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Usinas Termoelétricas

Autor:
Instituição: makabaka@zipmail.com.br
Tema: Termoelétricas

Termoelétricas


Introdução

O fenômeno da corrente elétrica é algo conhecido pelo homem desde que viu um raio no céu e não se deu conta do que era aquilo. Os efeitos de uma descarga elétrica podem ser devastadores. Há mais de um século o homem é capaz de gerar a energia elétrica de forma controlada e utilizável, através de usinas hidrelétricas, termoelétricas convencionais e termoelétricas nucleares e também, usinas que se aproveitam da força das marés, dos ventos e da energia solar. O objetivo deste trabalho é retratar o que é uma usina termoelétrica, como funciona, vantagens e desvantagens e seus aspectos políticos, econômicos, sociais e ambientais.


1. O que é uma Usina Termoelétrica

É uma usina que produz eletricidade a partir da queima de combustível como o carvão, o óleo e a lenha. As Usinas Termoelétricas mais conhecidas como Usinas Térmicas são as preferidas no mundo todo, pela sua versatilidade. São de construção simples e rápida, podem ser instaladas junto aos centros de consumo e dispensam Linhas de Transmissão de longo percurso. Nos países de primeiro mundo, cerca de 70% da energia elétrica é produzida em usinas desse tipo. O custo de produção do kilowatt é maior que o de uma usina hidroelétrica porém bem menor que o de uma usina nuclear. Chamam-se Termoelétricas por que são constituídas de 2 partes, uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica onde se produz a eletricidade.


2. Como Funciona uma Usina Termoelétrica

2.1 - Funcionamento Básico de uma Usina

Em uma usina termoelétrica, a máquina responsável pela produção de energia elétrica se chama gerador. Trata-se de uma máquina rotativa composta de um estator, onde estão localizadas as bobinas de fio e de um rotor elétrico. Na experiência de laboratório em que se descobriu como se pode produzir eletricidade, a bobina é girada, enquanto o núcleo está parado. Na prática, é mais fácil girar o rotor e manter o estator (bobinas) parado. O campo magnético é fornecido por um ímã ou uma excitatriz que polarizará este rotor.

Dependendo de outra característica do gerador (i.e. quantos dipolos têm), o gerador terá que girar o suficiente para produzir uma tensão elétrica com freqüência de 60 ciclos ou Hertz, que é a freqüência adotada em todo o sistema elétrico brasileiro. Alguns países, como Inglaterra e Japão, operam em 50 Hertz. Quanto mais dipolos menos giros por segundo para se obter 60 Hertz. Assim, se um gerador tem 4 dipolos, precisará girar a 900 rotações por segundo para criar uma tensão de 60 Hertz, 1.800 rotações por minuto se tiver dois dipolos. O que produzirá esta rotação no eixo do gerador? Acoplado ao eixo do gerador está uma turbina, que é uma máquina projetada para suportar uma pressão mecânica e produzir um efeito cinético.

Até aqui, uma usina hidráulica e térmica e mesmo nuclear, não tem diferença. A diferença começa a aparecer quando determinamos que fluido irá mover a turbina e como obteremos este fluido nas condições necessárias a manter o conjunto turbina-gerador, ou turbogerador, na velocidade específica que produzirá energia elétrica numa base confiável e constante e que atenda as necessidades dos consumidores que estão ligados a este sistema elétrico. Gerador Elétrico: O princípio básico que se desenvolve num gerador elétrico é o seguinte: uma bobina de fio girando, submetida a um campo magnético e com um núcleo de ferro no seu interior ou vice-versa, fará induzir na bobina e aparecer nas suas extremidades uma carga de elétrons.


3. A Central Termoelétrica

3.1 - Tipos de Termoelétrica

Combustão Externa: é a que o combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. A combustão externa é um processo usado principalmente nas centrais termoelétricas a vapor em que 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.

Combustão Interna: é a em que a combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluido de trabalho será conjunto de produtos de combustão. A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas maquinas térmicas a pistão como os motores a diesel, por exemplo.

3.2 - A Termoelétrica Convencional

Os ciclos mais desenvolvidos para geração termelétrica são: caldeira geradora de vapor, turbogerador a vapor, motogerador com o ciclo diesel ou com óleos pesados e turbogerador a gás natural ou com óleos leves.

O fluido que irá mover a turbina é o vapor produzido numa caldeira de pressão. Uma caldeira vem a ser um equipamento composto de tubos d’água em todo o seu perímetro, formando o que se chama de parede d’água.

No interior da caldeira, ladeada pelas paredes d’água, há a zona de combustão ou fornalha, onde o combustível queimará e assim aquecerá a água no interior dos tubos da parede d’água.

Este vapor será coletado no topo da caldeira, num equipamento chamado tambor e através de tubulações será conduzido até a turbina. O vapor sob alta pressão e temperatura se expandirá e movimentará as palhetas da turbina.


