O uso do gás natural na produção de energia elétrica pode ser para geração exclusiva de eletricidade ou para cogeração, onde são gerados calor e eletricidade. No caso da produção exclusiva de eletricidade, a usina pode ser de ciclo termodinâmico de Brayton, também conhecido por ciclo simples, ou ciclo combinado, que é a combinação do ciclo termodinâmico de Brayton e de Rankine.
3.1.1 Termelétrica de ciclo Rankine
O ciclo termodinâmico a vapor, que pode também ser chamado de ciclo de condensação ou ciclo a vapor, é a tecnologia mais antiga na geração de eletricidade e é baseado no ciclo de Rankine. Por possuir combustão externa, pode-se utilizar inúmeros tipos de combustível, tais como gás natural, carvão, biomassa, entre outros (EPE, 2016a). Resumidamente, o funcionamento da termelétrica de ciclo a vapor movida a GN funciona da seguinte maneira: a queima do gás natural gera calor que irá transformar a água presente na caldeira em vapor de alta pressão. Em seguida este vapor irá passar por um super aquecimento com intuito de diminuir sua umidade relativa. O vapor irá mover a turbina ao chocar com suas pás devido a sua alta velocidade e pressão, convertendo energia potencial em energia mecânica. O gerador acoplado no rotor irá girar na mesma velocidade do rotor, produzindo energia elétrica. Após passar pelas pás da turbina, o vapor perde boa parte de sua energia, voltando a uma baixa pressão. Esse vapor de baixa pressão irá passar pelo condensador, onde será convertido em água novamente e depois voltará para a caldeira, para ser re-aquecida e será repetido o ciclo (WOODRUFF; LAMMERS; LAMMERS, 2012). A Figura 3.1 apresenta os componentes básicos de uma
termelétrica que opera segundo o ciclo Rankine.
Legenda: TV (turbina a vapor).
Figura 3.1: Componentes básicos de uma usina termelétrica a vapor Fonte: EPE (2016a)
Este tipo de usina possui uma e ciência teórica entre 42% e 44%. Esta e ci- ência é menor em plantas que não estiverem operando em condições ideais de pressão e temperatura. Vale, ainda, ressaltar que uma das principais vantagens deste tipo de terme- létrica é a possibilidade de se ter altas capacidades unitárias e as consequentes economias de escala (EPE, 2016a).
3.1.2 Termelétrica a gás de ciclo Brayton
Esse tipo de usina caracteriza-se por possuir uma partida rápida, sendo bas- tante utilizada para atender demanda em horários de pico. E, como já foi mencionado anteriormente, nesse tipo de termelétrica o único produto nal será eletricidade.
A termelétrica a gás de ciclo Brayton, também chamada de termelétrica de ciclo simples, consiste em uma turbina a gás conectada a um gerador elétrico. O princípio de funcionamento dessa turbina é baseado no ciclo termodinâmico de Brayton aberto. A usina a gás de ciclo Brayton é composta por compressor, câmara de combustão e pela turbina a gás propriamente dita. No compressor será comprimido o ar, e, depois, na câmara de combustão, será adicionado energia ao ar através da queima de combustível. Este combustível queimado pode ser óleo diesel, querosene, gás natural, entre outros. O processo exotérmico resultante da reação ocorrida na câmara de combustão gera gases que se expandem na turbina a gás, provocando o seu movimento. A rotação do eixo da turbina irá acionar o gerador elétrico, produzindo assim eletricidade (BORGES; CARVALHO, 2012). A Figura 3.2 ilustra os componentes de uma termelétrica que opera segundo o ciclo Brayton.
Figura 3.2: Componentes de uma termelétrica operando segundo o ciclo Brayton Fonte: Adaptado de (BORGES; CARVALHO, 2012)
Existem dois tipos de usinas termelétricas a ciclo simples, as máquinas indus- triais (heavy duty) e as aeroderivativas, ambas turbinas com tecnologia bastante madura. As turbinas heavy duty possuem exibilidade no uso de combustível, alta con abilidade e baixo custo, e são bastante robustas. Esse tipo de turbina pode atingir uma potência unitária de 340MW e é bastante utilizada na geração de eletricidade operando na base. Já as turbinas aeroderivativas ocupam pouco espaço e possuem exibilidade na manutenção, alta con abilidade e maior e ciência. Esse tipo de turbina pode atingir uma potência de até 50MW e é bastante utilizada em potência de pico em termelétrica (EPE, 2016a). A escolha do tipo de turbina a ser utilizada irá depender das especi cações da aplicação.
