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GTD_Aula_006_Usina_Termoelétricas

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Geração, Transmissão e Distribuição 
de Energia Elétrica 
 
EELET.10N1 
Aula 06 
 
Prof. Edgard Pereira Cardoso 
2/2014 
Centro Universitário Newton de Paiva 
Instituto de Ciências Exatas 
Escola de Engenharia Elétrica 
1 
 Usina Termoelétrica 
2 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Transformação Termoelétrica 
3 
• O processo de Transformação Termoelétrica, 
utiliza a energia térmica obtida pela 
combustão de combustível fóssil e resíduos 
agroindustriais, ou a energia térmica liberada 
em reações nucleares. 
Introdução -Usina Termoelétrica 
4 
• O sistema convencional das termelétricas consiste: 
 Caldeira 
 Turbina a Vapor 
 Condensador; 
 Sistema de bombas 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
5 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Turbogerador 
6 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
7 
• Quantidade de usinas e o tipo de combustível fóssil 
em operação no Brasil atualmente: 
Fonte: ANEEL 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
8 
• O carvão é a fonte energética mais usada no 
mundo para geração de energia elétrica por 
sua abundância, pela distribuição de jazidas no 
mundo; 
• O carvão é a fonte que mais contribui com 
emissões atmosféricas. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
9 
• A maioria das usinas térmicas tem potência 
nominal entre 200 e 2000 MW. 
• A geração a carvão pode ser alterada 
consideravelmente por acordos internacionais 
para reduzir as emissões de gás de efeito 
estufa 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
10 
• Considerações sobre as usinas termelétricas a carvão 
mineral no Brasil: 
 Opção natural na região Sul do país 
 Necessidade de equacionamento de problemas 
ambientais (cinzas e enxofre); 
 o Brasil possui reservas grandes, mas o carvão é 
de baixa qualidade. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
11 
Usina termelétrica a carvão Jorge Lacerda/ Capivari de Baixo-SC 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
12 
• A projeção de geração de eletricidade por combustível no 
mundo é mostrada abaixo: 
• No Brasil, 25,15% da produção de eletricidade é térmica, sendo 
23,23% fóssil e biomassa, e 1,91% nuclear. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
13 
• Nas usinas térmicas a energia elétrica gerada a 
partir do calor da combustão é produzida pela 
queima de: 
 Carvão mineral 
 Óleo derivado de petróleo 
 Gás natural 
 Resíduos agroindustriais 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
14 
• O combustível líquido tem certas vantagens em 
comparação com os sólidos, tais com : 
 Poder calorífico elevado; 
 Maior facilidade e economia de 
armazenagem; 
 Fácil controle de consumo. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
15 
• Os combustíveis gasosos apresentam certas 
vantagens em relação aos combustíveis sólidos, 
tais como : 
 Eliminação de fumaça e cinzas; 
 Melhor controle de temperatura; 
 Melhor controle comprimento das chamas. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
16 
• A composição do combustível usado na combustão: 
 Carbono; 
 Hidrogênio; 
 Oxigênio; 
 Nitrogênio; 
 Água; 
 Enxofre. 
