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3º ano 6º semestre

Aula 27

Sistemas Energéticos

Aula 27: Energia Geotérmica

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Tópicos

Introdução

Energia geotérmica – funcionamento e

tecnologia

Aproveitamento do calor geotérmico

Vantagens da energia geotérmica

Desvantagens da energia geotérmica

Problemas

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27.1 - Introdução

Energia geotérmica é a energia obtida a partir do calor proveniente da Terra, mais

precisamente do seu interior. Funciona graças à capacidade natural da Terra e/ou

da sua água subterrânea em reter calor.

Para que possamos entender como é aproveitada a energia do calor da Terra

devemos primeiramente entender como nosso planeta é constituído.

A Terra é formada por grandes placas, que nos mantém isolados do seu interior,

no qual encontra-se o magma, que consiste basicamente em rochas derretidas.

Com o aumento da profundidade a temperatura dessas rochas aumenta cada vez

mais, no entanto, há zonas de intrusões magmáticas, onde a temperatura é muito

maior. Essas são as zonas onde há elevado potencial geotérmico.

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27.1.1 As Camadas Da Terra

A Litosfera, é a camada rígida do globo terrestre, com 50 a 60 Km de

espessura, compreendendo o sial e o sima.

O sial - é a parte mais externa da litosfera, com 15 a 25 Km de espessura,

e é nele que se formam o solo e o subsolo. Predominam no sial os

minerais silício e alumínio, de onde vem seu nome (Si, de silício, e Al, de

alumínio).

O sima - logo abaixo do sial, tem a espessura de 30 a 35 Km e nele

predominam o silício (Si) e o magnésio (Ma). Os minerais que compõem

o sima apresentam maior densidade que os do sial.

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27.1.1 As Camadas Da TerraP

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O manto - com espessura de aproximadamente, 4600 Km, é formado

de minerais em estado pastoso, em virtude das altas temperaturas nessa

profundidade (cerca de 4000ºC). Recebe também o nome de magma,

palavra grega que significa "massa"(alusão à massa pastosa) e divide-se

em manto inferior e manto superior.

O nife ou núcleo - central da Terra cuja espessura admite-se ser 1

800 Km, possui temperaturas que chegam a mais de 6000ºC. Nele

predominam minerais de alta densidade, como o níquel (Ni) e o ferro

(Fe).

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A sismologia admite que, numa certa camada de manto

superior (entre 100 e 350 Km de profundidade), existe uma

massa plástica de minerais capaz de se deslocar em estado

líquido: é a denominada astenosfera (do grego asthenes =

"fraqueza", e sphaera esfera). É sobre ela que se assentam as

placas tectônicas. Calcula-se que a astenosfera encontra-se a

cerca de 100 Km sob os continentes e a 50 Km ou menos sob

os oceanos.

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27.1.2 A Estrutura Interna Da Terra

Os estudos sobre as camadas geológicas da Terra são fundados a

partir de perfurações da crosta terrestre, mas sendo assim dos

aproximadamente 6381 km de profundidade até o centro da Terra,

as escavações só tem acesso aos primeiros quilómetros, o homem

atingiu a marca de 10 Km e ocorreu no norte da Rússia. Portanto a

maior parte do conhecimento do interior da Terra é obtida de forma

indirecta.

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Os estudos geofísicos, auxiliados pela sismologia, têm procurado

esclarecer várias questões relativas ao interior da Terra. por exemplo,

pelo estudo da propagação das ondas dos terremotos (sismos) de um

lugar para outro da Terra é possível saber o tipo de material que essas

ondas atravessam no interior de nosso planeta. As variações e os

desvios das ondas, em sua propagação, oferecem elementos para

conhecer a estrutura interna da Terra, ou seja, suas camadas, suas

propriedades e seus limites.

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O estudo do vulcanismo, da densidade dos minerais e do grau

geotérmico também auxilia os geofísicos em sua busca de

conhecimento sobre o interior da Terra.

O grau geotérmico, chamado também de gradiente geotérmico, é a

profundidade em metros correspondente a cada aumento de 1ºC na

temperatura da Terra (a média geral do planeta é de 33m)

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27.1.2 A Estrutura Interna Da TerraP

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27.1.3 Histórico - Linha do Tempo

O calor da terra é utilizado desde os tempos antigos.

A primeira tentativa de gerar eletricidade a partir de fontes geotérmicas se deu em 1904 em Larderello na região da toscana, em Itália.

Em 1913, uma estação de 250 kw foi construida com sucesso.

Em 1950 na Nova Zelândia o campo de gases de Wairakei localizado na ilha do Norte, foi usado para gerar energia geotérmica.

