Funcionamento das usinas termoelétricas

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.

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Usinas a gás

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.

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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.

 

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Usinas a vapor

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.

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Ciclo combinado

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.

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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.

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Cogeração

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).

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