As usinas de ciclo Brayton possuem a desvantagem de possuir uma e ciên- cia baixa quando comparada as outras tecnologias de geração termelétrica. A e ciência teórica das usinas de ciclo simples industriais é de no máximo 37% e das usinas de ciclo simples aeroderivativas de no máximo 42%. Entretanto, dentre as suas vantagens estão o baixo custo de investimento, curto período de construção e segurança na operação (MME, 2007).
3.1.3 Termelétrica a gás de ciclo combinado
A tecnologia do ciclo combinado é relativamente recente, e tem passado por processo de expansão em vários países. Esse tipo de usina consiste na operação conjunta de turbinas movidas a gás e a vapor. A termelétrica de ciclo combinado tem o mesmos componentes básicos da de ciclo Brayton. Porém, no ciclo combinado o calor exaurido da turbina a gás é utilizado para produzir vapor que será conduzido à turbina a vapor e
gerar energia elétrica adicional.
O princípio de funcionamento do ciclo combinado é baseado nos ciclos Brayton e Rankine. Existem três con gurações de ciclo combinado: série, paralelo e série/paralelo. No ciclo combinado em série, os gases de exaustão da turbina a gás são utilizados em uma caldeira de recuperação para geração do vapor que será fornecido a turbina a vapor. No ciclo combinado em paralelo, o combustível é utilizado para gerar calor nos dois ciclos. E, no ciclo combinado em série/paralelo, o funcionamento se assemelha ao em série, adicionando apenas a queima de combustível na caldeira de recuperação. A Figura 3.3 apresenta esquemas simpli cados destes três tipos de ciclo combinado.
Figura 3.3: Ciclo combinado em série, paralelo e série/paralelo Fonte: EPE (2016a)
Esse tipo de termelétrica exige um investimento inicial maior que o da usina de ciclo simples. Entretanto, as turbinas de ciclo combinado possuem e ciência de até 60% (ciclo combinado em série) superior a média de 37% das turbinas de ciclo simples. É importante enfatizar que enquanto a turbina a gás pode ser controlada rapidamente apenas alterando a injeção de gás na câmara de combustão, o tempo de resposta do ciclo a vapor é mais lento devido a sua inércia térmica. Desta forma, o tempo que leva para atingir a plena carga em uma termelétrica de ciclo combinado é muito maior que uma de ciclo simples (IEA, 2012).
3.1.4 Termelétrica de cogeração
A cogeração consiste na produção simultânea e sequencial de calor útil e ener- gia elétrica ou mecânica. Esse tipo de geração busca melhorar o aproveitamento energético do combustível, aproveitando o calor rejeitado pelos ciclos de potência em processos in- dustriais ou em condicionamento ou aquecimento de ambientes (EPE, 2016a).
Existem duas con gurações de sistemas de cogeração com turbinas a vapor, o topping e o bottoming (MME, 2007). Na con guração topping, o combustível é queimado em uma máquina térmica para produção de energia mecânica ou elétrica e o calor rejeitado é utilizado em forma de calor útil em algum processo. O calor fornecido pode ser utilizado em processos para aquecimento ou refrigeração. Já na con guração bottoming, a energia térmica rejeitada é utilizada em caldeiras recuperadoras para a geração de vapor. Esse vapor é utilizado como uído de acionamento em um turbogerador para produzir energia mecânica. Os esquemas simpli cados destas duas con gurações são apresentados nas Figuras 3.4 e 3.5.
Figura 3.4: Con guração Topping Fonte: MME (2007)
Figura 3.5: Con guração Bottoming Fonte: EDUCOGEN (2001)
Os sistemas de cogeração topping são os mais utilizados. Esse tipo de con - guração tem um grande potencial de expansão no setor de serviços, tais como shoppings centers e hospitais.
A viabilidade econômica de uma térmica de cogeração varia de acordo com sua localização geográ ca e as condições de mercado. Um aspecto positivo, do ponto de vista ambiental, da térmica de cogeração é a redução do volume de gases lançados na atmosfera.