GERAÇÃO TERMELÉTRICA Conceitos Básicos, Configurações, Potencia gerada e Energia produzida Prof. Lineu Belico dos Reis Agosto de 2012.

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1 GERAÇÃO TERMELÉTRICA Conceitos Básicos, Configurações, Potencia gerada e Energia produzida Prof. Lineu Belico dos Reis Agosto de 2012

2 SUMÁRIO Geração Termelétrica – Aspectos Básicos Geração Termelétrica – Principais Configurações Potencia gerada e Energia produzida

3 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos

4 O processo fundamental de funcionamento das centrais termelétricas baseia-se na conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em energia elétrica. A conversão da energia térmica em mecânica se dá através do uso de um fluido que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em máquinas (turbinas ou motores) térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao eixo da máquina permite a conversão de energia mecânica em elétrica.

5 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos A produção da energia térmica pode se dar pela transformação da energia química dos combustíveis, através do processo da combustão, ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos, com a fissão nuclear. Centrais cuja geração é baseada na combustão são conhecidas como termelétricas; as centrais termelétricas baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais nucleares.

6 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos Pode ser classificada em função das características da combustão com relação ao processo de transferência energética: Combustão externa Combustão interna

7 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos Combustão externa: o combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. Este é um processo usado principalmente nas centrais termelétricas a vapor, onde o combustível aquece o fluido de trabalho (em geral água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma turbina, produzirá trabalho mecânico. As centrais nucleares, embora não utilizem combustão, e sim, fissão nuclear, se incluem nesta classificação, uma vez que o processo de fissão não entra em contato direto com o fluido de trabalho.

8 Central Termelétrica com combustão externa (a vapor)

9 Central Nuclear de Angra dos Reis

10 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos Combustão interna: a combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluido de trabalho será o conjunto de produtos da combustão. A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão (motores)

11 Esquema de uma Instalação com TURBINA A GÁS em Circuito Aberto, Estacionária, sem Recuperação

12 Geração Termelétrica – Aspectos Básicos As centrais a vapor, a gás, nucleares e os motores formam os grandes grupos de centrais termelétricas. Há outros tipos de configurações ou processos, mas sempre baseados nestes principais ou em uma combinação apropriada deles. Além disso, em muitas aplicações, centrais térmicas são utilizadas, no sistema de cogeração, para produção conjunta de eletricidade e vapor para uso no processo.

13 Geração Termelétrica– Principais Configurações

14 A seguir são apresentados, de forma sucinta, os principais tipos de centrais termelétricas de interesse neste curso: centrais a vapor (nucleares e não nucleares), centrais a gás e motores (diesel e outros). São também destacadas as configurações voltadas à maior eficiência energética e melhor desempenho ambiental: a cogeração e os ciclos combinados de centrais a gás e a vapor.

15 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Centrais a vapor Centrais a Vapor Esse tipo de central pode trabalhar tanto em ciclo aberto como em ciclo fechado. A operação em ciclo aberto é comum quando se pretende utilizar calor (vapor) para o processo. Na operação em ciclos fechados, pode-se trabalhar com um ou mais fluidos (operação em ciclos superpostos). Seu funcionamento é baseado no ciclo térmico Rankine.

16 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Centrais a vapor

17 Central nuclear de Angra dos Reis

18 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Centrais a vapor Central nuclear PWR – (reator a água pressurizada) Fonte: http://fisica.cdcc.sc.usp.br/olimpiada s/02/Gabarito2.html http://fisica.cdcc.sc.usp.br/olimpiada s/02/Gabarito2.html

19 Geração Termelétrica – Principais Configurações Centrais a Gás O desenvolvimento das turbinas a gás é relativamente recente e tem como maiores desafios os seguintes problemas tecnológicos: a) para um rendimento razoável, exigem-se altas temperaturas. Tal possibilidade só foi alcançada recentemente com avanços na tecnologia de materiais, que ainda busca possibilidade de operar em temperaturas maiores; b) há um número excessivo de estágios no turbocompressor, o que leva a uma limitação de potência. c) o baixo rendimento dos turbocompressores foi melhorado nas últimas décadas através do desenvolvimento de turbocompressores com até 85%. Graças à implementação dos motores a reação pela indústria aeronáutica, houve um grande progresso. A operação em circuito aberto ocorre em motores a reação turboélice ou turbojato.

