“Obviamente, é complicado converter a celulose em biocombustível. Acho que a forma mais eficiente de usar a celulose seria queimá-la em uma usina de cogeração. Isso produzirá mais energia e pode ser feito hoje.”
A geração termelétrica responde por cerca 81% da energia elétrica gerada no mundo, sendo 65% a partir de combustíveis fósseis e 14% a partir de usinas nucleares, conforme mostra a Figura 1. Estes gráficos consideram a geração térmica gerada a partir das seguintes fontes de energia: Carvão, Derivados de Petróleo, Gás Natural, Lixo, Nuclear, Geotérmica e Termo Solar. Deve-se ressaltar que parcela crescente de fontes renováveis se encontra em uso nas térmicas. Por tanto, a tecnologia das termelétricas, por si só, não causa o aquecimento global, o tipo de combustível sim.
Do ponto de vista de tecnologia de geração térmica, as turbinas a vapor ainda dominam o mercado com 54% da energia gerada no planeta, apesar de serem menos eficientes que os motores de combustão interna e as turbinas a gás.
Figura 1. Geração Térmica no Mundo
Além disso, apesar desta geração representar menos de 14% da geração de energia elétrica média no Brasil nos últimos 20 anos, sua participação deverá aumentar conforme diversos estudos de planejamento do ONS e do MME.
Observa-se a partir da Figura 2, que a geração térmica total se manteve abaixo de 10%, mas a partir de 2012 saltou para 20% em decorrência de períodos mais secos. Este tipo de oscilação tende a crescer no Brasil devido à volatidade das fontes renováveis.
Observa-se que em 2001, quando ocorreu o Racionamento de Energia Elétrica no país, a geração térmica total ficou limitada a 10% da energia total gerada porque não existiam mais térmicas disponíveis. Contudo, em 2015, a geração térmica atingiu o pico de 27% da energia total e salvou o sistema elétrico de outro racionamento porque criou-se um programa de térmicas flexíveis.
Figura 2. Geração Termelétrica no Brasil
Geração Térmica
A geração térmica converte energia química ou nuclear dos combustíveis em energia elétrica.
Conforme mostra a Figura 3, isto ocorre através de três processos distintos:
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- A energia química do combustível se transforma em calor através da queima do combustível ou a energia atômica do combustível se transforma em calor através da fissão nuclear;
- O calor produzido se converte em trabalho mecânico através de uma máquina térmica;
- O trabalho mecânico, produzido pela máquina térmica, se transforma em energia elétrica através do gerador elétrico.
O primeiro processo consiste na combustão ou fissão do combustível escolhido. 1 Neste processo, as caldeiras e os reatores nucleares constituem os principais equipamentos.
No segundo processo, as máquinas térmicas convertem a energia térmica em mecânica baseadas na Teoria Termodinâmica. 2 Existem três tipos básicos de máquinas térmicas utilizadas atualmente na geração de energia: as Turbina a Vapor, as Turbinas a Gás e os Motores de Combustão Interna. Com exceção da Turbina a Vapor, as outras máquinas térmicas realizam a primeira fase concomitantemente com a segunda.
Finalmente, no terceiro processo, máquinas elétricas convertem a energia mecânica em energia elétrica baseadas no Eletromagnetismo. 3 A máquina síncrona é a mais utilizada, e praticamente a única, na geração termelétrica.
A usina térmica consiste num sistema complexo, conforme mostra a Figura 4, que se encontra subdividido em subsistemas.
O Subsistema de Conversão de Energia consiste no núcleo principal e inclui os equipamentos dos três processos mencionados na Figura 3. O Capítulo de Máquinas Térmicas abordará os detalhes deste sistema.
Em seguida, o Subsistema de Combustível compreende todos os equipamentos de recepção, armazenamento e tratamento do combustível para a usina. O combustível das termelétricas representa o item de maior valor nas despesas de O&M4. Por isso, a recepção do combustível na usina requer um rigoroso controle de qualidade e quantidade. Fraudes no comércio de combustíveis ocorrem no mundo inteiro, e as usinas devem se proteger. Além disso, combustíveis possuem, de uma maneira geral, a capacidade de absorver água e outras impurezas. Esta absorção ocorre de forma natural em decorrência da chuva e umidade no ar, ou artificialmente por fraudes. Consequentemente, todas as termelétricas devem possuir um sistema de tratamento de combustível para não danificar os equipamentos e manter os custos de geração conforme planejados. Além disso, todo sistema de tratamento gera resíduos que precisam de descarte adequado por empresa especializada e certificada pelos órgãos ambientais.
