Uma central térmica é uma central elétrica que opera a partir de uma fonte de calor de acordo com o princípio das máquinas térmicas . Essa transformação ocorre tanto diretamente, pela expansão dos gases de combustão, quanto indiretamente, por meio de um ciclo água-vapor, por exemplo. As instalações de cogeração utilizam também parte do calor residual para outras aplicações, como redes de aquecimento .
A origem desta fonte de calor depende do tipo de usina termelétrica:
As usinas termelétricas são construídas em torno de uma máquina térmica que aciona um alternador que produz energia elétrica. Essas máquinas térmicas podem ser de combustão externa ( turbinas a vapor , máquina a vapor ) ou de combustão interna ( motor diesel , turbina de combustão ). Uma turbina a vapor e uma turbina de combustão podem coexistir em uma usina de ciclo combinado para melhorar a eficiência geral. O rendimento pode ser ainda melhorado por um processo de cogeração ou trigeneração .
O coração de um motor de turbina a combustão , acendendo o combustível (gasoso, líquido ou sólido fluidizado ) provoca a expansão do ar de admissão. Em sua expansão, isso faz com que as rodas da turbina girem, que por sua vez acionam um alternador acoplado. Por fim, o alternador transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica .
A operação de uma usina de turbina a vapor é semelhante, o fluido de trabalho sendo vapor de água em vez de ar. A fonte quente ( fissão nuclear , carvão, incineração ...) aquece (direta ou indiretamente) a água, que passa do estado líquido para o estado de vapor . O vapor assim produzido é admitido na turbina, que aciona um alternador.
Na saída da turbina, o vapor é condensado em um condensador alimentado por uma fonte fria ( água do mar , água doce do rio , etc.) e se encontra no estado líquido. O condensado obtido é finalmente devolvido ao sistema de abastecimento de água para um novo ciclo de vaporização.
Os principais componentes de uma usina termelétrica são:
O princípio operacional simplificado é o seguinte:
Na prática, a operação é um pouco mais complexa porque vários dispositivos são fornecidos para melhorar a eficiência. Por exemplo :
O CHP é para produzir conjuntamente eletricidade e calor para um processo industrial ou aquecimento urbano , a fim de melhorar a eficiência geral de uma usina termelétrica. Para isso, os trocadores de calor recuperam parte da energia fatal dos gases queimados ou da água de resfriamento para melhorar a eficiência da montagem.
As usinas termelétricas se enquadram em várias categorias, dependendo da natureza de sua fonte de calor:
Nesse tipo de usina a chama, o combustível é queimado em uma caldeira , o calor assim liberado produz vapor pressurizado, que aciona a turbina a vapor .
Usinas termelétricas a carvãoAs usinas a carvão são as mais difundidas do mundo, especialmente em países com grandes reservas de carvão ( Índia , China , Estados Unidos , Alemanha , etc. ).
Eles ainda forneceram cerca de 40% da produção global de eletricidade em 2016, mas o início de usinas movidas a carvão caiu 62% em 2016 para 65 GW , e o número de projetos anunciados e licenciados caiu. 48% entre o início de 2016 e o início de 2017, para 569 GW . No entanto, a capacidade instalada continuou a crescer em 2016, com 1.964 GW , ou + 3%; a potência das usinas concluídas ao longo do ano ainda é três vezes maior que a das fechadas, que ainda assim atingiu nível recorde. Projetos congelados aguardando decisões políticas ou econômicas atingiram 607 GW .
Pela primeira vez, as capacidades globais das usinas termelétricas a carvão diminuíram ligeiramente no primeiro semestre de 2020: -3 GW de uma frota total de 2.047 GW , de acordo com o relatório publicado pelo Global Energy Monitor. Os fechamentos totalizaram 21 GW , incluindo 8 GW na Europa e 5 GW nos Estados Unidos; as aberturas alcançaram 18 GW , incluindo 11 GW na China e 1,8 GW no Japão. Nas últimas duas décadas, a capacidade global cresceu a uma taxa média de 25 GW por semestre. A China concentra quase metade dos projetos de usinas (mais de 250 GW ), seguida pela Índia (65 GW ), Turquia e Indonésia. Um total de 190 GW de usinas termelétricas a carvão estão em construção em todo o mundo e 332 GW adicionais estão planejados.
