Usinas geradoras de energia podem ser definidas como um conjunto industrial de obras e equipamentos que têm por finalidade a geração de energia elétrica, através de aproveitamento do potencial energético de qualquer fonte energética. São também chamadas de estações geradoras.
Usinas geradoras de energia elétrica, como o próprio nome já diz, visam à geração de energia elétrica. O que as usinas fazem para gerar a energia sob a forma elétrica, é a transformação de energias existentes em outras formas, tais como a queima de combustíveis, transformando energia térmica em elétrica, ou a utilização do potencial dos rios, nas hidrelétricas, que transforma energia mecânica em energia elétrica.
É essencial conhecer os recursos naturais de cada região para determinar qual será o tipo de usina que pode ser instalado para melhor aproveitar os potenciais energéticos daquela região.
A seguir, listamos os potenciais energéticos conhecidos que podem ser transformados em energia elétrica, e tipo da usina que deve ser instalada para aproveitar este potencial.
Tabela 3.1 – Potenciais energéticos e tipo de usina relacionada
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Potencial Energético |
Tipo de Usina Geradora |
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Água Fluvial |
Usina Hidrelétrica |
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Raios Solares |
Usina Solar |
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Vento |
Usina Eólica |
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Queima de combustíveis fósseis |
Usina Termelétrica |
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Fissão e fusão nuclear |
Usina Nuclear |
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Nascentes Hidrotermais |
Usina Geotérmica |
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Gravitacional |
Usina Maremotriz |
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Queima de resíduos |
Usina de Biomassa |
A aplicação de uma usina geradora de energia depende das condições geográficas e ambientas de determinadas regiões. Primeiramente, é necessário verificar os possíveis potenciais energéticos da região, pois cada ambiente possui potenciais diferentes em níveis diferentes. A partir disso, procura-se instalar o tipo de usine que aproveite o potencial energético de maior qualidade que a região em questão possui. Em seguida, verificam-se as condições geográficas e ambientais para a construção da usina. Cada usina necessita de condições especiais para o seu funcionamento adequado. A seguir, descrevemos algumas dessas condições para tipos diferentes de usinas.
4.1. Usina Hidroelétrica ou Usina Hidrelétrica:
Figura 4.1 – Usina Hidrelétrica de Tucuruí.
Usinas hidrelétricas devem ser construídas onde exista um grande potencial energético por meio de água fluvial. Regiões onde exista rios largos e com desníveis consideráveis são regiões promissoras para a instalação de uma usina hidrelétrica.
Geralmente onde regiões que atendem essas características são localizadas distantes dos centros consumidores de energia.
Para a construção de uma usina deste tipo, é necessário muito espaço físico. Além do espaço físico é preciso observar os impactos ambientas que a construção da mesma irá ocasionar, pois é necessária a instalação de um reservatório extenso de água. Essa construção desse reservatório e o funcionamento em si da própria usina pode causar os seguintes impactos ambientas:
- Inundações em áreas extensas de produção de alimentos e florestas;
- Alterações fortes no ambiente e com isso prejudicar a fauna e a flores da região. Como exemplo, podemos citar a interferência na migração e reprodução de peixes e devastação da mata ciliar;
- Alterar o funcionamento dos rios;
- Gerar resíduos nas atividades de manutenção dos equipamentos da usina;
Toda a construção e planejamento da usina devem ser feito em conjunto com engenheiros ambientais para não prejudicar a flora e a fauna local. Os prejuízos do mal planejamento podem ser não somente para o meio ambiente, mas como até mesmo, resíduos do ambiente atrapalhar o funcionamento das turbinas, comprometendo assim a geração da energia.
4.2. Usina Solar:
Figura 4.2 – Usina de Sempa, em Portugal.
A transformação da energia solar em energia elétrica é com certeza a melhor opção de geração de energia no que diz respeito a impactos ambientais, pois esta não causa nenhum impacto ao meio ambiente. O potencial energético via raios solares, é também o mais abundante, pois o Sol irradia sobre a Terra anualmente algo equivalente a 10 mil vezes a energia consumida pela população mundial no mesmo período.