Todas as máquinas rotativas requerem lubrificação para reduzir o desgaste por atrito. Por isso, o Subsistema Lubrificantes realiza o armazenamento e o tratamento dos lubrificantes utilizados na usina. Assim como no caso dos combustíveis, os resíduos do tratamento dos lubrificantes e o lubrificante utilizado requerem descarte adequado por empresa certificada pelos órgãos ambientais.
Todas as máquinas térmicas necessitam de ar para queimar o combustível. Por isso, o Subsistema de Ar se encarrega de absorver e tratar o ar antes de injetá-lo nas máquinas. Minimamente, ele necessita de filtros para impedir que partículas sólidas entrem nas máquinas e as danifique. Em situações climáticas especiais, o ar pode necessitar de aquecimento ou resfriamento.
O Subsistema de Exaustão de Gases requer especial atenção no projeto de Termelétricas. Os gases emitidos pelas máquinas devem ser lançados na atmosfera de forma adequada para minimizar os impactos ambientais. Para isso, a altura das chaminés resulta de estudos de dispersão de gases na atmosfera que considera o relevo ao redor da usina, as condições climáticas da região e a legislação ambiental vigente.
Máquinas térmicas possuem eficiência inferior a 50%. Isto significa que parcela significativa da energia do combustível se transforma em calor que deve ser dissipado no meio ambiente. Por isso, o Subsistema de Resfriamento da usina requer projeto cuidadoso para garantir que o calor dissipado no meio ambiente esteja dentro das normas ambientais. Existem três tipos de sistema de resfriamento utilizados em termelétricas atualmente; radiador, torre de arrefecimento e trocador de calor com água de rios, lagos ou mar.
Toda usina de geração de energia elétrica apresenta riscos de incêndio e, no caso de termelétricas, este risco aumenta porque combustível podem entrar em combustão inadvertidamente. Por isso, o Subsistema de Combate a Incêndio necessita de projeto adequado ao tipo de combustível e o projeto da usina deve contemplar a normas de segurança adequadas.
Toda a área ocupada pela usina se encontra sujeita a vazamentos de diversos materiais líquidos e a derramamento de resíduos sólidos que, por questões ambientais, necessitam de descarte adequado. Por isso, o Subsistema de Esgoto e águas pluviais de contemplar equipamentos de filtragem para impedir que resíduos poluentes sejam lançados na rede comum de esgoto ou em corpos de água próximos.
Finalmente, a Conexão com a Rede Elétrica requer cuidados especiais para atender as normas das empresas de distribuição ou transmissão e garantir a operação da usina de forma confiável.
Para concluir o sistema das usinas termelétricas, existe o Sistema de Controle que engloba todos os subsistemas. Basicamente, o Sistema de Controle incorpora quatro subsistemas, denominados de Sistema de Controle em Malha Fechada, Sistema de Supervisão e Sistema de Sequenciamento e Sistema de Proteção.
Rendimento
O rendimento representa uma das principais preocupações na geração de energia elétrica e, em particular, nas usinas térmicas. A Figura 5 mostra as principais perdas na geração térmica.
Existem Perdas de Combustível no sistema de tratamento de combustível que correspondem às impurezas retiradas e à parcela de combustíveis que sai junto com os resíduos do tratamento. Dependendo do combustível utilizado estas perdas variam entre 1%5 e 10%6.
Perdas Térmicas ocorrem basicamente no sistema de conversão de energia química em mecânica e representam a maior parcela de perdas nas termelétricas. De uma maneira geral, mais de 50% da energia química dos combustíveis se perde na forma de calor nas máquinas térmicas.
Apesar de serem muito inferiores às perdas térmicas, as perdas elétricas afetam o custo da geração principalmente as perdas no sistema de transmissão, oscilando em torno de 4%.7 isto ocorre em função do sistema de rateio das perdas no sistema de transmissão.
O Consumo Próprio representa a parcela da energia elétrica utilizada para o funcionamento da própria usina. Esta parcela varia com o tipo de combustível utilizado e tecnologia utilizada, podendo variar entre 3% e 20% da potência da usina.
Finalmente, as Perdas na Transmissão ocorrem na linha de transmissão que liga a usina ao sistema elétrico e, no caso de usinas conectadas ao SIN, incluem as perdas de todo o sistema de transmissão da rede básica rateadas de acordo com os procedimentos do ONS e da CEEE. Os procedimentos atuais penalizam as termelétricas porque o rateio das perdas desconsidera a distância entre a geração e as cargas. Por exemplo, a Usina Angra I paga o mesmo percentual de perdas do que Itaipu, mesmo sabendo que o aumento de geração de Angra reduz as perdas totais do sistema.
Finalmente, define-se o rendimento das usinas térmicas da seguinte maneira:
Onde:
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- η é o rendimento da usina;
- Es é a energia na saída;
- Ep é a energia na entrada.