Tema 2 Geração Termelétrica

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<p>Geração termelétrica</p><p>Você conhecerá os estudos introdutórios à geração de energia com enfoque nas usinas termelétricas,</p><p>como base de conhecimento em sistemas elétricos de potência.</p><p>Prof. Felipe Laure, Profa. Isabela Oliveira</p><p>1. Itens iniciais</p><p>Propósito</p><p>A geração de energia elétrica se dá por diversas fontes, entre elas, a partir de usinas termelétricas que são</p><p>essenciais para manutenção do fornecimento ininterrupto de energia, mesmo em condições climáticas</p><p>desfavoráveis. Abordaremos os conceitos básicos a respeito de centrais termelétricas, como seu</p><p>funcionamento e os tipos de combustíveis utilizados, levando em conta seus benefícios e impactos ambientais</p><p>para sua instalação.</p><p>Preparação</p><p>Antes de iniciar o conteúdo, tenha em mãos papel e caneta para anotar as principais características</p><p>relacionadas à geração de energia elétrica a partir de centrais termelétricas.</p><p>Objetivos</p><p>Reconhecer os conceitos fundamentais em energia termelétrica.</p><p>Analisar as características de centrais a gás natural e vapor.</p><p>Analisar as características de centrais a biomassa.</p><p>Analisar as características de centrais a carvão.</p><p>Introdução</p><p>Antes de começarmos, assista ao vídeo a seguir e compreenda os conceitos de geração termelétrica.</p><p>Introdução</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>1. Conceitos fundamentais em energia termelétrica</p><p>Principais conceitos de geração termelétrica</p><p>Neste vídeo, abordaremos os principais conceitos relacionados à geração térmica, tipos de combustíveis</p><p>utilizados e impactos ambientais. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Aspectos iniciais e funcionamento de uma usina</p><p>termelétrica</p><p>Neste vídeo, abordaremos os principais conceitos do funcionamento de uma usina termelétrica e potência</p><p>gerada. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O sistema elétrico no Brasil possui grande predominância de geração de energia a partir de hidrelétricas em</p><p>virtude da imensa riqueza de recursos hídricos e bacias hidrográficas presentes em todo o território nacional.</p><p>O sistema interligado nacional integra grandes centrais hidráulicas aos principais centros de carga,</p><p>permitindo um eficiente gerenciamento do despacho de energia.</p><p>Veja, na imagem a seguir, o sistema interligado brasileiro, evidenciando os principais corredores de</p><p>transmissão e seus níveis de tensão elétrica adotados.</p><p>Torres da usina termoelétrica.</p><p>Sistema interligado nacional.</p><p>No entanto, a disponibilidade de energia elétrica a partir da geração por hidrelétricas está atrelada a fatores</p><p>climáticos, como a sazonalidade dos regimes pluviais ao longo dos leitos de rios e principais bacias. Em</p><p>virtude dessa sazonalidade, muitas vezes torna-se necessária a utilização de outras fontes de geração para</p><p>suprir a demanda no país.</p><p>O uso de energia a partir de termelétricas é</p><p>uma das principais alternativas de geração.</p><p>Essa modalidade utiliza combustíveis de</p><p>diversos tipos para produzir, a partir da queima,</p><p>energia mecânica suficiente para operação de</p><p>geradores elétricos. Considerando a</p><p>importância da geração termelétrica e seus</p><p>impactos ambientais, abordamos aqui as</p><p>principais características desse tipo de usina de</p><p>geração.</p><p>Funcionamento de uma usina</p><p>termelétrica</p><p>Essencialmente, o funcionamento de uma usina termelétrica se dá pela conversão de energia térmica em</p><p>energia mecânica, que, por sua vez, se converte em energia elétrica. Veja!</p><p>A conversão da energia mecânica se dá a partir do trabalho produzido pela expansão de um fluido nas</p><p>turbinas térmicas. A produção da energia térmica se dá a partir do processo de combustão ou por meio da</p><p>fissão nuclear de elementos radioativos.</p><p>As centrais cuja energia é obtida a partir da combustão são denominadas termelétricas, podendo ser:</p><p>Energia térmica</p><p>A energia térmica proveniente da queima de</p><p>combustíveis se converte em energia</p><p>mecânica nas turbinas.</p><p>Energia elétrica</p><p>A energia mecânica se converte em</p><p>energia elétrica a partir do</p><p>acionamento dos geradores.</p><p>Termelétrica de combustão externa, em que o combustível não entra em contato com o fluido de</p><p>trabalho.</p><p>Termelétrica de combustão interna, em que a combustão se efetua sobre uma mistura de ar e</p><p>combustível.</p><p>A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão</p><p>(motores diesel, por exemplo).</p><p>Na imagem a seguir, é ilustrada a simplificação de um diagrama para uma central termelétrica de combustão</p><p>externa (a vapor). A queima de combustível gera calor que transforma o líquido em vapor na caldeira. O vapor</p><p>se expande (redução da pressão) na turbina a vapor, gerando energia. O vapor que sai da turbina vai ao</p><p>condensador, onde o calor é retirado e se obtém líquido. O líquido é bombeado de volta à caldeira, fechando o</p><p>ciclo.</p><p>Diagrama de uma central termelétrica.</p><p>Potência gerada</p><p>A potência entregue por uma central termelétrica depende de fatores como temperatura e pressão, de modo</p><p>que o conhecimento das características termodinâmicas dos combustíveis torna-se essencial. Em centrais</p><p>termelétricas a vapor, por exemplo, o funcionamento teórico é baseado nos ciclos termodinâmicos a vapor</p><p>(ciclo de Rankine) e a ar (ciclo Brayton), cujas características são usualmente apresentadas pelos livros de</p><p>termodinâmica a partir de diagramas de estado como temperatura X entropia ou entalpia X entropia. Vamos</p><p>conferir!</p><p>Diagramas de estado em termodinâmica.</p><p>O ciclo fundamental teórico aplicável às termelétricas a vapor é o ciclo de Carnot e o ciclo base para as</p><p>aplicações práticas, nesse tipo de geração termelétrica, é o ciclo Rankine. A potência térmica útil disponível na</p><p>turbina a vapor é calculada por:</p><p>•</p><p>•</p><p>Em que:</p><p>= potência térmica útil.</p><p>= rendimento da turbina a vapor.</p><p>= massa de fluido sujeita à transformação térmica.</p><p>e = entalpias específicas do fluido na entrada e saída da máquina, respectivamente.</p><p>Por fim, a potência elétrica entregue pode ser calculada por:</p><p>Em que:</p><p>= potência elétrica gerada.</p><p>= rendimento mecânico da turbina.</p><p>= rendimento do gerador.</p><p>Tipos de combustíveis utilizados</p><p>Neste vídeo, conheça os principais tipos de combustíveis utilizados em centrais termelétricas.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Os combustíveis utilizados nas centrais termelétricas dependem do tipo de combustão utilizada. Nas centrais</p><p>a vapor, por exemplo, os principais combustíveis utilizados são o óleo, o carvão e a biomassa (madeira,</p><p>bagaço de cana, lixo etc.), além de derivados do petróleo. Já em máquinas térmicas, os principais</p><p>combustíveis empregados são o gás natural e o óleo diesel. Há ainda os casos de centrais alimentadas por</p><p>combustíveis nucleares para geração de vapor d’água, no entanto, essa modalidade não é o objetivo deste</p><p>conteúdo.</p><p>As centrais abastecidas por gás natural, carvão e biomassa, ou seja, que geram energia a partir da</p><p>combustão, são o foco do nosso estudo.</p><p>Comentário</p><p>Em muitas aplicações, centrais térmicas são utilizadas para produção conjunta de eletricidade e vapor</p><p>para uso no processo, no denominado sistema de cogeração.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Combustíveis</p><p>A maioria dos combustíveis utilizados, tanto os denominados combustíveis fósseis como os nucleares, são</p><p>classificados como uma fonte primária de energia não renovável, visto que seu tempo de reposição na</p><p>natureza é muito grande. Vamos conferir a origem de cada um.</p><p>Fósseis</p><p>Derivados do petróleo, carvão mineral e gás</p><p>natural.</p><p>Nucleares</p><p>Derivados do urânio, plutônio etc.</p><p>Há ainda a possibilidade de utilização dos combustíveis ditos renováveis, como é o caso da biomassa</p><p>produzida a partir de resíduos de plantações de cana-de-açúcar, por exemplo.</p><p>Derivados de petróleo</p><p>O petróleo é encontrado na natureza, na maioria das vezes, em depósitos subterrâneos e retirado por poços.</p><p>No Brasil, grandes reservas de petróleo são encontradas atualmente na região do pré-sal, presente no litoral</p><p>fluminense e capixaba, principalmente.