Algumas dezenas de MW em meados do XX ° século, a sua capacidade de unidade aumentou rapidamente para já ultrapassam 1.000 MW . Junto com o aumento de sua potência unitária, sua eficiência foi aprimorada com o aumento da pressão e da temperatura do vapor utilizado. A partir dos valores usuais de 180 bar e 540 ° C que foram encontrados na década de 1970, valores supercríticos de mais de 250 bar e 600 ° C são agora alcançados .
Assim, eles têm conseguido manter uma certa competitividade em relação a outros tipos de usinas.
Vários dispositivos reduzem suas emissões poluentes. A poeira ( fuligem ) contida na fumaça é capturada por precipitadores eletrostáticos (ou em alguns países, por filtros de mangas ), óxidos de enxofre (SO 2, SO 3) estão presos em unidades de dessulfuração (FGDs em inglês: " dessulfurização de gases de combustão " ) que tornam a recuperação de cinzas volantes menos difícil para a engenharia civil e, mais recentemente, surgiram equipamentos que eliminam óxidos de nitrogênio (NOx) (SCR em inglês: " catalítico seletivo redução " ).
Desenvolvimentos em andamento dizem respeito à captura de CO 2em centrais térmicas. Na verdade, é a produção de eletricidade a partir do carvão o principal emissor de gases de efeito estufa no mundo. Diversas tecnologias são estudadas em paralelo:
Todas essas técnicas têm a desvantagem de consumir muita energia e, portanto, de reduzir o rendimento líquido em cerca de dez pontos .
Na França, desde 2004, o carvão não é mais extraído das minas, mas o carvão importado ainda é usado para a produção de eletricidade térmica nos períodos de pico. Em 2016, com 7,3 TWh , representou 1,4% da eletricidade produzida em França e cerca de 13% da eletricidade de origem térmica não nuclear.
Impactos ambientais e de saúdeAs usinas termelétricas a carvão continuam sendo as principais fontes de emissões de gases de efeito estufa , gases precursores do ozônio troposférico e produção de fuligem, principalmente na China e nos Estados Unidos. De acordo com um estudo, as centrais elétricas a carvão nos 20 principais países da União Europeia causaram 23.000 mortes prematuras na Europa em 2013, incluindo 1.380 na França; As usinas elétricas francesas a carvão causaram 390 mortes prematuras na Europa, incluindo 50 na França.
Por exemplo, de acordo com a Agência de Proteção Ambiental , eles são responsáveis por 28% do níquel , 62% do arsênio , 13% do NOx , 77% dos ácidos , 60% dos aerossóis acidificantes à base de SO 2 ., 50% do mercúrio e 22% do cromo encontrados nas massas de ar dos Estados Unidos (que então derivam para a Europa sobre o Oceano Atlântico ). Nesses países industrialmente avançados, em comparação com incineradores de resíduos médicos e domésticos , as usinas termelétricas a carvão são as que menos melhoraram seu desempenho geral em termos de emissões de mercúrio na atmosfera; suas emissões por tonelada de carvão queimado diminuíram apenas 10% nos Estados Unidos em 15 anos (de 1990 a 2005), enquanto as emissões de mercúrio dos incineradores de resíduos médicos diminuíram 98% e as dos incineradores de resíduos 96%.
Seu resfriamento ou águas residuais podem conter biocidas à base de cloro ou bromo e também são muitas vezes uma fonte de aquecimento de águas superficiais ( poluição térmica , que pode afetar a vida e certos equilíbrios aquáticos. As cinzas volantes do carvão poluem, degradam monumentos e podem conter radionuclídeos liberados em o ar ou através de resíduos.
Central a carvão ativo no G7 pode custar o mundo $ 450 bilhões por ano até o final do XXI th século, de acordo com a ONG Oxfam . A contribuição do G7 para o aquecimento global custará à África sozinha mais de US $ 43 bilhões por ano até 2080 e US $ 84 bilhões até 2100. “Cada usina movida a carvão pode ser considerada uma arma de destruição do clima que intensifica as mudanças nas condições climáticas com desastrosas consequências para as colheitas, aumenta o preço dos alimentos e, em última análise, aumenta o número de pessoas com fome ” .
