Introdução a energia elétrica, Notas de estudo de Circuitos Elétricos

Baixe Introdução a energia elétrica e outras Notas de estudo em PDF para Circuitos Elétricos, somente na Docsity! Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 1 Disciplina: Energia Elétrica Notas de aula Prof. Luís Fernando Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 2 A Dimensão Técnica e Ambiental da Produção de Energia 1. Introdução Energia é a base da tecnologia e da civilização moderna. Desde a antiguidade, o homem tem por metodologia produzir energia a partir da queima de combustíveis (madeira, carvão, petróleo e gás). Após os anos 70, a preocupação com a escassez das reservas naturais incentivou o surgimento de novas tecnologias e métodos de racionalização e eficientização do uso da energia, no entanto, ainda insuficientes para fornecer alternativas técnicas e econômicas equivalentes à queima de combustíveis vegetais e fósseis. Com o advento da crise do petróleo, originada pela criação da OPEP e das guerras que se sucederam no oriente médio, deu-se o fim da Era do petróleo abundante e barato. Adicionalmente, a atual preocupação mundial com o meio ambiente e os problemas originados da queima exagerada de hidrocarbonetos (poluição, efeito estufa, chuva ácida entre outros), tem criado novas políticas de extração e uso destes combustíveis. Estes fatores ajudaram a reduzir comparativamente os custos de tecnologias alternativas e ecologicamente corretas. Infelizmente, ainda não se tornaram compensadoras. Embora a crise energética seja mundial, vivenciamos um problema nacional particular. Não são os recursos naturais propriamente ditos, as raízes do problema brasileiro, e sim a falta de execução de políticas de desenvolvimento de nossa matriz energética. A utilização do Gás natural como fonte de energia, é apresentada como a solução de nossos problemas energéticos. Embora sua queima produza um menor número de impurezas frente aos combustíveis líquidos e sólidos, a construção de termoelétricas denigre a qualidade do meio ambiente. Uma forma de minimizar os efeitos nocivos advindos da instalação de termoelétricas é a utilização de sistemas industriais e comercias de co- geração. Adicionalmente, sistemas alternativos podem ser implantados com significativo retorno financeiro, graças ao gradativo avanço tecnológico que passamos. Fornecendo informações sobre as diferentes metodologias de obtenção de energia, principalmente a eletricidade e o vapor d’água, este texto tem por objetivo ilustrar os impactos ambientais advindos da sua aplicação. Na seqüência, a Tabela 1 apresenta algumas características gerais das principais fontes de energia, e os gráficos ilustram o perfil do consumo de energia mundial. Distribuição Geográfica do Consumo Energético Mundial Perfil do Consumo Energético Mundial em função das principais Fontes de Energia Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 6 2. As Tecnologias para a Conversão de Energia Para entendermos os processos de produção de energia, devemos sempre ter em mente que: “Energia não pode ser criada nem destruída. Energia só pode ser transformada”. A ocorrência de qualquer fenômeno físico só é possível com a transferência de energia de um meio para outro. Sendo assim, as tecnologias para a produção de energia consistem em artefatos que transferem a energia armazenada de uma forma em outra. A criatividade do ser humano possibilitou o advento de inúmeras invenções para proporcionar a conversão de energia. Com a crescente industrialização e difusão do comércio, foram adotadas as tecnologias que possibilitavam a produção de energia em larga escala, sem ser dada atenção especial à possibilidade de escassez dos recursos naturais e a degradação do meio ambiente. Desse modo, desde a Revolução Industrial até os dias atuais, são empregadas praticamente as mesmas tecnologias, das quais podemos destacar os dispositivos que convertem energia em larga escala: 1. Combustores ou Incineradores: São queimadores de combustíveis. Convertem a energia armazenada nas ligações químicas em calor. Em alguns casos são empregados para a produção de luz. Utilizam variados tipos de combustíveis: Sólidos: Madeira, Carvão, Matéria Orgânica, etc.; Líquidos: Derivados de petróleo e álcoois; Gasosos: Derivados de petróleo, Gás natural, Biogás, etc.; Apresentam alto rendimento e excelente poder calorífico. Como resultado da combustão são produzidos CO2, e óxidos de nitrogênio e enxofre, responsáveis pelo incremento do efeito estufa e do aparecimento das chuvas ácidas. Em combustões incompletas podem ser produzidos CO e Carbono. 