Como funciona uma usina termoelétrica?

Em Dicas de ciências por André M. Coelho

Não faz muito tempo, os alquimistas sonhavam em transformar metais baratos e feios em valiosos como o ouro. Usinas de energia (também chamadas de usinas elétricas) realizam um truque similar, convertendo pedaços de carvão e gotas de óleo em corrente elétrica que podem cozinhar seu jantar ou carregar seu telefone. Se não fosse por usinas de energia termoelétrica, eu não estaria escrevendo essas palavras agora – e você não as estaria lendo. Na verdade, a maioria das coisas que fazemos todos os dias e muitas das coisas que usamos têm uma dívida oculta de gratidão por essas gigantescas fábricas de energia, que transformam “combustíveis fósseis” (carvão, gás natural e petróleo) em energia elétrica.

O que é uma usina termoelétrica?

Uma única grande usina de energia pode gerar eletricidade suficiente (cerca de 2 gigawatts, 2.000 megawatts ou 2.000.000.000 watts) para suprir algumas centenas de milhares de residências, e a mesma quantidade de energia que você poderia fazer com cerca de 1000 turbinas eólicas trabalhando juntas. Mas a esplêndida ciência por trás desse truque tem menos a ver com a usina do que com o combustível que queima. A verdadeira magia não é que as usinas transformem combustível em eletricidade: é que mesmo pequenas quantidades de combustíveis fósseis contêm grandes quantidades de energia. Um quilograma de carvão ou um litro de óleo contém cerca de 30MJ de energia – uma quantidade enorme, equivalente a uns poucos milhares de baterias de 1,5 volts. O trabalho de uma usina de energia é liberar essa energia química como calor, usar o calor para acionar uma máquina de fiação chamada turbina e depois usar a turbina para alimentar um gerador (máquina de produção de eletricidade). As usinas de energia podem produzir tanta energia porque queimam enormes quantidades de combustível – e cada pedacinho desse combustível está cheio de energia.

Infelizmente, a maioria das usinas elétricas não é muito eficiente: em uma típica usina antiga movida a carvão, apenas cerca de um terço da energia armazenada no combustível é convertida em eletricidade e o restante é desperdiçado. Designs mais novos, como estações de energia de ciclo combinado (que exploraremos em um minuto) podem ser até 50% eficientes. Como mostra o gráfico aqui, ainda mais eletricidade é desperdiçada na jornada da usina para sua casa. Somando todas as perdas juntas, apenas cerca de um quinto da energia do combustível está disponível como energia útil em sua casa.

Como é feita a produção de energia nas usinas termelétricas?

Uma usina de energia é um pouco como uma linha de produção de energia. O combustível é alimentado em uma extremidade e a eletricidade é expelida na outra. O que acontece entre os dois? Uma série inteira de etapas diferentes, aproximadamente ao longo destas linhas:

Combustível: a energia que chega à sua TV, computador ou torradeira começa como combustível carregado em uma usina de energia. Algumas usinas de energia são movidas a carvão, enquanto outras usam petróleo, gás natural ou gás metano do lixo em decomposição.

Fornalha: o combustível é queimado em um forno gigante para liberar energia térmica.

Caldeira: na caldeira, o calor do forno flui em torno de tubos cheios de água fria. O calor ferve a água e a transforma em vapor.

Turbina: O vapor flui a alta pressão em torno de uma roda que é um pouco como um moinho de vento feito de lâminas de metal compactamente compactadas. As lâminas começam a girar quando o vapor passa. Conhecido como uma turbina a vapor, este dispositivo é projetado para converter a energia do vapor em energia cinética (a energia de algo em movimento). Para que a turbina funcione eficientemente, o calor deve entrar a uma temperatura e pressão realmente altas e deixar a temperatura e a pressão mais baixas possíveis.

Torre de resfriamento: as gigantescas torres de resfriamento em forma de jarro que você vê em usinas antigas tornam a turbina mais eficiente. A água quente fervente da turbina a vapor é resfriada em um trocador de calor chamado condensador. Então é pulverizado nas gigantescas torres de resfriamento e bombeado de volta para reutilização. A maior parte da água se condensa nas paredes das torres e goteja novamente. Apenas uma pequena quantidade da água usada escapa como vapor das próprias torres, mas enormes quantidades de calor e energia são perdidas.

