Termoelétricas (parte II)

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GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E 
DISTRIBUIÇÃO DE 
ENERGIA ELÉTRICA
Engenharia Elétrica, 7º sem., noturno
Faculdade Pitágoras-Londrina, 2011/1
Prof. Maurício G. Ballarotti (m.ballarotti@gmail.com)
1GTD 2011
2. Geração de Energia Elétrica(mar/2011)
Termelétricas
1. Introdução
2. Combustíveis usados
3. Esquemas, principais tipos 
e configurações
GTD 2011
e configurações
4. Impacto ambiental
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• Veremos um resumo dos tipos e possíveis 
configurações de centrais termoelétricas:
– Centrais a Vapor (não-nucleares)
– Centrais a Diesel
iii. Centrais Termelétricas
Esquemas, Principais Tipos e Configurações
GTD 2011
– Centrais a Diesel
– Centrais Nucleares
– Centrais a Gás
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• Centrais a Vapor (não-nucleares):
– São aquelas que se utilizam exclusivamente da 
combustão externa para gerar energia elétrica.
– Combustíveis:
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011
– Combustíveis:
• Óleo combustível
• Óleo diesel
• Carvão
• Gás Natural
• Biomassa (lenha, bagaço da cana, lixo, etc.)
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• A geração de energia nas termelétricas 
convencionais se baseia no Ciclo Rankine, 
onde a eficiência é bastante baixa (25-30%) 
em relação aos padrões atuais, o que 
compromete significativamente o preço da 
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011
compromete significativamente o preço da 
energia. 
• Além do mais, o óleo combustível é caro no 
Brasil, ficando sujeito às variações do preço do 
barril do petróleo.
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• Fluído de trabalho: água desmineralizada
• Por se tratar de um ciclo fechado, a água 
desmineralizada deve ter um controle rígido 
da (a) sílica (SiO2), evitando incrustações e 
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011
da (a) sílica (SiO2), evitando incrustações e 
condutividade e (b) sódio, prevenindo 
corrosão.
• Perdas:
– Caldeira: 10%
– Vapor de exaustão nas turbinas a vapor: ~55%
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Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011 8
Maiores Perdas
A mesma coisa de outra maneira...
GTD 2011 9
• Baixa eficiência espanta investidores!
• Vantagens atualmente:
– A possibilidade dessas usinas utilizarem diferentes 
combustíveis aliado ao relativo baixo custo de 
implantação fazem dela uma alternativa 
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011
combustíveis aliado ao relativo baixo custo de 
implantação fazem dela uma alternativa 
interessante em tempos de crise.
– Essas térmicas convencionais vêm sendo 
construídas em plantas de pequeno porte em 
regime de co-geração com outra indústria, onde 
esta se utiliza do vapor gerado para outro 
processo.
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Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Centrais a Vapor (não-nucleares)
GTD 2011 11
• Central a Diesel:
– Processo de combustão interna no Ciclo Diesel.
– Combustível: óleo diesel
– Muito usadas em potências até 40 MW para 
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Central a Diesel
GTD 2011
– Muito usadas em potências até 40 MW para 
alimentar sistemas isolados (PCHs 1-30 MW)
– Uso disseminado em regiões longínquas sem 
outra fonte de geração
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• Desvantagens:
– Limitação de potência
– Alto ruído e vibração
– Por estarem isoladas: alto custo do combustível e 
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Central a Diesel
GTD 2011
– Por estarem isoladas: alto custo do combustível e 
dificuldade na troca de peças (transporte)
• Vantagens: 
– Rápida entrada em carga
– Simplicidade de operação
– Fácil manutenção
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Central a Diesel Típica
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John Deere 30 kW Diesel Generator
GTD 2011 151000 kW
Isuzu 21 kW Diesel Generator
GTD 2011 16
Esquemas, Principais Tipos e Configurações: 
Central a Diesel
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3.1 MW
Comparação: a Usina Hidrelétrica Apucaraninha possui capacidade instalada de 9,5 MW. 
Foi inaugurada em 1949, pela Empresa Elétrica de Londrina S.A., incorporada pela Copel em 1974.
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais Nucleares
• Centrais Nucleares: existem diferentes tecnologias de 
reatores nucleares e são basicamente quatro:
1. Reatores de água leve (LWR – Light Water Reactor):
– Dois tipos: 
• PWR – Pressurized Water Reactor ou reator a água pressurizada. 
