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Impulsionado pelas novas legislações que favorecem a eficiência energética, redução de emissões e utilização de biocombustíveis, realiza-se uma comparação de instantes de centelha para diferentes combustíveis. Uma posterior análise entre eles fornece informações referentes a emissões, temperaturas e parâmetros de combustão. Os resultados, por fim, mostram uma maior competitividade dos biocombustíveis frente ao combustível fossil, já que suas características físico-químicas podem aumentar a eficiência e diminuir a emissão de CO2 na análise well-to-wheel, ou seja, no ciclo desde a fonte de produção até a roda do veículo.

The increasing use of fossil fuels and the growing demand for energy in recent decades have led to a major problem of greenhouse gas emissions and the causes of climate change. Therefore, efforts must be made to reduce carbon emissions from various sectors, including the transportation sector, which is one of the largest contributors to emissions. In addition to ethanol, gaseous fuels such as biogas and biomethane are also on the rise, as they can be produced by processing biomass and are therefore renewable. Experiments were performed to compeare the performance of biomethane , ethanol and gasoline in a single cylinder research engine with spark ignition and fuel injection at the intake port under different load conditions: 3 bar, 6 bar and 9 bar IMEP, at two differen t compression ratios: 11.6:1 and 14.3:1 and engine speed of 1800 rpm on a dynamometer. Due to similar properties and better availability, CNG was used to simulate biomethane operation. The results show that CNG has the lowest specific fuel consumption at all load conditions, outperforming gasoline and ethanol. combustion phase can also be adjusted The to the ideal condition with CNG, burning half of the fuel mass at about 8° after top dead center. At a compression ratio of 11.6:1 and a load of 9 bar IMEP, the efficiency of the gaseous fuel was about 34%, that of gasoline was 33%, and that of ethanol was 36%, while at a compression ratio of 14.3:1 with the same load, the efficiency with CNG increased to about 35%, while gasoline remained at about 33% and ethanol increased to about 37%. The gaseous fuel with a compression ratio of 11.6:1 at a load of 9 bar IMEP had the lowest NOx emission levels, which were about 13 g/kWh, while these emissions were 15 g/kWh for ethanol and 19 g/kWh for gasoline. O aumento da utilização de combustíveis fósseis e a crescente demanda energética nas últimas décadas geraram um grande problema de emissões de gases de efeito estufa e causadores de mudanças climáticas. Portanto, são necessários esforços para reduzir as emissões de carbono de diversos setores, dentre os quais o setor dos transportes, um dos grandes emissores. Além do etanol, combustíveis gasosos como biogás e biometano estão ganhando espaço devido ao grande potencial de serem obtidos por meio do processamento de biomassa e, portanto, serem renováveis. Com o objetivo de comparar o desempenho de operação do biometano, do etanol e da gasolina em um motor monocilindro de pesquisas de ignição por centelha com injeção de combustível na porta de admissão em diferentes condições de carga: 3 bar, 6 bar e 9 bar de IMEP, em duas diferentes razões de compressão: 11,6:1 e 14,3:1 e velocidade de motor de 1800 rpm em bancada dinamométrica. Devido a maior facilidade de aquisição e às propriedades semelhantes, foi utilizado gás natural veicular, simulando a operação com biometano nos ensaios. Os resultados mostraram que o GNV apresentou o menor consumo específico de combustível indicado para todas as cargas, superando a gasolina e o etanol. A fase de combustão também pôde ser ajustada, com GNV, para a condição ideal, com metade da massa de combustível queimada em cerca de 8° após ponto morto superior. Na razão de compressão de 11,6:1 e carga de 9 bar de IMEP o combustível gasoso apresentou eficiência indicada torno de 34%, a gasolina de 33% e o etanol de 36%, enquanto em razão de compressão 14,3:1 na mesma carga a eficiência com GNV aumentou para em torno de 35%, enquanto a gasolina permaneceu em torno de 33% e o etanol aumentou para em torno de 37%. O combustível gasoso em razão de compressão 11,6:1 em carga de 9 bar de IMEP apresentou os menores valores emissões de NOx que foram em torno de 13 g/kWh, enquanto com etanol estas emissões foram de 15 g/kWh e com gasolina de 19 g/kWh.

