[pt] A busca global por sustentabilidade tem se caracterizado por uma tendência em viabilizar a recuperação energética de resíduos. Neste contexto, no setor sucroalcooleiro, um dos principais desafios é aproveitar, adequadamente, os resíduos gerados no processamento da cana-de-açúcar. Nesta tese, estuda-se a produção de eletricidade, a partir do bagaço e biogás da vinhaça, em usinas termelétricas que operam com ciclos combinados híbridos. Um modelo matemático e numérico, desenvolvido na plataforma Excel, é proposto para simular cinco modos de operação de ciclos combinados híbridos e calcular, simultaneamente, indicadores termodinâmicos (energéticos e exergéticos), econômicos e ambientais. Adicionalmente, a aplicabilidade dos sistemas híbridos é demonstrada para usinas alimentadas por resíduos sólidos urbanos e gás natural. O estudo considera dados da literatura e informações adquiridas durante visitas técnicas a diversas usinas no Brasil e no exterior. Uma análise paramétrica mostra a influência de temperaturas e pressões de operação dos componentes da planta em questões econômicas, ambientais e operacionais de cada setor. Os resultados indicam um aumento relativo médio de 10,3 por cento na eficiência elétrica das plantas convencionais sucroalcooleiras, considerando o caráter intermitente e as demandas energéticas do setor. Em relação à média das plantas brasileiras, as emissões de CO2eq evitadas pode ser até 23,7 por cento superior. Para usinas de resíduos sólidos urbanos, integradas a um consumo de gás natural significativamente reduzido, o aumento relativo de eficiência é superior a 26 por cento, resultando em um potencial de abatimento das emissões em torno de 272,0 ktonCO2eq/ano. Taxas de retorno superiores a 27,0 por cento são obtidas para projetos de usinas híbridas de ambos os setores. A pesquisa é inovadora ao apresentar uma aprimorada rota tecnológica para o tratamento de resíduos, permitindo reduzir a sua disposição inadequada. Além disso, os estudos podem contribuir, concomitantemente, para o aproveitamento eficiente do gás natural e da biomassa residual no Brasil, diversificando a matriz energética do país. / [en] The search for sustainability has been characterized by a global tendency to enable new technologies for energy recovery from waste. In this context, in the sugar and alcohol sector, one of the main challenges is to, adequately, manage the waste generated in the sugarcane processes. In this thesis, the electricity production from bagasse and vinasse biogas, in power plants that operate with hybrid combined cycles, is investigated. A mathematical and numerical model is proposed, developed on the Excel platform, to simulate five operating modes of hybrid combined cycles and simultaneously, to calculate thermodynamic (energy and exergy), economic and environmental indicators. In addition, the applicability of hybrid systems, for power plants fed by municipal solid waste and natural gas, is demonstrated. The study considers data from the literature and information obtained through technical visits to several plants in Brazil and abroad. A parametric analysis shows the influence of temperatures and operating pressure of plant components on economic, environmental, and operational issues in each sector. Results indicate an average relative increase of 10.3 percent in the electrical efficiency of sugarcane plants, considering the intermittent nature and energy demands of the sector. In relation to Brazilian mills, the avoided CO2eq emissions in hybrid plants are around 23.7 percent higher. For municipal solid waste plants, integrated with a significantly reduced natural gas consumption, the relative increase in efficiency is greater than 27 percent, resulting in a potential reduction in emissions of around 272.0 ktonCO2eq/year. An internal rate of return above 25 percent is achieved for hybrid power plant projects, for both sectors. The research is innovative in presenting an improved technological route for waste treatment, allowing to reduce its inappropriate disposal. Furthermore, the study can simultaneously contribute to the efficient use of natural gas and residual biomass in Brazil, diversifying the country s energy matrix.