</p><p>Plataforma de extração</p><p>de petróleo no Rio de Janeiro.</p><p>O petróleo na atualidade pode ser considerado a principal fonte energética no mundo, apresentando baixo</p><p>custo e uma ampla variedade de aplicações para conversão de energia em muitos setores da sociedade.</p><p>Com preços bastante oscilantes, o petróleo já passou por diversas crises, principalmente no que se</p><p>refere a seus impactos ambientais, visto que seu uso está altamente atrelado ao aquecimento global</p><p>e emissão de gases poluentes na atmosfera.</p><p>Em termos mundiais, a energia elétrica é responsável por 20% do consumo de petróleo, sendo o óleo diesel</p><p>utilizado apenas para geração em locais distantes e de difícil acesso à rede elétrica.</p><p>Carvão mineral</p><p>Carvão mineral.</p><p>Combustível de madeira em uma usina de biomassa.</p><p>O uso do carvão mineral pela sociedade tem</p><p>registro já no ano 1100 a.C., mas só passou a</p><p>ser amplamente difundido como recurso</p><p>energético a partir da Revolução Industrial, no</p><p>século XVIII, em virtude da crise de madeira</p><p>combustível no século anterior. Atualmente, o</p><p>carvão mineral ocupa a segunda posição como</p><p>fonte de energia na matriz mundial,</p><p>principalmente em função de seu baixo custo.</p><p>A queima do carvão mineral é altamente</p><p>poluente, o que libera uma grande quantidade</p><p>de CO2, favorecendo os problemas ambientais</p><p>relacionados ao aquecimento do planeta. Em</p><p>torno de 50% do uso de carvão mineral é destinado às centrais termelétricas de geração de energia.</p><p>Gás natural</p><p>É na verdade um composto dado pela mistura de hidrocarbonetos e impurezas, basicamente contendo</p><p>metano (principal componente), etano, propano, butano e outros gases mais pesados. As impurezas e os</p><p>contaminantes são retirados antes de sua utilização comercial, em processos de tratamento em plantas. Até</p><p>os anos 1950, o mercado de gás natural passou por constante evolução e hoje pode ser considerado o</p><p>terceiro combustível mais utilizado na matriz energética mundial.</p><p>Planta de extração de gás natural.</p><p>Embora seja uma fonte não renovável, sua composição faz com que seja muito pouco poluente, basicamente</p><p>emissão de CO2, apresentando relevantes benefícios ambientais na substituição do petróleo e do carvão</p><p>mineral. Tal substituição, no entanto, vem ocorrendo moderadamente, devido ao alto custo inicial da</p><p>construção da malha de gasodutos necessária para o transporte do gás natural. O gás natural alimenta</p><p>aproximadamente 12,8% das termelétricas mundiais, mas que são responsáveis por menos de 3% da energia</p><p>elétrica primária produzida no mundo.</p><p>Biomassa</p><p>É um combustível sustentável proveniente do</p><p>uso de etanol, bagaço de cana, carvão vegetal,</p><p>óleo vegetal, lenha, entre outros. A biomassa é</p><p>uma fonte de energia renovável (quando</p><p>manejada adequadamente) e apresenta</p><p>balanço zero de emissões, pois não emite</p><p>óxidos de nitrogênio e de enxofre, e o CO2</p><p>emitido na queima é absorvido na fotossíntese,</p><p>apresentando vantagens ambientais</p><p>inexistentes em qualquer combustível fóssil.</p><p>O uso desse combustível é crescente em países desenvolvidos por ser uma fonte de energia renovável em</p><p>meio ao cenário importante de preservação ambiental. A principal limitação do uso desse tipo de combustível</p><p>é ainda o baixo custo dos combustíveis fósseis, que desfavorecem sua aplicação.</p><p>Impactos ambientais</p><p>Neste vídeo, veremos os aspectos ambientais da instalação de uma termelétrica, por meio da abordagem dos</p><p>impactos ambientais e poluentes emitidos. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Praticamente todas as emissões provenientes de usinas termelétricas vêm da queima dos combustíveis,</p><p>conforme o tipo de tecnologia utilizado, ou ciclo termodinâmico, influenciado pela eficiência das máquinas e</p><p>taxa de conversão da energia química dos combustíveis. A emissão dos poluentes depende, ainda, da vazão</p><p>com que saem das unidades geradoras. A seguir, veremos o funcionamento dos principais ciclos</p><p>termodinâmicos adotados na geração termelétrica.</p><p>Ciclo Rankine</p><p>Confira na imagem o processo do ciclo Rankine.</p><p>Ciclo Rankine.</p><p>O vapor é produzido em uma caldeira (1) e levado à turbina onde produz rotação nas pás e redução de</p><p>pressão (2). O calor que transforma a água em vapor é proveniente da queima do combustível na caldeira.</p><p>Após a redução de pressão, o vapor passa por um condensador (3) para retornar ao seu estado líquido por</p><p>meio de uma bomba (4), iniciando um novo ciclo.</p><p>Ciclo Brayton</p><p>Confira na imagem o processo do ciclo Brayton.</p><p>Ciclo Brayton.</p><p>Utiliza turbinas a gás em que a adição de calor ocorre à pressão constante. O gás é injetado em uma câmara</p><p>de combustão (2) junto com o ar que vem do compressor (1). Após a queima dessa mistura, os gases de</p><p>combustão são direcionados para a turbina (3) ligada ao gerador.</p><p>Poluentes emitidos</p><p>Os principais poluentes emitidos na combustão dos combustíveis fósseis utilizados nas termelétricas são:</p><p>1</p><p>Gases do efeito estufa</p><p>O dióxido de carbono (CO2), principal gás do efeito estufa, é um dos produtos da combustão nas</p><p>usinas termoelétricas. Sua emissão está diretamente relacionada com o combustível utilizado, bem</p><p>como com a eficiência de conversão de energia na geração.</p><p>2</p><p>Material particulado</p><p>Conjunto de sólidos e líquidos de mínimo diâmetro que ficam suspensos nos gases expelidos pelas</p><p>usinas termelétricas, sendo assim descartados na atmosfera. Os materiais particulados podem</p><p>resultar da combustão incompleta ou cinzas que não são combustíveis.</p><p>3</p><p>Óxidos de nitrogênio (NOx)</p><p>Formados sempre que um combustível é queimado na presença de ar. Em altas temperaturas,</p><p>nitrogênio e oxigênio reagem formando NO e NO2 que contribuem para a chuva ácida, além de</p><p>reagirem com compostos orgânicos voláteis na presença de luz solar, o que favorece a formação de</p><p>oxidantes fotoquímicos.</p><p>4</p><p>Óxidos de enxofre (SOx)</p><p>Originam-se da queima de qualquer material que possui enxofre. A geração termelétrica é uma das</p><p>maiores emissoras desse poluente, como o dióxido de enxofre (SO2) e trióxido de enxofre (SO3).</p><p>Ambos foram ácidos hidrolisados, que causam efeitos ambientais diversos.</p><p>5Outros poluentes</p><p>Emissões de monóxido de carbono (CO) podem aparecer como consequência da combustão</p><p>incompleta. Metais pesados também podem ser emitidos nesse processo, de acordo com as</p><p>características do combustível utilizado.</p><p>Veja a seguir à relação de impacto desses poluentes em função do tipo de combustível utilizado em usinas</p><p>termelétricas.</p><p>SO 2 NO x Particulado CO 2</p><p>Carvão mineral Alto Alto Alto Alto</p><p>Óleo diesel e óleo combustível Médio Médio Médio Médio</p><p>Gás natural Baixo Alto Baixo Médio</p><p>Tabela: Impacto de emissão por tipo de combustível.</p><p>Felipe Laure e Isabela Oliveira.</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 1</p><p>As centrais termelétricas de geração de energia utilizam combustíveis fósseis para produzir a energia</p><p>mecânica nas turbinas. Para os combustíveis que geram energia a partir do processo de combustão, pode-se</p><p>afirmar que</p><p>A</p><p>os combustíveis fósseis como derivados do petróleo, carvão mineral e gás natural são ditos renováveis, pois</p><p>necessitam de pouco tempo de reposição na natureza.</p><p>B</p><p>as biomassas são obtidas a partir da mineração e são abundantes em todas as regiões do Brasil.</p><p>C</p><p>o gás natural é um composto dado pela mistura de hidrocarbonetos e gases nobres.</p><p>D</p><p>o carvão mineral é a segunda fonte mais importante para geração de energia no mundo, perdendo apenas</p><p>para os combustíveis derivados do petróleo.</p><p>E</p><p>a queima de carvão não produz grandes impactos no meio ambiente, pois sua combustão emite poucos gases</p><p>para a atmosfera.</p><p>A alternativa D está correta.</p><p>O petróleo pode ser considerado, na atualidade, a principal fonte energética no mundo, apresentando baixo</p><p>custo e uma ampla variedade de aplicações para conversão de energia em muitos setores da sociedade.</p><p>Atualmente, o carvão mineral ocupa a segunda posição como fonte de energia na matriz mundial,</p><p>principalmente em função de seu baixo custo.