Baixe Geração de Energia Elétrica a Partir de Fontes Renováveis - Prof. Silva e outras Resumos em PDF para Análise Complexa, somente na Docsity!
NOÇÕES DE GERAÇÃO DE ENERGIA UTILIZANDO ALGUMAS
FONTES DE BAIXO IMPACTO AMBIENTAL
Carla da Gama Soares Gomes
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A
OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Aprovado por:
_______________________________________
Prof.ª Carmen Lucia Tancredo Borges, D. Sc. (Orientador)
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
_______________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph. D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2010
ii
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pelas oportunidades de crescimento que me
proporcionou e por todas as coisas boas que aconteceram em minha vida até aqui.
Aos meus pais, por tanto amor, pelos ensinamentos e princípios de vida, pelo
esforço em me proporcionar educação e formação dignas e pelo eterno estímulo ao
enfrentamento de novos desafios. Serei eternamente grata por tudo isso.
Agradeço aos colegas de faculdade e amigos que fiz para toda a vida, pelo apoio
e por toda a ajuda nessa longa jornada que foi a graduação.
Agradeço também ao meu noivo, sempre tão companheiro e amigo, apoiando
minhas decisões incondicionalmente.
Agradeço a professora Carmen pela orientação neste projeto e também pela
oportunidade da iniciação científica, que certamente contribuiu para muito para meu
crescimento e amadurecimento.
Por fim agradeço a todos os professores e funcionários do DEE que contribuíram
muito para a minha formação como engenheira.
Muito Obrigada!
iv
vii
- Introdução Sumário
- 1.1 Motivação
- 1.2 Objetivo
- 1.3 Estrutura
- Geração à Gás Natural
- 2.1 Gás Natural
- 2.1.1 Características
- 2.1.2 Vantagens
- 2.2 Termelétricas a Gás Natural
- 2.2.1 Turbina a Gás
- 2.2.1.1 Componentes Básicos
- 2.2.1.2 Funcionamento
- 2.2.1.3 Vantagens da Turbina a Gás...............................................................................................
- 2.2.2 Termelétricas a Ciclo Combinado
- 2.2.2.1 Operação com Queima Suplementar
- 2.2.2.2 Ciclo Simples x Ciclo Combinado
- 2.2.2.3 Eficiência
- 2.2.3 Algumas Definições
- 2.2.3.1 Eficiência e Heat Rate (HR)
- 2.2.3.2 Poder Calorífero do Combustível
- 2.2.3.3 Energia Gerada por Usina Térmica
- Fontes Alternativas de Energia
- 3.1 Geração Eólica
- 3.1.1 Instalação de Usinas Eólicas
- 3.1.2 Componentes do Sistema Eólico
- 3.1.3 Gerador Elétrico
- 3.1.4 Instalação Elétrica
- 3.1.5 Energia e Potência Extraídas do Vento
- 3.1.6 Aplicações dos Sistemas Eólicos
- 3.2 Biomassa
- 3.2.1 Geração de Energia Elétrica
- 3.2.1.1 Combustão Direta.............................................................................................................
- 3.2.1.1.1 Turbina a Vapor
- 3.2.1.1.2 Componentes Básicos
- 3.2.1.1.3 Funcionamento v
- 3.2.1.1.4 Rendimento
- 3.2.1.2 Gaseificação
- 3.2.1.2.1 Gaseificador
- 3.2.1.2.2 Vantagens e Desvantagens
- 3.2.1.2.3 Funcionamento
- 3.2.1.2.4 Tecnologia
- 3.3 Solar Fotovoltaica
- 3.3.1 Energia Solar
- 3.3.2 Energia Solar Fotovoltaica
- 3.3.3 Célula Fotovoltaica
- 3.3.4 Módulo Fotovoltaico
- 3.3.5 Circuito Equivalente de uma Célula Fotovoltaica
- 3.3.6 Curva Característica das Células Fotovoltaicas................................................................
