MINISTRIO DA EDUCAO SECRETARIA DE EDUCAO PROFISSIONAL E

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE DEPARTAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DO ENSINO COORDENAÇÃO ACADÊMICA Eletronica Centrais Termele tricas Referência: Geração de energia elétrica. Lineu Belico dos Reis. Prof. Luis S. B. Marques

Centrais Termelétricas • As centrais Termelétricas primordialmente consistem no processo de conversão de energia térmica em energia mecânica que por sua vez é convertida em energia elétrica. • A conversão térmica-mecânica é realizada através da expansão de um fluido que produzirá trabalho em turbinas térmicas.

Produção de energia térmica • Transformação da energia química dos combustíveis. • Processo de combustão. • Energia nuclear através da fissão nuclear. • As centrais termelétricas com geração baseada na combustão são conhecidas como termelétricas. As baseadas na fissão nuclear são chamadas centrais nucleares.

Método de combustão • As centrais termelétricas são classificadas de acordo com o método de combustão utilizado: Combustão externa ou interna. • Combustão externa: o combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. Ex: centrais termelétricas a vapor. • Combustão interna: a combustão acontece com uma mistura de ar e combustível. Ex: máquinas térmicas a pistão.

Central Termelétrica combustão externa • A figura abaixo apresenta um diagrama simplificado de uma central termelétrica combustão externa a vapor.

Central Termelétrica combustão externa • Os principais combustíveis utilizados nas centrais a vapor são: o óleo, o carvão, a biomassa e derivados pesados de petróleo. • A grande diversidade da geração termelétrica reside nos combustíveis utilizados. Estes combustíveis compreendem uma gama de recursos energéticos primários não-renováveis e renováveis. • A maioria dos combustíveis fósseis, assim como os nucleares é classificada como fonte primária nãorenovável.

O Petróleo e seus derivados • O petróleo é encontrado na maioria das vezes em depósitos subterrâneos dos quais é retirado. É composto basicamente por hidrocarbonetos, capaz de produzir inúmeros derivados. • O primeiro poço para utilização comercial foi perfurado em 1859, nos Estados Unidos. O querosene extraído destinava-se basicamente à iluminação. • Sua utilização implica em danos ao meio ambiente, pois emite óxidos de enxofre, nitrogênio e carbono, contribuindo para o efeito estufa.

O Petróleo e seus derivados • Com o advento do motor Diesel e com a aceleração da indústria automobilística, o petróleo passou a ocupar um papel de fundamental importância no mundo. • Entretanto, problemas como danos ambientais, políticas mundiais em relação ao preço do barril e custos de importação, tornam o petróleo muito vulnerável a flutuações no preço dos seus derivados. • Hoje o petróleo é o principal componente da matriz energética mundial, pois apresenta baixo custo e uma ampla gama de utilização em diversos setores.

O Petróleo e Geração Termelétrica • A utilização do petróleo na geração de energia elétrica através de termelétricas se dá através de seus derivados: gasolina, óleo diesel e óleo combustível. • Essa modalidade de geração tem apresentado muitos problemas de manutenção e disponibilidade do combustível. Seu substituto tem sido o gás natural. • A geração utilizando óleo Diesel ocorre principalmente em áreas rurais e mesmo urbana em regiões isoladas como na Amazônia e na região centro-oeste.

O Carvão mineral • Apesar de conhecido e utilizado na china em 1100 A. C. , o carvão mineral só passou a ser amplamente utilizado como fonte de energia com o advento da revolução industrial. • O carvão mineral é altamente poluente e 50% de seu consumo é voltado para a geração de energia termelétrica. Felizmente sua utilização no Brasil é muito pequena. • Hoje ele ocupar a segunda posição na matriz energética mundial devido principalmente ao seu baixo custo.

O Gás Natural • É uma mistura de hidrocarbonetos composto principalmente pelo metano (principal componente), etano, butano e outros mais pesados. • O crescimento do gás natural na matriz energética mundial se deu a partir da década de 60. As crises do petróleo de 1973 e 1979 confirmaram o GN como excelente substituto do petróleo em muitas aplicações. • O GN é hoje o 3° combustível na matriz energética mundial. Embora seja uma fonte não-renovável ele apresenta muitos benefícios ambientais quando comparado ao petróleo.

O Gás Natural • Sua composição faz com que seja um combustível pouco poluente, restringindo-se basicamente à emissão de CO 2. • O maior entrave à larga utilização é o alto custo inicial para a construção da malha de gasodutos. • O crescimento do gás natural na matriz energética no Brasil é notável. Em 2016 batemos recorde de produção, totalizando 108, 8 milhões de metros cúbicos em agosto. O Sudeste é o maior consumidor deste combustível.

