CENTRO EDUCACIONAL MARIA MADALENA FRICHE PASSOSTÉCNICO EM ELETROMECÂNICA - TURMA 04

ENERGIA TÉRMICA

Brumadinho – 2010

CENTRO EDUCACIONAL MARIA MADALENA FRICHE PASSOSTÉCNICO EM ELETROMECÂNICA - TURMA 04

ENERGIA TÉRMICA

César Augusto Sebastião de Sales

Gladson L. Faria

Matheus Bernardino Porto

Maurício Martins Gomes

Milton Geraldo Alves

Talita Aparecida Neto

Trabalho apresentado para avaliação na disciplina de Elétrica básica, do curso Técnico em Eletromecânica, turno da noite, da Instituição SEPRO, ministrado pelo professor João Cláudio.

Brumadinho - 2010

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 1. ENERGIA TÉRMICA2. TERMODINÂMICA2.1 HISTÓRIA2.2 PROCESSOS2.3 PRINCÍPIOS DA TERMODINÂMICA2.4 TRANSFORMAÇÕES TERMODINÂMICAS PARTICULARES2.5 LEIS DA TERMODINÂMICA3. USINA TERMELÉTRICA3.1 FUNCIONAMENTO 3.2 GERADOR ELÉTRICO3.3 A CENTRAL TERMELÉTRICA3.4 TIPOS DE USINA TERMELÉTRICA3.5 A TERMELÉTRICA CONVENCIONAL3.6 O CICLO DO FLUIDO3.7 COMBUSTÍVEIS3.8 USINAS TERMELÉTRICAS À CARVÃO3.8.1 – Caldeira3.8.2 – Grupo Turbina-Gerador3.8.3 – Condensador3.8.4 – Controle de Emissões3.9 FUNCIONAMENTOS EM CICLO COMBINADO3.9.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DAS CCPS's3.9.1.1 Turbinas a Gás3.9.1.2 Caldeira de recuperação de calor - HRSG3.9.1.3 Turbina a Vapor3.9.2. CAPACIDADE PRODUTIVA DAS CCPS's3.9.3. CONFIGURAÇÃO DAS CCPS's3.9.3.1 Instalações com uma turbina a gás3.9.3.2 Instalações com mais de uma turbina a gás:3.9.4 EFICIÊNCIA E DISPONIBILIDADE3.9.4.1 Eficiência Térmica3.9.4.2 Disponibilidade3.9.5 QUESTÕES AMBIENTAIS3.9.6. TEMPO DE CONSTRUÇÃO, INVESTIMENTO E OPERAÇÃO3.10 Cargas Térmicas3.11 CONTROLES DE USINAS TERMOELÉTRICAS3.11.1 Conceito3.11.2 Tipos de Controle3.11.2.1 Controle de carga3.11.2.2 Controle de combustível3.11.2.3 Controle do ar de combustão3.11.2.4 Controle do bypass da turbina3.11.2.5 Controle de água de alimentação3.11.2.6 Controle automático de ciclo combinado3.11.3 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO3.12 CONTROLE DA POLUIÇÃO3.12.1 O que a geração de energia elétrica tem haver com o meio ambiente?

3.12.2 Solução para menos impacto ao meio ambiente3.12.3 Cinzas de Carvão de Termoelétrica ajudam a limpar Meio-Ambiente3.13 Vantagens e Desvantagens3.13.1 Vantagens 3.13.2 Desvantagens3.12.3 Impactos Ambientais2.12.4 É eficiente?3.14 TERMELÉTRICAS NO BRASIL3.15 TERMORIO- A MAIOR TERMOÉLETRICA DO BRASIL 3.16 Usina Termelétrica Piratininga3.17 Usina Termelétrica Presidente Médici3.18 Projeto Sepetiba3.19 Brasil desenvolve usina termelétrica bicombustível

INTRODUÇÃO

O fenômeno da corrente elétrica é algo conhecido pelo homem desde que viu um raio no céu e não se deu conta do que era aquilo. Os efeitos de uma descarga elétrica podem ser devastadores. Há mais de um século o homem é capaz de gerar a energia elétrica de forma controlada e utilizável, através de usinas hidrelétricas, termelétricas convencionais e termelétricas nucleares e também, usinas que se aproveitam da força das marés, dos ventos e da energia solar.

O objetivo deste trabalho é retratar o que foi proposto: o funcionamento mecânico e o ciclo dos fluidos de uma usina térmica, ou também conhecida como termoelétrica.

Há vários tipos de usinas termoelétricas, sendo que os processos de produção de energia são praticamente iguais, porém com combustíveis diferentes. O vapor é que movimenta as pás de uma turbina, ligada diretamente a um gerador de energia elétrica. Essa energia é transportada por linhas de alta tensão aos centros de consumo. Chamam-se Termelétricas por que são constituídas de 2 partes, uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica onde se produz a eletricidade.

A usina termoelétrica possui vantagens como a de ser mais barata que uma usina hidrelétrica e provocar menos impacto ambiental na sua instalação e se administrada de maneira correta, de modo que não provoque a poluição do ambiente com a emissão de gases provenientes queima de seus combustíveis.

1. ENERGIA TÉRMICA

Energia térmica ET é uma forma de energia que está diretamente associada à temperatura absoluta T de um sistema, e corresponde à soma das energias cinéticas Eci que suas partículas constituintes possuem em virtude de seus movimentos de translação, vibração ou rotação. Assume-se um referencial inercial sob o centro de massa do sistema. A energia térmica de um corpo macroscópico corresponde à soma das energias cinéticas de seus constituintes microscópicos. À transferência de energia térmica de um sistema termodinâmico a outro se dá o nome de calor.

Na maioria das reações químicas espontâneas exoenergéticas a energia inicialmente armazenada na forma de energia potencial elétrica na distribuição eletrônica dos elétrons na estrutura dos reagentes é convertida em energia térmica armazenada nas partículas dos produtos, o que mantém a energia interna do sistema formado pelos reagentes e/ou produtos constante em obediência à lei da conservação da energia mas leva a um considerável aumento na temperatura absoluta do sistema como um todo. Este sistema aquecido é então utilizado como a fonte quente (fonte de calor) em uma máquina térmica que tenha por função transformar a energia térmica da fonte quente em trabalho. No processo energia térmica acaba renegada à fonte fria.

O calor na verdade é o fluxo de energia que se dá entre dois sistemas devidos exclusivamente à diferença de temperatura entre esses sistemas ou corpos.

A energia térmica (e o calor) mede-se em unidade de energia: o Joule no sistema SI, ou de forma habitual a caloria.

A definição de caloria é a quantidade de calor (energia) necessária para elevar em 1 grama de água de 14,5 graus Celsius (o C) para 15,5oC.

Em linguagem matemática a energia térmica é definida como:

Etermica = Σi Ec_i

Para sistemas onde vale o princípio da equipartição da energia, o que corresponde à maioria dos sistemas termodinâmicos, ela pode ser expressa por:

Etermica

Onde KB corresponde à constante de Boltzmann, N corresponde ao número de partículas no sistema, T corresponde à temperatura absoluta do sistema e r corresponde ao número de graus de liberdade por partícula do sistema, podendo r assumir valores entre r=9 (três graus de translação, três de rotação e três de vibração) para sistemas compostos por partículas mais complexas e r=3 nos sistemas tridimensionais mais simples (compostos por partículas pontuais com três graus de translação apenas).

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2. TERMODINÂMICA

A Termodinâmica (do grego θερμη, therme, significa "calor" e δυναμις, dynamis, significa

"potência") é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e

volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a Termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas a vapor.

É bastante conhecido o fato de que qualquer porção de matéria ou determinada substância é constituída de partículas denominadas moléculas. As propriedades deste sistema de partículas são determinadas por suas propriedades termodinâmicas.

A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas. Uma abordagem mais elaborada, baseada no comportamento médio de grandes grupos de partículas, é chamada de termodinâmica estatística.

O ponto inicial para a maioria das considerações termodinâmicas são as Leis da Termodinâmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema físico para outro como calor ou trabalho. Elas também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema.

Em Termodinâmica, interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. Para este estudo, os conceitos de sistema e vizinhanças são centrais. Um sistema é composto de partículas cujo movimento médio define suas propriedades, relacionadas através das equações de estado. Propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinadas condições de processos de equilíbrio e espontâneos.

Com estas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem a mudanças em suas vizinhanças. Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tópicos em ciência e tecnologia, como por exemplo máquinas, transições de fases, reações químicas, fenômenos de transporte e até buracos negros. Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da física e da química, engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica, ciências dos materiais e economia, para citar alguns.

2.1 HISTÓRIA

A breve história da termodinâmica começa com Guericke, que em 1650 projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo, através das hemisférios de Magdeburgo. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga

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percepção de que "a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os corpos cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles.

Logo após este evento, o físico e químico Irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em 1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Em tempo, a Lei de Boyle foi formulada, que estabelece que a pressão e o volume sejam inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado com uma tampa fechada hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão ser gerada.

Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que o recipiente explodisse devido à alta pressão. Observando o movimento rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em 1697, baseado nas idéias de Papin, que o engenheiro Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as máquinas fossem brutas e ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina. O texto trouxe as relações energéticas básicas entre a máquina de Carnot, o ciclo de Carnot e a potência motriz. Isto marcou o início da Termodinâmica como ciência moderna.

2.2 PROCESSOS

Sempre que uma ou mais propriedades de um sistema varia, diz-se que ocorreu uma mudança de estado. O caminho através de sucessivos estados pelo qual passa o sistema é definido como processo. Um processo de quase equilíbrio (quasi-estático) é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal, e todos os estados pelo qual o sistema passa pode ser considerado como estados de equilíbrio. Muitos processos reais podem ser aproximados com precisão pelo processo de quase equilíbrio.

2.3 PRINCÍPIOS DA TERMODINÂMICA

De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.

