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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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