Em função do crescimento populacional e econômico brasileiro, o sistema elétrico nacional está sempre em modificação a fim de atender às necessidades do país. Na última década, ganhou destaque o aumento da geração termoelétrica na matriz elétrica nacional, primeiro proveniente do gás natural, e mais recentemente de fontes renováveis, como a cogeração termoelétrica proveniente do bagaço de cana. Em virtude desta realidade, é importante que, frente ao volume significativo e crescente de centrais de cogeração no país, seja pensada uma forma de administrar esta parcela da geração de maneira a se aprimorar de forma constante o desempenho destes sistemas. No entanto, verifica-se que os programas de eficiência energética no Brasil e no mundo estão geralmente associados aos usos finais de energia elétrica e praticamente inexiste uma ação estruturada de gestão da eficiência nas transformações energéticas para geração de eletricidade ao longo de sua operação. Portanto, este trabalho tem como objetivo, propor uma metodologia de gestão continuada da eficiência energética de centrais de cogeração a biomassa que operam em ciclo Rankine no Brasil. A metodologia está baseada no ciclo de melhoria contínua da qualidade, conhecido como PDCA. São estabelecidas as etapas para implementação da metodologia: enquadramento, cálculo, medição, verificação e ação. O parâmetro escolhido para cálculo e medição na metodologia é o fator de utilização de energia (FUE). A implementação da metodologia permite passar por cada fase do ciclo PDCA: planejamento, execução, verificação e ação. O ciclo Rankine foi o escolhido para o desenvolvimento do modelo de aplicação por representar a totalidade das centrais de cogeração a biomassa no Brasil. É apresentado um estudo de caso no qual a metodologia foi aplicada a duas centrais de cogeração enquadradas em classes semelhantes. Os resultados demonstram a validade da metodologia para o propósito de implementar um sistema de gestão continuada da eficiência energética global em centrais de cogeração a biomassa. São por fim recomendadas as ações de melhoria decorrentes da aplicação do ciclo nas centrais, e recomendações de desenvolvimento futuro complementares a este trabalho. / Due to the Brazilian population and economic growth, the national grid is in continuous change in order to meet the country needs. During the last decade, the highlights are the thermoelectric generation expansion, first by natural gas plants growth and recently by alternative renewable cogeneration sugarcane bagasse plants. Due to this situation, face to the significant growing number of biomass cogeneration plants in Brazil, it is important to think a way to manage this electric generation portion in order to have a continuous improvement of its performance. However, it is noticed that the energy efficiency policies either in Brazil or worldwide are usually connected to end uses of electricity and actually there is not any structured action towards the energy efficiency management for electricity generation along operation. Thus, this work proposes a methodology for energy efficiency management in Rankine cycle operated biomass cogeneration plants in Brazil. The methodology is based on the so called PDCA continual improvement cycle. The steps for implementation of the methodology: classification, calculation, measurement, verification and action, are established. The energy utilization factor (EUF) was chosen for calculation and measurement in the methodology. The implementation of it permits to pass through each phase of PDCA cycle: plan, do, check and act. The Rankine cycle was chosen for the application model development because it represents 100% of biomass cogeneration commercial plants operating in Brazil. A application of the methodology for two cogeneration plants with the same class is presented in the study case. The results show the validity of the application of the proposed methodology for establishment of an overall energy efficiency management system in biomass cogeneration plants. Improvement actions are recommended as results from the application of the cycle. Further development recommendations for this work are also presented.

