Produ

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Paulo Moisés Almeida da Costa
Produção de Energia Eléctrica
Escola Superior de Tecnologia de Viseu - 1999
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Produção de Energia Eléctrica

• A energia é hoje, sem qualquer dúvida, um bem
  essencial e indispensável ao ser humano.
• De entre os diferentes tipo de energia que o
  homem utiliza, a energia eléctrica tem, sem
  sombra de dúvida, uma preponderância acentuada.
• A maior quantidade da energia eléctrica é
  produzida em instalações próprias para o efeito a
  que se dá o nome de centrais de produção de
  energia eléctrica.
• Uma central eléctrica é uma instalação capaz de
  converter energia mecânica obtida a partir de
  outras fontes de energia primária em energia
  eléctrica.
• A energia primária pode advir da energia
  armazenada na água, (potencial gravítica e
  cinética), da combustão de carvão, gás natural,
  fuel, resíduos florestais, ou qualquer outro
  combustível adequado, do vento, do mar, do sol,
  da fissão nuclear
• A produção da energia eléctrica fica a cargo de
  geradores eléctricos, que podem ser de corrente
  contínua ou de corrente alternada. De entre os
  últimos, temos as máquinas síncronas e as
  máquinas de indução.
• Sem dúvida que a grande maioria da energia
  eléctrica produzida no mundo é produzida pelas
  máquinas síncronas.

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Produção de Energia Eléctrica

• As máquinas geradoras de energia eléctrica são
  accionadas pelas máquinas primárias ou turbinas,
  as quais podem ser hidráulicas, de gás,
• Ao conjunto Turbina-Gerador dá-se o nome Grupo
  Gerador.
• Existem diversos tipos de centrais produtoras de
  energia eléctrica, umas mais convencionais,
  outras de tecnologia mais recente e que procuram
  aproveitar novas formas de produzir energia de
  forma mais económica e/ou mais ecológica que a
  queima de combustíveis fósseis.
• Neste último ponto incluem-se os aproveitamentos
  eólicos, solares, geotérmicas, maremotrizes,
  hidráulicos de dimensão reduzida
  (micro-aproveitamentos e pequenos
  aproveitamentos), cogeração,
• O aproveitamento de outras formas de energia
  prende-se também com problemas ligados com a
  diversificação e redução da dependência
  energética de determinados países bem como com o
  futuro desaparecimento dos combustíveis fósseis.
• Portugal é um país muito dependente do exterior
  em termos de energia, importando cerca de 80 da
  energia que necessita , sendo o petróleo
  responsável por cerca de 85 dessas importações.

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• Para além dos custos financeiros e de risco que
  têm os combustíveis fósseis para países como
  Portugal, em termos ambientais esta é uma fonte
  de energia altamente poluidora, além de não
  renovável.
• Os custos de risco para países como Portugal
  ligam-se com eventuais crises petrolíferas como
  as sucedidas na década de 70.
• Tendo em conta o exposto é perfeitamente
  compreensível que o nosso país procure diminuir a
  sua dependência do petróleo diversificando as
  fontes primárias de energia.
• Com tal intuito, têm-se vindo a introduzir em
  Portugal o gás natural, bem como a apoiar
  (financeiramente) a construção de pequenos
  aproveitamentos hidroeléctricos e de cogeração,
  bem como aproveitamentos de outras formas de
  energia.

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Produção de Energia Eléctrica

• Centrais Hidroeléctricas
• Nas centrais com grandes albufeiras, a energia
  potência gravítica da água é transformada em
  energia cinética a qual por sua vez é
  transformada nas turbinas hidroeléctricas em
  energia mecânica que finalmente será transformada
  em energia eléctrica nos geradores.
• As albufeiras das centrais hidroeléctricas são
  construídas sobre o leito de rios, mas o edifício
  onde se instalam os equipamentos produtores de
  energia podem estar mais ou menos afastados da
  albufeira.
• A albufeira que pode ter maior ou menor
  capacidade de armazenamento de água a qual será
  depois turbinada.
• Note-se que, para que se possa instalar uma
  central hidroeléctrica para a produção de energia
  é necessário que se encontrem as condições
  geográficas ideais, e ainda que se respeitem
  certas condições ambientais e outras como por
  exemplo conservação de património.

