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11 PRINCIPAIS FONTES DE GERAÇÃO DE ENERGIA AULA 2 22 PRINCIPAIS FONTES DE GERAÇÃO DE ENERGIA Energia hídrica Energia térmica Energia eólica Energia nuclear Energia geotérmica Energia gravitacional Turbina hidráulica Turbina a Gás Motores a combustão interna Turbina a vapor Turbina eólica FONTES DE ENERGIA ACOPLAMENTO GERAÇÃO Gerador Energia Mecânica Energia Cinética Energia Elétrica 33 PRINCIPAIS FONTES DE GERAÇÃO DE ENERGIA Energia gravitacional Energia eólica Energia geotérmica Energia hídrica Energia nuclear Energia térmica GERADOR 44 PRINCIPAIS FONTES DE GERAÇÃO DE ENERGIA 55 GERAÇÃO HIDROELÉTRICA É a energia proveniente do movimento das águas. Ela é produzida por meio do aproveitamento do potencial hidráulico existente num rio, utilizando desníveis naturais, como quedas de água, ou artificiais, produzidos pelo desvio do curso original do rio. 66 Classificação de Usinas Quanto à Potência GERAÇÃO HIDROELÉTRICA 77 GERAÇÃO HIDROELÉTRICA 88 GERAÇÃO HIDROELÉTRICA • Uma planta hidrelétrica é formada por um conjunto de elementos, dentre os quais destacam-se os elementos básicos mostrados na figura. 99 GERAÇÃO HIDROELÉTRICA 1010 GERAÇÃO HIDROELÉTRICA 1111 PRINCIPAIS CAUSAS DE PERDA DE ENERGIA NAS TURBINAS • Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida. • Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais. 1212 POTÊNCIA BRUTA DO SISTEMA A Potência bruta: Pb = ρ.Q.H.g (kW) Pb→ Potência bruta em kW ρ → Densidade da água em kg/m³ Q → Vazão da água em m³/s H → Altura da coluna d’água em m g → Aceleração da gravidade m/s² 1313 POTÊNCIA DE EIXO DA TURBINA A Potência de eixo: Peixo = Pb. ηt (kW) Peixo→ Potência em kW ηt → Rendimento da turbina 1414 POTÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA A Potência elétrica: Pel = Peixo. ηg (kW) Pel→ Potência em kW ηg → rendimento do gerador 1515 POTÊNCIA ATIVA DO SISTEMA A Potência Ativa do sistema é dada por: P = ρ.Q.H.g.η (kW) P → Potência em Kw ρ → densidade da água em kg/m³ Q → vazão da água em m³/s H → altura da coluna d’água em m g → aceleração da gravidade m/s² η → rendimento do sistema Onde η = ηh. ηt. ηg •ηh → Rendimento do circuito hidráulico; •ηt → Rendimento da turbina; •ηg → Rendimento do gerador, transformador e serviços auxiliares. O rendimento: η = Pel / Pb 1616 PRINCIPAIS VANTAGENS • Não emite poluentes; • A produção é controlada; • Não influencia no efeito estufa. • Produção de energia: hidroeletricidade; • Aumento das possibilidades de trabalho para a população local. • Regulação do fluxo e inundações; • Aumento da produção de peixes e na possibilidade de aquicultura; • Aumento e melhoria da navegação e transporte; • Aumento do potencial de irrigação; • Criação de possibilidades de recreação e turismo; • Aumento do potencial de água potável e de recursos hídricos reservados; • Retenção de água regionalmente; 1717 PRINCIPAIS IMPACTOS / DESVANTAGENS • Inundação de áreas agricultáveis; • Efeitos sociais por relocação; • Perda da biodiversidade, terrestre e aquática; • Problemas geofísicos devido a acumulação de água foram detectados em alguns reservatórios; • Problemas de saúde pública, devido à deterioração ambiental; • Perdas de heranças históricas e culturais, alterações em atividades econômicas e usos tradicionais da terra; • Alterações na fauna do rio; • Interferências no transporte de sedimentos; • Aumento da distribuição geográfica de doenças de veiculação hídrica; • Mudanças hidrológicas a jusante da represa; • Interferência na migração dos peixes; • Perda de vegetação e da fauna terrestres; • A construção dessas usinas é cara e demorada. 1818 TIPOS DE TURBINAS • Uma turbina pode ser do tipo Pelton, Francis, Kaplan ou Bulbo. Cada um destes tipos de turbinas é adaptado para funcionar com uma determinada faixa de altura de queda. 