Em função do crescimento populacional e econômico brasileiro, o sistema elétrico nacional está sempre em modificação a fim de atender às necessidades do país. Na última década, ganhou destaque o aumento da geração termoelétrica na matriz elétrica nacional, primeiro proveniente do gás natural, e mais recentemente de fontes renováveis, como a cogeração termoelétrica proveniente do bagaço de cana. Em virtude desta realidade, é importante que, frente ao volume significativo e crescente de centrais de cogeração no país, seja pensada uma forma de administrar esta parcela da geração de maneira a se aprimorar de forma constante o desempenho destes sistemas. No entanto, verifica-se que os programas de eficiência energética no Brasil e no mundo estão geralmente associados aos usos finais de energia elétrica e praticamente inexiste uma ação estruturada de gestão da eficiência nas transformações energéticas para geração de eletricidade ao longo de sua operação. Portanto, este trabalho tem como objetivo, propor uma metodologia de gestão continuada da eficiência energética de centrais de cogeração a biomassa que operam em ciclo Rankine no Brasil. A metodologia está baseada no ciclo de melhoria contínua da qualidade, conhecido como PDCA. São estabelecidas as etapas para implementação da metodologia: enquadramento, cálculo, medição, verificação e ação. O parâmetro escolhido para cálculo e medição na metodologia é o fator de utilização de energia (FUE). A implementação da metodologia permite passar por cada fase do ciclo PDCA: planejamento, execução, verificação e ação. O ciclo Rankine foi o escolhido para o desenvolvimento do modelo de aplicação por representar a totalidade das centrais de cogeração a biomassa no Brasil. É apresentado um estudo de caso no qual a metodologia foi aplicada a duas centrais de cogeração enquadradas em classes semelhantes. Os resultados demonstram a validade da metodologia para o propósito de implementar um sistema de gestão continuada da eficiência energética global em centrais de cogeração a biomassa. São por fim recomendadas as ações de melhoria decorrentes da aplicação do ciclo nas centrais, e recomendações de desenvolvimento futuro complementares a este trabalho. / Due to the Brazilian population and economic growth, the national grid is in continuous change in order to meet the country needs. During the last decade, the highlights are the thermoelectric generation expansion, first by natural gas plants growth and recently by alternative renewable cogeneration sugarcane bagasse plants. Due to this situation, face to the significant growing number of biomass cogeneration plants in Brazil, it is important to think a way to manage this electric generation portion in order to have a continuous improvement of its performance. However, it is noticed that the energy efficiency policies either in Brazil or worldwide are usually connected to end uses of electricity and actually there is not any structured action towards the energy efficiency management for electricity generation along operation. Thus, this work proposes a methodology for energy efficiency management in Rankine cycle operated biomass cogeneration plants in Brazil. The methodology is based on the so called PDCA continual improvement cycle. The steps for implementation of the methodology: classification, calculation, measurement, verification and action, are established. The energy utilization factor (EUF) was chosen for calculation and measurement in the methodology. The implementation of it permits to pass through each phase of PDCA cycle: plan, do, check and act. The Rankine cycle was chosen for the application model development because it represents 100% of biomass cogeneration commercial plants operating in Brazil. A application of the methodology for two cogeneration plants with the same class is presented in the study case. The results show the validity of the application of the proposed methodology for establishment of an overall energy efficiency management system in biomass cogeneration plants. Improvement actions are recommended as results from the application of the cycle. Further development recommendations for this work are also presented.

Orientador: Oscar Antonio Braunbeck / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-15T19:34:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_HenriqueLeandro_M.pdf: 3800954 bytes, checksum: e36878378c455fc352fe2da2f4432883 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A palha da cana-de-açúcar apresenta um grande potencial para ser utilizada na co-geração de energia. Entretanto, essa energia disponível não tem sido totalmente aproveitada nas usinas, em parte devido aos custos elevados relacionados ao seu transporte do campo para a indústria, e em parte associado às deficiências no mercado de máquinas específicas para o seu recolhimento e adensamento. A palha in natura apresenta baixas densidades, o que eleva os custos de transporte e armazenamento, dado pela subutilização de carga dos caminhões e espaço físico dos pátios. O que se tem praticado nas usinas é a tentativa do uso de máquinas forrageiras e enfardadoras, que foram projetadas para a cultura do feno, resultando assim em baixos rendimentos operacionais quando utilizadas com palha de cana-de-açúcar, além de incorporar matéria mineral indesejável. Pesquisas revelaram que a corda de amarração utilizada para inibir a relaxação dos fardos prismáticos e cilíndricos provenientes das enfardadoras é responsável por 40% dos custos totais destes processos. Neste trabalho é proposto um novo princípio de adensamento para a palha de cana-de-açúcar, onde as folhas são compactadas mediante aplicação de torção visando à formação de corda contínua, que pode ser enrolada em bobinas dispensando