Uma central elétrica é um local industrial destinado à produção de eletricidade . As usinas fornecem eletricidade, por meio da rede elétrica , a consumidores , indivíduos ou industriais distantes da usina. A produção de eletricidade é aí assegurada pela conversão em energia elétrica de uma energia primária que pode ser mecânica (força do vento, força da água dos rios, marés ...), ou química (reações de redox com combustíveis, fóssil ou não, como a biomassa ), nuclear ou solar .
Essas energias primárias podem ser renováveis (biomassa, etc. ) ou constituir recursos com reservas limitadas (combustíveis fósseis, etc. ).
Com exceção das usinas fotovoltaicas , a eletricidade é gerada por um alternador acionado por uma turbina ou, para certas ilhas ou sistemas isolados, por um motor de combustão interna (grupo diesel com uma potência variando de alguns MW a várias dezenas de MW).
A eficiência de conversão mecânica / elétrica dos alternadores é de aproximadamente 98%. A maioria das perdas, portanto, ocorre na conversão termo-mecânica de máquinas térmicas . A cogeração melhora a eficiência geral da instalação, aumentando a energia térmica residual .
Várias tecnologias de turbina estão disponíveis, dependendo do fluido usado para acioná-las:
Entre as energias primárias convertidas em energia elétrica nas centrais, distingue-se entre as chamadas energias “ renováveis ” ( biomassa , solar , hidráulica e eólica ) e as de origem fóssil ou nuclear .
Combustíveis fósseis São, ainda hoje, as energias primárias mais utilizadas no mundo para a geração de eletricidade . É principalmente o carvão que se utiliza, mas também encontramos centrais a óleo e a gás natural, que são queimadas quer em caldeiras , quer em turbinas de combustão ( turbinas a gás ), ou ainda em motores a gasóleo com alternador . Outros combustíveis A biomassa e os resíduos (lixo) podem ser queimados em fornos especiais, mas esses combustíveis são mais utilizados em redes de aquecimento . Energia nuclear Ele vem da fissão do urânio, cujo calor é usado para gerar vapor de água que aciona uma turbina a vapor . Energia geotérmica Esse calor vem das profundezas da terra ou de certos locais como a Islândia. Energia solar É utilizado quer em centrais termodinâmicas , onde o vapor de água que se pretende turbinar é produzido em caldeiras solares, quer em centrais fotovoltaicas constituídas por uma infinidade de painéis . Energia hidráulica Em usinas hidrelétricas , a força da corrente dos rios (run-of-river usinas ), cachoeira ( barragens , condutos forçados ) ou marés ( usinas de energia das marés ) é usada para acionar a turbina dirigindo o alternador.. Energia eólica A força do vento permite acionar diretamente um alternador.Em 1878, na Europa, uma central hidráulica de 7 kW foi construída em St. Moritz .
A primeira estação de energia da América, Pearl Street Station , entrou em serviço em4 de setembro de 1882por Thomas Edison em Lower Manhattan , que fornece iluminação elétrica para os escritórios do New York Times e outros edifícios em Wall Street . A estação de energia que fornece apenas corrente contínua pode fornecer de forma eficiente apenas uma pequena área geográfica. O primeiro gerador, denominado “Jumbo”, é muito menos eficiente que os de hoje: tem rendimento de 3 a 4 % da energia do carvão utilizado. Alguns anos depois, porém, Edison percebeu o interesse da cogeração usando o excesso de calor produzido pelo gerador elétrico para aquecer edifícios.
No início XX th século, todas as usinas modernas usam máquinas de superaquecimento várias expansões, composto em geral, e com uma capacidade de 1.000 a 10.000 cavalos . De 1.500 a 2.000 cavalos de potência, a expansão tripla, às vezes a expansão quádrupla, é usada em um número bastante grande de casos. A localização das usinas é escolhida de acordo com a proximidade das ferrovias que fornecem o combustível e a proximidade do curso d'água, necessário para o abastecimento das caldeiras e para o resfriamento do condensador . O tamanho das máquinas e o alto peso de seus vários componentes estão se tornando um verdadeiro incômodo para grandes usinas de energia, localizadas em locais geralmente pequenos e onde os terrenos são caros. Isso é o que gradualmente leva ao uso de turbinas a vapor . Primeiro, os dois sistemas coexistem.
