Produção de energia por mini e micro hidrelétricas na rede de distribuição de água.

A geração de energia hidrelétrica enfrenta uma crescente restrição a sua expansão, diretamente relacionada a fatores ambientais e da limitação de terrenos com potencial economicamente aproveitável. A partir deste fato, é relacionada uma possível fonte de energia hidrelétrica, resultante do aproveitamento dos potenciais presentes na rede de distribuição de água das cidades, ainda sem nenhum aproveitamento. O desenvolvimento desta fonte de energia se dá com a instalação de mini e micro centrais hidrelétricas nos condutos da rede distribuidora de água. Este trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de aproveitamento hidrelétrico por mini e micro hidrelétricas por meio de técnicas de modelagem e de otimização, para agilizar e facilitar o procedimento de identificação dos potenciais e a instalação na rede de abastecimento. O trabalho leva em conta as diversas peculiaridades das redes de distribuição de água e dos equipamentos eletro-hidráulicos, discorrendo sobre a possível complementariedade da geração de energia durante os picos de consumo. Discorre também sobre a contribuição para a rede de distribuição elétrica, na logística e nos custos de implantação além de discutir a tipologia das turbinas capazes de aproveitar o potencial energético. É avaliado, com o auxilio de modelos hidráulicos e de otimização, o posicionamento das centrais geradoras na rede e os possíveis benefícios, restrições e impedimentos ao seu uso, desenvolvendo uma metodologia para facilitar a tomada de decisão quanto ao aproveitamento para geração, ou não, em redes diversas. A construção deste procedimento e ferramenta são desenvolvidos a partir do estudo de caso do sistema distribuidor de água do Município de Piquete no estado de São Paulo, Brasil.

Desempenho econômico de um sistema de produção de biomassa da cana energia

O uso da biomassa como fonte de energia elétrica corresponde a uma alternativa de grande importância para o planejamento estratégico do crescimento econômico de diversos países. A vasta extensão territorial e o clima favorável ao desenvolvimento da agricultura no Brasil trazem como vantagem o poder de planejar sua matriz energética utilizando variadas fontes primárias renováveis. A cana-de-açúcar destaca-se pela rusticidade e grande produtividade. O bagaço como um subproduto resultante do processamento da cana é utilizado como fonte para a cogeração de energia e pode contribuir significativamente para a descentralização das fontes de energia nacional. Com o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração, a busca pela maior produção de biomassa ganha relevância. Os programas de melhoramento identificaram que se caso com redução de 25 a 35% da sacarose na cana, a planta teria um potencial de aumento de mais de 100% da biomassa. Os híbridos derivados de programas de melhoramento da espécie Saccharum spp., direcionados exclusivamente para a produção de biomassa, foram denominados de cana energia. Tendo em vista o potencial de produtividade da cultura e consequentemente de geração de energia, torna-se necessário conhecer se esse potencial se traduz em resultado econômico. Com esse enfoque, o objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade econômica da produção de biomassa da cana energia. Para tanto foi desenvolvido um modelo em planilha eletrônica e o modelo foi empregado na simulação de cenários e alternativas. A planilha integra modelos de balanço hídrico, produtividade da cultura e distribuição de chuvas, e suas relações com aspectos econômicos e produtivos. O preço de venda da biomassa, a produtividade da cultura e a distância de transporte se mostraram como os itens que mais influem sobre os indicadores de viabilidade econômica. Diferentemente da eficiência gerencial, a eficiência de campo corresponde a um fator de grande importância a ser considerado para reduzir o custo de produção. A análise da área de colheita como uma variável crítica indicou que existem módulos ideais para a utilização de máquinas agrícolas, reduzindo o seu custo operacional devido ao uso melhor atribuído das máquinas na propriedade. A análise da textura do solo como variável crítica mostrou que o cultivo da planta em diferentes tipos de solos reflete em diferentes custos operacionais, produtividade potencial e no montante de investimento. O ano de reforma corresponde a um fator crítico para a viabilização da atividade. Para o cenário base, o indicador de atratividade financeira apresenta um Valor Presente Líquido de 6,4 milhões de reais e uma Taxa Interna de Retorno de 15,2%, com um horizonte de 20 anos de produção. As análises de sensibilidade mostram que as variáveis que mais impactam nos indicadores de viabilidade econômica financeira são o preço de venda da biomassa e a produtividade média da lavoura.