O aproveitamento da energia solar tem ocorrido em baixa escala, pois o custo de produção dos painéis é elevado. Futuramente, com o investimento adequado, as usinas solares poderão substituir outros tipos de usinas que causam um alto impacto ambiental.
A instalação deste tipo de usina normalmente é feita em regiões com baixa taxa de nebulosidade, onde na maior parte do ano, os dias são ensolarados. É interessante também fazer a instalações em regiões com baixa umidade relativa do ar e clima mais seco, pois assim, não há também um grande índice de pluviosidade, obtendo melhores resultados na geração.
A instalação consiste basicamente na instalação de painéis fotovoltaicos, por isso, regiões planas e elevadas são preferenciais.
Ironicamente, regiões onde possivelmente ocorreria um melhor aproveitamento da energia solar, que são as regiões próximas da linha do Equador, não há uma utilização abundante do potencial da energia solar. Isso ocorre, pois o custo dos painéis fotovoltaicos são muito caros, e as regiões localizadas nesta faixa do globo são, em sua grande maioria, regiões subdesenvolvidas, e não possuem condições de implantarem este tipo de estação geradora.
4.3. Usina Eólica:
Figura 4.3 – Usina Eólica da Prainha, Ceará.
A instalação deste tipo de usina requer estudos específicos sobre as condições climáticas. É necessário todo um estudo sobre o deslocamento das massas de ar durante o ano devido ao posicionamento do sol, e estudos sobre o relevo e a interferência que o mesmo cause na freqüência, velocidade e direção dos ventos.
É importante que esses ventos não possuam variações bruscas em velocidade e freqüência para não danificar os equipamentos.
As regiões para realizar a instalação deste tipo de usina necessitam de muito espaço físico, e juntamente com a alta taxa de ruído produzida pelas hélices, fazem com que a instalação seja feita em regiões deslocadas dos centros consumidores.
Apesar de ser uma fonte de energia limpa, não é muito utilizada pois requer um investimento financeiro imenso, pois o custo de um captador de vento é gigantesco. Para efeitos de comparação, para gerar a mesma quantidade de energia que uma usina hidrelétrica, o custo é 65% maior para esta energia ser gerada em uma usina eólica.
4.4. Usina Termoelétrica ou Termelétrica
Figura 4.4 – Usina termoelétrica Piratininga ou Fernando Gasparian.
Geralmente funciona com algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão, por isso existe uma grande preocupação ambiental quando é instalada uma usina deste tipo. Dentre os problemas ambientais resultantes, podemos citar:
- Emissão de gases que contribuem para o efeito estufa, tais como o dióxido de carbono;
- No caso das usinas térmicas a carvão e óleo, também há emissão de óxidos de enxofre e nitrogênio, que se liberados na atmosfera podem ocasionar chuvas ácidas prejudiciais à agricultura e florestas.
- Geram resíduos nas atividades de manutenção de seus equipamentos.
- Poluição atmosférica em gerral, o que indiretamente gera chuva ácida, problemas respiratórios em seres vivos, entre outros.
É uma fonte nao renovável de energia, e muito cara, pois exige constante compra de matéria-prima (combustível) para realizar a transformação em energia elétrica.
Porém, há a vantagem de poder ser instalada próximo aos centros consumidores, pois não é necessário muito espaço físico e não há problemas de ruídos. Com isso, há uma economia no valor a ser gasto para realizar a transmissão da energia para o consumo, e a redução de até 16% nas perdas ao longo das linhas de transmissão, pelo caminho até o centro consumidor ser mais curto.
4.5. Usina Nuclear
Figura 4.5 – Usina Nuclear de Kashiwazaki, no Japão.