- 3.3.7 Configurações de um Sistema Fotovoltaico
- 3.4 PCH – Pequenas Centrais Hidrelétricas
- 3.4.1 Tipos de PCH: Quanto à Capacidade de Regularização
- 3.4.1.1 PCH a Fio D’água
- 3.4.1.2 PCH de Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório
- 3.4.1.3 PCH de Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório
- 3.4.2 Elementos Constituintes de uma PCH..............................................................................
- 3.4.2.1 Barragem
- 3.4.2.2 Vertedouro
- 3.4.2.3 Circuito de Adução
- 3.4.2.4 Casa de Força
- 3.4.2.5 Turbinas Hidráulicas
- 3.4.2.6 Geradores
- 3.4.2.6.1 Potência Nominal
- Panorama Energético........................................................................................................
- 4.1 Gás Natural
- 4.2 Eólica
- 4.3 Biomassa
- 4.4 Solar
- 4.5 PCH – Pequenas Centrais Hidrelétricas
- Conclusões
- Referências Bibliográficas
- Tabela 2.1- Parâmetros Técnico-Econômicos de Diferentes Centrais Termelétricas Índice de Tabelas
- Tabela 2.2- Valores Típicos
- Tabela 2.3- Valores Típicos
- Tabela 2.4- Valores Típicos
- Tabela 3.1- Valores do Coeficiente ka
- Tabela 3.2- Valores do Coeficiente Manning
- Tabela 3.3- Valores de Eficiência da Solda
- Tabela 3.4- Velocidade Máxima Admissível por Material
- Tabela 3.5- Valores do Coeficiente ka
- Tabela 3.6- Valores do Coeficiente k
- Tabela 3.7- Velocidade de Rotação.............................................................................................
- Tabela 4.1- Empreendimentos em Operação no Brasil [28]
- Tabela 4.2- Empreendimentos em Operação no Brasil [28]
- Figura 2.1- Fluxograma de uma Usina Termelétrica a Gás Índice de Figuras
- Figura 2.2- Turbina a Gás [5]
- Figura 2.3- Fluxograma de uma Usina Termelétrica a Ciclo Combinado
- Figura 3.1- Representação de um sistema de aproveitamento eólico [6]
- Figura 3.2- Evolução das turbinas eólicas – dimensões e potência [7]
- Figura 3.3- Diagrama de uma Instalação Eólica [27]
- Figura 3.4- Configuração de um Sistema Eólico Isolado [10]
- Figura 3.5- Configuração de um Sistema Híbrido Solar – Eólico - Diesel [10]..........................
- Figura 3.6- Parque Eólico Conectado à Rede – Prainha - CE [10]
- Figura 3.7- Parque Eólico Instalado no Mar do Norte [10].........................................................
- Figura 3.8- Fluxograma de uma Usina Termelétrica a Vapor
- Figura 3.9- Turbina a Vapor........................................................................................................
- Figura 3.10- Tecnologia de Gaseificação Acoplada à Turbina à Gás [12]
- Figura 3.11- Variação da Radiação Solar no Brasil [6]
- Figura 3.12- Potência Instalada de Células Fotovoltaicas no mundo [6]
- Figura 3.13- Capacidade mundial existente de PV solar, 1995-2007 [6]
- Figura 3.14- Preço dos painéis solares no Japão em (M$/MW) [6]
- Figura 3.15- Ilustração de um sistema de geração fotovoltaica [15]...........................................