A invenção da moderna turbina a vapor em 1884 por Sir Charles Parsons disponibilizou eletricidade barata e abundante e revolucionou a navegação e a marinha. Tem precedência sobre a máquina a vapor , que é destronada. O primeiro modelo é conectado a um dínamo que gera 7,5 kW ( 10 HP ) de eletricidade. A demonstração completa da eficiência da turbina é realizada em Erbelfeld , Alemanha, com uma unidade de 1000 kW . Sua licença foi patenteada e sua turbina foi aprimorada pouco depois por George Westinghouse . A potência das turbinas Parsons também está se mostrando escalável em grande escala. Parsons tem a satisfação de ver sua invenção adotada por todas as principais usinas de energia do mundo, e o tamanho dos geradores aumentou desde o início, de 7,5 kW para unidades de 50.000 kW de capacidade. Durante a vida de Parson, a capacidade de produção de uma unidade é multiplicada por cerca de 10.000.A já muito elaborada base teórica e científica explica a evolução da turbina, ao contrário do que aconteceu com a máquina a vapor.
Retornos à escala , um processo do tipo saliente reverso (destacado por Thomas Parke Hughes ), são a força motriz por trás da inovação da década de 1890. A produção e o transporte de eletricidade requerem a mobilização de grandes e crescentes quantidades de capital para, de outra forma, fornecer uma bom armazenável. Existem vantagens óbvias em concentrar energia elétrica. A aposta empresarial da Niagara Falls Power Company no Rio Niagara , financiada por notáveis empresários como JP Morgan , John Jacob Astor IV , Lord Rothschild e WK Vanderbilt , é prever que a energia produzida não será usada apenas para ' iluminar a cidade de Buffalo , mas também para fornecer energia eletro-motriz às indústrias que se instalaram perto da fábrica. A Comissão Internacional do Niágara de 1891, comandada por Edward Dean Adams e presidida por Lord Kelvin , adquirida na corrente alternada, impôs Westinghouse como o único interlocutor. Buffalo foi abastecido com corrente alternada em 1896 e estabelecimentos eletro-metalúrgicos e eletroquímicos foram de fato estabelecidos nas Cataratas do Niágara , como a Alcoa . O número de motores elétricos era de 16.900 em 1899 e 388.000 em 1909, metade deles funcionando em corrente alternada .
Seis anos após o primeiro Edison central, o trabalho no AC de Nikola Tesla costumava transportar a corrente elétrica a uma distância muito maior do que a corrente contínua através do gerador e transformador e linhas de força , para limitar o número de usinas necessárias, mas também para reduza as perdas ôhmicas da linha usando menos cobre do que com uma linha de baixa tensão.
Na França, as unidades de produção da EDF entre 1950 e 1970 continuaram a aumentar em potência: 125 MW para unidades comissionadas em 1955; 250 MW para unidades comissionadas em 1961; 250 MW para unidades comissionadas em 1968; 700 MW (térmica convencional) e 900 MW (térmica nuclear) para as unidades em construção em 1972. O condensador para uma unidade térmica de 700 MW sendo projetado para uma vazão de 17 m 3 / s , o de uma usina nuclear de 900 MW , para uma vazão de 40 m 3 / s (circuito aberto), apenas os grandes rios (Reno, Ródano, Sena e Loire) ou as costas marítimas podem acomodar usinas de alta potência em circuito aberto (c 'isto é, sem refrigerante atmosférico).
A natureza altamente centralizada da produção e a dependência da rede elétrica THT os tornam vulneráveis a qualquer incidente .
Combustíveis fósseis primáriosAs principais desvantagens das fontes de energia fóssil são que elas são esgotáveis, produzem dióxido de carbono , um dos principais gases do efeito estufa, e causam poluição do ar (poluição ácida em particular).