• São as centrais em que se aproveita a energia
  potencial gravítica e/ou cinética da água.

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• A figura que se segue mostra uma central
  hidroeléctrica onde se pode observar que o
  edifício onde estão instaladas as máquinas
  produtoras de energia se encontra relativamente
  afastado da albufeira.
• Este procedimento, justifica-se pela necessidade
  de aumentar a queda útil da água, a qual
  directamente influência a quantidade de energia
  que se pode produzir, como veremos.
• Obviamente, a distância entre os grupos geradores
  e a albufeira pode assumir um qualquer valor de
  entre aqueles que são técnico-economicamente
  aceitáveis.
• Não podemos esquecer-nos que a abertura de um
  túnel para condução da água até aos grupos
  geradores representa custos muito elevados, que
  têm de ser compensados pelo aumento da energia
  contida na água resultante de uma maior queda.

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Produção de Energia Eléctrica

• Note-se também que, a conduta de ligação entre a
  albufeira e os grupos geradores pode não ser
  constituída por um túnel subterrâneo mas sim por
  uma conduta metálica (aço), á superfície.
• A albufeira de uma central hidroeléctrica é um
  sistema de armazenamento de energia, uma vez que
  a água só será turbinada consoante as
  necessidades do sistema a que a central se
  interliga.
• Por vezes a albufeira funciona também como
  reserva estratégica, não só de energia como
  também de água para regas e consumo humano.

Vista aérea da represaCaonillas en Utuado, Porto
Rico, onde se vê a albufeira e á direita, a
conduta forçada á superfície.
Escavação de um túnel para instalação de conduta
forçada uma central hidroeléctrica.
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• Existem centrais hidroeléctricas dotadas de uma
  capacidade especial que consiste na possibilidade
  de bombearem parte da água já turbinada de novo
  para a albufeira.
• Estas centrais são dotadas de duas albufeiras a
  cotas distintas tais que aquela que possui menor
  cota armazena parte da água que sai da albufeira
  de maior cota, a qual já foi turbinada, para mais
  tarde ser bombeada de novo para esta. Nas horas
  de maior solicitação de energia, a água da bacia
  superior é turbinada e depois retida na albufeira
  inferior e nas horas de vazio bombeada para a
  bacia superior usando a turbina como motor, se
  esta for reversível, ou então o próprio
  alternador.

A Aguieira, aqui bem perto de nós Imagem
retirada do site da EDP, cujo endereço é
http//www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.htm
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Produção de Energia Eléctrica

• Como já referimos, as centrais hidroeléctricas
  transformam a energia potencial gravítica da água
  em energia eléctrica.
• Mas afinal como se pode estimar a quantidade de
  energia de uma determinada quantidade de água?
• A quantificação da energia que se estima produzir
  através de construção de um aproveitamento
  hidroeléctrico depende do valor da potência a
  instalar e do número de horas que se estima para
  o funcionamento da central.
• Por outro lado, a potência a instalar depende do
  valor da queda, ou desnível topográfico
  conseguido na implantação da obra, e do caudal, o
  qual, como é óbvio varia com o tempo.
• Deve-se assim estudar com adequado rigor a
  conjugação destas duas variáveis, de forma a
  garantir que a sua combinação proporcione valores
  de potência e de energia úteis que justificam, do
  ponto de vista económico a construção de um
  determinado aproveitamento hidroeléctrico.
• Como sabemos das leis da física, uma massa de
  água m, situada a uma altura h, possuí, uma
  energia potencial gravítica dada pela expressão
• Ep mgh

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Produção de Energia Eléctrica

• onde m é a massa de água, g a aceleração da
  gravidade e h a altura bruta da queda de água.
• Teoricamente, a potência a instalar seria
• onde Pt é a potência teórica a instalar, V o
  volume de água, r a massa volumica da água e
  dV/dt Q é o caudal.
• Claro que a potência útil não é igual ao valor
  da potência teórica, uma vez que o sistema tem
  perdas de energia no circuito hidráulico (nas
  condutas, grelhas, e nas turbinas), as quais são
  expressas através da diminuição do valor da queda
  bruta, obtendo-se um novo valor de queda a que se
  designa por queda útil.
• Além disso, o próprio gerador tem também perdas.

