U N I V E R S I D A D E T E C N O L Ó G I C A F E D E R A L D O P A R A N Á ATIVIDADE DE FÍSICA PROF.: FAUSTO DATA: Produção de Energia Elétrica A energia é hoje, sem qualquer dúvida, um bem essencial e indispensável ao ser humano. Os diferentes tipo de energia que o homem utiliza, a energia elétrica tem, sem sombra de dúvida, uma preponderância acentuada. A maior quantidade da energia elétrica é produzida em instalações próprias para o efeito a que se dá o nome de centrais de produção de energia elétrica. Uma central elétrica é uma instalação capaz de converter energia mecânica obtida a partir de outras fontes de energia primária em energia elétrica. A energia primária pode advir da energia armazenada na água, (potencial gravítica e cinética), da combustão de carvão, gás natural, fuel, resíduos florestais, ou qualquer outro combustível adequado, do vento, do mar, do sol, da fissão nuclear A produção da energia elétrica fica a cargo de geradores eléctricos, que podem ser de corrente contínua ou de corrente alternada. De entre os últimos, temos as máquinas síncronas e as máquinas de indução. Sem dúvida que a grande maioria da energia elétrica produzida no mundo é produzida pelas máquinas síncronas. As máquinas geradoras de energia eléctrica são acionadas pelas máquinas primárias ou turbinas, as quais podem ser hidráulicas, de gás,. Ao conjunto Turbina-Gerador dá-se o nome Grupo Gerador. Existem diversos tipos de centrais produtoras de energia elétrica, umas mais convencionais, outras de tecnologia mais recente e que procuram aproveitar novas formas de produzir energia de forma mais económica e/ou mais ecológica que a queima de combustíveis fósseis. Neste último ponto incluem-se os aproveitamentos eólicos, solares, geotérmicas, maremotrizes, hidráulicos de dimensão reduzida (micro-aproveitamentos e pequenos aproveitamentos), cogeração, O aproveitamento de outras formas de energia prende-se também com problemas ligados com a diversificação e redução da dependência energética de determinados países bem como com o futuro desaparecimento dos combustíveis fósseis. Portugal é um país muito dependente do exterior em termos de energia, importando cerca de 80% da energia que necessita, sendo o petróleo responsável por cerca de 85% dessas importações. Centrais Hidrelétricas Nas centrais com grandes albufeiras, a energia potêncial gravítacional da água é transformada em energia cinética a qual por sua vez é transformada nas turbinas hidrelétricas em energia mecânica que finalmente será transformada em energia elétrica nos geradores. As albufeiras das centrais hidrelétricas são construídas sobre o leito de rios, mas o edifício onde se instalam os equipamentos produtores de energia podem estar mais ou menos afastados da albufeira. A albufeira que pode ter maior ou menor capacidade de armazenamento de água a qual será depois turbinada. Note-se que, para que se possa instalar uma central hidrelétrica para a produção de energia é necessário que se encontrem as condições geográficas ideais, e ainda que se respeitem certas condições ambientais e outras como por exemplo conservação de património. A figura que se segue mostra uma central hidrelétrica onde se pode observar que o edifício onde estão instaladas as máquinas produtoras de energia se encontra relativamente afastado da albufeira. Este procedimento, justifica-se pela necessidade de aumentar a queda útil da água, a qual directamente influência a quantidade de energia que se pode produzir, como veremos.
Obviamente, a distância entre os grupos geradores e a albufeira pode assumir um qualquer valor de entre aqueles que são técnico-economicamente aceitáveis. Não podemos esquecer-nos que a abertura de um túnel para condução da água até aos grupos geradores representa custos muito elevados, que têm de ser compensados pelo aumento da energia contida na água resultante de uma maior queda. Note-se também que, a conduta de ligação entre a albufeira e os grupos geradores pode não ser constituída por um túnel subterrâneo mas sim por uma conduta metálica (aço), á superfície. A albufeira de uma central hidrelétrica é um sistema de armazenamento de energia, uma vez que a água só será turbinada consoante as necessidades do sistema a que a central se interliga. Por vezes a albufeira funciona também como reserva estratégica, não só de energia como também de água para regas e consumo humano. Existem centrais hidrelétricas dotadas de uma capacidade especial que consiste na possibilidade de bombearem parte da água já turbinada de novo para a albufeira. Estas centrais são dotadas de duas albufeiras a cotas distintas tais que aquela que possui menor cota armazena parte da água que sai da albufeira de maior cota, a qual já foi turbinada, para mais tarde ser bombeada de novo para esta. Nas horas de maior solicitação de energia, a água da bacia superior é turbinada e depois retida na albufeira inferior e nas horas de vazio bombeada para a bacia superior usando a turbina como motor, se esta for reversível, ou então o próprio alternador.
