Recuperação energética do biogás gerado a partir de água residuária de fecularias de mandioca: uma análise de viabilidade técnico-econômica e ambiental

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dc.contributor.advisorLopes, Deize Dias
dc.contributor.authorTaiatele Junior, Ivan
dc.contributor.bancaAndreani, Cristiane Lurdes
dc.contributor.bancaBezerra, Felipi Luiz de Assunção
dc.contributor.bancaLopes, Gabriela de França
dc.contributor.bancaFuess, Lucas Tadeu
dc.contributor.coadvisorRocha, Lucas Bonfim
dc.coverage.extent150 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2026-09-09T12:54:33Z
dc.date.available2026-09-09T12:54:33Z
dc.date.issued2023-04-28
dc.description.abstractVerifica-se atualmente uma lacuna entre os extensivos estudos relacionados às iniciativas de recuperação do biogás a partir da água residuária de fecularias de mandioca (ARFM) e a sua efetiva implantação no setor da agroindústria. Neste sentido, o presente trabalho objetivou realizar uma análise técnico-econômica e ambiental deste cenário, por meio de modelagem e simulação do processo de digestão anaeróbia da ARFM e de geração de bioenergia em escala industrial, utilizando-se o simulador comercial Aspen Plus®, com base em dados da literatura e informações levantadas junto às fecularias paranaenses. Os questionários revelaram que o setor agroindustrial de fécula de mandioca no Paraná é heterogêneo em relação ao porte, características produtivas e operacionais, com produção de biogás com teor de metano variando entre 53-65% (abaixo da faixa observada nos estudos em escala laboratorial, 66,1-81,0%) e com aplicação exclusiva do biogás na geração de energia térmica em todas as fecularias participantes, indicando que há potencial para otimizar os recursos energéticos. Os principais resultados do modelo proposto para a simulação da digestão anaeróbia (remoção de matéria orgânica = 95,16%; teor de metano = 59,5%mol; rendimento de metano = 0,43 LCH4 gDQOremovida-1; e rendimento de biogás = 0,86 LBIOGÁS gDQOremovida-1) apresentaram-se dentro da faixa observada na literatura. Esses resultados se aproximam mais dos valores obtidos nos estudos em escala piloto e nas simulações em escala industrial, ou mesmo das informações reportadas pelas próprias fecularias, o que aponta para um bom ajuste do modelo proposto em simular a digestão anaeróbia de ARFM e estimar a produção de biogás e metano em escala industrial. As eficiências de conversão de bioenergia e as produtividades de bioenergia por volume de biogás alcançadas para as estratégias de geração de energia térmica (ET = 70,1%; 4,22 kWh m-3BIOGÁS), de geração de eletricidade (EE = 27,7%; 1,67 kWh m-3BIOGÁS) e de cogeração de energias elétrica e térmica (EET = 61,8%; 3,73 kWh m-3BIOGÁS) foram, em geral, menores que os valores reportados na literatura, mas o contrário ocorreu para as produtividades de bioenergia por volume de efluente (ET = 68,73 kWh m-3ARFM; EE = 27,21 kWh m-3ARFM; EET = 60,55 kWh m-3ARFM), as quais superaram a maioria dos resultados para simulações similares usando ARFM ou vinhaça de indústria sucroenergética. No desempenho ambiental, mensurado pelas emissões evitadas de carbono (ET = 1.005,6 kgCO2eq h-1; EE = 539,3 kgCO2eq h-1; EET = 649,6 kgCO2eq h-1), destaca-se a relevância da eletricidade, que contribuiu mais para o acúmulo de créditos de carbono por unidade energética do que a energia térmica. A etapa de aquecimento da ARFM foi responsável por 85,0-98,6% do custo total com utilidades, sendo o gargalo da planta em termos de OPEX. A turbina a gás é o módulo com implantação mais cara (USD 2,32 mi), representando 57,2%-64,5% dos custos de projeto de toda a planta quando das estratégias EE e EET. A estratégia EE gera mais receitas (242,19 USD h-1) que as demais estratégias (EET = 199,98 USD h-1; ET = 86,44 USD h-1) pois a eletricidade é mais rentável que o ar quente e o crédito de carbono. A bioenergia custa menos quando gerada por meio da estratégia ET (USD 61,34 MWh-1), seguida pelas estratégias EET (USD 88,74 MWh-1) e EE (USD 213,12 MWh-1). Dessa forma, foi possível elaborar um modelo robusto, capaz de simular a digestão anaeróbia da ARFM e estimar a produção de biogás de forma conjunta com a geração de bioenergia, com cenário técnica e ambientalmente viável. Entretanto, para alcançar viabilidade econômica (TR < 20 anos) em qualquer das estratégias, seriam necessários acréscimos expressivos nos valores de ar quente (440-480%), eletricidade (110-230%) e crédito de carbono (1520-2500%)
