O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina. A turbina ou expansor é um equipamento construído para captar e converter energia mecânica e térmica contida em um fluido em trabalho de eixo. A denominação turbina a gás se refere ao fluido de trabalho da turbina, isto, é a mistura de gases resultante da combustão. Geralmente, os gases de escape deixam a turbina em uma temperatura considerável, aproximadamente 450-600 oC. Assim, os gases podem ser aproveitados diretamente para processos térmicos, ou de modo indireto na produção de vapor ou água quente.
A figura 3.3 mostra um sistema de cogeração de turbina a gás.
Figura 3.3 – Sistema de cogeração de turbina a gás com caldeira de recuperação
Algumas características de operação e condições de funcionamento podem ser resumidas assim:
O ar entra no compressor onde a pressão e a temperatura são aumentadas, passa para a câmara de combustão e então é misturado com o combustível e a combustão ocorre. Os gases quentes,
resultado da combustão, expandem-se na turbina produzindo potência para o compressor e potência útil. O compressor funciona com aproximadamente 65 % da energia da turbina, enquanto o resto (35 %), é a energia mecânica disponível no eixo de turbina. Um gerador unido ao eixo de turbina produz a eletricidade.
A combustão realiza-se com elevado excesso de ar. Os gases de escape saem do combustor com alta temperatura e com concentrações de oxigênio de até 15-16 %. A temperatura mais alta do ciclo aparece neste ponto; quanto mais alta esta temperatura, mais alta a eficiência do ciclo. A figura 3.4 mostra a variação da eficiência do ciclo para três TET (Temperatura de Entrada na Turbina) diferentes, em função da relação isentrópica de temperaturas definida como a relação entre a temperatura na entrada da turbina e a temperatura na saída como se o processo fosse isentrópico.
Figura 3.4 - Variação da eficiência do ciclo em função da relação isentrópica de temperaturas (TIBAQUIRA; BURBANO, 2002)
Com a tecnologia comercial atual a temperatura de entrada na turbina é aproximadamente 1300 oC. É assim que cada 55ºC de incremento na TET traz como resultado um aumento entre 10% e 13% da potência de saída da turbina a gás e entre 2% e 4% na eficiência térmica do ciclo (TIBAQUIRA; BURBANO, 2002). A demanda por menores custos de combustível está conduzindo os projetistas de turbinas a procurar formas de incrementar a TET para produzir eficiências de operação mais altas. Historicamente, o ataque de corrosão por temperatura foi o fator dominante para as turbinas a gás industriais. Agora os esforços para incrementar a TET criaram a necessidade de desenvolver materiais que possam suportar corrosão a altas
temperaturas e oxidação. As diferentes companhias produtoras de turbinas de gás centraram suas investigações e desenvolvimentos no incremento da temperatura de entrada na turbina (TET). Por exemplo, a General Electric (GE), foi líder neste campo, sendo que em 1970 apresentou a série Frame 7 de 45 MW, uma TET de 900ºC e um fluxo de ar de 222 kg/s. Em 1990, a GE colocou no mercado uma turbina mais avançada, seu modelo tipo F de 147 MW, uma TET de 1260ºC e um fluxo de ar de 417 kg/s, esta companhia manteve sua excelente posição no mercado acumulando 130 unidades solicitadas, enquanto Mitsubishi Heavy Industries (MHI) recebeu menos de 50 solicitações, Siemens e ABB apenas 10 unidades. Ainda que o modelo tipo F da GE ocupe apenas 10% do total de turbinas a gás instaladas ao redor do mundo, quase todas as turbinas a gás instaladas depois de 1996 são modelo F de GE e adicionalmente a participação no mercado de GE excede 50% (TIBAQUIRA; BURBANO, 2002). Desde 1984, MHI teve sucesso no desenvolvimento das turbinas a gás tipo F e tipo G com TET acima dos 1100°C, tipo F com 1400°C e tipo G com 1500°C (TSUKAGOSHI et. al., 2007). Ao mesmo tempo, para produzir turbinas a gás de eficiência térmica mais alta, a MHI está participando em um projeto nacional do Japão para desenvolver uma turbina a gás com 1700°C de TET fazendo pesquisa e desenvolvimento das tecnologias necessárias para os componentes. De acordo com o documento, esta turbina planejada para estar comercialmente disponível para o final do ano 2007, segundo um informe da JCNNetwork (2009), a MHI apenas concluiu o desenvolvimento da turbina a gás da série J, apresentando a maior capacidade de geração de potência (320 MW) e a eficiência térmica mais alta (acima de 60% em aplicações de ciclo combinado). A unidade é projetada para trabalhar com uma TET perto de 1600°C. A companhia também lançou atividades em direção à produção comercial da turbina. Pela sua parte, a Siemens, tem desenvolvido turbinas a gás industriais que compreendem oito modelos (da série STG 100 até a STG 800), com capacidades que vão de 4 a 47 MW. Estas turbinas têm aplicação principalmente em indústrias químicas e farmacêuticas, fábricas de alimentos e bebidas, fábricas automotivas, papel e celulose, têxteis, hospitais, universidades, shoppings e outros conjuntos de edifícios (SIEMENS, 2009).
Entre as vantagens desta tecnologia para trigeração estão: baixo custo inicial, alta disponibilidade, altas eficiências no maior tamanho, rápida fabricação e instalação, peso leve e pequeno volume, alta temperatura de gás de escape, resposta imediata em variações de carga. Entre as desvantagens podem-se citar: necessidade de combustível de alta qualidade, necessidade da alta pressão de gás natural (se este for o combustível) com relações de pressão de 15 na média e necessidade de pessoal especializado para operação.
Segundo Guo (2004), o período de instalação deste tipo de tecnologia é de aproximadamente 9 a 14 meses e até dois anos para sistemas de grande porte. A vida útil, segundo o mesmo documento pode variar entre 15 e 20 anos.
Podem-se mencionar alguns trabalhos que fazem análise deste tipo de tecnologia para aplicações de trigeração como o de Zihger e Poredos (2006), que estudaram as possibilidades da produção combinada de potência elétrica, aquecimento e água gelada em um dos maiores hospitais na Eslovênia. O trabalho de Khaliq (2009), que propõe um sistema de trigeração conceitual baseado no ciclo de turbina a gás convencional com caldeira de recuperação e ciclo de refrigeração por absorção. O trabalho faz uma análise termodinâmica combinando a primeira e a segunda leis da Termodinâmica e comprova que o sistema pode ser altamente eficiente.