- Figura 3.16- Corte transversal de uma célula fotovoltaica [14]
- Figura 3.17- Efeito fotovoltaico na junção PN [13]
- Figura 3.18- Célula, Módulo e Arranjo Fotovoltaico [13]
- Figura 3.19- Estrutura de um Módulo Fotovoltaico [15]
- Figura 3.20- Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica [15]
- Figura 3.21- Curva I-V Medida e Curva de Potência de um Módulo Fotovoltaico [16]
- Figura 3.22- Diagrama de sistemas fotovoltaicos em função da carga utilizada [14]
- Figura 3.23- Exemplo de Sistema Híbrido [14]
- Figura 3.24- Sistema Conectado à Rede [16]
- Figura 3.25- Esquema de uma Central Hidrelétrica [17]
- Figura 3.26- Coeficiente de Perda de Carga Kg (18)
- Figura 3.27- Determinação do Coeficiente Zd em função de k` [18]
- Figura 3.28- Níveis de Segurança para a Depleção da Chaminé de Equilíbrio [18]
- Figura 3.29- Níveis de Seleção do Tipo de Turbina Hidrálica e Potência Estimada [18]
- Figura 3.30- Turbina Pelton [19].................................................................................................
- Figura 3.31- Sistema Utilizando uma Turbina Pelton [19] viii
- Figura 3.32- Rotor Pelton [20]
- Figura 3.33- Turbina Francis [19]
- Figura 3.34- Turbina Francis [19]
- Figura 3.35- Rotor Francis [21]...................................................................................................
- Figura 3.36- Sistema Utilizando uma Turbina Axial [19]...........................................................
- Figura 3.37- Turbina Axial [19]
- Figura 3.38- Rotor Axial [22]
- Figura 3.39- Turbina Axial [23]
- Figura 4.1- Empreendimentos em Operação no Brasil [28]
- Figura 4.2- Produção Mundial de Energia Elétrica [29]
- Figura 4.3- Taxa Média de Crescimento Anual das Energias Renováveis [6]
- Figura 4.4- Evolução da Potência Eólica Instalada [25]
- Figura 4.5- Evolução da Capacidade Instalada por Continente [25]
- Figura 4.6- Adições de Potência e Capacidade Instalada em 2008 [25]
- Figura 4.7- Maiores Potências Instaladas em Células Fotovoltaicas [6]
para reflexão sobre quais são as possíveis alternativas para atender a crescente demanda de energia.
1.3 Estrutura
No capítulo 2 será apresentada a geração de energia elétrica através do gás natural, passando pelas características próprias do gás e sua utilização nas termelétricas a gás, bem como seus componentes, funcionamento, aproveitamento através do ciclo combinado e algumas outras definições.
O capítulo 3 tem por objetivo apresentar as chamadas fontes alternativas de energia. A primeira delas é a geração eólica, com os componentes do sistema, a potência extraída e suas aplicações. Em seguida, a biomassa e os conceitos da geração termelétrica a vapor, além da alternativa de aproveitamento através da gaseificação de combustíveis. A terceira fonte abordada é a solar fotovoltaica, onde são apresentados os componentes do sistema, o circuito equivalente, a curva característica e a configuração dos sistemas fotovoltaicos. Por fim, serão apresentadas as pequenas centrais hidrelétricas, seus diferentes tipos, elementos constituintes, turbinas hidráulicas e geradores.
No capítulo 4, é apresentado um panorama energético, com dados estatísticos sobre a quantidade de energia ofertada por cada uma das fontes apresentadas, a fim de se visualizar a importância de cada fonte na matriz energética.
No capítulo 5 são apresentadas as conclusões a respeito das diferentes modalidades de geração de energia apresentadas neste trabalho.
2. Geração à Gás Natural
2.1 Gás Natural
2.1.1 Características
O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos, assim como o petróleo, podendo ou não estar associado a ele. Nestes casos, o gás recebe a designação de gás natural associado. Quando o reservatório contém pouca ou nenhuma quantidade de petróleo o gás natural é dito não associado.
Assim como os demais combustíveis fósseis, o gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos gasosos, originados da decomposição de matéria orgânica fossilizada ao longo de milhões de anos. É composto principalmente por metano, com proporções variadas de etano, propano, butano e outros componentes, além de impurezas mecânicas. A presença e proporção destes elementos depende fundamentalmente da localização do reservatório, se em terra ou no mar, sua condição de associado ou não, do tipo de matéria orgânica ou mistura do qual se originou, da geologia do solo e do tipo de rocha onde se encontra o reservatório, etc.
