Multiobjective optimisation of a Brazilian BECCS using exergy

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Rodrigues, Luis Adolfo Mazini
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/105/105131/tde-04042025-114151/
Resumo: One of the essential strategies to maintain a safe global temperature anomaly under 1.5 °C is using Negative Emission Technologies (NETs). Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) is a NET that captures CO2 emitted by an industrial bioenergy plant and stores it in geological reservoirs. The issue is that the energy consumption to capture carbon dioxide could make this technology unfeasible. This thesis investigates the exergetic impact of integrating an oxy-combustion Carbon Capture and Storage (CCS) system into a Brazilian sugarcane biorefinery, encompassing first- and second-generation ethanol production, anaerobic digestion, and biogas cleaning. A multiobjective optimisation approach incorporating exergy analysis was employed to evaluate the system\'s performance and carbon sequestration potential across various industrial and uncontrollable parameters. Results indicate that while CCS can significantly capture CO2 emissions from the industry, its integration imposes a substantial exergy penalty, primarily driven by the air separation and CO2 compression subsystems. The study highlights the trade-offs between electricity self-sufficiency and CO2 capture efficiency, revealing that only a small fraction of optimal configurations achieved net electricity export. Furthermore, directing lignocellulosic materials such as bagasse and straw towards combustion rather than 2G ethanol production could enhance the overall system optimally. These findings underscore the need for technological advancements and strategic management to mitigate the exergetic costs associated with CCS implementation in the Brazilian sugarcane industry, supporting the country\'s carbon reduction targets and contributing to the global effort to limit climate change.
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spelling Multiobjective optimisation of a Brazilian BECCS using exergyOtimização multiobjetivo de uma BECCS brasileira usando exergiaBECCSBECCSBiorrefinaria da cana-de-açúcarExergiaExergyMonte CarloMonte CarloMultiobjective optimisationOtimização multiobjetivosSugarcane biorefineryOne of the essential strategies to maintain a safe global temperature anomaly under 1.5 °C is using Negative Emission Technologies (NETs). Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) is a NET that captures CO2 emitted by an industrial bioenergy plant and stores it in geological reservoirs. The issue is that the energy consumption to capture carbon dioxide could make this technology unfeasible. This thesis investigates the exergetic impact of integrating an oxy-combustion Carbon Capture and Storage (CCS) system into a Brazilian sugarcane biorefinery, encompassing first- and second-generation ethanol production, anaerobic digestion, and biogas cleaning. A multiobjective optimisation approach incorporating exergy analysis was employed to evaluate the system\'s performance and carbon sequestration potential across various industrial and uncontrollable parameters. Results indicate that while CCS can significantly capture CO2 emissions from the industry, its integration imposes a substantial exergy penalty, primarily driven by the air separation and CO2 compression subsystems. The study highlights the trade-offs between electricity self-sufficiency and CO2 capture efficiency, revealing that only a small fraction of optimal configurations achieved net electricity export. Furthermore, directing lignocellulosic materials such as bagasse and straw towards combustion rather than 2G ethanol production could enhance the overall system optimally. These findings underscore the need for technological advancements and strategic management to mitigate the exergetic costs associated with CCS implementation in the Brazilian sugarcane industry, supporting the country\'s carbon reduction targets and contributing to the global effort to limit climate change.Uma das estratégias mais importantes para manter o aumento anômalo de temperatura global segura abaixo de 1,5 °C é o uso de Tecnologias de Emissão Negativa (Negative Emission Technologies - NETs). A Bioenergia com Captura e Armazenamento de Carbono (Bioenergy with Carbon Capture and Storage - BECCS) é uma NET que captura CO2 emitido por uma planta industrial de bioenergia e o armazena em reservatórios geológicos. O problema é que o consumo de energia para CO2 pode tornar essa tecnologia inviável. Esta tese investiga o impacto exergético da integração de um sistema de Captura e Armazenamento de Carbono (Carbon Capture and Storage - CCS) por oxicombustão em uma biorrefinaria brasileira de cana-de-açúcar, abrangendo a produção de etanol de primeira e segunda geração, digestão anaeróbica e limpeza de biogás. Uma abordagem de otimização multiobjetivo incorporando análise exergética foi empregada para avaliar o desempenho do sistema e o potencial de sequestro de carbono em diferentes parâmetros industriais e parâmetros não controláveis. Os resultados indicam que, embora o CCS possa capturar significativamente as emissões de CO2 da indústria, sua integração impõe uma penalidade exergética substancial, principalmente impulsionada pelos subsistemas de separação de ar e compressão de CO2. O estudo destaca as compensações entre a autossuficiência em eletricidade e a eficiência de captura de CO2, revelando que apenas uma pequena fração das configurações ideais exportou eletricidade para a rede. Além disso, direcionar materiais lignocelulósicos, como bagaço e palha, para a combustão em vez da produção de etanol 2G pode melhorar a otimização geral do sistema. Essas descobertas ressaltam a necessidade de avanços tecnológicos e gestão estratégica para mitigar os custos exergéticos associados à implementação do CCS na indústria brasileira de cana-de-açúcar, apoiando as metas de redução de carbono do país e contribuindo para o esforço global de limitar as mudanças climáticas.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPSeleghim Junior, PauloRodrigues, Luis Adolfo Mazini2024-12-02info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/105/105131/tde-04042025-114151/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-04-07T20:25:13Zoai:teses.usp.br:tde-04042025-114151Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-04-07T20:25:13Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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