Capítulo 3 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 Capítulo 3 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Esta aula trata da produção de energia elétrica, procurando mostrar de onde vem a energia e descrevendo as várias formas - tanto convencionais quanto alternativas - de obtenção da energia elétrica. Fontes primárias de energia elétrica Como já foi mencionada, a energia elétrica é produzida a partir de outras formas de energia. As formas de energia encontradas na natureza e utilizadas para gerar energia elétrica são chamadas de fontes primárias. As fontes primárias podem ser divididas em fontes convencionais - formas inicialmente utilizadas que permitiram o uso generalizado da eletricidade e ainda hoje responsáveis pela maior parte da energia elétrica produzida, e fontes alternativas - envolvem as formas de obtenção de energia elétrica que diferem das tradicionais e, embora sejam hoje utilizadas em pequena escala, podem vir a ser importantes no futuro. As principais fontes primárias de energia elétrica estão discriminadas no quadro abaixo. FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA ELÉTRICA Fontes Convencionais: o Reação eletroquímica (baterias, pilhas) o Hídrica o Fóssil!" Carvão!" Petróleo!" Gás natural o Nuclear (fissão do urânio) Fontes Alternativas: o Solar o Eólica o Biomassa o Eletroquímica (células combustíveis) o Geotérmica o Marés Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 33

2 Fontes convencionais Essas fontes primárias são aquelas tradicionalmente utilizadas para gerar energia elétrica, sendo responsáveis por praticamente 99 % da energia gerada em todo o Mundo. Bateria eletroquímica As baterias e as pilhas produzem eletricidade através de reações eletroquímicas sem combustão, em que o suprimento dos reagentes é finito, ou seja, acabam após um certo tempo. Inúmeros reagentes têm sido usados para converter energia química em energia elétrica, destacando-se as baterias de chumbo-ácido (utilizadas em veículos), pilhas de zinco-carbono (pilha seca comum), pilhas de zinco-dióxido de manganês (pilha alcalina), baterias de níquel-cádmio ou lítio (usadas em telefones celulares). Quando a reação química é reversível, a bateria ou pilha é recarregável, sendo chamada de secundária; caso contrário, a bateria ou pilha é chamada de primária, devendo ser descartada após descarregada. Hídrica A geração de eletricidade a partir de fontes hídricas consiste no aproveitamento de desníveis no relevo geográfico para acumular grandes volumes de água dos rios através de barragens. Essa água represada é acelerada por gravidade, indo acionar uma turbina hidráulica que converte a energia cinética da água em energia mecânica em um eixo, que, por sua vez, aciona um gerador de eletricidade (chamado de alternador. pois fornece tensão na forma alternada). Um alternador converte a energia mecânica entregue pela turbina em energia elétrica. O conjunto de instalações e equipamentos envolvidos no processo é chamado de usina hidrelétrica. Veja a ilustração que mostra um corte da usina hidrelétrica de Itaipu, destacando a barragem, a tomada dágua, uma turbina e seu respectivo gerador (note que turbina e gerador estão acoplados pelo mesmo eixo, posicionado verticalmente). Observe também o interior da casa de máquinas da usina hidrelétrica Marimbondo que possui oito alternadores de 190 MVA cada. A fonte hídrica é de grande importância, sendo intensamente utilizada em países que possuem potencial hidráulico significativo. No Brasil, essa é a principal fonte de energia elétrica, conforme se vê na tabela abaixo, que inclui entre as fontes hídricas a usina de Itaipu 50Hz (Paraguai). Oferta de Energia Elétrica por Fonte Primária Brasil (fonte: BEN/MME.) FONTE PRIMÁRIA PORCENTUAL HÍDRICA 89,4 % PETRÓLEO 3,7 % CARVÃO 2,2 % URÂNIO 1,1 % Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 34

3 GÁS NATURAL 0,5 % OUTRAS 3,1 % Combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás Outra fonte convencional importante é a que utiliza combustíveis fósseis encontrados na natureza, como o carvão mineral, o petróleo e o gás natural. Como se sabe, essas fontes são não-renováveis. A geração de energia elétrica a partir desses combustíveis passa necessariamente por um processo de geração de calor, e por isso o conjunto de instalações e equipamentos envolvidos na operação é chamado de usina termelétrica. Nas usinas termelétricas a carvão ou a oléo combustível (derivado de petróleo) realiza-se a combustão das respectivas substâncias em uma caldeira apropriada para a produção de vapor de água. Esse vapor é canalizado para uma turbina a vapor (também chamada de turbina de condensação) que gera energia mecânica em um eixo que, por sua vez, aciona um alternador que produz energia elétrica. O rendimento global de uma usina a vapor é de %. A figura abaixo mostra os principais componentes de uma usina termelétrica a vapor. O alternador de uma usina termelétrica é, em geral, do tipo turbogerador, com poucos pólos (2 ou 4), acionado em altas velocidades (3600 ou 1800 rpm) e com eixo posicionado horizontalmente, como se pode observar na ilustração que mostra a usina termelétrica de Campos-RJ. Se o combustível for gás natural utiliza-se uma turbina a gás em vez da turbina a vapor, dispensando-se a caldeira. As turbinas a gás necessitam da injeção de ar comprimido a alta pressão na câmara de combustão, obtido através de um turbocompressor acionado pelo próprio eixo da turbina. Os gases com alta temperatura e velocidade provenientes da Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 35

