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- Ruy Casqueira Franco
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2 ÍNDICE Introdução Geração Solar Fotovoltaica Geração Solar por Espelhos Parabólicos Geração Eólica Geração Hidrelétrica Queima Direta de Lenha, Bagaço e Resíduos Agrícolas Biocombustíveis Geotérmico Derivados de Petróleo Gás Natural Carvão Nuclear... 8
3 Introdução Este presente documento pretende servir como meio de orientação as pessoas que preencherão o questionário de procedimento da ACC (Avaliação dos Custos Completos) dos Recursos Energéticos do Lado da Demanda (RELD) para o PIR da RAA (Região Administrativa de Araçatuba). Os recursos energéticos ai descritos foram escolhidos por melhor atenderem as necessidades regionais. Cabe ressaltar que um Recurso Energético no PIR é formado pela fonte de origem e pela tecnologia de transformação. Os recursos (fonte mais tecnologia) de geração elétrica foram divididos em oito faixas de potências. Esta separação foi feita para melhor enquadrar cada recurso dentro das quatro dimensões analisadas, ou melhor, para diminuir a escala de valores que compõem cada sub-critério em questão. Um exemplo para que esta abordagem fique mais clara pode ser compreendido no custo de implantação de turbinas eólicas: quanto menor a potência em questão (turbina menores que 1kWp), maior o custo total por kw instalado, pois ai o custo da estrutura necessária para suportar a turbina passa a ser significativo (torres, equipamentos de controle, baterias). Ressalta-se que nem todas as tecnologias de geração atendem todas as faixas de potências existentes no estudo, sendo assim escolhida tecnologia mais usual em cada faixa de potência dentro de determinada fonte de recursos. A tabela a seguir deixa explicito onde cada tecnologia se enquadra nas faixas de potência dadas. Fontes + Tecnologias < 1 kw 1 a 10k solar espelhos parabólicos fotovoltaíco 10 a 100k 100 a 500k 500k a 2M 2 a 30M 30 a 200M >200 M eólico hidro queima direta biocombustivel geotérmico derivados petroleo GN carvão nuclear lenha bagaço (cogeração) resíduos agrícolas biodiesel alcool biogas aterros biogas dejetos biogas esgotos demanda geração elétrica óleo combustivel gasolina GLP Diesel queima direta cogeração
4 1. Geração Solar Fotovoltaica Fonte: radiações solares; Tecnologia: A conversão direta da energia solar em corrente elétrica é realizada nas células solares através do efeito fotovoltaico, que consiste na geração de uma diferença de potencial elétrico através de radiação. A célula solar trabalha segundo o princípio de que os fótons incidentes, colidindo com os átomos de certos materiais, provocam um deslocamento dos elétrons, carregados negativamente, gerando uma corrente elétrica. Este processo de conversão não depende do calor, pelo contrário, o rendimento da célula solar cai quando sua temperatura aumenta. As células solares continuam a operar com o mesmo rendimento sob céu nublado, como sob a luz direta do sol. Neste estudo os painéis foram utilizados em faixas de potências até 2MW, a partir desta potência torna-se mais praticável utilizar a tecnologia descrita a seguir. Figura 1 Painéis Fotovoltaicos (fonte: 2. Geração Solar por Espelhos Parabólicos Fonte: radiações solares; Tecnologia: são usinas que utilizam espelhos convexos que captam os raios solares centrando-os na região focal onde está instalada uma tubulação que possui vapor de água ou algum óleo aquecido em altíssima pressão, necessários para acionar uma turbina em sua extremidade. Devido a sua escala é utilizado para grandes potências (a partir de 2MW); Figura 2 Espelhos Parabólicos (fonte: Abengoa Solar)