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• Assim, a potência útil Pu é dada pela expressão
• Pu r g ? hu Q
• onde ? é o rendimento do gerador e hu a queda
  útil.
• A queda útil é dada pela expressão
• hu h - hp
• em que hp representa a perda de energia ao longo
  do circuito hidráulico, incluindo a turbina.
• Assim a energia será quantificada por

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Produção de Energia Eléctrica

• Como facilmente nos apercebemos, a partir do
  exposto anteriormente, a potência e a produção de
  energia de uma central hidroeléctrica depende dos
  caudais ocorridos e da queda útil do
  empreendimento.
• Mais ainda, no estudo para implementação de uma
  central deste tipo não basta caracterizar a
  variabilidade de ocorrência dos caudais no que
  respeita à sua magnitude, mas também o intervalo
  de tempo em que os mesmos ocorrem.
• Fácil é de compreender que uma caudal de grande
  magnitude não é bom se ocorrer durante períodos
  de tempo muito curtos.
• O estudo técnico-económico que antecede a
  construção de uma central hidroeléctrica tem,
  forçosamente que incluir uma parte dedicada á
  evolução dos valores dos caudais.
• Se admitirmos que a massa volúmica da água é de
  1000 Kg/m3, que a aceleração da gravidade é de 10
  m/s2 e que o rendimento global do sistema é de
  80 , temos que
• Pu 8000Qh (W) 8Qh (kWh)

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• A partir desta expressão, podemos com facilidade
  concluir que para um mesmo caudal, a potência
  será tanto maior quanto maior for a queda.
• Assim se justifica que por vezes se tenham de
  abrir condutas subterrâneas, ou construí-las á
  superfície, ficando os grupos geradores mais ou
  menos afastados da albufeira em função dos
  estudos técnico-económicos, das condições
  geográficas e eventualmente outras.
• A figura que se segue apresenta, em corte, a
  estrutura básica de uma central hidroeléctrica

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Produção de Energia Eléctrica

• .

Imagem digitalizada a partir de um folheto
promocional da ABB
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Produção de Energia Eléctrica

• Mais uma representação em corte de uma
  hidroeléctrica, onde se destaca a conduta
  forçada.

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• A imagem que se segue mostra a estrutura de uma
  hidroeléctrica equipada com uma turbina pelton

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• Idem mas com turbina Francis.

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• Idem com uma turbina Kaplan.

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• Diferentes tipos de retenção de água...

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• A figura que se segue mostra uma central
  hidroeléctrica com bombagem de água

Fonte http//www.fe.up.pt/leec2002/cadeiras/see1
/see.html
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• Os aproveitamentos hidroeléctricos podem ser
  divididos em dois grandes grupos em função da sua
  capacidade de armazenamento de água. Os
  aproveitamentos de albufeira os quais possuem um
  reservatório onde se pode armazenar uma
  considerável quantidade de água e os
  aproveitamentos a fio de água cujo reservatório
  tem dimensões reduzidas ou não existe.

Fonte http//www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.h
tm
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Produção de Energia Eléctrica

• 1

Fonte http//www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.h
tm
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• O mapa que se segue mostra os grandes centros
  produtores de energia eléctrica do nosso país.
  (Não se incluem os pequenos aproveitamentos
  independentes).