</p><p>Questão 2</p><p>Em centrais termelétricas, as emissões de gases poluentes e particulados vêm do processo de queima dos</p><p>combustíveis, ou combustão. A respeito dos poluentes emitidos</p><p>a partir da queima de combustíveis fósseis, é</p><p>correta a alternativa:</p><p>A</p><p>O dióxido de carbono é produzido no processo de resfriamento de caldeiras, portanto não contribui para a</p><p>evolução do efeito estufa.</p><p>B</p><p>Os materiais particulados são um conjunto de sólidos e líquidos de mínimo diâmetro que ficam suspensos nos</p><p>gases expelidos pelas usinas termelétricas.</p><p>C</p><p>Os óxidos de nitrogênio não necessitam de ar para sua formação e reagem com nitrogênio para formar NO e</p><p>NO2.</p><p>D</p><p>Óxidos de enxofre são formados pela chuva ácida e podem danificar equipamentos das usinas ao reagirem</p><p>com compostos orgânicos.</p><p>E</p><p>Emissões de monóxido de carbono podem ocorrer em função do processo de combustão de carvão mineral</p><p>na presença de metais pesados.</p><p>A alternativa B está correta.</p><p>Os materiais particulados são um conjunto de sólidos e líquidos de mínimo diâmetro que ficam suspensos</p><p>nos gases expelidos pelas usinas termelétricas, sendo assim descartados na atmosfera. Os materiais</p><p>particulados podem resultar da combustão incompleta ou cinzas que não são combustíveis.</p><p>Energia eólica e solar.</p><p>2. Usinas termelétricas a gás natural e vapor</p><p>Considerações sobre termelétricas a gás natural e vapor</p><p>Neste vídeo, discutiremos o funcionamento das termelétricas a gás natural e a vapor a partir dos aspectos</p><p>técnicos e ambientais. Falaremos também sobre produção e consumo no Brasil e no mundo. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O gás natural é uma fonte de energia bastante versátil e presente em praticamente todo o mundo, o que</p><p>permite ser utilizado em diversos setores, como indústrias, comércios, residências e para geração de energia.</p><p>A grande vantagem do gás natural é poder ser consumido diretamente como matéria-prima, ou seja,</p><p>passa por poucos processos de tratamento desde sua extração até o consumo, além de poder ser</p><p>usado como combustível para geração em termelétricas.</p><p>Uma vez que possa ser considerado um combustível que oferece estabilidade e segurança no fornecimento</p><p>de energia, produz menor quantidade de carbonos em sua queima se comparado com outros combustíveis</p><p>fósseis (considerando um combustível de queima limpa).</p><p>Por essas razões, a geração termelétrica a gás</p><p>natural é uma alternativa para complementar a</p><p>geração das fontes renováveis intermitentes,</p><p>como a eólica e a solar, além de poder ser</p><p>utilizada no atendimento das altas demandas</p><p>em casos de intermitência das fontes</p><p>hidráulicas predominantes. Dessa forma, é</p><p>importante conhecer seus aspectos técnicos</p><p>de produção e consumo, além das tecnologias</p><p>de geração que utilizam gás natural e seus</p><p>impactos ambientais.</p><p>Produção e consumo de gás natural</p><p>Neste vídeo, falaremos sobre reservas, produção e consumo de gás natural em termelétricas no Brasil e no</p><p>mundo. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Estima-se que o mundo tenha em torno de 187 trilhões de m³ em reserva de gás natural, distribuídos</p><p>conforme o gráfico.</p><p>Distribuição de reservas de gás natural no mundo.</p><p>Grande parte dessas reservas concentra-se no Oriente Médio e Europa/Eurásia, o que equivale a mais de 70%</p><p>de toda a reserva mundial. O Brasil ocupa a 31ª posição no ranking das maiores reservas provadas de gás</p><p>natural, com cerca de 460 bilhões de m³.</p><p>Comentário</p><p>O consumo de gás natural ao redor do mundo tem um perfil bastante diferente do perfil de produção. Os</p><p>Estados Unidos, a Rússia e a China são os maiores consumidores desse recurso, correspondendo a</p><p>cerca de 40%, em torno de 3,4 trilhões de m³. A China tornou-se o terceiro maior consumidor devido às</p><p>políticas internas de redução da queima de carvão em território nacional, de modo a reduzir o nível de</p><p>poluição. No Brasil, o consumo de gás natural também aumentou expressivamente ao longo dos anos,</p><p>passando de 9,4 bilhões de m³ nos anos 2000 para cerca de 40 bilhões de m³ em 2014.</p><p>Consumo de gás natural em termelétricas no mundo</p><p>O uso do gás natural é diferente nos países que utilizam esse recurso. No entanto, o setor elétrico é o maior</p><p>consumidor dessa demanda.</p><p>No Brasil e na China o uso do gás natural ocorre, predominantemente, no setor industrial.</p><p>Em relação à produção de energia elétrica, o gás natural passou a ser, já em 2013, a segunda maior fonte</p><p>utilizada para esse fim, o que corresponde a cerca de 20% do total mundial. O carvão é a principal fonte</p><p>utilizada, correspondendo a um total de 41% da geração de energia elétrica no mundo.</p><p>A principal vantagem do gás natural em relação ao carvão para geração de energia é seu menor potencial de</p><p>emissão e menor tempo necessário para instalação das usinas de geração e menores custos de capital. É</p><p>preciso ainda considerar a possibilidade de uso de tecnologias de complementação à geração renovável</p><p>intermitente com o uso do gás natural.</p><p>Plataforma de petróleo do pré-sal na Baía de</p><p>Guanabara.</p><p>Comentário</p><p>Projeta-se que, em 2040, haverá uma demanda mundial de cerca de 2,1 trilhões de m³ de gás natural</p><p>para geração de energia ao redor do mundo, atingindo um total de 1.440 GW de potência.</p><p>Consumo de gás natural em termelétricas no Brasil</p><p>No Brasil, as maiores reservas de gás natural estão localizadas no mar, principalmente na região Sudeste (79%</p><p>do total). Veja!</p><p>1</p><p>Rio de Janeiro</p><p>Detém 58%.</p><p>2</p><p>São Paulo</p><p>Detém 12%.</p><p>3</p><p>Espírito Santo</p><p>Detém 9%.</p><p>Em relação à geração de energia, sabe-se que no Brasil predomina-se o sistema hidrotérmico de grande</p><p>porte. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, no panorama nacional, 65% da energia</p><p>gerada advêm das hidrelétricas e 29% de usinas termelétricas, distribuídas entre usinas de biomassa, gás</p><p>natural, óleo diesel, óleo combustível, carvão mineral e nuclear. Dessa forma, é possível dizer que as usinas</p><p>termelétricas funcionam como complementadoras da geração hidrelétrica, oferecendo flexibilidade operativa</p><p>ao sistema elétrico, principalmente em épocas de escassez hídrica nas principais bacias hidrográficas do país.</p><p>O gás natural é tido como o segundo principal combustível utilizado na geração termelétrica no</p><p>Brasil, correspondendo a cerca de 10% da energia gerada desde 2013.</p><p>A disponibilidade de gás natural compete com outros setores no país, como o setor industrial, transportes e</p><p>comercial/público. Vale ressaltar ainda que a disponibilidade desse recurso depende de altos investimentos de</p><p>exploração e produção, além da expansão de gasodutos para seu transporte.</p><p>Em longo prazo, é esperado que as produções</p><p>do pré-sal permitam um aumento da oferta de</p><p>gás natural no Brasil. Para fins de comparação,</p><p>o consumo final do recurso em 2014 foi de 55</p><p>milhões de m³/dia e, espera-se que em 2050,</p><p>seja de 180 milhões de m³/dia. De acordo com a</p><p>Agência Nacional do Petróleo – ANP, as</p><p>reservas provadas brasileiras somam cerca de</p><p>460 bilhões de m³ de gás natural.</p><p>Tecnologias de geração a gás natural</p><p>Neste vídeo, apresentaremos as principais tecnologias acerca da geração a gás natural: termelétricas a vapor,</p><p>de turbinas a gás em ciclo simples, de ciclo combinado e com motores de combustão interna. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A geração de energia por termelétricas baseia-se no princípio de conversão da energia térmica da queima dos</p><p>combustíveis em energia mecânica para as turbinas, que por sua vez será convertida em energia elétrica.</p><p>Após o primeiro estágio de transformação da energia química do combustível por meio do processo de</p><p>combustão, os sistemas típicos de geração de potência utilizam turbinas a vapor, motores de combustão</p><p>interna ou externa e turbinas a gás. A seguir, apresentamos as principais características dessas tecnologias de</p><p>conversão de energia térmica.