Gerador: a turbina é ligada por um eixo a um gerador, então o gerador gira com as pás da turbina. Ao girar, o gerador usa a energia cinética da turbina para produzir eletricidade.

Cabos de eletricidade: a eletricidade viaja para fora do gerador para um transformador próximo.

Transformador avançado: a eletricidade perde parte de sua energia à medida que ela passa por cabos de fio, mas a eletricidade de alta voltagem perde menos energia do que a eletricidade de baixa voltagem. Assim, a eletricidade gerada na usina é aumentada (impulsionada) para uma tensão muito alta à medida que sai da usina.

Postes: as torres de metal transportam eletricidade em voltagens extremamente altas, ao longo de cabos aéreos, para onde for necessário.

Transformador abaixador: uma vez que a eletricidade alcança seu destino, outro transformador converte a eletricidade de volta para um cofre de baixa voltagem para uso doméstico.

Casas: Eletricidade flui para casas através de cabos subterrâneos.

Eletrodomésticos: a eletricidade flui por toda a sua casa até as tomadas na parede. Quando você conecta uma televisão ou outro aparelho, pode estar fazendo uma conexão muito indireta com um pedaço de carvão a centenas de quilômetros de distância!

Turbina a vapor

A maioria das usinas tradicionais produz energia ao queimar combustível para liberar calor. Por esse motivo, eles são chamados de usinas termelétricas (baseadas em calor). As usinas de carvão e óleo funcionam muito como mostrei na obra de arte acima, queimando combustível com oxigênio para liberar energia térmica, que ferve a água e aciona uma turbina a vapor. Esse design básico é às vezes chamado de ciclo simples.

Turbina a gás

As usinas de gás natural funcionam de uma maneira um pouco diferente, semelhante à de um motor a jato. Em vez de produzir vapor, eles queimam um fluxo constante de gás e usam isso para impulsionar um projeto de turbina ligeiramente diferente. Cada uma turbinas tem suas vantagens e desvantagens, e são escolhidas de acordo com as decisões dos engenheiros da usina.

Projetos combinados

Toda usina já construída teve um objetivo principal: obter o máximo de eletricidade útil possível de seu combustível – em outras palavras, ser o mais eficiente possível. Quando motores a jato gritam no céu, lançando gases quentes como foguetes em seu rastro, eles estão desperdiçando energia. Não há muito que possamos sobre isso em um avião, mas podemos fazer algo sobre isso na usina. Podemos pegar os gases de escape quentes vindos de uma turbina a gás e usá-los para alimentar uma turbina a vapor também no chamado ciclo combinado. Isso nos permite produzir até 50% mais eletricidade do combustível em comparação com uma usina de ciclo simples e comum. Alternativamente, podemos melhorar a eficiência de uma usina de energia passando gases residuais através de um trocador de calor para que eles aqueçam a água. Este projeto é chamado de calor e energia combinados ou cogeração, e está rapidamente se tornando um dos projetos mais populares (ele também pode ser usado para produção de energia em escala muito pequena em unidades aproximadamente do mesmo tamanho que os motores de automóveis).

Energia nuclear também é uma termelétrica

As usinas nucleares funcionam de maneira semelhante às usinas de carvão ou óleo de ciclo simples, mas, em vez de queimar combustível, destroem átomos para liberar energia térmica. Isso é usado para ferver água, gerar vapor e alimentar uma turbina a vapor e um gerador da maneira usual.

Uma usina termelétrica gera energia a partir da queima de combustíveis, usando geradores para transformar essa queima em energia elétrica. (Foto: RussiaTrek.org)

Como a eletricidade chega à sua casa?

