RESUMO GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO

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GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO
Distribuição: O sistema de distribuição é o ponto a partir do qual se torna possível a
"entrega" de energia elétrica ao consumidor.
Conforme a ANEEL, o serviço público de distribuição de energia elétrica é realizado por
concessionárias, permissionárias e autorizadas.
O PRODIST (Procedimentos de distribuição de energia elétrica no Sistema Elétrico
Nacional) disciplina o relacionamento entre os agentes setoriais no que se refere aos
sistemas elétricos de distribuição, que incluem todas as redes e linhas de distribuição de
energia elétrica em tensão inferior a 230 kV, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT)
ou alta tensão (AT).
O ONS é o responsável pela coordenação e controle da operação das instalações de
geração e transmissão de energia elétrica do SIN e pelo planejamento da operação dos
sistemas isolados do país, sob a fiscalização da Aneel.
Os níveis de tensão de distribuição são classificados como se segue:
● Baixa tensão (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1kV;
● Média tensão (MT): tensão entre fases cujo valor eficaz está entre 1 kV e 69 kV;
● Alta tensão (AT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69 kV e
inferior a 230kV.
Transmissão: O planejamento da expansão do sistema de transmissão do Brasil é
realizado em conjunto com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) e pelo Operador
Nacional do Sistema (ONS).
● A principal característica é a sua divisão em dois blocos: o Sistema Interligado
Nacional e os Sistemas Isolados
● A Rede Básica dos Sistemas Elétricos Interligados é constituída por todas as
subestações e linhas de transmissão em tensões de 230 kV ou superior, integrantes
de concessões de serviços públicos de energia elétrica, devidamente outorgadas
pelo Poder Concedente.
Geração: processo de produção de energia elétrica por meio de diferentes tecnologias de
aproveitamento de recursos.
Na década de 90, houve o marco regulatório do setor elétrico onde ocorreram grandes e
importantes mudanças:
● Privatização das companhias operadoras e instituição da ANEEL;
● Modificação do critério utilizado para a concessão de novos empreendimentos:
passou a vencer o investidor que oferecesse o menor preço para a venda da
produção das futuras usinas;
● Instituição de dois ambientes para a celebração de contratos:
○ Ambiente de Contratação Regulada (ACR), caracterizado por ser um
ambiente exclusivo para empresas geradoras e distribuidoras, cujas
operações são realizadas mediante leilões.
○ Ambiente de Contratação Livre (ACL), como o próprio nome diz, é
caracterizado por ser um ambiente livre, no qual participam geradoras,
comercializadoras, importadores, exportadores e consumidores livres.
GERAÇÃO DE ENERGIA
Energia hidrelétrica
Nas usinas, a produção de energia elétrica depende essencialmente da vazão de água
utilizada para produzir a energia mecânica que acionará o gerador elétrico. O valor dessa
vazão, por sua vez, depende das características naturais ao longo do tempo (período
chuvoso e estiagem) e do tipo de aproveitamento hidráulico (usinas com reservatórios ou a
fio d'água)
Classificações das usinas:
➢ Micro: 𝑃 ≤ 100 𝑘𝑊 ➢ Mini: 100 ≤ 𝑃 ≤ 1.000 𝑘𝑊
➢ Pequena: 1.000 ≤ 𝑃 ≤ 30.000 𝑘𝑊 ➢ Média: 10.000 ≤ 𝑃 ≤ 100.000 𝑘𝑊
➢ Grande: 𝑃 > 100.000 𝑘𝑊
As usinas a fio d'água utilizam apenas a vazão natural do curso da água.
As usinas com reservatório possuem uma área alagada de um tamanho suficiente para
acumular águas nas épocas de chuva para posterior uso nos períodos de estiagem. Dessa
forma, podem trabalhar com uma vazão firme maior do que a vazão natural do rio.
A usina reversível (ou usina com armazenamento hidráulico) é utilizada para gerar energia
nos horários de pico e " armazenar energia hidráulica" nos horários de demanda reduzida.
As máquinas de fluxo se baseiam na utilização de um fluido de trabalho que interage com
elementos rotativos, envolvendo potência mecânica. A turbina hidráulica é uma máquina
de fluxo utilizada para transformar a energia hidráulica em energia mecânica. O gerador é
uma máquina elétrica utilizada para converter a energia mecânica proveniente do eixo da
turbina, que está acoplado a ele, em energia elétrica.