Evite a ebulição da água. Westinghouse, Siemens, Framatome e 
GTD 2011
Evite a ebulição da água. Westinghouse, Siemens, Framatome e 
Mitisubishi.
• BWR – Boiling Water Reactor ou reator à água fervente. Água entra 
em ebulição. General Electric, Siemens, Toshiba e Hitachi.
– Capacidade > 900 MWe (MW elétrico)
– Mais usado no mundo (> 75%)
– Econômico, seguro e confiável
– A tecnologia aprimorada dos PWR, com água a alta 
pressão, permite a construção de unidades de até 1.400 
MWe.
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Esquema do reator mostrando as barras de controle. Tais barras são feitas de 
material absorvente de nêutrons, que são emitidos constantemente pelo 
urânio radioativo. Existe um mecanismo que eleva essas barras a uma altura 
desejada e que consiste no primeiro controle dos reatores nucleares.
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais Nucleares
GTD 2011 19
• PWR – Pressurized Water Reactor ou reator a água pressurizada
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais Nucleares
GTD 2011 20
• BWR – Boiling Water Reactor ou reator à água fervente
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais Nucleares
GTD 2011 21
2. Reatores a água pesada (HWR – Heavy Water
Reactor):
– ~ 8% dos reatores no mundo utilizam reatores 
refrigerados e moderados a água pesada.
– Também são econômicos, seguros e confiáveis 
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais Nucleares
GTD 2011
– Também são econômicos, seguros e confiáveis 
(Canadá, Argentina e Índia)
– Potência máxima:Tal possibilidade só 
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011
altas temperaturas. Tal possibilidade só 
foi alcançada com avanços na tecnologia 
de materiais
– Há um número excessivo de estágios no 
turbocompressor, o que limita a 
potência
– Indústria aeronáutica auxiliou a 
melhoria do rendimento dos 
turbocompressores (85%) nas últimas 
décadas.
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• Atinge eficiências termodinâmicas bem mais 
elevadas porque o pico do ciclo de temperatura 
das modernas turbinas a gás (~1.260 oC para a 
melhor turbina para aplicações estacionárias no 
mercado) é bem mais elevado do que o das 
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011
mercado) é bem mais elevado do que o das 
turbinas a vapor (~540 oC).
• Aproveitamento do calor de escape para 
produzir vapor numa caldeira de recuperação, 
que pode ser usada em processos industriais 
numa configuração de co-geração.
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GTD 2011 31
• Existem 2 tipos básicos de turbina a gás 
dependendo de sua origem:
1. Turbinas Aeroderivativas: baseadas na tecnologia 
de propulsão de aeronaves. Compactas e de peso 
reduzido. Alta confiabilidade, tempo reduzido de 
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011
reduzido. Alta confiabilidade, tempo reduzido de 
manutenção, elevado rendimento. Aplicações: 
geração elétrica (especialmente para pico de 
demanda ou regime de emergência) e co-geração.
2. Turbinas Industriais (heavy-duty ou carga pesada):
construção mais robusta, resistentes a ambientes 
agressivos, são indicadas para operação de base.
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Exemplos: Aeroderivativa & Industrial
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011 33
• Vantagens: 
– baixo custo de investimento por kW instalado
– prazos curtos de entrega dos equipamentos
– construção rápida
– operação com elevada segurança e disponibilidade
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011
– operação com elevada segurança e disponibilidade
– Razoável versatilidade quanto ao combustível
– flexibilidade operacional no acompanhamento da 
carga (por serem unidades leves e compactas, as 
turbinas a gás entram em operação segundos após o 
seu acionamento e em minutos chegam a capacidade 
máxima, sendo ideal para trabalhar na ponta da 
geração)
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• Desvantagens no Brasil:
– Dependência do gás importado e variações do 
preço internacional.
– Alto preço das turbinas importadas e impostos de 
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações: Centrais a Gás
GTD 2011
– Alto preço das turbinas importadas e impostos de 
importação
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• Centrais a Ciclo Combinado:
– A tecnologia do ciclo combinado na geração térmica é 
relativamente recente e consiste basicamente na 
acoplagem dos sistemas a vapor e a gás.
