Produção de Energia Elétrica. Aula 3 Área 2 Geração e Estudos Hidroenergéticos Fernando Umbria

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1 Produção de Energia Elétrica Aula 3 Área 2 Geração e Estudos Hidroenergéticos Fernando Umbria

2 Tópicos Geração termelétrica Geração fotovoltaica

3 Geração termelétrica - conceitos Princípio: conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em energia elétrica Formas de produção de energia térmica: combustão (convencional) ou fissão nuclear Classificação das centrais termelétricas convencionais Combustão externa: combustível não entra em contato com o fluído de trabalho (centrais a vapor) Combustão interna: combustão se dá sobre uma mistura de ar e combustível que resulta no próprio fluído de trabalho (turbinas a gás e máquinas térmicas a pistão) Eficiência: relação entre a quantidade de energia útil à saída de um sistema e a quantidade de energia fornecida O rendimento de sistemas de conversão térmica depende da diferença de temperatura entre a fonte quente (combustão) e a fonte fria (ambiente): η = 1 (Tf / Tq)

4 Geração termelétrica - rendimento Evolução do rendimento 60 Usinas em Ciclo Combinado % Rendimento Locomotiva Vapor Usinas Nucleares Turbina a gás Caldeira & Turbina a Vapor

5 Cogeração Cogeração: maior produção seqüencial e simultânea de duas ou mais utilidades a partir de uma mesma fonte energética calor útil (p.ex: vapor para o processo) e potência eletromecânica racionalidade consiste na economia de combustível

6 Tecnologias: Turbina a Vapor (ciclo Rankine) Grande vantagem Utiliza qualquer tipo de combustível, inclusive rejeição de calor (muito versátil) Diesel, gás natural, biomassa (bagaço de cana, resíduos de madeira), carvão mineral, etc Operação Pouco elástica (resposta lenta) aos regimes de carga, pelas condições amarradas do vapor Eficiência ~ 40% (limitada pela temperatura dos metais dos tubos da caldeira e pela rejeição de calor na condensação) Viabilidade econômica para configurações acima de 200 MW, podendo atingir até 1000 MW

7 Tecnologias: Turbina a Vapor 500 C 250 C 60 C Central elétrica de combustão externa Queima do combustível gera calor que transforma o líquido em vapor na caldeira Vapor se expande (pressão passa de alta a baixa) na turbina a vapor, gerando energia no gerador Vapor expandido sai da turbina (pode ser utilizado em processo) e vai ao condensador, onde o calor é retirado e se obtém líquido O líquido é bombeado de volta à caldeira, fechando o ciclo

8 Tecnologias: Turbina a Vapor Rotor de turbina a vapor Siemens, 600 MW

9 Tecnologias: Turbina a Vapor UTE Jorge Lacerda, TV de 363 MW (Tractebel/PR) Torre de resfriamento evaporativa

10 Tecnologias: Turbina a Gás (ciclo Brayton) Utilizam como principais combustíveis o gás natural e o diesel Exaustão a alta temperatura até 615 C ciclo combinado Operação Elástica aos regimes de carga Construção compacta (modular sobre o mesmo eixo) Alta sensibilidade ao clima Eficiência ~ 42% Turbinas Aeroderivativas (máx. 45 MW Boeing 747) Heavy duty (até 180 MW) Rendimento, % Potência, MW Temperatura ambiente, C

11 Tecnologias: Turbina a Gás

12 Tecnologias: Turbina a Gás 500 C Central elétrica de combustão interna Ar é comprimido no compressor e queimado com o combustível gerando calor e gases em alta pressão Gases se expandem na turbina e a movimentam, gerando energia no gerador acoplado Gases expandidos saem da turbina (podem ser utilizados em processo) e são descartados

13 Tecnologias: Turbina a Gás Turbina aeroderivada Rolls-Royce.

14 Tecnologias: Turbina a Gás Turbina a gás industrial Alstom.

15 Tecnologias: Motor Alternativo (ciclo Otto / Diesel) Também conhecidos como Motores de Combustão Interna (MCI) Escala Disponível desde pequenas potências a grandes grupos geradores (unidades de até 66 MW) Combustíveis single, bi-combustível, multi-combustível (OC, GN ou diesel) Operação Elástica aos regimes de carga Construção compacta Alta eficiência ~ 45%