• No carvão há a presença de enxofre e no gás natural 
não contém enxofre; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica 
17 
• No Brasil, 25,15% da produção de eletricidade é 
térmica, sendo 23,23% fóssil e biomassa, e 1,91% 
nuclear. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Combustão 
18 
• Os principais agentes causadores de poluição 
atmosférica presentes nos gases de 
combustão são: hidrocarbonetos não 
queimados, óxidos de carbono, de enxofre, 
de nitrogênio e material particulados; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Combustão 
19 
• As emissões no ar que agridem o meio ambiente 
decorrente da combustão incluem: 
 Metano (CH4) 
 Dióxido de carbono (CO2); 
 Monóxido de carbono (CO); 
 Óxido de nitrogênio (NOx) (causa chuva ácida); 
 Outros como hidrofluocarbono (HFC); 
perfluorcarbono (PFC) e hexafluoreto de 
enxofre (SF6). 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Turbinas 
20 
 Motores alternativos 
• Dentre as possibilidades tecnológicas de 
acionadores primários para geração termelétrica 
considera-se: 
 Turbinas a vapor; 
 Turbinas a gás; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Turbinas 
21 
• As turbinas a vapor são máquinas de 
combustão externa, enquanto as turbinas a gás 
e máquinas alternativas são de combustão 
interna; 
• Nas máquinas de combustão interna o fluido 
de trabalho são os gases quentes da 
combustão; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Usina Termoelétrica - Turbinas 
22 
• Nas máquinas de combustão externa o calor 
proveniente da combustão deve ser 
transferido dos produtos de combustão ao 
fluído de trabalho através das serpentinas no 
interior de uma caldeira. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Turbinas a Vapor 
23 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
24 
Turbinas a Gás 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
25 
Motores Alternativos - Diesel 
• Mesmo principio de funcionamento dos 
motores a explosão, como os conhecidos 
motores de automóveis 
• Motor Diesel é a máquina térmica motora 
que está acoplada a um gerador ou 
alternador; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
26 
Motores Alternativos - Diesel 
• As centrais Diesel, apesar de sua limitação de 
potência, ruído e vibração, constituem um tipo de 
central muito utilizado até potências de 40 MW. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
27 
Motores Alternativos - Diesel 
Detalhe da Arvore de 
Transmissão (Vira Brequim). 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Eficiência das Máquinas Térmicas 
28 
• A eficiência de uma usina térmica é baixa 
devido à baixa eficiência das turbinas 
• Uma eficiência inferior a 100% é evidenciada 
na 2ª Lei da Termodinâmica que estabelece 
que: 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
2ª Lei da Termodinâmica 
29 
“Nenhum dispositivo pode operar de modo que 
seu único efeito seja convertercompletamente 
calor” 
“Todo sistema que sofre algum processo 
espontâneo, muda para uma condição na qual 
sua habilidade de realizar trabalho diminui” 
ou 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Eficiência das Máquinas Térmicas 
30 
• A eficiência máxima de máquinas térmicas é definida para 
a máquina de Carnot (sistema fechado) como: 
 η Eficiência da máquina térmica em %: 
 T1 Temperatura (K) do fluido na entrada da máquina, na qual a 
máquina começa a conversão da energia térmica contida nos 
produtos da combustão em trabalho. 
 T2 Temperatura (oK) do fluido na saída da máquina, na qual os 
produtos de combustão são rejeitados na atmosfera ou temperatura 
na qual termina o processo de conversão 
η(%) = (1 – T2/T1)*100 
Onde: 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Eficiência das Máquinas Térmicas 
31 
• Em uma termelétrica, quanto maior a temperatura 
T1 e quanto menor a temperatura T2 (mais próxima 
à temperatura ambiente) maior é a eficiência de 
conversão; 
• A alta eficiência a relação T2/T1 deve ser a menor 
possível. Entretanto, a temperatura T2 não poderá 
ser inferior à temperatura do ambiente. 
η(%) = (1 – T2/T1)*100 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclos Termodinâmicos 
32 
• Um ciclo termodinâmico se constitui de uma 
sequência de processos após os quais a matéria que 
o experimentou retorna ao estado inicial. 
• Esses ciclos têm por objetivo representar as 
transformações dos fluidos, que são determinadas 
pela temperatura, pressão e volume, sendo que dois 
destes são escolhidos para serem controlados, 
dependendo do processo. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclos Termodinâmicos 
33 
• Os principais ciclos termodinâmicos que uma central 
termelétrica pode operar são: 
 Ciclo Rankine 
 Ciclo Brayton 
 Ciclo Combinado. 
 Ciclo de Motores 
• As plantas em ciclo combinado representam a 
integração dos dois ciclos: Rankine da turbina a 
vapor e Brayton da turbina a gásicial. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
34 
• Descreve a operação de turbinas a vapor 
comumente encontrados em estações de 
produção de energia. 
• Neste ciclo termodinâmico a água é 
transformada em vapor, e o vapor é usado para 
acionar uma turbina para produzir energia. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
35 
• O ciclo é completado em um condensador onde o 
vapor de exaustão é resfriado e a água resultante é 
devolvida a um trocador de calor para iniciar o 
processo; 
• Existem quatro processos num ciclo Rankine: 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
36 
 Fase 4-1 Compressão: o fluido é bombeado de uma pressão 
baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O 
bombeamento requer algum tipo de energia para se realizar; 
 Fase 1-2 Transferência de calor isobárica: o fluido pressurizado 
entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se 
tornar vapor superaquecido. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
37 
 Fase 2-3 Expansão: o vapor superaquecido expande através de uma 
turbina para gerar trabalho. Idealmente, esta expansão é isentrópica. 
Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se 
reduzem; 
 Fase 3-4 Transferência de calor: o vapor então entra num 
condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. 
Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
38 
• Uma característica importante desse sistema 
é a diversidade dos combustíveis utilizados 
(carvão, óleo combustível), pois a queima dos 
combustíveis será utilizada apenas para 
geração de vapor, sendo que o fluido de 
trabalho utilizado é a água. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine 
39 
• Existem duas variações básicas do ciclo 
Rankine utilizados atualmente: 
 Ciclo Rankine com reaquecimento; 
 Ciclo Rankine regenerativo; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine com Reaquecimento 
40 
• A primeira turbina recebe o vapor da caldeira à alta 
pressão, liberando-o de tal maneira a evitar sua 
condensação 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine com Reaquecimento 
41 
• Este vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria 
caldeira, e é utilizado para acionar uma segunda turbina de 
baixa pressão; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine com Reaquecimento 
42 
• Isto impede a condensação do vapor no interior das 
turbinas durante sua expansão, o que poderia danificar 
seriamente as pás da turbina. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine com Regenerativo 
43 
• O ciclo Rankine regenerativo é nomeado desta forma 
devido ao fato do fluido ser reaquecido após sair do 
condensador, aproveitando parte do calor contido no fluido 
liberado pela turbina de alta pressão; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Rankine com Regenerativo 
44 
• Isto aumenta a temperatura média do fluido em 
circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica 
do ciclo. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
45 
• O ciclo Brayton se constitui de quatro etapas: 
 Compressão; 
 Adição de calor; 
 Expansão de Calor; 
 Rejeição de calor. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
46 
 Fase 1-2: Compressão adiabática e isentrópica o ar em condição 
ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática 
(não há trocas de calor com o ambiente) e isentrópica (entropia 
constante), com aumento de temperatura do ar e consequente 
aumento de entalpia (medida da energia do sistema que está 
disponível na forma de calor). 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
47 
 Fase 2-3: Transferência de calor isobárica da fonte quente (câmara 
de combustão): comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde 
mistura-se com o combustível possibilitando queima e 
aquecimento, à pressão constante; 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
48 
 Fase 3-4: Expansão adiabática e isentrópica: Ao sair da câmara de combustão, os 
gases de combustão, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme 
passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia (parte da energia que 
não pode ser transformada em trabalho). Na medida em que o fluido exerce 
trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, 
gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é 
usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
49 
 Fase 4-1: Transferência de calor isobárica para afonte fria 
(ambiente): a quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de 
um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa 
representa a transferência de calor do fluido para o ambiente. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Ciclo Brayton 
50 
• No ciclo de Brayton os processos de compressão, 
transferência de calor, expansão e exaustão ocorrem ao 
mesmo tempo, mas, em locais diferentes, diferentemente do 
que ocorre nos ciclos dos motores alternativos em que os 
processo ocorrem em um mesmo lugar de forma 
sequenciada, i.e., em tempos diferentes. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
51 
• As usinas de ciclo combinado operam com a 
combinação de turbinas a gás e turbinas a vapor em 
série, com o aproveitamento total do calor gerado na 
câmara de combustão de uma turbina a gás (TG). 
• Uma usina termelétrica a ciclo combinado usa 
turbinas a gás e a vapor associadas em uma única 
planta, ambas gerando energia elétrica a partir da 
queima do mesmo combustível. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
52 
• Uma característica construtiva importante do ciclo 
combinado é sua construção modular, ou seja, as turbinas 
a gás são instaladas primeiro e começam a produzir 
energia elétrica e gerando retorno financeiro. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
53 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
• Estas centrais, além de apresentarem um elevado 
rendimento termodinâmico (cerca de 53%, com 
expectativa de operarem com 60% no futuro 
próximo) operando com gás natural, possuem 
também um excelente desempenho ambiental pela 
menor emissão de compostos poluentes (CO2, SOx 
e NOx). 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
54 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
• As centrais a ciclo combinado gás/vapor 
(combinação do ciclo a vapor Rankine com o ciclo a 
gás Brayton vêm se tornando nos últimos anos uma 
alternativa interessante para a geração de energia 
elétrica e/ou para a cogeração de calor e potência. 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
55 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 
56 
Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014

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