Combustíveis Nucleares • A energia nuclear utiliza-se da fissão nuclear de certos isótopos de urânio que liberam grande quantidade de energia térmica. • Embora não haja emissão aérea de poluentes, os resíduos nucleares tem caráter permanente e representa risco constante ao meio • Na década de 70 a energia nuclear ambiente. Os grandes foi vista como uma das principais acidentes mundiais alternativas para a geração de contribuíram para a energia elétrica. imagem negativa deste combustível.

Biomassa • A biomassa é aproveitada energeticamente através do uso do etanol, bagaço de cana, carvão vegetal, óleo vegetal, lenha e outros. • Quando manejada de forma adequada a biomassa é um recurso renovável. • Apresenta vantagens ambientais inexistentes em qualquer combustível fóssil: • 1. Não emite óxidos de nitrogênio e enxofre. • 2. O CO 2 emitido é absorvido na fotossíntese.

Biomassa • A biomassa tem como principal fator limitante de crescimento o baixo custo dos combustíveis fósseis e a concorrência com a produção de alimentos (física e econômica). • No Brasil o uso mais importante da biomassa está relacionado com o desenvolvimento dos motores flex. • O uso da biomassa na produção de energia elétrica é mais promissora quando se utilizam os resíduos da cana-de-açucar (o bagaço) , a biomassa florestal e os resíduos sólidos urbanos (lixo).

Biomassa • Os resíduos de cana apresentam baixa densidade energética e por esse motivo devem ser aproveitados em local próximo à usina de extração de sacarose. • A geração de energia elétrica a partir dos resíduos da cana é tratada como co-geração com venda do excedente. • A Cogeração é definida como um processo de produção e utilização combinada de calor e eletricidade, proporcionando o aproveitamento de mais de 70% da energia térmica proveniente dos combustíveis utilizados nesse processo.

Principais tipos de centrais • Os principais tipos de centrais termelétricas são: centrais a diesel, centrais a vapor (não-nucleares), centrais a vapor (nucleares), centrais a gás e centrais geotérmicas.

Centrais a diesel • São muito utilizadas em potências até 40 MW para alimentação de sistemas isolados em regiões longínquas e sem outra fonte de geração. • As limitações são referentes à potência, ruído e vibração excessivos, dificuldade de aquisição de peças de reposição e seu transporte, alto custo do combustível. • As suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação e a simplicidade para o plano de manutenção.

Centrais a Vapor (não-nucleares) • Este tipo de central pode trabalhar tanto em ciclo aberto quanto em ciclo fechado. A operação em ciclo aberto é comum quando se pretende utilizar calor no processo. • Na operação a ciclo fechado pode-se utilizar com um ou mais fluidos, denominada operação em ciclos sobrepostos. • O funcionamento dessas centrais a vapor é baseado no ciclo térmico Rankine.

Centrais Nucleares • Existem diferenças de tecnologia de reatores nucleares: Reatores a água leve, Reatores a água pesada, Reatores a gás, Reatores refrigerados a metal líquido.

Centrais Nucleares • O Reator de água leve é um tipo de reator térmico que usa água como refrigerante e moderador de nêutron (água, H 2 O). • O reator de água pesada utiliza água pesada como um refrigerante/moderador (óxido de deutério, 2 H 2 O). • É quimicamente semelhante à água normal, H 2 O, porém com átomos de hidrogênio mais pesados denominados deutérios, isotopos cujos núcleos atômicos contém um nêutron além do próton encontrado em todos os átomos de hidrogênio.

Centrais Nucleares Reatores térmicos são o tipo mais comum de reatores nucleares, e reatores de água leve são o tipo mais comum de reatores térmicos. Existem três variantes de reatores de água leve; os reatores de água pressurizada, os reatores de água em ebulição e os reatores de água supercrítica.

Centrais a gás Ao contrário de outros acionadores, a história do desenvolvimento das turbinas a gás foi bastante longa e difícil. A instalação térmica a vapor, por exemplo foi relativamente fácil para projetar e construir, porque muito pouca energia é necessária para introduzir a água caldeira, pouca sofisticação • Turbinas a gásna que por limitações é necessária para vaporizar a água o vaporusar produzido metalúrgicas nãoe podem temperaturas certamente gerará mais potênciano doinício que ada consumida tão elevadas expansãopela dos bomba de alimentação de caldeira. gases, precisam para produzir um saldo de potência positivo que os processos de compressão e expansão sejam eficientes. Por muitas décadas as perdas particularmente no compressor, foram tão altas, que não permitiram um saldo de potência positivo para as temperaturas que os materiais na época suportavam.