A 2008 relatório da AEA , com base numa comparação entre usinas da UE-25 que implementaram "boas práticas" e outros, mostra que há ainda um potencial significativo para a redução das emissões. De SO 2e NÃO x, se todas as plantas usaram as melhores técnicas disponíveis (MTD).
Um estudo está planejado para a UE Sobre o efeito da aplicação da diretiva LCP (en) e novos valores-limite de emissão (VLE) que visam uma redução de 70% no SO 2e o NO x( Diretiva IPPC ). Outros estudos enfocam a possibilidade de captura de CO 2 produto e armazená-lo no subsolo (em antigos campos de hidrocarbonetos esgotados ou em aqüíferos salinos), mas essas soluções ainda estão em fase experimental e consomem energia.
Essas usinas induzem à dependência dos produtores de recursos (gás, petróleo, carvão, etc.).
A produção de energia independe das condições climáticas, a fonte de energia pode ser (até certo ponto) facilmente armazenada e a potência unitária das usinas pode ser muito alta.
Eles permitem que a cogeração seja realizada quando uma necessidade significativa de calor (aglomerações, indústrias químicas, estufas, etc.) está localizada perto da central térmica.
O aquecimento central inclui:
Com exceção das usinas com turbinas de combustão e aquelas com motores de combustão interna, as usinas termelétricas usam um ciclo a vapor.
Princípio do ciclo de vaporEm um gerador de vapor (também chamado de caldeira), a água pressurizada é vaporizada e superaquecida. Ela é então admitida em uma turbina a vapor onde fica relaxada. Durante essa expansão, a energia contida no vapor é convertida em energia mecânica e aciona o rotor da turbina acoplado ao alternador em rotação. O vapor expandido é então admitido em um condensador onde a água se encontra na fase líquida. Essa água é então devolvida à caldeira por meio de bombas de alimentos e começa novamente para um novo ciclo.
Na prática e para melhorar a eficiência termodinâmica, a turbina a vapor é composta por 2 (ou mesmo 3) corpos: na saída do primeiro corpo (denominado HP, para alta pressão) o vapor é devolvido à caldeira onde é re- superaquecido antes de fornecer o segundo corpo (MP: pressão média).
Centrais térmicas convencionaisAs usinas mais comuns são compostas por uma caldeira e uma turbina a vapor ( ciclo Rankine ). Seu combustível é na maioria das vezes carvão, mas também existem caldeiras que usam biomassa , gás natural , petróleo , óleo combustível ou lixo municipal.
A maioria das usinas a carvão é do tipo “carvão pulverizado”, onde o carvão é reduzido a um pó muito fino em trituradores e injetado na lareira da fornalha. As plantas mais recentes possuem um ciclo de vapor supercrítico , o que permite uma eficiência superior a 45%.
Algumas centrais elétricas movidas a carvão recentes incluem caldeiras de leito fluidizado circulante. O princípio da caldeira de leito fluidizado circulante é para queimar carvão finamente trituradas com a adição de agregados de pedra calcária ou areia em suspensão no ar, a uma temperatura de 800 a 900 ° C . O leito circula em loop até a combustão completa do carvão. A temperatura moderada evita a formação de óxidos de nitrogênio e a presença de calcário permite a dessulfurização dos fumos. É feita uma distinção entre caldeiras de leito fluidizado atmosférico e caldeiras de leito fluidizado pressurizado.
Centro nuclearAs usinas nucleares também usam ciclos de conversão termodinâmica: no reator nuclear , a energia obtida como resultado da reação de fissão do urânio e do plutônio é a fonte de calor utilizada. Um circuito primário resfria o reator e transfere o calor liberado para um gerador de vapor (caldeira) que produz o vapor d'água que alimenta a turbina a vapor, como em uma usina termelétrica convencional. Atualmente, as usinas nucleares produzem cerca de 15% da eletricidade mundial. Eles não emitem dióxido de carbono (CO 2) ao contrário das usinas convencionais de chama, mas geram resíduos radioativos , que devem ser contidos , e o risco de acidente, como em qualquer negócio, não pode ser excluído. A probabilidade de tal acidente ocorrer em usinas de energia modernas está sujeita a debate .
