termeletrica ufsc 2005 vol 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CURSO DE GERAÇÃO TERMELÉTRICA

TÓPICO 1: FONTES DE ENERGIA

TÓPICO 2: FUNDAMENTOS TEÓRICOS DA TERMODINÂMICA E CICLOS TÉRMICOS

TÓPICO 3: GERAÇÃO TERMELÉTRICA

Ministrante: Prof. Edson Bazzo, D. Eng.

FLORIANÓPOLIS – SC AGOSTO DE 2005

PREFÁCIO STA apostila de slides foi concebida para servir de material de apoio ao curso de Geração Termelétrica, ministrado por professores do Lab-Plan - Laboratório de Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica, do Labs-pot– Laboratório de Sistemas de Potência, e do LabCET – Laboratório de

Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Os dois primeiros laboratórios citados estão vinculados ao programa pós-graduação em engenharia elétrica e o terceiro ao programa de pós-graduação em engenharia mecânica. Os três tópicos iniciais do curso que compõem o volume 1 desta apostila são: Fontes de Energia, Fundamentos Teóricos da Termodinâmica e Ciclos Térmicos, e Geração Termelétrica. Os slides que se seguem são uma tentativa de apresentar, em um mesmo volume, uma visão geral e enca-deada destes importantes assuntos. Embora a busca pela concepção de uma apresentação objetiva tenha sido uma preocupação constante, é de se reco-nhecer que, os slides não esgotam o estudo dos temas. Deste modo, para uma abordagem mais detalhada de algumas partes do curso, será necessário recor-rer às referências listadas pelos ministrantes.

ΕΕ

1

LabCET – Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos – Departamento de Engenharia Mecânica - UFSC

Curso de Geração Termelétrica, Florianópolis, 22/8 a 2/9 de 2005

Curso de Geração Termelétrica

Edson [email protected]



Fontes de Energia

IntroduçãoVisão integrada dos recursos energéticos

Alternativas energéticas para geração de energia elétricaGeração hidrelétrica

Geração termelétrica não-renovávelGeração termelétrica renovável

Energia eólicaEnergia solarHidrogênio

Outras fontes de energia


2



Principais Combustíveis Utilizados no Mundo

Fonte: MME, 2004

Gas Natural21%

Petroleo35%

Carvão Mineral23%

Biomassa10%

Nuclear7%

Outros2%

Hidroelétrica2%



Principais Combustíveis Utilizados no Brasil

Fonte: MME, 2004

Gás Natural6%

Outros28%

Diesel17%Eletricidade

(Hidro)16%

Lenha11%

Carvão6%

Etanol4%

Óleo Combustível

5%

Gasolina7%

3



Alternativas Energéticas para Geração de Energia Elétrica

EnergiaElétrica

Eólica

Solar

Outras

Hidros

Térmicas

Nuclear



Geração de Energia Elétrica no Brasil

Fonte: ANEEL, Maio/2004

Hidros77%

Nuclear2%Térmicas

21%

O mercado de energia elétrica experimenta um crescimento da ordem de 4,5% ao ano, devendo ultrapassar a casa dos 100 mil MW em 2008. O planejamento governamental de médio prazo prevê a necessidade de investimentos da ordem de R$ 6 a 7 bilhões/ano para expansão da matriz energética brasileira, em atendimento à demanda do mercado consumidor.

4




Fonte: ANEEL, Agosto/2005

O sistema elétrico brasileiro apresenta como particularidade grandes extensões de linhas de transmissão e um parque produtor de geração predominantemente hidráulica. O mercado consumidor (47,2 milhões de unidades) concentra-se nas regiões Sul e Sudeste, mais industrializadas. A região Norte é atendida de forma intensiva por pequenas centrais geradoras, a maioria termelétricas a óleo diesel.

Ao longo das últimas duas décadas, o consumo de energia elétrica apresentou índices de expansão bem superiores ao Produto Interno Bruto (PIB), fruto do crescimento populacional concentrado nas zonas urbanas, do esforço de aumento da oferta de energia e da modernização da economia.




Potência Fiscalizada (kW)

Potência Outorgada (kW)QuantidadeTipo

89.39789.352170CGH

28.62531.07511EOL

1.212.6701.240.368249PCH

20201SOL

67.211.08469.966.234142UHE

18.677.05923.762.934812UTE

2.007.0002.007.0002UTN

89.225.85597.096.9831.387Total

Fonte: www.aneel.gov.br Dez/2004

5



Hidro (68 GW)

Térmicas (15 GW)

Nuclear (2 GW)

Eólica (0,029 GW)

Solar PV (0.001 GW)Diesel (3 GW)




ANEELONS

O Sistema Elétrico Brasileiro (Geração, Transmissão, Distribuição e Gerenciamento)

Distribuição

Transmissão

Geração

Demanda

Eletrobras 78%Estaduais 21%Outras 1%

Eletropaulo12%Cemig 12%Light 8%EBE 7%CPFL 7%Copel 5%Celesc 4%Elektro 4%Coelba 4%Cerj 3%Celpe 2%Outras 31%

Eletrobras 32%Itaipú 18%Cesp 8%Cemig 8%

Tractebel 7%Copel 7%Tiete 4%Outras 16%

6



Sistema Interligado Nacional (SIN)

Paraguai recebe royalties do Brasil pela utilização de

50% da energia gerada por Itaipu.

Utilizando a rede de transmissão é

possível transportar energia elétrica de

uma região para outra, compensando

mudanças críticas no consumo e níveis de

água dos reservatórios

750 kV

440 kV

Não há conexão com a região norte

do Brasil



O ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) coordena e controla o despacho de carga das usinas nos sistemas interligados.

O ONS é uma associação civil constituída pelas empresas concessionárias,produtores independentes, importadores e exportadores de energia elétrica

e consumidores livres.

O parque gerador do Brasil é formado por usinas hidrelétricas (87%), termelétricas (10%) e nucleares (3%);

O sistema elétrico do Brasil possui dois grandes sistemas interligados pela Linha Norte-Sul, através de uma subestação de FURNAS em Goiás:

-Sul/Sudeste/Centro-Oeste-Norte/Nordeste

ONS

O Sistema Elétrico Brasileiro (Geração, Transmissão e Gerenciamento)

Não há conexão com a região amazônica, onde predominam usinas termelétricas (70%) e PCH’s (30%), atendendo comunidades isoladas.