20 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Centrais à gás Existem dois tipos básicos de turbina a gás: Turbinas aeroderivativas: baseadas na tecnologia adotada para propulsão de aeronaves. Compactas e de peso reduzido, essas unidades exibem alta confiabilidade e tempo reduzido de manutenção, além de elevado rendimento, o que as torna atrativas apenas para as aplicações de cogeração e geração elétrica. Neste último caso são mais apropriadas para atendimento de picos de demanda ou para funcionar em regime de emergência. Turbinas industriais (heavy-duty): são de construção mais robusta, apresentando maior resistência a ambientes agressivos, sendo indicadas para operação na base.

21 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Centrais à gás

22 Geração Termelétrica – Principais Configurações Motores Os motores Diesel (mais utilizados em centrais de porte) Centrais a Diesel Muito usados em potências até 40 MW, as centrais a diesel para alimentação de sistemas isolados, têm uso disseminado em regiões longínquas sem outra fonte de geração (Amazônia, Rondônia etc.). Elas apresentam, no entanto, limitações relacionadas com potência, ruído e vibração, além de problemas como dificuldade de aquisição de peças de reposição e seu transporte, assim como, principalmente nos locais distantes, os altos custos do combustível. Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação e o fácil plano de manutenção.

23 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Motores Exemplo: um Motor Diesel

24 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Cogeração Sistemas de cogeração são aqueles em que se faz simultaneamente e de forma sequencial a geração de energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como gás natural, carvão, biomassa ou derivados de petróleo. Um sistema de cogeração bem dimensionado e balanceado, do ponto de vista da porcentagem final de cada uma das duas formas de energia, aumenta o rendimento global da utilização do combustível empregado, atuando, assim, no sentido do aumento da eficiência energética.

25 Topping Cycle

26 Bottoming Cycle

27 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Ciclo Combinado Ciclo combinado: consiste num processo que gera energia conjugando o ciclo de Brayton (turbina a gás) com o ciclo de Rankine (vapor). Ou seja, o calor recuperado dos gases de exaustão da turbina a gás é utilizado para acionar um ciclo a vapor. A maior recuperação de calor acontece combinando a geração de energia elétrica nas turbinas a gás e em turbinas a vapor.

28 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Ciclo Combinado

29 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Ciclo Combinado A Caldeira de Recuperação A caldeira de recuperação (HRSG - Heat Recovery Steam Generator) de uma usina de ciclo combinado é o elemento de ligação entre a turbina a gás e o ciclo a vapor. Basicamente a caldeira é um conjunto de trocadores de calor em contracorrente composto por diversas seções (superaquecedor, evaporador e economizador), que recebe, do lado quente, os gases de exaustão da turbina (a cerca de 500 °C), e do lado frio, água que vem ou do condensador do ciclo de vapor, de alguma fonte externa, ou do processo.

30 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Ciclo Combinado Caldeira de Recuperação

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32 Geração Termelétrica – Principais Configurações – Ciclo Combinado

33 O acréscimo de potência alcançado em um ciclo combinado é, em geral, da ordem de 50 % da potência da turbina a gás e a eficiência global passa da média de 30 % do ciclo simples para valores na faixa de 55 a 60 % em ciclos combinados. O ciclo combinado possui a elevada temperatura média de adição de calor da turbina a gás e a baixa temperatura média de rejeição de calor do ciclo de vapor e, portanto, uma eficiência média maior do que qualquer um dos ciclos teria individualmente.

34 Potencia gerada e Energia produzida

35 Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à geração termelétrica A potência gerada e a energia produzida em uma central termelétrica, dependem de vários fatores. Destacam-se, dentre as variáveis usualmente medidas na prática, a pressão e a temperatura. Mas, como se verá, a relação não é linear, nem facilmente colocada em termos de equação.

36 Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à geração termelétrica Para seu entendimento, é necessário enfocar alguns conceitos fundamentais da geração termelétrica e os principais ciclos termodinâmicos básicos (teóricos e práticos) sobre os quais esta geração se baseia. Aqui serão enfocadas os principais tipos de termelétricas e os ciclos termodinâmicos nos quais se baseiam seu funcionamento teórico: Termelétricas a vapor: ciclo a vapor (Rankine) Termelétricas à gás: ciclo a ar (Brayton) Motores: ciclo a ar (Diesel, Otto)

37 Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à geração termelétrica Potência extraível de uma máquina térmica Para qualquer ciclo que venha a ser analisado. Para um sistema térmico ideal, sem perdas, essa potência, em kW, pode ser calculada, por: em que: P é a potência disponível; m é a massa de fluido passando pela transformação térmica, por unidade de tempo, em kg/seg, e h a entalpia específica do fluido, dada em kJ/kg, sendo h 1 a entalpia na entrada da máquina térmica e h 2 a entalpia na saída da máquina térmica. Em sua forma geral, a entalpia, é dada por: ou seja, a soma da energia interna do fluido, com a relação entre a pressão a que está submetido e sua densidade .

