Usina termelétrica
(Fluxo das energias)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução
Sabemos perfeitamente que a energia térmica pode ser transformada em energia mecânica ou elétrica. Inversamente, a energia mecânica ou a energia elétrica podem ser convertidas em energia térmica. O primeiro caminho é bem mais dificultoso que o segundo. Uma central termelétrica operando a partir de energia térmica (da queima do carvão, por exemplo) mostra, perfeitamente, o ciclo completo das transformações de energia. É o que propomos mostrar aqui.

Transformações
A energia vem para a usina como 'carvão', isto é, energia química armazenada na estrutura dos constituintes do carvão. Os elementos constituintes do carvão combinam-se com o oxigênio do ar e, assim, nesse processo denominado 'combustão' (ou oxidação), convertem a energia química em energia térmica.
Uma certa porcentagem desta energia térmica é transferida para a caldeira e produz vapor. A razão entre a quantidade de energia térmica aproveitada pela caldeira (útil) e a quantidade de energia térmica libera pelo carvão (fornecida) é denominada 'rendimento da caldeira', de modo que, indicando-se esse rendimento por n tem-se: n = energia térmica útil/energia térmica fornecida.
Em todas as etapas das transformações teremos um rendimento específico, ou seja, "quanto se aproveitou daquilo que recebeu"; em outras palavras, em todas as etapas, como o rendimento nunca é 100%, teremos perdas, energia desperdiçada. Continuemos.

A expansão do vapor nos cilindros da máquina ou nos injetores e palhetas da turbina, transformam a energia térmica do vapor em energia mecânica. O vapor quente produz movimento. Essa etapa tem um baixo rendimento.

Esta energia mecânica disponível na saída da turbina é usada para acionar o gerador elétrico o qual, por sua vez, converte uma grande proporção (alto rendimento) da energia mecânica que recebe, em energia elétrica.
Uma certa quantidade dessa energia elétrica volta a se transformar em calor nos fios, barras-gerais, transformadores e no sistema de transmissão.

Finalmente, a energia elétrica restante é aproveitada para fazer funcionar motores, acender lâmpadas, acionar máquinas elétricas ou ser utilizada em processos químicos (eletrólise, galvanoplastia, niquelação etc.). Em última análise, toda a energia aparece de novo como energia térmica ou convertida em outras formas de energia.

Rendimentos
A tabela abaixo mostra, aproximadamente, a que se reduzem cada 100 unidades de energia térmica existentes inicialmente no carvão, numa boa e eficiente usina termelétrica da atualidade, operando nas melhores condições.

Fluxo das transformações
A ilustração abaixo mostra o percurso da energia (expresso em unidades de potência) num típico sistema elétrico, desde a energia química no carvão, tal como ele é levado às grelhas transportadoras nas caldeiras, até o ponto de utilização final (nesta caso, representado por motores).

Em (X) a energia é entregue aos alimentadores, na forma de carvão, à quantidade de 94 800 BTU/s, correspondendo a 100 000 kW.
Na figura acima, as letras maiúsculas (A, B etc.) junto às setas azuis, indicam a potência transportada de uma etapa para outra; as letras minúsculas (a, b etc.), junto às setas pretas, indicam as perdas de potência nessas etapas. Y é a energia mecânica disponível nos eixos dos motores, a cada segundo de funcionamento. Na linha inferior estão indicados os rendimentos (n) nas diversas etapas.

As potências transportadas e as de perdas são as abaixo indicadas, expressas em duas unidades; uma do Sistema Internacional, kW = 10³ W e outra do Sistema Inglês, BTU/s.

X - 100 000 kW = 94 800 BTU/s, chegam à caldeira;
a - 15 000 kW = 14 230 BTU/s, perdas na caldeira;
A - 85 000 kW = 80 630 BTU/s, para a turbina a vapor;
b - 59 500 kW = 56 500 BTU/s, perdas na turbina;
B - 25 500 kW = 24 189 BTU/s, para o alternador;
c - 1 020 kW = 968 BTU/s, perdas no alternador;
C - 24 500 kW = 23250 BTU/s, para o sistema de transmissão;
d - 4 900 kW = 4 650 BTU/s, perdas na transmissão;
D - 19 600 kW = 18 600 BTU/s, para o transformador;
e - 390 kW = 370 BTU/s, perdas no transformador;
E - 19 200 kW = 18 220 BTU/s, para os motores;
-- - (as perdas estimadas nos motores foram de 2 880 kW)
Y - 16 320 kW = 15 487 BTU/s = 21 900 HP, potência disponível nos motores.

Comentários
Para simplificar a esquematização, muitos detalhes secundários foram omitidos, como chaves, trafo-elevadores, barras-gerais etc.
Deve ser observado, todavia, que o rendimento parcial com turbinas a vapor, mesmo numa moderna instalação do tipo, é bem pouco econômica, pois converte apenas 30% do total de energia térmica recebida, em energia mecânica a ser entregue para o alternador. O rendimento total, nas melhores usinas do tipo, ainda não é alto, visto que, do carvão até os motores elétricos (do exemplo), aproveitam-se apenas 19,2 %. Se for levado em conta a eficiência dos motores, lâmpadas e outros aparelhos, o rendimento global cairá ainda mais.

Falta aqui, e isso é absolutamente indispensável, os comentários sobre os efeitos nocivos à natureza do uso de tal tipo de usina; mas, infelizmente, essa não é minha praia. Aceitarei, de bom grato, os comentários pertinentes a esse tema. Todavia, sejam justos. Léo.