Geração e Distribuição de Energia

Geração e Distribuição de Energia

(Parte 3 de 5)

Os termos energia atômica e energia nuclear são sinônimos e definem o mesmo conceito. A razão para esse nome duplo é histórica.

A fissão nuclear é a reação na qual um núcleo pesado, quando bombardeado por nêutrons, dividem-se em dois núcleos, um com aproximadamente metade da massa do outro. Esta reação libera uma grande quantidade de energia e emite dois ou três nêutrons. Estes por sua vez podem causar outras fissões interagindo com outros núcleos que vão emitir novos nêutrons, e assim por diante, proporcionando uma liberação de energia em progressão geométrica. Este efeito é conhecido como reação em cadeia. Em uma fração de segundos o numero de núcleos que foram divididos liberam 106 vezes mais energia do que a obtida na explosão de um bloco de dinamite de mesma massa. Em vista da velocidade com que a reação nuclear ocorre, a energia é liberada muito mais rapidamente do que em uma reação química. Este é o princípio no qual a bomba nuclear é baseado. As condições sob as quais a bomba atômica foi descoberta e construída fazem parte da historia da humanidade e é familiar a todo mundo.

Se, por outro lado, apenas um desses nêutrons liberados produzir apenas uma fissão, o numero de fissões por segundo passa a ser constante e a reação é controlada. Este é o principio de operação no qual os reatores nucleares são baseados, os quais são fontes controláveis de energia proveniente de fissões nucleares.

A maioria dos reatores usa como combustível o urânio enriquecido, em que a porcentagem de U-235 é elevada de 1 para 3. O urânio, normalmente em forma de óxido, encontra-se acondicionado no interior de longas hastes. Estas são arranjadas paralelamente, formando elementos cilíndricos. Inicia-se a reação em cadeia bombardeando com nêutrons esses elementos de combustível. Ao se fissionarem, os núcleos de U-235 liberam nêutrons animados de alta energia para que estes possam ser usados na fissão de novos núcleos, sua velocidade de deslocamento precisa ser reduzida.

Nesse momento, entra em cena um moderador, substância que envolve os elementos de combustível no núcleo do reator. Os moderador mais comuns são a água pesada e o grafite.

Regula-se a taxa com que se dá a reação em cadeia por meio de hastes de controle, que podem ser introduzidas entre tubos de combustível. As hastes são feitas de materiais capazes de absorver nêutrons: quanto mais nêutrons forem absorvidos, menos núcleos experimentam a fissão e menor a energia produzida. O calor gerado na reação nuclear é absorvido no circuito de refrigeração. Na ausência deste, o núcleo do reator aqueceria de tal forma que acabaria por derreter.

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Há dois tipos básicos de reatores nucleares modernos. O primeiro deles emprega grafite como moderador e um gás no circuito de refrigeração. O segundo utiliza água pesada como moderador e água comum pressurizada como refrigerante. A água é mantida sob uma pressão tão alta que, mesmo em temperaturas na faixa de 300 graus centígrados, mantém seu estado liquido.

Figura 2.4.2 – Partes componentes de uma usina nuclear

Em ambos os tipos de reator, o fluido refrigerante passa através de um trocador de calor que contém água comum com o intuito de se transformar em vapor. Este vapor é usado para mover uma turbina, que por sua vez gera eletricidade.

Depois de alguns anos o U-235 presente no urânio esgota-se. As hastes que contém o combustível são então retiradas e em seguida enviadas a uma usina de reprocessamento, onde se realiza a separação de componentes aproveitáveis. Os principais são o próprio urânio e o plutônio, bastante utilizado na confecção de artefatos nucleares.

O plutônio é formado nos reatores pela absorção de nêutrons pelos núcleos de U-238.

Um novo tipo de reator, chamado de enriquecimento rápido, produz quantidades bem mais elevadas de plutônio.

Para que possam funcionar, esses reatores de enriquecimento rápido exigem a disponibilidade de uma enorme quantidade de nêutrons, uma vez que grande parcela deles é absorvida pelos núcleos de U-238.

Como deve restar um fluxo de nêutrons suficiente para manter a reação em cadeia do U- 235, os reatores de enriquecimento rápido trabalham apenas com nêutrons rápidos. Em outras palavras, não contam com um moderador. Em compensação, exigem que o circuito de refrigeração seja preenchido por uma substância capaz de absorver as altas quantidades de calor resultantes - por exemplo sódio liqüefeito.

Além de alimentar a indústria de armamentos nucleares, o plutônio produzido nos reatores é armazenado, para uso no futuro em reatores que o utilizem como combustível .

Em muitos países a utilização da energia nuclear é tão grande que ultrapassa 60% de toda a energia gerada. A tabela a seguir mostra o quanto alguns países produzem de energia nuclear em relação ao total de energia gerada.