Consideremos um sistema recebendo certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizada para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.

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A expressão

Representa analiticamente o primeiro princípio da termodinâmica cujo enunciado pode ser:

A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. Ela também pode ser representada pela fórmula

, onde n é o número de mols do gás, R é a constante dos gases, Tf a temperatura final e Ti a temperatura inicial do gás.

Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções:

Q > 0: calor recebido pelo sistema. Q < 0: calor cedido pelo sistema. W > 0: volume do sistema aumenta; o sistema realiza trabalho. W < 0: volume do sistema diminui; o sistema recebe trabalho. ΔU > 0: temperatura do sistema aumenta. ΔU < 0: temperatura do sistema diminui.

Uma forma fácil de saber o sinal sem ter que decorar essa tabela é usar as fórmulas. Por exemplo, na fórmula do trabalho W = p(V2 − V1), se V2 > V1, o sinal do trabalho será positivo. Logo, quando o gás realiza trabalho sobre o meio (expansão), o sinal é positivo (volume aumenta). Podemos dizer que a energia interna do sistema é uma função de estado pois ela depende unicamente da temperatura do sistema. Se não há variação de temperatura a variação da energia interna é nula.

2.4 TRANSFORMAÇÕES TERMODINÂMICAS PARTICULARES

Transformação isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna é nula.

Por exemplo, considere um gás sofrendo uma expansão isotérmica conforme mostra as figuras.

A quantidade de calor que o gás recebe é exatamente igual ao trabalho por ele realizado. A área sombreada sob a curva é numericamente igual ao trabalho realizado.

Transformação isocórica: como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho.

Todo o calor trocado com o meio externo é transformado em variação da energia interna.

Se o sistema recebe calor:

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Q > 0 ⇒ U > 0: temperatura aumenta se o sistema recebe calor. Q < 0 ⇒ U < 0: temperatura diminui se o sistema cede calor. Q=cdt=Q=5,0*50Q=250J

Transformação isobárica: Numa transformação onde a pressão permanece constante, a temperatura e o volume são inversamente proporcionais, ou seja, quando a temperatura aumenta o volume diminui, pois ao expandir um gás necessita receber calor do meio para manter sua temperatura.

U > 0 ⇒ temperatura aumenta.

T < 0 ⇒ volume diminui.

Parte do calor que o sistema troca com o meio externo está relacionado com o trabalho realizado e o restante com a variação da energia interna do sistema.

Transformação adiabática: Nessa transformação, o sistema não troca calor com o meio externo; o trabalho realizado é graças à variação de energia interna.

Numa expansão adiabática, o sistema realiza trabalho sobre o meio e a energia interna diminui.

Expansão adiabática ocorre uma diminuição da temperatura.

Durante a compressão adiabática, o meio realiza trabalho sobre o sistema e a energia interna aumenta.

Ocorre uma elevação de temperatura.

Transformação cíclica: Denomina-se transformação cíclica ou cilo de um sistema o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial são iguais.

Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia, havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo.

Num diagrama p x V uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.

Quando o ciclo é percorrido no sentido horário, o sistema recebe calor e realiza trabalho; e no sentido anti-horário o sistema cede calor e recebe trabalho, ou seja:

W=Q já que U=0 isso em ciclo horário. Ex.: máquinas térmicas

Q=W também U=0 quando em ciclo anti-horário. Ex.: máquinas frigoríficas

Em uma transformação cíclica existe equivalência entre o calor Q trocado pelo gás e o trabalho realizado.

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A termodinâmica permite determinar a direção na qual vários processos físicos e químicos irão ocorrer. Também permite determinar as relações entre as diversas propriedades de uma substância. Contudo ela não trabalha com modelos da microestrutura da substância, e não é capaz de fornecer detalhes dela, mas uma vez que alguns dados sejam conhecidos, através do método da termodinâmica clássica, outras propriedades podem ser determinadas.

2.5 LEIS DA TERMODINÂMICA

A termodinâmica é baseada em leis estabelecidas experimentalmente:

A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura.

A Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar: "A energia do Universo é constante".

A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção, mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo".

A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.

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3. USINA TERMELÉTRICA

É uma instalação industrial usada para geração de energia elétrica/eletricidade a partir da energia liberada em forma de calor, normalmente por meio da combustão de algum tipo de combustível renovável ou não renovável.

Chamam-se Termelétricas por que são constituídas de 2 partes, uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica onde se produz a eletricidade.

As Usinas Termelétricas mais conhecidas como Usinas Térmicas são as preferidas no mundo todo, pela sua versatilidade. São de construção simples e rápida, podem ser instaladas junto aos centros de consumo e dispensam Linhas de Transmissão de longo percurso.Nos países de primeiro mundo, cerca de 70% da energia elétrica é produzida em usinas desse tipo.

O custo de produção do quilowatt é maior (o dobro, em média) que o de uma usina hidrelétrica, porém bem menor que o de uma usina nuclear.

Há vários tipos de usinas termoelétricas, sendo que os processos de produção de energia são praticamente iguais, porém com combustíveis diferentes.

Segundo a ANEEL, o Brasil possui no total 1.429 usinas de geração de energia elétrica, onde 1.076 estão em operação, gerando 76.136.364 kW de potência, 110 usinas em construção e outras 243 com sua construção prevista. Das usinas em operação, 618 são termelétricas, representando uma potência de 11.174.321 kW, o que representa 14,68% da potência total. As termelétricas estão também entre 52, das 110 usinas em construção (62,9% da potência total prevista) e 82, das 243 usinas outorgadas, representando 59,23% da potência prevista para as mesmas. Os números apresentados demonstram que o governo vem incentivando a maior participação das termelétricas na matriz energética do país.

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3.1 FUNCIONAMENTO

Em uma usina termelétrica, a máquina responsável pela produção de energia elétrica se chama gerador. Trata-se de uma máquina rotativa composta de um estator, onde estão localizadas as bobinas de fio e de um rotor elétrico Na experiência de laboratório em que se descobriu como se pode produzir eletricidade, a bobina é girada, enquanto o núcleo está parado. Na prática, é mais fácil girar o rotor e manter o estator (bobinas) parado. O campo magnético é fornecido por um ímã ou uma excitatriz que polarizará este rotor.

Dependendo de outra característica do gerador (i.e. quantos dipolos têm), o gerador terá que girar o suficiente para produzir uma tensão elétrica com freqüência de 60 ciclos ou Hertz, que é a freqüência adotada em todo o sistema elétrico brasileiro. Alguns países, como Inglaterra e Japão, operam em 50 Hertz. Quanto mais dipolos menos giros por segundo para se obter 60 Hertz. Assim, se um gerador tem 4 dipolos, precisará girar a 900 rotações por segundo para criar uma tensão de 60 Hertz, 1.800 rotações por minuto se tiver dois dipolos.

O que produzirá esta rotação no eixo do gerador?

Acoplado ao eixo do gerador está uma turbina, que é uma máquina projetada para suportar uma pressão mecânica e produzir um efeito cinético. Até aqui, uma usina hidráulica e térmica e mesmo nuclear, não tem diferença.

A diferença começa a aparecer quando determinamos que fluido vá mover a turbina e como obteremos este fluido nas condições necessárias a manter o conjunto turbina-gerador, ou turbogerador, na velocidade específica que produzirá energia elétrica numa base confiável e constante e que atenda as necessidades dos consumidores que estão ligados a este sistema elétrico.

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Moderna turbina à vapor 

3.2 GERADOR ELÉTRICO

O princípio básico que se desenvolve num gerador elétrico é o seguinte: uma bobina de fio girando, submetida a um campo magnético e com um núcleo de ferro no seu interior ou vice-versa, fará induzir na bobina e aparecer nas suas extremidades uma carga de elétrons.

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3.3 A CENTRAL TERMELÉTRICA

3.4 TIPOS DE USINA TERMELÉTRICA

-Combustão Externa: é a que o combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. A combustão externa é um processo usado principalmente nas centrais termelétricas a vapor em que o combustível aquece o fluido de trabalho, em geral água, em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma turbina produzirá trabalho mecânico.

-Combustão Interna: é a em que a combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluido de trabalho será conjunto de produtos de combustão. A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas maquinas térmicas a pistão como os motores a diesel, por exemplo.

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3.5 A TERMELÉTRICA CONVENCIONAL

Os ciclos mais desenvolvidos para geração termelétrica são: caldeira geradora de vapor, turbogerador a vapor, motogerador com o ciclo diesel ou com óleos pesados e turbogerador a gás natural ou com óleos leves.

O fluido que irá mover a turbina é o vapor produzido numa caldeira de pressão. Uma caldeira vem a ser um equipamento composto de tubos d’água em todo o seu perímetro, formando o que se chama de parede d’água. No interior da caldeira, ladeada pelas paredes d’água, há a zona de combustão ou fornalha, onde o combustível queimará e assim aquecerá a água no interior dos tubos da parede d’água.Este vapor será coletado no topo da caldeira, num equipamento chamado tambor e através de tubulações será conduzido até a turbina. O vapor sob alta pressão e temperatura se expandirá e movimentará as palhetas da turbina.

