Funcionamento das termoelétricas
Como
funcionam as usinas termoelétricas
Usinas a gás e o gás natural
Usinas a vapor
Ciclo combinado
Cogeração
Como funcionam as usinas termoelétricas
As usinas termelétricas são
máquinas térmicas que têm como objetivo a conversão da energia de um combustível em
energia elétrica.
A eficiência térmica de conversão destas usinas é definida como a razão entre a
energia útil produzida (que gera retorno econômico) e a energia do combustível que é
consumida (que implica em custo operacional).
Em cenários econômicos onde o preço da unidade de energia do combustível é
relativamente alto, a eficiência térmica é um fator muito importante para que estas
usinas se tornem economicamente viáveis.
Duas temperaturas são muito importantes para o bom desempenho de uma máquina térmica:
- Ti a temperatura na qual a máquinna começa a conversão da energia térmica
contida nos produtos da combustão em trabalho
- Tf a temperatura na qual os produutos de combustão são rejeitados na atmosfera
ou temperatura na qual termina o processo de conversão.
Em uma termelétrica, quanto maior a temperatura Ti e quanto menor a temperatura Tf
(mais próxima à temperatura ambiente) maior é a eficiência de conversão.
Outra forma de energia útil que uma termelétrica pode produzir é calor para processos
industriais (que também gera retorno econômico). Neste caso tem-se uma usina de
cogeração.
As usinas termoelétricas podem ser a gás ou a vapor, ou ainda podem ser uma combinação desses dois tipos, como no caso do ciclo combinado.
As turbinas a gás são motores
térmicos que realizam a conversão da energia de um combustível em potência de
propulsão, potência de eixo ou potência elétrica.
Quando comparadas com os outros motores térmicos, apresentam como características
principais:
- menor relação entre custo de capital e potência ( $/kW )
- menor relação peso por potência ( kg/kW )
- menor relação espaço ocupado por potência ( m3/kW )
As turbinas a gás são máquinas de combustão interna ( a mistura de gases resultantes
da queima do combustível é o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina
realizando os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo ) e
portanto necessitam de um combustível de qualidade, por exemplo: gás natural.
O gás natural
O gás natural é um combustível
fóssil, encontrado em rochas porosas no subsolo, podendo estar associado ou não ao
petróleo.
Sua formação resulta do acúmulo de energia solar sobre matérias orgânicas soterradas
em grandes profundidades, do tempo pré-histórico, devido ao processo de acomodação da
crosta terrestre. É composto por gases inorgânicos e hidrocarbonetos saturados,
predominando o metano e, em menores quantidades o propano e o butano, entre outros.
No estado bruto, apresenta também baixos teores de contaminantes, como o nitrogênio, o
dióxido de carbono, a água e compostos de enxofre.
Mais leve que o ar, o gás natural dissipa-se facilmente na atmosfera em caso de
vazamento. Para que se inflame, é preciso que seja submetido a uma temperatura superior a
620°C. A título de comparação, vale lembrar que o álcool se inflama a 200°C e a
gasolina a 300°C. Além disso, é incolor e inodoro, queimando com uma chama quase
imperceptível. Por questões de segurança, o GN comercializado é odorizado com enxofre.
O gás natural pode estar associado ou não ao petróleo.
O gás natural está substituindo o carvão e outros combustíveis mais poluentes nas termoelétricas. Uma prova disso é a construção do gasoduto Brasil-Bolívia, que passa na região de Campinas, como mostra a figura acima.
As turbinas a vapor são máquinas
de combustão externa (os gases resultantes da queima do combustível não entram em
contato com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos
de conversão da energia do combustível em potência de eixo). Devido a isto apresentam
uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive
aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.
INÍCIO
Devido às características das turbinas a gás e das turbinas a vapor, as condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito boas. No ciclo combinado (turbina a gás/turbina a vapor), o calor necessário para a caldeira da turbina a vapor é fornecido pelos gases quentes da exaustão da turbina a gás.
No acoplamento há uma redução na
eficiência térmica de cada turbina. Para a turbina a gás ocorre um aumento da pressão
na saída enquanto que a temperatura na qual começa o processo de transformação de
calor em trabalho na turbina a vapor é reduzida.
Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás/turbina a vapor) resulta na termelétrica
mais eficiente na conversão da energia do combustível em potência elétrica, pois tem
uma temperatura alta de início de conversão de calor em trabalho e uma temperatura de
rejeição de calor muito baixa.
Cogeração é a geração
seqüencial em temperatura de trabalho (energia elétrica ou mecânica) e de energia
térmica (calor ou ‘frio’) através de uma única queima de combustível.
Na cogeração aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes da queima de um
combustível que estão a alta temperatura para geração de trabalho e energia térmica.
Os produtos de combustão a alta temperatura possuem uma grande disponibilidade para
conversão de sua energia interna em trabalho. Quando se utiliza esta energia em baixas
temperaturas (como calor para processo) esta disponibilidade é dissipada. A cogeração
visa o aproveitamento deste potencial, obtendo uma forma de energia de maior qualidade
termodinâmica (trabalho), abaixando a temperatura dos produtos de combustão que depois
fornecem calor para processo.
Um motor térmico (por exemplo, uma turbina a gás) aproveita a energia dos produtos de
combustão produzindo trabalho. Os gases de exaustão são rejeitados a uma temperatura
suficientemente alta para fornecerem calor para processo ao passarem por uma caldeira de
recuperação. A junção da produção de trabalho e de energia térmica com uma única
queima de combustsível e aproveitamento seqüêncial em temperatura resulta em uma grande
economia de energia primária (combustível).