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PaísEletricidade de origem nuclear França 70%

Bélgica 67% Suécia 50% Suíça 39%

Alemanha 30% Espanha 29% Japão 25%

Tabela 2.1 – Percentual de eletricidade de origem nuclear

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As primeiras turbinas a gás foram idealizadas a mais de 150 anos. No entanto o desenvolvimento e a implementação dessa tecnologia foi dificultada por uma série de motivos. Destacamos entre eles:

•A máquina a vapor era o grande avanço da engenharia na época, e todo o desenvolvimento industrial estava fundamentado neste tipo de máquina. Portanto, para que houvesse concorrência, um novo tipo de máquina teria que possuir níveis de rendimento muito altos, o que só era possível a temperaturas próximas de 500oC. Essas temperaturas só foram alcançadas nos últimos 50 anos com o avanço da metalurgia que passou a fornecer materiais que suportassem esses níveis de temperatura por longos períodos de tempo.

•Em função do número excessivo de estágios do turbocompressor, a potência para instalações estacionárias era limitada. Apesar dos avanços consideráveis na resolução deste problema, ele ainda ocupa a cabeça de muitos engenheiros encarregados de desenvolver esta tecnologia.

•baixo rendimento dos compressores resultavam em um baixo rendimento para a instalação, problemas estes que só foram resolvidos nas últimas décadas através do desenvolvimento da mecânica dos fluidos, das técnicas construtivas, da teoria dos modelos e dos respectivos ensaios, que permitiram a fabricação de turbocompressores com rendimentos superiores a 85%.

Não há duvidas que os grandes avanços tecnológicos que viabilizaram o desenvolvimento das turbinas a gás são mérito da indústria aeronáutica que, necessitando aumentar a velocidade dos aviões, abandonaram os motores a pistão para se dedicarem ao desenvolvimento de motores a reação. Desta forma surgiram o primeiro turboélices e turbojatos na Segunda guerra mundial.

Figura 2.5.1 – Grupo gerador a gás com turbina em circuito aberto

De uma forma bem geral podemos classificar as instalações de turbinas a gás em dois grandes grupos: Turbinas a gás em circuito aberto e Turbinas a gás em circuito fechado.

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2.5.1TURBINAS A GÁS EM CIRCUITO ABERTO

As instalações das turbinas a gás em circuito aberto, estacionárias, podem ser com ou sem recuperação. Neste tipo de instalação encontram-se os motores a reação turboélice e turbojato.

O princípio de funcionamento dos motores a reação é simples. No item 2.2 vimos o funcionamento dos motores a pistão. Esses motores utilizam a força exercida nos pistões devida a rápida expansão dos gases em função da explosão. Como já sabemos, a toda força que exerce uma ação corresponde uma força de reação de mesma intensidade, mas com o sentido oposto ao da força atuante. Na figura 2.5.2 estão representadas, de forma simplificada, as forças que atuam em um cilindro quando ocorre a combustão no seu interior.

Figura 2.5.2 - forças atuantes em um cilindro com pistão

Em função do princípio da ação e reação, as forças que agem nas laterais do cilindro se anulam, uma vez que a superfície é cilíndrica. A força que provoca o deslocamento do pistão é equilibrada por outra de mesma intensidade no fundo do cilindro, provocando também o seu deslocamento se nenhum vínculo existir para impedir. Dizemos que o pistão sofre um deslocamento pela “ação” de uma força, enquanto o cilindro é deslocado pela “reação” de uma força de igual modulo e direção, porem no sentido contrário. Normalmente utilizamos a ação e procuramos eliminar a reação através de vínculos. Isto ocorre, por exemplo, em todos os motores a pistão, em fuzis, metralhadoras , canhões, etc. Nos motores a reação, a idéia é usar a força de reação. No entanto essa força é de curta duração, como a força do recuo de um tiro. Contudo, se usarmos uma metralhadora que dispara milhares de tiros por minuto, essa força terá maior duração, mas com grandes oscilações. A amplitude das oscilações pode ser reduzida diminuindo-se os tamanhos dos projéteis. Se essas dimensões tenderem a zero, também essas amplitudes o farão. O escoamento contínuo de um gás corresponde a realização prática desse princípio. Uma vez que as moléculas do gás representarão os elementos expelidos em dimensões diminutas, logo teremos uma força de reação constante. Como em um balão de borracha cheio onde o ar é expulso através de uma abertura.

A figura acima representa uma esfera oca, com uma abertura por onde escoa continuamente uma massa m de fluido a uma velocidade c. Consequentemente ela sofrerá uma reação ou impulsão com uma força F de módulo igual a:

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Desta forma, quanto maior a massa de gás que sai da esfera por unidade de tempo, maior a velocidade para a mesma seção, logo, maior a reação.

Figura 2.5.3 – Força de reação

Este é o princípio de funcionamento dos motores a reação, dos quais fazem parte o

Turboélice, motojato, turbojato, pulsojato, estatorreator ou impactorreator e o foguete.

Se fixarmos essas máquinas e colocarmos na saída uma hélice, podemos transformar a energia cinética do gás de escape, que sai por causa da diferença de pressão entre o interior e o exterior, em energia cinética de rotação. Essa energia cinética de rotação pode ser transmitida a um gerador através de um eixo acoplado as hélices.

