O trabalho que se segue procura descrever o que sejam as termelétricas a gás natural de ciclo combinado ("Combined cycle power stations" , CCPS's" ), um tipo de usina térmica que vem sendo adotado em todo o mundo, desde a década de oitenta, e que deverá ser a solução escolhida para a quase totalidade das termelétricas brasileiras a gás natural a serem construídas nos próximos anos - cerca de 35 usinas, totalizando mais de 12.000 megawatts (MW).

Uma usina a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível. Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado, produzindo o vapor necessário ao acionamento da turbina a vapor. Vejamos abaixo as principais características das CCPS's.

1. PRINCIPAIS COMPONENTES DAS CCPS's

1.1 Turbinas a Gás

O principal elemento das termelétricas de ciclo combinado são as turbinas a gás, uma tecnologia em grande parte proveniente dos jatos desenvolvidos para as aeronaves militares e civis, onde o combustível é o querosene. Nas termelétricas, o combustível vem sendo cada vez mais o gás natural, embora seja quase sempre dada a possibilidade de operar com um segundo combustível, como o diesel, para evitar interrupções no caso de problemas no suprimento do gás.

Podemos distinguir três componentes principais em uma turbina à gás: o compressor, o sistema de combustão e a turbina propriamente dita, esta última sendo a fonte de acionamento tanto do compressor como de um gerador de energia elétrica. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido no sistema de combustão à pressão de cerca de 13 bar, e temperatura da ordem de 375º C, a qual se eleva a 1250º C com a queima do gás. A energia gerada na expansão que se segue à queima do gás aciona a turbina, reduzindo-se a pressão à atmosférica e a temperatura a cerca de 550º C nos gases de exaustão da turbina.

Se uma turbina estiver operando isoladamente, ou em ciclo aberto ( open cycle mode ), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, mais de 60% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. É verdade que a eficiência térmica pode ser melhorada com temperaturas e pressões de entrada mais elevadas, mas isto exigiria materiais mais caros ao longo do caminho do gás, com limitações técnicas e econômicas que podem ser relativizadas no caso de unidades aeronáuticas (especialmente militares), mas são relevantes nas turbinas industriais. Nestas, é fundamental compatibilizar temperaturas e pressões com custos iniciais e de manutenção, esta sempre trabalhosa e demorada.

Assim, não é de se esperar que, mesmo com os desenvolvimentos técnicos já antevistos, as turbinas industriais em ciclo aberto venham a ter eficiência térmica acima de 40%, o que torna este sistema desinteressante para a geração de energia elétrica. A Fig. 1 abaixo mostra este esquema, com o fluxo numérico de energia da unidade.

Turbina a Gás em Ciclo aberto

1.2 Caldeira de recuperação de calor - HRSG

Como dissemos acima, as CCPS's têm como um dos seus principais elementos um gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão das turbinas a gás (Heat Recovery Steam Generator - HRSG). Com isto, a eficiência térmica eleva-se substancialmente, como se vê na Fig. 2 abaixo, pois o vapor assim produzido aciona uma turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.

Ciclo combinado

A temperatura máxima que, nestas condições, pode ser obtida no vapor depende da temperatura dos gases de exaustão, que, como vimos, é da ordem de 550º C. Um bom número é vapor a 520º C, e 105 bar de pressão. A quantidade de vapor produzida é suficiente para acionar uma turbina capaz de gerar a metade da energia elétrica da turbina a gás correspondente. Em consequência, um dos arranjos clássicos de uma CCPS são duas turbinas a gás e uma a vapor, todas da mesma capacidade - p.ex., 150 MW cada uma.

Diferentemente dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor diesel, os gases provenientes de uma turbina a gás ainda contém oxigênio, o que permite a queima suplementar de combustível, se for desejado vapor a temperaturas mais elevadas ou em maior quantidade. Nas instalações comerciais, entretanto, este esquema é pouco usado, pois a eficiência térmica global é menor.

1.3 Turbina a Vapor

O terceiro elemento básico nas CCPS's é a turbina a vapor, cuja função é gerar energia elétrica adicional a partir do vapor produzido no HRSG. Seu funcionamento não difere das turbinas usadas em termelétricas convencionais a vapor, com queima de carvão ou óleo. O vapor saído da turbina é condensado e volta a ser usado como água de alimentação do HRSG.

Caso a instalação esteja à beira-mar ou próxima de um rio, a preferência é pelo condensador a água, com passagem única. Se isto não for possível, pode-se ter torres de resfriamento (as enormes torres de concreto com perfil parabólico são típicas de termelétricas) ou mesmo, caso não haja água disponível, radiadores resfriados a ar. Neste último caso, os investimentos tendem a crescer e a eficiência térmica da planta fica reduzida.