7



Importação de Energia Elétrica

Fonte: www.energiabrasil.gov.br



Solar PV0,0%

PCH2,0%

CGH0,1%

Hidro70,1%

Térmicas27,8% RJ

SP

SCFlorianópolis

Tipo Potência (kW)

CGH 9.292PCH 217.538Solar PV 20Hidro 7.726.626Térmicas 3.066.589

Fonte: ANEEL, 2004

Geração de Energia Elétrica na Região Norte(Acre, Amapá, Amazonas, Mato Grosso, Pará, Tocantins, Rondônia e Roraima)

8



HidrelétricasPotencial Hidroenergético(Fonte: ANEEL, 2005)

O potencial hidráulico ou hidroenergético do País é de 260 GW, dos quais apenas 25% estão sendo utilizados na produção de energia pelas usinas hidrelétricas de médio e grande porte e as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH´s). A Região Norte tem o maior potencial para geração hidráulica, 114 GW ou 44%, enquanto a Região Nordeste tem apenas 10% deste total, 26 GW.

Oito grandes bacias hidrográficas compõem o mapa dos rios brasileiros: as bacias do Rio Amazonas, dos rios Tocantins e Araguaia, Bacia do Atlântico Norte e Nordeste, do Rio São Francisco, Bacia do Atlântico Leste, Bacia dos rios Paraná e Paraguai, do Rio Uruguai e Bacia do Atlântico Sul e Sudeste.



HidrelétricasEnergia renovávelVida útil elevada

Usinas Importantes:

Serra da Mesa (Furnas) 1.275 MWTucuruí (Eletronrte) 4.240Sobradinho (CHESF) 1.050Itaparica (Eletronorte) 1.050

Três Marias (CEMIG) 396Furnas (Furnas) 1.312Mascarenhas (Furnas) 478Nova Ponte (CEMIG) 510Emborcação (CEMIG) 1.192Itumbiara (Furnas) 2.280São Simão (CEMIG) 1.710

Marimbondo (Furnas) 1.488Água Vermelha (Tietê) 1.396

Jurumirim (Duke/ Paranapanema) 98Chavantes (Duke/ Paranapanema) 416Capivara (Duke/ Paranapanema) 640

G. B. Munhoz (Copel) 1.676Salto Segredo (Copel) 1.260Salto Santiago (Tractebel) 1.420

Passo Fundo (Tractebel) 226Passo Real (CEE) 158Foto: Hidrelétrica de Funil (FURNAS), 216 MW

Usinas Importantes:

Itaipu 6.300 MWJupiá (CESP) 1.551Ilha Solteira (CESP) 3.444Xingó (CHESF) 3.000Paulo Afonso (CHESF) 3.974

9



0

5

10

15

20

25

30

Capa

cidad

e (%

)

Para

naib

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São

Fran

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Gran

de

Toca

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s

Para

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nem

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Igua

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Para

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Outra

s Bac

ias

Capacidade Normal Situação em 31/12/2000

HidrelétricasPrincipais Bacias, Capacidade dos Reservatórios e Risco de Blackout(Fonte: ONS, 2000)

NÍVEL DOS RESERVATÓRIOS REGIÃO SUL/SUDESTE

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

1998 1999 2000 2001



Hidrelétricas

Foto: Hidrelétrica de Funil (FURNAS), 216 MW

Sudeste e Centro-Oeste: 176 GW/mêsNível Atual. %

Rio Paranaíba (38,5%):Emborcação 81,26Nova Ponte 95,42Itumbiara 90,42São Simão 77,43Rio Grande (31,3%):Furnas 94,92Mascarenhas 80,64Marimbondo 80,04Água Vermelha 87,74Rio Paranapanema (7%):Jurumirim 65,67Xavantes 58,68Capivara 64,99

Nível Atual dos Reservatórios(Fonte: ONS, julho 2005)

Sul: 16 GW/mêsNível Atual, %

Rio Iguaçú (65,4 %):Salto Santiago 94,72G. B. Munhoz 92,50Segredo 71,43Rio Jacuí (21,5 %):Passo Real 86,86Rio Uruguai (10,5 %):Passo Fundo 97,87

Norte e Nordeste: 62 GW/mêsNível Atual, %

Rio São Francisco:Sobradinho 83,68Três Marias 85,83Itaparica 95,63Rio Tocantins:Tucuruí 87,38Serra da Mesa 46,49

10



Termelétricas

Não dependem do climaSão poluentes

Usinas Importantes:

Jorge Lacerda (Tractebel) 857 MWPiratininga (EMAE) 472Santa Cruz (FURNAS) 600

Foto: Termelétrica Jorge Lacerda – Unidade 7 (Tractebel Energia), 370 MW

As usinas termelétricas passaram a ganhar força no País, principalmente em virtude da evolução tecnológica, do crescimento da malha de gasodutos e da maior facilidade em se adquirir o gás natural, combustível principal desse tipo de unidade geradora.



Termelétricas

Foto: Termelétrica Piratininga (EMAE), 472 MW

O processo de outorga passou, no ano de 1999, por uma ampla reestruturação. A matéria foi regulada pela Resolução ANEEL nº 112, de 18 de maio de 1999, a qual estabelece os condicionantes necessários à obtenção de Registro (centrais até 5 MW) ou Autorização (centrais acima de 5 MW) para a implantação, ampliação ou repotenciação de centrais geradoras termelétricas, eólicas e de outras fontesalternativas de energia.

A ANEEL também avalia as propostas das indústrias que investem em cogeração e desejam contar com os mesmos preços do gás natural oferecido às usinas térmicas beneficiadas pelo Programa Prioritário de Termelétricas (PPT), do Ministério das Minas e Energia, sendo necessária a sua qualificação pela ANEEL conforme regulamentado pela Resolução nº 21, de 20 de janeiro de 2000.

Legislação(Fonte: ANEEL, 2005)

11



Acre(122 MW)

Amazonas(1.405 MW)

Amapá(206 MW)

Roraima(194 MW)

Rondônia(806 MW)

Pará(5.749 MW)

Tocantins(0 MW)Mato Grosso

(1.567 MW)

Fonte: ANEEL, 2004

TermelétricasDiesel



Grupos Geradores

Sala de Controle

Turbina

Foto:Rio Acre (ELETRONORTE)Potência: 36.465 kW

Turbinas DieselRio Branco, AC

12



Santa Rosa do Purús (150 kW) (GUASCOR)

Control Panel

Power House

Diesel Engine Generator

Motogeradores DieselSanta Rosa - AC



Cogeração

O conceito de cogeração está associado à produção combinada de energia mecânica/elétrica com energia térmica, para suprir necessidades de uma ou mais unidades de processo.

Grandes empresas brasileiras vêm se tornando auto-suficientes em produção de energia com a ajuda do gás natural, ou biomassa. O material que antes era descartado pela indústria de celulose passou a ser utilizado como combustível para aquecer as caldeiras. A fábrica da Coca-Cola, em Jundiaí (SP) usa o gás natural para produzir energia elétrica, água quente e gelada, gás carbônico, nitrogênio e ar comprimido.

Foto: Rigesa (Barra Mansa-SC), 7.800 kW

13



A energia nuclear tornou-se a segunda fonte mais empregada para a produção de energia elétrica nos países industrializados da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) e a terceira fonte mais utilizada em nível mundial.

