Doctor of Philosophy / Department of Industrial & Manufacturing Systems Engineering / Jessica L. Heier Stamm / This dissertation focuses on logistics challenges arising in the biofuels industry. Studies have found that logistics costs in the biomass-to-biofuel supply chain (BBSC) account for 35%-65% of total biofuel production cost. This is mainly due to the low density of biomass that results in high costs associated with biomass transportation, storage, and handling in the biomass-to-biofuel supply chain. Densification provides an as-yet-unexplored opportunity to reduce logistic costs associated with biomass-to-biofuel supply chains. This research advances understanding about biomass-to-biofuel supply chain management through new optimization models. As a first step, the author presents an extensive overview of densification techniques and BBSC optimization models that account for biomass densification. This literature review helps the author to recognize the gaps and future research areas in BBSC studies. These gaps direct the author toward the remaining components of the dissertation. In particular, the literature review highlights two research gaps. First, the review indicates that mobile pelleting holds promise for improved BBSC management, but that there is no mathematical optimization model that addresses this opportunity. Second, currently, there does not exist a model that explicitly accounts for farmers’ objectives and their probability to sell biomass to the bioenergy plant in BBSC optimization. To fill the first gap, the author focuses on managing the BBSC considering mobile densification units to account for chances to minimize logistics costs. A mixed integer linear programming model is proposed to manage the BBSC with different types and forms of biomass feedstock and mobile densification units. Sensitivity analysis and scenario analysis are presented to quantify conditions that make mobile densification an attractive choice. The author conducts a case study to demonstrate model applicability and type of analysis that can be drawn from this type of models. The result indicates that mobile pelleting is not an attractive choice under the current economic status. However, modest changes in pelleting cost, satellite storage location fixed cost, and/or travel distances are enough to make mobile pelleting an attractive choice. To fill the second gap, the author introduces a model that explicitly accounts for mobile densification and farmers’ probability to supply a bioenergy plant with biomass feedstock. Farmers’ probability to provide biomass to the bioenergy plant depends on contract attributes, including expected net return and services provided by the bioenergy plant. The proposed model helps the bioenergy plant to meet biofuel demand while considering farmers’ choices that satisfy their own objectives and preferences. The model makes it possible to determine most important factors that influence type of contract offered to each supplier and optimal BBSC design. A case study based on the state of Kansas is conducted to demonstrate how bioenergy plant can benefit from this type of model.

Submitted by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2016-11-16T18:43:35Z No. of bitstreams: 1 SCALET_Veronica_2015.pdf: 6163891 bytes, checksum: 998b5b328d95cff68d4e7e2929fb655e (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2016-11-16T18:43:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 SCALET_Veronica_2015.pdf: 6163891 bytes, checksum: 998b5b328d95cff68d4e7e2929fb655e (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2016-11-16T18:43:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 SCALET_Veronica_2015.pdf: 6163891 bytes, checksum: 998b5b328d95cff68d4e7e2929fb655e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-16T18:43:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SCALET_Veronica_2015.pdf: 6163891 bytes, checksum: 998b5b328d95cff68d4e7e2929fb655e (MD5) Previous issue date: 2015-04-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The Licuri bark is a potential source of biomass for energy production. This study aims at making briquettes and the physicochemical characterization of Licuri bark aiming to expand its use as fuel. The material was collected in Great Cauldron - BA and briquettes were made with five different compositions: 100% Licuri bark (T1), 75% Licuri bark + 25% sugar cane straw (T2), 50% Licuri bark + 50% sugar cane straw (T3), 25% Licuri bark + 75% sugar cane straw (T4) and finally 100% sugar cane straw (T5). The briquettes were measured to obtain the value of its expansion and density, passed through drumming test and was made mechanical test on the tensile strength by diametrical compression. Also were made the following analyzes to Licuri bark: moisture content, density, particle size, ash and