</p><p>Termelétrica a vapor</p><p>O ciclo a vapor é um dos mais antigos utilizados para a geração de energia elétrica. As centrais termelétricas</p><p>utilizam uma turbina a vapor como máquina térmica de combustão externa, o que permite o uso de qualquer</p><p>tipo de combustível para queima, seja ele:</p><p>Gás natural</p><p>Carvão mineral</p><p>Óleo combustível</p><p>Biomassa</p><p>Observe na imagem a</p><p>seguir o esquema simplificado do funcionamento de uma central termelétrica movida</p><p>por ciclo de vapor e seus principais componentes.</p><p>Esquema de uma central termelétrica a vapor.</p><p>A queima do combustível gera o calor que se transfere para o fluido, que se expande na forma de vapor de</p><p>alta pressão. A energia armazenada no vapor é transferida para a turbina acoplada ao gerador que produz a</p><p>energia elétrica enviada ao sistema elétrico através das linhas de transmissão. O vapor que sai da turbina é</p><p>condensado nas superfícies do condensador e retorna ao ciclo. As termelétricas a vapor têm eficiência média</p><p>em torno de 40%, altamente dependente do tipo de combustível utilizado, sendo as centrais a gás natural e</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>óleo combustível as mais eficientes. Podem alcançar até 1200 MW de potência gerada, sendo uma de suas</p><p>principais vantagens.</p><p>Termelétrica de turbinas a gás em ciclo simples</p><p>As centrais termelétricas a gás natural utilizam uma turbina a gás, que são máquinas de combustão interna,</p><p>divididas em seções, as principais são: o compressor, o injetor, a câmara de combustão, a turbina a gás e o</p><p>bocal de exaustão. A turbina propriamente dita consiste em um conjunto de lâminas rotativas que estão</p><p>acopladas ao eixo do gerador elétrico. Veja na imagem a seguir.</p><p>Esquema de uma turbina a gás.</p><p>O uso de turbinas a gás iniciou-se nos anos 1700 com a ideia de comprimir o ar e utilizá-lo como fluido para</p><p>trabalho. Em 1939 foi construída a primeira turbina a gás com o objetivo de geração de energia elétrica, com 4</p><p>MW de potência, na Suíça.</p><p>Basicamente, existem dois tipos de turbinas a gás:</p><p>Heavy duty (máquinas industriais)</p><p>São as turbinas utilizadas em aplicações</p><p>industriais devido à sua robustez e flexibilidade</p><p>no uso de combustíveis, além de serem</p><p>confiáveis e de baixo custo.</p><p>Aeroderivativas</p><p>São as turbinas originadas de turbinas</p><p>aeronáuticas e possuem maior eficiência, além</p><p>de altíssima confiabilidade, podendo atingir a</p><p>potência de cerca de 50 MW.</p><p>As turbinas aeroderivativas são usadas principalmente em plataformas marítimas, bombeamento de gás ou</p><p>para situações de pico de demanda em termelétricas.</p><p>Termelétrica de ciclo combinado</p><p>Constitui-se basicamente de um ciclo de turbina a gás acoplado a um ciclo de turbina a vapor.</p><p>Centrais termelétricas de ciclo combinado são sistemas bastante modernos e eficientes, cujo</p><p>combustível predominante é o gás natural.</p><p>Seu princípio físico de funcionamento é a utilização dos ciclos Brayton e Rankine, o que permite maior</p><p>aproveitamento da energia inicial contida no combustível.</p><p>Observe na imagem a seguir o esquema de uma central termelétrica de ciclo combinado, evidenciando os</p><p>geradores elétricos acoplados às duas turbinas.</p><p>Esquema de uma central termelétrica de ciclo combinado.</p><p>As centrais de ciclo combinado podem apresentar eficiência em torno de 55% a 58%, portanto, maior que as</p><p>centrais que utilizam ciclo simples. Além disso, podem ser utilizadas na geração de energia em uma ampla</p><p>faixa de potência (KW até GW). Existem ainda centrais de ciclo combinado utilizando turbinas a gás e motores</p><p>de combustão interna.</p><p>Termelétrica com motores de combustão interna</p><p>Usam ciclo diesel ou ciclo a gás natural para a geração de potência, em que o cilindro é alimentado por uma</p><p>mistura de ar-combustível e a ignição é dada a partir de um centelhamento. Veja em sequência os quatro</p><p>tempos de um motor de combustão interna necessários para produção de energia mecânica do pistão.</p><p>Ilustração de um ciclo no motor de combustão interna.</p><p>Os motores de combustão interna são também utilizados para repotenciação de termelétricas a vapor. O</p><p>vapor de aquecimento regenerativo da água de alimentação permite a redução do consumo de combustível na</p><p>caldeira. O calor produzido pelos gases de exaustão do motor é utilizado para o aquecimento parcial da água</p><p>no circuito de regeneração.</p><p>Aspectos técnicos e ambientais para usinas a gás natural</p><p>Neste vídeo, abordaremos as características referentes às usinas a gás natural, bem como os impactos</p><p>ambientais promovidos por elas. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A geração de energia elétrica no Brasil está atrelada a uma operação centralizada, permitindo assim uma</p><p>minimização de custos totais a fim de garantir o suprimento contínuo no país. O responsável pelo</p><p>gerenciamento e coordenação dessa energia é o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS),</p><p>supervisionado e regulado pela ANEEL.</p><p>Apesar da predominância de geração hidráulica, a geração termelétrica é responsável pela</p><p>complementação de demanda em condições necessárias, mantendo o fornecimento intermitente do</p><p>sistema.</p><p>Além disso, é importante conhecer os principais impactos ambientais dessa operação.</p><p>Aspectos técnicos</p><p>As condições de oferta de energia e demanda são precisamente balanceadas em tempo real no sistema. As</p><p>usinas denominadas de base operam em regime constante, sendo interrompidas apenas para manutenções.</p><p>Possuem um alto custo de capital e baixo custo de operação e de manutenção, o que permitem serem</p><p>competitivas quando funcionam por muitas horas no ano. As usinas que variam sua produção conforme a</p><p>carga são importantes para o atendimento de demandas intermediárias e de ponta, pois possuem baixo custo</p><p>capital e alto custo de operação e de manutenção.</p><p>Veja a diferença entre os dois tipos de turbinas:</p><p>Observe a comparação das características técnicas dessas turbinas de gás com outras máquinas térmicas,</p><p>destacando o tempo de partida necessário para início da geração, taxa de variação ou aumento de carga</p><p>percentual e tempo de partida.</p><p>TGCC TGCS Carvão Hidro Nuclear</p><p>Tempo de partida</p><p>(a partir do</p><p>estado quente)</p><p>40 a 60</p><p>min</p><p>1</p><p>Uma das principais vantagens do gás natural é ser um combustível versátil, que pode ser consumido até</p><p>mesmo diretamente como matéria-prima, ou seja, sem muitos processos de tratamento. Estima-se que o</p><p>mundo tenha em torno de 187 milhões de m³ de gás natural em reservas. A alternativa que apresenta as</p><p>regiões do planeta em ordem decrescente de percentual de reservas de gás natural é:</p><p>A</p><p>América Central, Europa, Ásia, Oriente Médio, África, América do Norte.</p><p>B</p><p>Oriente Médio, Ásia, América do Sul, América do Norte, Europa e África.</p><p>C</p><p>Ásia, África, América do Sul, Europa, Oriente Médio, América do Norte, América Central.</p><p>D</p><p>África, Oriente Médio, Europa, América do Norte, Américas Central e Sul e Ásia.</p><p>E</p><p>Oriente Médio, Europa, Ásia, África, América do Norte e Américas Central e Sul.</p><p>A alternativa E está correta.</p><p>Em percentual de produção de gás natural, o Oriente Médio lidera com 42,7%, seguido por Europa com</p><p>31%, Ásia com 8,2%, África com 7,6 %, América do Norte com 6,5 % e Américas Central e do Sul com 4,1%.</p><p>Questão 2</p><p>Assinale a alternativa que não corresponde a uma tecnologia utilizada na produção de energia para geração</p><p>de eletricidade a partir do gás natural.</p><p>A</p><p>Turbinas a gás de ciclo simples.</p><p>B</p><p>Turbinas de ciclo combinado.</p><p>C</p><p>Biodigestor.</p><p>D</p><p>Motores de combustão interna.</p><p>E</p><p>Motores de combustão externa.</p><p>A alternativa C está correta.</p><p>Os biodigestores são utilizados para produção de combustíveis de biomassa, portanto não são aplicados</p><p>na geração de energia a partir de gás natural.</p><p>Indústria de produção de etanol de cana-de-açúcar.</p><p>3. Usinas termelétricas a biomassa</p><p>Bioeletricidade – termelétricas a biomassa</p><p>Neste vídeo, discutiremos aspectos da geração termelétrica utilizando biomassa, bem como o consumo em</p><p>termelétricas no Brasil e no mundo, as tecnologias de geração e os aspectos sociais e ambientais para usinas.</p><p>Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A biomassa como fonte de energia já é utilizada desde os primórdios da civilização, desde o uso da lenha para</p><p>cozimento, proteção e aquecimento até as inovadoras práticas agropecuárias e industriais, como a</p><p>transformação em biocombustíveis para geração de calor e energia elétrica.