2. Caldeiras: Fornecem energia na forma de vapor de água em altas temperaturas e altas pressões. Necessitam de uma fonte de calor, por exemplo, combustores. De acordo com a origem da fonte de calor, podem ser batizadas de: Caldeira Elétrica, Caldeira à Gás, Caldeira a Óleo, etc; Apresentam rendimento em torno de 60% a 70%. 3. Motores a Combustão: São máquinas pneumáticas. Extraem a energia armazenada em gases na forma de pressão, e convertem em energia mecânica, Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 7 a partir de um eixo de rotação. Os gases pressurizados são obtidos através da queima de combustíveis líquidos ou gasosos. Também é batizado de acordo com o tipo de combustível utilizado: Motor a gasolina, a álcool, a Gás, etc. Por queimarem combustível também produzem CO2, CO, C e óxidos de nitrogênio e enxofre. Apresentam rendimento de 30% a 40%. 4. Motores Hidráulicos: A partir da energia cinética e/ou potencial armazenada em líquidos, produzem energia mecânica em um eixo de rotação. Por operarem em circuitos fechados, provocam pouca poluição, exceto em casos de vazamentos. Apresentam rendimento máximo de 40%. 5. Motores Elétricos: São dispositivos conversores de energia eletromecânica. Por intermédio de um eixo de rotação, podem fornecer energia mecânica a partir da eletricidade. Da mesma forma, podem produzir eletricidade em função do fornecimento de energia mecânica ao seu eixo (geradores elétricos). Produzem poluição sonora e vibração. Apresentam altos rendimentos: 80% a 85%. 6. Turbinas a Vapor e a Gás: Máquinas de altíssimas potências, em princípio, foram criadas para converter energia pneumática (vapor de água, ar comprimido ou gases sob altas pressões) em energia mecânica no seu eixo de rotação. Turbinas a vapor podem ser encontradas com potências de kW até pouco mais de 1MW. Já turbinas a gás têm potências de centenas de kW a até 300 MW. Apresentam baixo rendimento, em torno de 13%. Turbinas que utilizam a queima de combustíveis para a obtenção de gases sob pressão também produzem CO2, CO, C e óxidos de nitrogênio e enxofre. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 10 Embora o processo de produção de hidroeletricidade não elimine poluentes na atmosfera e no solo, grandes áreas são inundadas, reduzindo o espaço de vegetação nativa e para cultivo do solo. Além disso, o baixo custo de produção da hidroeletricidade leva a uma falsa sensação de que é compensador utilizá-la para aquecer ou resfriar. O poder calorífico da energia elétrica é muito baixo, quando analisamos o volume de água armazenada necessária para produzi-la e o rendimento total entre a geração e o consumidor final. A partir da queda d’água, entre turbina hidráulica, geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, o rendimento global é em torno de 32 a 40%. A tabela abaixo ilustra de forma simplificada, uma comparação entre a relação do poder energético de alguns combustíveis e a hidroeletricidade. A Tabela ilustra a comparação do poder calorífico de combustíveis frente à eletricidade para a produção de calor. Fonte de Energia Energia produzida na queima Quantidade de água necessária para gerar eletricidade Relação entre custo do comb. / custo eletric. Gasolina 16,63 kWh / litro 249.450 litros R$ 1,70 / R$ 4,38 GLP (gás de cozinha) 12,80 kWh / kg 192.000 litros R$ 0,85 / R$ 3,38 Gás natural 9,53 kWh / m3 142.950 litros - Lenha 2,90 kWh / kg 43.500 litros - Nota: Custo da Energia Elétrica para o consumidor residencial e comercial: R$ 0,2638 / kWh. Quantidade de água parada necessária para gerar eletricidade, considerando uma queda d’água de aproximadamente 60 metros de altura e um rendimento global de 40%. 