O Ciclo das Substancias na Termoelétrica Convencional

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De uma maneira geral todas as substâncias envolvidas na execução do trabalho são o combustível, ar e água que são aquecidas antes de entrarem no processo para que se consiga obter o mais alto grau de rendimento.O ciclo térmico normalmente tem baixo rendimento (na faixa dos 30%) e se caracteriza por ser fechado, trazendo o fluido de trabalho novamente ao estado inicial. Isto porque a água numa caldeira de alta pressão tem certas características de pureza, que são obtidas através de tratamento químico para remoção de metais e sais presentes na água comum.A água é transformada em vapor nos tubos d’água da caldeira, mediante a queima de combustível que alimenta continuamente maçaricos que estão instalados no corpo da caldeira. O vapor produzido nestes tubos é levado através de uma tubulação até a turbina.Este jato de vapor sobre as palhetas da turbina fará com que a mesma gire em torno de seu eixo que está conectado ao eixo do gerador elétrico.O vapor depois de transferir energia térmica sob a forma de energia cinética irá para o condensador.O condensador é uma caixa provida de tubos metálicos que são dispostos de forma transversal ao fluxo de vapor. Por estes tubos faz-se passar água com temperatura ambiente, muito mais baixa que a temperatura do vapor de exaustão da turbina. Ao entrar em contato com a superfície fria destes tubos o vapor se condensará.Este condensado de vapor ou água será bombeado para a caldeira novamente, completando o ciclo.Antes de

atingir a caldeira, a água passará por trocadores de calor aquecidos por vapor vindo da turbina (extrações de vapor). O mesmo se faz com o combustível que antes de chegar aos maçaricos é aquecido em trocadores de calor similares, o ar usado para a mistura com o combustível é tomado da atmosfera através de ventiladores que o impelem para dentro da caldeira, o ar passa por trocadores específicos (cestas com chapas corrugadas), que são aquecidos pela passagem dos gases de combustão que vão para a chaminé.

Com estes aproveitamentos de calor, melhora-se o rendimento térmico da unidade.Transformando-se continuamente as energias, energia química (queima de combustível) em energia térmica (vapor) e então em energia cinética (movimento radial do turbogerador), conseguiu produzir energia elétrica.

Ainda aqui vale realizar o comentário sobre o processo de cogeração onde se realiza o reaproveitamento do calor usado em uma turbina a gás de modo que esse calor retorne ao sistema acionando uma turbina a vapor, evitando que esse calor se perca, e ele poderá ser reaproveitado, ou ser usado em outros processos industriais.

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3.6 O CICLO DO FLUIDO

O ciclo fundamental teórico aplicável às termoelétricas a vapor é o ciclo de Carnot e o ciclo base para as aplicações práticas que, neste tipo de geração termelétrica, é o ciclo de Rankine, em que o fluido trabalha num ciclo fechado, e é constantemente reutilizado.Se no ciclo de Rankine se considerar o superaquecimento do vapor, têm-se as condições apresentadas na figura abaixo, onde se distinguem as seguintes transformações:-de 1 para 2, que corresponde ao bombeamento do liquido e, portanto, ao consumo de energia pelo ciclo.-de 2 para 3′, que corresponde ao fornecimento de calor ao vapor na caldeira e no superaquecedor, calor advindo da queima do combustível externo.-de 3′ para 4, que corresponde ao fornecimento de energia para a turbina que irá transformá-la em energia mecânica, acionando o gerador para produzir energia elétrica.-de 4 para 1, que corresponde à retirada do calor (resfriamento) e à passagem do vapor para o líquido para reiniciar o processo.

3.7 COMBUSTÍVEIS

Usina a óleo; Usina a gás: usa gás natural como

o combustível para alimentar uma turbina de gás. Porque os gases produzem uma alta

temperatura através da queima, e são usados para produzir o vapor para mover

uma segundo turbina, e esta por sua vez de vapor. Como a

diferença da temperatura,

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que é produzida com a combustão dos gases liberados torna-se mais elevada do que uma turbina do gás e por vapor, portanto os rendimentos obtidos são superiores, da ordem de 55%;

Usina a carvão;

Falando agora de maneira mais geral se voltando para os combustíveis utilizados para aquecer o fluido, geralmente água, que irá movimentar a turbina, eles possuem uma grande diversidade. Entre esses combustíveis estão principalmente os combustíveis fósseis como derivados do petróleo, carvão mineral e o gás natural. Assim como os nucleares, que utilizam os elementos radioativos. Outras se utilizam a biomassa como combustível originário de plantações manejadas como florestas energéticas ou o bagaço de cana. Ainda sim pode ser encontrar usinas que usam a energia solar para aquecer o fluido.Cada um desses combustíveis possui vantagens e desvantagens em sua utilização, seja ela no custo ou na quantidade de poluentes que ele emite após a sua combustão.Os usos de combustíveis fósseis como o petróleo e o carvão mineral implicam necessariamente em grandes danos ambientais, pois emitem óxidos de enxofre, de nitrogênio e de carbono, contribuindo para o efeito estufa, contra partida apresentam um custo muito baixo e correspondem as principais matrizes energéticas mundiais. Já o gás natural é menos poluente, porem tem um alto custo inicial na instalação do gasoduto que irá conduzi-lo.

O uso de elementos radioativos implica em risco de acidente e na alta demanda de tecnologia para manejá-lo e na falta de locais próprios para depositar os seus resíduos.

3.8 USINAS TERMELÉTRICAS À CARVÃO

O carvão mineral é uma denominação genérica para rochas sedimentares composta principalmente de material orgânico, substâncias minerais, água e gás. É formado da decomposição de vegetais em ambiente primordialmente anaeróbico que através de processos micro-biológicos e químicos, sob efeito da pressão e temperatura produz, através de milhares de anos, a carbonificação da matéria.O carvão mineral serviu como principal fonte de energia para a humanidade entre o final do século 19 e o a primeira metade do século 20 quando impulsionou a Revolução Industrial, chegando a representar cerca de 60% da matriz energética mundial no início do século XX, conforme mostra a Figura 2.1. Foi utilizado principalmente em máquinas a vapor e na produção de ferro e aço. Após esse apogeu, começou a declinar, perdendo espaço, principalmente, para o petróleo, gás natural e hidroeletricidade.

O procedimento geral para a queima do carvão em térmicas, considerando também a extração e preparo do carvão, consiste nas seguintes etapas:

O carvão é extraído do solo, fragmentado e armazenado em pilhas; O carvão é levado às usinas e acumulado em pilhas; Por meio de correias transportadoras, o carvão segue ao setor de preparação de

combustível, o que inclui uma trituração preliminar e uma etapa de pulverização nos moinhos, o que permitirá melhor aproveitamento térmico;

O carvão, na granulometria requerida, é armazenado em silos; Dos silos, o carvão é enviado para a sua queima na fornalha da caldeira, sendo ali

injetado por meio de queimadores.

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Perfil esquemático do processo de produção de energia elétrica a partir do carvão mineral.

O calor liberado por essa queima é transferido à água que circula nos tubos que envolvem a fornalha, transformando-a em vapor superaquecido. Esse vapor é fornecido à turbina movimentando seu eixo. O vapor condensa nas superfícies do tubo do condensador, sendo o calor latente removido utilizando a água de resfriamento de uma fonte fria que é levada ao condensador pelas bombas de circulação. O condensado, logo após as bombas, passa pelo aquecedor de baixa pressão, o desaerador, a bomba de alimentação e os aquecedores de alta pressão, retornando de novo para a caldeira, a fim de fechar o ciclo. O eixo da turbina, acoplado a um gerador, transforma seu movimento giratório em eletricidade que é convertida para a tensão requerida e fornecida aos consumidores por meio das linhas de transmissão.No caso da co-geração, o processo é similar, porém o vapor, além de gerar energia elétrica, também é extraído para ser utilizado no processo industrial.O regime de utilização de térmicas no Sistema Interligado Nacional – SIN, conforme foi exposto acima, é complementar o que, a princípio, apresenta vantagens. Entretanto, para os empreendedores na geração térmica, apresenta componentes que constituem desafios e dificuldades não triviais a enfrentar.Uma primeira dificuldade é equacionar um contrato de fornecimento de carvão que possa apresentar modulações no fornecimento compatíveis com as incertezas do regime pluviométrico. Afortunadamente, a grande maioria do carvão energético minerável no sul do Brasil está disponível para extração a céu aberto, tornando a atividade extrativa uma espécie de trabalho de terraplenagem que permite mobilização e desmobilização de equipamentos com certa flexibilidade. Isso, porém, não é verdade para outras regiões do país e nem para o caso do carvão importado.Outra implicação do regime operacional das térmicas está associada ao fato de que diminuições de carga ou retiradas periódicas de serviço são deletérias, seja para a vida útil das instalações, principalmente as de combustão, seja para a obtenção dos rendimentos nominais, que costumam ser definidos de forma bastante ambiciosa quando da especificação e encomenda das unidades geradoras.A última circunstância acima torna recomendável uma acurada análise prospectiva e de estudo de cenário quando se avalia a aquisição de uma instalação termoelétrica para operar integrada ao sistema interligado, segundo as regras de despacho do ONS.

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Resumindo-se esta apreciação, pode ser comentado que, em seu papel complementar histórico, as térmicas no Brasil vêm sendo prioritariamente garantidoras de disponibilidade, ao invés de fornecedoras regulares de energia.

3.8.1 – CaldeiraA caldeira é o equipamento que produz vapor em alta pressão utilizando a energia térmica liberada durante a combustão do combustível. Esse vapor é utilizado para o acionamento de máquinas térmicas, para a geração de potência mecânica e elétrica, assim como para fins de aquecimento em processos industriais. O tipo e a qualidade do combustível influenciam na construção da fornalha, do queimador e da caldeira. O carvão é geralmente empregado em fornalha de queima em suspensão para combustíveis sólidos.Fornalhas de leito fluidizado apresentam vantagens importantes, sendo a principal a flexibilidade de operação. Fornalhas dessa natureza admitem diferentes tipos de combustíveis, mesmo os que apresentam baixo teor de carbono, alto teor de enxofre e/ou cinzas, e, ainda, a possibilidade de utilização de combustíveis com uma granulometria relativamente grossa, reduzindo o custo de preparação.Os tipos de leito fluidizado mais utilizados são: o convencional ou borbulhante e o circulante. Vale ressaltar, contudo, que os sistemas de combustão em leito fluidizado têm limites de dimensionamento, pois para leitos com áreas acima de 100 m², o ar de sustentação não se distribui uniformemente, influenciando negativamente a eficiência de combustão (EPRI, 2002).

