A busca global por sustentabilidade tem se caracterizado por uma tendência em viabilizar a recuperação energética de resíduos. Neste contexto, no setor sucroalcooleiro, um dos principais desafios é aproveitar, adequadamente, os resíduos gerados no processamento da cana-de-açúcar. Nesta tese, estuda-se a produção de eletricidade, a partir do bagaço e biogás da vinhaça, em usinas termelétricas que operam com ciclos combinados híbridos. Um modelo matemático e numérico, desenvolvido na plataforma Excel, é proposto para simular cinco modos de operação de ciclos combinados híbridos e calcular, simultaneamente, indicadores termodinâmicos (energéticos e exergéticos), econômicos e ambientais. Adicionalmente, a aplicabilidade dos sistemas híbridos é demonstrada para usinas alimentadas por resíduos sólidos urbanos e gás natural. O estudo considera dados da literatura e informações adquiridas durante visitas técnicas a diversas usinas no Brasil e no exterior. Uma análise paramétrica mostra a influência de temperaturas e pressões de operação dos componentes da planta em questões econômicas, ambientais e operacionais de cada setor. Os resultados indicam um aumento relativo médio de 10,3 por cento na eficiência elétrica das plantas convencionais sucroalcooleiras, considerando o caráter intermitente e as demandas energéticas do setor. Em relação à média das plantas brasileiras, as emissões de CO2eq evitadas pode ser até 23,7 por cento superior. Para usinas de resíduos sólidos urbanos, integradas a um consumo de gás natural significativamente reduzido, o aumento relativo de eficiência é superior a 26 por cento, resultando em um potencial de abatimento das emissões em torno de 272,0 ktonCO2eq/ano. Taxas de retorno superiores a 27,0 por cento são obtidas para projetos de usinas híbridas de ambos os setores. A pesquisa é inovadora ao apresentar uma aprimorada rota tecnológica para o tratamento de resíduos, permitindo reduzir a sua disposição inadequada. Além disso, os estudos podem contribuir, concomitantemente, para o aproveitamento eficiente do gás natural e da biomassa residual no Brasil, diversificando a matriz energética do país.