Usinas de energia solar termodinâmica PrincípioExistem três tipos principais de usinas de energia solar termodinâmica :
A torre térmica solar concentra a energia solar por meio de fileiras de espelhos dispostos em um arco de círculo voltado para a trajetória do Sol , que refletem os raios solares em um único ponto, o foco . Para que o foco não mude de posição durante a evolução da estrela, os espelhos são ajustáveis e controlados por um sistema centralizado. Nesta lareira, uma caldeira contendo um líquido serve como coletor de energia.
A planta de espelhos parabólicos usa espelhos curvos voltados para o sul (no hemisfério norte ), que concentram a radiação em um tubo cheio de um fluido de transferência de calor , que assim se aquece. Este fluido é geralmente um óleo, sais fundidos ou água que, superaquecido pela energia solar térmica , é transportado para uma turbina a vapor .
A lareira solar usa energia solar para aquecer o ar contido em uma grande estufa. O ar aquecido, mais leve, sobe por uma chaminé onde aciona turbinas.
Obstáculos, falhas ou desvantagensO problema essencial com esse tipo de usina é que a energia solar é relativamente pequena em um determinado ponto da Terra ( constante solar de 340 W / m 2 em média) e só usa calor irradiado ( radiação infravermelha ). A densidade de potência é baixa, mas muito maior do que a fotovoltaica.
Além disso, a produção é intermitente (dia / noite diário e intermitência sazonal) e localmente imprevisível a médio prazo (risco meteorológico). Para reduzir a intermitência dia / noite, ou mesmo permitir a produção 24 horas por dia, as mais modernas centrais (como a Andasol na Espanha) estão equipadas com tanques para armazenamento de sais fundidos a quente. O armazenamento de calor também pode ser feito por meio de materiais com alta capacidade calorífica, como rochas do tipo vulcânico levadas a altíssimas temperaturas.
Usinas geotérmicas PrincípioA terra é composta por uma crosta, colocada sobre um manto de rocha derretida. O princípio da energia geotérmica consiste em cavar um buraco nessa crosta, enviar um fluido de transferência de calor para o fundo por meio de um tubo e recuperar esse fluido aquecido subindo por outro tubo. Esse calor gira as turbinas que acionam os alternadores . Esta energia é de uso comum na Islândia, onde é fácil de usar.
Obstáculos, falhas ou desvantagensOs investidores estão, portanto, deixando os geólogos por enquanto para procurar áreas com características favoráveis antes de iniciar este tipo de projeto.
Os ciclos simples da turbina a gás são baratos de construir, mais eles têm a vantagem de iniciar muito rapidamente (ao contrário das usinas a vapor convencionais que têm uma certa inércia). No entanto, sua baixa eficiência (35% na melhor das hipóteses, sem valorizar o calor residual) limita seu uso para a produção de eletricidade, exceto como back-up durante picos de demanda ou em escala muito pequena, ou mesmo em países produtores de petróleo. ou gás.
Ciclo combinadoO ciclo combinado consiste em recuperar a energia térmica dos gases muito quentes na exaustão da turbina de combustão (agora superior a 600 ° C ), para produzir, numa caldeira de recuperação, o vapor de água utilizado para alimentação de combustível. . Esta solução permite um aumento significativo na eficiência energética geral da planta, chegando a 50 a 60% . Geralmente, esse tipo de planta é composto por dois alternadores, um acionado pela turbina de combustão e outro pela turbina a vapor. Esta solução permite, desde a parada total, dar a partida rápida na turbina de combustão, a turbina a vapor tendo um tempo de partida mais longo; este arranjo tem a desvantagem de ser mais volumoso do que a solução com um único alternador onde as duas turbinas são montadas na mesma linha de eixos. A potência da turbina a vapor sendo cerca de 50% da potência da turbina de combustão, os construtores da usina instalaram duas turbinas de combustão em alguns locais, cada uma acionando um alternador e uma turbina a vapor alimentada pelas duas caldeiras e acionando um terceiro alternador idêntico para os outros dois.
