Modelagem Matemática de Biodigestores

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Modelagem de biodigestores de dejetos animais: da digestão anaeróbia à análise de viabilidade econômica de sistemas de lagoa coberta

Luana Obregon

Dissertação de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e Computacional (PPGMMC)

GRUPO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E CONTROLE

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Luana Obregon

Modelagem de biodigestores de dejetos animais: da digestão anaeróbia à análise de viabilidade econômica de sistemas de lagoa coberta

Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Modelagem Matemática e Computacional – PPGMMC, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestra em Modelagem Matemática e Computacional. VERSÃO REVISADA

Linha   de   Pesquisa:   Modelagem   Matemática e Computacional, Otimização e Controle de Sistemas

Orientador: Prof. Dr. João Manoel Lenz Coorientador: Prof. Dr. Maurício de Campos

UNIJUÍ – CAMPUS IJUÍ

Maio de 2022

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Luana Obregon

Modeling of animal manure digesters: from anaerobic digestion to economic feasibility analysis of covered lagoon systems

Master dissertation submitted to the Postgraduate Program in Mathematical and Computational Modeling – PPGMMC, in partial fulfillment of the requirements for the degree of the Master Program in Mathematical and Computational Modeling. FINAL VERSION

Research line: Mathematical and Computational Modeling, Optimization and Control of Systems

Advisor: Prof. Dr. João Manoel Lenz

Co-advisor: Prof. Dr. Maurício de Campos

UNIJUÍ – CAMPUS IJUÍ May 2022

Este trabalho é dedicado à minha mãe, Zandra Elisa Obregon, ao meu marido, Rafael Otoni Gütler Carvalho, ao nosso filho, Otto,

e à todas as mulheres que fazem ciência.

         AGRADECIMENTOS

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Agradeço a Deus, por estar sempre guiando meus passos e me abençoando.

Ao meu marido, com quem reparto os louros e os pesos da vida, que me incentiva a ser a mulher que eu quiser ser.

À minha mãe, por possibilitar o meu acesso à melhor educação e por me ensinar a valorizar a ciência desde criança.

Aos professores de toda a minha caminhada, em especial ao professor Dr. Maurício de Campos, responsável pelo meu encanto com a Engenharia Elétrica e por fornecer o apoio e segurança que eu precisava para finalizar o mestrado.

Ao meu orientador, professor Dr. João Manoel Lenz Vianna da Silva, pela paciência, bom humor, incentivos, cobranças, e também pela amizade e confiança que me auxiliou a tomar importantes decisões acadêmicas e profissionais.

À todas as minhas professoras, que sempre me inspiraram a buscar a excelência, em especial às professoras Dra. Airam Sausen, Dra. Fabrícia Frantz e Dra. Márcia Binello.

Ao Grupo de Automação Industrial e Controle (GAIC), por aceitar esta inexperiente bolsista em um grupo de gigantes.

À UNIJUI, pela minha formação acadêmica desde o ensino fundamental, por ser a melhor universidade da região, por resistir e se reinventar.

Ao CNPq, pela bolsa de mestrado concedida.

À comunidade científica brasileira, que mesmo diante de muita dificuldade, sempre apresenta pesquisas e resultados de altíssima contribuição.

“A política existe para o momento, uma equação existe para a eternidade.”

(A. Einstein)

LUANA, O. Modelagem de biodigestores de dejetos animais: da digestão anaeróbia à análise de viabilidade econômica de sistemas de lagoa coberta. 2022.81p. Dissertação (Mestrado em Modelagem Matemática e Computacional) – Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e Computacional, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Ijuí – RS, 2022.

A modelagem matemática de biodigestores é comumente utilizada para estimar a quantidade e qualidade do biogás de acordo com o tipo de matéria orgânica de entrada ou estimar a energia de saída dos sistemas biodigestores a partir da quantidade de metano presente neste biogás. A pesquisa exposta neste trabalho propõe um modelo matemático e computacional unificado que avalie a geração de potência elétrica em um biodigestor anaeróbio de resíduos animais considerando as características destes resíduos e a viabilidade econômica do sistema. Foram revisados, adaptados e simulados computacionalmente quatro modelos denominados como Modelo Químico, Modelo Mecânico, Modelo Elétrico e a Avaliação de Viabilidade Econômica. As simulações foram realizadas a fim de comparar apenas as variáveis de saída de interesse: fluxo de biogás produzido, capacidade de produção diária de energia mecânica e elétrica e as análises econômicas a partir destas variáveis, supondo que o investimento inicial de implementação dos biodigestores fosse o mesmo. Os modelos simulados avaliam e relacionam a geração de potência elétrica em biodigestores anaeróbios de resíduos animais considerando as características químicas, físicas e biológicas destes resíduos e apresenta a viabilidade econômica dos três sistemas simulados, permitindo comparação entre os resultados. Este trabalho demonstra que é possível modelar matematicamente todo o processo de geração de bioenergia, desde a matéria prima até a energia elétrica e que os sistemas de biodigestores aqui discutidos apresentam viabilidade econômica no atual cenário energético e tarifário brasileiro, além de também serem benéficos ambientalmente, utilizando gases geradores de efeito estufa para produzir energia elétrica.