Escrito por João Lucas Soares
Cerca de 22% da matriz elétrica brasileira é termelétrica e, embora a terminologia da palavra seja simples (“termo” diz respeito a calor, temperatura, e “elétrica” a eletricidade), existem diferentes tipos de usinas termelétricas (UTEs). Todas as UTEs têm como princípio de funcionamento uma máquina térmica acoplada a um gerador.
Entendendo o termo: Máquina térmica é um dispositivo capaz de gerar trabalho mecânico (energia em forma de movimento) a partir de calor, através de processos termodinâmicos em um fluido de trabalho. A definição parece abrangente, visto que diversos aparelhos capazes de transformar calor em trabalho mecânico foram inventados e aperfeiçoados ao longo do tempo.
Em geral, uma máquina térmica opera em ciclos termodinâmicos. Isso significa que o fluido de trabalho sofre processos (alteração de volume, temperatura e/ou pressão) e retorna ao estado inicial. Em alguns casos, como motores a combustão e turbinas, isso não ocorre, ainda que o equipamento opere segundo um ciclo mecânico. Tais ciclos são chamados de “ciclos abertos”.
Em usinas termelétricas, existem 4 tipos de máquinas térmicas utilizadas:
(i) motores de combustão ciclo Otto;
(ii) motores de combustão ciclo Diesel;
(iii) turbinas (ciclo Brayton);
(iv) unidade motora a vapor ciclo Rankine. Os motores a combustão e turbinas utilizam ar como fluido de trabalho e o ciclo Rankine utiliza a água.
Ciclo Otto e Diesel
O ciclo Otto e o ciclo Diesel são semelhantes entre si, visto que ambos realizam trabalho através do movimento de pistões em um cilindro. O ciclo é dado por 4 etapas (processos termodinâmicos):
(i) admissão e compressão de ar + combustível;
(ii) combustão da mistura ar + combustível;
(iii) expansão dos produtos da combustão;
(iv) rejeição de calor dos produtos da combustão.
Existem pequenas diferenças entre o ciclo Diesel e o Otto, entre elas o tipo de combustão, o tamanho do percurso do pistão, e a necessidade de centelha para a combustão no ciclo Otto. Geralmente, ciclos Otto utilizam gás natural, gasolina ou etanol como combustível e, ciclo Diesel, como o próprio nome sugere, utiliza diesel ou biodiesel.
Ciclo de Brayton
O ciclo de Brayton (turbinas), por sua vez, tem um funcionamento diferente, embora também seja um ciclo aberto. Ele se inicia com o ar sendo comprimido através de um compressor. Após a compressão, o ar vai para uma câmara de combustão, onde ocorre a mistura com o combustível e então acontece a combustão. Em seguida, com alta pressão e temperatura, o ar é expandido e passa por uma turbina, fazendo-a girar. A turbina e o compressor compartilham o mesmo eixo, de modo que a compressão de ar ocorra a partir do movimento da turbina e, neste mesmo eixo, acopla-se o gerador, responsável por transformar a energia mecânica em energia elétrica.
São comuns ciclos com 2 estágios de compressão (2 compressores) e 2 estágios de expansão (2 turbinas). Da mesma forma, também é comum a inclusão de um trocador de calor entre os gases quentes que saem da turbina e o ar comprimido após o compressor. Isso faz com que a eficiência do ciclo melhore.
Ciclo de Rankine
Por fim, temos o ciclo de Rankine, utilizado em térmicas a carvão, nucleares, biomassa e gás natural. É um ciclo fechado que utiliza a água como fluido de trabalho, diferente dos outros ciclos que utilizam combustível. Nele, primeiramente a água é bombeada para uma caldeira, que é aquecida até virar vapor. O vapor, por sua vez, expande passando por uma turbina e, após perder temperatura e pressão na expansão, passa por um condensador, onde retorna ao estado líquido. A mudança de estado da água ocorre por 2 grandes motivos: é mais fácil bombear água no estado líquido do que gasoso e, além disso, a turbina tem maior rendimento e vida útil quando se utiliza gás (vapor).
Também é comum nesse ciclo algumas melhorias para que sua eficiência aumente, como: compressão ou expansão em 2 ou mais estágios, aquecimento da água entre os 2 estágios de compressão, entre outros. O processo de condensação do ciclo Rankine, em geral, exige muita água, pois utiliza da troca de calor entre água corrente (fria) e a água do ciclo (quente) para que haja a sua condensação. Quando o suprimento de água é limitado, pode-se utilizar uma torre de resfriamento. O lançamento de água morna ou quente pode causar poluição térmica nos corpos d’água e, por isso, deve seguir as diretrizes ambientais locais.
Também é comum associar ciclos Brayton e Rankine, no chamado de “ciclo combinado”. Utilizam-se os gases quentes que saem da turbina (Brayton) para aquecer a água na caldeira do ciclo Rankine, tornando o processo mais eficiente. O ciclo Rankine tem um maior tempo de acionamento, comparado com os ciclos Brayton, Otto e Diesel.