Clonagem molecular, expressão, purificação e caracterização estrutural da endoglucanase de Trichoderma harzianum visando o desenvolvimento de coquetéis enzimáticos para a produção de etanol lignocelulósico

O aumento na demanda mundial por energia, a perspectiva de encolhimento dos recursos energéticos e a preocupação global com a questão ambiental, despertaram o interesse por fontes alternativas de energia. A biomassa lignocelulósica é abundante e de baixo custo, com potencial para complementar a produção em larga escala de combustíveis. A degradação das moléculas constituintes da parede celular à açúcares fermentescíveis e então à etanol, ocorre através da hidrólise enzimática da biomassa. Contudo, a utilização de enzimas para esse fim encontra-se em estágio exploratório e representa um gargalo na implementação de tecnologias de etanol 2G em escala industrial, desencadeando a busca de celulases bioquimicamente mais ativas, estáveis e economicamente viáveis. O presente trabalho visou a caracterização da endoglucanase I do fungo Trichoderma harzianum, e para isso foi realizada expressão, ensaios bioquímicos e biofísicos do domínio catalítico (ThCel7B-CCD) e da proteína inteira (ThCel7B-full). A enzima exibiu um perfil acidofílico, com atividade ótima em pH 3,0 a 55°C. A proteína também se mostrou capaz de hidrolisar uma variedade de substratos, sendo a maior atividade hidrolítica em β-glucano (75 U mg-1). Ao analisar a estabilidade térmica medida a 55°C em pH 5, a atividade residual manteve-se intacta por mais de 2 meses. Outra característica relevante foi o elevado grau de sinergismo entre ThCel7B e ThCel7A. Análises de microscopia eletrônica de flocos de aveia submetidas à hidrólise com ThCel7B evidenciaram os efeitos de degradação do substrato em relação às amostras controle. O conjunto desses resultados, além de importante para a compreensão do mecanismo molecular de ThCel7B e de outras endoglucanases da família GH7, também revelou uma enzima de interesse biotecnológicos uma vez que o comportamento ácido e sua estabilidade térmica são características relevantes para aplicações industriais sob condições extremamente ácidas.

Planejamento de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando questões de confiabilidade e risco

O problema de Planejamento da Expansão de Sistemas de Distribuição (PESD) visa determinar diretrizes para a expansão da rede considerando a crescente demanda dos consumidores. Nesse contexto, as empresas distribuidoras de energia elétrica têm o papel de propor ações no sistema de distribuição com o intuito de adequar o fornecimento da energia aos padrões exigidos pelos órgãos reguladores. Tradicionalmente considera-se apenas a minimização do custo global de investimento de planos de expansão, negligenciando-se questões de confiabilidade e robustez do sistema. Como consequência, os planos de expansão obtidos levam o sistema de distribuição a configurações que são vulneráveis a elevados cortes de carga na ocorrência de contingências na rede. Este trabalho busca a elaboração de uma metodologia para inserir questões de confiabilidade e risco ao problema PESD tradicional, com o intuito de escolher planos de expansão que maximizem a robustez da rede e, consequentemente, atenuar os danos causados pelas contingências no sistema. Formulou-se um modelo multiobjetivo do problema PESD em que se minimizam dois objetivos: o custo global (que incorpora custo de investimento, custo de manutenção, custo de operação e custo de produção de energia) e o risco de implantação de planos de expansão. Para ambos os objetivos, são formulados modelos lineares inteiros mistos que são resolvidos utilizando o solver CPLEX através do software GAMS. Para administrar a busca por soluções ótimas, optou-se por programar em linguagem C++ dois Algoritmos Evolutivos: Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-2 (NSGA2) e Strength Pareto Evolutionary Algorithm-2 (SPEA2). Esses algoritmos mostraram-se eficazes nessa busca, o que foi constatado através de simulações do planejamento da expansão de dois sistemas testes adaptados da literatura. O conjunto de soluções encontradas nas simulações contém planos de expansão com diferentes níveis de custo global e de risco de implantação, destacando a diversidade das soluções propostas. Algumas dessas topologias são ilustradas para se evidenciar suas diferenças.

