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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2014.tde-18032015-154610
Documento
Autor
Nome completo
João Paulo Macedo Guerra
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Kulay, Luiz Alexandre (Presidente)
Cavalett, Otávio
Ravagnani, Mauro Antonio da Silva Sá
Título em português
Avaliação de desempenho termodinâmico e ambiental de cenários de cogeração elétrica em usinas autônomas.
Palavras-chave em português
Análise energética
Análise exergética
Avaliação do Ciclo de Vida (ACV)
Ciclo Rankine
Cogeração via cana-de-açúcar
Resumo em português
A descentralização do setor de eletricidade brasileiro associado à premente necessidade de aumento da oferta de energia elétrica tem fomentado a busca por fontes alternativas para produção de energia elétrica. Este fato motiva empresas do setor sucroalcooleiro a produzir eletricidade a partir da queima do bagaço de canade- açúcar em sistemas de cogeração, elevando dessa forma a capacidade de geração de energia elétrica exatamente no período de menor oferta hídrica. A geração de eletricidade a partir da biomassa canavieira revela-se uma opção interessante, pois além de ser produzida de forma distribuída e próxima aos centros consumidores, tem criado oportunidades a destilarias e usinas de açúcar para aumentarem seus portfólios de produtos. Nesse aspecto, o presente estudo se propõe a apresentar e discutir possibilidades de cogeração de energia elétrica em usinas autônomas (destilarias) em diferentes condições de processo e operação. Para atender a estes propósitos, foram definidos cenários de cogeração e desenvolvidos modelos para simulação e análise da produção de energia térmica e elétrica bem como estimar os impactos ambientais associados, considerando um sistema de cogeração que opera através do ciclo Rankine, que é o sistema mais utilizado pelas usinas brasileiras. Os cenários foram analisados a partir das técnicas de Análise Exergética (Análise Termodinâmica de Primeira e Segunda Lei) e Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). Adotou-se para o caso da avaliação ambiental um enfoque do berço ao portão da fábrica, conforme diretrizes metodológicas descritas nas normas ISO 14040 e 14044. A unidade funcional adotada foi gerar 1,0 MWh de eletricidade excedente em sistema de cogeração energética. O sistema de produto compreende as cargas ambientais da etapa industrial e da produção agrícola da cana-de-açúcar. Especialistas no setor e pesquisadores da área sugerem concentrar esforços de melhoria de desempenho termodinâmico na elevação das propriedades de estado do vapor na saída da caldeira de 20 bar até 100 bar, e simulação de sistemas de cogeração com reaquecimento e regeneração, que são melhorias técnicas próprias de centrais termelétricas, mas com potencial de aproveitamento pelo setor sucroalcooleiro. Os cenários foram projetados com base em diferentes combinações dessas condições considerando duas possibilidades de utilização da biomassa como fonte de energia térmica: exclusivamente bagaço de cana-de-açúcar; e uma composição de bagaço e palha. A comparação dos desempenhos termodinâmicos e ambientais dos cenários ocorreu principalmente em termos da geração específica de eletricidade, da eficiência exergética, do perfil destruição de exergia ao longo do ciclo e dos perfis de impactos ambientais potenciais. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética é aumenta com a elevação das funções de estado do vapor superaquecido na alimentação da turbina, e ao aumento do grau de complexidade do ciclo Rankine, conseguido à medida que arranjos com reaquecimento e regeneração são integrados ao ciclo. Esses arranjos mostraram-se efetivos na melhoria dos desempenhos exergético e ambiental dos sistemas de cogeração a partir da queima do bagaço e da palha da cana-de-açúcar. Em termos de desempenho ambiental, observou-se a redução sistêmica de efeitos negativos associada ao aumento da eficiência do ciclo termodinâmico. Os resultados da ACV ratificaram também, que a melhoria da eficiência exergética do sistema é seguida de redução de impactos ambientais. Os melhores resultados ambientais, tanto em termos relativos, como absolutos, foram obtidos aproveitando a palha como fonte de energia térmica na caldeira, na condição de geração de vapor a 100 bar e 511 oC, com ciclo Rankine que utiliza reaquecimento e regeneração simultaneamente, numa proposta chamada de ciclo Resultante, cuja redução de impactos ambientais ocorreu entre 5,3% e 15,6% nas categorias analisadas.