[pt] O inevitável crescimento da demanda por recursos energéticos, imposta por tempos de acelerada transformação econômica e social, e as imposições da pauta climática, fomentam o interesse pelo estudo de processos mais eficientes e menos poluentes. Neste contexto, por meio de simulações no MATLAB/Simulink, este trabalho realiza o dimensionamento, simulação e otimização de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, desconectado da rede (off-grid), composto por grupos geradores e banco de baterias, visando aplicações comerciais com diferentes níveis de demanda, em cenários sazonais distintos. Também é objeto de estudo, avaliar os ganhos em eficiência e emissões de poluentes atmosféricos, comparandose os cenários simulados a partir de estimativas de linha de base. Os sistemas são compostos por geradores a Diesel (linha de base) com potências entre 600 e 5200kW, geradores a Gás Natural com potências entre 400 e 5088kW, e bancos de baterias com capacidades entre 900 e 9000kWh para os cenários alternativos. Foi realizada uma análise energética dos sistemas, considerando variação da energia, estado de carga, consumo específico de combustível, eficiência e outros, além da análise das emissões de poluentes advindos dos geradores. Por fim, com as variáveis de saída do modelo, comparou-se os resultados entre os diversos casos e os cenários de linha de base, além de analisar a influência dos fatores utilizados para criação dos cenários simulados (tipos de geração, variabilidade da carga e multiplicadores). Em comparação entre a linha de base, e o cenário mais promissor (Gás Natural + bancos de baterias), observou-se, na média, aumento de eficiência de até 19,8 por cento para o verão, e 26,7 por cento para o inverno. Além de detectar aumento das emissões de hidrocarbonetos não queimados e monóxido de carbono, e redução das emissões de óxido de nitrogênio, material particulado e dióxido de carbono. / [en] The inevitable growth in demand for energy resources, imposed by times of accelerated economic and social transformation, and the impositions of the climate agenda, encourage interest in the study of more efficient and less polluting processes. In this context, performing simulations in MATLAB/Simulink, this work carries out the sizing, simulation and optimization of a hybrid power generation system, disconnected from the grid (off-grid), and composed by generator sets and battery banks, aiming commercial applications with different levels of demand, in different seasonal scenarios. It is also object of study to evaluate the gains in efficiency and the emissions of atmospheric pollutants, comparing the simulated scenarios from baseline estimates. The systems are composed by diesel generators (baseline) with output power between 600 and 5200kW, Natural Gas generators with output power between 400 and 5088kW, and battery banks with capacities between 900 and 9000kWh for alternative scenarios. An energy analysis of the systems was performed, considering energy variation, state of charge, C rate, engine load levels, specific fuel consumption and efficiency. In addition, the analysis of pollutant emissions from generators. Finally, with the model s output variables, the results were compared between the different cases and the baseline scenarios, in addition to analyzing the influence of the factors used to create the simulated scenarios (types of generation, load variability and multipliers). In comparison between the baseline and the most promising scenario (Natural Gas + battery banks), it was possible to observe average gains with efficiency increases of up to 19.8 percent for the summer, and 26.7 percent for the winter. In addition to detecting increased emissions of unburned hydrocarbons and carbon monoxide, and reduction in emissions of nitrous oxide, particulate matter and carbon dioxide.

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[pt] Esta tese tem como objetivo encorajar o desenvolvimento da tecnologia híbrida de lixo-energia e sua aplicação em países com acesso a reservas de gás natural, tal como o Brasil. O método consiste em avaliá-la por meio de uma análise integrada de indicadores de desempenho energético, exergético, econômico e ambiental. A tecnologia inclui dois ciclos integrados: um ciclo superior e um inferior que interagem por meio de uma caldeira de recuperação. O lixo urbano não reciclável, in natura, alimenta o ciclo inferior na caldeira de lixo enquanto o gás natural alimenta o ciclo superior na turbina a gás. O objetivo da modelagem destes sistemas consiste em propor um layout de máxima eficiência aliado a um custo acessível de produção de eletricidade/tratamento do lixo, o que é atingido com um design otimizado. O desempenho termodinâmico mais eficiente é proporcional ao percentual de gás natural, isto é, quanto maior a quantidade de lixo em relação ao gás, menos eficiente é a planta, uma vez que o lixo tem menor poder calorífico. Portanto, o desafio é buscar uma maior eficiência com maior percentual de lixo, aliando também o aspecto custo. De uma forma geral, dois cenários coexistem no mundo atual, o dos países desenvolvidos e o dos países em desenvolvimento. Os primeiros possuem inúmeras aplicações de usinas não híbridas, poucas reservas próprias de gás natural e enfrentam redução na produção de lixo, causando a sub-utilização dos sistemas. Esta tese traz uma análise completa de potenciais alternativas para re-potenciamento de plantas sub-utilizadas, demonstrando o quão pior é o seu desempenho em comparação com o ciclo otimizado. Nos países em desenvolvimento ocorre o inverso: há crescente geração de resíduos, reservas pouco exploradas de gás natural e nenhuma usina lixo-energia. Portanto, existe um grande potencial para implantação de usinas híbridas, as quais, conforme a tese demonstra, são uma alternativa muito mais razoável do que implantar usinas convencionais não híbridas. / [en] This thesis aims to foster the development of hybrid waste-energy technology and its application in countries with access to natural gas reserves, such as Brazil. The method consists of evaluating it through an integrated analysis of energy, exergy, economic and environmental indicators. The investigated system consists of a topping and a bottoming cycle integrated through a heat recovery boiler. Raw non-recyclable urban waste feeds the waste boiler while natural gas feeds a gas turbine. The goal is to propose a cycle with high efficiency able to generate electricity/treat waste within affordable costs, which is achieved with an optimized design. The cycle s performance is proportional to the share of natural gas thermal input, that is, the greater the amount of waste the lower the efficiency (waste has lower calorific value). Therefore, the challenge is to seek greater efficiency with higher percentage of waste, including also the cost aspect. In general, there are two scenarios in the world: developed and developing countries. The former has several non-hybrid plants, few natural gas reserves and face reduced waste production, causing underutilization of the existing systems. This thesis provides a complete analysis of potential alternatives for re-potentiation of underutilized plants, demonstrating how worse their performance is compared to the optimized cycle. On the other hand, developing countries present increasing waste generation, under exploited reserves of natural gas and zero waste-to-energy plants. Therefore, there is a great potential for building hybrid waste-to-energy systems, which this work demonstrates are a much more reasonable alternative than nonhybrid conventional waste-to-energy plants.