2. CAPACIDADE PRODUTIVA DAS CCPS's

A escolha das turbinas a gás determina a capacidade de produção de uma termelétrica de ciclo combinado. Não se pode, porém, arbitrar livremente a potência de uma turbina, pois os poucos fabricantes mundiais têm suas máquinas padronizadas. Encontram-se turbinas a gás desde 1 MW a 330 MW, mas a grande maioria das termelétricas a gás natural usa unidades entre 120 e 330 MW. As capacidades são referidas às condições "ISO" , ou seja, temperatura ambiente de 15º C e nível do mar, e serão reduzidas para temperaturas mais elevadas e altitudes maiores.

Como vimos, o vapor gerado em uma caldeira de recuperação de calor permite acionar uma turbina de potência igual à metade da turbina a gás correspondente. Isto significa turbinas a vapor de 60 a 165 MW, e o tamanho prático de uma instalação com uma turbina a gás e sua correspondente a vapor será de 180 MW ou maior.

3. CONFIGURAÇÃO DAS CCPS's

3.1 Instalações com uma turbina a gás

Em instalações de uma única turbina a gás, a que nos referimos no parágrafo anterior, dois arranjos são possíveis: o mais tradicional prevê geradores elétricos separados, acoplados à turbina a gás e à turbina a vapor, mas é possível acoplar as duas para acionarem um único gerador. A Fig. 3 abaixo mostra um esquema deste tipo

Fluxograma típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)
Tipo 1+1 em eixo único

A opção por uma única turbina a gás limita a capacidade total da usina a cerca de 500 MW, e traz problemas de parada total se uma das máquinas apresentar problemas. Desta forma, a preferência é para as instalações com mais de uma turbina a gás, que veremos a seguir.

3.2 Instalações com mais de uma turbina a gás:

A maioria das térmicas a gás natural em funcionamento ou construção adota a configuração de mais de uma turbina a gás, pois desta forma não há limite à capacidade da usina, e os riscos de paralisação são reduzidos. Como já vimos, um modelo clássico é o chamado 2 + 1, com duas turbinas a gás iguais, cada uma com seu HRSG, e uma a vapor de mesma capacidade. Desta forma, é possível usar três geradores elétricos de mesmo porte para as três turbinas, com transformadores e demais equipamentos elétricos também padronizados. Um arranjo deste tipo pode ser visto na Fig. 4, abaixo

Fluxograma típico de uma Termelétrica de Ciclo combinado (CCPS) - Tipo 2+1

Neste tipo de configuração é possível parar uma turbina a gás e seu HRSG reduzindo a capacidade total à metade. Caso a turbina a vapor pare, pode-se operar com o chamado ciclo aberto (vide item 1.1), com grande redução na eficiência térmica.
Com base na potência comercialmente disponível das turbinas a gás, conclui-se que uma usina tipo 2 + 1 terá capacidade total entre 360 e 990 MW, embora este limite superior seja na prática de cerca de 800 MW. Uma atenção especial em instalações deste tipo (mais de uma turbina) deve ser dada à divisão de carga entre as máquinas a gás, de forma a equalizar temperaturas e pressões no vapor produzido por seus HRSG's.

A combinação de turbinas a gás e a vapor não está limitada ao arranjo 2 + 1. Há exemplos de até 5 turbinas a gás associadas a uma a vapor, e arranjos de 3 + 1 e 4 + 1 estão em uso comercial em diferentes localizações. O emprego de grandes turbinas a vapor, entretanto, traz dificuldades técnicas a medida que aumenta o número das caldeiras de recuperação de calor que, em paralelo, a alimentam.

4. EFICIÊNCIA E DISPONIBILIDADE

4.1 Eficiência Térmica

A eficiência térmica das CCPS's é melhor que as maiores e mais modernas usinas a carvão ou a óleo. Como exemplos, temos a usina de Drax, na Inglaterra, uma termelétrica a carvão de 4.000 MW, que chega a 40% de eficiência, ou os melhores motores diesel, que podem atingir 44%.

A estas instalações comparam-se as CCPS's - termelétricas a gás natural de ciclo combinado, capazes de atingir 56% de eficiência térmica. Mesmo usinas mais antigas ficam acima de 47%, valores que, com a tecnologia hoje disponível, não são encontrados em nenhuma outra térmica comercialmente em uso.

4.2 Disponibilidade

Diz-se que uma planta perde disponibilidade quando cessa de gerar energia elétrica, seja por paradas programadas, paradas imprevistas ou restrições à produção de qualquer natureza. A disponibilidade é avaliada em bases anuais e termos percentuais, comparando-se a totalidade das horas do ano com as do efetivo funcionamento.

