Thermo-economic-environmental analysis and optimization applied to the combined production of sugar, ethanol and electricity.

O presente trabalho objetiva a obtenção de configurações ótimas para geração conjunta de energia eletromecânica e calor em usinas sucroalcooleiras, avaliando o impacto destas nos custos de produção de açúcar, álcool e eletricidade. Desta maneira, uma proposta para a avaliação do uso racional da energia em usinas é desenvolvida, utilizando as análises exergética e termoeconômica como ferramentas de avaliação das alternativas propostas sob o ponto de vista da termodinâmica, da análise econômico-financeira e da perspectiva ambiental. Após a apresentação dos principais processos de conversão de energia de uma usina sucroalcooleira, uma análise exergética é desenvolvida a fim de identificar os principais mecanismos de geração de entropia e propor alternativas para melhorar o desempenho termoeconômico- ambiental da usina. O sistema de cogeração é identificado como o principal destruidor de exergia e diversas configurações são propostas para esse sistema, incluindo outras modificações relacionadas aos processos de produção de açúcar e álcool. As propostas incluem a elevação dos parâmetros de geração de vapor nas caldeiras, maior integração térmica dos processos, eletrificação dos acionamentos mecânicos e uso de sistemas avançados de cogeração, considerando sistemas com vapor supercrítico e ciclos combinados com gaseificação de biomassa. Para avaliar o impacto dessas alterações no desempenho termodinâmico da usina, propõe-se o uso do custo em base exergética dos produtos da usina. Mostra-se que o aumento da geração de eletricidade excedente está diretamente relacionado ao melhor desempenho dos processos de produção de açúcar e álcool. Os sistemas avançados de cogeração são capazes de gerar muito mais eletricidade excedente quando comparados aos sistemas convencionais. Essa situação implica um aumento da rentabilidade da eletricidade frente aos demais produtos, mostrando a importância desse produto para o lucro da usina. As análises de viabilidade econômico-financeiras indicaram que para os sistemas convencionais o par 67 bar e 480°C apresenta o melhor benefício financeiro atualmente; ainda a eletrificação das moendas só se justifica em casos de ampliação da capacidade de moagem ou substituição das turbinas por esgotamento da vida útil. O sistema supercrítico é mais atrativo economicamente frente aos ciclos combinados com gaseificação atmosférica. Finalmente, é proposta uma discussão sobre a renovabilidade dos processos baseada em um índice exergético de renovabilidade, trazendo uma nova visão sobre a renovabilidade das usinas como produtoras de fontes de energia renovável.This thesis aims at obtaining optimal configurations of cogeneration systems for sugarcane mills, analyzing its impacts on the production of sugar, ethanol and electricity. In this sense, it is proposed the assessment of the rational use of energy inside the mill, using exergy and thermoeconomic analysis as evaluation tools of each alternative based on different criteria: thermodynamics, economics and finance, and environmental impacts. After a brief discussion regarding the different energy conversion processes used in sugarcane mill, an exergy analysis is developed in order to identify the main sources of irreversibilities, and also to propose alternatives to improve the thermo-economic-environmental performance of the mill. The cogeneration system is shown to be the process which generates more entropy among all; hence different configurations are developed, including changes in the sugar and ethanol production processes. These modifications include: higher steam temperature and pressure in the boiler, better thermal integration among the processes, electrification of the milling system, and the use of more advanced cogeneration systems, considering supercritical steam systems and biomass integrated gasification combined cycles. For the evaluation the impact of these configurations on the thermodynamic performance of the mill, it is used the exergybased cost. It is shown that the higher the generation of excess electricity is, the better is the thermodynamic performance of the mill. Advanced cogeneration systems are able to generate much more electricity than conventional ones. This means a better profitability of those, increasing the importance of electricity for the profit of the mill. Economical feasibility analyses show that the best option for power generation in conventional cogeneration systems is with steam temperature of 480°C and pressure of 67 bar, while electrification of mills are only interesting if there is a need of replacement the turbines due to increasing capacities or end of lifetime. Supercritical steam system is more economic attractive than combined cycles based on atmospheric gasification. Finally, a discussion on the renewability of processes is made based on an exergy index of renewability