Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo Curso Técnico em Eletrotécnico. Cayo César Lopes Pisa Pinto. Usinas Termelétricas

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1 Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo Curso Técnico em Eletrotécnico Cayo César Lopes Pisa Pinto Usinas Termelétricas Vitória 2008

2 Usinas Termelétricas Trabalho Apresentado à disciplina de Sistemas Elétricos do Curso de Eletrotécnico do CEFETES Orientador: Leandro Vitória 2008

3 Definição Uma Usina termelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de um processo que consiste em três etapas. Nas usinas termelétricas convencionais, a primeira etapa consiste na queima de um combustível, como carvão, óleo ou gás, transformando a água em vapor com o calor gerado na caldeira. A segunda consiste na utilização deste vapor, em alta pressão, para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Na terceira etapa, o vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia térmica para um circuito independente de refrigeração, retornando a água a caldeira, completando o ciclo.

4 Funcionamento O funcionamento das centrais termelétricas é semelhante, independentemente do combustível utilizado. O combustível é armazenado em parques ou depósitos adjacentes, de onde é enviado para a usina, onde será queimado na caldeira. Esta gera vapor a partir da água que circula por uma extensa rede de tubos que revestem suas paredes. A função do vapor é movimentar as pás de uma turbina, cujo rotor gira juntamente com o eixo de um gerador que produz a energia elétrica.

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6 O vapor é resfriado em um condensador e convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando inicio a um novo ciclo. A água em circulação que esfria o condensador expulsa o calor absorvido pela atmosfera pelas torres de refrigeração, grandes estruturas que identificam esses centrais. Parte do calor extraído passa para um rio próximo ou o mar. Para minimizar os efeitos contaminantes da combustão sobre as redondezas, a central dispõe de uma chaminé de grande altura(algumas chegam a 300m) e de alguns precipitadores q retêm as cinzas e outros resíduos voláteis da combustão. As cinzas são recuperadas para aproveitamento em processos de metalurgia e no campo da construção, onde são misturados com o cimento. Como o calor produzido é intenso, devido as altas correntes geradas, é importante o resfriamento dos geradores. O hidrogênio é melhor veículo de resfriamento que o ar, como tem apenas um quatorze avos da densidade deste, requer menos energia para circular. Recentemente, foi adotado o método de resfriamento líquido, por meio de óleo ou água. Os líquidos nesse processamento são muito superiores aos gases, e a água é 50 vezes melhor que o ar.

7 A potência mecânica obtida pela passagem do vapor através da turbina, fazendo com que esta gire e no gerador que também gira acoplado mecanicamente a turbina, é que transforma potência mecânica em potência elétrica. A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. Daí, nas subestações, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequadas para sua utilização pelos consumidores. A descrição anterior refere-se às centrais clássicas, uma vez que existe, ainda que em fase de pesquisa, outra geração de termelétricas que melhorem o rendimento na combustão do carvão e diminuam o impacto sobre o meio ambiente: são as centrais de combustão de leito fluidificado. Nessas centrais queima-se o carvão sobre um leito de partículas inertes (por exemplo, de pedra calcária), através do qual se faz circular uma corrente de ar que melhora a combustão.

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9 Uma central nuclear pode ser considerada uma central termelétrica, onde o combustível usado é um material radioativo que, em sua fissão, gera a energia necessária para seu funcionamento.

10 Vantagens A principal vantagem é poderem ser construídas onde são mais necessárias, economizando assim o custo das linhas de transmissão(minimizando as perdas de energia que podem chegar até a 16%). E essas usinas podem ser encontradas na Europa e em alguns lugares do Brasil. O gás natural pode ser usado como matéria-prima para gerar calor, eletricidade e força motriz, nas indústrias siderúrgica, química, petroquímica e de fertilizantes, com a vantagem de ser menos poluente que os combustíveis derivados do petróleo e o carvão.

11 Desvantagens Entretanto, o alto preço do combustível é um fato desfavorável. Dependendo do combustível, os impactos ambientais, como poluição do ar, aquecimento das águas, o impacto da construção de estradas para levar o combustível até a usina, etc.

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13 Usina Termelétrica Ciclo Combinado Uma usina termelétrica operando em ciclo combinado pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de um processo q combina a operação de uma turbina a gás, movida pela queima de gás natural ou óleo diesel, diretamente acoplada a um gerador. Os gases de escape da turbina a gás, devido a temperatura, promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma turbina a vapor, nas mesmas condições descritas no processo de operação de uma termelétrica convencional. A potência média dessas centrais vem a ser de 300 MW, muito inferior à de uma termelétrica convencional. Nos próximos, anos essa alternativa e termelétrica será a mais implantada no Brasil, cerca de 35 usinas, totalizando mais de MW.