</p><p>No Brasil, o principal recurso de biomassa utilizado é o bagaço da cana, cuja participação no cenário</p><p>nacional tem sido cada vez maior em virtude das indústrias de etanol e açúcar.</p><p>Em 1975, foi regulamentado o Programa Nacional de Álcool – Proálcool, uma das principais políticas nacionais</p><p>de incentivo ao uso de biocombustíveis, tendo como objetivo a produção de um combustível nacional após a</p><p>crise do petróleo nos anos 1970.</p><p>A geração de energia elétrica a partir da biomassa, ou</p><p>bioeletricidade, é feita a partir de cogeração, processo que</p><p>permite a geração combinada de energia elétrica e energia</p><p>térmica, sendo ambas utilizadas. Outros componentes de</p><p>biomassa utilizados são a lenha e a lixívia, mas que</p><p>representam menos de 4% das estatísticas nacionais, sendo</p><p>o bagaço de cana detentor da maior parcela de consumo.</p><p>Recursos energéticos para</p><p>bioeletricidade</p><p>Neste vídeo, abordaremos os recursos de biomassa utilizados para gerar energia elétrica e seu consumo no</p><p>Brasil e no mundo. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Consumo de biomassa em termelétricas no mundo</p><p>De acordo com a Associação Mundial de Bioenergia (WBA), estima-se que o consumo de bioeletricidade no</p><p>mundo já tenha ultrapassado 400 TWh de energia. Desse total, cerca de 65% vieram de biomassa sólida, 22%</p><p>de resíduos e 12% do biogás. Observe como a bioeletricidade é consumida no mundo, tendo como base o ano</p><p>de 2012. Percebe-se um equilíbrio mundial de biomassa entre 30% e 40% entre os continentes, exceto na</p><p>África e Oceania que representam apenas 1% do total.</p><p>Bioeletricidade consumida no mundo em 2012.</p><p>Em relação ao futuro, pode-se traçar três cenários possíveis para a oferta de bioenergia. Vamos conferir!</p><p>Manutenção das políticas atuais.</p><p>Introdução de políticas de incentivo a fontes renováveis e redução de emissões.</p><p>Limitação de gases de efeito estufa de modo a evitar um aumento superior a 2°C na temperatura média</p><p>do planeta.</p><p>Em relação às novas políticas, estima-se que a bioeletricidade deva atingir 3700 GW no ano de 2040, segundo</p><p>a Agência Internacional de Energia, o que corresponde a uma participação de 12% na geração renovável</p><p>mundial.</p><p>Consumo de biomassa em termelétricas no Brasil</p><p>No Brasil, o uso da biomassa tem sido incentivado por governos, de modo a aumentar sua participação no</p><p>panorama energético nacional, destacando principalmente os leilões de energia para fontes renováveis.</p><p>Comentário</p><p>Desde 2004, quando o setor elétrico passou por diversas transformações estruturais e operacionais, o</p><p>uso de biomassa tem se intensificado para o segmento de geração de energia a partir de políticas de</p><p>diversificação da geração elétrica e adoção de um mercado competitivo.</p><p>Atualmente, o Brasil conta com 517 centrais termelétricas a biomassa em operação, o que totaliza uma</p><p>potência instalada em torno de 14 GW. O principal combustível utilizado é a biomassa da cana (bagaço da</p><p>cana), atendendo 394 termelétricas e uma potência de 11 GW. As termelétricas a lixívia somam 17 centrais e</p><p>atendem 2,2 GW.</p><p>Outros poucos empreendimentos são alimentados por lenha de florestas energéticas e estão incluídos na</p><p>categoria de resíduos florestais, juntamente com outras centrais que consomem resíduos de atividade</p><p>madeireira (cavaco ou serragem). A maioria desses empreendimentos são classificados como produtores</p><p>independentes, o que lhes permite a comercialização dessa energia gerada.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Bagaço da cana-de-açúcar em usina.</p><p>Há ainda diversos novos empreendimentos termelétricos a</p><p>biomassa em construção no Brasil, que somam 876 MW de</p><p>capacidade instalada. Outros empreendimentos já se</p><p>encontram outorgados pela ANEEL, mas ainda não iniciaram</p><p>a construção de suas instalações. Os resíduos florestais e</p><p>bagaço de cana são as biomassas com maiores</p><p>capacidades instaladas para esses empreendimentos,</p><p>perfazendo mais de 90% do total.</p><p>Tecnologias de geração a</p><p>biomassa</p><p>Neste vídeo, apresentaremos as tecnologias utilizadas na bioeletricidade, as tecnologias de geração de</p><p>biomassa e a bioeletricidade com ciclo a vapor e a gás, ciclo combinado e conjunto motor gerador. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A fundamentação física dos ciclos termodinâmicos é a base no processo da conversão de energia química</p><p>contida na biomassa para a obtenção de energia elétrica. Dessa forma, essa biomassa requer tratamento</p><p>prévio como evaporação ou biodigestão para permitir uma fonte de energia adequada ao armazenamento ou à</p><p>geração. Veja um fluxograma simplificado dos processos de conversão da biomassa para outras energias.</p><p>Sentidos de aproveitamento energético da biomassa.</p><p>Os tratamentos são válidos também para biomassas líquidas, como a vinhaça, a lixívia e efluentes sanitários. É</p><p>possível ainda obter hidrogênio a partir de processos termoquímicos utilizando células combustíveis para</p><p>geração de energia elétrica. As principais tecnologias de aproveitamento da biomassa para geração de</p><p>energia elétrica são apresentadas a seguir.</p><p>Bioeletricidade com ciclo vapor</p><p>O aproveitamento de biomassa para uso do ciclo vapor pode ser tanto em cogeração como para geração de</p><p>energia elétrica propriamente, a depender do tipo de biomassa, residual ou produto principal.</p><p>Ciclo vapor na cogeração</p><p>A cogeração é a geração combinada de calor e eletricidade, sendo ambas as formas de energia utilizadas.</p><p>Na indústria sucroenergética, derivada do uso da cana-de-açúcar, a cogeração é utilizada para gerar</p><p>vapor e bioeletricidade consumidos nos processos de produção de açúcar e etanol.</p><p>O vapor é utilizado para acionamento mecânico de equipamentos de fabricação do açúcar.</p><p>A configuração de ciclo vapor utilizada possui atualmente uma turbina de condensação que permite maior</p><p>rendimento na geração e utilização</p><p>nas entressafras, o que antes era impraticável quando se utilizava apenas</p><p>turbinas de contrapressão. O esquema a seguir mostra essa configuração, denominada ciclo vapor com</p><p>condensação e extração.</p><p>Esquema de ciclo vapor com condensação e extração para cogeração.</p><p>Nesse esquema, percebe-se que a cogeração ocorre somente com o vapor extraído. O vapor direcionado para</p><p>o sistema turbogerador e condensador tem total finalidade de geração de energia elétrica.</p><p>Bioeletricidade com ciclo a gás e ciclo combinado</p><p>O uso de ciclo a gás para bioeletricidade necessita do tratamento do tipo de biomassa utilizada. Por exemplo,</p><p>biomassas sólidas, como o bagaço, as palhas, a lenha e a lixívia, requerem uma etapa de gaseificação. Já os</p><p>biocombustíveis líquidos e gasosos podem ser diretamente consumidos em turbinas específicas para tal fim. A</p><p>gaseificação converte a biomassa em um gás que pode ser queimado em turbinas a gás ou em motores de</p><p>combustão.</p><p>Os gaseificadores podem ser classificados quanto à/ao:</p><p>Agente oxidante (ar, oxigênio, vapor)</p><p>Fonte de calor (reator ou fonte externa)</p><p>Pressão</p><p>Tipo de reator (leito fixo, leito fluidizado e leito arrastado)</p><p>No modelo com ciclo combinado, a biomassa é secada e levada ao gaseificador de modo a produzir o gás</p><p>combustível que será injetado em uma turbina juntamente com ar comprimido, onde termina o processo de</p><p>combustão para impulsionamento do turbogerador. Os gases da exaustão são encaminhados para uma</p><p>caldeira de recuperação que alimenta o ciclo vapor. Essa tecnologia é conhecida como Biomass Integrated</p><p>Gasification – Gas Turbine with Combinated Cycle (BIG-GTCC). Seu esquema de funcionamento é:</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Processo de gaseificação de biomassa com turbina a gás e ciclo combinado (BIG-</p><p>GTCC).</p><p>A utilização de biocombustíveis líquidos e gasosos não é comum, mas um exemplar pode ser encontrado na</p><p>Usina Termelétrica de Juiz de Fora, em Minas Gerias, que pode gerar eletricidade tanto com gás natural (ou</p><p>biogás purificado) como utilizando etanol. A usina tem capacidade instalada de 87 MW e está conectada ao</p><p>Sistema Interligado Nacional.