Alguns países muito dependentes do carvão iniciaram a saída desta fonte de energia, incluindo, por exemplo, França, Reino Unido, Itália e mais recentemente Alemanha e Chile. Este último, que era para sediar a final de 2019, o 25 º Conferência das Nações Unidas sobre Mudança do Clima (COP25), anunciada em abril de 2019 já não querem construir qualquer usina de carvão, e em junho de 2019 vai fechar dentro de cinco anos, oito dos seus 28 centrais elétricas a carvão. Essas oito usinas representam 20% da capacidade energética do país; seu fechamento irá reduzir as emissões de CO 2o setor elétrico de 30 Mt / ano (milhões de toneladas por ano) para 4 Mt / ano ; as centrais elétricas a carvão totalizam 5.500 megawatts e produzem 40% da eletricidade do país. O plano de energia chileno visa 100% de eletricidade de fontes renováveis até 2040. O presidente Sebastián Piñera, entretanto, especificou que o país manteria essas usinas em “reserva estratégica”.
Reduzida poluição de centrais elétricas movidas a carvãoAs caldeiras de leito fluidizado circulante foram desenvolvidas desde 1980. Sua temperatura de soleira muito mais baixa ( 850 ° C ) diminui a formação de óxido de nitrogênio (NO x ), e o calcário adicionado ao leito reage com os óxidos de nitrogênio . A produção de vapor é, portanto, menos poluente e encontramos o termo "carvão limpo" para caracterizá-los. No entanto, seu tamanho atual (300 a 400 MW ) não os permite competir com caldeiras convencionais de alta potência.
Mais recentemente, desenvolveu-se a tecnologia das centrais elétricas a carvão de alta eficiência, conhecidas como “supercríticas”, nas quais a água é submetida a uma temperatura e pressão tais que passa diretamente do estado líquido para o gasoso: os ganhos de eficiência desta operação reduzem os requisitos de combustível e, portanto, as emissões para a atmosfera de CO 2relacionadas com a combustão do carvão. Quanto mais a temperatura e a pressão aumentam, mais importante é o ganho em termos de eficiência, bem como a redução do impacto ambiental. Uma planta é considerada “supercrítica” quando a temperatura excede 565 graus e a pressão excede 250 bar. Acima de 300 bar e 585 ° C , a planta é dita "ultra-supercrítica" e permite reduzir o combustível utilizado em cerca de 20% e, portanto, em 20% as emissões de carbono (CO 2), mas também para dividir as emissões de óxido de nitrogênio (NO x ) por sete e as emissões de óxido de enxofre (SO x ) por mais de dez . Por exemplo, a EDF e o eletricista China Datang Corporation (CDT) comissionaram em 2016 a primeira usina elétrica a carvão de alta eficiência operada pela EDF. A tecnologia utilizada oferece uma eficiência de quase 44% (contra 35% para uma central convencional a carvão), bem como um impacto reduzido no meio ambiente: 800 g / kWh de emissões de CO 2contra 900 g / kWh para uma central elétrica convencional a carvão; 100 mg / Nm 3 de emissões de NO x e SO x , em comparação com 720 mg / Nm 3 e 1.300 mg / Nm 3, respectivamente, para uma usina a carvão sem tratamento de gases de combustão.
Futuro das usinas termelétricas a carvão na EuropaA participação do carvão e da linhita na produção de eletricidade da União Europeia caiu 21% entre 1990 e 2014, ou 1% ao ano, segundo dados da Agência Europeia do Meio Ambiente .
Em 2016, 16 usinas movidas a carvão foram fechadas na Europa, incluindo a última usina belga, tornando a Bélgica o primeiro país da Europa a eliminar o carvão. No entanto, 293 usinas ainda estão em operação, embora cerca de 80% não sejam mais lucrativas.