São importantes características do gás natural [1]:
- Densidade: o gás natural é o único gás cuja densidade relativa é inferior a 1,0kg/m^3 , sendo, portanto, mais leve que o ar. Este fato tem importância decisiva para segurança;
- Ponto de Vaporização: é o ponto em que ocorre a mudança de fase do estado líquido para o estado gasoso em certa combinação de temperatura e pressão. À pressão atmosférica a vaporização do gás natural ocorre à temperatura de (-162) ºC;
- Limites de Inflamabilidade: os limites de inflamabilidade podem ser definidos como as porcentagens mínima e máxima de gás combustível em composição com o ar, a partir das quais a mistura não irá inflamar-se e permanecer em combustão. O limite inferior representa a menor proporção de gás em mistura com o ar que irá queimar sem a aplicação contínua de calor de uma fonte externa. O limite superior é a proporção de gás na mistura a partir da qual o gás age como diluente e a combustão não pode se auto- propagar. Para o gás natural, os limites de inflamabilidade inferior e superior são, respectivamente, 5% e 15% do volume.
elevada do que a turbina a vapor, pois seu pico do ciclo de temperatura, cerca de 1260º C, é bem maior do que o atingido nas turbinas a vapor, cerca de 540 º C.
A geração de energia se baseia no Ciclo de Brayton, no qual o ar atmosférico é continuamente succionado pelo compressor, onde é comprimido para uma alta pressão. Esse ar comprimido entra na câmara de combustão (combustor) onde é misturado ao combustível e ocorre a combustão, resultando em gases com alta temperatura. Os gases provenientes da combustão se expandem através da turbina e descarregam na atmosfera. Parte do trabalho realizado pela turbina é utilizado para acionar o compressor e o restante para acionar um gerador elétrico ou um dispositivo mecânico. Os gases da turbina a gás são descarregados diretamente na atmosfera, o que caracteriza o regime aberto e compromete significativamente o rendimento do processo. A Figura 2.1 apresenta o fluxograma de uma Usina Termelétrica a Gás.
Figura 2.1- Fluxograma de uma Usina Termelétrica a Gás
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 processo de 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 axial do eixo, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Este processo ocorre através da expansão dos gases de exaustão, acionando as palhetas da turbina. Os gases da turbina são descarregados na atmosfera.
Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão.
A tecnologia das turbinas a gás não é recente, mas é pouco utilizada no Brasil por se ter um número reduzido de fabricantes e sua implementação se torna ainda mais dispendiosa por conta de taxas de importação, o que encarece ainda mais o custo da geração.
2.2.1 Turbina a Gás
Turbinas a gás são máquinas térmicas que realizam a conversão da energia do combustível em trabalho no eixo ou geração elétrica. Inicialmente projetadas para indústria aeronáutica, as turbinas a gás vêm sendo cada vez mais utilizadas para a geração termelétrica. São equipamentos constituídos basicamente de um compressor de ar, de um combustor e de uma turbina de expansão.
Podemos classificá-las quanto ao seu funcionamento em circuito aberto e fechado, que são descritos a seguir:
- Circuito aberto - fluido de trabalho é comprimido pelo compressor, passando para a câmara de combustão onde recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura. Daí é direcionado para a turbina, onde é expandido, fornecendo potência para o compressor e potência útil.
- Circuito fechado - o processo de funcionamento é o mesmo do circuito aberto, a diferença é que o fluido de trabalho permanece dentro do sistema e o combustível é queimado fora do sistema.