A data da defesa está de acordo com o que consta registrado na ata de defesa. The constant increase in the price of petroleum-derived fuels during the pandemic period and the need to reduce greenhouse gas emissions demand more efficient spark-ignition combustion engines. Governmental programs such as the one entitled ROTA2030 aim to support technological development in the automotive sector, promoting the use of biofuels, such as ethanol, in order to reduce dependence on fossil fuels and emission levels. The use of more efficient combustion engines through the combination of downsizing concepts, direct fuel injection and mechanisms that independently control the events of the camshaft of valves, are alternatives to maximize the efficiency of spark ignition engines, mainly in partial loads, where the load control method throttles the air admitted for engine power control, resulting in high pumping losses, precisely in the largest portion of operation of a vehicle in an urban cycle. Strategies that allow the retention of a greater fraction of residual gases in the combustion chamber contribute to the reduction of pumping work due to the addition of inert gases, however, high concentrations can cause combustion instability. In this sense, the present work aims to investigate the influence of the symmetrical variation of the opening and closing events of the intake and exhaust valves, causing high overlap conditions as a strategy to retain residual gases in the cylinder, to reduce the pumping work of the engine. The results show gains in energy conversion efficiency at partial loads with high valve overlap, which consequently raises the levels of residual gases present in the combustion chamber. O constante aumento do preço dos combustíveis derivados do petróleo no período de pandemia e a necessidade de redução de emissões de gases do efeito estufa demandam motores de combustão por ignição por centelha mais eficientes. Programas governamentais como o intitulado ROTA2030, visam apoiar o desenvolvimento tecnológico no setor automotivo, promovendo o uso de biocombustíveis, como o etanol, a fim de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e os níveis de emissões. A utilização de motores de combustão mais eficientes através da combinação de conceitos downsizing, injeção direta de combustível e com mecanismos que controlam independentemente os eventos do eixo de comando de válvulas, são alternativas para maximizar a eficiência dos motores de ignição por centelha, principalmente em cargas parciais, onde o método de controle de carga que, ao estrangular o escoamento de ar admitido para controle de potência do motor, resultando em elevadas perdas por bombeamento, justamente na maior parcela de operação de um veículo em ciclo urbano. Estratégias que permitem a retenção de maior fração de gases residuais na câmara de combustão contribui com a redução do trabalho de bombeamento em virtude da adição de gases inertes, no entanto, elevadas concentrações podem provocar instabilidade de combustão. No intuito de investigar os limites dessa diluição o presente trabalho visa investigar a influência da variação simétrica dos eventos de abertura e fechamento das válvulas de admissão e exaustão, provocando elevados cruzamentos de válvulas como estratégia de reter gases residuais no cilindro, para redução do trabalho de bombeamento do motor. Os resultados mostram ganhos na eficiência de conversão de energia para cargas parciais com elevado cruzamento de válvulas que por consequência, eleva os níveis de gases residuais presentes na câmara de combustão.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES After 2010 there was a significant increase in breweries registered by the Ministry of Agriculture, Livestock, and Supply. Most of the new registrations were from small and medium-sized breweries, which, following a market trend, seek to meet the demand for higher quality beers than commercial beers. Large breweries can achieve greater production efficiency by increasing scale. On the other hand, small and medium-sized breweries consume much more resources to produce the same amount of beer. Thus, it becomes relevant to carry out a study to understand production processes, the use of natural resources, and emissions by these companies. Given the context, the objectives of this study are to determine best practices and main opportunities to mitigate environmental impacts, increase production efficiency and reduce production costs of small and medium-sized breweries. Through a case study, an energy audit was conducted to quantify raw materials, energy, amount of beer produced, greenhouse gas emissions (GHG), and waste disposal. As a result, Key Performance Indicators (KPI) were created to compare this data with reference values from the bibliography. It was observed that the main energy losses are found in the non-reuse of the wort cooling heat and in cooking with the open pan. The most viable implementation practice is the production of beer by high gravity, which can reduce up to 10% of electrical energy consumption in the mash. To increase production efficiency, breweries must automate processes, control product losses, and increase the availability of production data by recording the history of energy and input consumption. A partir de 2010, houve no Brasil um aumento expressivo no número de cervejarias registradas no Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Grande parte dos novos registros são de pequenas e médias cervejarias, que seguindo uma tendência de mercado, buscam atender à demanda por cervejas de maior qualidade que as comerciais. Grandes cervejarias conseguem, através do aumento de escala, mão de obra qualificada e tecnologia obter maior eficiência de produção. Pequenas e médias cervejarias, por não terem menos recursos financeiros e escala reduzida, consomem muito mais recursos para produzir a mesma quantidade de cerveja. Desta forma, torna-se relevante realizar um estudo para compreender os processos produtivos, usos de recursos naturais e rejeitos por parte de pequenas cervejarias. Diante do contexto, os objetivos deste estudo são determinar as principais perdas de energia e insumos, as limitações, as melhores práticas e as oportunidades de melhoria no processo produtivo de pequenas cervejarias, com foco na mitigação de impactos ambientais, no aumento da eficiência produtiva e na redução de custos de produção. Através de um estudo de caso, conduziu-se uma auditoria energética para quantificar uso de insumos, energia, quantidade de cerveja produzida e descarte de resíduos. Criou-se Key Performance Indicators (KPI) para comparar os dados obtidos com valores de referência da bibliografia. Observou-se que as principais perdas de energia se encontram no não reaproveitamento do calor de resfriamento do mosto e pela realização do cozimento com a panela aberta. A prática mais viável de implementação é a produção de cerveja por alta gravidade, podendo reduzir até 10% do consumo de energia elétrica na brassagem. Para aumentar a eficiência produtiva cervejarias devem automatizar processos, controlar perdas de produto e aumentar a disponibilidade de dados de produção através do registro de histórico de consumo de energia e insumos.

