Térmica

Na termoeletricidade, a energia mecânica necessária para girar o eixo do gerador de energia elétrica é obtida com a queima de combustíveis, isto é, pela transformação da energia química em energia mecânica, através de processos de queima específicos para cada tipo de combustível.

As instalações físicas utilizadas são denominadas de usinas termoelétricas, e são semelhantes a outras indústrias de processos, sendo suas dimensões definidas em função da potência e tecnologias adotadas.

A grande vantagem de uma termoelétrica, que utilize o gás natural como combustível, é a possibilidade de ser implantada junto aos grandes centros de consumo de energia, desde que atendidas as normas de proteção ao meio ambiente local. A usina estando junto aos consumidores reduz as perdas nas linhas de transmissão e diminui o risco de continuidade dos sistemas de transmissão.

As termoelétricas podem operar em ciclo simples, em ciclo combinado ou em co-geração:
Ciclo simples – a queima de um determinado combustível em caldeiras simples, turbinas ou em motores de Ciclo Otto, fornece a energia mecânica para o gerador de energia elétrica. Eficiência média do sistema – 30 a 42 %.

Ciclo combinado – a queima do combustível fornece energia mecânica para o gerador de energia elétrica, e os gases da queima do combustível com uma temperatura em torno de 550 ºC são direcionados a uma caldeira de recuperação de calor para produzirem vapor, e este vapor irá movimentar uma turbina a vapor que estará ligada a um outro gerador de energia elétrica.
Eficiência média do conjunto – 42 a 58%.

Co-geração – é semelhante ao sistema em ciclo combinado, no qual o vapor produzido na caldeira de recuperação de calor será também utilizado no processo industrial de alimentos, papel, bebida, aquecimento de ambiente etc.
Eficiência média do conjunto – 42 a 80 %.
O combustível utilizado para a obtenção do calor necessário para o processo, apresenta-se sob diversas formas:

• Gás natural

• Derivados de petróleo

• Carvão mineral e vegetal

• Xisto betuminoso

• Resíduos de madeira e da produção agrícola

• Bagaço de cana de açúcar

• Lixo doméstico

• Urânio

• E outros

Descrição do processo de transformação da energia química de um combustível em energia mecânica

a) Gás Natural e derivados finos de petróleo

I - Turbinas

O combustível misturado com o ar atmosférico ao ser queimado em uma câmara de combustão, produz um aumento rápido da pressão e volume no local. Estes gases sob alta temperatura são então direcionados para uma turbina de expansão ( semelhante a turbinas de avião) provocando o giro da mesma. O eixo desta turbina estando ligado ao gerador permite a geração da energia elétrica.

Descrição do funcionamento de um conjunto turbina e gerador:

• Um compressor axial de múltiplos estágios comprime o ar atmosférico procedentes dos filtros de admissão, a uma razão definida pelo fabricante do equipamento e é direcionado para a câmara de combustão.

• Na câmara de combustão, tipo anular, o gás natural é queimado junto com o ar comprimido procedente do compressor.

• A queima da mistura gás-ar é efetuada na câmara de combustão a uma temperatura média de 1.200º C.

• Com a rápida expansão dos gases provenientes da queima, na câmara de combustão, surge um fluxo dos gases, que são direcionados para as palhetas da turbina, produzindo um efeito dinâmico de rotação no eixo do conjunto, que por sua vez irá fornecer o movimento mecânico para possibilitar o giro que fornece energia mecânica ao sistema de redução de velocidade acoplado ao eixo do gerador elétrico.

• O gerador de energia elétrica é do tipo convencional, com características definidas em especificações iniciais, sendo refrigerado com o ar procedente do compressor da turbina à gás, gerando energia elétrica na tensão compatível com o gerador e potência do conjunto.

• Os gases de exaustão, após sua passagem pela turbina, tendo reduzido a temperatura de 1200 ºC para 550ºC, são enviados para a chaminé e que em função de sua temperatura e velocidade de saída sobe e expande-se rapidamente com o ar ambiente.
  

II - Motores

Outra tecnologia para a utilização de combustíveis tipo gás natural e derivados finos de petróleo é a de motores alternativos.

Os motores utilizam a tecnologia normal de motores alternativos com velas, tendo sido desenvolvidos para obterem a máxima eficiência na sua capacidade nominal de geração e para operarem de modo contínuo sob a mesma rotação.

Esta tecnologia é normalmente utilizada em industrias para processos de co-geração, principalmente nas industrias de alimentos e bebidas.

b) Combustíveis sólidos

Os diversos tipos de combustíveis da categoria de sólidos são queimados em equipamentos denominados de caldeiras desenvolvidas especificamente para cada um deles. O objetivo é conseguir a máxima eficiência com os menores impactos ambientais possíveis.

Dentre os combustíveis mais utilizados, estão o carvão mineral, o bagaço de cana e resíduos de madeira.

Os grandes centros de pesquisa e desenvolvimento, assim como os fabricantes de equipamentos, estão, de modo permanente, melhorando os índices de eficiência e diminuindo o volume, para permitir que o custo da energia fique menor e que venham a atender os novos requisitos de proteção ao meio ambiente.

Usina Térmica à Carvão

Basicamente, o processo consiste na queima do carvão mineral, aproveitando o calor obtido para produção de vapor. Para processar a queima do carvão e transformar a energia térmica gerada em energia mecânica, utiliza-se água que se tornará vapor em altíssima pressão e temperatura, o qual moverá uma turbina que por sua vez acionará um gerador elétrico acoplado, gerando energia elétrica. Os equipamentos principais para isso, são a caldeira, turbina e gerador elétrico. Nesse processo a caldeira é o equipamento fundamental para utilização do combustível em questão, podendo a mesma ser definida em tecnologias mundialmente testadas, ou seja em sistema de grelha, pulverização e injeção por queimadores ou em leito fluidizado circulante.

Os processos utilizados nos projetos atuais evita a formação de NOx, podendo-se abater também o SOx na fornalha, através da adição de calcário na massa de combustível. Esta tecnologia tem flexibilidade quanto a qualidade do combustível, podendo-se utilizar desde carvões de baixo até alto poder calorífico e altos índices de enxofre, com rendimentos térmicos iguais ou superiores às tecnologias convencionais.

Os processos para a queima de outros combustíveis sólidos possui a mesma descrição, havendo mudanças no tipos de caldeiras, processos para beneficiamento do combustível, e dimensões totais da usina.

As usinas termelétricas que utilizem combustíveis sólidos necessitam maior investimentos para controle ambiental dos seus efluentes líquidos, sólidos e gasosos, mas em contrapartida o custo do combustível por unidade de energia é bastante inferior, possibilitando que os empreendimentos sejam economicamente viáveis.