3.8.2 – Grupo Turbina-GeradorUma central termelétrica de geração com ciclo vapor tem como máquina térmica uma turbina a vapor, com o único objetivo de produzir eletricidade. A introdução de alternativas térmicas de recuperação de calor, como o aquecimento regenerativo e o reaquecimento, permite alcançar uma maior eficiência da central. A temperatura na qual a turbina opera é muito importante. Quanto mais elevada a temperatura, maior sua eficiência. O gás que flui pela turbina pode chegar a 1.260ºC, mas alguns metais que a constituem não suportam temperaturas superiores a 900ºC. Por isso, emprega-se ar para resfriamento dos componentes da turbina, o que acaba limitando a sua eficiência térmica.A turbina a vapor é um equipamento mecânico que extrai a energia térmica do vapor pressurizado e o converte para trabalho mecânico rotacional. Uma turbina ideal é considerada um processo isentrópico (ou de entropia constante), onde a entropia do vapor entrante na turbina é igual à entropia do vapor que sai dela. Nenhuma turbina é verdadeiramente isentrópica, porém as eficiências isentrópicas típicas se situam entre 20% e 90%.Para maximizar a eficiência da turbina, o vapor é expandido em vários estágios para gerar trabalho. Tais estágios são caracterizados pela forma como a energia é extraída deles e são conhecidos como turbinas de impulso ou de reação. Várias turbinas modernas são uma combinação dos dois tipos, de modo que as seções de maior pressão são do tipo impulso e as seções de menor pressão são do tipo reação.

3.8.3 – CondensadorO condensador é um trocador de calor no qual se realiza a conversão do vapor de exaustão da turbina ao estado líquido, utilizando água como fluido de resfriamento. O vapor de exaustão vai para o condensador através da seção de exaustão da turbina e condensa ao entrar em contato com a superfície dos tubos resfriados internamente pela água que circula por meio de

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bombas. O ejetor a vapor remove os gases incondensáveis do condensador e mantém um nível de vácuo ótimo para a operação da turbina. A temperatura e a pressão de vapor e a sua pressão no condensador dependem da temperatura e da vazão de água de resfriamento. O condensado acumulado na parte inferior do condensador é bombeado através do sistema de aquecimento regenerativo para a caldeira de vapor, fechando o ciclo.

3.8.4 – Controle de EmissõesUma das alternativas para a redução do nível de algumas das emissões de uma termoelétrica, tais como material particulado, SOx e CO2, é através do aumento de sua eficiência. O gráfico apresentado na Figura 2.8 mostra, como exemplo, o efeito da eficiência sobre as emissões de CO2.O aumento da eficiência de plantas de geração constitui-se na forma de melhor custobenefício e de resultados mais rápidos na redução das emissões citadas (WCI, 2007). Esse é o caso de países em desenvolvimento e de economias em transição onde geralmente as eficiências de plantas existentes são baixas.O controle de emissões gasosas pode ser feito de três formas: após a combustão, através do tratamento dos gases efluentes, durante a combustão, ou antes, da combustão. As tecnologias atuais de tratamento de gases efluentes (pós-combustão) são:Precipitador eletrostático e filtro de mangas – Esses sistemas são responsáveis pela captação do material particulado. A emissão de material particulado na atmosfera é responsável por doenças respiratórias, impactos na visibilidade local e provoca acúmulo de poeira nas regiões vizinhas. O precipitador eletrostático opera carregando eletrostaticamente as partículas e depois as captando por atração eletromagnética. Já o filtro de mangas consiste em um sistema de filtragem pela passagem dos gases através de mangas onde as partículas ficam retidas na superfície e nos poros dos fios, formando um bolo que atua também como meio filtrante. Para reduzir a resistência ao fluxo do ar o bolo deve ser periodicamente desalojado. Os precipitadores eletrostáticos são equipamentos de elevado custo e consumo energético, porém, de alta eficácia. Esses sistemas podem reduzir em até 99,99% o nível de emissão de particulados (WCI, 2007).

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Emissões de CO2 de térmicas a carvão

Lavadores de gases – Os lavadores são usados para capturar tanto os particulados quanto o dióxido de enxofre através da injeção de gotas d’água no fluxo gasoso formando resíduos líquidos. A adição de calcário à água aumenta a absorção de enxofre. Esse sistema exige o tratamento posterior dos efluentes líquidos.Dessulfurizador (FGD – Flue Gas Desulfurization) – Tecnologia de remoção doSOx a partir da lavagem dos gases. As categorias principais são: (i) lavagem úmida usando uma mistura absorvente, normalmente com calcário ou cal; (ii) jato seco usando misturas absorventes similares; (iii) sistemas de injeção de absorventes seco; (iv) lavadores secos; (v) processos regenerativos; e (vi) processos de remoção combinada de SO2/NOx. Os sistemas de FGD podem ser projetados para utilizar calcário ou amônia como absorventes. Uma vantagem da utilização da amônia é a produção de sulfato de amônia que pode ser utilizado como fertilizante ao invés da grande produção de gesso resultante da reação com calcário. Um exemplo esquemático desse sistema é apresentado na Figura 2.9. Esse sistema pode remover até 95% do SO2 contido nos gases de exaustão.

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Diagrama esquemático do sistema FGD.

Sistemas de filtragem de gases quentes – sistemas de remoção de material particulado, mas que operam sob temperaturas (de 260 a 900°C) e pressões (de 1 a 3 MPa) maiores que os sistemas convencionais de remoção de particulados eliminando, com isso, a necessidade de resfriamento dos gases efluentes (WCI, 2007). Essas tecnologias ainda necessitam de maiores avanços em pesquisas para permitir seu uso comercial mais amplo.Redução Catalítica e Não-Catalítica Seletiva (SNCR – Selective Non CatalyticReduction e SCR) – O SNCR consiste em um sistema de redução das emissões de óxidos de nitrogênio através da injeção de amônia ou uréia na fornalha onde os gases estão a uma temperatura entre 870°C e 1150°C para reagir com o NOx formando N2, CO2 e água. Em tese, esse sistema é capaz de alcançar rendimentos de até 90% de redução nas emissões de NOx, porém restrições práticas de temperaturas, tempo e mistura levam a resultados piores(WCI, 2007). Já o SCR consiste na conversão do óxido de nitrogênio em água e N2 através da adição de uma solução redutora, tipicamente amônia anidra, amônia aquosa ou uréia e absorvida em um catalisador.Sequestro de Carbono (CCS – Carbon Capture and Storage) – Sistema de captura e armazenamento de carbono. Constitui-se como uma das principais formas de redução das emissões de CO2 podendo alcançar níveis entre 75 e92% (Rubin et al., 2009). Esse sistema será tratado com mais detalhes adiante. Podem-se citar as seguintes opções para o controle de emissões durante a combustão:Controle da temperatura de combustão e da quantidade de O2 (controle da mistura de ar) de forma a evitar a formação de óxidos de nitrogênio, o que se dá em altas temperaturas. Esse sistema pode reduzir as emissões em cerca de30 a 55% (WCI, 2007);Injeção do combustível junto com material absorvente como, por exemplo, calcário, na câmara de combustão para remoção do enxofre.A Figura apresenta um exemplo de sistema de tratamento de efluentes onde é apresentada uma caldeira em leito fluidizado que tem, como característica, as opções de controle de emissões durante a combustão.

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Perfil esquemático do processo de tratamento de emissões.

Como dito anteriormente, a combustão do carvão gera quantidades significativas de cinzas que são recolhidas no fundo da caldeira (cinzas pesadas) e no sistema de captação do material particulado (cinzas leves). Em função do grande percentual de material inerte contido no carvão nacional, a quantidade de cinzas gerada é ainda maior de quando se usa o carvão importado.Finalmente, o processo de controle antes da combustão se baseia no tratamento do carvão, comumente conhecido como processo de beneficiamento do carvão. É o processo de limpeza na qual a matéria mineral é removida do carvão minerado para produzir um produto mais limpo. O carvão bruto (também conhecido como Run Of Mine – ROM) possui diversas qualidades e contém substâncias como argila, areia e carbonatos.Dentre os benefícios desse processo, pode-se citar:

Redução do conteúdo de cinzas do carvão em até 50%, levando a emissões muito menores de material particulado;

Aumento na eficiência da planta e, consequentemente, redução na emissão de GEE; Aumento do calor específico e da qualidade do carvão, diminuindo o conteúdo de

enxofre e componentes minerais.Esse processo, porém, gera impactos ambientais, conforme já foi apontado nesse capítulo.

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3.9 FUNCIONAMENTOS EM CICLO COMBINADO

As usinas termelétricas a gás natural de ciclo combinado ("Combined cycle power stations" , CCPS's" ), são um tipo de usina térmica que vem sendo adotado em todo o mundo, desde a década de oitenta, e que deverá ser a solução escolhida para a quase totalidade das termelétricas brasileiras a gás natural a serem construídas nos próximos anos - cerca de 35 usinas, totalizando mais de 12.000 megawatts (MW).

Uma usina a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível. Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado, produzindo o vapor necessário ao acionamento da turbina a vapor. Vejamos abaixo as principais características das CCPS's.

3.9.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DAS CCPS's

3.9.1.1 Turbinas a Gás

O principal elemento das termelétricas de ciclo combinado são as turbinas a gás, uma tecnologia em grande parte proveniente dos jatos desenvolvidos para as aeronaves militares e civis, onde o combustível é o querosene. Nas termelétricas, o combustível vem sendo cada vez mais o gás natural, embora seja quase sempre dada a possibilidade de operar com um

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segundo combustível, como o diesel, para evitar interrupções no caso de problemas no suprimento do gás.

Podemos distinguir três componentes principais em uma turbina à gás: o compressor, o sistema de combustão e a turbina propriamente dita, esta última sendo a fonte de acionamento tanto do compressor como de um gerador de energia elétrica. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido no sistema de combustão à pressão de cerca de 13 bar, e temperatura da ordem de 375º C, a qual se eleva a 1250º C com a queima do gás. A energia gerada na expansão que se segue à queima do gás aciona a turbina, reduzindo-se a pressão à atmosférica e a temperatura a cerca de 550º C nos gases de exaustão da turbina.

