[en] 4E ANALYSIS OF A BIOREFINERY PRODUCING MICROALGAE BIODIESEL IN SYNERGY WITH THE SUGAR AND ETHANOL INDUSTRY IN BRAZIL

[pt] ANÁLISE 4E DE UMA BIOREFINARIA PRODUZINDO BIODIESEL DE MICROALGAS EM SINERGIA COM A INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA NO BRASIL

[pt] SERGIO LUIZ PINTO CASTINEIRAS FILHO

[pt] ENERGIA

[pt] ECONOMIA

[pt] EXERGIA

[pt] IMPACTO AMBIENTAL

[pt] CANA DE ACUCAR

[en] ENERGY

[en] REGULATION

[en] EXERGY

[en] ENVIRONMENTAL IMPACT ANALYSIS

[en] SUGARCANE

[pt] A cana-de-açúcar contribui para a sustentabilidade da matriz energética do Brasil, fornecendo bioetanol (1G) que descarboniza o setor de transportes e eletricidade. A indústria vem incorporando ainda a digestão anaeróbia de resíduos, a exploração energética da palha, e o uso bagaço para a produção de etanol lignocelulósico (2G). Por outro lado, microalgas são uma forma de biomassa subexplorada a nível industrial, devido a necessidades de dispêndios energéticos para concentrá-las e processá-las em biocombustíveis. Assim, este trabalho simula a integração da produção de etanol 1G2G de cana à de biodiesel de microalgas, através do CO2 biogênico da fermentação e do gás de exaustão da queima do bagaço, biogás e palha. Dentro do objetivo de se realizar a avaliação 4E (energética, exergética, econômica e ambiental) de três configurações de biorefinaria, os processos foram simulados pelo Aspen Hysys v8.8, de modo a caracterizar as escalas de produção e se determinar indicadores da performance global. Os efeitos e relevância estatística de variáveis sobre estas respostas foram avaliados em um planejamento de experimentos, permitindo a elaboração de modelos e identificação das condições relevantes por otimização de superfícies. Como destaque, a integração proposta é capaz de manter a autossuficiência energética do setor, produzindo produtos com baixa intensidade de carbono (15,75 g CO2eq/MJ). No nível arrojado, atingiu-se uma escala de 55 L biodiesel/t cana e de 60,2 MWh/t cana de excedente elétrico. Em uma análise multicritério por desejabilidade global, a biorefinaria maximiza sua performance quando se negligencia a produção de etanol 2G e tem-se microalgas com teor de lipídeos maior que 30 por cento m/m. Por fim, o projeto apresenta taxas internas de retorno maiores que 12 por cento, e probabilidade de sucesso (VPL maior que 0) superiores a 60 por cento, segundo simulações de Monte Carlo. De todo modo, faz necessário P(e)D para vencer barreiras tecnológicas inerentes ao cultivo de microalgas ricas em óleo e com elevadas produtividades, de modo a contribuir com a descarbonização do setor de transporte no Brasil.

[en] Sugarcane contributes to the sustainability of Brazil s energy matrix by providing 1G bioethanol, which helps decarbonize both the transportation and electricity sectors. The industry has also been integrating anaerobic digestion of waste, energy utilization of straw, and the use of bagasse for 2G ethanol production. Conversely, microalgae are an underutilized form of biomass at the industrial level, primarily due to the high energy costs required to concentrate and process them into biofuels. This work simulates the integration of 1G2G ethanol production from sugarcane with biodiesel from microalgae, through biogenic CO₂ from fermentation and exhaust gases from the combustion of bagasse, biogas, and straw. With the objective of performing a 4E evaluation (energy, exergy, economic, and environmental) of three biorefinery configurations, the processes were simulated using Aspen Hysys v8.8 to characterize production scales and determine global performance indicators. The effects and statistical relevance of variables on these responses were evaluated through a design of experiments, enabling the development of models and identification of relevant conditions through surface optimization. Notably, the proposed integration can maintain the sector s energy self-sufficiency, producing products with low carbon intensity (15.75 g CO2eq/MJ). At the bold level, a production scale of 55 L biodiesel/t sugarcane and 60.2 MWh/t sugarcane of electricity surplus was achieved. In a multi-criteria analysis using global desirability, the biorefinery maximizes its performance when 2G ethanol production is disregarded, and the microalgae exhibit a lipid content greater than 30 percent by mass. Finally, the project presents internal rates of return greater than 12 percent, with a probability of success (NPV greater than 0) exceeding 60 percent, according to Monte Carlo simulations. Nonetheless, R(and)D is necessary to overcome technological barriers inherent to cultivating high-oil, high-productivity microalgae so as to further contribute to decarbonizing the transport sector in Brazil.

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

MARCOS SEBASTIAO DE PAULA GOMES

JOSE VIRIATO COELHO VARGAS

CARLOS DE LAMARE BASTIAN PINTO

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

SILVIO DE OLIVEIRA JUNIOR

WALDYR LUIZ RIBEIRO GALLO

2025-02-17

2024-09-13

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PORTUGUÊS

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.69408