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.

Avaliação do desempenho ambiental de alternativas de reaproveitamento de vinhaça decorrente da produção de etanol.

A obtenção de etanol a partir de rotas alcoolquímicas consagradas gera resíduos com potencial de aproveitamento, tanto em outros setores produtivos como no ciclo produtivo do próprio combustível. Este é o caso de torta de filtro e vinhaça. A vinhaça em particular costuma ser devolvida ao campo com o intuito de ajustar teores nutricionais do solo no cultivo da cana. No entanto, estudos ambientais destacam que esta alternativa traz efeitos negativos sobre os meios receptores (água e solo), condição que abre a perspectiva para exploração de usos alternativos dessas substâncias. Este estudo se propôs a contribuir para o tema ao avaliar de forma sistêmica o desempenho ambiental de duas alternativas de reaproveitamento de vinhaça: (i) reuso no campo em processos de fertirrigação, alternativa consolidada no Brasil, e (ii) reuso da fração líquida da vinhaça em etapas diversas do processo industrial de obtenção de etanol. Em qualquer das situações fez-se uso da técnica de Avaliação de Ciclo de Vida - ACV para proceder tal verificação. A análise ambiental da prática de reuso de vinhaça e torta para fertirrigação foi conduzida a partir da comparação de cenários que consideraram a forma de suprimento de nutrientes para a cana e o método de colheita. A avaliação de impactos ocorreu em dois níveis: quanto ao consumo de recursos, a partir de Primary Energy Demand (PED); e em termos de emissões para o ambiente por meio da elaboração do Perfil Ambiental. Uma Análise de Sensibilidade foi também realizada para verificar o efeito de oscilações dos teores de Nitrogênio (N), Fósforo (P) e Potássio (K) na composição da vinhaça sobre os resultados obtidos, caso da primeira alternativa. Concluiu-se para esse caso que a substituição parcial de fertilizantes químicos por vinhaça traz aumento da Demanda de Energia Primária global para ambos os métodos de colheita. Em termos de Perfil Ambiental, a comparação entre cenários das mesmas práticas de manejo mostrou que a troca de adubos por vinhaça e torta é positiva para o desempenho ambiental do etanol por reduzir impactos quanto a Mudanças Climáticas (CC), Acidificação Terrestre (TA) e Toxicidade Humana (HT). Por outro lado, o tratamento de vinhaça para reposição de água na etapa industrial resultou em aumento global das contribuições para as categorias acima mencionadas além de incrementos para Eutrofização de água doce (FEut) e Ecotoxicidade de água doce (FEC), a despeito de ser constatada a redução de 45% quanto a Depleção de água (WD). Os aumentos no impacto se deveram principalmente aos efeitos negativos causados durante a produção do CaO usado no processo de tratamento da vinhaça. No entanto, a substituição deste insumo por NaOH só representou melhora em termos de CC. Pode-se concluir que a reutilização de vinhaça e de torta de filtro como complemento nutricional para o cultivo de cana-de-açúcar resultou em uma alternativa mais adequada de reaproveitamento do que o se este fluído fosse reutilizado para suprir parte da demanda hídrica de processo, mesmo quando o consumo de água na etapa industrial tenha inexoravelmente se reduzido a partir da implantação dessa medida.

Efeito da adição de fibras de cana-de-açúcar pré-tratadas na produção de metano advinda da biodigestão anaeróbia de gorduras do leite