Orientadores: Rogério Gonçalves dos Santos, Mario Eduardo dos Santos Martins Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As legislações de emissões estão ficando mais rigorosas ano após ano, exigindo maiores esforços de desenvolvimento. Mais e mais testes de emissões necessitam ser rodados, até que o motor esteja suficientemente ajustado para o mercado. Por outro lado, construir protótipos é bastante caro. Uma forma de reduzir os custos e tempo de desenvolvimento é usar simulações numéricas. Entretanto, a fim de predizer emissões corretamente, métodos mais complexos e computacionalmente caros são normalmente necessários, como dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tridimensional (3D) acoplada com cálculos de cinética química. Tais simulações podem levar bastante tempo, mesmo para um único caso, fazendo-as valer a pena apenas para desenvolvimento conceitual. Este trabalho tem como objetivo avaliar um modelo zero-dimensional (0D) de cilindro acoplado com cinética química e sua capacidade de predizer emissões de NO e CO no escapamento, fruto da combustão com E10 (uma mistura de 10% de etanol com 90% de gasolina, em volume). Resultados de bancada de um motor Otto 3 cilindros, com 1,2 litros de volume deslocado, injeção direta e sobrealimentado rodando com E10 foram utilizados como referência na avaliação da precisão e adequação do modelo para este combustível. Dez diferentes conjuntos de coeficientes de reação para o Modelo Estendido de Zeldovich foram testados, e dois para o modelo de CO de uma única reação. Resultados de simulação de NO apresentaram desvios de até 50% quando comparados com medições. CO apresentou erros de até 372%, e o uso de cinética química gerou desvios maiores do que cálculos de equilíbrio químico simples. A simulação não foi capaz de reproduzir a tendência experimental de emissões para os pontos de operação testados. Aparentemente, isto pode ser uma consequência de desvios na predição de vazão de ar, apesar destes desvios estarem dentro da precisão esperada de modelos de motor 1D/0D Abstract: Engine emissions standards are getting more stringent year after year, requiring greater development efforts. More and more emissions tests have to be ran, until the engine is sufficiently tuned for the market. On the other hand, building prototypes is very expensive. One way of reducing development costs and time is to use numerical simulations. However, in order to predict emissions well, more complex and computationally expensive methods are usually necessary, like three-dimensional (3D) Computer Fluid Dynamics coupled with chemical kinetics calculations. Such simulations can take very long, even for one single case, making them only worth it for conceptual development. This work aims at evaluating a zero-dimensional (0D) cylinder model coupled with chemical kinetics and their suitability in predicting NO and CO exhaust emissions from combustion of E10 (a mixture of 10% ethanol with 90% gasoline, in a volume basis). Test bench results from a 3 cylinder, 1.2 liter turbocharged Direct Injection Spark Ignition engine, running on E10, were used as reference for evaluating model accuracy and suitability for this fuel. Ten different sets of rate coefficients for the Extended Zeldovich Model were tested, and two for the CO single reaction model. NO simulation results presented up to 50% deviation when compared to measurements. CO presented errors up to 372%, and the use of chemical kinetics produced higher deviations than simple equilibrium calculations. The simulation wasn’t able to reproduce the experimental emission’s trend for the tested operating points. Apparently, this was due to deviations in air flow predictions, although these deviations were within the expected accuracy of 1D/0D engine models Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2013/50238-3

The ethanol, a renewable and highly productive fuel in Brazil, appears as one of the main fuels in order to comply with rigorous legislation on emissions of pollutants and greenhouse gases on vehicle engines, agricultural machinery, or power generation. The combustion strategy dual-fuel mode (Diesel / Ethanol) may reduce the pollutant emission rates, as well as diesel consumption. This study intended to evaluate performance and emission parameters of a combustion engine with dual mode operation system using two different methods. Combustion mode RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition), using diesel as high reactivity fuel and ethanol as low reactivity fuel. Fumigation combustion, with ignition provided by pilot diesel injection. The experimental tests began with the mapping of the engine operating in Diesel cycle in order to obtain the baseline test, in IMEP loads 5 and 7 bar and fixed rotation of 1800 rpm, serving as comparative reference for subsequent tests. The tests with dual fuels changed in points with RCCI combustion and in dual-fuel by fumigation. The results showed a maximum substitution from diesel to ethanol in 92%, reaching a reduction in NOx emissions up to 93%. In contrast there was an increase in HC and CO emissions, and an increase in specific