1919 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS As turbinas hidráulicas podem ser classificadas como Turbinas de Ação ou Turbinas de Reação. São turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan. Turbinas de Reação (ou propulsão): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton. Turbinas de Ação (ou impulso): 2020 PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA • Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré- distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção. 2121 • Caixa espiral: É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica integrada à estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou modificada. O objetivo é distribuir a água igualmente na entrada da turbina. PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA 2222 • Pré-distribuidor: São 18 a 24 palhetas que direcionam a água para a entrada do distribuidor. É projetado para evitar perda de carga e turbulência no escoamento. Não tem movimento; é soldado à caixa espiral e fabricado com chapas ou placas de aço carbono PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA 2323 • Distribuidor: O distribuidor é composto de uma série de 18 a 24 palhetas móveis, acionadas por um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato com a água). Todas as palhetas têm o seu movimento conjugado, isto é, todas se movem. • O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão da água. • Para se aumentar a potência as palhetas se abrem, para diminuir elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA 2424 • Rotor (e eixo): O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência de eixo. PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA 2525 • Tubo de sucção: Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de força. PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA 2626 TURBINA PELTRON • Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo. • As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco diferente (impulsão): a pressão primeiro é transformada em energia cinética, em um bocal, onde o fluxo de água é acelerado a uma alta velocidade, e lançado contra as pás da turbina. • Turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotação mais alta que os outros tipos. Elas são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m 2727 TURBINA FRANCIS • A entrada de água na turbina ocorre simultaneamente por múltiplas comportas de admissão dispostas ao redor da roda, e o trabalho exerce-se sobre todas as aletas ao mesmo tempo para fazer rodar a turbina e o gerador. • Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m • As turbinas Francis, em relação às Pelton, têm um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões. 2828 • Esta turbina é caracterizada porter uma roda formada por uma coroa de aletas fixas, as quais constituem uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente e a orientam para a saída do rotor numa direção axial. TURBINA FRANCIS • A usina hidrelétrica de ITAIPU assim como a usina hidrelétrica de TUCURUÍ, a grande maioria das usinas do sistema CHESF (exceto Sobradinho e Apolônio Sales que usam Kaplan), FURNAS e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100m de queda d’água. 2929 TURBINA KAPLAN • São turbinas de reação, adaptadas às quedas baixas e caudais elevados. São constituídas por uma câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por um rotor com quatro ou cinco pás em forma de hélice. • Turbinas Kaplan são adequadas para operar em quedas até 60 m. 3030 TURBINA KAPLAN • Quando as pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan. • As turbinas Kaplan são reguladas através da ação do distribuidor e com auxílio da variação do ângulo de ataque das pás do rotor o que lhes confere uma grande capacidade de regulação. 3131 TURBINA BULBO • As turbinas Kaplan e Hélice têm normalmente o eixo vertical, mas podem existir turbinas deste tipo com eixo horizontal, as quais se designam por turbinas Bulbo. • Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar às pás da Turbina. 3232 • No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau e a fio d’água no rio Madeira (Rondônia), constam de 44 turbinas do tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As maiores turbinas bulbo do mundo. • Turbinas bulbo são geralmente usadas em quedas abaixo de 20 m. TURBINA BULBO 3333 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Utiliza a energia obtida pela combustão de combustível fósseis, resíduos agroindustriais, solar, ou pela energia térmica liberada em reações nucleares, efetuando o aquecimento de água para gerar vapor ou os próprios gases da queima dos combustíveis para girar turbinas, gerando energia elétrica. 