assim os complexos sistemas de amarração das enfardadoras. A densidade teórica alcançada pela bobina formada com a corda de palha foi estimada por modelos matemáticos. Uma abrangente modelagem envolvendo as forças de compactação na corda devidas à torção é apresentada. Foram realizados experimentos em protótipo correlacionando o torque aplicado na corda com a sua densidade aparente, além de ensaios envolvendo a formação de corda contínua, visando avaliar as condições de viabilidade técnica do processo. Os resultados obtidos indicaram que foi viável tecnicamente a formação de corda contínua e estruturada a partir de folhas secas de cana-de-açúcar utilizando o princípio de torção originada por atrito; a densidade aparente da corda de palha ficou próxima das densidades aparentes dos fardos cilíndricos e prismáticos obtidos pelas enfardadoras convencionais; a demanda de torque foi menor para a corda de menor diâmetro; a densidade aparente teórica da bobina foi inferior às densidades aparentes dos fardos cilíndricos; todos os ensaios apresentaram relaxação de torque no decorrer do tempo; o princípio apresenta limitações e demanda pré-requisitos indispensáveis para o perfeito funcionamento. / Abstract: Sugar cane straw presents a great potential to be used in energy cogeneration. However, this potential has not been fully explored at the mills, in part due to the high costs associated with transport from field to industry, and partly linked to the market deficiencies of specific equipment for their recovery and compaction. The straw in nature presents low density, which increases the cost of transport and storage, due to the sub utilization of load capacity trucks and requirement of space in the courtyards. What has been practiced at mills are some experiments using forages and balers machines, which were designed for hay harvesting, resulting in lower operating income when used for sugar cane straw, as well as incorporating undesirable mineral matter. Research showed that the mooring rope used to inhibit the relaxation of prismatic and cylindrical bales from the balers is responsible for 40% of the total costs of these processes. This dissertation presents a proposes of a new principle for sugar cane straw compaction, where the leaves are compressed by applying torque in order to form a continuous yarn that can be wrapped into coils without complex balers mooring systems. The theoretical density achieved by the coil formed with straw rope was estimated by mathematical models. A comprehensive modeling involving the compression forces on the rope due to torsion is presented. Experiments were carried out using a prototype in order to observe the torque applied to the rope with its density correlation. Experiments involving the formation of continuous rope, to evaluate the technical feasibility of the process were also conducted. The results indicated that it was technically possible to form a continuous and structured rope from dry leaves of sugar cane using the principle of torque originate by friction; the density of straw rope was close to the apparent densities of the cylindrical and prismatic bales obtained by conventional balers; the torque demand was lower for ropes with smaller diameter; the theoretical density of the coil was less than the apparent densities of the bale; all trials showed relaxation of torque over time; the principle is limited and demand pre- established parameters for its perfect operation. / Mestrado / Maquinas Agricolas / Mestre em Engenharia Agrícola

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το πρόβλημα της σταθεροποίησης συστημάτων αναερόβιας χώνευσης σε συνθήκες μεγιστοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου, υπό την παρουσία διαταραχών στην είσοδο του συστήματος. Εξήχθη ένα απλοποιημένο μοντέλο δύο καταστάσεων, για χρήση του για τους σκοπούς της ρύθμισης της διεργασίας. Για την παρακολούθηση της διεργασίας κατασκευάσθηκε ένα περιβάλλον παρακολούθησης σε LabView, με τη μέτρηση να είναι ο ρυθμος παραγωγής του βιοαερίου. Για τη σταθεροποίηση του συστήματος, αναπτύχθηκε ένας αναλογικός, ως προς τη μέτρηση του βιοαερίου, νόμος ανάδρασης εξόδου. Ο νόμος ανάδρασης σταθεροποιεί τη διεργασία σε μία μεγάλη περιοχή γύρω από τη βέλτιστη μόνιμη κατάσταση, χωρίς να οδηγεί στην έκπλυση της βιομάζας. Αυτή η ικανότητα του ρυθμιστή, δοκιμάσθηκε τόσο σε επίπεδο προσομοιώσεων όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Αναπτύχθηκε, επίσης, θεωρία σχεδιασμού μη γραμμικών παρατηρητών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των άγνωστων καταστάσεων και παραμέτρων της διεργασίας, που δεν μπορούν να μετρηθούν, καθώς και για την ανίχνευση πιθανών διαταραχών και υπολογισμό του μεγέθους τους. / The present work studied the problem of stabilization of anaerobic digesters in maximum biogas production rate conditions, under the effect of disturbances in the feed. A two state, simplified model was developed for control purposes. For monitoring of the process, a LabView monitoring environment was developed, with the biogas production rate being the measured output of the system. For stabilizing the system of the anaerobic reactor, a proportional with respect to the measured methane production rate output feedback control law was developed. The control law stabilizes the process in a very large region around the optimal steady state without driving the system towards washout of the biomass. This ability of the controller was tested both with simulation and experimentally. Also a nonlinear observer theory was developed. The designed nonlinear observer was used for estimating the unknown states and parameters of the system that cannot be measured and for the detection of the potential presence and magnitude of a disturbance.