Universidade do Estado de Mato Grosso Campus Sinop Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA ROGÉRIO LÚCIO LIMA Sinop Outubro de 2016
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Motivação existem diversas maneiras de gerar energia elétrica, muitas das quais ainda não são economicamente ou tecnicamente viáveis. Itaipu (PR) e Paulo Afonso (BA). Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 2
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Tucuruí (PA) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 3
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Termoelétrica de Piratininga (SP), Itacoatiara (AM), CTE II (RJ) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 4
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Angra 1, 2 e 3 (RJ) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 5
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Tianguá (CE) e São Clemente (PE) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 6
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Usina geotérmica de imperial Valley em Brawley, Califórnia, EUA. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 7
Geração de Energia Elétrica Conceitos básicos sobre geração de energia elétrica Tubarão (SC) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 8
Geração de Energia Elétrica Máquina geradora inicia o processo de conversão de energia. Central geradora conjunto da máquina primária e os outros equipamentos. Fonte de energia Energia de entrada Tipo de fonte de energia Máquinas utilizadas na transformação Combustível Fóssil Predominantemente térmica Petróleo e derivados, gás de biomassa, álcool, derivados de xisto, carvão vegetal ou mineral, nuclear, lixo. Turbina a gás ou vapor, motores de combustão interna Planeta Térmica Gêiseres, vulcões, altas temperaturas do interior do planeta. Turbina a vapor Campo gravitacional Hidráulica Água dos rios e mares. Turbinas hidráulicas Sol Solar Radiação solar. Células fotovoltaicas Vento Eólica Vento médio. Turbina eólica Oceano Potencial gravitacional, térmica. Ondas, correntes marítimas, diferença vertical de temperatura Turbina a ar Elementos químicos Química Diversas combinações de elementos químicos Bateria, células combustíveis Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 9
Os vários tipos de usinas hidroelétricas podem ser agrupados em três categorias principais, e são diferenciados pela operação do sistema: 1. Usinas hidroelétricas com reservatório é o tipo mais comum de planta hidroelétrica e é o mais adequado para geração de grande porte. A barragem dessas plantas criam um reservatório e altitude considerável a montante da barragem; Usina Hidrelétrica de Tucuruí (Ficha técnica) Capacidade instalada Área de drenagem do rio Tocantins 8400 MW 758.000 km 2 Vazão máxima registrada 68.400 m 3 Turbinas dos grupos Tipo Francis Estruturas de concreto 6.247.237 m 3 Comprimento da casa de força Diâmetro do conduto 375 m 10,4 m Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 10
1. Usinas hidroelétricas com reservatório. Principais usinas hidroelétricas. Nome da barragem Localização Capacidade (GW) Ano de conclusão 3 gargantas China 22,5 2010 Itaipu Brasil/Paraguai 14 1983 Guri Venezuela 10 1986 Tucuruí Brasil 8,37 1984 Grand Coule EUA 7,0 1942 Sayano - Shushenskaya Rússia 6,4 1989 Krasnoyarsk Rússia 6 1968 Churchil Falls Canada 5,43 1971 La Grande 2 Canada 5,33 1979 Bratsk Rússia 4,5 1961 Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 11
2. Usinas à fio d agua não tem capacidade de armazenamento e, consequentemente, não podem dispor de recursos de água para uma geração imprevista; por esse motivo, elas não podem ser usadas com usinas de regulação; Usina hidrelétrica de Itaipu Energia disponível anual 10,187 GW Número de comportas 14 Volume no nível máximo normal 29x10 9 m 3 Área inundada 1.350 km 2 Qtde de aço Turbinas dos grupos Capacidade instalada 481.074 t Tipo Francis 14 GW Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 12
3. Usinas de bombeamento tem um reservatório elevado que permite bombear água quando a energia elétrica é mais barata e depois turbina-la quando for mais rentável. Elas podem ser consideradas um meio eficiente de armazenamento de energia, mas não de eletricidade. Usina hidrelétrica de Ribeirão das Lajes Pereira Passos Área total 204 km 2 Capacidade instalada Energia Firme 100 MW 51,6 MW médio Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 13
Classificações e descrições A transformação da energia hidráulica em energia elétrica, realizada num conjunto TH- Gerador, exige que se disponha de uma certa vazão de água, gerada por desnível entre dois reservatórios conhecidos como reservatório de captação e reservatório de descarga. Há diversos critérios segundo os quais as centrais hidroelétricas instaladas em rios podem ser classificadas. Algumas classificações encontradas na literatura são as seguintes: Quanto à finalidade da central; Quanto ao tipo do reservatório; Quanto à queda; Quanto à potência; Quanto à forma de captação da água; Quanto ao sistema de fornecimento de energia; Quanto à sua função na rede de distribuição de energia. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 14