Eletronuclear: Criada em 1997, como resultado da fusão da área nuclear de FURNAS, responsável pela operação de Angra 1 e pela construção de Angra 2, com a NUCLEN, empresa de engenharia detentora da tecnologia de projeto de Angra 2 e Angra 3.

Usina Termonuclear

França 76 %Lituânia 77Bélgica 57Bulgária 42Rep. Eslováquia 44Suécia 46Ucrânia 44Rep. Coréia 42

Fonte: Associação Brasileira de Energia Nuclear (ABEN) 1999.

Países com participação significativa de termonucleares na sua matriz energética (2004):



Reator NuclearProteção

A vareta de combustível é a primeira barreira contra a saída de material radioativo para o meio ambiente.

14



O vaso de pressão do reator é a segunda barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.

Vaso de aço montado sobre uma estrutura de concreto com cerca de 5 m de espessura na base.




O vaso de contenção é a terceira barreira para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente.


15



O edifício do reator é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos (queda de aviões, explosões, etc).




Vista Geral

Sala de Controle

Conjunto Turbo-Gerador

Angra dos Reis (Eletronuclear)Potência: 657 MWInício da Construção: 1972Entrada de Operação: 1985

Usina Termonuclear

16



Variedade Carbonífera mais nova que a hulha; produz óleo com o emprego de solventes ou por destilação (pirólise)

Depois dos Estados Unidos, o Brasil possui a segunda maior reserva do mundo: 800 bilhões tEP.

XistoLocalização no Brasil



XistoProcessamento

17



Energias Renováveis

A busca por alternativas às fontes tradicionais de produção de energia abre caminho para um novo mercado no País. Os procedimentos e requisitos necessários à obtenção de registro ou autorização para a implantação de centrais geradoras a partir de fontes alternativas de energia estão estabelecidos na Resolução ANEEL nº 112, de 18 de maio de 1999.

A Lei nº 9.648, de 27 de maio de 1998 altera várias leis do setor elétrico e estabelece incentivos às fontes alternativas renováveis de energia que substituam a geração termelétrica com derivados de petróleo em sistemas elétricos isolados. Permite que essas fontes usufruam dos benefícios da sistemática de rateio da Conta Consumo de Combustíveis - CCC, conforme estabelecido na Lei nº 8.631, de 4 de março de 1993. A regulamentação desse dispositivo foi feita pela Resolução ANEEL nº 245, de 11 de agosto de 1999, revogada e substituída pela Resolução ANEEL nº 784, de 24 de dezembro de 2002, em atendimento aos novos dispositivos da Lei 10.438, de 26 de abril de 2000, relativos à sub-rogação da CCC.

Legislação(Fonte: ANEEL, 2005)



Protocolo de Kyoto(Greenhouse-Gas Emission)

A luz do Protocolo de Kyoto, países industrializados devem reduzir a emissão de gases de efeito estufa (GHG).

Em termos gerais, o objetivo é reduzir GHG para 5.2% abaixo dos níveis de 1990 até o ano de 2012.

Seis GHGs são considerados:CO2: Carbon dioxideCH4: MethaneN2O: Nitrous oxideHFCs: HydrofluorocarbonsPFCs: PerfluorocarbonsSF6: Sulphur hexafluoride

Em 2005, os preços praticados no mercado de carbono têm variado em torno de 21 €/tCO2 (PointCarbon Norway, 8/8/2005),Fonte:Point Carbon Norway, Internet site http://www.pointcarbon.com, Oslo, Agosto 2005.UNCTAD/Earth Council Carbon Market Programme,

O Brasil pode se candidatar como país-sede de projetos de tecnologia limpa, podendo tornar-se vendedor de créditos de carbono e alvo de investimentos internacionais.

€/tC

O2

18



Fonte: MME, 2004

0

5

10

15

20

25

Brasil USA Japão Suécia Mundo

ton

CO

2 por

hab

itant

e

Emissão de Gases de Efeito Estufa(Greenhouse-Gas Emission)

Diversos programas governamentais estão em andamento, a maioria focando tecnologias dedicadas a energias renováveis, basicamente para deslocamento de diesel na geração de energia elétrica.

0500

100015002000250030003500

Brazil USA Japan World

ton

CO2

/km

2



Fonte: SHP News, 2003

Em 1998, foi estabelecido o mecanismo da “Sub-Rogação” como motivação para novos investimentos em PCH (<30MW), basicamente buscando soluções para deslocamento do diesel utilizado em sistemas isolados. De acordo com a Lei Nº 9648, qualquer companhia poderá requerer até 75% do capital investido, da Conta Comum de Combustíveis no caso de efetiva redução no consumo de diesel. Mais tarde, em 2002, através da Lei Nº 10.438, o benefício foi estendido também para aplicações com fontes renováveis de energia, agora incluindo energia eólica, solar PV e biomassa.

Em novembro de 2003, o MME lançou o programa “Luz para Todos”, apontando para a universalização do campo, de modo a levar energia elétrica a 12 milhões de pessoas até 2008. O programa teria destinado cerca de 2,3 bilhões de dólares proveniente do governo e empresas parceiras, dos quais cerca de 1.8 bilhões de dólares de fundos setoriais de energia.

Programas Governamentais

Em 1984 o governo estabeleceu o programa PRODEEM, objetivando o suprimento de energia elétrica para a população localizada em regiões remotas, não atendidas pela rede elétrica convencional, usando fontes renováveis e ambientalmente sustentável de energia. Conforme relatado em 2003, cerca de 350 mil pessoas foram beneficiadas pelo programa desde 1998, a maior parte sendo atendida por sistemas fotovoltaicos (PV), suprindo energia elétrica para escolas, postos de saúde e centros comunitários, para bombeamento de água e iluminação pública. O prosseguimento do programa tem sido discutido, no sentido de estender o programa para outras fontes de energia (PCH, CGH, eólica e biomassa).

19



Tipos:Biodiesel, etanol e óleos vegetais

Florestas energéticasResíduos industriais

Bagaço de canaCasca de arroz

SerragemCavacos

OutrosResíduos agrícolas

Resíduos animais Lixo urbano

BiogásLenha

etc

Etanol e metanol em motores do tipo Otto (Programa Pró-Álcool).

Óleos vegetais em motores diesel ou motores diesel ottolizados.

Biomassa para gaseificação ou geração direta de vapor: bagaço de cana, cavacos, serragem, etc.

Indústria sucro-alcooleira com potencial estimado de 12.000 MW. As melhores instalações produzem 30 kWh/ton cana.

Indústria madeireira na região amazônica. Estima-se que existam aproximadamente 5000 madeireiras na região amazônica, quase todas queimando diesel para geração de energia mecânica ou elétrica.