4 combustão são dirigidos para a turbina que produz energia mecânica no eixo. Como a velocidade de rotação da turbina é alta, geralmente usam-se caixas redutoras de velocidade para conectá-la ao alternador. O rendimento global de uma usina a gás é de %. A figura abaixo mostra os principais componentes de uma usina termelétrica a gás. A propósito, será que o funcionamento de uma turbina a gás estacionária é diferente das turbinas usadas em aviões a jato, sendo que essas últimas queimam querosene de aviação? Pense nisso. Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 36

5 É possível combinar turbinas a gás e a vapor com o objetivo de melhorar a eficiência total, resultando nas usinas termelétricas a ciclo combinado, como ilustrado na figura abaixo. A idéia básica de uma usina de ciclo combinado é recuperar parte do calor existente nos gases de exaustão de uma turbina a gás e utilizá-lo para produzir vapor d agua que irá acionar uma turbina a vapor. Com isso consegue-se um rendimento global de 58 a 60 %, maior, portanto que cada tipo de turbina isoladamente. No Brasil, as usinas de ciclo combinado gás-vapor tendem a ser cada vez mais utilizadas para gerar eletricidade aproveitando o gás natural proveniente da Bolívia e Argentina via gasodutos. Outro derivado de petróleo utilizado para gerar energia elétrica é o óleo diesel. Nesse caso usam-se motores de combustão interna a pistão que acionam diretamente os geradores de eletricidade. Essa forma de geração é comumente usada para fornecer energia elétrica às localidades isoladas ou como fonte alternativa de emergência se ocorrer uma interrupção no fornecimento normal. Nuclear As usinas termelétricas nucleares utilizam geralmente urânio enriquecido como combustível, que é fissionado (quebrado) dentro do reator nuclear produzindo quando quantidade de calor. Esse calor, ao ser retirado do reator para resfriá-lo, é utilizado para Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 37

6 produzir vapor d água em uma caldeira apropriada. Em seguida, esse vapor é canalizado para acionar uma turbina a vapor que, por sua vez, aciona um alternador acoplado no mesmo eixo. Portanto, uma usina nuclear se assemelha muito a uma usina a vapor, sendo que a grande diferença está na forma como o calor é gerado. Veja a figura mostrando os principais componentes da usina termelétrica nuclear Angra 1, que usa reator de água leve pressurizada e urânio enriquecido a 3 %. A figura mostra no lado esquerdo o reator nuclear e o sistema gerador de vapor. Ambos estão inseridos em um compartimento blindado representado na figura por um fundo cinza escuro. No lado direito estão representados turbina a vapor, condensador, bomba e alternador. A propósito, a energia nuclear com fonte de eletricidade já foi mais popular que atualmente. Em 1999, havia no mundo 434 usinas nucleares em operação (104 nos EUA, 56 na França, 51 no Japão, 2 no Brasil) mas esse número vem diminuindo paulatinamente por questões econômicas, de segurança e ambientais. A propósito, o governo da Alemanha anunciou um plano para desativar todas as 19 usinas nucleares do país até Na França, cerca de 70 % da energia elétrica consumida tem origem nuclear, contra 20 % nos EUA, 30 % no Japão e 33 % na Alemanha. É interessante lembrar que na década de 50 previa-se que quase toda a energia elétrica por volta do ano 2000 seria de origem nuclear! Pense nisso. Em termos mundiais, o carvão é a fonte primária mais explorada, como mostra a tabela abaixo. Oferta de Energia Elétrica por Fonte Primária Mundo FONTE PRIMÁRIA PORCENTUAL CARVÃO 42 % HÍDRICA 19 % URÂNIO 18 % GÁS NATURAL 11 % PETRÓLEO 9 % OUTRAS 1 % Fontes alternativas As fontes primárias alternativas têm como característica comum a produção de energia elétrica em escala muito menor que as fontes convencionais, porém podem ser bastante úteis em aplicações específicas. Como o kwh produzido por fontes alternativas é, em geral, várias vezes mais caro que o de fontes convencionais, cada aplicação precisa ser analisada cuidadosamente sob vários aspectos. Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 38