16 Tecnologias Motor Alternativo 1 - Trocador de calor do óleo 2 - Trocador de calor da água 3 - Trocador de calor do turbo-compressor 4 Motor 5 - Gerador Elétrico 6 - Caldeira de recuperação 420 C Central elétrica de combustão interna Ar e combustível são comprimidos nos pistões e queimados gerando calor e gases em alta pressão Gases se expandem nos pistões e movimentam um eixo (virabrequim), gerando energia no gerador acoplado Gases expandidos saem dos pistões (podem ser utilizados em processo) e são descartados

17 Tecnologias Ciclo combinado (Brayton/Rankine) Arranjo em série de duas máquinas térmicas Onde a rejeição térmica da máquina primária é a fonte de calor da segunda, geralmente na proporção de 2:1 Operação Pouco elástica aos regimes de carga Operação em regime de base Instalações complexas Alta eficiência ~ 55% produção elétrica maximizada

18 Tecnologias Ciclo combinado 500 C 60 C 250 C

19 Tecnologias Ciclo combinado Central de cogeração TermoRio η e = 50% MW de capacidade em ciclo combinado, gás g s natural, Duque de Caxias / RJ

20 Termeletricidade: Critérios de seleção Alto grau de liberdade em termos de localização (similar a um empreendimento industrial), devendo avaliar Custos Suprimento do combustível Fornecimento de energia (conexão, uso e perdas) e subprodutos Fatores adicionais para decisão Infraestrutura Incentivos Impacto ambiental (emissões) Tipo de tecnologia Tipo de combustível

21 Termeletricidade: Critérios de seleção Fases de projeto de um empreendimento termelétrico Planejamento Necessidade e porte do empreendimento Inventário Suprimento de combustível Suprimento de água Localização Definição de tecnologia Projeto conceitual Pré-definição da usina (descrição técnica e balanço térmico) Viabilidade (técnica, econômica e ambiental) Projeto básico e projeto executivo Documentação de definição e implantação da usina Detalhamento dos equipamentos

22 Termeletricidade: Critérios de seleção Termelétrica Hidrelétrica Operação base média ponta base Custo de implantação alto médio baixo alto Custo de operação baixo médio alto desprezível Tempo de implantação alto médio baixo alto Investimento modulado total Restrições - climáticas Impacto ambiental restrito diversificado

23 Termeletricidade: Critérios de seleção Sistema Eficiência elétrica Eficiência total Custo de instalação Custo de operação Turbina a vapor % % R$/kW R$/kWh ,00 12,00 Turbina a gás ,00 14,00 Ciclo combinado ,00 11,00 Motor Diesel ,00 37,00 Motor Gás Natural ,00 25,00 Célula a combustível , Ref. 2008

24 Outorga da central Processo para implantação de termelétricas Potência acima de 5 MW ANEEL / MME > Autorização (Res. 112/99) Liberação (Res. 433/03) operação comercial Fiscalização Requisitos Técnicos e Legais Projeto Executivo/ Construção Operação MEIO AMBIENTE > LP - LI LO Renovação

25 As termelétricas no Brasil (2008) Centrais termelétricas: 24% da matriz elétrica

26 As termelétricas no Brasil (2010) Centrais termelétricas: 26% da matriz elétrica

27 O cenário energético global e a energia térmica A demanda mundial de energia deverá aumentar consideravelmente nos próximos anos. principal razão o crescimento populacional combinado com o aumento do consumo de energia pelos países emergentes, como China, Índia e Brasil. Carvão: 38% da produção mundial de eletricidade Fontes renováveis de energia têm um importante papel diversificador, porém com contribuição marginal para a expansão do parque gerador. Energia nuclear Seu futuro dependerá exclusivamente da aceitação sóciopolítica.