</p><p>Conjunto motor gerador</p><p>Os conjuntos motor geradores são basicamente compostos de um motor de combustão interna acoplado a um</p><p>gerador elétrico. Esse motor normalmente é a diesel ou biogás. Sua eficiência varia de 29% a 37% para</p><p>equipamentos de até 5 MW. Já a eficiência de cogeração pode chegar aos 78%.</p><p>Comentário</p><p>No Brasil, é feito o aproveitamento de aterros sanitários para produção de biogás com conjuntos motor</p><p>geradores.</p><p>Apesar de ser muito comum a utilização de biogás para motor geradores, o uso de biocombustíveis líquidos,</p><p>óleos vegetais, biodiesel ou etanol é bastante limitado, em virtude de seus altos custos com combustível.</p><p>Aspectos sociais e ambientais para usinas à biomassa</p><p>Neste vídeo, discutiremos os impactos sociais e ambientais inerentes à geração termelétrica utilizando</p><p>biomassa. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A geração de bioeletricidade sem dúvidas pode ser feita em escala suficiente para desempenhar um</p><p>importante papel no cenário energético nacional. A biomassa na verdade é um termo utilizado para abranger</p><p>diversas matérias-primas já delimitadas: bagaço de cana, palha, lenha, resíduos urbanos, biogás, lixívia, entre</p><p>outros.</p><p>O Brasil é altamente beneficiado para a produção de biomassa em função de suas condições</p><p>climáticas favoráveis. O país tem grande disponibilidade de território e muita experiência acumulada,</p><p>principalmente no setor de produção de açúcar e etanol para aproveitamento do bagaço de cana.</p><p>No entanto, percebe-se que grande parte dos resíduos agropecuários e urbanos não é aproveitada, sendo,</p><p>portanto, um desperdício de recurso energético. Esse aproveitamento tem o objetivo de agregar valor e</p><p>otimizar o processo de produção agrícola e minimizar os impactos referentes ao descarte desses resíduos no</p><p>meio ambiente.</p><p>Os benefícios do aproveitamento de resíduos são bastante claros, mas os impactos negativos das centrais</p><p>termelétricas à biomassa também devem ser evidenciados para, então, serem evitados ou mitigados. Veja:</p><p>Principais benefícios</p><p>Usinas termelétricas à biomassa são facilmente despacháveis;</p><p>Grande parte da bioeletricidade vem da queima de bagaço durante o período de safra, sendo</p><p>uma operação sazonal (entre abril e outubro);</p><p>É considerada uma energia renovável e grande parte do combustível é obtida de origem</p><p>residual, o que garante aproveitamento e evita descarte desses materiais.</p><p>Principais impactos</p><p>Por utilizarem o ciclo Rankine e funcionarem com caldeiras ou turbinas a gás e motores</p><p>(biogás), pode haver impactos típicos dessas tecnologias;</p><p>Impactos na etapa de construção da usina térmica como uso do solo, transporte da biomassa,</p><p>deslocamento de populações, emissões de gases poluentes, uso contínuo de recursos</p><p>hídricos.</p><p>É importante destacar que uma usina de geração de energia permite a criação de postos de trabalho, o que</p><p>também pode ser considerado um benefício de sua instalação. Além disso, a instalação desses</p><p>empreendimentos pode gerar benefícios econômicos para a região, como aumento da arrecadação de</p><p>impostos e incremento na economia local.</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 1</p><p>A biomassa permite a geração de eletricidade a partir do processo de cogeração, ou seja, permite tanto a</p><p>geração de energia elétrica como de energia térmica. O Brasil é um grande produtor de energia elétrica a</p><p>partir de combustíveis de biomassa, totalizando uma potência instalada de aproximadamente 14 GW. O</p><p>principal resíduo utilizado no país para produção de bioeletricidade é</p><p>A</p><p>lixívia.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>B</p><p>lenha.</p><p>C</p><p>resíduos florestais.</p><p>D</p><p>bagaço de cana.</p><p>E</p><p>serragem.</p><p>A alternativa D está correta.</p><p>No Brasil, o bagaço de cana é o principal combustível de biomassa utilizado para geração de eletricidade,</p><p>atendendo 394 termelétricas que somam uma potência instalada de 11 GW.</p><p>Questão 2</p><p>Com relação à tecnologia de geração de bioeletricidade com ciclo a gás e ciclo combinado, é coreto afirmar</p><p>que</p><p>A</p><p>a gaseificação converte a biomassa em um gás que pode ser queimado em turbinas a gás ou em motores de</p><p>combustão.</p><p>B</p><p>a biomassa pode ser diretamente utilizada como matéria-prima, não necessitando de qualquer tratamento</p><p>prévio.</p><p>C</p><p>no ciclo combinado, a biomassa é injetada no gaseificador juntamente com vapor comprimido.</p><p>D</p><p>os gases de exaustão são expelidos por chaminés para a atmosfera.</p><p>E</p><p>os principais biocombustíveis utilizados são líquidos e gasosos por serem mais fáceis de se queimar.</p><p>A alternativa A está correta.</p><p>A função da gaseificação é produção de gás combustível para sofrer a queima e conversão de sua energia</p><p>química em energia mecânica.</p><p>4. Usinas termelétricas a carvão</p><p>Geração termelétrica a carvão</p><p>Neste vídeo, discutiremos aspectos da geração termelétrica utilizando carvão, seus recursos e reservas,</p><p>consumo no Brasil e no mundo, sistemas de carvão pulverizado, sistemas de carvão em leito fluidizado e</p><p>aspectos sociais e ambientais para usinas de carvão. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O carvão é uma rocha sedimentar formada a partir de restos vegetais em diferentes estados de conservação,</p><p>que tenham sofrido processo de soterramento e de compactação.</p><p>O carvão fóssil é muitas vezes chamado de carvão mineral, no entanto, esse termo é incorreto, já</p><p>que o carvão mineral é obtido comercialmente.</p><p>A designação de carvão mineral é utilizada para tipificar as quatro etapas evolutivas de formação do carvão,</p><p>respectivamente em ordem de teor de carbono:</p><p>Turfa</p><p>Linhito</p><p>Hulha</p><p>Antracito</p><p>Os grandes depósitos de carvão são encontrados em bacias sedimentares resultantes do movimento de</p><p>placas tectônicas, originados da decomposição de vegetais e restos vegetais como troncos, galhos e</p><p>sementes ao longo de milhões de anos sofrendo compactação e alterações significativas devido à variação de</p><p>pressão. O carbono é, portanto, seu principal elemento químico.</p><p>Recursos e reservas de carvão</p><p>Assista ao vídeo e expanda seu conhecimento a respeito das reservas de carvão no Brasil e no mundo.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Consumo mundial de reservas de carvão</p><p>Com os desafios impostos pelo aquecimento global ao setor energético em escala mundial, a busca por fontes</p><p>mais renováveis tem sido de grande atenção. Os combustíveis fósseis ainda são estratégicos para atender ao</p><p>crescimento de carga.</p><p>1.</p><p>2.</p><p>3.</p><p>4.</p><p>Usina de Porto do Itaqui em São Luís, Maranhão.</p><p>Exemplo</p><p>Segundo a Agência Internacional de Energia, o carvão mineral contribuiu com cerca de 41% de um total</p><p>de 23,4 TWh da eletricidade gerada em todo o mundo no ano de 2013. Isso supera em quase duas vezes</p><p>a participação de combustíveis como o gás natural.</p><p>O uso do carvão mineral é bastante atrelado ao desenvolvimento industrial da China, maior importador líquido</p><p>de carvão no mundo, desde 2012. Seu expressivo aumento na participação da matriz de energia primária</p><p>demonstra sua posição de segunda fonte mais importante, perdendo apenas para o petróleo. No que se refere</p><p>à capacidade instalada, a China é o principal país em geração de energia elétrica a partir do carvão. Para se</p><p>ter ideia da importância desse combustível no país asiático, observe no gráfico a seguir a capacidade</p><p>instalada na China por tipo de combustível ao longo de uma década.</p><p>Gráfico: Capacidade instalada na China por tipo de combustível em uma década.</p><p>Centrais térmicas de baixa eficiência são o principal gargalo para a geração de energia a partir do carvão. A</p><p>eficiência média de usinas denominadas subcríticas é de aproximadamente 33%, muito abaixo de plantas mais</p><p>modernas que podem chegar a uma eficiência média de 45%.</p><p>Consumo no Brasil de reservas de carvão</p><p>No Brasil, o carvão mineral responde por cerca de 3% da oferta de energia gerada. No entanto, em situações</p><p>de escassez hídrica e possível falta de potencial hidrelétrico, a grande disponibilidade de carvão no sul do</p><p>país com preços acessíveis e estáveis permite ser uma fonte importante para a matriz energética nacional. Por</p><p>esse motivo, tecnologias que permitam maior aproveitamento com minimização das emissões de gases</p><p>poluentes tem sido cada vez mais necessárias.