7 Solar Eletricidade pode ser produzida a partir da energia solar de duas maneiras: (a) concentrando os raios solares, através de espelhos refletores, que aquecem uma caldeira de vapor que, por sua vez, aciona um conjunto turbina+gerador; (b) utilizando painéis de células fotovoltaicas. Essa segunda forma, bem mais usada que a primeira, baseia-se na propriedade física de certos materiais que conseguem converter diretamente luz solar (ou artificial) em eletricidade (efeito fotoelétrico). O material mais usado atualmente para se construir células fotovoltaicas é o silício que pode estar nas formas monocristalina, policristalina ou amorfa. Em poucas palavras o efeito fotoelétrico funciona da seguinte maneira: em uma base de silício são injetados átomos de boro - que criam uma região eletricamente positiva e átomos de fósforo - que criam uma outra região eletricamente negativa; entre essas regiões estabelece-se, portanto um campo elétrico dentro do material; quando incide luz sobre a placa de silício, alguns de seus elétrons absorvem energia luminosa (fótons) e se desprendem da estrutura atômica adquirindo mobilidade; então, sob a ação do campo elétrico esses elétrons se movem estabelecendo uma corrente elétrica que pode ser dirigida para uma carga externa; essa corrente é do tipo contínua. Cada célula fotovoltaica produz uma tensão baixa (da ordem de 0,5 V) e portanto são conectadas em série, formando painéis capazes de fornecer 12 V ou mais. O rendimento da conversão luzeletricidade em um painel comercial situa-se entre 10 e 15 % atualmente, permitindo que de placa tenha uma potência instalada de 100 a 150 W, supondo insolação máxima. Veja as figuras que ilustram um painel fotovoltaico típico, bem como sua instalação no telhado de residências. Um sistema típico de geração de energia elétrica baseada em painéis fotovoltaicos é mostrado na figura abaixo. Note que o painel vai carregando as baterias através de um módulo regulador/controlador. As cargas são alimentadas através das baterias e não diretamente pelo painel, sendo que aquelas que necessitam alimentação em corrente alternada são supridas via um inversor (equipamento que converte tensão contínua da bateria em tensão alternada). Em função do custo e capacidade de geração, sistemas fotovoltaicos somente são competitivos em casos que o suprimento for fontes convencionais é muito caro, de difícil acesso ou mesmo impossível, como é o caso das naves e estações espaciais. Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 39

8 Eólica Outra fonte alternativa de eletricidade aproveita a energia eólica (dos ventos) através de cataventos. Um catavento converte energia eólica em energia mecânica em um eixo que aciona um gerador elétrico. Em geral, os cataventos utilizados para gerar eletricidade possuem eixo horizontal, embora existam também cataventos de eixo vertical. A ilustração mostra um tipo de catavento de três pás com eixo horizontal capaz de gerar 500 kw de pico; a torre tem 44 metros de altura e cada pá tem 20 metros de comprimento. No Brasil, esse tipo de catavento (que é o mais usado em todo o mundo para este fim) está sendo utilizado em regiões dos estados do Ceará, Paraná e Minas Gerais onde o regime de ventos é adequado; vários cataventos são agrupados formando uma usina eólica, que pode então ser interligada à rede elétrica normal. Os sistemas de geração de energia elétrica a partir de cataventos, especialmente aqueles projetados para serem interligados à uma rede elétrica costumam utilizar geradores de indução que produzem tensão alternada senoidal. Como a velocidade do vento é bastante variável, a tensão e freqüência da forma de onda gerada também varia, o que é altamente indesejável. Duas maneiras têm sido utilizadas para contornar o problema: controlar a velocidade de rotação do catavento (através de engrenagens redutoras, ângulos das pás, etc.) mantendo-a dentro de uma faixa bem estreita ou deixar a velocidade variar ao sabor do vento e controlar eletronicamente a tensão e frequência através de dispositivos semicondutores. A primeira solução é mais barata, porém desperdiça parte da potência dos ventos, enquanto que a segunda é mais eficiente, porém mais cara. Biomassa A biomassa pode ser outra possível fonte alternativa de energia elétrica. Qualquer materia orgânica usada como combustível para gerar eletricidade pode ser considerada como bioenergético. No Brasil, o combustível oriundo da biomassa com maior potencial de aproveitamento é o bagaço de cana, resíduo produzido em grande quantidade por usinas de açúcar e álcool; restos de madeira e gás metano extraído do lixo também podem ser utilizados, porém em menor escala. A forma de gerar energia elétrica a partir de bioenergéticos consiste em queimá-los em uma caldeira apropriada produzindo vapor de água, que aciona um conjunto turbina-gerador. No caso das usinas de açúcar e álcool, partes do vapor produzidas são utilizadas no processo industriais e o restante destina-se à geração de eletricidade, tanto para uso próprio quanto para venda do excedente a terceiros. Célula combustível Uma forma alternativa de gerar eletricidade muito interessante é a célula combustível. A fonte primária aqui pode ser gás hidrogênio, gás natural, metano, álcool, ou qualquer substância que contenha grandes quantidades de hidrogênio. Entretanto não existe combustão de nenhuma substância envolvida no processo, sendo que a geração de energia elétrica se dá por meio de uma reação eletroquímica. Sob esse ponto de vista uma célula combustível se assemelha a uma bateria, porém com uma importante diferença: enquanto Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 40