3.2 Termoelétricas As termoelétricas utilizam como fonte primária de energia o calor obtido da queima de combustíveis. Para a obtenção de eletricidade podem ser empregados dois processos distintos: produção de Vapor d’água e queima direta. O processo de queima direta emprega uma turbina a gás, por exemplo, que a partir da queima de combustível em seu interior, obtém-se energia mecânica no seu eixo. Acoplado à turbina, um gerador elétrico produz eletricidade. Tradicionalmente é utilizada uma turbina a vapor. O vapor d’água é produzido a partir de uma fonte primária de calor, podendo ser a queima de um combustível ou utilizada outra forma de fonte de calor. O Vapor produzido transporta a energia sob altas temperaturas e altas pressões. A passagem do vapor pela turbina converte energia mecânica em seu eixo. Acoplado à turbina, um gerador elétrico produz eletricidade. A exemplo, a figura abaixo ilustra o processo geotérmico de produção de eletricidade. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 11 Diagrama ilustrativo das partes integrantes de uma Usina Geotérmica para a produção de Eletricidade 3.3 Usinas Nucleares (Termoelétricas) As Usinas Nucleares são Termoelétricas. Infelizmente, ainda não possuímos conhecimento científico para extrair eletricidade diretamente dos processos de fissão nuclear. Porém destacamos em nosso texto este tipo de usina pela importância que apresenta frente às discussões de meio ambiente e geração de eletricidade. As usinas nucleares utilizam como fonte primária de energia o calor produzido pela fissão dos átomos de Urânio dentro do Reator. No reator, “que não deixa de ser uma bomba atômica com explosão retardada”, a fissão nuclear é controlada pela imersão de barras de grafite. O calor produzido na reação nuclear é utilizado para aquecer água sob alta pressão e temperatura sem gerar vapor. A água extremamente quente, troca calor com um segundo circuito de água, a qual é aquecida e é produzido vapor. O vapor é utilizado para acionar uma turbina e esta um gerador elétrico. A figura abaixo ilustra um diagrama construtivo das principais partes de uma usina nuclear. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 12 Partes principais de uma Usina Nuclear Usinas nucleares devem ser construídas próximas a grandes mananciais de água, pois, o vapor após passar pela turbina deve ser resfriado para condensar-se e ser bombeado novamente ao reator e dar continuidade ao processo cíclico. A fonte de água fria, responsável pela condensação do vapor apresenta um nível de radioatividade perigoso. Esta não pode ser armazenada, e, portanto, deve ser descartada em um local de grande volume de água para reduzir os níveis de radioatividade por dispersão. Usinas nucleares são extremamente perigosas em função do risco ambiental que podem provocar. 3.4 Co-Geração de Energia Elétrica Muitas atividades industriais e comerciais necessitam de grandes quantidades de energia térmica, podendo ser frio ou calor. A necessidade de calor geralmente é maior, sobretudo na agroindústria e na indústria de transformação, como açúcar e álcool, sucos de frutas, beneficiamento de arroz e de madeira, extração de óleo vegetal, papel e celulose, tinturaria, cervejaria, cimento, vidro, cerâmica, produtos químicos e alimentos em geral. Já o frio em larga escala é utilizado pelos segmentos de frigoríficos e sucos, climatização de ambiente, em fiação e tecelagem, hospitais, hotéis, shoppings, etc. Uma vez que todas essas atividades já são usuárias de alguma forma de energia primária para atendimento de suas necessidades térmicas, como a queima Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 15 3.5 Energias Alternativas As fontes alternativas constituem-se na forma inteligente de conversão de energia. Infelizmente, a tecnologia atual não possibilita a sua conversão em elevadas potências, ou ainda, se possível, ocorrem com um custo muito elevado. Somente com políticas proibitivas ou punitivas a respeito da emissão de poluentes ou da queima de combustíveis fósseis, será possível incentivar o desenvolvimento de novas tecnologias para as energias alternativas. A exemplo, só nos EUA, ¼ da poluição atmosférica provocada pela queima de combustíveis fósseis provém de termoelétricas. As fontes tradicionais de energias alternativas são: Solar, Eólica, Biomassa, Geotérmica, entre outras. 