A maior vantagem do circuito fechado é a possibilidade de usar alta pressão através de todo o circuito, o que resulta na redução do tamanho das máquinas e possibilita a variação da potência útil pela variação do nível de pressão no circuito. Esta forma de controle permite que uma grande faixa de potência possa ser obtida sem alterar a máxima temperatura do ciclo e com uma pequena variação na eficiência. A principal desvantagem é que o circuito fechado necessita de um sistema externo de aquecimento, o que envolve o uso de um ciclo auxiliar, com uma diferença de temperatura entre os gases de combustão e o fluido de trabalho [4].
Turbinas a gás podem variar também quanto a sua configuração. Podem ser adicionados compressores, turbinas, câmaras adicionais de combustão etc. Isto pode ser usado para aumentar
Figura 2.2- Turbina a Gás [5]
2.2.1.2 Funcionamento
À medida que a turbina gira, o ar atmosférico é comprimido pelo compressor, descarregado e então introduzido no combustor (ou câmara de combustão), onde é misturado ao combustível e queimado. Os gases quentes resultantes são expandidos na turbina de expansão transformando energia térmica em energia mecânica no eixo. Parte da energia mecânica é usada para acionamento do próprio compressor da turbina a gás, enquanto o restante é transferido para a carga, no caso, um gerador elétrico. O compressor de ar consome uma parcela significativa dessa energia mecânica resultante da conversão da energia térmica dos combustíveis.
Perdas no compressor e na turbina aumentam a potência absorvida pelo compressor e diminuem a potência fornecida, resultando na redução da potência útil do ciclo. A máxima potência fornecida pela turbina está limitada pela temperatura a que o material da mesma pode suportar associada às tecnologias de resfriamento e pela vida útil requerida.
Através da monitoração da velocidade no eixo e da temperatura na turbina de expansão, o fluxo de combustível é regulado de forma a propiciar a potência requerida. Quanto mais elevada for a temperatura e a pressão dos gases na entrada do primeiro estágio da turbina e quanto mais reduzida for a temperatura dos gases de exaustão, maior será a eficiência da turbina a gás. O desenvolvimento de novos materiais (superligas, monocristal, cerâmica) têm possibilitado trabalhar com temperaturas cada vez mais elevadas, incrementando significativamente a eficiência térmica das turbinas a gás. Em paralelo, novos avanços têm sido obtidos no projeto
- Entrada de Ar
- Compressor
- Câmara de Combustão
- Turbina
- Escapamento
- Difusor
aerodinâmico dos compressores de ar (axiais ou radiais), o que tem permitido maiores eficiências politrópicas e razões de compressão com menor número de estágios.
2.2.1.3 Vantagens da Turbina a Gás
As principais vantagens da utilização desta tecnologia são:
- Simplicidade do sistema;
- Custo de investimento relativamente baixo;
- Baixa relação peso por potência (kg/kW);
- Ocupação de uma área reduzida (m^3 /kW).
2.2.2 Termelétricas a Ciclo Combinado
Os ciclos combinados começaram a ser propostos nos anos 60, mas apenas nos anos 70 é que as primeiras unidades geradoras, de pequena capacidade (a maioria na faixa de 15 MW a 20 MW), foram construídas e postas em operação. O rendimento térmico nominal das primeiras unidades era da ordem de 40% [3].
Com o aumento da oferta de gás natural e a redução de seus preços, além dos avanços tecnológicos alcançados, os ciclos combinados têm se tornado uma alternativa importante para a expansão da capacidade de geração de energia elétrica e atualmente os ciclos combinados são comercializados em uma ampla faixa de capacidades, módulos de 2MW até 800MW, e apresentam rendimentos térmicos próximos de 60% [3]. A principal desvantagem da termelétrica a ciclo combinado está na sua limitação em relação ao tipo de combustível: só é possível a utilização de gás natural ou diesel especial.