</p><p>A capacidade instalada das centrais</p><p>termelétricas a carvão no Brasil soma 3,2 GW,</p><p>sendo a usina de Porto do Itaqui, em São Luís –</p><p>Maranhão, a de maior capacidade com 360 MW</p><p>de potência instalada. Essa usina possui</p><p>tecnologias para controle de emissões de</p><p>material particulado, enxofre e óxido de</p><p>nitrogênio na atmosfera.</p><p>Projeta-se que o Brasil tenha reservas</p><p>carboníferas na ordem de 32 bilhões de</p><p>toneladas, concentradas no sul do país. São 26</p><p>minas de carvão, sendo que grande parte das</p><p>jazidas se encontram no estado do Rio Grande do Sul, vejamos no mapa:</p><p>Jazidas de carvão no sul do Brasil.</p><p>Atualmente, a produção de carvão no país é em torno de 13,5 milhões de toneladas (sem beneficiamentos).</p><p>Sua principal aplicação em território nacional é de combustível para geração de energia elétrica e utilização na</p><p>siderurgia para produção de aço e ferro-gusa. Para essas aplicações, as reservas são suficientes para</p><p>fornecer carvão por 690 anos.</p><p>Tecnologias de geração termelétrica a carvão</p><p>Neste vídeo, apresentaremos as tecnologias utilizadas na geração de eletricidade com o uso de carvão,</p><p>detalhando os sistemas de carvão pulverizado e em leito fluidizado. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O uso do carvão é variado em diversas aplicações e na geração de energia elétrica concentra-se cerca de</p><p>40% de seu uso. As principais tecnologias de combustão do carvão em operação são:</p><p>Combustão de carvão pulverizado.</p><p>Combustão em leito fluidizado.</p><p>Ciclo combinado integrado com gaseificação.</p><p>Essas tecnologias, detalhadas na sequência, diferem-se em relação aos valores de temperatura e pressão na</p><p>câmara de combustão, podendo ser de ciclos subcríticos, supercríticos e ultra-supercríticos. Veja a</p><p>classificação dessas tecnologias.</p><p>Indicadores Plantas Sub-Crítricas Plantas Supercríticas Plantas Ultra-</p><p>Supercríticas</p><p>Pressão (bar) 150-180 245+ 360+</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Indicadores Plantas Sub-Crítricas Plantas Supercríticas Plantas Ultra-</p><p>Supercríticas</p><p>Temperatura (</p><p>o C)</p><p>540-565 540-570 600+</p><p>Status Iniciando para altos</p><p>teores de cinza</p><p>Iniciando para altos</p><p>teores de cinza</p><p>Apenas para baixos</p><p>teores de cinza</p><p>Eficiência 30-40% 40-46% 48% (futuro 50-55%)</p><p>Tabela: Classificação de tecnologias por temperatura e pressão.</p><p>Adaptado de Tolmasquim, Energia termelétrica: gás natural, biomassa, carvão, nuclear, 2016, p. 270.</p><p>Sistemas de carvão pulverizado</p><p>O sistema de combustão com carvão pulverizado é a tecnologia mais utilizada para combustão de carvão na</p><p>geração de energia elétrica.</p><p>A tecnologia de carvão pulverizado está em avançado estado de desenvolvimento e existem muitas</p><p>unidades desse tipo operando ao redor do mundo, cerca de 90% das termelétricas a carvão.</p><p>Após o beneficiamento, o carvão é pulverizado e inserido na caldeira com ar de combustão por bicos</p><p>queimadores. A temperatura pode atingir 1500°C dependendo do tipo de carvão, ficando em torno de 5</p><p>segundos na caldeira. A maioria das caldeiras operam em “fundo seco”, em que a maior parte das cinzas é</p><p>arrastada junto aos gases de combustão, o que exige bons sistemas de limpeza e filtragem.</p><p>Por ser queimado em partículas pulverizadas, a eficiência de combustão pode atingir 99% e a eficiência de</p><p>conversão térmica em elétrica, 43% em plantas supercríticas, por exemplo. As caldeiras são utilizadas em</p><p>turbinas a vapor com saídas entre 50 e 1300 MW. O carvão pulverizado é considerado combustível de queima</p><p>limpa quando se utiliza modernos sistemas de controle de emissões de NOx, dessulfurizarão de gases e</p><p>remoção de partículas. Esses sistemas podem remover até 96% do enxofre e até 99,99% do material</p><p>particulado.</p><p>Sistemas de carvão pulverizado</p><p>No sistema termelétrico de carvão em leito fluidizado, o ar em alta pressão é soprado através do carvão moído</p><p>em partículas em torno de 3 mm, que são arrastadas no ar formando um leito fluidizado. Esse leito se</p><p>comporta como um fluido em ebulição. A tecnologia de leito fluidizado pode ser aplicada em diversos</p><p>combustíveis como carvão e biomassa, principalmente em minerais de baixa qualidade. A temperatura de</p><p>combustão pode atingir os 900°C, portanto menor que na tecnologia com carvão pulverizado, o que ajuda na</p><p>minimização de formação de emissões NOx.</p><p>A combustão em leito fluidizado pode ser subdividida em:</p><p>Sistemas de combustão em leito</p><p>fluidizado borbulhante (BFBC)</p><p>Velocidade de fluidização é baixa.</p><p>Sistemas de combustão em leito</p><p>fluidizado circulante (CFBC).</p><p>Velocidade de fluidização é maior.</p><p>No BFBC, mantém-se as partículas num leito de profundidade de até 1 m e as partículas são queimadas de</p><p>fora para dentro. A eficiência obtida nessa tecnologia é de 30%. Já no sistema CFBC, as partículas são</p><p>constantemente arrastadas com os gases. São sistemas mais flexíveis quanto ao tipo de combustível, mas</p><p>operam com maior eficiência com o combustível de referência para o qual foi projetado.</p><p>Sistemas de ciclo combinado com gaseificação integrada</p><p>Os sistemas de ciclo combinado com gaseificação integrada usam o ciclo combinado com turbina a gás,</p><p>enquanto os gases de escape ainda quentes geram, em uma caldeira de recuperação, vapor superaquecido</p><p>para acionar uma turbina a vapor. O maior potencial de geração vem da turbina a gás, cerca de 70%. Em todas</p><p>as plantas desse tipo de tecnologia necessita-se de uma série de trocadores de calor de grande porte. As</p><p>unidades de demonstração têm escalas em torno de 250 MW. A eficiência de uma central de ciclo combinado</p><p>com gaseificação pode chegar a 52% em plantas mais modernas, com emissões de CO2 e NOx cerca de 35% e</p><p>90% menor, respectivamente, se comparado com plantas convencionais.</p><p>Comentário</p><p>Mesmo com alguns benefícios, poucos são os empreendimentos com sistemas de ciclo combinado com</p><p>gaseificação integrada, por serem mais caros e complexos</p><p>que os de carvão pulverizado e fluidizado.</p><p>Aspectos sociais e ambientais para usinas a carvão</p><p>Neste vídeo, discutiremos os impactos sociais e ambientais promovidos pelas usinas a carvão. Confira!</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Mesmo com os incentivos e tendência mundial de aumento da participação de fontes renováveis de energia, o</p><p>uso do carvão ainda é muito importante para a geração de energia elétrica. No Brasil, como há uma grande</p><p>participação histórica de fontes renováveis, o carvão mineral é utilizado como fonte complementar, tendo</p><p>menor participação na matriz energética nacional.</p><p>A mineração de carvão no Brasil é basicamente destinada à geração de energia, mas os impactos desta</p><p>atividade não se limitam apenas a esse fim, devendo, portanto, serem escolhidas as melhores soluções em</p><p>função de custo, benefícios e seus impactos sociais e ambientais.</p><p>Assim como em tecnologias que utilizam outros tipos de combustíveis, as centrais a carvão também</p><p>são submetidas a rigorosos licenciamentos ambientais de acordo com a legislação vigente.</p><p>A seguir, apresentamos os principais benefícios e impactos decorrentes da operação dessas usinas. Vamos</p><p>conferir!</p><p>Principais benefícios</p><p>O carvão é um combustível com menor risco de variações de preço e interrupção de</p><p>suprimento, o que lhe confere maior segurança de operação para o país.</p><p>Muitos investimentos têm sido feitos no setor para aumentar a eficiência e reduzir os impactos</p><p>ambientais por meio de tecnologias limpas do carvão (clean coal technologies).</p><p>As usinas a carvão possuem certa flexibilidade de locação, o que permite sua implantação em</p><p>locais menos sensíveis do ponto de vista social e ambiental. Podem ser instaladas próximas</p><p>aos centros de carga.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Principais impactos</p><p>Dependendo do tipo de tecnologia, pode haver um grande consumo de recursos hídricos para</p><p>o resfriamento, o que pode impactar a disponibilidade em outros usos.