3.Usinas Termelétricas

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Belo Horizonte, 12 de Agosto 2016
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DISCIPLINA: FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA
3. FONTES RENOVÁVEIS E NÃO-RENOVÁVEIS DE ENERGIA
FACULDADE ANHANGUERA DE BELO HORIZONTE – UNIDADE 2 – ANTÔNIO CARLOS
Engenharia Mecânica
Belo Horizonte, 12 de Agosto 2016
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DEMANDA DE UM SISTEMA ELÉTRICO
A quantidade de geração necessária para atender à demanda diária, semanal e anual requer uma avaliação do comportamento da carga do sistema.
Para determinar o nível de geração que atenda ao suprimento, devem-se considerar os seguintes aspectos:
Em qualquer ocasião no tempo, a quantidade de geração deve ser exatamente igual à carga dos consumidores acrescida das perdas do sistema.
A carga do consumidor varia continuamente, dependendo da hora do dia, do dia da semana e da estação do ano.
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CLASSIFICAÇÃO DAS USINAS DE GERAÇÃO
Usina de Potência de Base: gera continuamente a plena carga.
Usina Nuclear, Usina Térmica à Carvão e Hidráulica.
Usina de Potência Intermediária: responde relativamente rápida às mudanças de demanda, em geral, pela adição ou retirada de unidades geradoras.
Usinas Hidráulicas
Usinas de Ponta: são colocadas em operação em períodos de demanda alta. Entregam potência durante pequenos intervalos durante o dia. Custo elevado porque permanecem na maior parte do tempo paradas.
Usinas de armazenamento por bombeamento ou usinas reversíveis, geradores a diesel, turbinas a gás.
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USINAS TERMELÉTRICAS
Baseada na conversão de energia térmica em energia mecânica, e da conversão desta em energia elétrica.
A energia térmica é obtida pela queima de combustíveis fósseis ou renováveis, ou pela fissão nuclear de combustíveis radioativos.
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FONTES DE GERAÇÃO
Não renovável:
Diesel
Óleo
Carvão mineral
Gás natural
Urânio
Renovável:
Biomassa
Óleo vegetais
Resíduos agroindustriais
Lixo
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USINAS TERMELÉTRICAS
Numa central termelétrica não nuclear, a combustão (externa ou interna) é o primeiro estágio na transformação da energia química do combustível em energia elétrica.
Em seguida têm-se os ciclos típicos de sistemas de geração de potência, sejam centrais com turbinas a vapor, motores de combustão interna alternativos e turbinas a gás.
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Combustão externa (a vapor):
A mistura ar/combustível não entra em contato com o fluido de trabalho – geralmente água desmineralizada, sendo o calor dos produtos da combustão (temp. de 1000 a 1300ºC) transferido para este fluido, que se expande na forma de vapor (temp. 500 a 550°C);
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Ciclo Rankine:
𝑸̇Ad = calor adicionado ao ciclo𝑸̇Rej = calor rejeitado pelo ciclo;
𝑾̇B = trabalho da bomba;
𝑾̇T = trabalho da turbina;
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Os principais combustíveis usualmente aplicados nas centrais a vapor são o óleo, o carvão, a biomassa (madeira, bagaço de cana, lixo, etc.) e derivados pesados de petróleo.
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Combustão interna (a gás):
A combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluido de trabalho será o conjunto de produtos da combustão.
Podem ser de dois tipos:
máquinas a pistão (motores de combustão interna alternativos), concebidas termodinamicamente a partir dos ciclos Otto – ignição por centelha –, Diesel – ignição por compressão – e Dual;
máquinas sem pistão (motores de combustão interna rotativos), como as turbinas a gás, concebidas termodinamicamente a partir do ciclo Brayton.
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Combustão interna (a gás):
Tecnologia mais difundida dentre as máquinas térmicas;
Utilização:
elementos de propulsão nas áreas automobilística, naval e aeronáutica;
geração de eletricidade
acionamento de bombas, compressores ou qualquer outro tipo de carga estacionária.
Combustíveis:
líquidos (gasolina, álcool, óleo combustível, diesel, etc.)
gasosos (gás natural, GLP, etc.) 
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Turbinas a gás em circuito aberto (a) e fechado (b):
1 – admissão do ar no compressor;
2 – admissão do ar pressurizado na câmara de combustão;
3 – acionamento da turbina pelos gases quentes e pressurizados;
4 – gases de exaustão. 
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MÉTODOS DE COMBUSTÃO
Ciclo aberto:
possui baixa eficiência, pois os gases que saem da turbina (ainda com alta disponibilidade energética) não são aproveitados.