Em 2017 a França ainda tem quatro usinas a carvão, incluindo cinco unidades de produção, o abandono do carvão deve ocorrer em 2022. Emmanuel Macron declara: "até o final do mandato de cinco anos, terei fechado todo o carvão- usinas de energia acionadas. " . Uma missão interministerial é responsável por preparar este prazo. No entanto, abandonar o carvão não será fácil porque essas quatro usinas térmicas desempenham um papel importante na superação dos picos de inverno na França e empregam mais de mil pessoas.
Especialistas da Climate Analytics (in) destacam que dois países, Alemanha e Polônia , têm 51% da capacidade instalada e são responsáveis por 54% das emissões das usinas a carvão. “Há uma disparidade crescente entre os Estados membros em sua abordagem ao futuro do carvão” , observam, lamentando a construção ou planos de usinas termelétricas a carvão em alguns países como Polônia e Grécia .
O 3 de novembro de 2017, cerca de trinta associações ambientais estão lançando a campanha “ Europe Beyond Coal ” para “acelerar a eliminação do carvão em toda a União Europeia” .
Em 2019, pela primeira vez na Europa, as usinas a gás produziram mais eletricidade do que as usinas a carvão.
Em 2020, Suécia e Áustria estão fechando sua última fábrica, à frente de suas previsões. EDP , empresa portuguesa de energia, anuncia a saída do carvão em 2021. Espanha vai encerrar 7 centrais emjunho de 2020, um ano e meio após o encerramento das minas de carvão, para evitar os custos da sua adaptação à regulamentação europeia, e quatro das oito centrais restantes solicitaram uma autorização de encerramento.
Espera- se que cerca de 40 usinas de energia sejam fechadas nos próximos anos na Finlândia , França , Itália , Holanda , Portugal e Reino Unido , uma vez que esses países optaram por eliminar o carvão até 2030, o mais tardar.
Centrais elétricas movidas a óleoEsse tipo de usina queima óleo combustível em uma caldeira de produção de vapor, que gira uma turbina que aciona um alternador para produzir eletricidade.
O seu funcionamento é bastante semelhante ao descrito para as centrais a carvão, as principais diferenças afectando apenas a caldeira e os seus auxiliares, sendo estes específicos para um combustível líquido.
Centrais elétricas a gásEm alguns países produtores de gás natural , ainda existem antigas usinas semelhantes às usinas movidas a óleo , mas usando gás como combustível, em vez de óleo combustível, para produzir o vapor para a turbina . Seu funcionamento é idêntico, mas a caldeira é dimensionada especificamente para esse combustível gasoso. Desde a década de 1990 e com o surgimento das turbinas de combustão (em ciclo simples ou combinado ), esse tipo de usina tem se tornado escasso em favor das usinas com turbinas de combustão, em especial pelo melhor rendimento dessas turbinas de ciclo combinado . A eficiência do ciclo combinado de gás da central térmica de Bouchain excede, portanto, 62%.
Usinas de biomassaNa Europa, usinas de grande escala já funcionam com biomassa, algumas delas há 25 anos na Escandinávia. Mais recentemente, para a produção de eletricidade térmica, a cogeração de eletricidade e calor está gradualmente substituindo as usinas de produção de eletricidade pura. Mas em certos países, ou em certas regiões, os operadores de energia encontram dificuldades nesta conversão, em particular devido à falta de infraestrutura capaz de explorar o calor de cogeração, como as redes de aquecimento urbano. Para avançar na transição energética, apesar disso, e enquanto aguardam o estabelecimento gradual dessas infra-estruturas, os operadores optam por vezes por converter os seus meios de produção térmica existentes de carvão para biomassa. Esse foi o caso em muitos locais no Reino Unido, Polônia, Holanda ou em regiões como Valônia ou Provença. Previstos para períodos de operação de cerca de vinte anos, permitem, durante este período de transição, por um lado interromper imediatamente a utilização de carvão, e por outro lado manter as capacidades de produção enquanto se espera que o consumo de eletricidade seja melhor controlado e outro mais eficiente dispositivos são colocados em prática, como a cogeração ou o armazenamento de energias renováveis intermitentes.