CogeraçãoNo caso de uma turbina a vapor acionando um gerador de eletricidade, a cogeração (ou trigeração ) não aumenta a eficiência elétrica, mas simplesmente envia os gases quentes na saída da turbina para um processo industrial que consome calor. Ou uma caldeira de recuperação produzindo vapor usado em um processo industrial. A eficiência alcançada é uma eficiência geral: eficiência elétrica mais eficiência de transferência de calor. O objetivo principal é muitas vezes o processo industrial, a produção de eletricidade estando sujeita à necessidade de calor.
Algumas usinas usam motores a diesel para acionar os alternadores. É o caso, em particular, das centrais Vazzio e Lucciana na Córsega .
As usinas temporárias, que consistem na instalação de geradores industriais e sincronizados, podem ser instaladas em poucas semanas ou mesmo alguns dias para compensar ocasionalmente a escassez de recursos de produção ou cortes na linha de força.
A hidreletricidade há muito é uma solução utilizada na geração de energia (também chamada de hidrelétrica ), que utiliza energia renovável.
Na constrição das margens de um curso de água , é erguida uma barragem que cria um reservatório de água. Ao pé dessa barragem, ou ainda mais abaixo, por meio de condutos forçados , são instaladas turbinas conectadas a alternadores . As turbinas são abastecidas com água pressurizada por meio de sistema de tubulações e reguladores de vazão.
Existem diferentes tipos de centrais hidroelétricas, em particular as micro-centrais , instaladas nos rios da cabeceira da bacia, algumas com forte impacto ecológico.
Existem também usinas hidrelétricas por bombeamento que permitem que a energia seja acumulada de outros locais de produção inflexíveis (como usinas nucleares) ou intermitentes (produção eólica ou solar) quando o consumo é baixo, para restauração durante o pico de consumo.
A água dos mares e oceanos também pode ser usada para gerar eletricidade.
Existem quatro formas principais de energia marinha:
Em uma usina eólica , a energia elétrica é produzida diretamente por geradores eólicos . Essas máquinas são constituídas por um mastro, no qual está instalado um gerador elétrico acionado por uma hélice , estão idealmente posicionadas sobre corpos d'água ou colinas com muito vento. O alternador transforma essa energia mecânica em energia elétrica.
As principais falhas das turbinas eólicas são:
Este método de produção de eletricidade com energia solar utiliza raios de luz do sol, que são transformados diretamente em corrente elétrica por células à base de silício ou outro material com propriedades de conversão luz / eletricidade. Cada célula fornecendo uma baixa voltagem, as células são montadas em painéis.
Este sistema, embora de baixo rendimento, é muito simples de implementar e particularmente leve. Inventado para as necessidades de satélites militares artificiais, é agora amplamente utilizado para a produção de eletricidade local ou a bordo. Este meio pode ser usado como meio de produção a nível individual. Em uma casa unifamiliar, 20 m 2 de painéis produzem ao longo de um ano o que uma família de quatro pessoas consome. São recomendados na construção de casas ditas “autônomas” ou “passivas”.
De painéis solares colocados a bordo de navios, veículos terrestres, satélites e espaçonaves, suportados por uma bateria de armazenamento . Esses acumuladores fornecem energia durante os períodos de pouca ou nenhuma produção dos painéis e armazenam o excesso de eletricidade durante os períodos de alta produção.
Existem projetos de usinas de energia solar no espaço. Mas além do problema de transporte de eletricidade na terra, seria necessário primeiro transportar e montar milhares de toneladas de equipamentos em órbita, sem falar nos problemas de manutenção causados por tal sistema.
Em uma casa unifamiliar, existem 2 preocupações:
“Essa nova usina a diesel de 220 MW será equipada com 12 motores de 18,3 MW . "