Ciclo fechado:
o fluido de trabalho permanece dentro do sistema e o combustível é queimado fora do sistema, em um trocador de calor externo.
Vantagem: possibilidade de utilizar alta pressão através de todo o sistema, e a possibilidade de se variar a potência útil pela variação no nível de pressão.
Desvantagem: necessidade de um sistema externo de aquecimento.
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À VAPOR
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À VAPOR
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À VAPOR
Eficiências entre 42 e 44%;
O rendimento dependente do tipo de combustível utilizado;
Gás natural ou óleo combustível são mais eficientes  menor consumo de energia no tratamento preliminar do combustível e maior eficiência na combustão.
Potências unitárias elevadas, alcançando até 1200 MW, o que constitui sua principal vantagem.
O aumento da temperatura do vapor na entrada da turbina sempre leva ao aumento da eficiência térmica do ciclo;
Aumento da eficiência energética do sistema  aproveitamento do vapor liberado pela turbina utilizando-o como calor de processo para um consumidor externo, em regime de cogeração. 
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À GÁS
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À GÁS
Existem dois tipos de turbinas a gás industriais:
Turbinas industriais (ou heavy duty):
Caracterizadas pela robustez, flexibilidade no uso de combustível, alta confiabilidade e baixo custo.
Potência de cerca de 340 MW;
Aplicação: geração de eletricidade operando na base.
Turbinas aeroderivativas :
Oriundas de turbinas a gás aeronáuticas com algumas modificações para fins industriais.
Maior eficiência e alta confiabilidade, além de ocupar pouco espaço, possuir menor relação peso/potência e flexibilidade na manutenção.
Potência de cerca de 50 MW;
Aplicação: plataformas marítimas, bombeamento de gás, potência de pico em termelétricas e propulsão naval.
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CICLO SIMPLES: GERAÇÃO À GÁS
Desvantagem:
uma menor eficiência em relação a outras tecnologias como as de ciclo combinado.
Eficiência relativamente baixa, entre 36% e 39%;
Uma usina inicialmente construída para operar em ciclo simples, pode posteriormente fechar o ciclo (ciclo combinado). 
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CICLO COMBINADO
Utilizam um ciclo com turbina a gás acoplado a um ciclo com turbina a vapor.Redução dos volumes dos gases lançados a atmosfera.
Maior investimento inicial.
O ciclo combinado é muito utilizado na co-geração de energia.
Constituem os sistemas mais modernos e eficientes, em que o combustível predominante é o gás natural:
Ciclo simples a gás natural  eficiência de 38,7%
Ciclo combinado a gás natural  eficiência de 50%
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CICLO COMBINADO
Em série:
os gases de exaustão da turbina a gás são utilizados numa caldeira de recuperação para geração de vapor fornecido para a turbina a vapor. 
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CICLO COMBINADO
Em paralelo:
o combustível é utilizado para gerar calor para os dois ciclos.
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CICLO COMBINADO
Em série/paralelo:
as centrais em série/paralelo são iguais às centrais em série, mas empregam, adicionalmente, a queima de combustível na caldeira de recuperação.
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CICLO COMBINADO
Eficiência média na faixa de 55% a 58%, com perspectivas de atingir eficiências de até 63%;
Além disso, os ciclos combinados a gás e vapor podem ser utilizados para geração de eletricidade em uma ampla faixa de potência, desde alguns quilowatts até gigawatts;
No ano 2000, o governo brasileiro escolheu as usinas termelétricas de ciclo combinado, principalmente as que utilizavam o gás natural, como principal tecnologia para geração elétrica a ser implantada no país de forma emergencial. 
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GÁS NATURAL
O Brasil conta com 12.388 MW de capacidade instalada em usinas termelétricas a gás natural:
8,78% da potência instalada total no país 
30% das térmicas em operação (ANEEL, 2016);
Para os próximos anos está prevista uma adição de 40.095 MW na capacidade de geração do País, dos quais 5.434 MW serão provenientes de termelétricas a gás natural a serem instalados predominantemente na região Sudeste.
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GÁS NATURAL
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GÁS NATURAL
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CARVÃO
O carvão mineral responde por 3,2% da oferta interna de eletricidade (EPE, 2015);
A capacidade instalada atual do parque gerador termelétrico a carvão mineral totaliza 3,2 GW (ANEEL 2015);
Na região Sul (RS), o empreendimento Candiota III foi o último projeto a entrar em operação comercial com potência instalada de 350 MW;
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CARVÃO
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CARVÃO
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