Título em inglês
Thermodynamic and environmental performance evaluation of electrical cogeneration scenarios of autonomous distilleries.
Palavras-chave em inglês
Cogeneration
Energetic analysis
Exergetic analysis
Life Cycle Assessment (LCA)
Rankine cycle
Sugarcane industry
Resumo em inglês
The decentralization of the Brazilian electricity sector in association with the internal electricity supply crisis has encouraged companies in the sugarcane industry to produce electricity by burning sugarcane bagasse in cogeneration plants. This approach reduces the environmental impact of the sugarcane production and has opened up opportunities for distilleries and annex plants to increase their product portfolios. Potential scenarios for technically and environmentally improving the cogeneration performance were analyzed by using Thermodynamic analysis and Life Cycle Assessment (LCA). The method used in this study aimed to provide an understanding and a model of the electrical and thermal energy production and the environmental impacts of conventional vapor power systems which operate with Rankine cycle that are commonly used by Brazilian distilleries. Vapor power system experts have suggested focusing on the following technical improvement areas: increasing the properties of the steam from 20 to 100 bar, regeneration and reheating. The case scenarios were projected based on different Rankine cycle configurations and two possibilities of biomass utilization: only sugarcane bagasse or sugarcane bagasse with straw. The LCA was carried out according to ISO 14040 and 14044 regulations, with focus from cradle to gate. A Functional unit of: "To delivery 1.0 MWh of electricity to the power grid using cogeneration system" was defined. The product system covers the environmental burdens of the industrial stage and the agricultural production of sugarcane. Thermodynamic evaluation indicated that the energy efficiency and the potential net power exported to the grid increase as the pressure at which the vapor leaves the boiler increases. From the LCA, it was noted that the improved energy performance of the system is accompanied by reduced environmental impacts for all evaluated categories. In addition, vapor production at 100 bar and 511 °C resulted in greater environmental gains, both in absolute and relative terms. Reheating and regeneration concepts were found to be considerably effective in improving the energy and environmental performance of cogeneration systems by burning sugarcane bagasse and straw. For the evaluated categories, the results indicated that the proposed modifications are favorable for increasing the efficiency of the thermodynamic cycle and for decreasing the environmental impacts of the product system. The best results were obtained using bagasse and straw in the boiler furnace and using reheat-regenerative Rankine cycle. In this case it was noted a reduction between 5.3% and 15.6% over all impact categories analysed.
 
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Data de Publicação
2015-03-20
 
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  • GUERRA, JOÃO PAULO MACEDO, et al. Comparative analysis of electricity cogeneration scenarios in sugarcane production by LCA [doi:10.1007/s11367-014-0702-9]. The International Journal of Life Cycle Assessment [online], 2014, vol. 19, p. 814-825.
  • GUERRA, J. P. M., et al. Proposal for technical and environmental performance improvement actions at an electricity cogeneration plant within the sugar/alcohol sector. In V CILCA - Conferencia Internacional de Análisis de Ciclo de Vida en Latinoamérica 2013, Mendoza, 2013. Proceedings of the Vth International Conference on Life Cycle Assessment, CILCA2013.Mendoza : Facultad Regional Mendoza - Universidad Tecnológica Nacional, 2013. Available from: http://www.cilca2013.org/.
  • GUERRA, J. P. M., and KULAY, L. Associating The Thermodynamic approach with LCA for Sustainable Production of Electricity In Cogeneration Systems using Sugarcane Bagasse. In 3rd International Exergy, Life Cycle Assessment, and Sustainability Workshop & Symposium (ELCAS3), Nisyros - Grécia, 2013. Proceedings of 3rd International Exergy, Life Cycle Assessment, and Sustainability Workshop & Symposium (ELCAS3).Athens - Grécia : Publishing of National Technical University of Athens, 2013. Available from: http://www.elcasnet.com/.
  • Best Paper Award - 2nd Place - V Conferencia Internacional de Analisis de Ciclo de Vida en Latinoamerica - Facultad Regional Mendoza - Universidad Tecnológica Nacional
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