5 3. Geração Eólica Fonte: força dos ventos; Tecnologia: Seu aproveitamento ocorre através da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas, também denominadas aerogeradores, para a geração de energia elétrica, ou através de cataventos e moinhos para trabalhos mecânicos, como bombeamento de água. Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50 metros. A energia potencial da turbina eólica depende do cubo da velocidade do vento; isto significa, por exemplo, que se a velocidade do vento em um local dobrar, a energia potencial de saída de uma turbina eólica é multiplicada por oito. Esta sensibilidade da energia com a velocidade do vento mostra a importância na obtenção dos dados do vento para a estimativa da energia disponível. A geração eólica atende todas as faixas de potência do estudo; Figura 3 Funcionamento de uma Usina Eólica (fonte: 4. Geração Hidrelétrica Fonte: deslocamento de água; Tecnologia: A energia hidráulica é proveniente da irradiação solar e da energia potencial gravitacional, através da evaporação, condensação e precipitação da água sobre a superfície terrestre. O aproveitamento se dá, principalmente, com a obtenção de Energia Elétrica a partir do movimento das águas. As usinas hidrelétricas, usando os desníveis no continente (que podem ser naturais (fio d água) ou artificiais (reservatórios, barragem)), são as formas hegemônicas de utilização de Energia Hidráulica. A geração hidrelétrica atende todas as faixas de potência do estudo; Figura 4 Funcionamento de uma usina hidroelétrica (fonte:
6 5. Queima Direta de Lenha, Bagaço e Resíduos Agrícolas Fonte: restos de lenha, bagaço de cana e resíduos agrícolas; Tecnologia: resíduos utilizados como combustível para aquecimento de uma caldeira que fornece vapor para girar uma turbina. Tecnologia utilizada para potências menores que 30MW; Figura 5 Funcionamento de um termelétrica a vapor (fonte: 6. Biocombustíveis Combustíveis Líquidos: Fonte: óleos extraídos da soja, mamona, dendê e outras oleaginosas utilizado como biodiesel, álcool da cana; Tecnologia: esses combustíveis líquidos são utilizados diretamente num motor a combustão que está acoplado a um gerador elétrico. Devido a complexidade do sistema e a necessidade do uso de diversos geradores, esta forma de geração não é utilizada para grandes potências, por isso o estudo se limita a 30MW; Biogás: Fonte: gás extraído da biodecomposição que ocorre em aterros e esgotos gerando o conhecido biogás; Tecnologia: o biogás na geração elétrica é utilizado da mesma forma que o gás natural, desta feita ele é ou queimado para aquecer uma caldeira a vapor que será utilizado em uma turbina a vapor, ou injetado diretamente numa turbina a gás; Diferentemente dos biocombustíveis líquidos, a geração utilizando o biogás pode ser em altas potências; 7. Geotérmico Fonte e tecnologia: é a energia obtida a partir do calor proveniente da Terra, mais precisamente do seu interior. Devido a necessidade de se obter energia elétrica de uma maneira mais limpa e em quantidades cada vez maiores, foi desenvolvido um modo de aproveitar esse calor para a geração de eletricidade. Hoje a grande parte da energia elétrica provém da queima de combustíveis fósseis, como o petróleo e o carvão mineral, métodos esses muito poluentes. Para que possamos entender como é aproveitada a energia do calor da Terra devemos primeiramente entender como nosso planeta é constituído. A Terra é formada por grandes placas, que nos mantém isolados do seu interior, no qual encontramos o magma, que consiste basicamente em rochas derretidas. Com o aumento da profundidade a temperatura dessas rochas aumenta cada vez mais, no entanto, há zonas de intrusões magmáticas, onde a temperatura é muito maior. Essas são as zonas onde há elevado potencial geotérmico.