Se uma turbina estiver operando isoladamente, ou em ciclo aberto (open cycle mode ), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, mais de 60% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. É verdade que a eficiência térmica pode ser melhorada com temperaturas e pressões de entrada mais elevadas, mas isto exigiria materiais mais caros ao longo do caminho do gás, com limitações técnicas e econômicas que podem ser relativizadas no caso de unidades aeronáuticas (especialmente militares), mas são relevantes nas turbinas industriais. Nestas, é fundamental compatibilizar temperaturas e pressões com custos iniciais e de manutenção, esta sempre trabalhosa e demorada.

Assim, não é de se esperar que, mesmo com os desenvolvimentos técnicos já antevistos, as turbinas industriais em ciclo aberto venham a ter eficiência térmica acima de 40%, o que torna este sistema desinteressante para a geração de energia elétrica. A Fig. 1 abaixo mostra este esquema, com o fluxo numérico de energia da unidade.

Turbina a Gás em Ciclo aberto

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3.9.1.2 Caldeira de recuperação de calor - HRSG

Como dissemos acima, as CCPS's têm como um dos seus principais elementos um gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão das turbinas a gás (Heat Recovery Steam Generator - HRSG). Com isto, a eficiência térmica eleva-se substancialmente, como se vê na Fig. 2 abaixo, pois o vapor assim produzido aciona uma turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.

Ciclo combinado

A temperatura máxima que, nestas condições, pode ser obtida no vapor depende da temperatura dos gases de exaustão, que, como vimos, é da ordem de 550º C. Um bom número é vapor a 520º C, e 105 bar de pressão. A quantidade de vapor produzida é suficiente para acionar uma turbina capaz de gerar a metade da energia elétrica da turbina a gás correspondente. Em consequência, um dos arranjos clássicos de uma CCPS são duas turbinas a gás e uma a vapor, todas da mesma capacidade - p.ex., 150 MW cada uma.

Diferentemente dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor diesel, os gases provenientes de uma turbina a gás ainda contém oxigênio, o que permite a queima suplementar de combustível, se for desejado vapor a temperaturas mais elevadas ou em maior quantidade. Nas instalações comerciais, entretanto, este esquema é pouco usado, pois a eficiência térmica global é menor.

3.9.1.3 Turbina a Vapor

O terceiro elemento básico nas CCPS's é a turbina a vapor, cuja função é gerar energia elétrica adicional a partir do vapor produzido no HRSG. Seu funcionamento não difere das turbinas usadas em termelétricas convencionais a vapor, com queima de carvão ou óleo. O vapor saído da turbina é condensado e volta a ser usado como água de alimentação do HRSG.

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Caso a instalação esteja à beira-mar ou próxima de um rio, a preferência é pelo condensador a água, com passagem única. Se isto não for possível, pode-se ter torres de resfriamento (as enormes torres de concreto com perfil parabólico são típicas de termelétricas) ou mesmo, caso não haja água disponível, radiadores resfriados a ar. Neste último caso, os investimentos tendem a crescer e a eficiência térmica da planta fica reduzida.

3.9.2. CAPACIDADE PRODUTIVA DAS CCPS's

A escolha das turbinas a gás determina a capacidade de produção de uma termelétrica de ciclo combinado. Não se pode, porém, arbitrar livremente a potência de uma turbina, pois os poucos fabricantes mundiais têm suas máquinas padronizadas. Encontram-se turbinas a gás desde 1 MW a 330 MW, mas a grande maioria das termelétricas a gás natural usa unidades entre 120 e 330 MW. As capacidades são referidas às condições "ISO" , ou seja, temperatura ambiente de 15º C e nível do mar, e serão reduzidas para temperaturas mais elevadas e altitudes maiores.

Como vimos, o vapor gerado em uma caldeira de recuperação de calor permite acionar uma turbina de potência igual à metade da turbina a gás correspondente. Isto significa turbinas a vapor de 60 a 165 MW, e o tamanho prático de uma instalação com uma turbina a gás e sua correspondente a vapor será de 180 MW ou maior.

3.9.3. CONFIGURAÇÃO DAS CCPS's

3.9.3.1 Instalações com uma turbina a gás

Em instalações de uma única turbina a gás, a que nos referimos no parágrafo anterior, dois arranjos são possíveis: o mais tradicional prevê geradores elétricos separados, acoplados à turbina a gás e à turbina a vapor, mas é possível acoplar as duas para acionarem um único gerador. A Fig. 3 abaixo mostra um esquema deste tipo

Fluxograma típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)Tipo 1+1 em eixo único

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A opção por uma única turbina a gás limita a capacidade total da usina a cerca de 500 MW, e traz problemas de parada total se uma das máquinas apresentar problemas. Desta forma, a preferência é para as instalações com mais de uma turbina a gás, que veremos a seguir.

3.9.3.2 Instalações com mais de uma turbina a gás:

A maioria das térmicas a gás natural em funcionamento ou construção adota a configuração de mais de uma turbina a gás, pois desta forma não há limite à capacidade da usina, e os riscos de paralisação são reduzidos. Como já vimos, um modelo clássico é o chamado 2 + 1, com duas turbinas a gás iguais, cada uma com seu HRSG, e uma a vapor de mesma capacidade. Desta forma, é possível usar três geradores elétricos de mesmo porte para as três turbinas,

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com transformadores e demais equipamentos elétricos também padronizados. Um arranjo deste tipo pode ser visto na Fig. 4, abaixo

Fluxograma típico de uma Termelétrica de Ciclo combinado (CCPS) - Tipo 2+1

Neste tipo de configuração é possível parar uma turbina a gás e seu HRSG reduzindo a capacidade total à metade. Caso a turbina a vapor pare, pode-se operar com o chamado ciclo aberto (vide item 1.1), com grande redução na eficiência térmica.Com base na potência comercialmente disponível das turbinas a gás, conclui-se que uma usina tipo 2 + 1 terá capacidade total entre 360 e 990 MW, embora este limite superior seja na prática de cerca de 800 MW. Uma atenção especial em instalações deste tipo (mais de uma turbina) deve ser dada à divisão de carga entre as máquinas a gás, de forma a equalizar temperaturas e pressões no vapor produzido por seus HRSG's.

A combinação de turbinas a gás e a vapor não está limitada ao arranjo 2 + 1. Há exemplos de até 5 turbinas a gás associadas a uma a vapor, e arranjos de 3 + 1 e 4 + 1 estão em uso comercial em diferentes localizações. O emprego de grandes turbinas a vapor, entretanto, traz dificuldades técnicas a medida que aumenta o número das caldeiras de recuperação de calor que, em paralelo, a alimentam.

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3.9.4 EFICIÊNCIA E DISPONIBILIDADE

3.9.4.1 Eficiência Térmica

A eficiência térmica das CCPS's é melhor que as maiores e mais modernas usinas a carvão ou a óleo. Como exemplos, temos a usina de Drax, na Inglaterra, uma termelétrica a carvão de 4.000 MW, que chega a 40% de eficiência, ou os melhores motores diesel, que podem atingir 44%.

A estas instalações comparam-se as CCPS's - termelétricas a gás natural de ciclo combinado, capazes de atingir 56% de eficiência térmica. Mesmo usinas mais antigas ficam acima de 47%, valores que, com a tecnologia hoje disponível, não são encontrados em nenhuma outra térmica comercialmente em uso.

3.9.4.2 Disponibilidade

Diz-se que uma planta perde disponibilidade quando cessa de gerar energia elétrica, seja por paradas programadas, paradas imprevista ou restrições à produção de qualquer natureza. A disponibilidade é avaliada em bases anuais e termos percentuais, comparando-se a totalidade das horas do ano com as do efetivo funcionamento.

As paradas programadas de uma CCPS são em geral determinadas pelas turbinas a gás, que normalmente são previstas para trabalhar até 8000 horas sem interrupção. Na prática, a perda de disponibilidade situa-se entre 2 e 12% ao ano, fixando-se em 5% em um horizonte de 5 anos. Os demais componentes de uma CCPS - HRSG e turbina a vapor - terão sua manutenção contida nestes prazos.

Dados estatísticos mostram que as demais perdas de disponibilidade situam-se entre 3 e 6%, o que significa que algo próximo a 90% pode ser antecipado como disponibilidade média de uma CCPS.

3.9.5 QUESTÕES AMBIENTAIS

O gás natural é, em princípio, isento de enxofre e de cinzas, o que torna dispensáveis as custosas instalações de desufurização e eliminação de cinzas que são exigidas nas térmicas a carvão e a óleo. O problema da chuva ácida é mínimo em uma térmica a gás natural, e a contribuição para o aquecimento global, por KW gerado, é muito menor que nas correspondentes a carvão e óleo, por força da melhor eficiência térmica. Como o gás natural é rico em hidrogênio quando comparado aos demais combustíveis fósseis, a proporção de gás carbônico gerado por sua queima é significativamente mais baixa.

O problema ambiental mais acentuado nas instalações a gás natural é o de emissão de óxidos de nitrogênio, conhecidos por "NOx". Uma turbina a gás tem níveis maiores de NOx do que caldeiras a óleo ou carvão porque a relação entre o ar e o combustível é muito maior na queima do gás. Os últimos desenvolvimentos técnicos prevêm a utilização de queimadores com injeção de água ou vapor na zona de combustão das turbinas, o que além de reduzir o NOx, ainda eleva a capacidade produtiva de máquina por aumento do fluxo de massa através da turbina.

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A idéia popular de que turbinas a gás produzem alto nível de ruído - impressão que vem das turbinas de avião - não é verdadeira. Em CCPS's bem projetadas, a poluição sonora não excede a de usinas equivalentes operando a vapor, e situa-se facilmente nas exigências legais.