As paradas programadas de uma CCPS são em geral determinadas pelas turbinas a gás, que normalmente são previstas para trabalhar até 8000 horas sem interrupção. Na prática, a perda de disponibilidade situa-se entre 2 e 12% ao ano, fixando-se em 5% em um horizonte de 5 anos. Os demais componentes de uma CCPS - HRSG e turbina a vapor - terão sua manutenção contida nestes prazos.

Dados estatísticos mostram que as demais perdas de disponibilidade situam-se entre 3 e 6%, o que significa que algo próximo a 90% pode ser antecipado como disponibilidade média de uma CCPS.

5. QUESTõES AMBIENTAIS

O gás natural é, em princípio, isento de enxofre e de cinzas, o que torna dispensáveis as custosas instalações de desufurização e eliminação de cinzas que são exigidas nas térmicas a carvão e a óleo. O problema da chuva ácida é mínimo em uma térmica a gás natural, e a contribuição para o aquecimento global, por KW gerado, é muito menor que nas correspondentes a carvão e óleo, por força da melhor eficiência térmica. Como o gás natural é rico em hidrogênio quando comparado aos demais combustíveis fósseis, a proporção de gás carbônico gerado por sua queima é significativamente mais baixa.

O problema ambiental mais acentuado nas instalações a gás natural é o de emissão de óxidos de nitrogênio, conhecidos por "NOx". Uma turbina a gás tem níveis maiores de NOx do que caldeiras a óleo ou carvão porque a relação entre o ar e o combustível é muito maior na queima do gás. Os últimos desenvolvimentos técnicos prevêm a utilização de queimadores com injeção de água ou vapor na zona de combustão das turbinas, o que além de reduzir o NOx, ainda eleva a capacidade produtiva de máquina por aumento do fluxo de massa através da turbina.

A idéia popular de que turbinas a gás produzem alto nível de ruído - impressão que vem das turbinas de avião - não é verdadeira. Em CCPS's bem projetadas, a poluição sonora não excede a de usinas equivalentes operando a vapor, e situa-se facilmente nas exigências legais.

Uma vantagem deste tipo de termelétrica é o de ocupar espaços reduzidos em relação aos demais. Uma instalação típica, 2 + 1, de 360 MW pode ser feita em um terreno de 200 x 400 metros, como pode ser visto na Fig. 5

Arranjo típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)

Também na altura das chaminés as CCPS's trazem vantagens sobre térmicas a carvão ou óleo. Como o gás é basicamente isento de enxofre e cinzas, a chaminé de concreto com 250 m de altura, típica de grandes usinas, pode ser substituída por duas peças de 75 m , em aço. A não existência de grandes áreas de estocagem de carvão ou parque de tanques de óleo é ainda um ponto a favor das usinas a gás natural, embora nelas existam, como se pode observar na Fig. 5, reservatórios para combustíveis de reserva.

6. TEMPO DE CONSTRUÇÃO, INVESTIMENTO E OPERAÇÃO

Atualmente, com o número de CCPS's aumentando em todo o mundo, os prazos de entrega de turbinas a gás têm se alongado, havendo verdadeiras filas que tornam o tempo de espera incerto. A menos deste inconveniente, o prazo de construção de uma usina tipo CCPS não excede 2 anos, enquanto uma térmica a óleo ou carvão equivalente leva em média 3 anos.

Os investimentos necessários são também menores. Uma usina a carvão, incluindo a unidade de desufurização dos gases de escape da chaminé (hoje exigência em todo o mundo) fica 80% mais cara que uma CCPS equivalente. O gás usado, porém, deverá ser um produto de elevada qualidade, enquanto as outras térmicas podem lançar mão do carvão não tratado ou óleos combustíveis residuais, de custo menor.
Não trataremos neste trabalho dos custos operacionais, porém podemos indicar que, graças ao não manuseio de combustível e ao alto grau de automação que se pode alcançar em uma CCPS, o número de operários é comparativamente pequeno em relação às térmicas tradicionais - em uma termelétrica a gás natural de ciclo combinado de 800 MW podemos esperar algo entre 30 e 60 homens.

Concluindo, é possível afirmar que as CCPS oferecem vantagens competitivas importantes sobre as convencionais. Tratando-se de uma tecnologia relativamente recente, há oportunidades abertas para melhoramentos, seja na eficiência térmica, seja na performance dos equipamentos envolvidos, tornando ainda mais atrativa a economia global deste tipo de empreendimento.