Fonte http//www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.h
tm
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• Centrais térmicas convencionais
• As centrais térmicas são instalações onde a
  energia mecânica necessária para colocar em
  movimento o rotor do gerador eléctrico se obtém a
  partir do vapor formado na ebulição de água numa
  caldeira.
• O vapor gerado na caldeira tem uma pressão
  elevada a qual é aproveitada para, na expansão do
  vapor, accionar a turbina que converterá a
  energia do vapor em energia mecânica.
• A designação centrais térmicas convencionais
  surge para que estas possam ser distinguidas das
  centrais térmicas nucleares.
• As centrais térmicas convencionais usam como
  fonte de energia o carvão, o fuel, gasóleo, o gás
  natural,... cuja energia térmica, libertada na
  sua combustão, é aproveitada para transformar
  água no estado líquido em vapor.
• Uma central térmica convencional básica tem na
  sua constituição três elementos essenciais que
  são a caldeira, a turbina e o gerador.
• Facilmente se percebe que a caldeira é um
  elemento essencial pois é nela que se produz o
  vapor essencial ao processo.

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Produção de Energia Eléctrica

• O princípio de funcionamento de uma central
  térmica pode, com facilidade ser compreendido
  através das figuras que se seguem

Turbinas
Gerador
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Produção de Energia Eléctrica

• .

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Produção de Energia Eléctrica

• O condensador é também um elemento importante na
  constituição de uma central termoeléctrica, pois
  é ele que permite efectuar um arrefecimento do
  vapor que circula no circuito fechado, após este
  se ter expandido nas turbinas.
• Como sabe das leis da termodinâmica, o calor
  migra das zonas mais quentes (fontes) para as
  mais frias (sorvedouros), sendo tanto maior a
  transferência de energia associada a esta
  migração quanto maior for a diferença de
  temperatura entre a fonte e o sorvedouro.
• Assim, o arrefecimento criado pelo condensador
  (sorvedouro) é importante pois tal permite
  aumentar a energia associada ao vapor que se
  desloca do ponto de produção do vapor (fonte)
  para o ponto em que este é recolhido e
  arrefecido (sorvedouro).
• A figura que se segue mostra alguns condensadores
  em actividade

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Produção de Energia Eléctrica

• Note-se que o fumo que sai das torres que
  constituem os condensadores não é mais que vapor
  de água.
• As figuras que se segue mostra uma central
  térmica, na qual se pode ver o condensador ao
  lado esquerdo.

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• AS CENTRAIS TÉRMICAS E AS SUAS IMPLICAÇÕES
  AMBIENTAIS.
• Uma central térmica é uma instalação que
  transforma a energia libertada pela combustão de
  combustíveis fósseis em energia térmica a qual ao
  accionar uma turbina se transforma em energia
  mecânica e esta, finalmente acciona o gerador
  eléctrico.
• Neste processo 65 da energia é desperdiçada sob
  a forma de calor e de contaminação.
• Assim, só um terço da potência inicial do
  processo é utilizada como potência eléctrica.
• Portanto, uma central térmica que possui uma
  potência de 330 MW, na realidade a sua potência
  térmica é de aproximadamente 1000 MW.

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• A contaminação destas centrais consiste na
  emissão de gases pelas chaminés e posterior
  retorno ao solo a distâncias impensáveis bem como
  na libertação de grandes quantidades de água de
  refrigeração no mar ou num rio.
• Os gases contaminantes são
• Dióxido de enxofre (SO2).
• Óxidos de nitrogénio (Nox).
• Partículas de metais pesados.
• Dióxido de carbono (CO2)
• A tabela que se segue mostra os efeitos
  produzidos sobre a saúde e sobre o meio ambiente.
  
• Produtos Efeitos
• SO2 Chuva ácida. Edemas pulmonares.Morte com
  alta exposição
• NOx Problemas respiratórios e pulmonares
• Partículas Problemas respiratórios, renais,e
  ósseos
• CO2 Alterações climáticas.

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Links consultados http//www.cfe.gob.mx/interna
cional/fotos/foto9.html http//educom.sce.fct.unl.
pt/e4smaria/eaptindx.htm http//netdial.caribe.ne
t/jrbaspr/plantas.html http//www.edp.pt/edp/grup
o_edp/grupomain.htm http//www.fe.up.pt/leec2002/
cadeiras/see1/see.html