volatile content, fixed carbon, high heat value, extraction with hot water and cyclohexane / ethanol, lignin and thermogravimetry analysis. Statistical analyzes were made when appropriate (ANOVA and Tukey's test). The expansion of briquettes stabilized after 24 hours of its confection, about the expansion in height, there was no significant difference between treatments, as for the expansion in diameter treatments with the highest percentage of Licuri bark (T1 and T2) showed the lowest expansion. Finally, for the mechanical test the T1 and T2 differed from the other treatments with larger maximum force (34.09 and 34.64 kgf respectively). The moisture content observed was 11.15% ± 1.31, suitable for energy use. The gross calorific value (4652 Kcal.Kg-1 ± 18), the ash content (3.90% + 1.42) and lignin content (36.86 ± 2.6%) of the observed material are high when compared to other biomass. Therefore, the use of Licuri in order to produce energy can be very important for families living of their extraction, because it has favorable characteristics for such use. Moreover, the production of briquettes may optimize the transport process and the burning of the material. / A casca de Licuri é uma potencial fonte de biomassa para a produção de energia. O presente trabalho tem como objetivo a confecção de briquetes e a caracterização físicoquímica da casca de Licuri visando à ampliação de seu uso como combustível. O material foi coletado em Caldeirão Grande – BA e foram confeccionados briquetes com cinco formulações distintas: 100% casca de Licuri (T1), 75% casca de Licuri + 25% palha de cana-de-açúcar (T2), 50% casca de Licuri + 50% palha de cana-de-açúcar (T3), 25% casca de Licuri + 75% palha de cana-de-açúcar (T4) e por fim 100% palha de cana-de-açúcar (T5). Os briquetes foram medidos para obtenção do valor da sua expansão e densidade, passaram pelo teste de tamboramento e realizou-se ensaio mecânico quanto à resistência a tração por compressão diametral. Além disso foram realizadas as seguintes análises para a casca de Licuri: teor de umidade, densidade, granulometria, teor de cinzas e teor de voláteis, carbono fixo, poder calorífico superior, extrações por água quente e por ciclohexano/etanol, teor de lignina e análise termogravimétria. Foram realizadas análises estatísticas quando pertinente (ANOVA e Teste de Tukey). A expansão dos briquetes estabilizou após 24h de sua confecção, quanto a expansão em altura, não houve diferença significativa entre os tratamentos, já para a expansão em diâmetro os tratamentos com maior porcentagem de casca de Licuri (T1 e T2) apresentaram a menor expansão. Para o ensaio mecânico os tratamentos T1 e T2 diferenciaram-se dos demais tratamentos apresentando maior força máxima (34,09 e 34,64 Kgf respectivamente). O poder calorífico superior (4652 Kcal.Kg-1 ± 18), o teor de cinzas (3,90% + 1,42) e o teor de lignina (36,86% ± 2,6) do material são elevados quando comparados a outras biomassas. Com os resultados, a casca de Licuri mostrou-se potencialmente interessante para a produção de energia. Assim, o uso do Licuri com a finalidade de se produzir energia pode ser de grande importância para as famílias que vivem de sua extração, pois o mesmo possui características favoraveis para tal uso. Além disso, a confecção de briquetes pode otimizar o processo de transporte e queima do material.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-08-09Bitstream added on 2014-06-13T20:31:54Z : No. of bitstreams: 1 oguri_g_me_botfca.pdf: 243798 bytes, checksum: 20643e681c99093c1964743a3aecb04a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Este estudo teve com objetivo avaliar a produção de biomassa e correlacionar com os nutrientes de galhos e folhas que poderão ser exportados através da colheita mecanizada, bem como o poder calorífico dos galhos em função de diferentes espaçamentos e adubações em um plantio de Eucalyptus urophylla x Eucalyptus grandis de curta rotação. O plantio da área em estudo ocorreu em dezembro de 2008, totalizando 5,8 ha. A área total foi dividida em cinco espaçamentos utilizando três diferentes doses de adubação. Nas idades de 18 meses, 24 meses e 30 meses após o plantio, foi realizado um inventário coletando informações de diâmetro a altura do peito (DAP) para escolha das árvores-amostra com o intuito de obter dados sobre a biomassa de galhos e folhas, assim como o poder calorífico dos galhos e nutrientes nas folhas e nos galhos. Amostras de galhos e folhas foram coletadas e pesadas no campo e levadas para estufa para posterior cálculo de biomassa seca por unidade de área. Os nutrientes em estudo foram os macronutrientes, nitrogênio, fósforo e potássio e; os micronutrientes, boro e zinco. Para o cálculo do poder calorífico superior (PCS) utilizou-se uma bomba calorimétrica seguindo a norma NBR 8633. Todos os resultados foram