23 – Energia emergêncial: Termelétricas

E aí, pessoal. Tudo bem com vocês? Conforme prometido no texto anterior, iremos falar sobre as termelétricas.

Este é o último texto da serie de dimensionamento de sistemas energéticos focando nos principais sistemas de geração de energia. E um dos mais importantes, tendo em vista que as energias vistas neste guia são todas sazonais. Ou seja, produzem diferentes valores de energia em certas condições de tempo. Logo, um dos objetivos desta fonte é resolver este problema.

Ressaltando que não necessariamente é necessária uma termelétrica para resolver o problema da sazonalidade. Existem casos que uma outra sazonal consegue resolver o problema.

Conversão de energia

Basicamente a energia termelétrica trabalha na conversão de energia térmica em energia elétrica. Para isto, ele precisa de um combustível. Este combustível é o coração da termelétrica. Sem ele, não é possível a obtenção da energia elétrica. Tal coração pode ser um combustível renovável ou não renovável.

Existem várias formas desta conversão. Uma das principais é a combustão, em que o combustível entra em reação química, cuja consequência é a liberação de energia. Tal energia é transferida para um determinado fluido, que passa de líquido para gasoso. Desta forma, o fluído está em condições de gerar energia mecânica para a turbina, e consequentemente energia elétrica. Tal fluido em muitos casos é a água.

Outro método é a gaseificação, na qual o próprio combustível move a turbina. O método consiste na transformação deste combustível em um gás, tornando o apropriado para a tarefa da energia mecânica.

Estes são os dois mais importantes para este texto. Vejamos o próximo tópico.

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Combustível

O coração da termelétrica pode ser um combustível renovável ou não renovável. Se você leu o segundo texto do blog, você basicamente saberá sua classificação.

Dentre os não-renováveis se destacam o carvão, o óleo diesel e o gás natural. Estes combustíveis são bastante utilizados na geração de energia elétrica.

Os renováveis consistem na biomassa e seus derivados. Estes são utilizados da mesma forma que os não-renováveis. Porém, a diferença é que menos poluem o meio-ambiente. Inclusive, necessitam de um maior volume para geração de energia. Um exemplo é o diesel, que libera mais energia durante a sua combustão do que o biodiesel.

Ciclos de calor

Esta é a parte mais importante. A partir do dimensionamento do ciclo de calor, você determina o quanto de combustível você necessita para gerar energia, as condições que os equipamentos necessitam de estar, e assim por diante.

Basicamente, existem quatro principais ciclos termodinâmicos: Rankine, Brayton, Ciclo Otto e Diesel. Todos estes ciclos trabalham com as propriedades do fluído. As principais são a entalpia, a temperatura, pressão, entropia, etc. Varias das propriedades são determinadas a partir de outras. O mais comum é a determinação da entalpia (essencial para calcular o calor gerado) a partir de valores da temperatura e pressão de um determinado estado.

Rankine

O dimensionamento do Rankine consiste no dimensionamento de um fluido (como a água) e suas etapas deste ciclo. Após a determinação de todas as etapas que o fluído passa, é possível determinar o trabalho da turbina (cujo valor influencia na geração de energia elétrica) e o calor da caldeira. A imagem abaixo ilustra o ciclo. Abaixo desta, está o gráfico da variação da temperatura T em função da entropia s, representando respectivamente as etapas do trabalho da turbina (Wturbine), do trabalho da bomba (Wpump), do calor ganho (Qin) e do calor perdido (Qout). Os números da figura correspondem as etapas do gráfico.

Resultado de imagem para Rankine

Brayton

O ciclo Brayton trabalha com o ar como fluido. Ele possui várias diferenças na composição de seu ciclo em relação ao Rankine. A imagem abaixo ilustra o ciclo e a variação da pressão P em relação ao volume v em um gráfico, e a variação da temperatura T  em função da entropia s em um outro gráfico. Ressaltando que a pressão e a temperatura são um dos dados mais importantes para o dimensionamento de qualquer cíclo termodinâmico.

Ciclo Otto e Diesel

Os ciclos Otto e Diesel são ciclos de motores de combustão interna. Basicamente trabalham com a transformação do combustível em cada uma de suas etapas. Como o ciclo acontece dentro do motor, é recomendável utilização de gráficos de pressão e temperatura para cada uma das etapas, ao invés do desenho dos componentes (sendo que é apenas o motor). A imagem abaixo, assim como o ciclo de Brayton, demonstram a variação da pressão com o volume, tal como a variação da temperatura com a entropia. Tal imagem ilustra a diferença entre os ciclos de combustão.

Combinações de ciclos

Possibilidades de combinação dos ciclos citados (como Brayton e Rankine juntos) também é possível. Alias, é bastante comum ciclos combinados.

Existem também possibilidades de usar um ciclo, porém com configuração diferente, de forma a torna-lo mais eficiente. Um exemplo de configuração é um ciclo Rankine com reaquecimento da água.

Em todos os ciclos é importante a determinação do calor da caldeira, pois este valor é necessário para a determinação da quantidade de combustível necessário para sua operação. Ressaltando que cada ciclo possui propriedades características de cada um. Saber estas características é útil para seu dimensionamento.

Finalizada esta parte, já é possível escolher a marca, as turbinas, dentre outros equipamentos para sua termelétrica.

Conclusão

Com isto agora você sabe como dimensionar um sistema termelétrico, tal como sua utilização como complemento das outras fontes de energia vistas.

Este texto finaliza a serie de dimensionamento dos principais sistemas energéticos. Obrigado a todos que leram os textos anteriores e espero que sirvam de guia para estudos futuros.

Os links de referências se encontram logo abaixo. Bons estudos.

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Referências

SHAPIRO, Howard N. e colab. Princípios da termodinâmica para engenharia. 7° ed. Rio de Janeiro: Nacional, Grupo Editorial, 2013.

STUCHI, Gabriel Augusto Domingos e TACONELLI, Mauricio e LANGHI, Victor Augusto Bertollo. Geração termelétrica: Principais componentes e tipos de centrais termelétricas. 2015. 1-147 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica com Ênfase em Sistemas de Energia e Automação) – Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2015. Disponível em: <http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-14032016-175537/publico/Stuchi_Gabriel_Augusto_Domingos_tcc.pdf>.

TOLMASQUIM, Mauricio T. Energia termelétrica: Gás natural, biomassa, carvão, nuclear. Rio de Janeiro: Empresa de Pesquisa Energética (EPE), 2016. Disponível em: <www.epe.gov.br>.

TORRES, Felipe Carneiro da Cunha. Simulação de uma usina termelétrica. Estudo da utilização do biodiesel para geração de energia elétrica no Brasil. Rio de Janeiro: Dissertação(Mestrado em Engenharia Mecânica) – PUC-Rio, 2006. p. 70–90. Disponível em: <http://livros01.livrosgratis.com.br/cp022217.pdf>.

Rafael Henrique

Sou graduado em Engenharia de Energia pela PUC Minas. Recentemente, concluí o mestrado em Planejamento de Sistemas Energéticos pela UNICAMP. Decidi dar inicio a este blog, com o intuito de abrir o espaço de divulgação científica relacionado a energia e seus temas relacionados.

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5 Resultados

  1. 10 de junho de 2019

    […] Se você leu o capitulo de dimensionamento de termelétricas, percebeu que todas elas são necessários combustíveis para seu funcionamento. Isto pois estes combustíveis são necessários para que a termelétrica funcione, de forma a trocar calor com o fluido para este gerar energia através da turbina. […]

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