38 Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à geração termelétrica Potência extraível de uma máquina térmica O processo, na prática, é submetido a perdas, e o trabalho realmente obtido é menor que o teórico. O efeito dessas perdas, que leva à introdução do conceito de rendimento, pode ser verificado, por exemplo, na figura abaixo, que apresenta o diagrama de Mollier (entalpia x entropia) do vapor d’água.

39 Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à geração termelétrica Conceito de rendimento A partir do diagrama e da expressão da potência, tem-se: Preal = Pútil = m x (h1-h2’) Pdisponível = P = m x (h1-h2) Define-se o rendimento: Daí:

40 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O desempenho das termelétricas a vapor pode ser avaliado através dos ciclos termodinâmicos do vapor d’água, cujas características são usualmente apresentadas em diagramas de estado, como o de Mollier (entalpia x entropia) ou outros similares, como o de temperatura x entropia.

41 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O ciclo teórico fundamental aplicável às termelétricas a vapor é aquele de Carnot e o ciclo base para as aplicações práticas, nesse tipo de geração termelétrica, é o Rankine. As principais relações deste último ciclo com uma central termelétrica a vapor são apresentadas a seguir, para sistemas sem e com superaquecimento do vapor, respectivamente.

42 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Ciclo Rankine sem superaquecimento do vapor 1-2: Bombeamento adiabático reversível (dQ=0) 2-3: Troca de calor a pressão constante na caldeira 3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (dQ=0) 4-1: Troca de calor a pressão constante, no condensador

43 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Ciclo Rankine com superaquecimento do vapor

44 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Com relação aos ciclos e figuras apresentados, ressalta-se: - a área hachuriada representa o trabalho desenvolvido no ciclo. - a área delimitada pela curva superior do ciclo e o eixo das entropias (a23ba, no primeiro caso, e a2’33’ba, no segundo caso) representam o calor transferido ao fluido. - a área delimitada pela curva inferior do ciclo e o eixo das entropias (a14ba, no primeiro caso e, a1’4’ba no segundo) representa o calor transferido do fluido para o ambiente.

45 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O ciclo Rankine, escolhido como o ideal representativo da central termelétrica a vapor, apresenta duas características importantes que o relacionam com o ciclo ideal: Antes do processo de bombeamento, é efetuada a transformação em líquido. Na prática é o que deve ser feito, pois não existe equipamento que aumente a temperatura e ao mesmo tempo transforme essa mistura em líquido apenas; Com superaquecimento, o calor é transferido antes de se efetuar a expansão (queda de pressão), que é o que se pode fazer na prática. As variáveis de controle (sobre as quais se atua para melhorar o desempenho) são, como já se viu, a pressão e a temperatura, cujo efeito é verificado a seguir.

46 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Efeito de: Aumento da temperatura na entrada da turbina (superaquecimento) Conforme aumenta o rendimento, aumenta também o título (porcentagem de água no estado gasoso) do vapor na saída da turbina. Cuidado a ser tomado: o material pode não suportar altas temperaturas. Aumento da pressão máxima do vapor (e consequente aumento na temperatura) Nesse caso, o trabalho líquido tende a permanecer o mesmo e o calor rejeitado diminui, aumentando o rendimento.

47 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Na prática, com base no ciclo enfocado, diversas providências podem ser tomadas para melhorar o desempenho da geração termelétrica apoiada no ciclo de Rankine. As mais comuns são o reaquecimento e a regeneração, exemplificadas a seguir.

48 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O ciclo a vapor com reaquecimento Utiliza-se reaquecimento em um ciclo para tirar partido das vantagens do uso de pressões mais altas e evitar umidade excessiva nos estágios de baixa pressão da turbina. A figura apresenta exemplo com reaquecimento simples.

49 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O ciclo a vapor com regeneração A figura apresenta exemplo de ciclo com regeneração da água de alimentação.

50 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor O ciclo a vapor com reaquecimento e regeneração Na geração termelétrica prática é comum o uso, mais de uma vez, de circuitos de reaquecimento e regeneração combinados. Visando sempre melhorar o desempenho global, muitas vezes se divide o sistema em módulos, como, por exemplo, utilizando-se turbinas de alta pressão (expandindo o vapor até média pressão) em cascata com turbinas de média pressão (expandindo até baixa pressão) e de baixa pressão (expandindo até a pressão de vapor para o processo).