Se caracterizam pelo uso de materiais radioactivos que através de uma reação nuclear produzem calor, que mais tarde será transformado em energia elétrica. O fato de utilizar materiais radioativos, e com isso, sinônimo de perigo para a saúde e constituição de todos os seres vivos, é necessário medidas de cautela.
É uma fonte de energia extremamente limpa, e ao contrário do que muitos pensam, é extremamente segura. Dentro de uma usina nuclear, há um rígido controle sobre este material radioativo, além de é claro, de equipamentos e técnologias muito avançadas para manter a segurança.
O único perigo que este tipo de usina representa é a falha durante alguma opreção, ou no controle das reações nucleares. Apesar de falhas serem extremamente raras, ao ocorrer, as consequências são desastrosas. Exemplos claros dos danos causados por radiação de vazamentos por falta de controle em estação geradora de energia nuclear, é o caso de Chernobyl.
As usinas nucleares podem ser instaladas próximo aos centros consumidores, e produzem uma grande quantidade de energia. Os resíduos produzidos devem ser isolados em barris de chumbo e concreto para não ocorrer vazamentos dos resíduos e da radiação.
Os termos técnicos listados foram encontrados na NBR 5460 – Sistemas Elétricos de Potência – Terminologia.
Ajustador do limite:
Dispositivo que permite variar os limites da faixa de regulação de carga especificada para a usina;
Capacidade:
Quantidade de energia elétrica que pode ser gerado, num intervalo de tempo especificado e em condições especificadas.
Casa de máquinas:
Edifício onde são instaladas as unidades geradoras de uma usina;
Controlador-mestre:
Dispositivo que, de uma posição central, determina as ações corretivas a serem executadas por uma ou mais usinas, em reposta ao erro de controle de área;
Equipamento de operação conjunta (das unidades):
Equipamento que ajusta a potência ativa de todas as unidades geradoras de uma usina, ligadas em operação conjunta;
Esquema mímico:
Esquema unifilar de um sistema ou parte de um sistema elétrico, desenhado em painel, constituído de símbolos que, atuados manual ou automaticamente, mostram o estado atualizado em que se encontram as linhas e equipamentos. Um esquema mímico pode incorporar chaves de comando, para acionar os dispositivos de manobra das linhas e equipamentos;
Faixa de regulação:
Intervalo de variação de potencia, dentro do qual uma usina participa do controle suplementar;
Fiação:
Conjunto dos condutores e suas ligações que interliga e alimenta os dispositivos de controle, proteção e supervisão de uma subestação ou usina.
Mesa de controle:
Estrutura com uma face plana horizontal ou ligeiramente inclinada, na qual são instalados os dispositivos necessários ao controle e/ou à supervisão de uma subestação ou usina. A mesa de controle é comumente completada, na parte posterior, por uma superfície plana vertical, com a mesma finalidade anterior;
Motor primário:
Máquina motriz que aciona um gerador elétrico;
Operação conjunta das unidades:
Operação de uma usina como se fosse constituída por uma única unidade geradora;
Painel de controle:
Estrutura com uma face plana vertical, na qual são instalados os dispositivos necessários ao controle e/ou à supervisão de uma subestação ou usina. O painel de controle é comumente associado a uma mesa de controle, formando um conjunto unitário;
Participação da usina:
Parâmetro que define a porcentagem da contribuição de uma usina, para o controle suplementar da área;
Ponto-base de usina:
Valor de geração definido por um programa de despacho econômico, ou por algum outro critério operativo, e correspondente a um determinado valor de geração total da área;
Potencia final:
Soma das potências instaladas de todo grupo de geradores da usina.
Produtividade:
É a soma de toda produção gerada pelo grupo de geradores.
Sala de controle:
Sala na qual são instalados as mesas e os painéis de controle de uma subestação ou usina;
Sala de relés:
Sala na qual são instalados, de maneira centralizada, os equipamentos de proteção e de automatização de uma subestação ou usina
Sistema de geração:
Conjunto dos meios de geração de energia elétrica de um sistema. Podem ser considerados subconjuntos definidos dentro do sistema, por exemplo, "sistema de geração térmica";
Transformador de serviços auxiliares:
Transformador destinado a alimentar os circuitos auxiliares de uma subestação ou usina;
Unidade geradora:
Associação de máquinas girantes destinada a converter energia mecânica ou térmica em energia elétrica.