consumption, penalizing the efficiency indicated between 13 to 23% in the tests performed. Thus, it was possible to prove the technical feasibility of using dual-fuel combustion modes as a possible option to reduce environmental impact and comply with requirements imposed by regulatory standards. O etanol, combustível renovável e de grande produção no Brasil, aparece como uma das principais alternativas para atender legislações cada vez mais rigorosas a respeito de emissões de poluentes e gases de efeito estufa, de motores veiculares de máquinas agrícolas ou para geração de energia. A estratégia de combustão usando simultaneamente diesel e etanol tem potencial de reduzir os índices de emissões de poluentes da combustão convencional diesel, assim como seu consumo de combustível. Este estudo tem por objetivo a avaliação de parâmetros de desempenho e emissões em um motor de ignição por compressão com operação em modo dual, empregando combustão RCCI utilizando diesel como combustível de alta reatividade e etanol como combustível de baixa reatividade e também em combustão por fumegação, com ignição proporcionada por injeção-piloto de diesel. Os testes experimentais iniciaram-se com o mapeamento do motor operando em ciclo Diesel para obtenção do ensaio baseline, em cargas de 5 e 7 de IMEP bar e rotação fixa de 1800 rpm, servindo este de referência comparativa para testes posteriores. Já os ensaios com duplo combustíveis alteraram em pontos com combustão RCCI e em dual-fuel por fumegação. Os resultados mostraram uma substituição máxima de 92% de diesel por etanol, podendo atingir redução nas emissões de NOx em até 93%. Por outro lado, houve aumento nas emissões de HC e CO, e aumento de consumo específico, penalizando a eficiência indicada entre 13 a 23% nos ensaios realizados. Assim foi possível comprovar a viabilidade técnica da utilização de modos de combustão em regime dual-fuel como possível opção para reduzir o impacto ambiental e atender os requisitos impostos por normas regulamentadoras.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The world energy scenario presented over the past few years rates biofuels as one of the main alternatives for reducing the consumption of fossil fuels, since a view to reducing damage to the environment and diversifying the world economic matrix is necessary. First generation bioethanol encounters certain social and economic barriers in relation to the use of food as a raw material, such as lignocellulosic ethanol with great energy potential for the coming years, since this biofuel is produced using biomass that are abundant and diverse materials in the biosphere. However, a large-scale production of lignocellulosic ethanol is still a challenge, as its production process requires a high investment and has a high operating cost. Thus, the objective of this study is to measure and analyze each stage of the production process of lignocellulosic ethanol through a bibliometric research of market economy tests, studies and techniques of technical production, raw materials, inputs and integration with other productions. In addition, check how the price trends of raw materials and other products that influence the promotion of first and second generation ethanol in Brazil for the coming years, using time series to verifying economic viability, risk analysis and projections for possible scenarios. In relation to the studies analyzed, 54.9% considered only raw material or the most important operating cost component, 25.6% considered raw material and enzymes and 13.4% only enzyme. The study you chose or the lowest minimum selling price of ethanol (0.48 $ / l) used bamboo as the main raw material, this result was followed by wood (0.49 $ / l) and empty fruit clusters (0.49 $ / l). The price of raw materials and enzymes is the most important factor to make the production of lignocellulosic ethanol feasible. The forecast about the price of first generation ethanol in 2025 showed that there is a great tendency for an increase (10-20%) in relation to 2019, thus, the scenario for the growth of cellulosic ethanol production in Brazil it is optimistic and with success indicators. O panorama energético mundial apresentado ao longo dos últimos anos classifica os biocombustíveis como uma das principais alternativas para a redução do consumo de combustíveis fósseis tendo em vista a redução dos danos ao meio ambiente e a diversificação da matriz energética mundial. O bioetanol de primeira geração encontra certas barreiras sociais e econômicas em relação ao uso de alimentos como matéria prima, assim o etanol lignocelulósico surge com um grande potencial energético para os próximos anos, visto que é proveniente de biomassas que são materiais relativamente abundantes e diversificados na biosfera. Entretanto, a produção de etanol lignocelulósico em grande escala ainda é desafiadora, pois o seu processo de produção requer um alto investimento e apresenta um alto custo operacional. Desta forma, o objetivo deste estudo é mensurar e analisar cada etapa do processo de produção do etanol lignocelulósico por meio de uma pesquisa bibliométrica de análises técnico-econômicas