BiomassaGeração Termelétrica



Fonte: SEM/MME, 2004

BiomassaConsumo de Biomassa no Brasil (106 ton)

0

5

10

15

20

25

1990 1995 2000 2003

Ano

Con

sum

o de

Ene

rgia

, 106 to

e

LenhaBagaço de canaLicor negroÁlcool etílico

20



Fonte: MME, 2004

Álcool EtílicoBrasil: Produção vs Consumo

O Brasil é o maior e mais competitivo produtor de etanol carburante no mundo, seguido pelos Estados Unidos e China. O potencial de exportação é de até 10 milhões de m3/ ano até final da década, equivalente a US$ 2,0 bilhões/ano.

As melhores perspectivas de mercado externo para o álcool brasileiro se concentram hoje no Japão, Coréia e nos Estados Unidos, com possibilidades pontuais na UE, China, Índia e Austrália.

ÁLCOOL ETÍLICO - 106 m3

0

2

4

6

8

10

12

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19

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85

19

88

19

91

19

94

19

97

20

00

20

03

PRODUÇÃO

CONSUMO



O Programa Pró-Álcool, criado em 1975, representou o esforço de melhores resultados no desenvolvimento de fontes renováveis para substituição de derivados de petróleo. Atualmente, o custo de produção do etanol é menor do 50 dólares o barril e é largamente utilizado como combustíveis de automóveis bi e tri-combustível. A redução na emissão de CO2 é uma característica atrativa e vantagem importante do programa.

Pró-Álcool

Motores “flex fuel” da Scania, com taxa de compressão variável.

Os motores a gasolina mais modernos têm taxa de compressão 10:1, enquanto os motores a álcool a taxa gira em

torno de 12,5:1. Para queimar 1kg de gasolina são necessários

aproximadamente 13 kg de ar, enquanto para queimar 1kg de ácool, são necessários algo em torno de 9 kg de ar.

Um sensor mede a quantidade de oxigênio nos gases queimados (sonda Lambda), indicando mistura pobre ou

rica,acionando o sistema de gerenciamento. Ascorreções são feitas em milisegundos, sem problemas

perceptíveis.

21



Poços de Captação

Desumidificador

Eletricidade Gerada

Tocha deIncineração

Grupo Geradorcom Biogás

Estação de Mediçãoe Regulação

O biogás é formado de uma mistura gasosa saturada,resultante do processo de decomposição do lixo,

pela ação de microorganismos.

CH4 62 %CO2 37Outros 1

Pci = 5600 kcal/Nm3

Fonte: GUASCOR

BiogásGeração Termelétrica com Biogás (Aterros Sanitários)



A china possui cerca de seis milhões de biodigestores, que representam 2 usinas de Itaipu

Biodigestor Chinês

Biodigestor Indiano

BiogásBiodigestores no Mundo

22



Capacidade Instalada (2004):

Alemanha 14.610 MWEspanha 6.200Dinamarca 3.000Brasil 28

Energia Eólica



Palmas, PR 2.500 kWOlinda, PE 1.500Mucuripe, CE 1.200Taíba, CE 5.000Prainha, CE 10.000Morro Camelinho, MG 1.000Bom Jardim da Serra, SC 600Fernando de Noronha 75

Energia Eólica no Brasil

Fonte: ANEEL, 2004.

Em 2002 estimou-se um potencial eólico brasileiro da ordem de 143,5GW e 272,2 TWh/ano.

23



Estima-se um potencial eólico de 6000MW no Nordeste

Mapa de ventos do Brasil. Resultados preliminares do CBEE (1998).

Potencial Eólico do Brasil

> 8.5 m/s

7 to 8.5 m/s

6 to 7 m/s

5 to 6 m/s

Energia EólicaLocalização no Brasil(Fonte: ANEEL, 2005)

São Tomé–Maracanã-PADiesel 20 kVASolar PV 3.2 kWpEólica 10 kW Em operação desde 2003www.ufpa.br/gedae



Estima-se um potencial eólico de 6000MW no Nordeste

Mapa de ventos do Brasil. Resultados preliminares do CBEE (1998).

Potencial Eólico do BrasilEnergia EólicaPotencial no Brasil

Praia Grande–Ponta de Pedras–Ilha do Marajó–PADiesel 7,5 kVAEólica 25 kW,Em operação desde 1999www.ufpa.br/gedae

24



(Fonte: COGERAR)

Energia SolarAltas Temperaturas



Aplicações:Geração de energia elétricaBombeamento de águaTransmissão de dadosOutros

Alexandre Edmond Becquerel, França 1839Chapin, Fuller & Person, EUA 1954

Energia SolarPainéis Fotovoltaicos

Sistema híbrido diesel/fotovoltaico instalado em Araras-RO, 20.480 Wp conectado à rede isolada, em

operação desde 2001 (Labsolar/UFSC/ANEEL)

25



O hidrogênio compõe:75% da massa do Universo; 30% de massa do Sol;70% da superfície terrestre, através da água e dos compostos orgânicos.

O hidrogênio possui maior entalpia de formação por unidade de massa do que qualqueroutro combustível e quando queimado com oxigênio puro, o único produto é vapord’água.

HidrogênioProdução Mundial de H2 (2002)

EletróliseGaseificaçãoReforma a VaporOxidação ParcialReforma a Vapor

4%18%30%48%

Renováveis Renováveis CarvãoCarvãoPetróleoPetróleoGás NaturalGás Natural



Energia Geotérmica

Energia geotérmica é o calor armazenado pela crosta terrestre e transportado à superfície como vapor ou água quente.

Nos Estados Unidos, a capacidade instalada é superior a 2.700 MW, gerando eletricidade a custos inferiores a 8¢ por kWh.

O potencial energético no Brasil é estimado em 3000 MW.

26



Energia dos Oceanos

Os oceanos constituem aproximadamente 71% da superfície terrestre, apresentando-se como os maiores coletores de energia solar do planeta:-Energia de Marés-Energia de Ondas-Energia associada ao Diferencial Térmico (OTEC)

“60 milhões de km2 de mar tropical absorvem uma quantidade de radiação solar equivalente a 250 bilhões de barris de petróleo. Se um décimo de 1% dessa energia pudesse ser convertida em energia elétrica, daria para suprir mais de 20 vezes o consumo de eletricidade dos Estados Unidos.” (NREL)



Energia dos Oceanos

Distribuição dos recursos disponíveis em águas profundas em MW/km2

Fonte: ENERLINK

27



Fundamentos Teóricos da Termodinâmica e Fundamentos Teóricos da Termodinâmica e Ciclos TérmicosCiclos Térmicos

Primeira Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica

Conceitos sobre Energia e ExergiaCiclos de Carnot, Rankine, Otto e Brayton

Ciclo CombinadoCogeração



Fundamentos Teóricos da Termodinâmica e Fundamentos Teóricos da Termodinâmica e Ciclos TérmicosCiclos Térmicos

Bibliografia Recomendada

Michael J. Moran and Howard N. Shapiro, Princípios de Termodinâmica para Engenharia; LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.,4 ed, Rio de Janeiro, 2002;

Yunus A.Çengel and Michael A.Boles, Thermodynamics An Engineering Approach; McGraw-Hill, Third Edition, 1998.

