Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T08:04:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T23:39:44Z : No. of bitstreams: 1 142500.pdf: 143982798 bytes, checksum: 7c5a4b88a3537f6bd44dd2e2b09c3f73 (MD5)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduaçao em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T01:05:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 262294.pdf: 2409341 bytes, checksum: 2919d8c38ca9d6d163e37eb87314a706 (MD5) / Cogeração é definida como a produção simultânea de energia eletromecânica e energia térmica útil a partir de uma mesma fonte energética, permitindo assim que a energia contida no combustível seja utilizada de modo mais eficiente e racional do que a geração independente de energia elétrica e calor. Conseqüentemente, tem um forte apelo tanto do ponto de vista de eficiência, devido principalmente aos custos de ombustíveis e impactos ambientais, como do ponto de vista de geração distribuída de energia, já que, dada a proximidade entre a planta e o local de consumo, dispensam-se subestações e linhas de transmissão de alta tensão. O projeto de uma planta de cogeração é um problema de síntese sujeito fundamentalmente a restrições termodinâmicas. Inclui a alocação e dimensionamento de componentes diversos, de modo a satisfazer as demandas de energia elétrica e de calor útil. Apesar de sua complexidade, é um problema que é resolvido de modo robusto por especialistas, o que sugere o uso de ferramentas de inteligência artificial (IA) para resolvê-lo computacionalmente, tais como Sistemas Especialistas (SE) e Raciocínio Baseado em Casos (RBC). No presente trabalho são desenvolvidos dois protótipos de sistemas computacionais inteligentes, baseados nas técnicas SE e RBC, respectivamente. Os protótipos são utilizados para apoio às fases de projeto conceitual e preliminar de plantas de cogeração, considerando cargas de energia elétrica, vapor saturado e água gelada como requisitos de projeto. Os protótipos apresentam características que não são encontradas em nenhum sistema computacional para esse domínio disponível até o momento, tais como explicação da solução (no protótipo SE) e aprendizado a partir da própria experiência (no protótipo RBC). A combinação das duas técnicas em um único protótipo é também discutida. Finalmente, o uso dos protótipos é demonstrado através da resolução de alguns casos selecionados, sendo que cada um representa um diferente conjunto de requisitos de projeto. Cogeneration is defined as the simultaneous production of power and useful thermal energy from the same energy source, so that the fuel energy is used in a more rational and efficient way when compared to the separated production of power and heat. Thus, it has a strong appeal from both an efficiency point of view (due mainly to the fuel costs and environmental impact) and a distributed generation point of view, for the proximity between the plant and the user makes substations and transmission lines superfluous. The design of a cogeneration plant is a synthesis problem subject to thermodynamic constraints. It includes allocation and sizing of several components, such that power and useful heat demands must be satisfied. Despite its complexity, it is a problem that is robustly solved by human experts, which suggests the use of artificial intelligence (AI) tools to solve it computationally. Well known AI tools are Expert Systems (ES) and Case-Based Reasoning (CBR). In this work, two intelligent computational prototypes are developed, based on ES and CBR techniques, respectively. The prototypes are used to support the conceptual and preliminary phases of the cogeneration plant design, considering power, saturated steam and chilled water as design requirements. The prototypes present characteristics # such as solution explanation (ES prototype) and learning from previous experiences (CBR prototype) # that are not known in any of the available computational systems in this engineering domain. The combination of both ES and CBR techniques in a single prototype is discussed as well. Finally, the prototype use is shown by solving some selected cases, each case representing a different set of design requirements.

[pt] Esta dissertação analisa o resultado da atividade de cogeração de energia elétrica no setor sucroalcooleiro, e em paralelo analisa a opção de Switch que o produtor de açúcar e etanol possui. Para verificar estes resultados, considera o comportamento dos preços dos produtos gerados no setor, sendo estes relacionados ao etanol, ao açúcar e à energia elétrica. Para analisar estes comportamentos estocásticos, são utilizadas as ferramentas matemáticas no intuito de incorporar as incertezas ao modelo, sendo elas correspondentes ao Movimento Geométrico Browniano, representando o caminho aleatório das variáveis analisadas, e o Movimento de Reversão à Média. A simulação realizada utiliza uma estrutura numérica em tempo discreto, por meio das árvores binomiais, e calcula o valor da Opção que o usineiro possui na sua estrutura de produção. A maioria dos trabalhos apresentados no setor apresenta a Opção que o usineiro tem ao escolher entre a produção do etanol e do açúcar. Este trabalho verifica que no final da primeira década do século XXI houve um descolamento no preço do açúcar no mercado internacional, ampliando-se sobremaneira e fazendo com que a diferença relativa ao preço do etanol aumente e faça com que o usineiro prefira o resultado apresentado pelos fluxos de caixa do açúcar, priorizando este processo produtivo. Esta situação acontece no momento em que as Usinas modificam/ampliam a capacidade de suas caldeiras para cogerar energia elétrica, fato que proporciona valor para o usineiro, sendo que este possui opções tecnológicas na incorporação deste novo sistema. Este trabalho comprova a existência de valor nestas opções tecnológicas considerando os processos estocásticos analisados. / [en] This dissertation analyzes the result of the activity of cogeneration of electric energy in the sugarcane sector, and in parallel analyzes the option of Switch of sugar and ethanol that the producer has. To verify these results, considers the behavior of prices of the products generated in the sector, which are related to ethanol, sugar and electric energy. To analyze these stochastic behaviors, mathematical tools are used in order to incorporate the model uncertainty, and they correspond to the Geometric Brownian Motion, representing the path of random variables, and the Movement of Mean Reversion. The simulation uses in this work is with a numerical structure in discrete time by binomial trees, and calculates the value of the option that the sugar mill owner has in its production structure. Most of the papers presented in this sector calculate the sugar mill owner option s to choose between ethanol production and sugar. This study finds that in the end of the first decade of the XXI centuries there was a detachment in sugar prices in the international market, expanding greatly and making a difference on the relative price of ethanol, rising and causing to the sugar mill owners to prefer the result presented by cash flows of the sugar, focusing to this production process. This happens when the sugar mills modify/expand the capacity of their boilers to cogenerate electric energy, a fact that provides value to the sugar mill owner, and this has technological options to incorporate this new system. This dissertation indicates the existence of value in these technology options considering the stochastic analysis used.

