Como funcionam Usinas Térmicas?

Uma usina termoelétrica, também chamada de central térmica, gera elétrica a partir da energia térmica, em sua maior parte através de turbinas movidas a vapor. Um volume de água é aquecido pela queima (ou processo físico-químico no caso das usinas termonucleares) de algum combustível, transforma-se em vapor e gira uma turbina que aciona um gerador elétrico. Este gerador está ligado a um transformador que envia a energia elétrica para os consumidores através dos sistemas de transmissão de alta voltagem.

As peças principais usadas pelas usinas térmicas podem ser observadas, de maneira simplificada, pela Figura 1. O trabalho inicial de uma usina térmica é transportar o combustível, a energia armazenada de forma química, para o forno/caldeira onde sua queima gera o calor que evapora a água. Este vapor superaquecido aciona uma máquina giratória chamada turbina e, em seguida, a energia mecânica desta turbina através do processo cinético da rotação vai acionar um gerador elétrico. A eletricidade é transmitida para um transformador para se adequar à voltagem das linhas de transmissão para as longas distâncias onde serão consumidas. Os subprodutos gerados são a fumaça do combustível queimado, que sai pelo exaustor, e parte do vapor, que é resfriado e sai pelo condensador após a passagem pela turbina.

Figura 1: Esquema de uma Usina Térmica convencional

Fonte: Reprodução Internet com Elaboração CBIE

As usinas térmicas possuem unidades geradoras que produzem energia elétrica, como explicado acima, além de uma sala de controle e um sistema de resfriamento, que pode ser composto por torres de condensação ou radiadores, como observado nas fotos da Figura 2.

Figura 2: Infraestrutura de Usinas Térmicas

Fonte: Wärtsilä e Petrobras

As grandes vantagens da geração termoelétrica são sua potência e flexibilidade de utilização, podendo ter sua operação iniciada e interrompida de acordo com a disponibilidade de combustível. As usinas térmicas podem gerar tanta energia porque queimam enormes quantidades de combustível, e cada parte desse combustível é intensivo em energia. Em termos de potência, um quilograma de carvão ou um litro de óleo contém cerca de 30 Megajoules (MJ) de energia, equivalente a milhares de baterias de 1,5 volts.

Em termos de flexibilidade, há uma dezena de combustíveis que são utilizados. Inclusive, algumas usinas são multi-combustíveis. Em sua maior parte, as térmicas utilizam combustíveis fósseis, que podem ser sólidos (carvão), líquidos (óleo combustível ou diesel) ou gasosos (gás natural). Existem também usinas térmicas que utilizam resíduos urbanos ou rurais para queima, inclusive biocombustível. As usinas termonucleares são um pouco diferentes, pois utilizam o processo físico da fissão nuclear para gerar o calor necessário para transformar água em vapor, girar a turbina e acionar o gerador.

O setor elétrico utiliza usinas termoelétricas desde o final do século XIX com a adoção das turbinas a vapor. Na época, esta geração era muito ineficiente quando comparadas às usinas modernas. Na história do desenvolvimento das usinas térmicas, um fator muito buscado foi o da eficiência de conversão energética, isto é, transformar a energia armazenada de forma físico-química no combustível em energia elétrica. As usinas simples, que queimam carvão por exemplo, atingem um percentual de eficiência de geração entre 20% e 38%. Mesmo as mais avançadas usinas com outros combustíveis fósseis atingem no máximo 45%.

Eventualmente, as usinas passaram a adotar o ciclo combinado de geração, que é a recuperação e utilização do calor dos gases de exaustão produzidos na queima de combustível para gerar vapor em outra caldeira. Este outro vapor por sua vez movimenta outra turbina a vapor, de modo que a usina de ciclo combinado possui dois geradores. O primeiro ciclo térmico é conhecido como ciclo de gás Brayton e o segundo é o ciclo de vapor Rankine, conforme observado na Figura 3. Estas usinas de ciclo combinado atingem uma eficiência de geração muito maior, de 55% a 60%, podendo alcançar até 64% quando operando ininterruptamente.

Figura 3: Esquema de uma Usina Térmica de Ciclo Combinado

Fonte: USP – Departamento de Engenharia Elétrica / Reprodução Internet

Atualmente, as usinas térmicas estão na base dos sistemas de geração elétrica de quase todos os países desenvolvidos do mundo e muitos em desenvolvimento. Um dia, poderemos produzir toda a nossa eletricidade de uma maneira completamente eficiente e limpa por meio da Transição Energética. Até então, as usinas de energia térmica são vitais para manter o funcionamento da vida moderna.

(Fonte: CBIE)