do processo, estudar as principais tendências para técnicas de produção, matéria- prima, insumos e integração com outras produções, além disso, verificar as tendências de preço da matéria prima e de outros produtos que influenciam a competitividade do etanol de primeira e segunda geração no Brasil para os próximos anos por meio de séries temporais, verificando a viabilidade econômica, análise de riscos e projeções para os possíveis cenários. Em relação aos estudos analisados, 54,9% consideraram apenas matéria-prima o componente de custo operacional mais importante, 25,6% consideraram matéria-prima e enzimas e 13,4% apenas enzima. O estudo que obteve o menor preço mínimo de venda de etanol (0,48 $ / l) utilizou o bambu como principal matéria-prima; esse resultado foi seguido por madeira (0,49 $ / l) e cachos de frutas vazios (0,49 $ / l). O preço das matérias- primas e das enzimas é o fator mais importante para viabilizar a produção de etanol lignocelulósico. A previsão foi condizente com as informações da literatura para o preço do etanol de primeira geração em 2025. Há uma grande tendência de aumento (10-20%) em relação ao ano de 2019, assim, o cenário para o crescimento da produção do etanol celulósico no Brasil é otimista e com indicadores de sucesso.

This doctoral thesis is a contribution to reduce the electric load in thermal conditioning of residences in order to mitigate its influence on the duck curve. It is proposed the use of air conditioning units driven by photovoltaic generation to store thermal energy during their downtime. The thermal energy obtained can be stored during photovoltaic generation time and it can be used in a timely manner to attenuate the daily critical period of maximum demand from the electricity grid, just after the exit of the photovoltaic generation at dusk. This can be done by extracting surface geothermal energy from solar radiation and naturally stored in the soil. To prove its effectiveness, the necessary adaptations will be made in a conventional air conditioner and the incorporation of control and management instrumentation so that the air conditioner does not lose its original room conditioning function. The experiment was carried out simultaneously in two twinned rooms: one for the tests with geothermal energy and the other, a conventional room, both with similar physical areas, same geographical orientation and same thermal load. In the test room was installed an air conditioner with the modifications necessary to perform the extraction of surface geothermal energy and store it during the intervals of room conditioning and subsequent use. In the conventional room, called reference room was installed an air conditioner of the same type and model of the prototype in operation in the test room with its original features preserved for comparison of consumption of electric energy during the period of peak demand. This experiment proves that the thermal energy normally dissipated by the air conditioner in the external environment during the summer can be used to assist in heating of water for showers with the consequent reduction of the consumption of electric energy, collaborating to maximize the energy utilization. Esta tese de doutorado é uma proposta de metodologia para redução da carga elétrica no condicionamento térmico de residências e amenizar sua influência na curva do pato (duck curve). Propõe-se o aproveitamento de aparelhos convencionais de ar condicionado acionados pela geração fotovoltaica para armazenamento de energia térmica durante o seu tempo ocioso. A energia térmica assim obtida e armazenada durante o horário de geração fotovoltaica poderá ser usada oportunamente para atenuar o período crítico diário de máxima demanda da rede pública de energia elétrica, logo após a saída da geração fotovoltaica ao anoitecer. Tal atenuação poderá ser feita com a extração da energia geotérmica superficial proveniente da radiação solar e naturalmente armazenada no solo. Para comprovar a eficácia do aproveitamento geotérmico foram feitas as adaptações necessárias em um aparelho convencional de ar condicionado e a incorporação da instrumentação de controle e gerenciamento para que o aparelho de ar condicionado não perca a sua função original de condicionar o ambiente. Os experimentos foram realizados simultaneamente em duas salas geminadas: uma para os testes com aproveitamento da energia geotérmica, e a outra, uma sala convencional, ambas com áreas físicas similares, mesma orientação geográfica e mesma carga térmica. Na sala de testes foi instalado um aparelho de ar condicionado com as modificações necessárias para realizar a extração da energia geotérmica superficial e armazená-la durante os intervalos do condicionamento da sala e uso posterior. Na sala convencional, denominada sala de referência, foi instalado um aparelho de ar condicionado da mesma marca e modelo do protótipo em funcionamento na sala de teste com suas funcionalidades originais preservadas para comparação do seu consumo de energia elétrica durante o período de pico de demanda. Este experimento comprova que a energia térmica normalmente dissipada pelo aparelho de ar condicionado no ambiente externo durante o verão pode ser utilizada para auxiliar no aquecimento de água para chuveiros com a consequente redução do consumo de energia elétrica, colaborando para maximizar o aproveitamento energético.