[pt] A busca por fontes energéticas alternativas tornou-se questão crucial para o desenvolvimento econômico mundial, sendo a biomassa uma alternativa a ser considerada. Neste estudo analisamos o caso de uma indústria de chapas de fibras de madeira, na qual cavacos de madeira podem ser utilizados tanto como matéria prima quanto como combustível para geração de energia térmica. Neste segmento, durante o processo produtivo são gerados grandes volumes de resíduos florestais que podem ser usados como combustível. O objetivo do presente trabalho é determinar a viabilidade econômico-financeira de se instalar um processo de cogeração de energia tendo como combustíveis resíduos florestais e gás natural. Assumimos que os gestores possuem duas alternativas: usar os resíduos e gás na geração de energia, liberando os cavacos para produção de MDF e HDF ou empregar os resíduos florestais, gás natural e cavacos de madeira como combustível, comercializando o excedente de energia no mercado de curto prazo. A avaliação financeira foi baseada na Teoria das Opções Reais considerando a flexibilidade gerencial de selecionar otimamente o destino final dos cavacos de madeira (chapa de madeira ou energia) ao longo do tempo. Uma importante inovação do trabalho consiste na incorporação de fatores de sazonalidade na volatilidade do preço de energia, adaptando o processo estocástico as especificidades do mercado brasileiro. Foi considerada como incerteza o preço da energia (PLD) e adotou-se como base o Modelo Geométrico de Reversão a Média com Saltos de Clewlow, Strickland e Kaminski (2000). Os resultados indicam que a opção de comercializar o excedente de energia não é viável financeiramente e em média não agrega valor ao projeto. / [en] The search for alternative energy sources has become critical issue for the economic development of the world, and biomass is an alternative to be considered. In this study we analyze the case of a producer of wood fiber boards, in which wood chips may be either used as raw material for the wood boards or as fuel to generate energy. In this segment, the production process generates large volumes of forest residues that can be used as fuel. The objective of this study is to determine the economic feasibility of installing a cogeneration energy process fueled with forest residues and natural gas. We assume that managers have two alternatives: use residues and gas for heat energy generation, releasing the wood chips for the production of MDF and HDF, or use forest residues, gas and wood chips as fuel, selling the surplus energy in the short term market. The valuation was based on the Real Options Theory considering the managerial flexibility to select the optimal final destination of the wood chips (fiber board or energy) along time. One of the innovations of this work is the incorporation of seasonal factors in the energy price volatility, adapting the stochastic process to the specificities of the Brazilian market. The main uncertainty, energy price (PLD), was based on the Mean Reversion Model with Jumps of Clewlow, Strickland and Kaminski (2000). The results indicate that the option to sell the surplus power is not financially viable and on average adds no value to the project.

[pt] O presente trabalho teve como objetivo a elaboração de um modelo para simulação dos custos de implantação e operação de um sistema de cogeração operando em paralelo com um sistema de geração de energia elétrica fotovoltaica e com a rede de energia elétrica da concessionária distribuidora com base nos consumos médios horários mensais de energia elétrica e térmica para condicionamento de ar. O modelo contém um pequeno banco de dados com as especificações técnicas dos principais componentes do sistema para seu dimensionamento e para a realização dos cálculos energéticos em função das demandas médias horárias mensais do consumidor com o objetivo de determinar os custos de operação médios horários mensais do sistema e, consequentemente, dos custos de operação médios anuais. Simulou-se o caso hipotético de um shopping center na cidade do Rio de Janeiro com área total construída de 75.000 metros quadrados divididos em 03 andares, estimando sua curva de demanda de energia elétrica e de energia térmica para condicionamento do ar. Os resultados da simulação mostram que o sistema simulado apresenta viabilidade econômica pela economia gerada com a redução dos custos em diversos cenários simulados, fornecendo subsídios técnicos e econômicos para a tomada de decisão do consumidor para a realização do investimento no sistema de cogeração e de energia fotovoltaica em paralelo com a rede de energia elétrica como autoprodutor. / [en] This work aimed at the development of a simulation model of performance and costs of a cogeneration system working in parallel of a photovoltaic generation plant and the energy grid based on average monthly hourly demand profiles of electric energy and cooling energy as chilled water. The model contains a small database with the technical specifications of the major system components for your design and to do the energy calculations based on the average monthly hourly demand profiles in order to determine the hourly average operating costs of the system and the average annual operating costs. A hypothetical case of a shopping mall situated in the city of Rio de Janeiro with 75,000 square meters as total built área was simulated and its average hourly demand profile of electricity and termal energy as chilled water was estimated. The results showed that the savings generated by the reduction of costs of the simulated system is economically feasible for various simulated scenarios.The model results provide grants for technical and economic decision of the consumer to make investment in cogeneration cogeneration system and photovoltaic plants operating in parallel of the energy grid as self producer.