Pre Projeto 3s4d53

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

Amanda Silva; Emerson Renne; Jeciane Carvalho; Júlia Ferreira; Lucas Marcell.

Pré-Projeto: Protótipo de uma Termelétrica

São Cristóvão 2016

Amanda Silva; Emerson Renne; Jeciane Carvalho; Júlia Ferreira; Lucas Marcell.

Pré-Projeto: Protótipo de uma Termelétrica

Trabalho apresentado à disciplina de Recursos Energéticos e o Meio Ambiente, do curso de engenharia mecânica, sob orientação do prof. José Aguiar, como requisito parcial para avaliação.

São Cristóvão 2016

1. Introdução Visto que o Brasil é um país rico em combustíveis fósseis, a termelétrica é ainda muito utilizada - 2ª maior fonte de energia elétrica – (Tecnogera, 2015). Deste modo, torna-se necessária uma discussão aprofundada a respeito deste tema, de modo que o objeto de estudo fique bastante esclarecido e ofereça uma base consistente para a criação de um protótipo de usina termelétrica utilizando-se materiais que estão ao alcance físico e financeiro da equipe. Energia termelétrica é o nome dado à produção de energia a partir da energia térmica gerada pela combustão de carvão mineral, gás ou petróleo – combustíveis fósseis - ou por outras fontes de calor, como a fissão do urânio238 ou U265 em usinas nucleares (Infoescola, 2011). Essas usinas funcionam de modo que se aquece uma caldeira com água, que, devido à energia térmica recebida da queima dos combustíveis acima citados, transforma-se em vapor, cuja força movimentará as pás de uma turbina estrategicamente agregada ao sistema. Essa movimentação vai gerar trabalho de eixo, que com ajuda de um gerador, se transformará em energia elétrica/eletricidade. As turbinas podem ser de dois tipos: turbina a gás (a dilatação dos gases resultantes da queima de um combustível ativa a turbina a gás, a qual está diretamente acoplada ao gerador onde é transformada em potência elétrica) e a turbina a vapor (que utiliza a energia cinética do vapor para a geração de energia elétrica). “As vantagens delas é que podem ser construídas próximas a centros urbanos, diminuindo as linhas de transmissões e desperdiçando menos energia. Também são usinas que produzem uma quantidade constante de energia elétrica durante o ano inteiro, ao contrário das hidrelétricas, que tem a produção dependente do nível dos rios. No Brasil, as térmicas complementam a matriz energética de hidrelétricas, sendo ligadas apenas quando há necessidade (como em períodos de estiagem).” (Portal Infoescola,2011)

Apesar de apresentar vantagens acima citadas, principalmente para regiões com grandes reservas de combustíveis fósseis (regiões sudeste e sul do Brasil) e com grandes demandas de energia, a termoeletricidade gera um grande impacto ambiental, influenciando de maneira direta ou indireta na biodiversidade do local onde é instalada e de regiões próximas. Por exemplo: “Outro problema das usinas termoelétricas é a grande contribuição que elas têm com o aquecimento global através do efeito estufa e de chuvas ácidas, devido a queima de combustíveis. No caso das usinas termoelétricas de Angra dos Reis que usam como fonte de calor energia nuclear, além da poluição térmica ainda existe o problema do lixo atômico, que até então não tem destino certo”. (Portal Infoescola, 2011)

2. Justificativa do Tema A geração de energia elétrica por meio de usinas termelétricas ainda é muito utilizada devido a algumas vantagens como a sua facilidade de construção e ao fato de poder ser instalada perto dos centros consumidores. Foi escolhida a termelétrica devido à pesquisa necessária e ao conhecimento que será adquirido, ao final do projeto, estudando esse sistema termodinâmico, tornando possível também aplicar o que já foi estudado na disciplina de Recursos Energéticos e o Meio Ambiente, como o ciclo térmico Rankine, sistema de cogeração e equipamentos como turbinas, caldeiras e geradores.

3. Objetivos do projeto 3.1 Objetivos gerais Elaborar um protótipo de uma termelétrica utilizando materiais simples e estudar os aspectos e principais configurações da geração termelétrica.

3.2 Objetivos específicos Estudar, entender e desenvolver uma mini usina termelétrica com o ciclo Rankine Bottoming (onde a turbina está ligada diretamente ao gerador), para entender melhor a funcionalidade de uma instalação desse tipo e adquirir conhecimento suficiente para compreender o porquê da utilização da mesma em diversas ocasiões levando em conta requisitos como material utilizado, impactos ambientais e eficiência energética, bem como analisar sua viabilidade e aplicabilidade no estado de Sergipe.

4. Fundamentação Teórica Na matriz energética brasileira a principal fonte de geração de energia elétrica são as hidrelétricas, “As usinas hidrelétricas são responsáveis pela geração de mais de 75% da eletricidade do País.” (Portal Brasil, 2010), devido ao fato de ter grade disponibilidade desse recurso e grande potencial hidráulico do Brasil. Porém, desde a crise de energia elétrica em 2001, houve um aumento de outra forma de geração de energia, as termelétricas. As usinas termelétricas surgem no Brasil, como uma segunda opção, como uma segurança na oferta de eletricidade, já que as hidrelétricas dependem de aspectos ambientais, como o regime de chuvas. “O uso das térmicas contribui para regular o nível das represas. Quando elas são acionadas, diminui a necessidade de geração das hidrelétricas, aliviando a pressão sobre o nível da água.” (SAKATE; DALTRO, 2013). Considerando

estes

fatores,

as

usinas

termelétricas

tornam-se

necessárias na matriz energética brasileira. Nas termelétricas, para a geração de energia, utiliza-se uma fonte de combustível não renovável, como o carvão mineral, gás natural, petróleo entre outros combustíveis. A figura 1 mostra de forma simplificada o esquema de uma termelétrica.