Uma das grandes coisas sobre a eletricidade é que podemos fazer quase em qualquer lugar e transmitir grandes distâncias ao longo de linhas de energia para nossas casas. Isso possibilita que nós fortaleçamos grandes cidades sem construir enormes usinas de energia sujas bem no meio delas ou para localizar centrais elétricas onde haja depósitos de carvão convenientes ou rios de fluxo rápido para alimentá-los. Agora é preciso energia para enviar uma corrente elétrica por um fio, porque até os melhores fios, feitos de substâncias como ouro, prata e cobre, têm o que chamamos de resistência – obstruem o fluxo de eletricidade. Quanto mais longo o fio, maior a resistência e mais energia desperdiçada. Então você pode pensar que enviar eletricidade para cabos de energia enormes seria uma coisa muito estúpida e dispendiosa.

Existe uma maneira simples de contornar isso, no entanto. Acontece que quanto maior a corrente que flui através de um fio, mais energia é desperdiçada. Ao tornar a corrente o menor possível, podemos manter a energia no mínimo – e fazemos isso aumentando a tensão o máximo possível. As usinas geram eletricidade a algo como 14.000 volts, mas usam transformadores (dispositivos que aumentam ou diminuem a tensão) para “aumentar” a tensão de três a cinquenta vezes, para cerca de 44.000 a 750.000 volts, antes de enviá-las por as vilas e cidades onde será consumido. Geralmente, a energia é transmitida por longas distâncias usando linhas aéreas encadeadas entre estruturas de suporte chamadas de pilares; é muito mais rápido e barato fazer isso do que enterrar linhas subterrâneas, o que é comumente feito em vilas e cidades. Os postes fornecem subestações, que são efetivamente mini pontos de suprimento dedicados a alimentar talvez uma grande fábrica ou uma pequena área residencial. Uma subestação usa transformadores de “redução” para converter a eletricidade de alta voltagem da linha de energia elétrica para uma ou mais voltagens mais baixas, adequadas para fábricas, escritórios, residências ou o que quer que ela precise fornecer.

Como funciona a rede elétrica?

As subestações têm seu nome desde o momento em que as centrais forneceram áreas locais definidas com muita clareza: cada estação alimentava várias subestações próximas, que passavam a energia para casas e outros edifícios. O problema desse arranjo é que, se uma usina de energia falhar de repente, muitas casas precisam ficar sem eletricidade. Existem outros problemas com a execução de estações de energia de forma independente. Uma estação de energia pode ser capaz de tornar a eletricidade muito barata enquanto outra pode ser muito mais cara, então pode fazer sentido usar a estação mais barata sempre possível. Infelizmente, as usinas de energia não são como os motores dos carros: elas precisam continuar o tempo todo; geralmente, eles não podem começar e parar completamente, sempre que quisermos. Por essas e várias outras razões, as empresas de eletricidade descobriram que faz sentido conectar todas as suas estações de energia em uma vasta rede chamada de rede. Centros de controle computadorizados altamente sofisticados são usados para aumentar ou diminuir a produção de estações para atender à demanda de minuto a minuto e de hora a hora (assim, mais estações estarão funcionando à noite, por exemplo, quando a maioria das pessoas cozinha seu jantar ).

O que o futuro reserva para usinas termelétricas?

Sempre precisaremos de energia e especialmente eletricidade – um tipo de energia muito versátil que podemos usar facilmente de muitas maneiras diferentes – mas isso não significa que sempre precisaremos de usinas de energia como as que temos hoje. As pressões ambientais já estão forçando muitos países a fechar usinas termoelétricas a carvão que produzem as maiores emissões de dióxido de carbono (responsáveis pelas mudanças climáticas e pelo aquecimento global). Embora as usinas nucleares possam oferecer o caminho mais limpo para um futuro de baixo carbono, há sérias preocupações sobre se podemos construí-las com rapidez suficiente ou superar os temores das pessoas quanto à poluição e segurança (se esses medos são racionais ou não).

A curto prazo, está bem claro o que o futuro reserva: existe uma corrida para o gas. A maioria das novas usinas de geração de energia elétrica usa gás natural, que é significativamente mais barato, relativamente abundante (por enquanto), e produz emissões mais baixas do que outras estações movidas a combustíveis fósseis. Os postos de gasolina natural também são mais rápidos e baratos de construir do que alternativas mais complexas, como usinas nucleares, e enfrentam menos oposição pública.

