Aula 17 - Geração de energia Termoelétrica

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GERAÇÃO - TERMELÉTRICA
Aula 17 
Aspectos Básicos
Principais Configurações
Potencia Gerada e Energia Produzida 
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
• O processo fundamental de operação das centrais 
termelétricas baseia-se na conversão de energia química
em energia mecânica, e esta em energia elétrica.
Conversão de Energia Química → Energia Mecânica → Energia Elétrica
• A conversão da energia térmica em mecânica se dá através do 
uso de um fluido que produzirá, em seu processo de expansão, 
trabalho em máquinas (turbinas ou motores) térmicas. 
• O acionamento de um gerador elétrico acoplado ao eixo da 
máquina permite a conversão de energia mecânica em elétrica.
• Otto
• Diesel
• Rankine
• Brayton
• Combinado
• Cogeração 
• Óleo Diesel
• Carvão Mineral
• Gás Natural
• BioMassa
• BioGás
CICLOS TERMODINÂMICOS COMBUSTÍVEIS
Combustíveis Utilizados:
• A grande diversidade da geração termelétrica 
está nos combustíveis utilizados:
❖A partir de fontes não-renováveis:
• Petróleo e seus derivados;
• Carvão Mineral;
• Gás Natural;
• Combustíveis Nucleares;
❖A partir de fontes renováveis:
• Biomassa;
Principais Tipos de Centrais Geradoras:
• Diesel
• Vapor (Nuclear ou Não Nuclear)
• Gás
Classificação de acordo com o método 
de combustão empregado:
• Combustão Externa:
– O combustível não entra em contato com o fluido de 
trabalho.
• Centrais termelétricas a vapor: o combustível aquece 
o fluido de trabalho (água) em um caldeira até gerar 
vapor;
• Combustão Interna:
– A combustão ocorre através de uma mistura de ar e 
combustível. O fluido de trabalho será o produto da 
combustão.
• Turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão 
(motores a diesel);
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à 
geração termelétrica
▪ Principais tipos de termelétricas e os ciclos
termodinâmicos nos quais se baseiam seu
funcionamento teórico:
▪ Termelétricas a vapor: ciclo a vapor (Rankine)
▪ Termelétricas à gás: ciclo a ar (Brayton)
▪Motores: ciclo a ar (Diesel) 
Combustão Externa:
• O combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. 
• O combustível aquece o fluido de trabalho (em geral água) em 
uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma 
turbina, produzirá trabalho mecânico. 
Matérias Primas empregadas: 
Carvão, Biomassa.
• As centrais nucleares, embora não utilizem combustão, e sim, 
fissão nuclear, são incluídas nesta classificação.
VAPOR (BAIXA PRESSÃO)
QUEIMA
DO
COMBUSTÍVEL
CALDEIRA
TURBINA
CONDENSADOR
CALOR
BOMBA
CALOR
VAPOR (ALTA PRESSÃO)
LÍQUIDO
LÍQUIDO
GERADOR
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
CENTRAIS A VAPOR
• Pode-se efetuar 
regeneração 
utilizando parte 
do vapor da 
turbina para 
aquecer a água 
de alimentação 
da caldeira. 
Ciclo de turbina a vapor para produção de eletricidade apenas 
(ciclo fechado). 
Termelétricas a vapor - Ciclo Rankine
CALDEIRA
TURBINA
CONDENSADOR
CALOR
BOMBA
CALOR
1
2
4
3
T
S
1
2
3
4
a b
Ciclo Rankine sem superaquecimento do vapor:
1-2: O fluido é bombeado de uma pressão baixa para um pressão alta utilizando uma 
bomba.
2-3: O fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até 
se tornar vapor superaquecido. Fontes comuns de calor: carvão, energia nuclear, 
biomassa.
3-4: O vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Com a 
expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem.
4-1: O vapor é conduzido para um condensador, onde é resfriado até a condição de líquido 
saturado. Este líquido então retorna à bomba. 
Potência gerada e Energia produzida 
Termelétricas a vapor
Principais perdas no processo:
• Perdas na tubulação por atrito e transferência de calor ao
meio envolvente;
• Perdas de carga na caldeira;
• Perdas na turbina e na bomba, representadas pelo
rendimento desses equipamentos;
• Perdas no condensador;
O rendimento global de uma usina a vapor é de 40-46%
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais a vapor
Central nuclear PWR – (reator a água 
pressurizada)Central nuclear de Angra dos Reis
Combustão Interna:
O processo de combustão se efetua sobre uma mistura de ar e 
combustível. 
– Fluido de trabalho será o conjunto de produtos da combustão. 
– Matéria prima: Gás Natural, Diesel.
A combustão interna é o processo usado principalmente nas 
turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão (motores)
Processo 1-2: 
Compressor-equipamento que faz a sucção do ar e o 
comprime até a pressão de combustão.
Processo 2-3:
Câmara de combustão: equipamento onde é injetado o 
combustível que, em contato com o ar comprimido entra em 
combustão, resultando em gases a altas temperaturas,
Processo 3-4:
Turbina:-equipamento que converte parte da energia contida 
no combustível em energia mecânica na rotação do eixo, que 
por sua vez, aciona o gerador elétrico. Este processo ocorre 
através da expansão dos gases de exaustão, acionado as 
palhetas das turbinas. 
Potencia gerada e Energia produzida 
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
.
O ciclo Brayton é o ciclo ideal para representação da 
turbina a gás.
