11 MÓDULO II GERAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA Referências utilizadas: Leão, R. GTD Geração, Transmissão e Distribuição da Energia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, Ceará, 2009. Demais/outros conteúdos, imagens e apostilas disponíveis na Web/Internet. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.1 Introdução A eletricidade é um fenômeno resultante do acúmulo e do movimento de elétrons nos corpos. A geração de energia elétrica resulta da conversão de uma outra forma de energia. Estas outras formas de energia são: a energia potencial de quedas de água, a energia cinética dos ventos e marés, energia atômica e a energia caloríficas resultante da queima de materiais. Estas energias são transformadas nas usinas geradoras que podem ser usinas hidrelétricas, usinas termoelétricas, usinas nucleares e outras. No Brasil a energia elétrica, em nível comercial, é produzida através dos derivados de petróleo, do carvão, da energia nuclear (urânio) e das hidrelétricas (água dos rios). 1 Barragem 2 Grades 3 Tomada de águas 4 Condutos forçados 5 Turbina 6 Alternador 7 Casa de máquinas 8 - Pórtico ponte 9 Sistemas de descarga 10 Transformadores 11 Sistema de transmissão Fig. 2.1 Central hidráulica de Itaipu.
12 2.2 Componentes do Sistema de Geração O sistema de geração é composto dos seguintes componentes: Maquina primária; Gerador; Transformador; Sistema de controle; Sistema de comando; Sistema de proteção. 2.3 Máquina Primária É a responsável pela transformação da energia cinética em energia elétrica para que a mesma possa ser aproveitada pelo gerador, como por exemplo, a máquina primária que transforma energia potencial da água em energia elétrica é a TURBINA. As máquinas mais utilizadas são: Motores a diesel; Turbinas hidráulicas; Turbinas a vapor; Turbinas eólicas. Assim as centrais elétricas são classificadas de acordo com o combustível, como por exemplo: Hidrelétricas; Termoelétricas; Eólicas; Nucleares; Etc. 2.3.1 Principais Turbinas Hidráulicas A turbina hidráulica possui uma grande variedade de formas e tamanhos, efetua a transformação da energia hidráulica em energia mecânica. E dividem-se entre quatro tipos principais: PELTON, FRANCIS, KAPLAN E BULBO. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, como uma determinada faixa de altura de queda. As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q). 1) Turbina Pelton: É adequada para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito comum em países montanhosos. Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que outras, e tem o rotor de características bastante distintas. Os jatos de água ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso. O número normal de bocais varia de dois a seis, igualmente espaçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor. Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água.
13 Fig. 2.2 Turbina Pelton. 2) Turbina Francis: É adequada para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d'água. A roda Francis apresenta um íntimo contato com a água que percorre os seus canais, não sendo, por isto, recomendável o seu emprego em usinas cuja água possua alto teor de sólidos em suspensão, que acarretam excessivo desgaste da roda por erosão. As turbinas Francis podem ser instaladas de eixo horizontal ou vertical, sendo este ultimo mais comum nas usinas de grande potência. Fig. 2.3 Turbina Francis. 3) Tubinas Kaplan: São adequadas para operar entre quedas de 20 m até 50 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este se assemelha a um propulsor de navio (similar a uma hélice) com duas a seis as pás móveis. Um sistema de embolo e manivelas montado dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor. As Kaplans apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação.
14 Fig. 2.4 Turbina Kaplan. 4) Turbinas Bulbo: Operam em quedas abaixo de 20m. Foram inventadas inicialmente, na década de 1960, na França para a usina maremotriz de La Rance e depois desenvolvidas para outras finalidades. Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar às pás da turbina. Fig. 2.5 Turbina Bulbo. 2.3.2 Turbina a Vapor Turbina a Vapor é a máquina térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão. A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor, uma bomba. A energia, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situações, entretanto, é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento, por exemplo.
15 (a) Turbina a vapor Curtis (1905). Fig. 2.6 Turbina a vapor. (b) Turbina de termoelétrica. 2.3.3 Turbina Eólica A turbina eólica, ou aerogerador, é uma máquina eólica que absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência mecânica de eixo (torque x rotação), a qual é convertida em potência elétrica (tensão x corrente) através de um gerador elétrico. A turbina eólica é composta pelo rotor e pela torre que o sustenta, pela transmissão/multiplicação e pelo conversor. Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa através da área interceptada pelas pás rotativas. Embora combinada com a eficiência do modelo, a área varrida pelo rotor circular (π.r 2 ) é um fator crucial na determinação da energia entregue pela turbina eólica. Direção do vento 1 - Lâminas 2 - Rotor 3 - Passo 4 - Freio 5 - Eixo de baixa velocidade 6 - Caixa de velocidades 7 - Gerador 8 - Controlador 9 - Anemômetro 10 - Cata-vento 11- Barquinha 12 - Eixo de alta velocidade 13 - Disco 14 - Motor 15 - Torre Fig. 2.7 Turbina eólica. 2.4 Gerador de Energia Elétrica O gerador está acoplado mecanicamente à turbina. A energia mecânica disponível no eixo da turbina é transformada em energia elétrica pelo gerador. Geradores são dimensionados de acordo com a potência que a maquina primária pode fornecer. Além disto, o tipo de máquina primária (eólica, hidráulica, etc.) define a velocidade do gerador e também o numero de pólos.