28



Primeira Lei da TermodinâmicaSistemas

A energia interna do sistema pode estar associada à matéria de modo organizado (energia mecânica, elétrica, magnética etc) e/ou aleatório (agitação molecular).

A Primeira Lei da Termodinâmica está relacionada ao princípio daconservação de energia.

2 1E E E Q W∆ = − = −

E Ec Ep U= + +

CalorTrabalho

Energia cinéticaEnergia potencialEnergia interna

PressãoTemperatura

Energiatransferida

Q e Wrepresentam rigorosamente transferências de energia e não transferências de calor e trabalho.



Primeira Lei da Termodinâmicapara Volume de Controle

2 2

( ) ( )2 2

vcvc vc

e s

dE v vQ W m h z m h zdt

= − + ⋅ + + − ⋅ + +∑ ∑& & & &

h u pυ= +

onde

A entalpia “h” é introduzida como propriedade termodinâmica por conveniência,sendo geralmente tabelada juntamente com outras propriedades. O uso da entalpia foi primeiramente atribuido a Richard Mollier, por reconhecer a importância do grupo “u+pv” na análise e projetos de turbinas a vapor.

vce s

dm m mdt

= −∑ ∑& &

m v Aρ= ⋅ ⋅& &

29



EntropiaIrreversibilidade

Geração de entropiaDisponibilidade

Exergia

Ela está fortemente relacionada ao estudo de ciclos térmicos e conduz à definição de uma nova propriedade chamada entropia. Ao contrário de energia, entropia é uma propriedade não conservativa.

A Segunda Lei da Termodinâmica sustenta que todo processo ocorrenuma única direção e está relacionada com a probabilidade que determinados eventos aconteçam.

0QTδ

≤∫Para processo reversível:

Segunda Lei da Termodinâmica

0rev

QTδ⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠∫

A entropia foi definida com base na desigualdade de Clausius, que estabelece que:



QdSTδ

<

Então, para processos irreversíveis:

Segunda Lei da Termodinâmica

2 1rev

QS STδ⎛ ⎞− = ⎜ ⎟⎝ ⎠∫

De acordo com Clausius, pode-se demonstrar que a integral de δQ/T possui mesmo valor para qualquer processo internamente reversível entre dois estados, isto é, o valor dependeapenas dos estados inicial e final, portanto, representando a variação de alguma propriedadedo sistema. A essa propriedade é dado o nome de entropia. Assim, para processosinternamente reversíveis:

rev

QdSTδ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

ou

gerQdS S

Tδ δ= +

Onde δSger, por definição, representa a geração de entropia durante o processotermodinâmico. Ela será sempre positiva.

0gerSδ ≥

30



Para volume de controle:

Balanço de Entropia

Para sistema fechado:

2 1j

gerj j

QS S S

T− = +∑

jvce e s s ger

j e sj

QdS m s m s Sdt T

= + ⋅ − ⋅ +∑ ∑ ∑&

&& &

Taxa de variação de

entropia Taxas de transferênciade entropia

Taxa de geração de

entropia



A Exergia corresponde ao máximo trabalho possível de se obter de uma máquina térmica ou o mínimo trabalho

requerido para movimentar uma máquina de refrigeração, relativamente a um estado de referência previamente

definido para o sistema.

Exergia

Em muitas conversas populares é feita uma referência a nossas reservas energéticas. Do ponto de vista

termodinâmico o termo “reservas de disponibilidade” seria muito mais aceitável. Há muita energia na atmosfera e no

oceano, porém relativamente pouca disponibilidade.

31



Estado de referência: p0 = 101 kPa; T0 = 25 C; v0 = 0 m/s; z0 = 0 m; etc.

Balanço de Exergia em Sistemas

0gerS =

( )2

00 2 1 0

1

1x gerb

TE Q W p V V T ST

δ⎛ ⎞

∆ = − − − ⋅ − − ⋅⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎣ ⎦⎝ ⎠∫

Se não houver irreversibilidades, não há geração de entropia:

2

2 11

gerb

QS S STδ⎛ ⎞− = +⎜ ⎟⎝ ⎠∫

2

2 11

E E Q Wδ− = −∫

maxW W=



Estado de referência: p0 = 101 kPa; T0 = 25 C; v0 = 0 m/s; z0 = 0 m; etc.

Balanço de Exergia para Volume de Controle

x xE m e= ⋅& &

00 01x

j x x gerj e sj

dE T dVQ W p m e m e T Sdt T dt

⎛ ⎞ ⎡ ⎤= − ⋅ − − ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎣ ⎦⎝ ⎠∑ ∑ ∑& & & &

( )001 xe xs ger

b

TW Q m e e T ST

⎛ ⎞= − ⋅ + ⋅ − − ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

&& &

De forma compacta, considerando regime permanente, em problema aplicado a um componente de única entrada e saída:

2

0 0 0( ) ( )2xve h h T s s g z= − − ⋅ − + + ⋅

( )0max 1 xe xs

b

TW Q m e eT

⎛ ⎞= − ⋅ + ⋅ −⎜ ⎟⎝ ⎠

&& &

0gerS =Se não houver irreversibilidades:

32



O ciclo de Carnot é o ciclo térmico ideal mais eficiente, capaz de realizar trabalho entre dois níveis distintos de temperatura. O ciclo de Rankine é o ciclo ideal correspondente aos ciclos de vapor utilizados em centrais termelétricas.

Os ciclos térmicos estão geralmente relacionados ao processo de refrigeração ou de geração de energia mecânica.

Ciclos Térmicos

Ciclo de CarnotCiclo de Rankine

Ciclo Regenerativo de RankineCiclo DieselCiclo Otto

Ciclo BraytonCiclo Combinado

Cogeração



Entropia [kJ/kg-K]

Tem

pera

tura

[°C

]

0,2 0,4 0,6 0,8

Diagrama T-s(Água)

2 3

41

O ciclo de Carnot é o ciclo térmico ideal de maior eficiência, capaz de realizar trabalho entre dois níveis distintos de temperatura.