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fossil fuels are widely used for mobility in the global energy matrix. However, with growing concern about finding renewable alternatives, there is room for other energy resources. Hydrogen appears as a potential substitute for fossil fuels. Hydrogen can be obtained from several primary resources, such as water, biomass, ethanol, natural gas, among others. To start using hydrogen as a fuel for mobility purposes, some steps need to be competitive, such as the production, storage, distribution, and use of hydrogen in vehicles. In this way, the objective of this study is to build a model to evaluate and measure the competitiveness of scenarios that use hydrogen in mobility. The proposed type of modeling was developed based on 4 Fundamental Views Points (PVFs), 32 Critical Factors for Success (FCS), found on the basis of bibliographic and documentary recurrence, to which 37 performance indicators were later constructed using the assumptions alluding to the Key Performance Indicators (KPIs). The structuring of the type of modeling and definition of the importance level for each FCS was carried out based on some elements of the multicriteria decision support approach. Subsequently, the modeling type was tested in some scenarios, from North America and Europe, with a consultation of 7 specialists from the area, from companies, research centers and universities, with a strong connection with hydrogen technologies. The evaluation levels of the scenarios investigated were defined as "potentially competitive". The overall picture shows that stronger action needs to be taken to achieve "highly competitive" scenarios. Os combustíveis de origem fóssil são largamente utilizados para a mobilidade, consumindo uma larga porção da matriz energética mundial. Contudo, com a crescente preocupação em buscar alternativas ambientalmente benignas e renováveis, surge espaço para outros recursos energéticos. O hidrogênio surge como um potencial substituto aos combustíveis de origem fóssil, podendo ser obtido a partir de diversos recursos primários, como água, biomassa, etanol, gás natural, entre outros. Para se utilizar o hidrogênio como combustível, para fins de mobilidade, algumas etapas precisam ser competitivas, como a produção, armazenamento, distribuição e emprego do hidrogênio em veículos. Desta forma, o objetivo deste estudo foi construir uma modelagem para avaliar e mensurar a competitividade dos cenários que utilizam hidrogênio na mobilidade. A modelagem proposta foi desenvolvida com base em 4 Pontos de Vistas Fundamentais (PVFs), 32 Fatores Críticos para o Sucesso (FCS), encontrados com base na recorrência bibliográfica e documental, aos quais posteriormente foram construídos 37 indicadores de desempenho utilizando os pressupostos alusivos ao Key Performance Indicators (KPIs). A estruturação da modelagem e definição do nível de importância para cada FCS foi realizada com base em alguns elementos da abordagem multicritério de apoio a decisão. Posteriormente a modelagem foi testada em alguns cenários da América do Norte e Europa, com uma consulta a 7 especialistas da área, provenientes de empresas, centros de pesquisa e universidades, com forte ligação com as tecnologias do hidrogênio. O nível de avaliação geral dos cenários investigados foi definido como “potencialmente competitivo”. O panorama geral mostra que ações mais contundentes precisam ser aplicadas a fim de alcançar cenários “altamente competitivos”.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. As rígidas legislações para emissões de poluentes, bem como o alto preço dos combustíveis de origem fóssil, têm estimulado a busca por combustíveis alternativos e de fontes renováveis, que possam oferecer altas eficiências e uma combustão mais limpa. Em especial para motores diesel, o óleo vegetal tem se mostrado como um promissor substituto do óleo diesel, apresentando principalmente menores emissões de MP e HC. Porém sua alta viscosidade tem gerado problemas na utilização in natura, que tem sido parcialmente solucionado através do seu preaquecimento por métodos convencionais, utilizando resistências elétricas ou o calor residual dos gases de exaustão. Neste trabalho, a utilização da irradiação de micro-ondas apresenta-se como uma alternativa inovadora para o processo de preaquecimento do óleo vegetal. O estudo foi desenvolvido em parceria com os laboratórios de Química e de Motores da Universidade Federal de Santa Maria. Um micro-ondas industrial, com possibilidade de variação de potência, foi instalado na entrada da bomba injetora do combustível. Dessa forma, foram realizados estudos dos parâmetros de desempenho, emissões e combustão de um motor diesel operando com óleo de soja in natura preaquecido por irradiação de micro-ondas. Os resultados foram comparados ao desempenho do motor operando com óleo de soja preaquecido por resistências