– Ou seja:
Esquemas, Principais Tipos e 
Configurações
GTD 2011
– Ou seja:
• É a Combinação do Ciclo Rankine (vapor) + Ciclo Brayton 
(gás).
– Assim, funcionam juntamente no mesmo ciclo turbinas 
a gás e a vapor, o que garante que a energia perdida 
pela descarga a alta temperatura dos gases na turbina a 
gás seja aproveitada para a geração de vapor, 
aumentando o rendimento do ciclo.
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Fluxograma de uma UTE a Gás 
utilizando Ciclo Combinado
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Ciclo
Rankine
Ciclo
Brayton
Ciclo combinado
• Grande eficiência (ηηηη> 50%, > vapor, > gás)
• Modelo clássico: 2+1, duas turbinas a gás 
iguais + uma a vapor de mesma capacidade 
(Gerador elétricos, trafos e demais 
GTD 2011
(Gerador elétricos, trafos e demais 
equipamentos padronizados). 
• Existem diversas configurações (3+1, 4+1, 
etc.) usando este modelo básico do ciclo 
combinado.
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• Vantagem:
– Economia de energia e recursos em geral.
Ciclo combinado
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Co-geração
• A co-geração é a produção simultânea ou 
combinada de energia térmica útil (calor na 
forma de água quente e vapor) e energia 
mecânica a partir da queima de um único 
combustível (gás natural, resíduos de 
GTD 2011
combustível (gás natural, resíduos de 
madeira, casca de arroz, bagaço da cana, 
palha, etc.). Ou seja, usa o Ciclo Combinado.
• Pode-se ainda definir a co-geração como a 
integração eficiente dos processos térmicos e 
elétricos.
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• Segmento em constante crescimento!
• Devido aos investimentos relativamente 
baixos, a co-geração tem sido cada vez mais 
empregada para:
Co-geração
GTD 2011
empregada para:
– Suprir energia elétrica quer para consumo próprio 
onde está sendo produzida, quer para negociação 
com a concessionária ou mercado de energia;
– Reaproveitamento do calor para uso na calefação, 
refrigeração, secagem, lavagem, etc.
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Co-geração
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Intermediária
Ponta
Carga/Demanda de Energia: 
base, intermediária e ponta
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Base
Intermediária
Carga/Demanda de Energia: 
base, intermediária e ponta
• As três categorias de demanda de energia, base, 
intermediária e pico, definem três tipos de usinas de 
geração:
– Usina de Potência de Base: gera continuamente a plena carga. 
Ex.: Usina Nuclear, Usina Térmica à Carvão e Hidráulica.
– Usina de Potência Intermediária: responde relativamente 
GTD 2011
– Usina de Potência Intermediária: responde relativamente 
rápida às mudanças de demanda, em geral, pela adição ou 
retirada de unidades geradoras. Ex.: Usinas Hidráulicas
– Usinas de Potência de Ponta:
• São colocadas em operação em períodos de demanda alta.
• Entregam potência durante pequenos intervalos durante o dia.
• São usinas de custo elevado porque permanecem na maior parte do 
tempo paradas.
• Ex.: Usinas de armazenamento por bombeamento ou usinas 
reversíveis, geradores a diesel, turbinas a gás.
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Comparação entre Hidrelétrica, Térmica e Nuclear
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Exercício
• Reis, p. 142: Rendimentos -> total
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Referências
• Atlas de Energia Elétrica do Brasil, Agência Nacional de 
Energia Elétrica (Aneel) 
www.aneel.gov.br/aplicacoes/Atlas/download.htm
• Reis, L. B., Geração de Energia Elétrica: tecnologia, 
inserção ambiental, planejamento, operação e análise 
de viabilidade, Ed. Manole, 2003.de viabilidade, Ed. Manole, 2003.
• Curso de Geração, Transmissão e Distribuição de 
Energia Elétrica, Profa. Ruth P. S. Leão, Univ. Fed. Ceará 
www.dee.ufc.br/~rleao/GTD/Livro.htm
• L. L. Grigsby, Electric Power Generation, Transmission
and Distribution, CRC Press, 2007.
• Tolmasquim, Geração de Energia elétrica no Brasil, 
2005.
• http://www.copel.com/hpcopel/geracao/
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