Usina termelétrica
1: Caldeira a vapor
2: Fonte de calor
3: Turbina a vapor
4: Gerador
5: Condensador / resfriamento
6: Tubulação de conexão
Uma usina térmica converte calor , mais precisamente energia térmica , parcialmente em energia elétrica. É também chamada central térmica ou calórica usina e só funciona se houver dois reservatórios de calor com uma temperatura suficiente diferença . O calor é primeiro convertido em energia cinética utilizável em uma máquina de energia e isso é então convertido em energia elétrica por um gerador , ou seja , ocorrem as conversões de energia .
Muitas usinas termelétricas são usinas a vapor . No entanto, também existem usinas que não possuem turbinas a vapor ou mesmo um ciclo de água, como usinas históricas com motores a vapor ou modernos motores a diesel / gás ou usinas de turbina a gás . Uma característica comum das centrais térmicas de hoje são os termodinâmicas ciclos do meio de trabalho , que são fechadas em centrais eléctricas a vapor e abertas em centrais eléctricas gás.
Importância da termelétrica
Na maioria dos países industrializados (exceções: Noruega , Suíça e Áustria ), as usinas termelétricas fornecem uma grande parte (60–100% dependendo da região) da energia elétrica. A razão para esta posição são os depósitos de energia muito grandes e facilmente acessíveis na forma de combustíveis fósseis, como petróleo bruto e carvão , bem como depósitos de energia de urânio ; essas fontes têm sido usadas há décadas e as tecnologias foram otimizadas. Fontes e processos alternativos de energia estão se tornando cada vez mais importantes porque os depósitos fósseis são limitados e seus gases de exaustão e resíduos são prejudiciais ao meio ambiente.
Fonte de calor
A maioria das usinas termelétricas gera o calor necessário queimando combustíveis fósseis ou usando o calor residual de processos nucleares em usinas nucleares . A energia geotérmica e a radiação solar podem ser usadas como fontes naturais de calor .
Eficiência
O processo de Carnot no qual as usinas termelétricas se baseiam estabelece seus limites de eficiência elétrica em princípio, de forma que perdas consideráveis, principalmente como calor, são inevitáveis durante a conversão de energia.
Se o calor residual não for usado para aquecimento, a eficiência da usina de energia atual é normalmente entre 30% e 45%. Eficiências mais altas podem ser alcançadas em sistemas com mais de uma turbina , mas o esforço técnico é correspondentemente maior. Tais sistemas são implementados de forma prática, por exemplo, em usinas de ciclo combinado .
Uma utilização significativamente melhor da energia primária usada pode ser alcançada em usinas térmicas , desacoplando o calor distrital ou de processo ( calor e energia combinados ). Como resultado, eficiências gerais (mais precisamente: eficiência geral ) de 60% a 70% podem ser alcançadas, em centrais térmicas do tipo bloco até mais de 90%.
Fatores para usabilidade prática
Além da eficiência, os seguintes fatores devem ser levados em consideração:
- Quantidade geral de energia disponível da fonte de energia primária
- Depósitos desenvolvíveis
- Custos por unidade de energia gerada
- Viabilidade técnica de combustão
- Poluição ambiental, por exemplo, por meio de emissões , calor residual ou radiação ionizante
- Riscos operacionais
resfriamento
As usinas termelétricas obtêm sua energia de uma diferença de temperatura ; quanto mais alto for, mais energia pode ser obtida. Além de uma fonte de calor o mais quente possível, um dissipador de calor o mais frio possível também é útil, razão pela qual muitas usinas termelétricas têm seu fluido de trabalho resfriado em um local adequado.
Muitas usinas termelétricas usam água de rios que passam para resfriá-los. Isso salva ou apóia a torre de resfriamento com suas muitas desvantagens e a temperatura na saída da turbina a vapor pode ser reduzida de forma mais eficaz. No entanto, isso pode tornar a água do rio muito quente. Por este motivo, são fixados valores-limite para quantos graus Celsius ou a temperatura máxima a que o rio pode ser aquecido para evitar que tombe . No verão, quando a temperatura da água é alta, isso pode significar que uma usina deve ser desligada. Os chamados planos de carga térmica foram estabelecidos desde a década de 1970 , a partir dos quais pode ser encontrada a temperatura máxima da água. Outra possibilidade, que também pode ser combinada, é a utilização de torres de refrigeração, através das quais é libertado o calor residual , desde que não possa ser utilizado para aquecimento de conjuntos habitacionais vizinhos ou estufas através do sistema combinado de calor e energia .
As usinas termelétricas estão entre os maiores consumidores de água da economia. Nos países industrializados, cerca de 40% da captação total de água de fontes de água doce é contabilizada por usinas termelétricas, com usinas nucleares e (futuras) usinas a carvão com separação e armazenamento de CO2 tendo o maior consumo .
Método de resfriamento
Com cada um dos métodos de resfriamento descritos a seguir, a água retirada do rio deve ser limpa da sujeira grossa que está sempre presente com o auxílio de sistemas de filtros . Para este efeito, são utilizados ancinhos flotsam e, se necessário, filtros , em que os filtros protegem principalmente os componentes individuais, como condensador e permutador de calor . A água aquecida do rio é então resfriada em uma torre de resfriamento ou lagoa de resfriamento de tal forma que pode ser lançada em um rio ou usada novamente no circuito de resfriamento . As torres de resfriamento de grandes usinas de energia também atuam como lavadores de ar. Seu efeito de limpeza no ar que flui através deles permanece baixo para o meio ambiente , mas a poeira lavada está concentrada na água de resfriamento e pode causar contaminação considerável dos componentes do sistema a jusante.