Figura 1: Esquema básico de geração de energia numa usina térmica

Fonte: http://www.fisicaevestibular.com.br/

Para o funcionamento da termelétrica, é necessário, basicamente, de uma caldeira, um combustível, uma turbina, que pode ser a turbina a vapor ou turbina a gás, um gerador elétrico e um condensador. A caldeira usada nas termelétricas serve para a geração de vapor, através do aquecimento da água. As turbinas são utilizadas para obter energia mecânica, que no caso da termelétrica, é através do vapor de água. E o gerador é utilizado para a conversão de energia mecânica em energia elétrica. “O calor gerado a partir destes elementos transforma em vapor a água presente em tubos localizados nas paredes da caldeira. Tal vapor, em condições de alta pressão, faz girar uma turbina, que aciona o gerador elétrico. Deste, a energia é conduzida até um transformador para ser distribuída para consumo, enquanto a água é resfriada em um condensador e redirecionada aos tubos da caldeira, para repetir o ciclo.” (ARAGUAIA, 2010).

A partir do entendimento do funcionamento, percebe-se a aplicação de um ciclo termodinâmico, o ciclo Rankine. “É um ciclo reversível que converte calor em trabalho. O calor é fornecido por uma fonte de calor externa para uma caldeira, sendo usualmente o fluido operante a água. Este ciclo gera cerca de 90% de toda a energia elétrica produzida no mundo.” (WISER, Wendell).

Outro ponto importante é observar que as termelétricas utilizam o sistema de cogeração, pois mesmo que o sistema seja muito eficiente, na prática, sempre haverá energia perdida em forma de calor. Uma forma de contornar isso é utilizar a cogeração que é o processo de produção de duas ou mais formas de energia ao mesmo tempo, a partir de um insumo energético. Na termelétrica isso ocorre quando os gases de exaustão que saem da turbina a vapor são direcionados ao trocador de calor, um condensador, e voltam, em forma líquida para a caldeira.

5. Metodologia Para a construção de uma mini usina termelétrica onde haverá geração de eletricidade, serão necessários alguns materiais. A seleção dos mesmos foi feita com base em sua disponibilidade e eficiência. O objetivo do projeto é ter tensão necessária para carregar a bateria de um celular, ou seja, o mínimo de cinco volts de tensão gerada.

5.1 Materiais necessários e Procedimento

A priori, para que caldeira gere vapor é necessário um combustível. O combustível escolhido foi o álcool, pois como a geração de energia será pequena, o mesmo atenderá as necessidades. O combustível será colocado em uma fornalha que será uma lata de sardinha vazia. Esta escolha foi feita devido ao fato do material da lata ser aço, uma liga metálica de grande resistência mecânica e fácil de adquirir. A caldeira será uma lata de alumínio, provavelmente alguma utilizada para armazenar refrigerante. Nela será colocada a água, e realizado um pequeno furo para a saída vapor de água. Esse vapor será direcionado com grande pressão para a turbina, feita a partir de um cooler de computador, mais especificamente, será um motor com a hélice do cooler. Como trata-se um

sistema de conversão de energia de pequeno porte, o vapor irá direto para o gerador. Entretanto, nem todo calor que sai da turbina é aproveitado. Desse modo, o protótipo contará com um condensador que é basicamente um trocador de calor e transformará o vapor de água não aproveitado na turbina em líquido novamente. Depois, este líquido condensado (água) será bombeado de volta para a caldeira, e dará início a um novo ciclo. Esse será o maior desafio para o projeto prático, pois para que o condensador se torne viável, será necessário isolar a saída do vapor. Sendo assim, pensou-se em fazer este isolamento através de uma casa de força, onde ficará o motor e serão utilizados tubos, que levarão o vapor para um recipiente de plástico contendo água através de tubos, chamados de serpentinas, onde os mesmos trocarão calor e sendo assim, ocorrerá a condensação. E, por fim, para verificar se o sistema está gerando energia elétrica, será utilizado um multímetro, instrumento que irá medir a tensão elétrica, e será conectado a dois fios terminais, com tensão, que sairá do motor (gerador). Podendo, assim, verificar se a conversão de energia térmica para elétrica, realmente irá funcionar.

6. Referências Bibliográficas

HINRICHS, Roger A. e KLEINBACH, Merlin (2008). Energia e meio ambiente. 3ª edição. WISER, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Portal Brasil. Disponível em: . o em: 27 de agosto de 2016. Disponível em: . o em: 27 de agosto de 2016. Disponível em: . o em: 27 de agosto de 2016. Infoescola. Disponível em: . o em: 27/08/2016. Tecnogeradores. Disponível em: . o em: 27/08/2016. ARAGUAIA, Mariana. Disponível em: . o em: 27 de agosto de 2016.