Uma vantagem deste tipo de termelétrica é o de ocupar espaços reduzidos em relação aos demais. Uma instalação típica, 2 + 1, de 360 MW pode ser feita em um terreno de 200 x 400 metros, como pode ser visto na Fig. 5

Arranjo típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)

Também na altura das chaminés as CCPS's trazem vantagens sobre térmicas a carvão ou óleo. Como o gás é basicamente isento de enxofre e cinzas, a chaminé de concreto com 250 m de altura, típica de grandes usinas, pode ser substituída por duas peças de 75 m, em aço. A não existência de grandes áreas de estocagem de carvão ou parque de tanques de óleo é ainda um ponto a favor das usinas a gás natural, embora nelas existam como se pode observar na Fig. 5, reservatórios para combustíveis de reserva.

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3.9.6. TEMPO DE CONSTRUÇÃO, INVESTIMENTO E OPERAÇÃO

Atualmente, com o número de CCPS's aumentando em todo o mundo, os prazos de entrega de turbinas a gás têm se alongado, havendo verdadeiras filas que tornam o tempo de espera incerto. A menos deste inconveniente, o prazo de construção de uma usina tipo CCPS não excede 2 anos, enquanto uma térmica a óleo ou carvão equivalente leva em média 3 anos.

Os investimentos necessários são também menores. Uma usina a carvão, incluindo a unidade de desufurização dos gases de escape da chaminé (hoje exigência em todo o mundo) fica 80% mais cara que uma CCPS equivalente. O gás usado, porém, deverá ser um produto de elevada qualidade, enquanto as outras térmicas podem lançar mão do carvão não tratado ou óleos combustíveis residuais, de custo menor.Não trataremos neste trabalho dos custos operacionais, porém podemos indicar que, graças ao não manuseio de combustível e ao alto grau de automação que se pode alcançar em uma CCPS, o número de operários é comparativamente pequeno em relação às térmicas tradicionais - em uma termelétrica a gás natural de ciclo combinado de 800 MW podemos esperar algo entre 30 e 60 homens.

Assim, é possível afirmar que as CCPS oferecem vantagens competitivas importantes sobre as convencionais. Tratando-se de uma tecnologia relativamente recente, há oportunidades abertas para melhoramentos, seja na eficiência térmica, seja na performance dos equipamentos envolvidos, tornando ainda mais atrativa a economia global deste tipo de empreendimento.

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3.10 CARGAS TÉRMICAS

Um sistema de condicionamento de ar tem como função básica a manutenção das condições de conforto para o homem ou condições necessárias para um produto ou processo industrial.

A carga térmica é definida como a quantidade de calor latente e sensível que deve ser retirada de um ambiente, a fim de garantir o conforto térmico dos seus ocupantes ou as condições necessárias para a manutenção de um processo ou produto.

Para atender às condições térmicas é necessária a instalação de um equipamento com capacidade adequada, determinada pelo pico de carga térmica, ou seja, devem ser calculados os valores máximos do ganho de calor durante o dia para se determinar o maior valor.

É impossível obter o pico real de carga de um recinto devido aos fatores ambientais e da

estrutura a ser condicionada. Tal como uma diferença de temperatura interna e externa para o cálculo do ganho de calor, coeficientes e a inércia térmica da estrutura. Sendo assim, os valores de carga térmica costumam ser estimados pelos projetistas.

Para a estimativa da carga térmica é preciso definir as condições internas e externas ao ambiente. A norma ABNT NBR6401 apresenta recomendações dessas condições para várias localidades do Brasil e de acordo com a finalidade dos ambientes condicionados.O procedimento de cálculo da carga térmica deve considerar alguns aspectos físicos do recinto a ser condicionado. O cálculo fornecerá a potência do equipamento condicionador de ar.

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3.11 CONTROLES DE USINAS TERMOELÉTRICAS

3.11.1 Conceito

Os objetivos básicos das Centrais Elétricas são a conversão, o controle e a distribuição de energia produzida. Nas usinas termoelétricas utilizam geradores de vapor e turboalternadores, cujo nível de automação pode ser tomado como base para as diversas configurações de unidades geradoras, incluindo aquelas que utilizam caldeiras de leito fluidizado e as unidades de ciclo combinado. A apresentação de esquemas alternativos de controle para usinas termelétricas a carvão é, de fato, útil para a compreensão das diversas filosofias básicas de controle que podem ser adotadas em diferentes situações. Nestas usinas, é comum ter-se algumas centenas de variáveis manipuladas sobre controle coordenado. A figura abaixo é um modelo simplificado que mostra algumas variáveis mais importantes de um sistema de caldeira-turboalterador.

Esquema simplificado do sistema de controle de uma usina

Nas usinas geradoras de energia elétrica tem-se progressivamente utilizado moderno sistema de controle e na realidade, poucos fatores podem limitar a plena aplicação dos recursos tecnológicos disponíveis. Uma dificuldade comum é a obtenção de uma instrumentação adequada para a medição de todas as variáveis importantes d processo, incluindo a qualidade e a composição do produto.

Os sistemas automáticos e controle constituem os meios efetivos pelos quais é possível manter os parâmetros de uma usina dentro de faixas estreitas de tolerância. Como resultado, as perdas são minimizadas, a incidência de falhas é reduzida e a confiabilidade da instalação é consideravelmente melhorada. Numa usina termelétrica, para se obter um sistema de controle de alta qualidade, que limite os valores dos desvios absolutos das variáveis controladas, não é suficiente usar controladores modernos com recursos avançados. É necessário, também, que a caldeira e seus equipamentos auxiliares possuam um comportamento sobre transferência de calor, condições de fluxo, qualidade de água de alimentação, etc., mas também às suas

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propriedades dinâmicas. Assim, o modelo matemático da caldeira constitui a base para a escolha adequada dos controladores e seus ajustes, bem com para a determinação da filosofia de controle mais adequada.

3.11.2 Tipos de Controle

3.11.2.1 Controle de carga

O controle é necessário para assegurar a potencia nominal de motores e também permitir o cumprimento fiel de obrigações contratuais, como as que devem ser observadas nas transferências de energia entre diferentes sistemas de geração e transmissão. As propriedades dinâmicas do sistema elétrico e a natureza da carga determinam o

comportamento em regime transitório das unidades geradoras.

3.11.2.2 Controle de combustível

São obtidas através da utilização de sistemas automáticos de controle a supervisão da operação e a coordenação desses ajustes. Qualquer seja o sistema de controle de combustão deve satisfazer dois requisitos básicos: (a) ajustar o suprimento de combustível para assegurar a liberação do calor necessário para a manutenção a vapor; (b) ajustar o fluxo de ar de combustão na proporção adequada, de modo a determinar um processo ótimo de queima.

3.11.2.3 Controle do ar de combustão

A quantidade de ar necessária para queimar qualquer tipo de combustível depende fundamentalmente de sua constituição. Em qualquer caso, é essencial controlar o fluxo de ar, pois o sei uso em quantidades reduzidas ou excessivas diminuiu a eficiente do processo de combustão. É pratica usual medir tanto a quantidade de ar quanto à de carvão injetada na fornalha; porém, mesmo com os melhores equipamentos utilizados para combinar o ar e o carvão para combustão, é necessário adicionar um certo excesso de ar em relação à quantidade teórica calculada.

3.11.2.4 Controle do bypass da turbina

Os sistemas de bypass de turbinas podem oferecer relevantes vantagens em diversas fases operacionais de uma usina termelétrica, entre as quais podem-se destacar:

melhor caracterização do regime de partida e carregamento da turbina; possibilidade de operar a caldeira independente da turbina; redução do problema da erosão na turbina por partículas sólidas; contribuição para a melhoria da estabilidade do sistema elétrico.O controle de fadiga térmica deve ser mantido para minimizar o “custo da vida cíclica” (Cvc) dos componentes da turbina (o custo de vida cíclica é uma medida relativa do numero de partidas de uma turbina até o aparecimento de uma trinca no rotor).

3.11.2.5 Controle de água de alimentação

A estratégia para o controle de água de alimentação varia bastante em função do tipo de caldeira utilizada. A denominação “controle de água de alimentação” não é exatamente

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correta, porque a água de alimentação, na verdade, é apenas a variável manipulada para o controle do nível em uma caldeira a tambor ou para o controle da razão entre fluxos de água de atemperação e água de alimentação em uma caldeira Benson. De qualquer forma, o ”controle de água de alimentação” é uma designação consagrada pelo uso e, por isso, expressa, com boa clareza, as tarefas do controle.

3.11.2.6 Controle automático de ciclo combinado

As centrais termelétricas de ciclo combinado, são diferentes das demais citadas acima, pois deveis ter o como combustível o carvão, ele terá o óleo ou o gás.

A movida a óleo ou gás além de possui os mesmo elementos, também possui tanques de armazenamento, tubulações de óleo ou gás, válvulas de controle e de bypass, pré aquecedores de óleo ou gás, etc. No entando, e termos de resposta, as instalações a óleo e gás são muito mais rápidas do que as instalações a carvão. (Pacheco, Mendes e Ferreira – 2004).

3.11.3 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO

A operação e manutenção das centrais termelétricas podem ser vistas sob dois pontos de vista:

O interno, que compete ao pessoal de operação da usina. Incluiu-se, aqui, o cumprimento das regulamentações para a operação eficiente e segura em regime estacionário e, durante a partida e parada de central termelétrica, a organização dos trabalhos de manutenção, etc.;O externo que compete ao pessoal que opera o sistema elétrico, e gerencia a interrelação da central termelétrica com o mesmo. Precisa-se caracterizar a central termelétrica como objeto de operação: eficiência e custo da operação a diferentes cargas, taxa de tomada e rejeição da carga, duração da partida e consumo de combustível durante a mesmo, mobilidade etc. Estas características constituem a base da tomada de decisões durante o despacho econômico do sistema. No Brasil, o Operador Nacional do Sistema – ONS realiza as funções de planejamento da operação e despacho do sistema interligado. (Lora, Mazurenko e Arrieta – 2004).

