ANÁLISE DA VIABILIDADE ENERGÉTICA E ECONÔMICA DA GERAÇÃO DE BIOENERGIA EM SISTEMA HÍBRIDO BIOGÁS-SOLAR FOTOVOLTAICO A PARTIR DA MANIPUEIRA

Abstract

The growing world demand for energy has driven research into renewable energy. Although the generation of bioenergy from biomass has grown in recent years and its participation in the Brazilian energy matrix has increased, information on technological innovations for the use of energy potential from biomass is still very limited. In this study, we presented techno-economic analysis of hybrid solar-PV biogas system (HRES) for bioenergy generation from cassava wastewater. Initially, a systematic literature review was conducted through the PRISMA protocol and complemented by studied of bibliometrics indicators using Vosviewer and Openrefine softwares. Both investigations acknowledged possible gaps/scientific/technological opportunities for biomass residues with greater potential for bioenergy generation in a hybrid solar-PV biogas system. From these assessments, an energy balance was developed in order to understand the technical feasibility through the calculation of the HRES overall efficiency. Following, an economic feasibility study was carried out through Levelized Cost of Energy (LCOE), Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR) and Payback Period. Finally, the techno-economic feasibility was analyzed for two cases: 1) HRES without considering combined heat and power (CHP) and 2) HRES considering CHP and the sale of power surplus. The analysis results demonstrated that energetic valorization of cassava wastewater with volumetric rate of 133,333 l/day, through anaerobic digestion with CO₂ capture by microalgae (Chlorella sp), as well through the generation of bioenergy by a Carterpillar G3520C engine/generator set powered by biogas, have significant potential to provide installed power capacity from HRES of 14 MW, meets the energy demand of 12,98 MW for 40,000.00 habitants, the power surplus was 1,02 MW. The hybridization factor in the HRES was 64% from the biogas subsystem and 36% from the solar-PV subsystem. The overall efficiency of HRES for cases 1 and 2 was, respectively: 18% and 21.76%. The LCOE of the biogas and solar-PV subsystems were, respectively: 0.0553 US$/kWh and 0.0852 US$/kWh. The HRES LCOE for cases 1 and 2, was 0.0446 US$/kWh and 0.0413 US$/kWh, respectively. The NPV for the HRES considering case 1 and 2 was US$ 321.124.21 and US$ 339.174.89, respectively. The IRR for case 1 and case 2, was 35.08% and 49.94%, respectively, both above the 12% TMA. The payback period was 5 years and 6 months for case 1 and 3 years and 8 months for case 2. Case 2 showed greater techno-economic feasibility through CHP and the sale of power surplus (US$ 307,370.88). Therefore, it is suggested that a technological application of HRES in Brazil rural regions considering energy valorization of cassav

A crescente demanda mundial por energia tem impulsionado a pesquisa em energia renovável. Embora a geração de bioenergia a partir da biomassa tenha crescido nos últimos anos e sua participação na matriz energética brasileira tenha aumentado, as informações sobre inovações tecnológicas para o aproveitamento do potencial energético da biomassa ainda são muito limitadas. No presente estudo, foi realizada uma análise da viabilidade energética e econômica de um sistema híbrido solar-PV de biogás (HRES) para geração de bioenergia a partir da valorização energética de águas residuárias de mandioca. Inicialmente, foi realizada uma revisão sistemática da literatura por meio do protocolo PRISMA e complementada pelo estudo de indicadores bibliométricos por meio dos softwares Vosviewer e Openrefine. Ambas as investigações reconheceram possíveis lacunas / oportunidades científicas / tecnológicas para resíduos de biomassa com maior potencial para geração de bioenergia em um sistema híbrido de biogás solar-PV. A partir dessas avaliações, foi desenvolvido um balanço energético para entender a viabilidade técnica por meio do cálculo da eficiência energética da usina. Em seguida, foi realizado um estudo de viabilidade econômica através do Custo Nivelado de Energia (LCOE), Valor Presente Líquido (VPL), Taxa Interna de Retorno (TIR) e Payback. Por fim, a viabilidade técnico-econômica foi analisada para dois casos: 1) HRES sem considerar energia e calor combinados (CHP) e 2) HRES considerando CHP e a venda de energia excedente. Os resultados da análise demonstraram que a valorização energética de 133.333 l / dia de água residuária de mandioca, por meio da digestão anaeróbia com captura de CO₂ por microalgas (Chlorella sp), bem como pela geração de bioenergia por um motor / gerador Carterpillar G3520C movido a biogás, tiveram potencial significativo para fornecer potência instalada de HRES de 14 MW, atendendo a demanda de energia de 12,98 MW para 40.000,00 habitantes com um excedente de energia de 1,02 MW. O fator de hibridização no HRES foi de 64% do subsistema de biogás e 36% do subsistema solar PV. A eficiência geral do HRES para os casos 1 e 2 foram, respectivamente: 18% e 21,76%. O LCOE do biogás e os subsistemas solar-PV foram, respectivamente: 0,0553 US$ / kWh e 0,0852 US$ / kWh. O LCOE do HRES para os casos 1 e 2 foi de 0,0446 US$ / kWh e 0,0413 US$ / kWh, respectivamente. O VPL para o HRES considerando os casos 1 e 2 foi de US$ 321.124,21 e US$ 339.174,89, respectivamente. A TIR para os casos 1 e 2 foi de 35,08% e 49,94%, respectivamente, ambos acima do TMA de 12%. O período de payback foi de 5 anos e 6 meses para o caso 1 e 3 anos e 8 meses para o caso 2. O caso 2 apresentou maior viabilidade técnico-econômica por meio da CHP e da venda de energia excedente (US$ 307.370,88). Portanto, sugere-se que uma aplicação tecnológica do HRES em regiões rurais do Brasil, considerando a valorização energética da água residuária da mandioca visando a geração de bioenergia, é uma opção tecnológica promissora.