1-2 Compressão isentrópica2-3 Aquecimento isotérmico e reversível3-4 Expansão isentrópica4-1 Condensação isotérmica e reversível

1 1f fCarnot

q q q

Q TWQ Q T

η = = − = −

fQ

qQ

W

fT

qT

Entropia [kJ/kg-K]

Tem

pera

tura

[°C

]

0,2 0,4 0,6 0,8

Diagrama T-s(Água)

2 3

41

Ciclo de Carnot

33



O ciclo de Rankine é o ciclo ideal, correspondente aos ciclos de vapor utilizados em centrais termelétricas, onde vapor d’água é predominantemente utilizado por serabundante e possuir alto calor específico.

eQ&

sQ&

sW&

eW&

12

3

4

Condensador

Turbina avapor

Bomba

Caldeira

Ciclo de Rankine

O aumento da eficiência pode ser conseguido com o aumento da pressão de vapor, aumento da temperatura de superaquecimento, redução da pressão no condensador, com reaquecimento de vapor, em ciclos com regeneração ou através da cogeração.



Ciclo Ideal de Rankine: Diagrama T-s

-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C] 3000 kPa

500 kPa

Water

1

2

3

4

eQ&

sQ&

sW&eW&

s e

e

W WQ

η −=

& &

&

34



Ciclo de Rankine: Eficiência

1. Aumento da pressão de vapor na caldeira;

2. Aumento da temperatura de superaquecimento;

3. Redução da pressão de condensação;

4. Ciclo térmico com reaquecimento de vapor;

5. Ciclo térmico com regeneração;

6. Cogeração.

O aumento da eficiência de ciclos de Rankine pode ser conseguido com:

s e

e

W WQ

η −=

& &

&



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

3000 kPa

4000 kPa

75 kPa

Water

eQ&

sQ&

sW&eW&

Ciclo de Rankine(Aumento da Pressão da Caldeira)

35



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C] 3000 kPa

500 kPa

W ater

1

2

3

4

eQ&

sQ&

sW&eW&

Ciclo de Rankine(Aumento da temperatura de superaquecimento)



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

3000 kPa

500 kPa

75 kPa

Water

1

2

3

4

eQ&

sQ&

sW&

eW&

Ciclo de Rankine(Redução da Pressão de Condensação)

36



eW&

Ciclo de Rankine com Reaquecimento

eQ&

sQ&

sW&

12

3

4

5

6

Condensador

Turbina a vapor

Bomba

CaldeiraAP BP



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

4000 kPa

1000 kPa

75 kPa

Water

eQ&

sQ&

sW&eW&

1

2

5

6

3

4

Ciclo de Rankine com ReaquecimentoDiagrama T-s

37



eQ&

sQ&

sW&

,1eW& 1

2

34

5

6

,2eW&

7

Condensador

Turbina avapor

Bomba 2

Caldeira

Bomba 1

Tanqueaberto

1-yy

Ciclo de Rankine Regenerativo: Tanque Aberto



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

4000 kPa

1000 kPa

75 kPa

Water

1

2

5

7

6

3

4eQ&

sQ&

sW&

,1eW&,2eW& 1-

yy

Ciclo de Rankine Regenerativo: Tanque AbertoDiagrama T-s

38



eQ&

sQ&

sW&

eW& 1

234

5

6

eW&

7

89

Condensador

Turbina avapor

Bomba 2

Caldeira

Bomba 1

Tanquefechado

Desaerador

1-yy

Ciclo de Rankine Regenerativo: Tanque Fechado



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

4000 kPa

1000 kPa

75 kPa

Water

1

2

6

8

7

9

eQ&

sQ&

sW&

,1eW&,2eW& 1-

yy

5 4

3

Ciclo de Rankine Regenerativo: Tanque FechadoDiagrama T-s

39



eQ&

sQ&

sW&

,1eW& 8

2

710

1

5

,2eW&

6

Condensador

Turbina avapor

Bomba 2

Caldeira

Bomba 1

Processo

Desaerador 9

3

4

11

PQ&

,1 ,2P s e e

e

Q W W WQ

η+ − −

=& & & &

&

Cogeração



-1,0 0,1 1,2 2,3 3,4 4,5 5,6 6,7 7,8 8,9 10,00

100

200

300

400

500

600

700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

4000 kPa

500 kPa

75 kPa

Water

8

9

1,2,3

6

5

4

7

11

10

Cogeração: Diagrama T-s

,1 ,2P s e e

e

Q W W WQ

η+ − −

=& & & &

&

40



,1sW&

eQ&

sQ&

,2sW&eW&

1

2 3

4Condensador

Turbina avapor

Bomba

Caldeira derecuperação

Turbina a gás

Compressor

Ar Gases deexaustão

Câmara decombustão

5

6 7

8 9

Cicl

oBr

ayto

n

Cicl

ode

Ran

kine

Ciclo Combinado



0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,00

50100150200250300350400450500550600650700

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

300

0 kP

a

75

kPa

0,2 0,4 0,6 0,8

Water

6

7

5 9

8 3

42

1

CICLO GÁS

CICLO VAPOR

eQ&

sQ&

Ciclo Combinado: Diagrama T-s

41



AR

Desaerador Processo

)(

Turbina Gerador

GN

GA

SES

GN

Gerador

Condensador

Wel

Wel

Gás NaturalGeração Termelétrica – Ciclo Combinado



Gerador Compressor

Atomizador

Chaminé GN

GN

Ar

Turbina


Gás NaturalGeração Termelétrica – Ciclo Brayton

42



Geração Termelétrica:Combustíveis, Combustão e Equipamentos

Combustíveis industriaisBiomassa, carvão, óleo combustível e gás natural

Fundamentos sobre combustãoCaldeiras

Turbinas a vaporTurbinas a gás

Motores de combustão internaNovas tecnologias para geração termelétrica




Fonte: MME, 2004

Principais Combustíveis Utilizados no Brasil

Gás Natural6%

Outros28%

Diesel17%Eletricidade

(Hidro)16%

Lenha11%

Carvão6%

Etanol4%

Óleo Combustível

5%

Gasolina7%

43



Combustíveis: Poder Calorífico Superior

Na queima de combustíveis sólidos e líquidos, a energia liberada é conseqüência de reações químicas com o carbono, hidrogênio e com o enxofre:

Na queima de combustíveis gasosos, a energia é liberada pelas reações químicas com hidrogênio, monóxido de carbono, metano, etano, propano e outros hidrocarbonetos:

2 2C O CO+ →

2 2 22 2H O H O+ →

2 2S O SO+ →

33.900 kJ/kg

141.800

9.200

4 2 2 22 2 0CH O CO H+ → +

2 6 2 2 22 7 4 6 0C H O CO H+ → +

3 8 2 2 25 3 4 0C H O CO H+ → +

55.500 kJ/kg

51.870

50.360




A quantidade de energia liberada por unidade de massa, ou de volume, é definida pelo poder calorífico superior ou inferior e vai depender da composição de cada combustível. A técnica usada, quando se aplica a primeira lei da termodinâmica às reações químicas, consiste em admitir que a entalpia de todos os elementos seja nula no estado de referência 25 ºC e 760 mmHg [41]. Para combustíveis sólidos e líquidos, o poder calorífico superior pode ser calculado com boa aproximação pela equação :

ondePcs= Poder calorífico superior (kJ/kg)c = Teor de carbono (kg carbono/kg comb)h = Teor de hidrogênio (kg hidrogênio/kg comb)s = Teor de enxofre (kg enxofre/kg comb)o = Teor de oxigênio (kg oxigênio/kg comb)