</p><p>Emissão de poluentes atmosféricos, como óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre e material</p><p>particulado, que geram alterações na qualidade do ar e efeitos danosos à saúde da população</p><p>local.</p><p>A combustão também gera emissões de dióxido de carbono que contribuem para as mudanças</p><p>climáticas.</p><p>O processo de extração e uso do carvão mineral pode implicar diversos impactos socioambientais, positivos e</p><p>negativos. Além dos impactos decorrentes da própria mineração do carvão sobre os recursos ambientais e</p><p>sociais, outros impactos podem ser desencadeados caso não sejam adotadas políticas de controle ambiental.</p><p>O principal desafio do setor é o desenvolvimento de tecnologias para mitigação dos impactos negativos ao</p><p>meio ambiente como sistemas de captura de CO2.</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 1</p><p>O carvão é formado a partir da sedimentação de vegetais que passaram pelo processo de soterramento por</p><p>um longo período de tempo. O principal elemento químico que constitui o carvão é o</p><p>A</p><p>lítio.</p><p>B</p><p>carbono.</p><p>C</p><p>oxigênio.</p><p>D</p><p>nitrogênio.</p><p>E</p><p>ferro.</p><p>A alternativa B está correta.</p><p>Por ser produzido a partir do processo de soterramento e compactação de resíduos vegetais ao longo de</p><p>muitos anos, o carbono é seu principal elemento químico constituinte.</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>Questão 2</p><p>Em torno de 40% do uso do carvão no Brasil é destinado à geração de energia elétrica. Das tecnologias</p><p>utilizadas para esse fim a partir do carvão, é possível afirmar que</p><p>A</p><p>as tecnologias diferem-se em função do teor de carbono utilizado.</p><p>B</p><p>a eficiência de centrais termelétricas a carvão pode chegar a 70%.</p><p>C</p><p>no sistema de carvão com leito fluidizado, o ar é injetado em baixa pressão através do carvão particulado.</p><p>D</p><p>os sistemas com carvão pulverizado são os mais utilizados para geração de eletricidade.</p><p>E</p><p>centrais de ciclo combinado permitem a geração de energia a partir da queima do carvão e biomassa.</p><p>A alternativa D está correta.</p><p>O sistema de carvão pulverizado é uma tecnologia em avançado estado de desenvolvimento e existem</p><p>muitas unidades desse tipo operando ao redor do mundo, cerca de 90% das termelétricas a carvão.</p><p>5. Conclusão</p><p>Considerações finais</p><p>Mesmo com os incentivos ao uso de fontes renováveis para geração de energia, o uso de centrais</p><p>termelétricas ainda é de grande importância para o atendimento à demanda de eletricidade no mundo. Em</p><p>função da flexibilidade de combustíveis e grandes reservas disponíveis, os combustíveis ainda são tópicos</p><p>que merecem estudos para o aperfeiçoamento das centrais térmicas, de modo a aumentar sua eficiência e</p><p>reduzir os impactos ambientais decorrentes da operação das usinas.</p><p>Neste conteúdo, apresentamos as principais características das centrais termelétricas, desde os princípios</p><p>básicos de termodinâmica que regem o funcionamento do processo de conversão da energia química dos</p><p>combustíveis em energia elétrica até as características de produção e consumo, tecnologias utilizadas e</p><p>impactos socioambientais dos principais combustíveis em usinas termelétricas: gás natural, biomassa e</p><p>carvão.</p><p>Podcast</p><p>Ouça agora um bate-papo sobre principais características e conceitos em geração de energia, a partir</p><p>de usinas termelétricas no Brasil e no mundo. Confira também as questões técnicas e ambientais dos</p><p>processos de produção em usinas.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para ouvir o áudio.</p><p>Explore +</p><p>Confira a indicação que separamos para você!</p><p>Leia mais sobre a geração de eletricidade no Brasil utilizando biomassa no Portal de Periódicos da Marinha.</p><p>Vale a pesquisa!</p><p>Referências</p><p>BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Blucher, 2018.</p><p>EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Plano Nacional de Energia 2030: Geração termelétrica ‒ Biomassa. Rio</p><p>de Janeiro: EPE, 2007.</p><p>EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Plano Nacional de Energia 2030: Geração termelétrica ‒ Gás Natural.</p><p>Rio de Janeiro: EPE, 2007.</p><p>LORA, E. E. S. et al. Geração termelétrica: planejamento, projeto e operação. Rio de Janeiro: Interciência, 2004.</p><p>TOLMASQUIM, M. T. et al. Energia termelétrica: gás natural, biomassa, carvão, nuclear. Rio de Janeiro: EPE,</p><p>2016.</p><p>VISCONDI, G. de F.; SILVA, A. F.; CUNHA, K. B. Geração termoelétrica e emissões atmosféricas: poluentes e</p><p>sistemas de controle. São Paulo: IEMA, 2016.</p><p>Geração termelétrica</p><p>1. Itens iniciais</p><p>Propósito</p><p>Preparação</p><p>Objetivos</p><p>Introdução</p><p>Introdução</p><p>Conteúdo interativo</p><p>1. Conceitos fundamentais em energia termelétrica</p><p>Principais conceitos de geração termelétrica</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Aspectos iniciais e funcionamento de uma usina termelétrica</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Funcionamento de uma usina termelétrica</p><p>Potência gerada</p><p>Tipos de combustíveis utilizados</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Comentário</p><p>Combustíveis</p><p>Fósseis</p><p>Nucleares</p><p>Derivados de petróleo</p><p>Carvão mineral</p><p>Gás natural</p><p>Biomassa</p><p>Impactos ambientais</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Ciclo Rankine</p><p>Ciclo Brayton</p><p>Poluentes emitidos</p><p>Gases do efeito estufa</p><p>Material particulado</p><p>Óxidos de nitrogênio (NOx)</p><p>Óxidos de enxofre (SOx)</p><p>Outros poluentes</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>2. Usinas termelétricas a gás natural e vapor</p><p>Considerações sobre termelétricas a gás natural e vapor</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Produção e consumo de gás natural</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Comentário</p><p>Consumo de gás natural em termelétricas no mundo</p><p>Comentário</p><p>Consumo de gás natural em termelétricas no Brasil</p><p>Rio de Janeiro</p><p>São Paulo</p><p>Espírito Santo</p><p>Tecnologias de geração a gás natural</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Termelétrica a vapor</p><p>Termelétrica de turbinas a gás em ciclo simples</p><p>Heavy duty (máquinas industriais)</p><p>Aeroderivativas</p><p>Termelétrica de ciclo combinado</p><p>Termelétrica com motores de combustão interna</p><p>Aspectos técnicos e ambientais para usinas a gás natural</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Aspectos técnicos</p><p>Aspectos ambientais</p><p>Comentário</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>3. Usinas termelétricas a biomassa</p><p>Bioeletricidade – termelétricas a biomassa</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Recursos energéticos para bioeletricidade</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Consumo de biomassa em termelétricas no mundo</p><p>Consumo de biomassa</p><p>em termelétricas no Brasil</p><p>Comentário</p><p>Tecnologias de geração a biomassa</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Bioeletricidade com ciclo vapor</p><p>Ciclo vapor na cogeração</p><p>Bioeletricidade com ciclo a gás e ciclo combinado</p><p>Conjunto motor gerador</p><p>Comentário</p><p>Aspectos sociais e ambientais para usinas à biomassa</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Principais benefícios</p><p>Principais impactos</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>4. Usinas termelétricas a carvão</p><p>Geração termelétrica a carvão</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Recursos e reservas de carvão</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Consumo mundial de reservas de carvão</p><p>Exemplo</p><p>Consumo no Brasil de reservas de carvão</p><p>Tecnologias de geração termelétrica a carvão</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Sistemas de carvão pulverizado</p><p>Sistemas de carvão pulverizado</p><p>Sistemas de combustão em leito fluidizado borbulhante (BFBC)</p><p>Sistemas de combustão em leito fluidizado circulante (CFBC).</p><p>Sistemas de ciclo combinado com gaseificação integrada</p><p>Comentário</p><p>Aspectos sociais e ambientais para usinas a carvão</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Principais benefícios</p><p>Principais impactos</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>5. Conclusão</p><p>Considerações finais</p><p>Podcast</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Explore +</p><p>Referências</p>