16 GERADOR Estator Rotor Eixo girador TURBINA Fluxo de água Meia-porta 2.5 Transformador Elevador Pás da turbina Fig. 2.8 Gerador e turbina. Os transformadores elevadores, presentes na subestação elevadora das usinas, permitem o aumento da tensão gerada. Estão alocados em instalações anexas às usinas geradoras elevando a tensão do nível de geração (de 5 a 25kV) ao nível adequado de transmissão (230 a 1200kV). Esta atividade é comumente utilizada para facilitar o transporte da energia, diminuir a corrente e consequentemente a espessura dos condutores, diminuindo as perdas do sistema e melhorando o processo de isolamento dos condutores. Fig. 2.9 Transformador elevador de tensão de 225MVA, comprado por Itaipu (WEG). 2.6 Sistema de Controle, Comando e Proteção Para que seja feita a interligação de um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são necessários vários requisitos, dentre eles: Tensão de saída Estável; Sincronismo do gerador com sistema de barramento infinito; Para que estas e outras operações de supervisão sejam possíveis é que existem os sistemas de comando, proteção e controle da usina. O Sistema de Controle realiza tarefas de supervisão, aquisição de dados, sequenciamento (controle automático), medição, alarmes, armazenamento de dados (histórico), elaboração de relatórios e manipulação de dados em tempo real e "off-line".
17 Fig. 2.10 Sala de controle da usina de Itaipu. O Sistema de Comando ou Manobra, fundamentalmente, se subdivide em seccionadores, chaves e disjuntores, classificação baseada nas características próprias e que são inseridas nos circuitos em posição adequada. (a) Chave seccionadora. Fig. 2.11 Dispositivos de manobra. (b) Disjuntor. O Sistema de Proteção deve reagir em função das grandezas elétricas medidas e efetuar ainda a fiscalização das condições de circulação da corrente e da tensão elétrica. Se algum problema for detectado, o trecho é desligado com rapidez para que a falha não se alastre para o resto do sistema. (a) Para-raio. (b) Painel de Relés. (c) Fusíveis. 2.12 Dispositivos de proteção.
18 2.7 Principais Tipos de Usinas Geradoras de Energia Elétrica 2.7.1 Usina Hidrelétrica Matéria Prima: Água dos rios. A água, represada em um reservatório (ou lago), é conduzida até uma turbina ligada a um gerador. A pressão da água, ao fazer com que a turbina gire, induz o gerador a produzir eletricidade. Esta forma de energia é então distribuída aos consumidores pelas linhas de transmissão. Fig. 2.13 Hidrelétrica. Tabela 2.1 Vantagens e desvantagens de usinas hidrelétricas. Vantagens Desvantagens Produção de energia elétrica sem poluição; Possível regulação do fluxo de inundações de um rio; Retenção de água a nível regional que pode ser utilizada, se potável, para fins variados (turismo, por exemplo). 2.7.2 Usina Termelétrica Há impactos geográficos e biológicos na construção de uma barragem, pois este elemento arquitetônico altera a fauna e flora, a paisagem, a sedimentação do local onde é construído. Devido a este impacto, muitas vezes, a energia hidráulica não é considerada uma energia renovável. Porém é muito mais eficaz em termos de produção de energia e gera menos impactos geográficos do que a Energia Eólica, por exemplo. Matéria Prima: Combustível fóssil (gás natural, gasolina, petróleo, carvão,...) Fig. 2.14 Termelétrica. 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. Tabela 2.2 Vantagens e desvantagens de usinas termelétricas. Vantagens Desvantagens Pode ser construída próxima ou junto aos locais de consumo; O gás natural pode ser usado como matéria-prima para gerar calor, eletricidade e força motriz, nas indústrias siderúrgicas, químicas, petroquímicas e de fertilizantes, sendo menos poluente; O carvão mineral, também utilizado como matéria-prima, está presente nas boas jazidas, com fácil extração. Elevados gastos com o consumo de combustíveis e sua manutenção; Há impactos ambientais como: poluição do ar, aquecimento das águas; Impacto da construção de estradas para o abastecimento de combustível da usina; Agravamento do efeito estufa e chuvas ácidas; A termoelétrica pega a água fria do rio e a devolve muito quente ao caudal, cuja água então aquecida é capaz de destruir a sua fauna e flora;