Centrais a gás A primeira turbina a gás operacionalmente bem sucedida foi produzida na França, por Charles Lemale em 1901. Os desenvolvimentos posteriores desta turbina permitiram que em 1906 fosse produzido uma turbina com rendimento térmico de apenas 4, 5 %. A segunda turbina a gás que teve sucesso parcial foi a proposta por Hans Holzwarth em 1906 -1908 e construída em 1908 -1913 por Brown Boveri. Nas duas primeiras décadas deste século registraram-se algumas outras tentativas mal-sucedidas no sentido de produzir uma turbina a gás operacional. Os esforços que resultaram no sucesso da turbina a gás moderna começaram entre 1927 e 1936 por meio de trabalhos paralelos e independentes de diferentes pessoas.

Aplicações para a turbina a gás 1 – TURBINAS AERONÁUTICAS 2. – TURBINAS PARA TRANSPORTE MARÍTMO E DE SUPERFÍCIE 3 – TURBINAS PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE 4 – TURBINAS PARA ACIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS 5 – TURBINAS A GÁS EM CICLOS COMBINADOS

Princípio de Funcionamento Motores térmicos são máquinas usualmente projetadas para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho no eixo. A queima de um combustível em um espaço aberto produziria apenas calor. A transferência da energia liberada pela queima de um combustível em um motor térmico para o eixo de saída é obtida pelo uso apropriado de um fluído de trabalho gasoso, normalmente o ar, que é obrigado a escoar através da máquina. A maneira usual de tratar o fluído de trabalho é o ciclo termodinâmico composto pelas fases de admissão, compressão, aquecimento, expansão e descarga. Em um motor alternativo, estes processos são realizados sequencialmente em um mesmo espaço fechado, formado entre o pistão e o cilindro onde atua intermitentemente uma quantidade definida de massa.

Princípio de Funcionamento Ao contrário, em uma turbina a gás, o fluido de trabalho escoa sem interrupção, passando continuamente em cada componente que possui uma função específica para este fim. O arranjo básico de uma turbina a gás de ciclo simples é mostrado abaixo. O compressor tem como função conduzir o fluído de trabalho até o aquecimento. O fluído é aquecido por combustão interna num ciclo aberto, ou por troca de calor com uma fonte externa em um ciclo fechado. A turbina é acionada pela expansão do fluído de trabalho comprimido e aquecido e tem como função, além de acionar o compressor, produzir um saldo positivo de potência no eixo, que pode ser usado para acionar uma carga qualquer.

Princípio de Funcionamento

Princípio de Funcionamento A turbina a gás tem sua performance afetada pela variação da vazão mássica de ar que o compressor comprime, pela relação de compressão em que a máquina opera e a temperatura limite de operação (temperatura do gás que entra na turbina).

Princípio de Funcionamento A baixa eficiência das turbinas a gás, quando usadas para acionamento mecânico, é decorrente da alta temperatura dos gases descarregados no exausto e de sua pressão muito baixa para produzir trabalho. A eficiência pode ser melhorada pela recuperação deste calor residual (os gases saem a aproximadamente 510 ºC) para aquecer água para geração de vapor que por sua vez pode ser usado em uma turbina à vapor ou diretamente no processo para aquecimento.

Princípio de Funcionamento Os ciclos de cogeração e combinados são ciclos que recuperam o calor dos gases de exaustão da turbina. Como a eficiência das turbinas a gás em ciclo simples variam de valores inferiores a 20% para unidades de até 3 MW e de valores próximo a 40% para máquinas aeroderivativas de potência em torno de 35 MW, significa que de 80% a 60% da energia térmica é perdida para a atmosfera, daí a importância dos ciclos de Cogeração e Combinados. Entretanto, devemos observar que todos os sistemas de recuperação provocam uma perda adicional de potência na turbina, já que aumentam a pressão do exausto da máquina.

Cogeração –Termelétricas a ciclo combinado Visando maior eficiência energética e melhor desempenho ambiental, tem sido cada vez mais utilizado o princípio de ciclos combinados com turbinas a gás e turbinas a vapor. As técnicas de ciclo combinado permitem a redução do consumo específico de combustível e a consequente redução das emissões de CO 2. Dessa forma, a quantidade de calor perdida pode ser recuperada através do processo de cogeração, cada vez mais utilizado em todo o mundo. Definição: cogeração define os sistemas que simultaneamente geram energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como gás natural, carvão, biomassa e derivados do petróleo.

Principais impactos negativos da geração Termelétricas Os efluentes de uma termelétrica podem ser classificados basicamente em aéreos, líquidos e sólidos. Os efluentes aéreos são os que apresentam maior potencial poluidor. A geração de energia pelas centrais termelétricas é a segunda maior produtora de gases que produzem o efeito estufa, ou seja, dióxido de carbono, principalmente. Os óxidos de enxofre, material particulado (cinzas), óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos completam a lista de efluentes aéreos. Os efluentes líquidos resultam do tratamento da água que utilizam produtos químicos que poluem o solo, lençol freático, cursos d’água, etc. . , além dos líquidos para limpeza dos equipamentos, principalmente nos equipamentos de queima e geração de vapor.