Entre as usinas de biomassa mais notáveis estão a usina Drax (4000 MW ) no Reino Unido e a usina térmica Provence (150 MW ) em Gardanne.
Na França, 31 de dezembro de 2020, a capacidade instalada das usinas do setor de bioenergia atingiu 2.171,5 MW , incluindo 680,3 MW (31,3%) das usinas que utilizam madeira e outros biocombustíveis sólidos (+ 3,1%). Essas usinas produziram 9,6 TWh em 2020, ou 2,0% da produção de eletricidade do país, incluindo 2,5 TWh para usinas de biomassa sólida (madeira, etc. ).
Em fevereiro de 2021, 500 cientistas enviaram uma carta aberta aos líderes dos Estados Unidos , União Europeia , Japão e Coréia para alertá-los do risco de que ocorresse um desenvolvimento excessivo do setor de energia da madeira. Mostra-se contraproducente na luta contra aquecimento global . Os cientistas estão encorajando os governos a remover quaisquer incentivos que encorajem a lenha , proveniente ou não de seus próprios recursos florestais.
Um motor de combustão interna (ICE) é um tipo de motor de combustão em que a energia térmica emitida pela combustão é convertida em energia mecânica .
Turbinas de combustãoEste tipo de planta pode usar combustíveis gasosos (gás natural, butano , propano , etc. ), mas também líquidos (desde os mais voláteis, como nafta , álcool, até os mais viscosos ( óleos combustíveis pesados ou residuais , até mesmo petróleo bruto ), através de querosene ou óleo de aquecimento ).
A terminologia francesa "turbina a gás" ou TAG, resultante da tradução literal do termo anglo-saxão turbina a gás , pode levar à confusão. O nome “turbina de combustão”, ou TAC, mais exatamente, evita essa ambigüidade.
Existem dois tipos de usinas de energia.
Usinas de ciclo simples Consistindo em uma turbina de combustão funcionando com combustível líquido ou gasoso, acionando um alternador. São utilizados principalmente como usinas de pico, para garantir uma produção adicional em caso de alta demanda pontual (horários de pico). Centrais elétricas de ciclo combinado Sua eficiência energética é melhorada com a adição de uma caldeira de recuperação . Isso explora o calor residual sensível , contido na fumaça do escapamento da turbina de combustão, para produzir o vapor que abastece uma turbina a vapor . Este último pode, por sua vez, acionar um segundo alternador em uma segunda linha de eixo (isso é chamado de ciclo combinado "com linhas de eixo separadas") ou ser instalado na mesma linha de eixo que a turbina de combustão. (Isso é então referido como um ciclo combinado de “linha de eixo único”). Esta última configuração, disponível em vários fabricantes mundiais, atinge uma eficiência de 60%. Motores a dieselAlgumas usinas termelétricas usam motores a diesel para acionar os alternadores.
Em França, é o caso de áreas não interligadas à rede metropolitana continental (sistemas elétricos na Córsega , Guadalupe , Martinica, Reunião, Mayotte, Nova Caledônia, etc. ).
Em 2018, a participação do setor de produção de eletricidade e calor nas emissões de CO 2 referente à energia foi de 41,7%.
Na União Europeia de 27, as emissões de gases de efeito estufa para a produção de um quilowatt-hora de eletricidade caíram 45% entre 1990 e 2018, de 510 g CO 2eq / kWh a 281 g CO 2eq / kWh em 2018. De acordo com as estimativas iniciais, atingiriam 249 g CO 2eq / kWh em 2019. As emissões são altas em países onde o setor de carvão ainda é importante, como a Alemanha (406 g / kWh ) ou ainda mais Polônia (789 g / kWh ) e Estônia (900 g / kWh ). kWh ). Por outro lado, são muito mais baixos em países que desenvolveram energias nucleares e / ou renováveis, como a França (54 g / kWh ) ou a Suécia (13 g / kWh ).
Na França, a produção de eletricidade representa cerca de 4,8% das emissões totais de CO 2em 2019. Essa parcela, excluindo o autoconsumo, foi de 17,1 Mt de CO 2em 2020 contra 18,7 Mt em 2019; sua principal fonte é o gás natural (13,5 Mt ).