elétricas e ao motor operando com óleo diesel. Os testes foram desenvolvidos para duas cargas (5 e 3 bar de pressão média efetiva indicada - IMEP) e para três rotações (1800, 2200 e 2600 rpm). Durante cada teste foram realizadas as medições de torque, consumo de combustível, emissões (NOX, CO e HC), temperaturas (combustível, óleo do motor, gases de exaustão, etc.), pressão de cilindro e pressão de injeção. A aplicação de modelo zero-dimensional foi considerada para análise da combustão a partir dos dados experimentais. Através deste modelo foram levantadas informações referentes à taxa de liberação de calor, temperatura média de cilindro, início da combustão, duração da combustão e atraso de ignição. Os resultados foram satisfatórios para o aquecimento com micro-ondas, apresentando para alguns pontos de operação maiores eficiências, maiores taxas de liberação de calor e menores durações de combustão em comparação ao aquecimento resistivo e ao óleo diesel. Os resultados de emissões também foram satisfatórios. Abstract : The stricter limits for pollutant emissions and the higher price of fóssil fuels have stimulated the research of alternative fuels from renewable sources. The vegetable oils stands out as a good alternative in replacement of diesel fuel. However the higher viscosity of them have been causing some problems in its uses. The problems have been partially solved by preheating the vegetable oils using electrical resistances and the exhaust heat. In this way the microwave irradiation is a interesting and innovative alternative to preheat the vegetable oil. The study was developed in partnership with the chemistry and internal combustion engines laboratories at Federal Univeristy of Santa Maria. A industrial microwave generator with variable power was installed near at fuel injection pump inlet. Therefore, the study of performance, emissions and combustion parameters were performed in a diesel engine fuelled with straight soybean oil preaheated by microwave irradiation. The results were compared to the engine operating with raw soybeal oil preheated by electrical resistances and diesel fuel at ambient temperature. The tests were performed for two loads (5 and 3 bar of indicated mean e_ective pressure-IMEP) and three speeds (1800, 2200 and 2600 rpm). For each test the measurement of torque, speci_c fuel consumption, emissions (NOX, HC and CO), temperatures (engine oil, exhaust gas, etc.), cylinder pressure and injection pressure were performed. A zero-dimensional model was used to analyze the combustion process from experimental data. Informations about heat release rate, mean cylinder temperatures, start of combustion, combustion duration and ignition delay were obtained from this model. The _nal results for the microwave irradiation were satisfactory with higher e_ciencies, higher heat release rate and lower combustion durations. The emissions results presented a signi_cant decrease in CO emissions and higher NOX emissions.

A utilização de combustíveis fósseis é percebida, cada vez mais, de forma negativa, visto seus elevados níveis de emissão de gases de efeito estufa. Por conta disso, busca-se a ampliação do uso de combustíveis de origem renovável de forma a diminuir o impacto ambiental. Dentre esses, o etanol se destaca pelas excelentes características físico-químicas. Ao se reduzir o nível de pureza (diluição em agua) durante o processo de destilação desse combustível, obtém-se um sensível decréscimo da energia dispendida na sua produção. Isso se deve ao crescimento exponencial do consumo energético para obtenção de misturas com teor de etanol superiores à 80% v/v. Assim, a possível utilização de misturas superhidratadas, mesmo que apresentem menor poder calorífico, resultam em uma economia direta de energia no processo de obtenção. Dessa forma, esse trabalho avalia o impacto da utilização de misturas de etanol com elevadas concentrações de água em um motor monocilíndrico de testes, com volume deslocado de 0,668 L, injeção de combustível no coletor de admissão, e ignição por centelha. Inicialmente, avaliou-se via testes de bancada o efeito da substituição direta do etanol comercial por misturas com maior hidratação nos parâmetros de desempenho e emissões. Em seguida, buscou-se explorar as características anti-detonantes da água através do aumento da razão de compressão visando ao aumento de eficiência indicada do motor. Por fim, estudos numéricos foram conduzidos de forma a verificar o efeito da concentração de água sobre os valores de velocidade de chama e temperatura adiabática em uma chama livre unidimensional. Foram também determinados os valores de tempo de indução para condições de temperatura e pressão experimentais. Com isso, observou-se a possibilidade de operação com elevadas razões de compressão para maiores percentuais de água com sensível aumento da eficiência indicada e nível de emissões semelhantes ao etanol comercial. O aumento de água causou uma diminuição na velocidade de queima e na temperatura adiabática de chama, enquanto que o tempo de indução possuiu efeitos opostos dependentes da condição de operação. The use of fossil fuels have