Resfriamento direto
No caso mais simples, a água retirada de um rio é usada diretamente para o resfriamento atrás da turbina; Os condensadores das turbinas a vapor são particularmente afetados por contaminação, que, portanto, deve ser limpa com o processo de esfera recirculante .
Circuito de resfriamento de dois e múltiplos estágios
Para que a contaminação não obstrua o condensador da turbina a jusante e, portanto, o torne ineficaz, a água de resfriamento do condensador da turbina às vezes é resfriada em um circuito de água de resfriamento (em grande parte) fechado, o circuito de resfriamento primário . Essa água de resfriamento, por sua vez, é resfriada por um trocador de calor da água do rio ( água de resfriamento secundária ), a água de resfriamento secundária está, então, principalmente em circuito aberto.
Em usinas nucleares, às vezes há um estágio de separação adicional - ou seja, três circuitos de água de resfriamento para separar áreas radioativas e não radioativas.
| Sistema de refrigeração | Fator de eficiência |
|---|---|
| Resfriamento de fluxo (água do mar) | 1.024 |
| Resfriamento de fluxo (água do rio) | 1.015 |
| Torre de resfriamento úmido | 1.000 |
| Torre de resfriamento a seco | 0,952 |
Resfriamento contínuo sem torre de resfriamento
Se a água de resfriamento aquecida retornar sem tratamento para a água, é um resfriamento de passagem única . O resfriamento contínuo é a forma mais eficiente e econômica de resfriamento, mas só pode ser usado quando a entrada de calor não representa uma carga excessiva para o corpo d'água. Os meses de verão são críticos porque o corpo d'água pode tombar . Na Alemanha, o resfriamento de passagem única é operado principalmente em locais costeiros ou no Reno. Especialmente no Reno, o "Grupo de Trabalho dos Estados Federais para Manter o Reno Limpo (ARGE Rhein)" apresentou um plano de carga térmica para o trecho alemão do Reno já em 1971 , que ainda é válido hoje.
Drene o resfriamento com a torre de resfriamento
Nesse processo, a água de resfriamento necessária é retirada de um rio, aquecida no condensador e pulverizada na torre de resfriamento. A água que não evaporou e resfriou à temperatura original é enviada de volta à água corrente para eliminar os sais e as impurezas. A concentração deste aumentaria constantemente se a água não liberada na atmosfera fosse usada repetidamente na torre.
Circulação de resfriamento com torre de resfriamento
Já o resfriamento por circulação utiliza sempre a mesma água; apenas as perdas por evaporação e drenagem são adicionadas. Este método provou ser muito eficaz com um pequeno suprimento de água de resfriamento. No entanto, a evaporação constante resulta em um aumento do sal ( espessamento ) da água de resfriamento, de modo que depósitos de carbonatos de cálcio e magnésio em particular (construtores de dureza) ocorrem. Para neutralizar esse efeito, a água de resfriamento é estabilizada com produtos químicos (por exemplo, ácido fosfônico ). A partir de um determinado limite superior do teor total de sal e da dureza total, a água de resfriamento deve ser diluída pela drenagem e pelo abastecimento de água doce. Os requisitos ambientais estaduais se aplicam quando a drenagem é descarregada em sistemas de águas residuais urbanas (descarga indireta) ou corpos d'água (descarga direta). Outro problema com o resfriamento da circulação é o crescimento de microrganismos. Além de incrustação , problemas de higiene com bactérias respiráveis na torre de resfriamento ( espec. Legionella , Pseudomonas aeruginosa ) devem ser levados em consideração. Portanto, a água de resfriamento também é tratada com biocida e biodispersante.
aquecedor
O eixo da turbina se contrai à medida que esfria da temperatura de operação para a temperatura ambiente. Freqüentemente, tão forte que emperra em seu compartimento e não consegue mais girar. Portanto, deve ser pré-aquecido antes de ligar (novamente). O eixo também só pode ser instalado ou removido quando estiver quente.
Freqüentemente, outros componentes também precisam ser pré-aquecidos antes que uma usina termelétrica possa entrar em operação.
Implementação técnica do princípio da usina termelétrica
- Extração de calor da natureza (tudo regenerativo ):
- Liberação de calor na própria usina:
- Usina nuclear
- Usina nuclear (na verdade, usina de fissão nuclear )
- Usina de fusão nuclear (até agora apenas instalações de pesquisa)
-
central elétrica a carvão
- Usina de linhita
- Usina de carvão duro
- Turfa
- Usina de óleo para aquecimento
- Usina de gás natural
- Usina de turbina a gás
- Usina de ciclo combinado
- Usina de biomassa ( fonte de energia regenerativa )
- Usina nuclear
- Extração de calor de outros processos técnicos:
Veja também
Links da web
Evidência individual
- ^ Edward A. Byers, Jim W. Salão, Jaime M. Amezaga: Geração de eletricidade e uso refrigerando da água: Caminhos BRITÂNICOS a 2050. Em: Mudança ambiental global . Volume 25, 2014, pp. 16-30, doi: 10.1016 / j.gloenvcha.2014.01.005 .
- ↑ Geração de energia a partir do carvão , página 53.