3434 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - FÓSSEIS 3535 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Vantagens: • Impactos ambientais, como poluição do ar, aquecimento das águas, o impacto da construção de estradas para levar o combustível até a usina. • Alto preço do combustível; Desvantagens: • Produz energia elétrica a partir da queima de carvão, óleo combustível ou gás natural. • Podem ser construídas onde são mais necessárias, economizando assim o custo das linhas de transmissão; 3636 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - SOLAR A Energia solar é a designação dada a todo tipo de captação de energia luminosa, energia térmica proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou energia térmica. 3737 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - SOLAR Os métodos de captura da energia solar classificam-se em diretos ou indiretos: • Indireto significa que precisará haver mais de uma transformação para que a energia solar seja convertida em energia utilizável. Exemplo: usina termosolar. • Direto significa que há apenas uma transformação para fazer com que a energia solar torne um tipo de energia útil pelo homem. Exemplos: coletores solares para aquecimento de água, células fotovoltaicas. 3838 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - SOLAR • Sistemas passivos são geralmente diretos, apesar de envolverem (algumas vezes) fluxos em convecção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica. • Sistemas ativos são sistemas que apelam ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a efetividade da coleta. Sistemas indiretos são quase sempre também ativos. 3939 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - SOLAR Vantagens: • Necessidades de grande espaço para maiores consumos • Baixo Rendimento – 20% à 40% • Alto custo de instalação Desvantagens: • Durável ( 25 anos de vida útil) • Auto suficiente • Modular • Fácil Instalação - Baixa Manutenção • Não poluente • Fonte gratuita e inesgotável 4040 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA – SOLAR - CURIOSIDADES Disponibilidade: Incidência anual 1,5 x 10^18 kWh corresponde a 10.000 vezes o consumo anual do planeta. • 4 vezes a energia gerada no mesmo período por uma usina hidrelétrica. • 2 vezes a energia obtida com o carvão mineral; • 54% do petróleo nacional; Uma parte do milionésimo de energia solar que nosso país recebe durante o ano poderia nos dar 1 suprimento de energia equivalente a: 4141 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - TERMOSOLAR A energia termosolar, é a quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. Uma forma de utilizá-la é a geração de energia elétrica por meio de um conjunto de espelhos móveis que concentram a radiação do sol em um tubo central que gera vapor capaz de mover uma turbina elétrica. 4242 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - FOTOVOLTAICA Quando os painéis são expostos à radiação solar, os fotões contidos na luz transmitem a sua energia aos materiais semicondutores que libertam elétrons da união P-N para o circuito exterior da união P-N, produzindo assim corrente elétrica. 4343 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - FOTOVOLTAICA 4444 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - BIOMASSA É o conjunto de organismos que podem ser aproveitados como fontes de energia: a cana-de-açúcar, o eucalipto e a beterraba (dos quais se extrai álcool), o biogás (produto de reações anaeróbicas da matéria orgânica existente no lixo), diversos tipos de árvores (lenha e carvão vegetal), alguns óleos vegetais (mamona, amendoim, soja, dendê), etc. 4545 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - BIOMASSA • Biomassa sólida: Tem como fonte os produtos e resíduos da agricultura (incluindo substâncias vegetais e animais), os resíduos das florestas e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos. Há três classes de biomassa: Sólida, líquida e gasosa. • Biomassa gasosa: É encontrada nos efluentes agropecuários provenientes da agroindústria e do meio urbano. É achada também nos aterros de RSU (resíduos sólidos urbanos). Estes resíduos são resultado da degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica, e são constituídos por uma mistura de metano e gás carbônico. Esses materiais são submetidos à combustão para a geração de energia. • Biomassa líquida: Existe em uma série de bicombustíveis líquidos com potencial de utilização, todos com origem nas chamadas “culturas energéticas”. São exemplos o biodiesel, obtido a partir de óleos de girassol; o etanol, produzido com a fermentação de hidratos de carbono (açúcar, amido, celulose); e o metanol, gerado pela síntese do gás natural. 