3.5.1 Energia Solar A energia solar pode ser convertida em calor ou eletricidade. As tecnologias envolvidas neste processo são bastante distintas. Para a produção de calor são utilizados os Coletores Solares, estes dispositivos expostos à luz solar, aquecem a água que circula por uma serpentina. Ilustração de um Sistema de Aquecimento de Água através de Energia Solar Estes dispositivos podem oferecer além de água quente (geralmente entre 50°C e 80°C), vapor de água de acordo com o projeto da instalação. Desse modo, as reduções de potência elétrica e do consumo de eletricidade e gás são bastante significativas e economicamente compensadoras em hotéis, restaurantes e residências. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 16 Adicionalmente a obtenção de calor, a luz solar pode ser convertida em eletricidade através de painéis fotovoltaicos. Estes painéis são compostos de materiais semicondutores como Arsenieto de Gálio e compostos de germânio e Silício, onde a radiação solar é convertida diretamente em eletricidade. A eficiência desta conversão é de no máximo 30% e depende também do horário do dia e das condições climáticas. Para a obtenção de energia solar fotovoltaica são necessários 04 itens principais: • Dias ensolarados; • Célula fotovoltaica; • Regulador de Carga e/ou inversor, responsável por controlar os ciclos de carga e descarga das baterias; • Banco de Baterias: indispensável na maioria dos casos para o armazenamento da energia absorvida durante o dia. Infelizmente, esta tecnologia tem um custo relativamente alto, conforme pode ser visualizado na tabela abaixo. Custo estimado de um conjunto fotovoltaico completo para a geração de energia elétrica em residências. Potência em [Watt]do Conjunto Fotovoltaico CC/CA Preço estimado em US$ nos EUA 600/500 5.050,00 1200/1000 8.175,00 1300/1080 8.700,00 1800/1500 13.200,00 2400/2000 16.325,00 2600/2160 17.350,00 Além do inconveniente alto custo, os sistemas fotovoltaicos são dependentes de baterias, geralmente do tipo chumbo-ácidas, as quais têm vida útil aproximada de 02 (dois) anos e não podem ser descartadas no lixo doméstico. Por outro lado, mensalmente, para cada 01 (um) [kW] de potência elétrica produzida por painéis fotovoltaicos ou outra forma de energia alternativa, pode-se deixar de (comparativamente aos EUA): • Explorar 68 Kg de carvão mineral, • Lançar 130 kg de CO2 na atmosfera, • Liberar 400 litros de água para consumo. • Produzir NOx e SOx da queima de combustíveis fósseis. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 17 E ao longo de 25 anos, aproximadamente a vida útil de um painel fotovoltaico, pode-se deixar de: • Lançar 22,5 toneladas de CO2 na atmosfera, • Lançar 56 kg de NOx, • Lançar 181kg de SOx 3.5.2 Energia Eólica Tradicional fonte de energia, os ventos trouxeram os navegantes às terras do novo mundo. Infelizmente, esta enorme e inesgotável reserva energética ainda é muito pouco explorada atualmente. Tecnologicamente, também é uma alternativa de alto custo, embora tenha muito mais versatilidade que o sistema fotovoltaico, uma vez que os ventos não cessam durante a noite. Custo estimado de um conjunto Eólico completo para a geração de energia elétrica em residências. Potência em [Watt]do Conjunto Eólico CC/CA Preço estimado em US$ 400/300 5.000,00 A instalação das turbinas eólicas requer cuidados especiais com a altura da torre. Ao nível do solo, a velocidade do vento é reduzida pelos obstáculos. Além disso, turbinas eólicas produzem poluição sonora e interferências em equipamentos de rádio, devendo ficar afastadas de centros urbanos. Relação entre a Potência fornecida por uma turbina eólica e sua altura em relação ao solo, para uma velocidade do vento média de 7 m/s a 10 metros de altura. Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 20 APÊNDICE • ABREVIATURAS E DEFINIÇÕES tEP: tonelada Equivalente de Petróleo, correspondente a um petróleo padrão de poder calorífico superior (P.C.S) = 10.800 kcal e massa específica = 864 kg/m3 bbl: barril boe: barril de óleo equivalente bpdoe: barris por dia de óleo equivalente cal: caloria J: Joule Btu: British Thermal Unit Wh: Watt-hora USgal: galão norte-americano k: quilo = um mil (103) M: mega = um milhão (106) G: giga = um bilhão (109) • FATORES DE CONVERSÃO COMPRIMENTO ÁREA VOLUME MASSA ENERGIA 1 ft = 0,3048 m 1 ft2 = 0,092903 m2 1 ft 3 = 0,0283 m3 1 lb = 0,45359 kg 1 J = 0,23884 cal 1 m = 3,281 ft 1m2 = 10,76 ft2 1m3 = 35,3147 ft3 1 kg = 2,2046 lb 1 cal = 4,1868 J 1 ft = 12 in 1 bbl = 0,1589 m3 1 t = 1.000 kg 1 J = 947,8 x 10-6 Btu 1 in = 2,54 cm 1 m3 = 6,2898 bbl 1 Btu = 252 cal 1 milha = 1,609 km 1 bbl = 158,94 l 1 J = 277,7 x 10-9 kWh 1 milha náutica = 1,852 km 1 m3 = 1.000 l 1 kWh = 3,6 MJ 1 bbl = 42,00 USgal 1 kWh = 860 kcal 1 USgal = 3,785 l 1 kcal = 1,163 x 10 -3 kWh Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 21 • Fatores de conversão aproximados Multiplique pelo fator da tabela para converter de um energético para outro: Para De 1 barril óleo equivalente 1 m3 óleo equivalente 1 tEP 1.000 m3 gás natural 106 kcal 106 Btu 1 MWh 1.000 ft3 gás natural 1 barril óleo equivalente 1 0,159 0,137 0,151 1,484 5,888 1,725 5,317 1 m3 óleo equivalente 6,290 1 0,864 0,947 9,332 37,03 10,85 33,45 1 tEP 7,279 1,157 1 1,097 10,80 42,86 12,56 38,73 1.000 m3 gás natural 6,641 1,056 0,912 1 9,849 39,08 11,45 35,31 106 kcal 0,674 0,107 0,093 0,102 1 3,968 1,163 3,586 106 Btu 0,170 0,027 0,023 0,026 0,252 1 0,293 0,904 1 MWh 0,580 0,092 0,080 0,087 0,860 3,412 1 3,083 1.000 ft3 gás natural 0,188 0,030 0,026 0,028 0,279 1,107 0,324 1 PODER CALORÍFICO SUPERIOR DOS COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Fator de Conversão (m3 para tep) Massa Específica (kg/m3) Poder Calorífico (kcal/kg) Poder Calorífico (kcal/l) Poder Calorífico (kJ/l) Petróleo 0,868 868 10.800 9.374 39,25 x 103 Óleo Diesel 0,848 852 10.750 9.159 38,35 x 103 Óleo Combustível 0,946 1013 10.090 10.217 42,78 x 103 Gasolina Automotiva (pura) 0,771 742 11.220 8.325 34,86 x 103 Gasolina Automotiva (com 20% de álcool) 0,721 750 10.394 7.795 32,64 x 103 Gasolina Automotiva (com 25% de álcool) 0,711 754 10.187 7.681 32,16 x 103 Gasolina de Aviação 0,759 726 11.290 8.197 34,32 x 103 Gás Liquefeito de Petróleo 0,601 552 11.750 6.486 27,16 x 103 Nafta Petroquímica 0,736 702 11.320 7.947 33,27 x 103 Querosene Iluminante e de Aviação 0,811 790 11.090 8.761 36,68 x 103 Álcool Etílico Anidro 0,520 791 7.090 5.608 23,48 x 103 Álcool Etílico Hidratado 0,496 809 6.650 5.380 22,52 x 103 Gás de Refinaria 0,636 780 8.800 6.864 28,74 x 103 Coque de Petróleo 0,819 1040 8.500 8.840 37,01 x 103 Asfaltos 0,954 1025 10.050 10.301 43,13 x 103 Lubrificantes 0,873 875 10.770 9.424 39,46 x 103 Solventes 0,771 741 11.240 8.329 34,87 x 103 Universidade Católica de Goiás – Depto. de Engenharia – Curso de ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Energia Elétrica – Bloco G – Área III – Prof. Luís Fernando 22 PODER CALORÍFICO SUPERIOR DOS COMBUSTÍVEIS GASOSOS Fator de Conversão (103 m3 para tep) Poder Calorífico (kcal/m3) Poder Calorífico (kJ/m3) Gás Natural Úmido 0,968 10.454 43,77 x 103 Gás Natural Seco 0,857 9.256 38,75 x 103 Gás de Coqueira 0,417 4.500 18,84 x 103 Gás Canalizado RJ 0,361 3.900 16,33 x 103 Gás Canalizado SP 0,435 4.700 19,68 x 103 PODER CALORÍFICO SUPERIOR DOS COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS Fator de Conversão (t para tep ) Poder Calorífico (kcal/kg) Poder Calorífico (kJ/kg) Carvão Vapor sem especificação 0,278 3.000 12,56 x 103 Carvão Vapor 3100 kcal/kg 0,287 3.100 12,98 x 103 Carvão Vapor 4500 kcal/kg 0,417 4.500 18,84 x 103 Carvão Vapor 6000 kcal/kg 0,556 6.000 25,12 x 103 Carvão Metalúrgico Nacional 0,630 6.800 28,47 x 103 Carvão Metalúrgico Importado 0,733 7.300 30,56 x 103 Carvão Vegetal 0,630 6.800 28,47 x 103 Coque de Carvão Mineral 0,676 7.300 30,56 x 103 Alcatrão 0,833 9.000 37,68 x 103 Lenha 0,306 3.300 13,82 x 103 Caldo de Cana 0,057 620 2,60 x 103 Melaço 0,179 1.930 8,08 x 103 Bagaço de Cana (com 50% de umidade) 0,209 2.257 9,45 x 103 Lixívia 0,281 3.030 12,69 x 103