Water use and exergetic analysis in the integrated production of first and second generation ethanol from sugarcane

Orientadores: Silvia Azucena Nebra de Pérez, Joaquim Eugênio Abel SeabraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A produção e o consumo de biocombustíveis têm aumentado rapidamente nos últimos anos, no entanto, esse crescimento tem levantado questões a respeito da sua sustentabilidade. Uma nova configuração da produção de biocombustíveis, chamados de segunda geração, a partir principalmente de resíduos agroindustriais como o bagaço de cana-de-açúcar, se apresenta como uma solução frente àquelas questões, ao aumentar a produção com o mesmo volume de recursos. Não obstante, a sua sustentabilidade no que diz respeito ao uso da água ainda precisa ser comprovada, devido a que o consumo de água na fase industrial é considerado um ponto crítico decorrente do seu aumento durante o processo de hidrólise, ao se desenvolver este em soluções com baixas concentrações de sólidos. Assim, este estudo objetiva a avaliação de alguns aspectos da sustentabilidade da produção integrada de etanol de primeira e segunda geração a partir da cana-de-açúcar para diferentes cenários, comparada ao processo convencional, através do impacto no consumo de água por litro de combustível produzido, e mediante uma análise exergética do processo visando determinar a influência deste processo nos custos exergéticos dos produtos da planta. Foi realizado um inventário dos consumos de água por cada processo durante a produção de etanol, e identificou-se ainda o potencial de reúso dos efluentes visando a redução da captação externa de água. Os resultados revelaram que mesmo com a introdução do novo processo, através de adequadas medidas de reúso como o fechamento de circuitos de água, e o tratamento dos novos efluentes na produção integrada, produzindo inclusive biogás, é possível atingir patamares de captação de água muito próximos aos já existentes no atual setor sucroalcooleiro. Por outro lado, desde a visão da termodinâmica, quando considerados como produtos o etanol anidro e a eletricidade excedente no processo convencional, foi alcançada uma eficiência de segunda lei igual a 28%, enquanto no processo integrado, considerando ademais ao biogás como produto, foram atingidos maiores desempenhos na gestão dos recursos com valores na faixa de 35 a 37% devido ao aumento da produção de etanol e eletricidade excedente. Adicionalmente, foram encontrados aumentos entre 13,5% e 10,2% nos custos exergéticos do etanol anidro durante a produção integrada, decorrente principalmente das maiores irreversibilidades geradas na caldeira com o aumento da produção de vaporAbstract: Production and consumption of biofuels have been growing rapidly in the last few years; however, this rapid growth has raised questions regarding its sustainability. A new configuration of biofuel production, the so called second generation biofuels, mainly produced from agroindustrial residues such as sugarcane bagasse, appears as a solution to those issues, increasing production with the same amount of resources. Nevertheless, its sustainability relative to water use has still to be proven; because of water use in industrial stage is considered critical, due to its increase during the hydrolysis process, which occurs in solutions with low concentrations of solids. Thus, this study aims the assessment of some sustainability topics of the integrated production of first and second generation ethanol from sugarcane compared to the conventional process, through the impact on consumption of water per liter of fuel produced, and by an exergy analysis of the process to determine its influence in the exergetic cost of the main plant's products. It was perfomed an inventory of water consumption by each process during ethanol production and it was even identified the potential of effluents for recycling in order to reduce water withdrawal. Results showed that considering the introduction of the new process, and through appropriate procedures of reuse, such as closing water circuits and treatments of new effluents from integrated production, producing even biogas, it is possible to achieve water withdrawals close enough to those existing in current ethanol plants. Moreover, from the thermodynamic point of view, considering ethanol and surplus electricity as the major products in the conventional process, it was obtained a second law efficiency equal to 28%, while in the integrated process, when considering biogas also as a product, it was reached a greater performance in resources management with values in the range of 35 to 37% owing to the larger ethanol and surplus electricity production. Additionally, increases between 13,5 and 10,2% in the exergetic costs of anhydrous ethanol in the integrated production were found mainly due to irreversibilities generated in the boiler for steam productionMestradoPlanejamento de Sistemas EnergeticosMestre em Planejamento de Sistemas Energético