33.900 141.800 9.2008csoP c h s⎛ ⎞= ⋅ + ⋅ − + ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠

44




Para gás natural (GN), o poder calorífico superior pode ser calculado com boa aproximação, considerando-se apenas as frações mássicas do metano, do etano e do propano, através da equação:

2 6 3 8455.500 51.870 50.360C H C HCHcs m m mP f f f= ⋅ + ⋅ + ⋅

= Fração mássica do metano (kg metano/kg GN)= Fração mássica do etano (kg etano/kg GN)= Fração mássica do propano (kg propano/kg GN)

4CHmf2 6C H

mf

3 8C Hmf

onde



Combustíveis: Poder Calorífico Inferior

O cálculo do poder calorífico inferior dependerá do calor latente e da formação ou da presença de água no combustível, sendo:

Pci = Pcs - 2440.(9h + w)

onde

Pci= Poder calorífico inferior (kJ/kg)w = Teor de umidade (kg umidade/kg comb)

O teor de umidade é conhecido a partir da composição química do combustível e 9h representa a parcela de vapor d'água formada pela combustão do hidrogênio. O calor latente é tomado de acordo com pressão parcial do vapor d'água, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP).

45



Alternativas Energéticas para Geração Termelétrica

GeraçãoTermelétrica

ÓleoCombustível

Solar

Hidrogênio

Carvão

GásNatural

Biomassa



Geração de Energia ElétricaCenário Internacional

Fonte: OECD/IEA, Electricity Information 2002

46



Florestas energéticasResíduos agro-industriaisBagaço de canaCasca de arroz Lixo urbanoSerragemCavacosLenhaetc

BiomassaGeração Termelétrica

Depósito de Serragem



Depósito de serragem

Caldeira de cavacos

Resíduos de madeira são amplamente utilizados por empresas do setor de papel e celulose, em sistemas combinados para geração de vapor e de energia elétrica.

Bagaço de cana é amplamente utilizada pela indústria sucro-alcooleira para geração de energia mecânica, energia elétrica e também em sistemas de cogeração.

Depósito de Bagaço de Cana

BiomassaCogeração c/Serragem, Cavacos e Bagaço de cana

47



BiogásProdução&Aplicações

Gás produzido por microorganismos, quando matérias orgânicas são fermentadas dentro de determinados limites de temperatura, teor de umidade e acidez em um ambiente impermeável ao ar (Fermentação Anaeróbica);

Dejetos de 1 vaca, 10 suínos ou 140 aves produzem 2 m3 de biogás por dia que

equivalem a 1 litro de gasolina, 1 kg de GLP ou aproximadamente 3,4 kg de lenha.

GN

Biodigestor

Biogás(1 m3)

Adubo

Dejetos suínos(2,86 kg)

Aplicações:VeículosSecagem

AquecimentoGeração de vapor

Geração de energia elétrica



BiogásPotencial no Brasil e em Santa Catarina

Rebanhos suínos:

Brasil 28.000.000Santa Catarina 4.500.000Paraná 4.000.000Rio Grande Sul 3.900.000Ceará 1.100.000Maranhão 1.900.000 São Paulo 1.500.000

48



BiogásProdução&Aplicações



BiogásEquipamentos

49



CarvãoGeração TermelétricaJorge Lacerda III



Caldeira e Torres de Resfriamento

Sala de Controle

Casa de Força

Tractebel EnergiaJorge Lacerda IIIPotência: 363 MWInício da Construção: 1984Entrada de Operação: 1997

CarvãoGeração Termelétrica

50



O custo da energia elétrica produzida com carvão é da ordem de 30 US$/MWh.

CarvãoGeração Termelétrica



CarvãoGeração de Vapor

51



Processo de Combustão

Velocidades Temperaturas




Depósito de cinzasno Superaquecedor

Carvão c/alto teor de cinzas (40%)e alto teor de enxofre (6%)


Foto e esquema: Cortesia Tractebel Energia

52



CarvãoGeração de Potência em Ciclo Combinado



CarvãoIGCC – Gaseificação Integrada a Ciclo Combinado

53



Turbinas a Vapor



Turbinas a VaporDois Estágios de Pressão (Ciclo de vapor com Reaquecimento)

Vapor superaquecido realiza trabalho na turbina de alta pressão (HP) e retorna à caldeira para reaquecimento antes de completar o trabalho na turbina de baixa pressão (LP).

54



Barreiras de proteção de uma usina PWR

Geração TermonuclearEsquema de Funcionamento




Geração Termonuclear

Uma vantagem importante na geração termonuclear é a enorme quantidade de energia que pode ser gerada para pouco material utilizado.

O custo para produzir 10 g de UO2 é de aproximadamente US$ 10.

55




Tipos de Reatores

BWR (Reator a Água Fervente) 91

HWR (Reator a Água Pesada) 31

GCR (Reator Refrigerado a Gás) 20

PWR (Reator a Água Pressurizada) 255

Outros 36

• Alta Radioatividade:

– 500.000 anos para se tornar inócuo

– 5% do volume

• Média Radioatividade:

– 600 anos para se tornar inócuo

– 7% do volume

• Baixa Radioatividade: 88%

– Reaproveitáveis após algum tempo

– 88% do volume

Lixo NuclearGeração Termonuclear



Vista Geral

Sala de Controle

Conjunto Turbo-Gerador

Angra dos Reis (Eletronuclear)Potência: 657 MWInício da Construção: 1972Entrada de Operação: 1985

Geração TermonuclearPWR Reator a Água Pressurizada

56



Gás Natural

Célula Combustível

Cogeração

Ciclo Combinado

Rankine

Brayton

Otto

Gás NaturalGeração Termelétrica



Fonte: Petrobras, 2005 (www.brasilenergia.com.br

Produção em Volume (MM m3/dia)Amazonas 7Nordeste 12Espírito Santo 10Bacia de Campos 16Bacia de Santos 13Total em 2010 58

Demanda em Volume (MM m3/dia)Mercado 78Petrobras 10Total em 2010 88

Gás NaturalPerspectivas para o Gás Natural no Brasil (2010)

57



Gás NaturalGeração Termelétrica: Planta Existente



Turbina a Gás Natural

58



Turbina a Gás Natural



Turbinas a Gás Natural

59







60



Caldeiras de Recuperação

As caldeiras de recuperação são projetadas de modo a aproveitar o calor residual dos gases de exaustão de turbinas e motores de combustão interna. O projeto adequado de uma caldeira de recuperação deve necessariamente considerar os fundamentos da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.