28 Geração fotovoltaica

29 Características da Energia Solar VANTAGENS: Renovável Inesgotável Gratuita Baixo impacto ambiental LIMPA Alternativa às fontes convencionais Pode ser combinada Distribuída pela superfície da terra DESVANTAGENS: Baixa densidade energética Variável espacialmente Influência de fatores meteorológicos Variável no tempo: ano a ano, sazonal e diária Necessidade de armazenamento

30 Sistema de conversão fotovoltaica Arranjo Fotovoltáico Controle Carga Banco de Baterias Inversor Carga CC Carga CA

31 Radiação Solar Importância de se ter dados dos níveis de radiação solar do local do projeto Para estimativa da energia produzida Para cálculo do banco de baterias Como obter os níveis de insolação Consultar tabelas e mapas solarimétricos Estações meteorológicas próximas Unidades dos dados de radiação solar Nível instantâneo de radiação - W/ m² Energia acumulada kwh/m²/dia Número de horas com sol máximo h/dia Níveis solarimétricos médios brasileiros (horizontal) média anual: Nordeste 5 a 6 horas/dia Amazônia/Sudeste - 4 a 5 horas/dia Sul 3,5 a 4,5 horas/dia

32 Atlas Solarimétrico do Brasil (Cepel, 2000)

33 Sistemas Fotovoltaicos Vantagens específicas Autonomia Evita redes de distribuição Geração distribuída Confiabilidade Energia elétrica sem interferências externas Modularidade Desvantagem Alto custo

34 Célula fotovoltaica Materiais: Silício mono cristalino: mais difundidas eficiência teórica de 27% - comercial entre 11% e 13% processo de fabricação complexo Silício policristalino: mesmo material mas não é um único cristal menor eficiência maior área

35 Módulos fotovoltaicos P$ painel = US$ 5000,00/kW

36 Acumuladores Estacionária - evitar usar automotiva Ciclo carga-descarga muito severo Vida útil elevada Baixo nível de perdas - alta eficiência Autodescarga reduzida Alta capacidade de armazenamento Baixo nível de manutenção Custo razoável Influência da temperatura Bateria estacionária

37 Controlador de carga Função básica - proteger a bateria Sinaliza status do sistema Monitora a tensão da bateria

38 Inversor Função básica: suprir as cargas de corrente alternada Características desejáveis do inversor tensão de saída com pouca variação suportar cargas elevadas de curta duração eficiência vida útil Tipos Onda quadrada modificada: eficiência 90-96%. Podem ser usados com diversos tipos de eletrodoméstico: televisores, computadores, estéreos, etc. Não podem ser utilizados, porém, para operarem equipamentos que exijam uma melhor qualidade de sinal, como muitas copiadoras, impressoras laser, etc Onda senoidal: eficiência 90-96%(SW da trace)), siemens). Oferecem uma melhor tensão de saída e desempenho, podendo operar qualquer aparelho CA ou motor, sem restrições Custos típicos US$/kVA (de acordo com a potência): 300 a 1.000

39 Estruturas para montagem dos painéis Fixação solo/telhado vantagens: preço desvantagens: 1 pç de fix p/ cada pé, no solo, exposição a invasões e sombreamento, no telhado, dificuldade de acesso Fixos Fixação lado de poste vantagens: preço, fácil instalação desvantagens: capacidade de suporte p/ até 4 módulos. Fixação topo de poste vantagens: fácil instalação, tem um único ponto para fixação, acesso fácil. desvantagens: preço (20%+caro) P$ est_fix = US$ 800,00/kW

40 Estruturas para montagem dos painéis passivo Funcionamento: utilização do gás Freon R22. O gás na parte + exposta ao sol aquece-se e migra para outra parte, inclinando a estrutura em direção do Sol. Menos preciso e não permite seg. em 2 eixos c/ seguimento solar ativo Funcionamento: sensor ótico fornece informações a um motor dc que aciona o(s) eixo(s) da montagem. É mais preciso. P$ est_seg = US$ 1500,00/kW + + US$ 270,00 por estrutura c/ 2 eixos

41 Dimensionamento de sistema fotovoltaicos Importância do dimensionamento A fonte de energia limitada e inconstante mas a necessidade da energia é constante e variável Energia produzida > Energia consumida Energia produzida é função da radiação solar incidente A energia consumida depende: da potencia dos equipamentos ligados do tempo de uso de cada equipamento A capacidade do banco de baterias depende do nível do consumo diário e da autonomia desejada para o sistema em períodos prolongados sem insolação

42 Sistema fotovoltaico híbridos para cargas de corrente alternada

43 Mercado Fotovoltaico Mundial MW

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