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3.12 CONTROLE DA POLUIÇÃO

3.12.1 O que a geração de energia elétrica tem haver com o meio ambiente?

A rápida industrialização e urbanização dos paises em desenvolvimento têm levado a um aumento severo na poluição. Quanto mais pessoas houver, mais energia será necessária e, assim, mais pólos industriais, mais centrais de geração elétrica e , conseqüentemente, mais poluição. (Lora e Teixeira – 2004)

3.12.2 Solução para menos impacto ao meio ambiente

Uma das soluções para atenuar e manter em limites aceitáveis este problema seria a realização de estudos que permitissem decidir a melhor política energética, incluindo a avaliação de todas as possíveis fontes de combustíveis usando cinco critérios: capacidade, custo, segurança, confiabilidade e impactos sobre o meio ambiente. Isso deve ser feito separadamente para cada pais, respeitando suas necessidades e recursos naturais (Hudgson, 1997).

3.12.3 Cinzas de Carvão de Termoelétrica ajudam a limpar Meio-Ambiente

O carvão queimado em usinas termelétricas gera energia, mas também produz resíduos sólidos, cinzas, durante o processo. Essas cinzas são normalmente descartadas de forma inadequada, sem atenção ao meio-ambiente, podendo contaminar águas superficiais e subterrâneas. Mas agora uma pesquisadora do IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) descobriu uma forma de converter essas cinzas tóxicas em material capaz de descontaminar áreas já poluídas.

As cinzas de carvão mineral são constituídas basicamente de sílica e alumina, sendo possível convertê-las em material zeolítico após tratamento hidrotérmico em meio alcalino. Zeólitas são materiais que contêm poros microscópicos, que funcionam como filtros, retendo praticamente todos os metais tóxicos e até algumas substâncias orgânicas.

A idéia está sendo testada com êxito na Usina Termoelétrica de Figueira (Paraná), que possui uma capacidade de geração de 20 MW. O material zeolítico gerado a partir das cinzas da usina foi utilizado para descontaminar a água proveniente de um processo industrial de galvanoplastia contendo altos níveis de zinco. Obteve-se uma média de 88% de remoção e a quantidade do metal na água após o tratamento estava dentro dos limites permitidos pela legislação para descarte no meio ambiente. No processo, cada 1 Kg de zeólita remove até 36 g do metal presente na água.

A substituição da resina normalmente utilizada pela zeólita sintetizada a partir das cinzas de carvão pode representar uma economia de cerca de 42% para as indústrias do setor de processamento de metais. Outro ponto importante é que a zeólita pode ser regenerada e reutilizada, tornando o processo ainda mais econômico.

O material zeolítico poderá ser também utilizado em filtros e barreiras, na correção de solos e no tratamento das águas de drenagem ácida que são geradas na própria usina termelétrica.

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3.13 Vantagens e Desvantagens

3.13.1 Vantagens

Além das já descritas na seção relativa à usina termelétrica convencional, deve ser ressaltado o rendimento térmico do ciclo combinado, que proporciona a produção de energia elétrica com custos reduzidos. A principal vantagem das usinas termelétricas é poderem ser construídas onde são mais necessárias, economizando assim o custo das linhas de transmissão. Entre as vantagens adicionais da geração termelétrica a gás natural estão o prazo relativamente curto de maturação do empreendimento e a flexibilidade para o atendimento de cargas de ponta.As térmicas à Gás tem vantagens em relação as outras como:

- não propagação de cinzas;

- pequena ação nas chuvas ácidas e aquecimento global;

- utiliza pouco espaço e não necessita de reservatórios;

- pode utilizar água proveniente de esgoto;

- Baixo consumo de água para ciclo combinado;

- Baixa incidência de fumaça em ciclo combinado;

- Instalação de Estações de Tratamento da água descartada;

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3.13.2 Desvantagens

As turbinas a gás são máquinas extremamente sensíveis às condições climáticas, principalmente em relação à temperatura ambiente, e apresentam também alterações substanciais de rendimento térmico no caso de operação em cargas parciais.Além disso, outras desvantagens seriam o alto preço do combustível e os impactos ambientais, que dependem preponderantemente do combustível utilizado, como por exemplo, a poluição do ar, o aquecimento das águas, contribuinte significativo para as chuvas acidas, efeito estufa entre outros.

3.12.3 Impactos Ambientais

Como vários tipos de geração de energia, a termoeletricidade também causa impactos ambientais. Contribuem para o aquecimento global através do Efeito estufa e da chuva ácida. A queima de gás natural lança na atmosfera grandes quantidades de oxidantes e redutores, que se entrar em contato com o ser humano, pode acarretar doenças como diarréia; além de ser um combustível fóssil que não se recupera. O Brasil lança por ano 4,5 milhões de toneladas de carbono na atmosfera, com o incremento na construção de usinas termelétricas esse indicador chegará a 16 milhões.

2.12.4 É eficiente?

As usinas térmicas não são propriamente eficientes, em algarismos sua produção global é cerca de 38%, ou seja, somente 38% da energia térmica colocada na usina pelo combustível torna-se aproveitável como energia elétrica. No processo de ciclo combinado pode chegar a ter um rendimento de até 50%

3.14 TERMELÉTRICAS NO BRASIL41

3.15 TERMORIO- A MAIOR TERMOÉLETRICA DO BRASIL

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A usina termelétrica Governador Leonel Brizola da TermoRio (UTE - TermoRio), localizada no município de Duque de Caxias, no Estado do Rio de Janeiro, é, hoje, a maior termelétrica a gás natural instalada no Brasil, com 1.040 MW de potência instalada. Controlada pela

Petrobrás, acha-se apta a ofertar sua energia elétrica quando despachada pela ONS. Na verdade, a usina compõe-se de três unidades autônomas, de fato três termelétricas, a ciclo combinado, das quais a primeira, o chamado Bloco 1, é responsável pela exportação de vapor para a Refinaria, alcançando, em determinadas situações, uma eficiência da ordem de 61,03%; pode produzir até 400 toneladas por hora de vapor, a fim de abastecer, por meio de um sistema de dutos, a REDUC – Refinaria Duque

de Caxias, também da Petrobras. Atualmente, são produzidas 200 toneladas por hora de vapor. Os três blocos constituintes da usina são formados por seis turbo-geradores a gás e três turbo-geradores a vapor. Cada um deles é composto por duas turbinas a gás GT-11N2 e uma turbina a vapor (com os respectivos geradores), duas caldeiras de recuperação, sistemas auxiliares e uma torre de resfriamento de água. A Alstom construiu a termelétrica fornecendo o projeto completo em turn-key com custo de US$ 800 milhões. A capacidade de geração de energia da UTE corresponde a 22% da energia elétrica gerada no Estado do Rio de Janeiro.

Limite da Área Industrial

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Visão geral do Polo Industrial e linha de transmissão

3.16 Usina Termelétrica Piratininga44

O grande desenvolvimento industrial verificado na região de São Paulo, após a última Guerra Mundial, resultou em um elevado consumo de eletricidade e evidenciou a necessidade de ampliação do parque energético. O período hidrologicamente desfavorável ocorrido no início dos anos 50 resultou em um racionamento de energia elétrica, ficando atestada a necessidade de dotar o sistema gerador de uma parcela estratégica de termoeletricidade. Assim, foi construída nas margens do Canal Pinheiros, próximo ao Reservatório Billings, a Usina Termoelétrica Piratininga, que entrou em operação em 15 de novembro de 1954, com seus dois primeiros geradores, com potência inicial de 200MW. Em função da expansão industrial da região, essa potência foi ampliada posteriormente, com a implantação de mais dois conjuntos de turbinas de 136MW cada, inaugurados em 1960, elevando a capacidade para um total de 472MW. Visando à melhoria da qualidade do ar em meados dos anos 80, o combustível utilizado foi substituído por outro menos poluente (óleo com baixo teor de enxofre). Desde agosto de 2000, a usina vem progressivamente utilizando o gás natural, aproveitando as vantagens econômicas e ambientais que este combustível proporciona. Em janeiro de 2001 foi instituído um consórcio com a Petrobrás para que as duas empresas executem a implantação de quatro turbinas a gás em ciclo combinado, aumentando a capacidade de geração.

3.17 Usina Termelétrica Presidente Médici

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A história do complexo termelétrico de Candiota se inicia em 1950 com as primeiras pesquisas sobre o aproveitamento do carvão mineral para geração de energia elétrica.

A primeira usina desse complexo foi Candiota I inaugurada em 1961.

A Usina Termelétrica Presidente Médici - UTPM - Candiota II, do tipo térmica a vapor, está localizada no município de Candiota - RS, distante 400 km de Porto Alegre. A Usina utiliza o carvão mineral como combustível primário.

A construção da UTPM aconteceu em duas etapas. A Fase A da Usina, com duas unidades de 63MW cada, foi inaugurada em 1974 quando foi integrada no Sistema Interligado Brasileiro. No final de 1986 entrou em operação a Fase B com duas unidades de 160 MW cada, totalizando 446 MW instalados.

Destacam-se, no conjunto da Usina, a torre de resfriamento, uma estrutura em casca de concreto com 124 metros de diâmetro e 133 metros de altura que tem a finalidade de resfriar a água utilizada para trocar calor no condensador e a chaminé de exaustão com 150 metros de altura, em concreto, que possibilita ampla dispersão dos gases resultantes da queima de carvão, diminuindo a agressão ao meio ambiente.

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O ecossistema associado à UTPM tem merecido especial atenção da Companhia e de todos os organismos ambientais. Todos os procedimentos de monitoração e controle dos indicadores de qualidade do meio ambiente vêm sendo cumpridos rigorosamente.