4. O Ciclo das Substâncias na Termoelétrica Convencional

De uma maneira geral todas as substâncias envolvidas na execução do trabalho são o combustível, ar e água que são aquecidas antes de entrarem no processo para que se consiga obter o mais alto grau de rendimento.

O ciclo térmico normalmente tem baixo rendimento (na faixa dos 30%) e se caracteriza por ser fechado, trazendo o fluido de trabalho novamente ao estado inicial. Isto porque a água numa caldeira de alta pressão tem certas características de pureza, que são obtidas através de tratamento químico para remoção de metais e sais presentes na água comum.

A água é transformada em vapor nos tubos d'água da caldeira, mediante a queima de combustível que alimenta continuamente maçaricos que estão instalados no corpo da caldeira.

O vapor produzido nestes tubos é levado através de uma tubulação até a turbina.

Este jato de vapor sobre as palhetas da turbina fará com que a mesma gire em torno de seu eixo que está conectado ao eixo do gerador elétrico. O vapor depois de transferir energia térmica sob forma de energia cinética irá para o condensador. O condensador é uma caixa provida de tubos metálicos que são dispostos de forma transversal ao fluxo de vapor.

Por estes tubos faz-se passar água com temperatura ambiente, muito mais baixa que a temperatura do vapor de exaustão da turbina. Ao entrar em contato com a superfície fria destes tubos o vapor se condensará. Este condensado de vapor ou água será bombeado para a caldeira novamente, completando o ciclo.

Antes de atingir a caldeira, a água passará por trocadores de calor aquecidos por vapor vindo da turbina (extrações de vapor).

O mesmo se faz com o combustível que antes de chegar aos maçaricos é aquecido em trocadores de calor similares, o ar usado para a mistura com o combustível é tomado da atmosfera através de ventiladores que o impelem para dentro da caldeira, o ar passa por trocadores específicos (cestas com chapas corrugadas), que são aquecidos pela passagem dos gases de combustão que vão para a chaminé.

Com estes aproveitamentos de calor, melhora-se o rendimento térmico da unidade. Transformando-se continuamente as energias, energia química (queima de combustível) em energia térmica (vapor) e então em energia cinética (movimento radial do turbo gerador), conseguimos produzir energia elétrica.

Ainda aqui vale realizar o comentário sobre o processo de cogeração onde se realiza o reaproveitamento do calor usado em uma turbina a gás de modo que esse calor retorne ao sistema acionando uma turbina a vapor, evitando que esse calor se perca, e ele poderá ser reaproveitado, ou ser usado em outros processos industriais.

4.1 - O Ciclo do Fluido

O ciclo fundamental teórico aplicável às termoelétricas a vapor é o ciclo de Carnot e o ciclo base para as aplicações práticas que, neste tipo de geração termelétrica, é o ciclo de Rankine, mostrado na figura abaixo:

Se no ciclo de Rankine se considerar o superaquecimento do vapor, tem-se as condições apresentadas na figura abaixo, onde se destinguem as seguintes transformações:


5. Termoelétrica: Aspectos Negativos

As termoelétricas utilizam combustíveis para aquecer o fluido (água), que irá movimentar a turbina, possuem uma grande diversidade.

Entre esses combustíveis estão principalmente os combustíveis fósseis como derivados do petróleo, carvão mineral e o gás natural.

Assim como os nucleares, que utilizam os elementos radioativos. Outras se utilizam a biomassa como combustível, originário de plantações manejadas como florestas energéticas ou o bagaço de cana.

Ainda sim pode ser encontrar usinas que usam a energia solar para aquecer o fluido.

Cada um desses combustíveis possui vantagens e desvantagens em sua utilização, seja ela no custo ou na quantidade de poluentes que ele emite após a sua combustão.

O uso de combustíveis fósseis como o petróleo e o carvão mineral implicam necessariamente em grandes danos ambientais, pois emitem óxidos de enxofre, de nitrogênio e de carbono, contribuindo para o efeito estufa, contra partida apresentam um custo muito baixo e correspondem as principais matrizes energéticas mundiais.

Já o gás natural é menos poluente, porem tem um alto custo inicial na instalação do gasoduto que irá conduzi-lo. Já o uso de elementos radioativos implicam em um risco de acidente e na alta demanda de tecnologia para o manejar e na falta de locais próprios para depositar os seus resíduos.

Enfim, a grande desvantagem da usina térmica é a grande produção de gás carbônico. Este gás produz o efeito estufa que está aumentando a temperatura média da terra.


6. Termoelétrica: Aspectos Positivos

A diferença básica de uma usina termoelétrica para uma hidrelétrica é de onde ela retira a energia cinética para fazer girar a sua turbina. Além disso, a usina termoelétrica possui vantagens como a de ser mais barata que uma usina hidrelétrica e provocar menos impacto ambiental na sua instalação e se administrada de maneira correta, de modo que não provoque a poluição do ambiente com a emissão de gases provenientes queima de seus combustíveis.