Unidade hidrelétrica:
Unidade geradora constituída por uma turbina hidráulica, acoplada mecanicamente a um gerador elétrico.
Unidade termelétrica:
Unidade geradora constituída por maquina motriz térmica, acoplada mecanicamente a um gerador elétrico.
Normalmente as usinas são classificadas de acordo com o tipo de energia que é transformada em energia elétrica.
6.1 Energia Potencial Gravitacional.
São as estações geradoras que aproveitam à energia potencial gravitacional da água convertendo essa energia em energia elétrica, quando a água é represada, a energia potencial dela aumenta, pois a altura que a água está armazenada aumenta. Também por esses motivos que elas são instaladas em quedas da água.
Figura 6.1 – Esquema da energia potencial gravitacional da água.
6.2 Energia Solar.
São usinas que aproveitam a radiação do Sol para gerar energia elétrica, esse aproveitamento pode ser através do calor, no caso das usinas termo solares, ou através do efeito fotoelétrico da luz, no caso das usinas fotovoltaicas.
Figura 6.2 – Usina Solar PS10, na Espanha.
6.3 Energia Eólica.
São usinas geradoras que utiliza a energia mecânica dos ventos para movimentar suas hélices.
Figura 6.3 – Hélices movimentadas pela ação do vento, energia eólica.
6.4 Energia Térmica.
São usinas que utilizam do calor para gerar energia elétrica, esse calor é, normalmente, proveniente da queima de combustíveis fosseis.
6.5 Energia Nuclear.
São estações geradoras que aproveitam a energia da fissão de núcleos de elementos radioativos, normalmente urânio, para gerar energia elétrica.
6.6 Energia Geotérmica.
São usinas que geram energia elétrica aproveitando as altas temperaturas das camadas inferiores à crosta terrestre.
Figura 6.6 – Os gêiseres, exemplo de energia geotérmica aproveitada pelas usinas.
6.7 Energia Maremotriz.
São usinas que aproveitam a energia do movimento das águas do mar devido ao fenômeno das marés.
6.8 Energia da Biomassa.
São usinas geradoras que aproveitam do gás metano para gerar energia, esse gás metano é proveniente da decomposição de matéria orgânica.
Como citado anteriormente, os potenciais energéticos são aproveitados com métodos específicos por tipos de usinas específicas. Para aproveitar adequadamente o potencial energético de maior qualidade que uma região oferece, são necessários diferentes equipamentos e métodos. Com isso, a constituição de cada tipo de estação geradora é diferente. Fato que nos leva a abordar separadamente a constituição de cada uma delas.
7.1. Usina Hidrelétrica.
As usinas hidrelétricas são basicamente constituídas de um reservatório, barragem, uma porta de controle, conduto forçado, vertedouro, turbina e gerador.
- Reservatório: é o lugar onde a água fica represada, forma-se uma lagoa antes da barragem.
- Barragem: grande estrutura construída para acumular a água que chega do rio, normalmente é construída com alvenaria ou concreto.
- Porta de controle: equipamento responsável pelo controle do volume da água que passa pelo conduto e vai para o a turbina.
- Conduto forçado: são canalizações onde a água escoa sob pressão diferente da atmosférica.
- Vertedouro: faz o controle do nível da água na barragem, para evitar excesso de água no reservatório durante as cheias do rio. Pode ter ou não comporta.
- Turbina: transforma a energia da água em energia mecânica, ou seja, a turbina gira quando a água passa por suas pás.
- Gerador: equipamento que transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.
Nas hidrelétricas existem também as casa de máquinas onde abriga as turbinas, os geradores e outros equipamentos.