Approaching Point: 0 a 30 ºCPinch Point: 15 a 25 ºC



Caldeiras de Recuperação

Caldeira de três tambores

Caldeira de dois tambores

61



Motor de Combustão InternaCiclo Otto (MCI)



Motores de Combustão Interna (MCI)

62



MotorGerador

Vapor paraprocesso

Água quentepara processo

GN

GN

Ar

Caldeira derecuperação


Gás NaturalGeração Termelétrica – Ciclo Otto (MCI)



Caldeira de recuperação

Reservatório deágua quente

Motor Gerador

Tanque

HOSPITAL

Chiller absorção

Torrede

Resf.

Trocador decalor

Gás NaturalCogeração no Setor Terciário: Energia Elétrica, Vapor, Água Quente e Água Gelada

63



Células CombustívelFase 1Oxigênio e hidrogênio são alimentados nos catalisadores;Fase 2As moléculas de hidrogênio (H2) são quebradas pelo catalisador em dois átomos H+ e dois elétrons (e-);Fase 3Os prótons atravessam o eletrólito (membrana) do ânodo para o cátodo;Fase 4Os elétrons são conduzidos do ânodo (lado negativo) para o cátodo (lado positivo) contornando o eletrólito através do circuito elétrico;Fase 5Os elétrons recombinam com uma molécula de oxigênio no cátodo;Fase 6Os íons resultantes aproximam-se aos prótons do hidrogênio;Fase 7Os íons negativos de oxigênio ligam com os prótons positivos do hidrogênio formando moléculas de água.



H2(g) → 2H+ + 2e-

2H+ + 0,5O2(g) + 2e-→ H2O(v)

Catodo (+)

Anodo (-)

Membrana de troca de íons 2H+

2e-

2e-

H2

0,5O2

H2O

Eletrodo

Tipos de Células:PEM 60 - 100ºCÁcido Fosfórico 150 - 210Carbonato Fundido 650 - 700Óxido Sólido 900 - 1100

Células Combustível

64



Células Combustível: Aplicações



Célula a combustível 250 kW de Óxido Sólido (SOFC) da Siemens Westinghouseem parceria com a Kinectrics (Ontario)

Células Combustível: Aplicações

65



Células CombustívelDesafios

Desenvolver células combustível para pequenas aplicações (residências, portáteis);

Diminuir o custo de produção (das células) e de extração de hidrogênio (500.000 unidades/ano a US$ 195-325/kW);

Garantir durabilidade mínima de 40.000 horas para geradores e a 5.000 horas para sistemas de transporte (ou 170.000 km);

Resolver o problema de contaminação dos catalisadores por monóxido de carbono e/ou compostos sulfurosos;

Pesquisar materiais para operação acima de 800ºC;

Pesquisar membranas que operem acima de 80ºC (PEMFC), para viabilizar cogeração.



Células CombustívelPerspectivas 2020

Hidrogênio como centro da economia mundial, movimentando cerca de 1,7 trilhão de dólares;

Produção de hidrogênio a partir da biomassa (como agro-negócio) e de hidroelétricas em épocas de cheia;

Redução do custo do motor e célula combustível de 800 € para 50 € por kW, equivalente ao dobro do preço do motor a gasolina;

Atingir a marca de 5 milhões de veículos rodando à célula combustível no Japão;

Equipamentos portáteis de baixo custo (ex.: celular).

66



Motores Stirling

O ciclo Stirling é capaz de produzir trabalho, que pode ser aproveitado para a geração de energia elétrica ou funcionar como refrigerador, em substituição aos compressores selados atuais;

Nas diferentes configurações, os motores Stirling têm o setor quente e o setor frio; o lado quente pode aproveitar a energia de qualquer tipo de combustível; são movidos pela expansão do gás em aquecimento e pela contração do mesmo ao ser resfriado.



Motores Stirling

O ciclo Stirling é capaz de produzir trabalho, que pode ser aproveitado para a geração de energia elétrica ou funcionar como refrigerador, em substituição aos compressores selados atuais;

Nas diferentes configurações, os motores Stirling têm o setor quente e o setor frio; o lado quente pode aproveitar a energia de qualquer tipo de combustível; são movidos pela expansão do gás em aquecimento e pela contração do mesmo ao ser resfriado.

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Motores Stirling

Atualmente, de todas as tecnologias solares, os motores Stirling apresentam a maior eficiência na conversão de energia solar-elétrica (29,4%).

Patente em 1816 por Robert Stirling, ministro escocês



-Alto custo na importação de componentes para manutenção e mão de obra especializada;-Nacionalização de componentes;-Oportunidade de pesquisa avançada em transferência de calor, termodinâmica, mecânica dos fluidos, materiais, fabricação, ruído e vibrações, controle e automação, etc; -Problemas pendentes com algumas turbinas a gás: Faixa de frequência exigida pelo ONS e incompatibilidade do gás boliviano;-Mercado emergente de gás natural e necessidade premente de termelétricas no sistema elétrico brasileiro.

Desenvolvimento de componentes nacionais e infra-estrutura laboratorial voltada a turbinas a gás

JustificativaDesafio em P&D

Geração Termelétrica: Soluções Tecnológicas

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-Alto custo de importação; -Oportunidade de pesquisa aplicada em transferência de calor, termodinâmica, materiais, fabricação, ruído e vibrações, controle e automação, etc;-Mercado emergente de gás natural e necessidade premente de termelétricas no sistema elétrico brasileiro;-Abertura de novos mercados (ex: refrigeração por compressão).

Desenvolvimento de tecnologia nacional em MCI estacionários a gás natural





-Maior eficiência e menor impacto ambiental (NOx); -Operação limpa e silenciosa;-Necessidade de tecnologia avançada na eletrônica de controle da célula;-Mercado emergente de gás natural e oportunidade para cogeração;-Possibilidade de operar em ciclo combinado com turbinas a gás (SOFC–GT).

-Células combustível PEM (pequenas aplicações);-Célula Óxido de Sólido (SOFC).



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-Necessidade de hidrogênio para CC;-Oportunidade para pesquisa avançada em transferência de calor e massa, termodinâmica, materiais (catalisadores), fabricação, etc.

Reformadores de gás natural e biomassa para produção de hidrogênio e/ou gás de síntese





-Confiabilidade, segurança e eficiência na operação de plantas térmicas;-Qualidade do suprimento de energia;-Geração distribuída.

Sistemas de automação, proteção, paralelismo, instrumentação, etc.



AAnnoottaaççõõeess

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2 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 3

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4 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 5

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6 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 7

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8 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 9

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10 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 11

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12 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 13

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14 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 15

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16 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 17

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18 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 19

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20 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 21

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22 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 23

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24 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 25

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26 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 27

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28 EEL - EMC - UFSC

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Anotações 29

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30 EEL - EMC - UFSC

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termeletrica ufsc 2005 vol 1

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