Como já referimos, as centrais hidrelétricas transformam a energia potencial gravítacional da água em energia elétrica. Mas afinal como se pode estimar a quantidade de energia de uma determinada quantidade de água? A quantificação da energia que se estima produzir através de construção de um aproveitamento hidrelétrico depende do valor da potência a instalar e do número de horas que se estima para o funcionamento da central. Por outro lado, a potência total depende do valor da queda, ou desnível topográfico conseguido na implantação da obra, e da vazão, o qual, como é óbvio varia com o tempo. Deve-se assim estudar com adequado rigor a conjugação destas duas variáveis, de forma a garantir que a sua combinação proporcione valores de potência e de energia úteis que justificam, do ponto de vista económico a construção de um determinado aproveitamento hidrelétrico. Como sabemos das leis da física, uma massa de água m, situada a uma altura h, possuí, uma energia potencial gravítica dada pela expressão: Ep = m*g*h onde m é a massa de água, g a aceleração da gravidade e h a altura bruta da queda de água. Teoricamente, a potência a instalar seria: P = ΔE Δt ou ΔE = P Δt onde Pt é a potência total relativo ao volume de água, V o volume de água, µ é a densidade volumétrica da água e dv/dt = Z chamado de vazão. A potência útil não é igual ao valor da potência total, uma vez que o sistema tem perdas de energia no circuito hidráulico (nas condutas, grelhas, e nas turbinas), as quais são expressas através da diminuição do valor da queda bruta, obtendo-se um novo valor de queda a que se designa por queda útil. Além disso, o próprio gerador tem também perdas. O rendimento de uma usina será dada por: d( Ep) d( m* g * h) Pt g * h* d * dt dt η = P util P total dv dt A potência útil Pu é dada pela expressão: Putil * g * h* d * dv dt em que hp representa a perda de energia ao longo do circuito hidráulico, incluindo a turbina. Assim a energia será quantificada por : Ep Pu dt d * g * h* * dv
Como facilmente nos apercebemos, a partir do exposto anteriormente, a potência e a produção de energia de uma central hidroeléctrica depende dos caudais ocorridos e da queda útil do empreendimento. Mais ainda, no estudo para implementação de uma central deste tipo não basta caracterizar a variabilidade de ocorrência dos caudais no que respeita à sua magnitude, mas também o intervalo de tempo em que os mesmos ocorrem. Fácil é de compreender que uma caudal de grande magnitude não é bom se ocorrer durante períodos de tempo muito curtos. O estudo técnico-económico que antecede a construção de uma central hidroeléctrica tem, forçosamente que incluir uma parte dedicada á evolução dos valores dos caudais. Centrais térmicas convencionais As centrais térmicas são instalações onde a energia mecânica necessária para colocar em movimento o rotor do gerador eléctrico se obtém a partir do vapor formado na ebulição de água numa caldeira. O vapor gerado na caldeira tem uma pressão elevada a qual é aproveitada para, na expansão do vapor, accionar a turbina que converterá a energia do vapor em energia mecânica. A designação centrais térmicas convencionais surge para que estas possam ser distinguidas das centrais térmicas nucleares. As centrais térmicas convencionais usam como fonte de energia o carvão, o fuel, gasóleo, o gás natural,... cuja energia térmica, libertada na sua combustão, é aproveitada para transformar água no estado líquido em vapor. Uma central térmica convencional básica tem na sua constituição três elementos essenciais que são a caldeira, a turbina e o gerador. Facilmente se percebe que a caldeira é um elemento essencial pois é nela que se produz o vapor essencial ao processo. O condensador é também um elemento importante na constituição de uma central termoeléctrica, pois é ele que permite efectuar um arrefecimento do vapor que circula no circuito fechado, após este se ter expandido nas turbinas. A partir das leis da termodinâmica, o calor migra das zonas mais quentes (fontes) para as mais frias (sorvedouros), sendo tanto maior a transferência de energia associada a esta migração quanto maior for a diferença de temperatura entre a fonte e o sorvedouro. Assim, o arrefecimento criado pelo condensador (sorvedouro) é importante pois tal permite aumentar a energia associada ao vapor que se desloca do ponto de produção do vapor (fonte) para o ponto em que este é recolhido e arrefecido (sorvedouro). A figura que se segue mostra alguns condensadores em actividade: Uma central térmica é uma instalação que transforma a energia libertada pela combustão de combustíveis fósseis em energia térmica a qual ao accionar uma turbina se transforma em energia mecânica e esta, finalmente acciona o gerador eléctrico. Neste processo 65% da energia é desperdiçada sob a forma de calor e de contaminação.
Assim, só um terço da potência inicial do processo é utilizada como potência eléctrica. Portanto, uma central térmica que possui uma potência de 330 MW, na realidade a sua potência térmica é de aproximadamente 1000 MW. A contaminação destas centrais consiste na emissão de gases pelas chaminés e posterior retorno ao solo a distâncias impensáveis bem como na libertação de grandes quantidades de água de refrigeração no mar ou num rio. Os gases contaminantes são: Dióxido de enxofre (SO2), Óxidos de nitrogénio (Nox), Partículas de metais pesados, Dióxido de carbono (CO2) A tabela que se segue mostra os efeitos produzidos sobre a saúde e sobre o meio ambiente. Produtos SO2 NOx Partículas CO2 Efeitos Chuva ácida. Edemas pulmonares.morte com alta exposição Problemas respiratórios e pulmonares Problemas respiratórios, renais,e ósseos Alterações climáticas.