A operação em Ciclo Combinado consiste na utilização de dois ou mais ciclos térmicos em uma mesma planta. Em resumo, este tipo de operação utiliza os gases aquecidos oriundos da queima das turbinas a gás para gerar vapor, o qual é utilizado nas turbinas a vapor para geração de energia elétrica. Para isso, o calor existente nos gases de exaustão deve ser recuperado (em caldeiras de recuperação), produzindo o vapor necessário ao acionamento das turbinas a vapor. Assim, utilizando-se a mesma quantidade de combustível, é possível gerar maior quantidade de energia elétrica, ou seja, obtemos ganhos significativos no rendimento da planta.
2.2.2.2 Ciclo Simples x Ciclo Combinado
Usinas térmicas a ciclo simples e a ciclo combinado têm diferentes funções na operação do sistema elétrico. A escolha sobre qual delas será utilizada leva em conta, além das características técnicas, sua função dentro do sistema [4].
Usina a Ciclo Simples: pode ser despachada por razões energéticas ou elétricas, associada a restrições na rede de transmissão e a critérios de confiabilidade. A operação de um sistema hidrotérmico como o brasileiro requer uma grande flexibilidade, caracterizadas por partidas e paradas rápidas, taxas de tomada de carga elevadas e sem restrição quanto ao número de partidas e paradas. Além disso, tais usinas podem proporcionar grande flexibilidade de planejamento, em vista do pequeno horizonte temporal necessário para materializar sua instalação.
Usina a Ciclo Combinado: normalmente despachada por razões energéticas. O despacho é feito na base nos meses de hidrologia crítica. A operação é caracterizada por uma maior eficiência da usina, menor custo de operação e menor flexibilidade operativa.
Mesmo em uma usina térmica inicialmente construída para operar em ciclo simples, por razões referentes à necessidade de rápida implantação, pode-se fechar o ciclo depois de alguns anos para se adaptar às novas características na região elétrica em que está inserida para operar na base. Esta flexibilidade também pode ser amplamente explorada no planejamento da expansão do sistema elétrico no que se refere ao tempo de construção de usinas térmicas. Estas usinas têm um tempo médio de construção menor que a hidrelétrica, por exemplo, e podem ser usadas estrategicamente em períodos de déficit de energia elétrica decorrente da dependência hidrológica.
2.2.2.3 Eficiência
Atualmente, as centrais termelétricas com ciclo a vapor caracterizam-se por eficiências entre 42 e 44%, enquanto turbinas a gás têm uma eficiência relativamente baixa, entre 36 - 37%, como conseqüência da alta temperatura dos gases de exaustão. Com a aplicação do ciclo combinado, a utilização dos gases de exaustão das turbinas a gás como fone de calor no ciclo a vapor, permite aumentar a eficiência até valores entre 55 a 58% [4].
A Tabela 2.1 resume os valores médios encontrados na literatura para os parâmetros técnico- econômicos de diferentes tipos de centrais termelétricas:
Tabela 2.1- Parâmetros Técnico-Econômicos de Diferentes Centrais Termelétricas
Parâmetro Central a Vapor Turbina a Gás Ciclo Combinado
Potência Nominal por unidade (MW)
Custo específico (US$/kW)
Tipo de combustível utilizado
Sólido, líquido ou gasoso
Diesel especial ou gás natural
Diesel especial ou gás natural
Rendimento (%) 42 – 44,5 36 - 37 55 - 60
Tempo de vida (horas)
Tempo de montagem (meses)
Heat Rate (kJ/kWh) 7531 - 8018 9730 - 10000 6100 - 6300
2.2.3 Algumas Definições
2.2.3.1 Eficiência e Heat Rate (HR)
O HR de uma usina térmica traduz a eficiência da unidade térmica em transformar combustível em eletricidade. É definido como o número de unidades térmicas Britânicas (Btus) do combustível necessário para gerar um megawtt-hora (MWh) de eletricidade.
A eficiência de uma usina térmica pode ser estimada através da equação 2.1:
0 , 293. HR
η =^1000