19 2.7.3 Usina de Biomassa Matéria Prima: Matéria orgânica (casca de arroz, bagaço da cana, palha de trigo,...) Fig. 2.15 Usina de biomassa. Tabela 2.3 Vantagens e desvantagens de usinas de biomassa. Vantagens Desvantagens É uma energia renovável; É pouco poluente, não emitindo dióxido de carbono; A biomassa sólida é extremamente barata, sendo suas cinzas pouco agressivas para o meio ambiente; Verifica-se menor corrosão dos equipamentos (caldeiras, fornos, etc.). Devastação de florestas, além da destruição de habitats; Possui um menor poder calorífico quando comparado a outros combustíveis; Os biocombustíveis líquidos contribuem para a formação de chuvas ácidas; Agravamento do efeito estufa e chuvas ácidas; Dificuldades de transporte e armazenamento da biomassa sólida; 2.7.4 Usina Eólica Matéria Prima: Ventos. 1. O vento faz as hélices girar. 2. Eixo movimenta do gerador para produzir eletricidade 3. Um transformador converte a energia em alta voltagem 4. A eletricidade é transmitida para a rede elétrica. Fig. 2.16 Usina eólica.
20 Tabela 2.4 Vantagens e desvantagens de usinas eólicas. Vantagens Desvantagens É inesgotável; Não emite gases poluentes nem gera resíduos; Diminui a emissão de gases efeito estufa; Os aerogeradores não necessitam de abastecimento de combustível e requerem escassa manutenção. A intermitência, ou seja, nem sempre há vento quando a eletricidade é necessária; Impacto sobre as aves do local; Impacto sonoro; 2.8 Informações sobre a Energia Nuclear A energia nuclear, também chamada atômica, é obtida a partir da fissão (quebra) do núcleo do átomo de minerais altamente radioativos, liberando uma grande quantidade de energia. A energia nuclear mantém unidas as partículas do núcleo de um átomo. A divisão desse núcleo em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia. O que é uma Usina Nuclear? Uma Usina Nuclear é uma instalação industrial empregada para produzir eletricidade a partir de energia nuclear, que se caracteriza pelo uso de materiais radioativos que através de uma reação nuclear produzem calor. Este calor é empregado por um ciclo termodinâmico convencional para mover um alternador e produzir energia elétrica. As centrais nucleares apresentam um ou mais reatores, que são compartimentos impermeáveis à radiação, em cujo interior estão colocados barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento radioativo, em geral o urânio, plutônio ou tório. O funcionamento de uma usina nuclear é bastante parecido ao de uma usina térmica. A diferença é que ao invés de nós termos calor gerado pela queima de um combustível fóssil, como o carvão, o óleo ou gás, nas usinas nucleares o calor é gerado pelas transformações que se passam nos átomos de urânio nas cápsulas de combustível. Fig. 2.17 Ciclo de uma usina nuclear.
21 Fig. 2.18 Esquema de uma usina nuclear. Países que utilizam a Energia Nuclear A fissão nuclear é a principal aplicação civil da energia nuclear. É usada em centenas de centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coréia do Norte, Paquistão Índia, entre outros. Tabela 2.5 Aspectos positivos e negativos da energia nuclear. Aspectos Positivos Aspectos Negativos As reservas de energia nuclear são muito maiores que as reservas de combustíveis fósseis; Comparada às usinas de combustíveis fósseis, a usina nuclear requer menores áreas; As usinas nucleares possibilitam maior independência energética para os países importadores de petróleo e gás; Não contribui para o efeito estufa. Os custos de construção e operação das usinas são muito altos; Possibilidade de construção de armas nucleares; Destinação do lixo atômico; Acidentes que resultam em liberação de material radioativo; Os elementos radioativos levam milhares para tornar-se inócuo. Energia nuclear no Brasil O Brasil possui duas usinas nucleares em atividade, Angra I e Angra II, situadas no município de Angra dos Reis (estado do Rio de Janeiro). Angra 1 encontra-se em operação desde 1982 e fornece ao sistema elétrico brasileiro uma potência de 657MW. Angra 2 opera com um reator tipo PWR (Pressurizer Water Reactor, i.e., reator à água pressurizada) e sua potência nominal é de 1.350MW. Angra 2, sozinha, poderia atender ao consumo de uma região metropolitana do tamanho de Curitiba, com dois milhões de habitantes. Como tem o maior gerador elétrico do hemisfério Sul, Angra 2 contribui decisivamente com sua energia para que os reservatórios de água que abastecem as hidrelétricas sejam mantidos em níveis que não comprometam o fornecimento de eletricidade da região economicamente mais importante do país, o Sudeste. Angra 3 será a terceira usina da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, localizado na praia de Itaorna, município de Angra dos Reis (RJ). A nova usina terá uma potência bruta elétrica de