Energia termoelétrica
A fonte primária de energia termoelétrica pode ser não renovável, quando se utiliza energia
nuclear e combustíveis fósseis (petróleo e derivados, carvão mineral, gás natural etc.), e
renovável no caso da biomassa (bagaço de cana de açúcar, biocombustíveis entre outros).
Energia Nuclear
Energia proveniente de reações que podem ocorrer em átomos radioativos é denominada
energia nuclear. O processo de obtenção de energia pode ocorrer por meio da fissão ou da
fusão nuclear.
A fissão é caracterizada quando há uma divisão no núcleo de um elemento químico em dois
átomos diferentes, onde ocorre uma grande liberação de energia. O elemento natural
utilizado é o Urânio, ou seja, ele é fragmentado. O isótopo mais utilizado para essa função é
o U235. A fusão se diferencia justamente pela união de núcleos, dando origem a outros
elementos e necessita de condições muito específicas. Esse é o processo que ocorre no sol
(união de dois átomos de hidrogênio para formar o Hélio).
Biomassa
A biomassa é um recurso energético renovável e pode ser considerada como toda matéria
vegetal e orgânica passível de ser utilizada para a produção de energia.
Classificações das usinas
➢ Combustão externa: o combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. Esse
processo é usado principalmente nas usinas termelétricas a vapor e usinas nucleares.
➢ Combustão interna: o combustível se mistura com o ar se tornando o fluido de trabalho
(produtos da combustão). Processo usado em turbinas a gás e nas máquinas térmicas a
pistão (motores a diesel e a gasolina ou a gás natural).
USINAS A VAPOR
Nesse tipo de usina, o processo de conversão de energia térmica em energia mecânica
ocorre por meio de um ciclo. A queima do combustível gera calor que transforma o fluido de
trabalho (geralmente água) em vapor na caldeira. Na turbina a vapor, esse fluido se
expande produzindo a rotação do eixo da turbina, a qual acoplada no gerador elétrico
produz energia elétrica. Por meio da condensação do vapor que sai da turbina e do
bombeamento do líquido de volta para a caldeira, o ciclo se fecha.
As usinas a vapor funcionam segundo o ciclo termodinâmico Rankine.
USINAS A GÁS
Esse tipo de usina é caracterizado pelo processo de combustão interna. O ponto diferencial
é justamente a utilização de máquinas térmicas acionadas pela expansão de gases quentes
produzidos em uma câmara de combustão. A máquina térmica utilizada pode ser turbinas a
gás ou motores a gás. As usinas a gás funcionam segundo o ciclo termodinâmico Brayton.
USINAS A DIESEL
As usinas a diesel são muito utilizadas em sistemas isolados. Elas apresentam limitações
quanto à potência e alto custo do combustível, porém possuem como vantagens:
simplicidade de operação, rápida entrada em carga e facilidade na manutenção.
USINA NUCLEAR
Nesse tipo, a diferença está em que o calor utilizado para o aquecimento da água é
produzido pela energia gerada no processo de fissão nuclear de elementos radioativos e
não pelo processo de combustão.
Máquinas térmicas e Ciclos termodinâmicos
➔ Nos ciclos a gás, o fluido de trabalho permanece na fase gasosa em todo ciclo, enquanto
nos ciclos a vapor, o fluido de trabalho alterna entre a fase líquida e vaporizada. É comum
nos deparamos também com a utilização dos termos ciclo aberto e ciclo fechado.
➔ Nos ciclos fechados, o fluido de trabalho volta ao estado inicial no final do ciclo e circula
novamente, enquanto nos ciclos abertos, o fluido é renovado ao final de cada ciclo e assim
não recircula.
Ciclo de Carnot: ciclo mais eficiente que pode ser executado por uma máquina térmica.
Composto por quatro processos totalmente reversíveis (externamente e internamente):
➔ fornecimento isotérmico de calor;
➔ expansão isoentrópica;
➔ rejeição isotérmica de calor;
➔ compressão isoentrópica.O ciclo ideal é um ciclo que serve de base para aplicações mais práticas dos ciclos reais,
os quais as máquinas térmicas operam. Como os ciclos ideais envolvem irreversibilidades
externas, a eficiência térmica de um ciclo ideal é menor do que a eficiência térmica de
Carnot, no entanto é mais alta do que a do ciclo real.