4646 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - BIOMASSA 4747 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - BIOMASSA Vantagens: • Emissões não contribuem para o efeito estufa. • Recurso renovável; • Menor risco ambiental; • Menor corrosão dos equipamentos (caldeiras, fornos); • As cinzas são menos agressivas ao meio ambiente que as provenientes de combustíveis fósseis; • Não emite dióxido de enxofre; • Baixo custo de aquisição; 4848 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - BIOMASSA Desvantagens: • Dificuldades no estoque e armazenamento; • Maior possibilidade de geração de material particulado para a atmosfera. Isto significa maior custo de investimento para a caldeira e os equipamentos para remoção de material particulado;• Menor poder calorífico; • Os biocombustíveis líquidos contribuem para a formação de chuvas ácidas 4949 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR Com exceção da diferença da natureza do combustível, a geração nuclear é semelhante à geração fóssil em seu ciclo básico água vapor- condensado. A diferença está em que nas usinas nucleares o calor necessário para converter água em vapor é fornecido pela reação nuclear, e não pela queima de combustíveis fósseis. A caldeira de uma usina térmica convencional é substituída por um reator nuclear. 5050 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR 5151 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR Funcionamento: 5252 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR 5353 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR • As usinas podem ser instaladas em locais próximos aos centros de consumo; • Não há tecnologia para tratar o lixo nuclear; Desvantagens: Vantagens: • Não emite poluentes que influem sobre o efeito estufa. • Há riscos de contaminação nuclear. • A construção dessas usinas é cara e demorada; • Não depende da sazonalidade climática (chuvas ou ventos). 5454 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR Uma usina nuclear é composta basicamente dos mesmos componentes de uma usina térmica convencional: °Reator nuclear °Trocador de calor °Sistema de refrigeração °Condensador °Turbina a vapor °Gerador síncrono 5555 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - NUCLEAR A eficiência total de uma usina nuclear é também semelhante à de uma usina térmica, cerca de 30 a 40%. As usinas nucleares são normalmente operadas como usinas de base. É indispensável um sistema de resfriamento, consequentemente, as usinas nucleares são construídas próximas a rios, lagos ou mar. 5656 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA – NUCLEAR - CURIOSIDADES Angra I: Para atender as possíveis necessidades futuras, em 1972 foi iniciada a construção de Angra I, mas só em 1985 a usina entrou em operação comercial. Em 1999 alcançou um fator de disponibilidade de 96% e uma geração bruta de 3.976.943 Mwh. Angra I tem 657 MW de potência. Funciona com reator de água pressurizada, moderado e refrigerado a água com prédio de contenção. Foi construída na praia de Itaorna em Angra dos Reis - Rio de Janeiro, e mesmo obedecendo aos mais exigentes padrões internacionais de segurança, ainda há muita polêmica. Além de programas de segurança, testes periódicos de rotina garantem a proteção contra acidentes com liberação de radioatividade para o meio ambiente. 