9 uma bateria se descarrega após o esgotamento dos reagentes, uma célula combustível funciona indefinidamente, desde que os reagentes continuem sendo supridos. Uma célula combustível gera energia elétrica através de uma reação eletroquímica entre hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é o ``combustível'', que pode ser extraído de diversas fontes naturais como gás natural, metano, álcool, gasolina (qualquer hidrocarboneto), enquanto que o oxigênio é extraído do ar. Toda célula combustível é formada por dois eletrodos de material poroso (anodo e catodo) separados por um eletrólito, que serve para transferir íons entre os eletrodos. Vários tipos de eletrólitos têm sido usados e isso distingue o tipo de célula. A figura abaixo mostra como funciona uma célula combustível tendo ácido fosfórico como eletrólito. Note que, no anodo, cada molécula de hidrogênio tem os dois elétrons arrancados com a ajuda de um catalisador (em geral, platina), formando um íon H+. Os elétrons seguem do anodo ao catodo por um circuito externo, estabelecendo uma corrente elétrica que alimenta a carga. Os íons H+ caminham pelo eletrólito até o catodo, onde se combinam com os íons O- lá formados pela reação do oxigênio do ar com os elétrons que chegam pelo circuito externo, resultando em água. Essa reação é exotérmica, ou seja, produz calor que deve ser retirada (pode ser aproveitada como fonte de calor para aquecimento ou acionar uma turbina, por exemplo). Cada célula individual é capaz de criar uma tensão contínua de Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 41

10 apenas 0,5 a 0,9 V e, portanto, várias delas precisam ser conectadas em série para se produzirem tensões mais altas. Como normalmente se deseja obter tensão alternada, um inversor deve ainda ser conectado na saída do sistema de células. Embora seja ainda uma fonte de energia de alto custo (cerca de três vezes o preço de fontes convencionais), os sistemas de células combustíveis apresentam um bom rendimento energético que varia de 45 a 65 %. As vantagens dessa tecnologia são o baixo grau de poluição produzido (se forem usados hidrogênio e oxigênio puros, a poluição é zero), a possibilidade de instalação em zonas urbanas perto, portanto, das cargas e a possibilidade de uso em veículos elétricos (portabilidade). Existem em circulação protótipos de ônibus e automóveis elétricos movidos por células combustíveis, nas quais o fluxo de hidrogênio é produzido a partir de metanol ou mesmo gasolina. É interessante lembrar que a tecnologia das células combustíveis, embora venha sendo cada vez mais aperfeiçoada, se originou no programa espacial americano, na década de 60, quando equipavam as naves Apollo. Atualmente são utilizadas nos chamados ônibus espaciais e na estação espacial internacional (ISS). A propósito, será que o funcionamento de uma célula combustível tem alguma coisa a ver com o processo de eletrólise da água? A natureza apresenta incríveis simetrias. Pense nisso. Geotérmica Já as fontes geotérmicas consistem em aproveitar as atividades vulcânicas do interior da terra como fonte de calor. Existem vários lugares onde essa atividade vulcânica está perto da superfície, permitindo instalar tubulações injetadas com água de tal modo a gerar vapor a partir do calor do magma terrestre. O vapor é então canalizado para acionar uma turbina a vapor que, por sua vez, aciona um gerador de eletricidade. Trata-se, portanto de uma usina termelétrica convencional, cuja particularidade é a fonte de calor. Evidentemente, esse tipo de usina somente pode existir em certos locais, técnica e economicamente viáveis. No Brasil, não há usinas geotérmicas, mas México, USA, Japão, Itália e Nova Zelândia utilizam essa forma de geração, embora em pequena escala. Marés Outro tipo muito específico de gerar eletricidade consiste em explorar os desníveis das marés. A idéia é simples: quando a maré sobe, armazena-se água através de um dique; quando a maré desce, usa-se a água acumulada para gerar eletricidade através de uma turbina hidráulica acoplada a um gerador. Trata-se, portanto, de uma usina hidrelétrica convencional, cuja particularidade é a forma de acumulação de água. Claramente, só se justifica construir uma usina deste tipo em lugares onde o desnível das marés é muito grande. É uma fonte primária pouco usada em todo o mundo. Copyright_2001_ALMorelatoFranca. 42