Quanto à finalidade da central 1. Centrais que produzem somente trabalho mecânico; 2. Centrais que produzem somente energia elétrica; 3. Centrais que produzem energia elétrica e cujo reservatório se presta a outras finalidades. Quanto ao tipo de reservatório 1. Centrais com reservatório de regularização; 2. Centrais com reservatório de captação (ou a fio d agua ou de água corrente); 3. Centrais de acumulação por bombeamento. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 15
Quanto à queda bruta (m) 1. Centrais de baixíssima queda: H b 10; 2. Centrais de baixa queda: 10 H b 50; 3. Centrais de média queda: 50 H b 250; 4. Centrais de alta queda: 250 H b. Quanto à potência (MW - ANEEL) 1. Centrais Geradoras Hidrelétricas - CGH: N 1MW; 2. Pequenas Centrais Hidrelétricas PCH: 1,1 MW N 30 MW; 3. Usina Hidrelétrica de Energia UHE: N 30,1 MW. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 16
Quanto à forma de captação da água 1. Centrais em desvio e em derivação; 2. Centrais em leito de rio. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 17
Quanto ao sistema de fornecimento de energia 1. Centrais isoladas; 2. Centrais interligadas. Quanto à sua função no sistema nacional de energia elétrica 1. Centrais de base; 2. Centrais de pico ou ponta. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 18
Partes componentes de uma hidrelétrica É um grande conjunto de máquinas, equipamentos e edificações destinados a garantir o funcionamento dos grupos turbina gerador, que são seus principais componentes. Entre os componentes não básicos, porém essenciais de uma central, destacam-se os seguintes: Barragem; Condutos de adução de água; Casa de máquinas; Condutos de restituição de água. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 19
Barragens e obras acessórias As barragens são estruturas transversais ao leito do rio, destinadas a represar sua água, para utilizá-la em centrais diversas (em leito de rio ou não, com reservatório de regularização ou de captação). Diversos tipos de barragens podem ser encontrados nas centrais hidroelétricas existentes. Os mais comuns são: Barragens a gravidade; Barragens a arco; Barragens a arco-gravidade. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 20
Barragens a gravidade São aquelas em que o equilíbrio da construção sob a força exercida pela água se dá em virtude do seu próprio peso. Podem ser executadas em alvenaria, de pedra, concreto ciclópico, concreto armado, terras ou pedras soltas (enrocamento). Barragens a arco São estruturas que aproveitam a propriedade que tem os arcos de transmitir a carga sobre eles aplicada para as extremidades, neste caso, as margens do rio. Barragens a arco-gravidade São um tipo intermediário entre os dois anteriores. Tem construção em forma de arco, porém bastante robusta como as barragens a gravidade. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 21
Barragens a gravidade/ a arco Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 22
Barragens e obras acessórias Dentre as diversas estruturas acessórias às barragens, duas são indispensáveis para sua utilização: Descarregadores de vazões excedentes destinam-se a evitar que a barragem transborde ou que as terras vizinhas sejam indevidamente alagadas; Tomadas d agua é o ponto onde se inicia a captação da água levada às turbinas. tomadas d agua podem ser incorporadas à barragem ou independentes. O conjunto ainda conta com grades de proteção, comportas, stop-logs e tubos de aeração Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 23
Barragens e obras acessórias Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 24
Barragens e obras acessórias Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 25
Condutos de adução água Os condutos de adução destinam-se a conduzir a água da barragem até as turbinas. Podem ser de baixa ou alta pressão, os últimos também são chamados condutos forçados. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 26
Chaminé de equilíbrio Câmara de carga Equipamento que evita que o aumento de pressão (golpe de aríete) devido ao abastecimento da turbina pelo conduto de alta pressão rompa as tubulações. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 27
Casa de máquinas É o prédio que abriga as turbinas, o geradores e o restante dos equipamentos necessários à operação da central. Dentre os equipamentos usuais, alguns estão sempre presentes: os equipamentos elétricos de controle (abrigados na sala de controle), as válvulas de controle e seus servo-mecanismos associados. A ponte rolante, destinada ao transporte máquinas esta sempre presente em centrais de grande porte. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 28
Restituição da água (Canal de Fuga) A restituição tem inicio na saída das turbinas, num tubo de formato troncônico, chamado de tubo de sucção ou de aspiração, que pode não estar presente e continua pelo canal de fuga que pode ser artificial ou simplesmente o rio. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 29
Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica EL-SHARKAWI, M. A. Electric Energy An Introduction. Third Edition, CRC Press, 2013. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 30