dc.description.abstractother1A gap can be noticed nowadays between the extensive studies related to initiatives of biogas recovery from cassava starch wastewater (CSW) and its effective implementation in the agroindustry sector. In this sense, the present work aimed to realise a techno-economic and environmental assessment of this scenario, by modelling and process simulation of CSW anaerobic digestion and bioenergy generation in full-scale, using the commercial process simulator Aspen Plus®, based on data gathered from literature and information claimed by the cassava starch sector in Parana State (Brazil). The questionnaires revealed a heterogenous cassava starch sector in Parana State in relation to the size, productive and operational characteristics of the plants, producing biogas with methane content varying between 53-65% (below the range observed by studies in laboratorial scale, 66,1-81,0%) and applying biogas exclusively to thermal energy production at all participant cassava starch plants, which demonstrates potential to optimise the energy recovery. The main results from the model proposed for anaerobic digestion simulation (organic matter removal = 95.16%; methane content = 59.5%mol; methane yield = 0.43 LCH4 gCODremoved-1; and biogas yield = 0.86 LBIOGAS gCODremoved-1) performed within the range observed in experimental studies from literature. These results are closer to the values obtained by studies in pilot scale and by simulation studies in full-scale, and still closer to the information claimed by the cassava starch sector, which indicates that the proposed model is well-adjusted for simulating the anaerobic digestion of CSW and for estimating biogas and methane production in full-scale. The bioenergy conversion efficiencies and the bioenergy productivities in terms of biogas volume achieved for the strategies of thermal energy generation (ET = 70.1%; 4.22 kWh m-3BIOGAS), electricity generation (EE = 27.7%; 1.67kWh m-3BIOGAS) and cogeneration of thermal and electrical energy (EET = 61.8%; 3.73kWh m-3BIOGAS) were, in general, lower than the values reported in literature, but the opposite occurred for the bioenergy productivities in terms of effluent volume (ET = 68.73 kWh m-3CSW; EE = 27.21 kWh m-3CSW; EET = 60.55 kWh m-3CSW), that overcame most of the results for similar simulations using CSW or vinasse from sucroenergetic industry. Electricity stood out in the environmental performance analysis, measured by the carbon emissions avoided (ET = 1,005.6 kgCO2eq h-1; EE = 539.3 kgCO2eq h-1; EET = 649.6 kgCO2eq h-1) as it contributed more to the accumulation of carbon credits per energetic unit than thermal energy. The CSW heating process accounted for 85.0-98.6% of the total costs with utilities, being the plant bottleneck in terms of OPEX. The gas turbine was the module with the highest costs of implementation (USD 2.32 mi), representing 57.2%-64.5% of the project costs with the entire plant for strategies EE and EET. The strategy EE enables more revenues (USD 242.19 h-1) than the other strategies (EET = USD 199.98 h-1; ET = USD 86.44 h-1) because electricity is more profitable than hot air and carbon credit. Bioenergy costs less when it is generated by the strategy ET (USD 61.34 MWh-1), followed by strategies EET (USD 88.74 MWh-1) and EE (USD 213.12 MWh-1). Therefore, a robust model was achieved for simulating the anaerobic digestion of CSW and for estimating the biogas production along with the bioenergy generation, resulting in a feasible scenario in terms of technology and environmental aspects. However, substantial increases would be necessary in the values for hot air (440-480%), electricity (110-230%) and carbon credit (1520-2500%) to achieve economic feasibility (payback period < 20 years) at any strategy assessed
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/19921
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Construção Civil
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil
dc.subjectResíduos agroindustriais
dc.subjectDigestão anaeróbia
dc.subjectMetano
dc.subjectBioenergia
dc.subjectModelagem e simulação de processos
dc.subjectAspen plus
dc.subjectFécula de mandioca
dc.subjectBiogás
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.keywordsAgro-industrial residues
dc.subject.keywordsAnaerobic digestion
dc.subject.keywordsMethane
dc.subject.keywordsBioenergy
dc.subject.keywordsModelling and process simulation
dc.subject.keywordsAspen plus
dc.subject.keywordsCassava starch
dc.subject.keywordsBiogas
dc.titleRecuperação energética do biogás gerado a partir de água residuária de fecularias de mandioca: uma análise de viabilidade técnico-econômica e ambiental
dc.title.alternativeBiogas energy recovery from cassava starch wastewater: a techno-economic and environmental assessment
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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