5757 Angra II: Em junho de 2000, Angra II teve seu reator entrou em fissão, com potência de 1.309 Mw. O IBAMA - Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais, é responsável pelo licenciamento ambiental de empreendimentos industriais de grande porte. Para conceder a Licença de Operação de Angra II, foi exigido que fossem preparados o EIA e o RIMA. O Estudo de Impacto Ambiental compreende na descrição do projeto e suas alternativas, nas etapas de planejamento, construção, operação, desativação (se for o caso), delimitação e o diagnóstico ambiental da área de influência, a identificação, medição e a valoração dos impactos, a comparação das alternativas e a previsão da situação futura, a elaboração do Relatório de Impacto Ambiental - RIMA. GERAÇÃO TERMOELÉTRICA – NUCLEAR - CURIOSIDADES 5858 Angra III: A ELETROBRÁS e o MME (Ministério de Minas e Energia) decidiram que a usina Angra III irá entrar em funcionamento em 2006, com potência de 1.309 Mw. A usina de Angra III atenderá as regiões sul/sudeste e centro-oeste. Segundo os especialistas do setor energético a paralização da construção da Usina Nuclear de Angra III é devido à crise energética. A ELETRONUCLEAR está efetuando estudos técnicos e de viabilidade econômica de Angra III. GERAÇÃO TERMOELÉTRICA – NUCLEAR - CURIOSIDADES 5959 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - EÓLICA Esta energia é produzida usando a força dos ventos para movimentar enormes aero geradores que são conectados a turbinas para a geração da energia elétrica. Assim como outras energias, a eólica também é limpa e renovável o que a torna muito atraente. 6060 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - EÓLICA 6161 Vantagens: GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - EÓLICA • É considerada a energia mais limpa do planeta. • Não ocupa áreas de produção agrícola; • Não influi no efeito estufa; • Grande potencial para geração de energia elétrica; 6262 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA - EÓLICA • Em regiões onde o vento não é constante, ou a intensidade é muito fraca, obtêm-se pouca energia. • Interfere nas transmissões de rádio e TV; • Produz poluição sonora; • Exige investimentos para transmissão da energia gerada; Desvantagens: • Os lugares mais apropriados para sua instalação coincidem com as rotas das aves migratórias, o que faz com que centenas de pássaros possam morrer ao chocar contra as suas hélices. 6363 O aproveitamento energético das marés é obtido de modo semelhante ao aproveitamento hidroelétrico, formando-se um reservatório junto ao mar, através da construção de uma barragem com casa de força (turbina + gerador). O aproveitamento é feito nos dois sentidos: na maré alta a água enche o reservatório, passando através da turbina, e produzindo energia elétrica, na maré baixa a água esvazia o reservatório, passando novamente através da turbina, agora em sentido contrário ao do enchimento, e produzindo energia elétrica. ENERGIA DAS MARÉS 6464 ENERGIA DAS MARÉS - CURIOSIDADES Todos os dias observa-se que o nível do mar não é o mesmo. Esse fenômeno - movimento de subida e descida das águas - recebe o nome de maré. As marés são influenciadas pela força gravitacional do Sol e da Lua. É essa diferença de nível que temos aproximadamente a cada 12 horas, que favorece à construção de uma usina hidrelétrica. O ideal é que essas marés sejam afuniladas em Baías, assim, se constroem barragens com eclusas para permitir a entrada e saída de água e se instalam geradores de eletricidade. Para que isso seja possível é necessário que haja no mínimo um desnível de 5 metros. Uma usina deste tipo já está em funcionamento na França, no Rio Rance, desde 1966 produzindo cerca de 550 GWh anualmente. A desvantagem de se utilizar este processo na obtenção de energia é que o fornecimento não é contínuo e apresenta baixo rendimento. No Japão e Inglaterra a energia das marés deverá se expandir bastante nas próximas décadas. 6565 CÉLULA COMBUSTÍVEL A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre os gases oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica, energia térmica (calor) e água. 6666 CÉLULA COMBUSTÍVEL - CURIOSIDADES Como todo bom e curioso cientista, ele tentou fazer o processo reverso, combinando hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água. E conseguiu! Mas a sua invenção chamada por ele de “bateria à gás”, não tinha muita aplicação prática naquela época. Anos depois em 1889, o nome “célula a combustível” foi criado por dois cientistas, Ludwig Monk e Charles Langer. Eles queriam tornar a célula a combustível uma invenção prática, mas não tiveram muito êxito. A primeira célula a combustível foi desenvolvida em 1839 por um físico inglês chamado William Grove. Ele sabia que passando eletricidade através da água podiam-se obter os gases hidrogênio e oxigênio, que constituem a água
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