Outra fonte geradora de energia amplamente utilizada é a geração termelétrica. Neste tipo de geração, a energia elétrica é obtida através da transformação de energia térmica em energia mecânica para a movimentação de uma turbina acoplada a um gerador. A diferença entre os vários tipos de usinas está no modo em que é obtida esta energia térmica, mais especificamente, no tipo de combustível que a usina utiliza e na forma como é queimado.
O Brasil é um país onde a energia termelétrica corresponde a uma parcela pequena da produção total, dada a abundância de aproveitamentos de recursos hidráulicos. Dados atuais apontam que, aproximadamente, 95% da geração do país são de origem hidrelétrica.
As usinas termelétricas podem ser divididas em dois grupos principais:
• Usinas convencionais, que utilizam combustíveis fósseis como o carvão, óleo, gás natural, biomassa e madeira;
• Usinas nucleares, que utilizam combustíveis físseis como o urânio natural e enriquecido.
A forma como o combustível é queimado resulta em outra divisão das usinas termelétricas: usinas com turbinas a vapor, usinas com turbinas a gás e usinas de combustão direta.
Nas usinas a vapor, o combustível é queimado para fornecer calor a uma caldeira, onde água é aquecida e transformada em vapor que, sobre pressão, movimenta uma turbina.
Vapor ω Câmara de Combustão e Caldeira Turbina Gerador Condensador Água E
Figura 21. Esquema simplificado de uma usina termelétrica a vapor.
Em usinas com turbinas a gás, a turbina é movida por mistura gasosa do ar comprimido com o gás obtido na queima do combustível.
ω Turbina Gerador Exaustão Compressor Entrada de Ar Injetor de Combustível Gás Aquecido Combustão E
Figura 22. Esquema simplificado de uma usina termelétrica a gás.
Em usinas de combustão direta, o combustível alimenta algum tipo de motor a pistão, como um motor diesel, que está acoplado a um gerador elétrico. Apesar destas usinas utilizarem o combustível mais caro e mais poluente, as usinas de combustão direta são as mais versáteis e utilizadas. Esta versatilidade vem do fato de suas dimensões serem reduzidas, de sua facilidade de operação e da rapidez de tomada ou redução de carga. Este tipo é também muito utilizado como fonte de geração para lugarejos pequenos e isolados.
O modelo de um sistema termelétrico deve considerar as diversas classes de usinas térmicas classificadas conforme os custos de operação (tipos de combustíveis), restrições de geração mínima e máxima de cada usina, tempo de ligamento e desligamento, restrições de rampa de carga, eficiência das caldeiras e dos conjuntos turbina/gerador, etc.
O custo total de operação inclui o custo do combustível e os custos de mão-de- obra, estoques de combustível (exemplo: carvão) e manutenção. Como os
de energia, os modelos mais utilizados assumem que estes custos são fixos. O custo total costuma ser modelado como uma função convexa e crescente da geração térmica, sendo em geral aproximado por um polinômio de segundo grau
[6], baseado na curva da taxa térmica incremental da usina, que dá a relação MJ/MWh da mesma. Esta relação informa a quantidade necessária de combustível, em energia (MJ), para que a usina gere um MWh.
A Figura 23 apresenta a aparência típica da função de custo total de uma usina termelétrica ψ(.).
g [MW] (.)
ψ
[$]g g
Figura 23. Aparência típica da função de custo de operação de uma termelétrica.
A Tabela 9 apresenta a função de custo de geração e os limites de geração para algumas usinas térmicas localizadas na região Sudeste. Estas funções são lineares e o coeficiente a1 indica o custo incremental em US$, ou seja, o custo de
Função Custo e Limites de Geração Térmicas a0 a1 a2
g
[MW ]g
[MW ] Nuclear 0,0 8 0,0 0,0 420 1 0,0 38 0,0 0,0 455 2 0,0 44 0,0 0,0 460 3 0,0 60 0,0 0,0 73 Óleo 4 0,0 70 0,0 0,0 70 1 0,0 14 0,0 0,0 318 2 0,0 20 0,0 0,0 354 Carvão 3 0,0 40 0,0 0,0 64Tabela 9. Dados de algumas usinas térmicas do Sistema Sudeste.
Neste trabalho, a unidade utilizada para expressar energia é o MW (mega watt médio). O MW , em um dado intervalo de tempo Δt, é a energia produzida por uma fonte geradora de potência 1 MW. Para que se consiga o valor de energia, em unidades rotineiras como MWh ou MWmês, deve-se fornecer a duração do intervalo em que a fonte geradora trabalhou.
Suponha-se, por exemplo, uma fonte geradora produzindo 1 MW de energia. Se esta fonte geradora trabalhar por uma hora, a energia gerada por ela será de 1 MWh. Se a mesma fonte trabalhar por um dia, a energia gerada será de 24 MWh = 1 MWdia. Se a fonte geradora trabalhar por um mês (30 dias), a energia gerada será dada por 730 MWh = 30MWdia = 1MWmês.
A vantagem de se utilizar o MW para se medir energia é que ele informa também o valor da potência média fornecida pela fonte geradora durante o intervalo Δt. Suponha-se, por exemplo, que uma determinada usina tenha uma potência instalada de 1000 MW e que no intervalo de um mês esta usina tenha gerado 500 MW . Em MWh, a usina gerou (730 horas x 500 MW ) = 365000 MWh. Além disso, tem-se a informação de que a potência média fornecida pela usina durante o referido mês foi de 50% de sua capacidade instalada, ou seja, o valor de energia também é o valor de potência média (500 MW).
Como a geração térmica é expressa em MW , e os coeficientes da função de custo térmico consideram a geração dada em MWh, deve-se proceder a respectiva transformação de unidades. A conversão de uma certa geração g em MW , ocorrida em um intervalo de Δt segundos, para MWh, é dada por:
MW MWh
g
t
g
3600
Δ
=
(30)onde a fração que multiplica a geração em MW , representa o número de horas do intervalo Δt.
Finaliza-se aqui a apresentação detalhada da modelagem dos componentes que fazem parte de um sistema hidrotérmico de geração, juntamente com ilustrações reais de suas características.