7 Figura 6 Exemplo do funcionamento de uma usina geotérmica (fonte: wikipedia) 8. Derivados de Petróleo Pode-se produzir energia térmica, mecânica, através de motores dos mais diversos tipos, e elétrica. A geração de energia elétrica a partir de derivados de petróleo ocorre por meio da queima desses combustíveis em caldeiras, turbinas e motores de combustão interna. O caso das caldeiras e turbinas é similar ao dos demais processos térmicos de geração e mais usado no atendimento de cargas de ponta e/ou aproveitamento de resíduos do refino de petróleo. Os grupos geradores Diesel são mais adequados ao suprimento de comunidades e de sistemas isolados da rede elétrica convencional. Fonte: Óleo Combustível; Tecnologia: o óleo é queimado para aquecer uma caldeira contendo geralmente água que será transformada em vapor em alta pressão e este passará através de uma turbina a vapor, gerando eletricidade (mesmo principio da figura 5); Fonte: Gasolina, GLP, Diesel Tecnologia: esses combustíveis líquidos são utilizados diretamente num motor a combustão acoplado a um gerador elétrico. Devido a alta complexidade e custo elevado de construção de motores a combustão de altíssimas potências (acima de 30 MW por unidade), o estudo limitou-se até está potência mencionada; 9. Gás Natural Fonte: Gás Natural Tecnologias: - Queima Direta: injetado diretamente para ser queimado numa turbina a gás natural, devido ao seu porte, esta tecnologia de geração utilizando-se turbinas foi escolhida no estudo para atender uma faixa de potências mais altas (de 10 kw até acima de 200 MW); - Co-geração: É a geração simultânea de energia elétrica e energia térmica a partir de um mesmo combustível. Isso é possível, por exemplo, através de uma turbina a gás que, enquanto move um
8 gerador elétrico, tem seu escapamento utilizado para gerar vapor numa caldeira especial (caldeira de recuperação). Esse "sopro quente" da turbina também pode ser usado diretamente para secagens ou para produção de água gelada (utilizada em refrigeração ambiental) por meio de um sistema de absorção. A cogeração pode ser também realizada por meio de motores convencionais (de pistões) a gás, que além do "sopro quente", disponibilizam calor na água de arrefecimento. Um exemplo mais próximo de nós é o do aquecimento da cabine de automóveis: o ar da ventilação é aquecido pela água que sai quente do circuito de refrigeração do motor através de um pequeno permutador. Com cogeração é possível gerar energia elétrica em pequena escala a um custo atrativo já que grande parte da energia contida no combustível é aproveitada; 10. Carvão O carvão mineral é a principal fonte de geração de energia elétrica em vários países, dentre os quais se destacam os seguintes: Estados Unidos, China, Índia, Alemanha, Japão e África do Sul. Em 1997, foi responsável por 38% de toda a eletricidade gerada no mundo (5.337 TWh). A abundância das reservas e o desenvolvimento de tecnologias de "limpeza" e combustão eficiente, conjugados à necessidade de expansão dos sistemas elétricos e restrições ao uso de outras fontes, indicam que o carvão mineral continuará sendo, por muitas décadas, uma das principais fontes de geração de energia elétrica. No Brasil, no entanto, o uso energético do carvão mineral ainda é bastante restrito, representando apenas 1% da matriz energética nacional. Entre outras restrições, os altos teores de cinza e enxofre (da ordem de 50% e 2,5%, respectivamente) são os principais responsáveis pelo baixo índice de aproveitamento do carvão no Brasil. A participação do carvão na geração de eletricidade ainda é muito reduzida (1,5% em 1999). Em janeiro de 2002, havia sete centrais termelétricas a carvão mineral em operação no Brasil, totalizando MW de potência instalada, em virtude do grande potencial hidráulico do país e das características físicas e geográficas das reservas. Fonte: carvão mineral ou natural; Tecnologia: o carvão é queimado para aquecer uma caldeira que vaporiza água e utiliza o vapor em alta pressão para girar uma turbina necessária para gerar energia elétrica (Figura 5). 11. Nuclear Fonte: urânio enriquecido; Tecnologia: O princípio de funcionamento é semelhante ao de uma usina térmica convencional: o calor gerado pela combustão do carvão, do óleo ou do gás vaporiza a água em uma caldeira. Este vapor aciona uma turbina, à qual está acoplado um gerador, que produz a energia elétrica. Na usina nuclear, o calor é produzido pela fissão do urânio no núcleo do reator. O sistema PWR (Pressurized Water Reactor) é constituído por três circuitos: primário, secundário e de água de refrigeração. A água do circuito primário é aquecida pelo calor decorrente da fissão do urânio no reator, chegando a uma temperatura de cerca de 320 C. Em seguida, a água passa por tubulações até o gerador de vapor, onde vaporiza a água do circuito secundário sem, no entanto, entrar em contato com ela. O vapor resultante vai acionar a turbina, que movimentará o gerador e produzirá eletricidade. Para que a água do circuito primário não entre em ebulição ao ultrapassar 100 C, a pressão é mantida elevada atmosferas - daí o sistema denominar-se "água leve pressurizada". Figura 7 Usina termonuclear (fonte:
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