Após o processo de federalização da Companhia, a UTPM passou por um programa de manutenção, sendo executado um amplo projeto de revitalização das unidades geradoras. Como resposta, houve um aumento substancial na produção de energia, em relação aos anos anteriores.

Características da Usina

Capacidade instalada: 446 MW

Fase A

02 Turbinas: fabricante - Franco Tosi (Itália); 02 Alternadores (2 x 63 MW): fabricante - Asgen (Itália); 02 Caldeiras - fabricante - Ansaldo (Itália);

Fase B

02 Turbinas: fabricante - Alston (França) 02 Alternadores (2 x 160 MW): fabricante - Brown-Boveri (Suíça) 02 Caldeiras: fabricante - Stein Industrie (França)

Fase C -Tecnologia Chinesa - 1 X 350 MW - entrada em operação em janeiro de 2010.

Combustível : Carvão mineral Poder calorífico : 2.600 a 3.200 Kcal/Kg Cinza: 52,2 a 59,0% Fornecedor: Companhia Rio Grandense de Mineração Local: Mina Candiota Transporte: Correias transportadoras

3.18 Projeto Sepetiba

Usina Termelétrica com potência de 1.400 MW (4 x 350 MW)

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Investimento Total de U$ 2 bilhões.

Instalação no centro de carga da Região Sudeste: Rio de Janeiro

Utilização do Porto de Sepetiba, ao lado do terminal de importação de carvão da CSN

Carvão mineral importado, com baixo teor de cinzas e enxofre.

Prazo de construção de 40 meses

Vista aérea 1

Vista aérea 2

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Planta do Porto de Sepetiba

Pontos fortes do Projeto

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Otimização da geração, contribuindo para o equilíbrio hidro-térmico do sistema elétrico brasileiro.

Usina flexível - custo de geração competitivo, principalmente devido à utilização da energia hidráulica excedente.

A operação flexível da usina é uma garantia de energia e potência de back-up para a região do Rio de Janeiro

Localização próxima ao centro de carga (Rio de Janeiro)

Logística de matéria-prima e subprodutos facilitada pela localização da usina no Porto de Sepetiba

Licença Prévia Ambiental emitida após todo o processo de EIA/RIMA e audiência pública. Atualmente suspensa.

Combustível amplamente disponível a partir de diferentes fontes no mercado mundial: os preços são competitivos

Carvão pode ser estocado e o estoque pode ser regulado por contratos flexíveis de compra

Manuseio de carvão no terminal portuário e pátio já existente da CSN. O terminal tem capacidade instalada para atender o aumento da movimentação de carvão para a usina.

Ficha Técnica da UTE Sepetiba

Potência Bruta 4 x 350 = 1400 MW

Potência Líquida 4 x 320 = 1280 MW

Carvão – Poder Calorífico (PCS) 5900 – 6900 Kcal/Kg

Consumo Específico Líquido 9475 Kjl/kWh

Eficiência Líquida da unidade 40,00%

Consumo Líquido de Combustível (PCS) 0,38 ton/MWh

Disponibilidade Média 91,32%

Tempo Médio de Operação 8.000 horas/ano

Produção de Energia na Base (50%) 5120 GWh/ano

Frequência Nominal 60 Hz

3.19 Brasil desenvolve usina termelétrica bicombustível

Usina flex50

O presidente Luiz Inácio Lula da Silva e o ministro da Ciência e Tecnologia, Sergio Resende, inauguraram, em Minas Gerais, a conversão da Usina Termelétrica Juiz de Fora (UTE JF), que passará a utilizar o etanol como combustível.

Primeira termelétrica do mundo a usar o combustível renovável para geração de energia elétrica, a UTE Juiz de Fora é na verdade uma usina flex (bicombustível). Ela está operando em fase de testes com o etanol desde 31 de dezembro último. A unidade, instalada no Distrito Industrial de Benfica, em Juiz de Fora (MG), tem capacidade instalada de 87 MW.

A turbina adaptada da usina flex tem capacidade instalada de 43,5 MW. Nos próximos cinco meses a usina operará em fase de testes. Neste período, serão avaliados o desempenho da turbina consumindo etanol, a vida útil dos equipamentos e os níveis de emissões atmosféricas, como o óxido de nitrogênio (NOx). Os resultados poderão confirmar a utilização do etanol como mais uma fonte de geração de energia elétrica no Brasil e no exterior.

Geração Petrobras

A UTE JF faz parte do parque gerador da Petrobras, que tem capacidade instalada de 7.028 MW. A Petrobras é a oitava maior geradora de energia elétrica do país em capacidade instalada, com 14 usinas termelétricas a gás natural (5.820 MW), 12 a óleo (892 MW) e 15 pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) - (316 MW).

Dependendo dos testes, além da UTE JF outras quatro usinas termelétricas da Petrobras podem ser adaptadas para utilizar também o etanol na geração de energia elétrica por disporem de turbinas com as mesmas características da que está em testes.

Juntas, as unidades passíveis de conversão têm capacidade instalada de 1.717 MW, o que demandaria 6,4 bilhões de litros de etanol por ano, caso operassem ininterruptamente.

Esse volume representa cerca de um quarto da atual produção brasileira de etanol. As UTEs passíveis de conversão são Mário Lago (922MW) e Barbosa Lima Sobrinho (348 MW), no Rio de Janeiro; Termoceará (222MW), no Ceará; e Rômulo Almeida (138 MW), na Bahia.

Conversão de turbina para álcool

A UTE JF foi escolhida para o projeto-piloto de conversão por oferecer condições físicas para abrigar a nova infraestrutura de tanques e equipamentos e também por ter disponibilidade para

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realização dos testes. O investimento total na conversão da usina para flex foi de R$ 11 milhões.

A conversão para uso do etanol consiste na troca da câmara de combustão, de dois bicos injetores e na instalação de equipamentos periféricos (sistema de recebimento, tanques, bombas, filtros) que permitem o recebimento, armazenamento e a movimentação do etanol para a turbina.

A nova câmara de combustão foi desenvolvida pela General Electric (GE) especialmente para uso de etanol e gás natural. A instalação dos equipamentos na turbina foi realizada na Oficina de Turbo Máquinas da Petrobras, em Macaé (RJ).

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CONCLUSÃO

As usinas termoelétricas têm um mecanismo de funcionamento que consiste em gerar energia elétrica através de um vapor superaquecido que por sua vez impulsiona as turbinas a entram em movimento e que posteriormente é transforma energia cinética em energia elétrica.

O governo brasileiro anuncia a construção de 49 usinas termoelétricas no Brasil inteiro, movidas a gás natural biomassa e petróleo, e entramos em uma questão delicada, se de fato o Brasil precisa dessas fontes geradas de energia ou não. A seguir vamos expor aspectos negativos de uma usina termoelétrica si essa é deste rentável até quais são seus malefícios causados ao homem e a natureza.

Para obtenção do vapor superaquecido é necessário que haja caldeiras em pleno funcionamento, pois então aí que surgi os primeiros impactos ambientais, pois essas usinas são extremamente dependentes de fontes d’água, ou seja são sempre construídas à beira de fontes, mananciais, lagos etc., destruindo o ambiente original, indo mais a fundo destruindo a fauna e flora pelo fato de haver constantes troca de águas, sendo sempre depositado uma água com temperatura elevado em relação a retirada matando assim ecossistemas marinho e modificando o habitat dos peixes.

Para aquecer a água são usados procedimentos como a queima de combustíveis fosseis, biomassa e gás natural em consequência gerando emissão de gases são esses os mais danosos CO2 NOx e o SO2, contribuindo para vários problemas ambientais tais como o efeito estufa,(CO2) o NOx e o SO2, que por sua vez se transformam na atmosfera em poluentes secundários como o ácido nítrico e o ácido sulfúrico, ambos facilmente dissolvíveis em água. Os ácidos também podem se transformar em sais de enxofre e de nitrogênio e estes ácidos, então, podem se precipitar através da chuva (conhecida como chuva ácida), neblina ou neve. Os danos dessa chuva podem ser causados em florestas, plantações, lagos, peixes, prédios, água de abastecimento, carros, pessoas.

Também deve ser levado em conta outro fato importante a respeito das usinas termoelétricas a qualidade de vida das pessoas que residem perto dessa é muito baixa, devido a grande emissão de poluentes no ar esse se torna que inconsumível tal fuligem acumulada na atmosfera gera um “escudo” que inibe a saída desse poluente que por sua vez retorna para o solo, inibe a precipitação, deixando o clima seco e muito inóspito para todos e afeta principalmente as crianças e que sofrem com problemas respiratórios.

Outro fato que nós levamos a refletir a respeito às usinas termoelétrica é seu custo beneficio estima-se que custo médio do MWh da hidrelétrica fica entre US$ 17 a US$ 20, enquanto que o MWh da usina termoelétrica está em torno de US$ 35.

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REFERÊNCIAS

http://termoeletricidade20053a.blogspot.com/

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/pt/Combined_cycle

http://www.gasnet.com.br/novo_termeletricas/ciclo.asp

http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_gás

http://www.acrj.org.br/IMG/ppt/

www.hidroengnet.com.br/termo.ppt

www.ebah.com.br

http://www.em.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/turbinas.html#C

http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_gás

http://estudandoeletrotcnica.wordpress.com/2010/03/02/usina-termoeletrica-convencional-e-nuclear/

http://www.scribd.com/doc/7082781/Livro-Vapor

http://www.scribd.com/doc/7325790/Geradores-de-Vapor

http://www.scribd.com/doc/14974898/TERMODINAMICA

http://www.ecodebate.com.br/tag/carvao/page/2/

Antunes de Oliveira, Edmar. PERSPECTIVAS DA GERAÇÃO TERMELÉTRICA A CARVÃO NO BRASIL NOHORIZONTE 2010-2030 - COPPE/UFRJ; Rio de Janeiro, Junho de 2009

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