14 Componentes das Termelétricas de ciclo combinado Turbina 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, os combustíveis vem sendo cada vez mais o gás natural, embora seja quase sempre dada a possibilidade e operar com um segundo combustível.

15 Se uma turbina estiver operando isoladamente, ou em ciclo aberto, 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 e exaustão. É verdade que a eficiência térmica pode ser melhorada com temperaturas e pressões e entrada mais elevadas, mais 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, mas são relevantes nas turbinas industriais. Nestas, é fundamental compatibilizar temperaturas e pressões com custos iniciais e de manutenção, esta sempre trabalhosa e demorada.

16 Caldeira de Recuperação de Calor - HRSG Essas termelétricas tem como um de seus principais elementos um gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão das turbinas a gás. Com isto, a eficiência térmica eleva-se substancialmente, pois o vapor assim produzido aciona uma turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.

17 A temperatura máxima que, nestas condições, pode ser obtida no vapor depende da temperatura dos gases de exaustão, que 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. Turbina a Vapor Sua função é gerar energia elétrica adicional a partir do calor 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. 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.

18 Unidade geradora de uma termelétrica Poluição gerada por uma termelétrica

19 Termelétrica não poluente Utilizando as avançadas tecnologias empregadas na construção dos foguetes espaciais, a empresa Clean Energy Systems construiu um sistema que gera vapor sem a emissão de gases ou partículas residuais. O equipamento é baseado na queima de um combustível limpo com oxigênio puro e na presença de água pura, tudo no interior de um único gerador. A caldeira produz diretamente um vapor de alta pressão, alta temperatura e totalmente não poluente. Os únicos produtos da combustão são o vapor de água em alta pressão e dióxido de carbono (CO2). Este, porém, é extraído ao final do processo, podendo ser congelado e utilizado em processos industriais. Sua saída é totalmente controlada e ele não é liberado na atmosfera. O combustível para o gerador pode vir de virtualmente qualquer fonte, desde que ele seja composto exclusivamente de carbono, hidrogênio e oxigênio. A exigência básica para o combustível é que ele seja fluido e livre de soda cáustica e outros elementos como o enxofre e o nitrogênio, que podem formar gases ácidos. Hidrocarbonos como o metano, álcool, hidrogênio e monóxido de carbono são candidatos naturais para utilização no novo gerador. Gás natural, petróleo, carvão gaseificado ou mesmo biomassa também podem ser utilizados.

20 Os vapores que saem das turbinas vão para um condensador onde o CO2 é separado da água. A maior parte da água é reaquecida e volta para o gerador de vapor, em um ciclo de realimentação contínua. O CO2 que sai do condensador é enviado para um sistema de recuperação onde é processado e engarrafado ou liquefeito para venda. O excesso de CO2 é economicamente comprimido e resfriado para um líquido ou fluido supercrítico que poderá ser levado para despejo em outros locais ou mesmo no alto mar. Não há emissão do gás na atmosfera.

21 Termeletricidade no Mundo As usinas térmicas não são propriamente eficientes, em algarismos sua produção global é cerca de 38%, isto é, apenas aproximadamente 38% da energia térmica colocada na usina pelo combustível torna-se aproveitável como a energia elétrica. Resumo da termeletricidade no Brasil Tipo de Usina Usinas em operação Potência (kw) ,68 % Usinas em construção Usinas outorgadas entre 1998 e ,90 59,23

22 Impactos Ambientais Como vários tipos de geração de energia, a termeletricidade também causa impactos ambientais. Contribuem para o aquecimento global através do Efeito estufa, chuva ácida. A queima de gás natural lança na atmosfera grandes quantidades de poluentes, 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. 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.

23 Os causadores da chuva ácida

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25 Cinzas de carvão de termoelétrica ajudam a limpar meio-ambiente A Dra. Denise Alves Fungaro, pesquisadora na área de química ambiental, descobriu uma alternativa viável para o aproveitamento desses resíduos, transformando as cinzas em um material absorvente de baixo custo, capaz de remover substâncias tóxicas de águas contaminadas. 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.

26 Bibliografia oeletrica.htm oeletrica.htm

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