51 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a vapor Afastamento dos ciclos reais em relação aos ideais Nos ciclos reais, devem ser consideradas as perdas. As principais são: perdas na tubulação por atrito e transferência de calor ao meio envolvente; perdas de carga na caldeira; perdas na turbina e na bomba, representadas pelo rendimento desses equipamentos; perdas no condensador (problemas análogos às perdas na tubulação).

52 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás e Motores Muitos aparelhos, como a turbina a gás, o motor diesel e o motor de ignição de automóvel usam gás como fluido de trabalho. Durante a combustão, o fluido de trabalho se altera, mudando, de mistura de ar e combustível para produtos de combustão. Estes aparelhos de combustão interna, nos quais o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico completo, operam segundo o chamado ciclo aberto. Para fins de análise, no entanto, podem ser utilizados ciclos fechados que, mediante algumas hipóteses, são boas aproximações dos ciclos abertos.

53 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás e Motores Uma das aproximações, bastante válida para o entendimento qualitativo do processo, é a utilização do ciclo ideal a ar, baseada nas seguintes hipóteses: uma massa fixa de ar é o fluido de trabalho em todo o ciclo e o ar é sempre tratado como gás perfeito. Não há processo de entrada e saída de massa; o processo de combustão é substituído por processo de transferência de calor ao meio envolvente (em contraste com saída e entrada no motor real); todos os processos são internamente reversíveis; considera-se que o ar tem calor específico constante.

54 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás e Motores Os principais ciclos termodinâmicos a ar são o ciclo padrão de Carnot, o de Otto, o Diesel, o Ericsson, o Stirling e o Brayton. As diferenças entre eles devem-se aos processos diferentes para ir de um estado a outro e à incorporação de regeneração. Destes, apenas o ciclo Brayton e o ciclo Diesel serão enfocados aqui, pois conseguem adequar-se melhor ao entendimento da aplicação prática da geração termelétrica por turbinas à gás e por motores diesel, respectivamente.

55 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton. O ciclo Brayton é o ciclo ideal para representação da turbina a gás simples.

56 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton Neste ciclo, o rendimento é dado por: sendo, então, função da relação de pressão isoentrópica: p 2 /p 1.

57 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton. A turbina a gás real difere da ideal pelas irreversibilidades na turbina e no compressor e pelas perdas de carga nas passagens de fluido e na câmara de combustão (ou trocadores de calor, no caso do ciclo fechado). Além disso, há uma grande quantidade de trabalho realizada no compressor (pode estar na faixa de 40 a 80% da potência desenvolvida na turbina).

58 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton Como T 4 > T 2, o calor pode ser transferido dos gases de descarga (na saída da turbina, à temperatura T 4 ) para os gases de alta pressão que deixam o compressor. Se isso for feito em trocador de calor de contracorrente (regenerador), então a temperatura Tx (na entrada da câmara de combustão e no caso ideal) pode ser igual a T 4. T 4 > T 2 é a condição para que aconteça regeneração, o que resultará em aumento do rendimento do ciclo. O ciclo simples de turbina a gás com regenerador

59 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton. Ciclo simples de turbina a gás com regenerador

60 Potencia gerada e Energia produzida Termelétricas a gás – Ciclo Brayton. Regeneradores utilizados em vários estágios

61 Potencia gerada e Energia produzida Motores – Ciclo Diesel O ciclo padrão de ar de Diesel

62 Potencia gerada e Energia produzida Motores – Ciclo Diesel É o ciclo ideal aplicável ao motor diesel, também chamado motor de ignição por compressão. Com relação ao ciclo real, os processos de descarga e admissão são aqui substituídos por uma rejeição de calor a volume constante no ponto morto inferior, 4 - 1. O rendimento é dado por: em que: k é a relação de calores específicos (a pressão e volume constantes):

63 Potencia gerada e Energia produzida Motores – Ciclo Diesel No ciclo Diesel a relação de compressão isoentrópica: É maior que a relação de expansão isoentrópica:

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65 Termelétrica Nuclear Angra dos Reis

66 Termelétrica à Carvão

67 Termelétrica a Vapor Usina Sucro Alcooleira

68 Usina a Gás Ciclo Aberto

69 69 GOV.LEONEL BRIZOLA (ex-Termorio) 1036 MW (3 blocos) Localização: Duque de Caxias - RJ

70 70 FERNANDO GASPARIAN (ex-N.Piratininga) 370 (560) MW Localização: São Paulo - SP

71 71 MÁRIO LAGO (ex-Termomacaé) – 929 MW Localização: Macaé - RJ