● 𝜂𝑡:eficiência térmica; Wliq:trabalho líquido produzido; Qe:calor fornecido;
●
A segunda Lei da termodinâmica nos leva à definição de entropia. Entropia é uma
propriedade que mede a "desordem microscópica" de um sistema. A variação de entropia
de um sistema pode ser causada, por exemplo, pela transferência de calor, fluxo de massa
e irreversibilidades. Um processo durante o qual a entropia permanece constante é
chamado de processo isoentrópico. Geralmente, este termo é utilizado em termodinâmica
com o sentido de: processo adiabático reversível.
CICLO RANKINE
Ciclo ideal para ciclos de potência a vapor, utilizado em usinas termelétricas a vapor
O ciclo Rankine não possui nenhuma irreversibilidade interna e consiste em quatro
processos:
➔ Compressão isoentrópica em uma bomba;
➔ Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira;
➔ Expansão isoentrópica em uma turbina;
➔ Rejeição de calor a pressão constante em um condensador.
Em usinas termelétricas que operam segundo o ciclo de potência a vapor, o processo de
conversão ocorre basicamente da seguinte maneira:
● a água entra na caldeira como líquido e sai como vapor superaquecido, que por sua
vez entra na turbina.
● Na turbina, o vapor de água se expande, produzindo potência mecânica em seu
eixo, que acoplado ao gerador elétrico, também produz potência elétrica.
● Para completar o ciclo, o vapor é condensado no condensador e entra na bomba
para novamente passar pela caldeira.
CICLO BRAYTON
Ciclo ideal para turbinas a gás, utilizadas em usinas termoelétricas a gás
O ciclo Brayton é formado por quatro processos internamente reversíveis:
➔ Compressão isoentróprica em um compressor;
➔ Fornecimento de calor à pressão constante;
➔ Expansão isoentrópica em uma turbina;
➔ Rejeição de calor a pressão constante.
A eficiência térmica do ciclo Brayton pode ser aumentada com a utilização de compressão
de múltiplos estágios com resfriamento intermediário, regeneração e expansão de múltiplos
estágios com reaquecimento. Também é possível utilizar o calor que sai da turbina a gás
para produzir vapor, na configuração de ciclo combinado.
CICLO OTTO
Ciclo ideal para motores alternativos de ignição por centelha (denominados de motores
a gasolina ou a gás natural, dependendo da aplicação).
O ciclo Otto é formado por quatro processos internamente reversíveis:
➔ Compressão isoentrópica;
➔ Fornecimento de calor a volume constante;
➔ Expansão isoentrópica;
➔ Rejeição de calor a volume constante.
CICLO DIESEL
O ciclo ideal para motores alternativos de ignição por compressão (motores a diesel),
utilizadas em usinas termelétricas a Diesel.
O ciclo Diesel é formado por quatro processos internamente reversíveis:
➔ Compressão isoentrópica;
➔ Fornecimento de calor à pressão constante;
➔ Expansão isoentrópica;
➔ Rejeição de calor a volume constante.
Ciclo combinado é um processo baseado na combinação do ciclo Brayton (turbina a gás)
com o ciclo Rankine (ciclo de potência a vapor), onde o vapor é aquecido utilizando-se os
gases de exaustão que deixam a turbina a gás.
● O ciclo a vapor é dependente do ciclo a gás, ou seja, pode-se funcionar somente o
ciclo a gás, deixando em manutenção ou ocioso o segundo ciclo.
● O reaproveitamento do calor é a base para o funcionamento da parte relacionada ao
vapor.
A cogeração pode ser definida como a produção de mais de uma forma útil de energia
(calor de processo e energia elétrica) usando a mesma fonte de energia.
ENERGIA SOLAR
A transmissão de energia do sol para a terra ocorre por meio da radiação eletromagnética.
Dessa forma, ela pode ser aproveitada na forma de calor ou radiação.
O Brasil possui um bom índice de irradiação solar (principalmente na região nordeste) e
baixa variabilidade de irradiação.