Outras tendências também estão se tornando importantes, notavelmente uma mudança em direção a usinas menores impulsionadas pelo calor e energia combinados. Uma vez que algumas dessas usinas serão alimentados por biomassa (como árvores ou “cultivos energéticos” cultivados especificamente para esse fim) ou resíduos, ilustramos a tendência a mudança para usinas menores e mais delas, e a transição de usinas fósseis. combustíveis para renováveis.

Fontes renováveis de energia

A longo prazo, o futuro deve ser renovável porque os suprimentos de combustível fóssil acabarão ou (mais provavelmente) serão considerados muito sujos ou caros para serem usados. Já vimos uma enorme expansão da energia eólica nas últimas duas décadas e a energia solar deverá aumentar dramaticamente nos próximos anos. A grande desvantagem, como mencionei anteriormente, é que você precisa de pelo menos 1.000 turbinas eólicas (com capacidade de 2MW) ou 400.000 telhados solares (com capacidade de 5kW), trabalhando na capacidade máxima, para produzir a mesma potência de uma grande usina de energia (2GW). Então, se vamos mudar de usinas de energia para energia verde, precisamos de uma enorme quantidade cobrindo uma área enorme. Quaisquer que sejam as desvantagens que as usinas elétricas possam ter, elas certamente usam a terra de maneira muito eficiente (embora seja possível argumentar que a vasta ocupação de minas de carvão ou campos de petróleo e gás também deve ser considerada).

Gestão de eficiência e demanda

Alguns argumentam que podemos salvar nosso caminho para fora da construção de usinas de energia através da eficiência energética, por exemplo, usando eletrodomésticos mais eficientes e melhor isolamento. Muitas empresas de serviços públicos adotaram essa ideia com iniciativas simples, como oferecer lâmpadas economizadoras de energia gratuitas para as famílias. Em teoria, se você distribuir 50 milhões de lâmpadas de baixa energia e cada uma economizar 50 watts de energia, você evitará completamente a necessidade de construir uma grande usina de energia (2,5 GW).

Também podemos reduzir a necessidade de novas usinas de energia armazenando energia de maneira mais sensata e gerenciando a demanda, para que não tenhamos picos tão grandes. no uso de energia. Infelizmente, essa abordagem só nos leva até certo ponto. O problema é que nossas necessidades totais de energia estão em constante crescimento – e nossa necessidade de eletricidade também deve crescer à medida que mudamos de automóveis movidos a combustíveis fósseis e trens a diesel para alternativas elétricas. Além disso, há a questão das crescentes necessidades de energia nos países em desenvolvimento: as pessoas nesses países não podem economizar energia que já não estão usando, e seria imoral tentar impedi-las de usar energia para sair da pobreza. Em última análise, o mundo como um todo precisará aproveitar muito mais energia e muito mais eletricidade e, embora a eficiência tenha um papel crucial a desempenhar, é apenas uma pequena parte da solução.

A curto prazo, a corrida pelo gás ajuda a nos afastar do carvão. As usinas híbridas também ajudam se melhoram a eficiência, mas não se nos trancar nos combustíveis fósseis nas próximas décadas. A captura e armazenamento de carbono pode nos ajudar a tornar as usinas antigas a carvão mais ecológicas, mas elas ainda não são comprovadas e caras. O futuro a longo prazo deve certamente ser renovável e a eficiência energética poderá tornar o futuro mais ecológico, alimentado pelo sol e pelo vento, mais fácil de alcançar. Mesmo assim, por agora e por décadas, as usinas de energia convencionais, movidas a combustíveis fósseis, continuarão sendo o alicerce do nosso fornecimento de energia e eletricidade. Devemos admirá-los, respeitá-los por potencializar nossas vidas e torná-los tão limpos e verdes quanto pudermos.

Ficou alguma dúvida sobre as termelétricas? Deixem nos comentários suas perguntas para que possamos ajudar!

Sobre o autor

André é formado em pedagogia, já tendo dado aulas na educação infantil e atuado como professor e coordenador de cursos de inglês. Entendendo como funciona o processo de aprendizagem, decidiu escrever para o blog Múltipla Escolha onde postagens sobre aprendizado, provas, concursos, e muito mais para ajudar seus leitores a aprenderem.

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