Figura 2.5.4 – Principio de funcionamento do rotor

Este é o princípio de funcionamento da turbina a gás em circuito aberto. Este tipo de instalação possui um rendimento médio em torno de 30%. O combustível utilizado é o gás natural. Em seguida é mostrado, de uma forma simplificada, o ciclo teórico para o funcionamento da turbina.

Figura 2.5.5 – Turbina

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Em um ciclo simples da turbina, o ar a baixa pressão entra em um compressor (estado 1) onde tem sua pressão elevada (estado 2). O combustível é adicionado ao ar comprimido e enviado à câmara de combustão onde ocorre o processo de combustão. O produto desta combustão entra na turbina (estado 3) e se expande para o estado 4. Uma parte do trabalho produzido é utilizado para fazer o compressor funcionar e o restante é utilizado para fazer funcionar o equipamento auxiliar e produzir energia elétrica.

O ciclo de Bryton descreve um ciclo simplificado de uma turbina a gás. As quatro etapas do ciclo são:

(1-2) Compressão adiabática (2-3) Aquecimento isobárico, isto é, a pressão constante (3-4) Expansão adiabática (4-1) Resfriamento isobárico.

Os diagramas p x v (pressão x volume) e T x s (temperatura x entropia) são mostrados a seguir.

Figura 2.5.6 – Ciclo de Bryton

2.5.2TURBINAS A GÁS EM CIRCUITO FECHADO.

Instalações com turbinas a gás em circuito fechado, onde a combustão ocorre fora do circuito e o funcionamento é semelhante ao das turbinas a vapor, com a diferença que o fluido utilizado é um gás, podendo ser o próprio ar ou outro gás como o hélio por exemplo.

Nas turbinas a gás com circuito fechado o fluido a baixas temperaturas (ambiente) passa por um estágio de compressão onde 2 ou mais turbocompressores elevam a pressão do gás em torno de 5 vezes. Após o estágio de compressão o gás é aquecido, aproveitando-se o calor da saída da turbina e passando por uma caldeira, até atingir temperaturas superiores a 700oC de onde vai para a entrada das turbinas.

As turbinas funcionam por diferença de pressão, ou seja, aproveitam a energia cinética do gás que passa de um lugar de da alta para um lugar de baixa pressão. Após passar por alguns estágios de turbinas o gás volta a pressão inicial e passa por um trocador de calor onde préaquece o gás que entra no aquecedor, abaixando a sua temperatura para perto de 100oC. O gás então é resfriado e retorna a sua condição inicial recomeçando o ciclo.

O esquema mostrado a seguir proporciona uma visão de como ocorre o processo a partir da compressão do gás, até a sua expansão após a passagem pela turbina de baixa pressão. Para entender o funcionamento basta acompanhar os valores de temperatura e pressão em cada etapa do processo.

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Figura 2.5.7 – Esquema geral de uma central térmica a gás em circuito fechado.

1 – Turbocompressor de baixa pressão. 2 – Turbocompressor de alta pressão. 3 – Turbina de alta pressão. 4 – Redutor. 5 – Turbina de baixa pressão. 6 – Pré-refrigerador. 7 – Refrigerador intermediário. 8 – Trocador de calor. 9 – Aquecedor de ar.

Note que a turbina a gás em circuito fechado não usa o gás como combustível. A combustão é feita com qualquer produto combustível com a intenção de fornecer energia térmica ao sistema. O gás é utilizado apenas como o fluido que transforma a energia térmica em energia cinética para tocar as turbinas. Por exemplo existem usinas nucleares que utilizam o sistema de turbinas a gás em circuito fechado para geração de energia elétrica, onde a energia térmica é gerada a partir de combustível nuclear.

Figura 2.5.8 – Ciclos teóricos da turbina a gás com circuito fechado (Carnot, Ericsson)

Esse tipo de turbina utiliza o ciclo básico teórico de Carnot com duas isotérmicas e duas adiabáticas tal como mostrado na figura 2.5.8, que é aproximado na prática pelo ciclo de Ackeret e Keller onde a compressão isotérmica 1,2 é substituída por compressões adiabáticas e

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Módulo 4 – Geração de Energia refrigeração isobárica enquanto a expansão isotérmica 3,4 é substituída por expansões adiabáticas e aquecimentos isobáricos.

Figura 2.5.9 – Ciclo de trabalho da turbina a gás com circuito fechado (Ackeret e Keller)

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2.6TURBINAS EÓLICAS

Para se entender o funcionamento da turbina eólica faz-se necessário conhecer um pouco da origem da energia transformada em eletricidade por esses equipamentos que, apesar de seu princípio de funcionamento aparentemente simples, são hoje o que existe de mais moderno na área de geração de energia elétrica para fins comerciais.

Toda a energia renovável (exceto a geotérmica e a das marés), bem como a energia dos combustíveis fósseis, são provenientes do Sol. O sol irradia 1014 kwh por hora de energia para a terra. Cerca de 1 a 2% dessa energia proveniente do Sol é convertida em energia eólica. Isto corresponde a cerca de 50 a 100 vezes mais do que a energia convertida em biomassa por todas as plantas do planeta.

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