● Irradiância solar pode ser definida como a potência radiante (radiação solar)
incidente por unidade de superfície sobre um dado plano (W/m² ).
● Já a irradiação solar é a energia incidente por unidade de superfície, obtida pela
integração da irradiância durante um dado período de tempo (J/m² ou Wh/m² ).
● Radiação solar é a energia procedente do sol sob a forma de onda eletromagnética.
A partir da sua forma de aproveitamento podemos ter diferentes sistemas de conversão:
sistemas fotovoltaicos e sistemas heliotérmicos (ou termossolares). Diferenciam-se pelo
processo de aproveitamento da energia solar.
Nos sistemas heliotérmicos, a energia solar térmica é utilizada para aquecer um fluido de
trabalho para que, por meio de um ciclo termodinâmico, seja convertida em energia elétrica.
Obviamente, podemos falar também na aplicação não elétrica dessa forma de
aproveitamento, por exemplo, a geração de calor de processo no contexto industrial.
● O processo de conversão de energia se baseia inicialmente na captação da
irradiação solar direta, por meio dos coletores. O coletor é responsável por coletar e
enviar a radiação solar até o receptor, que por sua vez, absorve e transfere a
energia térmica para um fluido que circula dentro do receptor.
● Possui como vantagens uma maior flexibilidade no despacho de energia elétrica e
integração com outras aplicações que envolvam energia térmica etc
● Um grande diferencial é a possibilidade de armazenamento de calor sensível ou
latente por meio de sistemas de armazenamento (thermal storage). Logo, também é
possível a geração de energia elétrica mesmo em períodos noturnos ou nebulosos.
Nos sistemas fotovoltaicos, a energia solar pode ser diretamente convertida em energia
elétrica por meio da interação da radiação solar com materiais semicondutores, através das
placas fotovoltaicas.
A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão de energia,
formada por materiais semicondutores. A associação de células forma os módulos. Já,
quando esses módulos estão interligados eletricamente formando uma única estrutura,
temos o que chamamos de painéis fotovoltaicos.
● Nas células, um material semicondutor (geralmente o silício) é estimulado pela
radiação solar, possibilitando o fluxo de elétrons. Logo, quanto maior a intensidade
da luz, maior o fluxo de energia.
● A célula de silício monocristalino é a mais utilizada. No entanto, obviamente, existem
outros semicondutores já aplicados e com potencial de aplicação;
● Componentes básicos:
○ Bloco gerador: contém os arranjos constituídos pelos módulos fotovoltaicos
associados em série ou em paralelo, cabeamento e estrutura de suporte;
○ Bloco de condicionamento de potência: contém conversores, inversores,
controladores de carga, dispositivos de proteção, supervisão e controle;
○ Bloco de armazenamento (opcional): constituído por sistemas de
armazenamento de energia (baterias eletroquímicas, capacitores,
bombeamento de água etc.)
● Potência gerada em um sistema fotovoltaico:
○ 𝜂 é a eficiência total do sistema;
○ 𝐴 é a área total ocupada pelos módulos fotovoltaicos;
○ 𝑅𝑆 é a radiação solar incidente do local.
● Em termos de eficiência da tecnologia de conversão, podemos destacar que o
principal influenciador é a eficiência da célula fotovoltaica, a qual vai depender do
tipo de material utilizado, da técnica de fabricação, da temperatura etc.
● A eficiência de um módulo não pode ser utilizada como único critério e indicador de
qualidade. Outros fatores, como custo e vida útil, devem ser levados em
consideração.
ENERGIA EÓLICA
● O potencial de geração está intimamente relacionado com a disponibilidade de
ventos e a área coberta pela rotação das pás do gerador eólico.
● O aproveitamento da energia eólica ocorre por meio da conversão da energia
cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas
eólicas. (questão do CESPE)
● A energia eólica vem apresentando umsignificativo aumento na matriz elétrica
Brasileira devido ao desenvolvimento tecnológico na área, custos competitivos e
menores impactos ambientais. Uma das suas grandes vantagens também é que,
como a velocidade dos ventos costuma ser maior em períodos de estiagem, existe a
possibilidade de operação das usinas eólicas de forma complementar às
hidrelétricas.