faced several restrictions due its higher greenhouse gas emissions during the combustion process in internal combustion engines. Thus, there is an urge aiming to diversify the number of renewable fuels in order to decrease the environmental impact. Among them, ethanol is notorious, presenting excellent physico-chemical properties. Decreasing the ethanol level on ethanol-in-water mixtures after the distillation process, a lower energy expense can be achieved. This is related to the exponential growing in the energy consumption to obtain mixtures containing ethanol in water concentrations higher than 80% v/v. Therefore, the use of highly hydrated mixtures, despite the decrease in heat values, results in energy savings during its production process. This work evaluates the impact of using mixtures containing high water concentrations in a single cylinder engine, 0.668L, with port fuel injection, and spark ignition combustion. The direct replace of commercial ethanol by highly hydrated mixtures was evaluated through dynamometer tests, so performance and emissions parameters were obtained. After this, it was explored the knock resistance increase due to water addition by increasing the compression ratio, aiming at reaching higher indicated efficiency values. Finally, numerical studies were conducted in order to verify the effect of water concentration increase on laminar flame speed and adiabatic flame temperatures in a one dimensional free flame simulation software. In addition, the induction time for temperature and pressure conditions obtained from experimental results was assessed. As conclusions, the increase in water concentration enabled the use of high compression ratios resulting in higher indicated efficiency values than for commercial ethanol with the same exhaust emission concentrations. Higher water volumes resulted in lower laminar flame speeds and adiabatic flame temperatures. In addition, the induction time values presented two different behavior according to the operating conditions.

The present work studies the use of a two-zone computer model to simulate the operation of an internal combustion engine with spark ignition fueled with alcohol fuels and gasohol. To fit the model to the experimental data, a parameter estimation technique was used and the heat transfer correlation that could better fit the tested fuels and engine was determined. The tested fuels were: hydrous ethanol, wet ethanol (from 10% to 40% of water, by volume), n-butanol, n-butanol/ethanol blend and gasohol. In addition to the experimental tests with the engine, tests with a packed distillation column under batch process were made in order to determine the energy efficiency involved between production and use as a fuel for hydrous ethanol and wet ethanol fuels. The results showed that the two-zone model was able to predict satisfactorily the behavior of all tested fuels, accurately obtaining the engine performance parameters. In terms of energy efficiency, wet ethanol fuels have advantage over hydrous ethanol fuel, especially in the case of 30% of water by volume, where energy efficiency reaches its maximum value, considering the distillation and engine combustion processes. The n-butanol fuel was capable of act as a surrogate for both hydrous ethanol and gasohol with efficiency, leading the engine to have good performance in the tested operational conditions and appearing, due to this, as an interesting alternative of renewable fuel to be inserted in the Brazilian energy matrix. O presente trabalho investiga o uso de um modelo computacional de duas zonas para simular o funcionamento de um motor de combustão interna com ignição por centelha abastecido com álcoois combustíveis e gasolina. Para o ajuste do modelo fez-se uso de técnica de estimação de parâmetros e determinação da correlação de transferência de calor capaz de melhor se ajustar aos combustíveis e ao motor testados. Os combustíveis utilizados foram: etanol hidratado, etanol super-hidratado (de 10% a 40% de água, em volume), n-butanol, misturas de n-butanol e etanol e gasolina e etanol. Além dos testes experimentais com motor, testes de bancada com uma coluna de destilação recheada em regime descontínuo foram realizados a fim de determinar a eficiência energética do processo de produção e queima de etanol hidratado e super-hidratado. Os resultados obtidos mostraram que o modelo de duas zonas é capaz de prever de maneira satisfatória o comportamento de todos os combustíveis testados, com determinação precisa de parâmetros de desempenho do motor. Em termos de eficiência energética, o etanol super-hidratado tem vantagem em relação ao etanol hidratado combustível, em especial quando com 30% de água em volume, onde a eficiência energética é máxima, considerados os processos de destilação e queima no motor. O n-butanol combustível usado mostrou-se capaz de substituir eficientemente tanto o etanol hidratado como a gasolina brasileira, levando o motor a ter boa performance nas condições operacionais testadas e aparecendo, dessa forma, como interessante alternativa de combustível renovável a ser inserida na matriz energética brasileira.