:
Processo 1-2: 
Compressor-equipamento que faz a sucção do ar e a compressão até a pressão de combustão. 
Aumento da Temperatura.
Processo 2-3:
Câmara de combustão: equipamento onde é injetado o combustível que, em contato com o ar 
comprimido entra em combustão, resultando em gases a altas temperaturas a pressão constante.
Processo 3-4:
Turbina- equipamento que converte parte da energia contida no combustível em energia mecânica na 
rotação do eixo, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Este processo ocorre através da expansão 
dos gases de exaustão, acionando as palhetas das turbinas, reduzindo a pressão e temperatura dos 
gases e gerando potência mecânica.
https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi9gd-y0MfdAhXGUZAKHYW_DD4QjRx6BAgBEAU&url=https://it.wikipedia.org/wiki/File:Brayton_Cycle_TS.svg&psig=AOvVaw3TAGgRuWLTasS8_00TYjdO&ust=1537465707446483
Geração Termelétrica – Principais Configurações 
Centrais a gás
• São acionadas pela expansão de gases quentes produzidos 
numa câmara de combustão;
• Ciclo térmico Brayton;
• A turbina a gás atinge eficiência mais elevada, do que a vapor, 
uma vez que opera em temperaturas mais elevadas (pico de 
temperatura de 1260oC).
• Atualmente, as turbinas a gás chegam a 330 MW.
• Rendimentos térmico de 42%
• Etapas:
– Admissão: ar atmosférico é admitido passando por 
sucessivos processos de filtragem;
– Compressão;
– Combustão: ar e combustível injetado a alta pressão 
promovem a mistura e queima a uma pressão praticamente 
constante;
– Exaustão: No caso de propulsão: os gases quentes são 
acelerados em um bocal, para então descarregar na 
atmosfera.
Geração Termelétrica – Principais Configurações
Centrais a Diesel - Motores de combustão interna a pistão
▪ O motor aciona diretamente os geradores de eletricidade.
▪ Muito usados em potências até 40 MW;
▪ Alimentação de sistemas isolados, têm uso disseminado em 
regiões longínquas sem outra fonte de geração (Amazônia, 
Rondônia etc.).
▪ Apresentam limitações relacionadas com potência, ruído e 
vibração e alto custo de combustível;
▪ Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de 
operação e o fácil plano de manutenção. 
Geração Termelétrica – Principais Configurações – Motores
Exemplo: um Motor Diesel
Geração Termelétrica– Principais 
Configurações
▪ Configurações:
➢Ciclo simples:
➢Cogeração;
➢Ciclos combinados de centrais a gás e a
vapor;
Geração Termelétrica – Principais 
Configurações – Cogeração
Sistemas de cogeração:
▪ Gera simultaneamente, e de forma sequencial, a 
geração de energia elétrica e térmica a partir de um 
único combustível, tais como gás natural, carvão, 
biomassa ou derivados de petróleo.
• “Cogeração de energia é definida como o processo de 
produção combinado de calor e energia elétrica, ou 
mecânica, a partir de ummesmo combustível”.
• Vantagem: Aumento do rendimento global da utilização 
do combustível empregado, atuando, assim, no sentido 
do aumento da eficiência energética.
• Ciclo de turbina a vapor para cogeração de calor e eletricidade. 
Processo de Cogeração
• A cogeração contribui efetivamente para a racionalização 
energética, uma vez que possibilita maior produção de energia 
elétrica e térmica a partir da mesma quantidade de combustível.
Processo de Cogeração
Geração Termelétrica – Principais Configurações
- Ciclo Combinado -
• É possível combinar turbinas a gás e a vapor com o objetivo de
melhorar a eficiência total resultando nas usinas termelétricas a
ciclo combinado.
▪ Proposta: recuperar parte do calor existente nos gases de exaustão de
uma turbina a gás, e utilizá-lo para produzir vapor que irá acionar uma
turbina a vapor.
▪ Este é o mais eficiente dos processos. O acréscimo de potência
em um ciclo combinado é, em geral, 50% da potência da
turbina a gás e a eficiência global atinge valores na faixa de 55 a
60 % em ciclos combinados.
▪ Essa configuração permite a redução do consumo específico de
combustível, e a consequente redução das emissões de CO2.
Geração Termelétrica – Principais Configurações 
Ciclo Combinado (CCPPs)
Principais componentes da CCPPs: Turbina a gás recuperador de 
calor e turbina a vapor.
Geração Termelétrica – Principais 
Configurações – Ciclo Combinado
A caldeira de recuperação (HRSG - Heat Recovery Steam
Generator) de uma usina de ciclo combinado é o elemento de 
ligação entre a turbina a gás e o ciclo a vapor. 
Basicamente a caldeira é um conjunto de trocadores de calor;
– recebe, do lado quente, os gases de exaustão da turbina (a cerca 
de 500 °C), 
– recebe do lado frio, água que vem ou do condensador do ciclo 
de vapor, de alguma fonte externa, ou do processo. 
Termelétrica Nuclear
Angra dos Reis
Termelétrica à Carvão
Termelétrica a Vapor
Usina Sucro Alcooleira
Usina a Gás Ciclo Aberto
30
GOV.LEONEL BRIZOLA (ex-Termorio)
1036 MW (3 blocos)
Localização: Duque de Caxias - RJ
31
FERNANDO GASPARIAN (ex-N.Piratininga) -560 MW
Localização: São Paulo - SP
32
MÁRIO LAGO (ex-Termomacaé) – 929 MW
Localização: Macaé - RJ