capital investment, maintenance and operation costs, equivalent period of use and payback. In the final phase, environmental study method is applied to determine the ecological efficiencies of the hydrogen production processes using biogas, considering ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: José Antônio Perrella Balestieri / Resumo: A cogeração tem sido proposta em diferentes oportunidades para a solução de problemas de atendimento das necessidades energéticas de empresas (ou grupos de empresas em pólos industriais) a partir de combustíveis fósseis e biomassas vegetais, de forma preponderante. Há, contudo, uma forte demanda mundial para que sejam desenvolvidas novas alternativas de geração, bem como fontes energéticas, dentre as quais se destaca o lixo urbano, na medida em que esse colabora fortemente com a ocupação de áreas economicamente rentáveis, bem como com problemas de ordem social e ambiental quando não devidamente gerenciado. Esta Tese tem por objetivo analisar as perspectivas da geração combinada de eletricidade e vapor em pólos industriais a partir da destruição de resíduos sólidos municipais; para tanto, desenvolve-se uma avaliação das principais formas de deposição do lixo urbano, bem como da cogeração em termos dos sistemas empregados. Foi analisada a legislação ambiental de diversos países, com especial destaque para a política ambiental brasileira, de modo a que fossem observadas as diretrizes de emissões preconizadas em nível mundial e de forma comparativa. Neste item, concluiu-se pela adequada formulação apresentada pela legislação brasileira, que contempla os principais limites de qualidade do ar e de emissão em níveis compatíveis com os que vêm sendo praticados internacionalmente. De modo a subsidiar a modelagem apresentada no corpo da Tese, foi desenvolvido um levantamento acerca das características operacionais e de investimento das principais tecnologias de remoção de poluentes atmosféricos, bem como formas alternativas para "produção limpa" de energia. Para que pudesse ser desenvolvida uma formulação de base exergoeconômica e ambiental para o presente estudo, foi realizada uma revisão bibliografia acerca... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: working out problems concerning energetic needs of enterprises (or groups of enterprises in industrial stocks) preponderantly from fossil fuels and vegetable biomasses. There is, however, a strong world demand for new generating alternatives, as well as energetic sources, be developed: among them it can be pointed out urban waste, while it contributes strongly for the occupation of economically profitable areas and environmental and with not properly managed social problems. This Thesis aims to analyse the perspectives of electricity and steam combined generation industrial stocks from municipal solid waste destruction; therefore, an evaluation of the main forms of urban waste deposition, as well as the cogeneration in terms of the system used is developed. The environmental legislation for a number of countries, with special emphasis for the Brazilian environmental policy, was analysed , so that the emission guidances preconized at a world summit level and at a comparative level could be observed. In this item, the decision was made for the Brazilian legislation, that contemplates the principal air and emission quality limits at levels consistent with the ones worldwide used. In order to subsidize the modeling presented in this Thesis, a gathering of facts on the operational and investment characteristics of the chief technologies for removing atmospheric pollutants, as well as alternate forms for "clean production" of energy was developed. It was performed a bibliographic revision on the principal models used for the calculation of environmental costs, to allow the development of a formulation on environmental and exergoeconomic basis for the present study, as well as alternative models which, yet not showing environmental utilization, could, that way, be considered with small modifications. For the analysis of cogeneration with municipal solid... (Complete abstract, click electronic address below). / Doutor