A digestão anaeróbia é uma alternativa para o tratamento de resíduos com altas concentrações de matéria orgânica. Por meio dos processos anaeróbios é possível a produção de biogás, fonte de energia renovável e ambientalmente amigável. Elevadas concentrações de lipídios, todavia, apesar de representarem elevado potencial metanogênico, interferem negativamente nos sistemas de tratamento, podendo inibir a atividade microbiana e, consequentemente, a produção de metano. O presente projeto avaliou o efeito da adição de bagaço de cana-de-açúcar no processo de biodigestão anaeróbia de elevadas concentrações de gorduras advindas de efluentes de laticínio. Para tanto foi utilizado bagaço de cana-de-açúcar in natura e pré-tratadas pelos seguintes métodos: organossolve, hidrotérmico, explosão à vapor e ácido diluído. O uso desse material lignocelulósico teve o objetivo de controlar a inibição causada pelos produtos da hidrólise dos lipídios por meio de sua adsorção e, consequentemente, diminuição das concentrações de tais compostos no meio. Outra hipótese era que o bagaço de cana-de-açúcar pudessem agir como co-substrato no processo de biodigestão anaeróbia. Inicialmente realizaram-se ensaios de biodegradabilidade anaeróbia com concentrações crescentes de gordura, que resultaram em relação entre substrato e microrganismo 0,06, 0,1, 0,2, 0,4 e 0,6 g DQO/gSTV. O ensaio com concentração em que foi verificada a inibição severa (0,4 gDQO/gSTV) do processo foi repetido com adição das fibras tratadas e não tratadas. Aos dados de produção acumulada de metano ajustou-se modelo de Gompertz, e parâmetros cinéticos foram inferidos. O bagaço de cana-de-açúcar mostrou potencial como adsorvente de gordura, pois as produções metanogênicas foram superiores à condição inibida sem adição desse material. A adição de fibras pré-tratadas por método organossolve resultou nas maiores produções de metano.

Concepção de um receptor de cavidade para concentração de energia solar para aplicação em reatores químicos.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos.

Risco de mercado na comercialização de energia elétrica: uma análise estruturada com foco no ambiente de contratação livre - ACL.

A motivação para o desenvolvimento desse trabalho surge em um momento em que se verifica uma participação cada vez mais significativa das fontes energéticas renováveis não convencionais no País. Não obstante, o cenário de evolução evidencia que o arcabouço regulatório e as regras de mercado não acompanharam as especificidades inerentes à exploração dessas fontes. Assim, para que se mantenha adequado ritmo de inserção na matriz energética, devem ser buscadas opções para que fontes alternativas sejam cada vez mais competitivas na atual configuração do mercado energético. A contribuição dessa pesquisa, portanto, centra-se na análise dos riscos de mercado incorridos por esses geradores de fontes intermitentes de energia ao comercializarem energia no ambiente de contratação livre. Nessa perspectiva, a Dissertação foi desenvolvida abordando tipos de geração de energia e suas características técnicas e econômicas, legislação do setor elétrico, regras de comercialização, balanço energético do sistema, formação de preços no mercado de curto prazo e precificação de contratos no ACL, diferença de preços entre submercados, requisitos de flexibilidade e sazonalidade nos contratos de venda a consumidores livres e seu impacto na precificação de contratos, identificação de comportamento energético complementar para mitigação de riscos de mercado entre fontes renováveis e rebatimento na formulação de mecanismo de hedge, análise de portfólio de contratos e estratégia ótima de contratação de energia para agentes geradores atuando no ACL. Como resposta ao desafio de equacionar o impasse surgido na comercialização de fontes de produção sazonal, propõe-se um modelo para definir estratégias de contratação para agentes geradores e comercializadores a partir da complementação energética entre diferentes tipos de fontes, de forma a maximizar os ganhos de comercialização para um risco estabelecido. Busca-se a composição ideal dessas fontes na carteira de um comercializador para minimizar o risco de exposição à volatilidade dos preços do mercado de curto prazo. Isso é possível em virtude das compensações energéticas feitas entre as diferentes fontes em um portfólio combinado, mitigando a receita em risco decorrente das variações que existem nos preços de curto prazo e na produção energética. De forma complementar, estruturou-se um modelo de negócio no qual uma empresa detentora de ativos de geração hidrelétrica compra os direitos de produção de uma eólica e/ou biomassa para incorporar ao seu portfólio e vender como contrato por quantidade. Determinou-se o volume de energia a ser comprado de cada fonte, o preço, a estratégia mais indicada de contratação e a mitigação de fatores de risco contemplados nos contratos de venda, buscando maximizar os ganhos de comercialização condicionada a critérios de risco pré-fixados.