● Turbina eólica é também uma máquina de fluxo motora, pois o seu meio operante é
um fluido que, passando pela máquina, interage com um elemento rotativo,
transformando energia do fluido em energia mecânica.
● Potência fornecida pelo vento:
○ Pv é a potência fornecida pelo vento, em W;
○ 𝜌 é a massa específica (ou densidade) do fluido de trabalho (que neste caso
é o ar), em kg/m3 ;
○ A é a área de varredura do rotor da turbina, em m²;
○ V é a velocidade média do vento, em m/s;
● O fator de capacidade pode ser definido como a razão entre a energia efetivamente
produzida por um sistema de geração e a capacidade máxima neste mesmo
período.
○ Esse indicador define o quanto uma usina gera em relação ao máximo que
poderia gerar. Portanto, representa a proporção entre a energia gerada e
capacidade instalada de um sistema de geração.
● Eefetiva: energia gerada no intervalo de tempo t, em Wh;
● Pinstalada: potência máxima possível produzida, em W;
● t é o intervalo de tempo considerado, em horas;
TRANSMISSÃO
Transporte de energia elétrica gerada até os centros consumidores. As tensões mais usuais
em corrente alternada nas linhas de transmissão são: 69 kV, 138 kV, 230 kV, 400 kV e 500
kV. A partir de 500 kV, somente um estudo econômico decidirá se deve ser usada a tensão
alternada ou contínua, como é o caso da linha de transmissão de Itaipu, com ±600 kV em
corrente contínua.
Seus componentes principais são as torres, os isoladores e as subestações. Nos complexos
eólicos, as linhas de transmissão permitem o escoamento da energia elétrica gerada pelos
aerogeradores até uma subestação do Sistema Interligado Nacional – SIN.
Os cabos condutores são compostos por alumínio nu, de um a quatro condutores por fase.
Estes, são presos em estruturas metálicas (torres) por meio de cadeias de ancoragem ou
de suspensão, com isoladores poliméricos ou de vidro. Também há um sistema de
amortecimento nos cabos condutores, que contém amortecedores e espaçadores, para
evitar o risco de contato entre cabos, além de evitar a vibração dos cabos por conta da
influência do vento. As estruturas metálicas devem ser dimensionadas para eventos de alta
velocidade, característica dos locais de implantação dos parques eólicos.
São projetadas em dois tipos construtivos:
● Estruturas de suspensão estaiadas: são fixas no solo com seu mastro central e
auxílio de quatro estais. Usadas para estruturas sem ângulo;
● Estruturas de ancoragem autoportantes: são presas ao solo por meio de quatro
pés, sem o apoio de estais. Para estruturas que são submetidas a um maior esforço.
● Linhas de transmissão curtas: até 80 quilômetros;
● Linhas médias: possuem de 80 a 240 quilômetros;
● Linhas longas: são as maiores de 240 quilômetros.
DISTRIBUIÇÃO
A distribuição começa na subestação abaixadora, onde a tensão da linha de transmissão é
baixada para valores padronizados nas redes de distribuição primária, Ex: 13,8 kV e 34,5 kV
Das subestações de distribuição primária partem as redes de distribuição secundária ou de
baixa tensão.
A parte final de um sistema elétrico é a subestação abaixadora para a baixa tensão, ou seja,
a tensão de utilização (380/220 V, 220/127 V – Sistema trifásico; e 220/110 V – Sistema
monofásico com tape).
As redes de distribuição dentro dos centros urbanos podem ser aéreas ou subterrâneas.
● Nas redes aéreas, os transformadores podem ser montados em postes ou em
subestações abrigadas;
● Nas redes subterrâneas, os transformadores deverão ser montados em câmaras
subterrâneas.
● A entrada de energia dos consumidores finais é denominada ramal de entrada
(aérea ou subterrânea).
● As redes de distribuição primária e secundária normalmente são trifásicas, e as
ligações aos consumidores poderão ser monofásicas, bifásicas ou trifásicas, de
acordo com a sua carga:
○ Até 4 kW – monofásica (2 condutores);
○ Entre 4 e 8 kW – bifásica (3 condutores)1;
○ Maior que 8 kW – trifásica (3 ou 4 condutores).