22 1.405MW e, podendo gerar cerca de 10,9 milhões de MWh por ano - energia equivalente a um terço do consumo do Estado do Rio de Janeiro e será similar a Angra 2. Fig. 2.19 Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, formada pelo conjunto das usinas nucleares Angra I, II e III. 2.9 Matriz Energética Brasileira No Brasil, a capacidade instalada de produção energética é predominante das hidrelétricas com 71,74% da produção total, seguido por gás com 11,15%, como ilustrado no gráfico a seguir. Gás - 11,15% Petróleo - 6,11% Biomassa - 6,96% Nuclear - 1,79% Carvão mineral - 1,42% Eólica - 0,82% Solar - 0,01% Hidráulica - 71,74% Fig. 2.20 Matriz energética brasileira Capacidade instalada (Brasil, 2011). Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), vinculada ao Ministério de Minas e Energia, será preciso que a capacidade instalada passe de 110 mil para 170GW até 2020. Para isso, o governo aposta na diversificação da matriz energética, com inclusão de energia eólica, sem descartar pequenas centrais hidrelétricas (PCH), energia solar, nuclear e de biomassa. O consumo per capita voltará em 2017 ao nível mais alto da história, registrado anteriormente em 2001, ano em que houve racionamento no fornecimento. De lá para cá, uso mais racional, ampliação da capacidade e aumento da eficiência energética melhoraram a situação, mas há um longo caminho a percorrer. O Plano Decenal de Energia da EPE, divulgado em junho de 2011, indica que as hidrelétricas continuarão como prioridade. Dos R$ 100 bilhões destinados a investimentos a serem contratados, 55% são destinados a esta fonte, que hoje representa 71% da matriz energética. Embora passe a representar 67% do total até 2020, a produção vai crescer de 82,9 mil para 115,1 GW, fundamentalmente ancorada em usinas instaladas na Amazônia.
23 As perspectivas para as principais fontes de energia nos próximos anos: Eólica: A energia eólica desponta como grande aposta na matriz energética brasileira. Em 2010, comandou o leilão de fontes renováveis e chegou a um preço muito mais baixo que o imaginado. Com isso, a EPE estima que essa fonte responda por 7% da capacidade instalada até 2020, contra 1% atualmente. PCH: As PCHs, como são conhecidas, têm processo mais rápido de construção que as grandes centrais hidrelétricas. O que é bom para a produção de energia, no entanto, pode ser um obstáculo em termos de impacto. Solar: A energia solar ainda engatinha no Brasil. Se a eólica conseguiu se desenvolver com a chegada de fabricantes estrangeiros e o gradativo processo de produção local de alguns componentes, a solar ainda não tem exploração comercial e a primeira planta solar começou a ser instalada no Ceará, em parceria entre estado e iniciativa privada. Espera-se, em um tempo breve, uma definição da ANEEL sobre a comercialização do excedente de pequenos geradores, como prédios, por exemplo. Nuclear: Os riscos na usina nuclear de Fukushima, abalada pelo terremoto que assolou o Japão neste ano, fizeram o governo recuar na intenção de instalar novas usinas. Ao menos temporariamente, já que o presidente da EPE, Maurício Tolmasquim, não descarta voltar a apostar nesta tecnologia. As usinas de Angra 1 e Angra 2 asseguram atualmente 2.007MW, aumentando para 3.412MW em 2016, com a inauguração de Angra 3. O longo prazo para construção dessas usinas, somado ao risco, deve dificultar os planos de ampliação. Biomassa: A biomassa vai mais que dobrar a participação na capacidade instalada brasileira, passando de 4.496MW atualmente para 9.163MW em 2020. A EPE estima que a maior parte virá da energia gerada por cana-de-açúcar, mas admite que há problemas neste campo. A maior parte dos usineiros prefere reaproveitar parte da energia gerada pelo bagaço na própria produção de açúcar e etanol, sem comercializá-la com o Sistema Integrado Nacional. Termelétricas: A participação de termelétricas a combustíveis fósseis na geração deve aumentar para cerca de 11%. É uma opção economicamente competitiva e representa uma complementação esporádica da oferta. Além disso, a emissão de gases efeito estufa não deve ser entrave a instalações de novas termelétricas, pois sua participação nas emissões é pequena.