analisados pela análise de variância e, posteriormente, teste de Tukey. Concluiu-se que a biomassa de galhos e folhas aumentou de acordo com o nível de adubação e, também que aumentando a dose de fertilizantes, maior será a exportação de nutrientes nas folhas e nos galhos / The aim of this study was to evaluate the biomass production and correlate with branches and leaves nutrients content that will be exported by mechanical harvesting, as well as the calorific value of branches as a function of spacements with three levels of fertilization in an Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla short rotation forest. The forest was planted in December 2008 in a total of 5,8 ha. At 18 months, 24 months and 30 months after planting we collected information about diameter to choose the sample-trees in order to obtain branches and leaves biomass data, as well as the branches and leaves nutrients content and calorific value of branches. Leaves and branches samples were collected and weighted on the field and taken at greenhouse to calculate dry biomass. The macronutrients - N, P and K – and the micronutrients – B and Z – were studied. The gross calorific value was calculated using a calorimeter according to NBR 8633. All results were analyzed by ANOVA and Tukey test. It was concluded that branches and leaves biomass increases at the same way the fertilizer level increases and also we noted that increasing the fertilizer amount, larger will be branches and leaves export nutrients.

As propriedades de pellets de biomassa utilizados como combustíveis são essenciais para o desempenho em processos termoquímicos, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Estas propriedades podem afetar aspectos relacionados ao transporte, estocagem, manuseio, conversão de energia, emissões de gases no meio ambiente, bem como variáveis a serem controladas durante o processo de pelletização, influenciando diretamente o consumo de energia e os custos para a sua produção. Este trabalho apresenta um estudo realizado em uma indústria brasileira de produção de pellets de bagaço de cana-de-açúcar para determinação das principais propriedades do produto final e das variáveis do processo de produção. O objetivo deste trabalho é caracterizar, dentro do processo de pelletização, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas da matéria prima e do produto final, bem como conhecer os fluxos de massa, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo. Como primeira parte dos resultados, concluiu-se que as propriedades de pellets de bagaço de cana-de-açúcar analisadas, tais como diâmetro, comprimento, umidade, densidade, durabilidade, quantidade de finos, poder calorífico, elementos químicos e teor de cinzas, não estão em total conformidade com outros trabalhos científicos realizados e com normas internacionais de comercialização e de qualidade de pellets de biomassa. Em segundo lugar, pôde-se conhecer a taxa de consumo de matéria prima e de produção de pellets, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo de produção como secagem, moagem e pelletização. Por fim, foi encontrada uma função matemática em que o consumo de energia e os custos de produção crescem de maneira exponencial com a variação de umidade da matéria prima. / Properties of pellets used as biomass fuels are essential to the performance of thermochemical processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. These properties can affect aspects related to transportation, storage, handling, power conversion, emissions into the environment as well as variables to be controlled during the pelletizing process, directly influencing the energy consumption and production cost. This paper presents a study in a Brazilian industry of sugarcane bagasse pellets in order to determine the main properties of pellets and process variables. The objective of this work is to characterize within the pelletizing process the main physical, chemical and mechanical properties on the raw material and final product, as well as knowing the mass flows, energy consumption and cost involved in each step of the process and its variations. As the first part of the results, it was conclude that the properties of the sugarcane bagasse pellets analyzed as diameter, length, moisture, density, durability, amount of fine, calorific value, chemical elements and ash content are not full compliance with other scientific work and international marketing standards and quality pellets biomass. Secondly, one can know the rate of material consumption and production of pellets, energy consumption and costs for each step of the production process as drying, grinding and pelletizing. Finally, a mathematical function in which the power consumption and production costs grow exponentially with the variation of moisture of the raw material entry was found.