7. Benefícios e Desvantagens que a Usina Termoelétrica traz ao Brasil quanto ao Meio Ambiente a Economia e a Política
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Depois da própria força humana, a primeira fonte de energia que o homem utilizou foi o fogo. A técnica de utilização do fogo deve ter sido inventada por volta de 50.000 a.C., com o uso de pedra e madeira. Entre 10.000 e 5.000 a.C. ocorreu a chamada Revolução Neolítica: o homem domesticou certos animais, que passaram a servir como fonte de energia; domesticou também certos vegetais, surgindo a agricultura e a possibilidade de uso da biomassa como fonte de energia (embora só com a Revolução Industrial tenha sido possível aproveitar com maior eficiência a energia dos vegetais).

A utilização da força do vento, principalmente para a navegação, deve ter começado em torno do ano 2.000 a.C. O aproveitamento da água, da força hidráulica para mover moinhos, iniciou-se em torno do século II a.C. A partir do ano 1.000 d.C., ocorre a exploração mais intensa do carvão mineral (a hulha, inicialmente).

A partir de 1.700 surgem importantes inovações, ligadas à Revolução Industrial: a invenção da máquina a vapor foi seu acontecimento mais importante no que se refere às fontes de energia. Por volta do final do século XIX, verifica-se o aparecimento da eletricidade, o desenvolvimento dos motores a gasolina ou demais derivados do petróleo e, dessa forma, um notável desenvolvimento nas explorações petrolíferas.

Em meados do século passado, surge a energia nuclear, sendo que a fissão nuclear (princípio de obtenção da energia nuclear) foi utilizada inicialmente para fins militares, durante a Segunda Guerra Mundial.

E neste momento em que nos encontramos no século XXI, que novas fontes de energia poderão no futuro desempenhar o papel que o petróleo desempenhou até o momento: a energia solar? a biomassa? a energia das marés? a geotérmica? o hidrogênio? a eólica, ou a energia proveniente dos minerais?

O desenvolvimento industrial está intimamente ligado ao desenvolvimento das fontes de energia. Pode-se dizer que há uma interdependência entre ambos: o progresso industrial é resultado da descoberta de novas fontes energéticas, que, por sua vez, ocorreram em conseqüência das necessidades da indústria.

Com efeito, as necessidades energéticas de um país são diretamente proporcionais ao seu grau de industrialização. Assim, as economias altamente industrializadas são grandes consumidoras de energia e precisam importar recursos energéticos freqüentemente para suprir suas necessidades. Em geral, esse alto consumo exige também a utilização de diversas fontes.

A enorme participação das fontes não-renováveis na oferta mundial de energia coloca a sociedade diante de um desafio: a busca por fontes alternativas de energia. E isso não pode demorar a ocorrer, sob o risco de o mundo, literalmente, entrar em colapso, pelo menos se for mantido o atual modelo de vida, em que o petróleo tem uma importância vital.

Há diversas fontes alternativas disponíveis, havendo a necessidade de um maior desenvolvimento tecnológico para que possam ser economicamente rentáveis e, consequentemente, utilizadas em maior escala.

Provavelmente neste século XXI não terá uma única fonte de energia predominante, como ocorreu no século XIX com o carvão e no século XX com o petróleo. Deverão coexistir várias fontes de energia, principalmente as renováveis e pouco poluidoras, e aquelas de origem biológica deverão conhecer uma maior expansão nas próximas décadas. O oxigênio é o mais promissora dentre as alternativas para combustível. Esta alternativa será altamente benéfica ao meio ambiente não apenas no Brasil como no mundo todo, além de ser mais econômica e politicamente correta.


Bibliografia

BRASIL NUCLEAR, ano 9, nº 24, Jan-Mar/2002. Disponível no site <www.aben.com.br/texto/rev24/26.htm> - Consulta em 20 de abril de 2003.

REIS, Lineu Bélico; SILVEIRA, Semida. Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo (USP), 2000.

 

ANEXO I

Geração Termoelétrica Cresce no País

A geração termoelétrica ampliou sua participação na matriz energética brasileira. Com o racionamento de energia, a estiagem e a entrada em operação de várias usinas térmicas, a contribuição desta fonte para o sistema interligado ultrapassou, pela primeira vez, a marca de 10%.

De acordo com dados do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), no ano passado, a energia térmica representou 10,3% do sistema elétrico, em comparação com 89,7% das usinas hidráulicas. Comprovando o grande papel que vem exercendo no cenário atual de escassez, a energia nuclear representou 42,52% da energia termoelétrica instalada no país, com apenas duas usinas em operação. Angra 2 e Angra 1 ocuparam, respectivamente o primeiro e o segundo lugares entre as geradoras térmicas brasileiras.

A nucleoeletricidade representou 5% da energia gerada no país. Angra 1 e 2 já representam cerca de 45% da energia consumida no estado do Rio de Janeiro. (Fonte: BRASIL NUCLEAR, ano 9, número 24, Jan-Mar/2002)

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