As propriedades de pellets de biomassa utilizados como combustíveis são essenciais para o desempenho em processos termoquímicos, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Estas propriedades podem afetar aspectos relacionados ao transporte, estocagem, manuseio, conversão de energia, emissões de gases no meio ambiente, bem como variáveis a serem controladas durante o processo de pelletização, influenciando diretamente o consumo de energia e os custos para a sua produção. Este trabalho apresenta um estudo realizado em uma indústria brasileira de produção de pellets de bagaço de cana-de-açúcar para determinação das principais propriedades do produto final e das variáveis do processo de produção. O objetivo deste trabalho é caracterizar, dentro do processo de pelletização, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas da matéria prima e do produto final, bem como conhecer os fluxos de massa, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo. Como primeira parte dos resultados, concluiu-se que as propriedades de pellets de bagaço de cana-de-açúcar analisadas, tais como diâmetro, comprimento, umidade, densidade, durabilidade, quantidade de finos, poder calorífico, elementos químicos e teor de cinzas, não estão em total conformidade com outros trabalhos científicos realizados e com normas internacionais de comercialização e de qualidade de pellets de biomassa. Em segundo lugar, pôde-se conhecer a taxa de consumo de matéria prima e de produção de pellets, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo de produção como secagem, moagem e pelletização. Por fim, foi encontrada uma função matemática em que o consumo de energia e os custos de produção crescem de maneira exponencial com a variação de umidade da matéria prima. / Properties of pellets used as biomass fuels are essential to the performance of thermochemical processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. These properties can affect aspects related to transportation, storage, handling, power conversion, emissions into the environment as well as variables to be controlled during the pelletizing process, directly influencing the energy consumption and production cost. This paper presents a study in a Brazilian industry of sugarcane bagasse pellets in order to determine the main properties of pellets and process variables. The objective of this work is to characterize within the pelletizing process the main physical, chemical and mechanical properties on the raw material and final product, as well as knowing the mass flows, energy consumption and cost involved in each step of the process and its variations. As the first part of the results, it was conclude that the properties of the sugarcane bagasse pellets analyzed as diameter, length, moisture, density, durability, amount of fine, calorific value, chemical elements and ash content are not full compliance with other scientific work and international marketing standards and quality pellets biomass. Secondly, one can know the rate of material consumption and production of pellets, energy consumption and costs for each step of the production process as drying, grinding and pelletizing. Finally, a mathematical function in which the power consumption and production costs grow exponentially with the variation of moisture of the raw material entry was found.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES

Phalaris arundinacea L. is an aggressive species that can dominate wetlands by producing monotypic stands that suppress native vegetation. In this study invasion windows were created for native species in monotypic stands of P. arundinacea with either fire or herbicide. Three native species groups, herbaceous plants, herbaceous seeds, and woody shrubs, were planted into plots burned or treated with herbicide in the early spring. Fire did not create an effective invasion window for native species; there was no difference in P. arundinacea root and shoot biomass or cover between burned and control plots (p ≥ 0.998). Herbicide treatment created an invasion window for native species by reducing P. arundinacea root and shoot biomass for two growing seasons, but that invasion window was fast closing by the end of the second growing season because P. arundinacea shoot biomass had nearly reached the shoot biomass levels in the control plots (p = 0.053). Transplant mortality, frost, and animal herbivory prevented the herbaceous species and woody seedlings from becoming fully established in the plots treated with herbicide during the first year of the experiment. Transplanted monocots had a greater survival than dicots. By the second growing season the herbaceous group had the greatest mean areal cover (5%), compared to the woody seedlings (3%) and seed group (0%). Long-term monitoring of the plots will determine whether the herbaceous transplants will compete effectively with P. arundinacea and whether the woody species will survive, shade the P. arundinacea, and accelerate forest succession.

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published_or_final_version / abstract / Civil Engineering / Master / Master of Philosophy