Em 1980, um campo de gêiseres na Califórnia produziu 500 MW de eletricidade, logo em seguida países como México, Japão, Filipinas, Quênia e Islândia também expandiram a produção de eletricidade por meio geotérmico.

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“Geotérmico” vem das palavras gregas geo (terra) e therme (calor)assim,

geotérmico significa calor terrestre.

Desde os tempos primordiais que usamos a água geotérmica que fluiu

livremente da superfície da terra como termas. O uso mais antigo e mais

comum era, naturalmente, somente relaxar nas consoladoras águas

quentes.

Mas, eventualmente, esta ‘água mágica’ foi usada (e ainda é) de outros

modos criativos. Os Romanos, por exemplo, usaram a água geotérmica

para tratar doença dos olhos e pele e, em Pompeia, aquecer edifícios.

27.2 - Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia

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Há 10 mil anos, os Americanos Indígenas usavam a água das termas para

cozinha e e para medicina.

Durante séculos os maoris da Nova Zelândia cozinharam ‘geotermicamente’

e, desde a década de 1960, que a França aquece até 200 mil casas usando água

geotérmica.

Hoje em dia perfuramos poços nos reservatórios geotérmicos para trazer a

água quente à superfície. Os geólogos, geoquímicos, perfuradores e

engenheiros fazem explorações e testes para localizar áreas subterrâneas que

contêm esta água geotérmica, de forma a sabermos onde perfurar poços de

produção geotérmicos.

27.2 -Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia

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Então, assim que a água quente e/ou vapor viaja dos poços até à

superfície, podem ser usados para gerar a electricidade em centrais

geotérmicas ou para a energia para usos não-eléctricos.

Existe uma grande quantidade de energia sob a forma térmica

contida no interior do planeta. Esta é transmitida para a crosta

terrestre sobretudo por condução.

Esta representa uma potência de 10.000 vezes da energia

consumida por ano no mundo actualmente.

27.2 -Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia

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Este recurso pode ser classificado em duas categorias:

Alta temperatura (T>150 ºC): este recurso está geralmente associado a

áreas de actividade vulcânica, sísmica ou magmática. A estas

temperaturas é possível o aproveitamento para a produção de energia

eléctrica;

Baixa temperatura (T<100 ºC): resultam geralmente da circulação de

água de origem meteórica em falhas e fracturas e por água residente em

rochas porosas a grande profundidade. O aproveitamento deste calor

pode ser realizado directamente para aquecimento ambiente, de águas,

piscicultura ou processos industriais.

27.2.1 – Conversão da EnergiaP

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Nos processos geotérmicos existe uma transferência de energia por

convecção tornando útil o calor produzido e contido no interior da terra.

O aproveitamento também pode ser feito utilizando a tecnologia de

injecção de água a partir da superfície em maciços rochosos quentes.

A utilização ideal da energia geotérmica é em cascata, a temperaturas

progressivamente mais baixas, até cerca dos 20ºC (Diagrama de Lindal).

Actualmente existe também a utilização de ciclos binários na produção de

energia eléctrica e de bombas de calor (BCG) no caso de utilizações

directas.

27.2.2 -TecnologiasP

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27.3 Aproveitamento do calor geotérmico

O aproveitamento do calor implica a necessidade de execução de

infra-estruturas de captação, os poços de produção, e a construção

de centrais onde se procede às trocas de calor e à transformação de

calor em energia eléctrica.

Os poços geotérmicos são sondagens construídas na crosta terrestre

através de perfurações concêntricas e respectivos revestimentos em

aço de forma a atravessarem as formações geológicas onde reside o

aquífero geotérmico, podendo atingir vários quilómetros de

profundidade.

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Um poço geotérmico, de modo simplificado, é constituído por dois

segmentos, um superficial revestido com uma tubagem cega

cimentada contra as formações e outro profundo constituído por

tubagem perfurada, solta das formações, formando um ecrã

drenante do geofluido a conduzir para a superfície. O troço

superficial é encimado por um conjunto de válvulas que permitem a

operação e o controlo da extracção dos fluidos geotérmicos.

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No caso da produção de electricidade são genericamente usados dois

tipos de tecnologias: a tradicional com recurso a turbogeradores

convencionais, onde se expande directamente o vapor geotérmico,

ou, em alternativa, a tecnologia binária que usa um fluido

intermédio que é aquecido pelo vapor e água geotérmicos, cujo

vapor sobreaquecido do fluido de trabalho é expandido no

turbogerador, repetindo-se o ciclo em circuito fechado.

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27.3 Aproveitamento do calor geotérmicoP

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27.3 Formas de utilização da energia geotérmica

1. Utilização directa: reservatórios geotérmicos de temperaturas

baixas moderadas (20ºC-150ºC) podem ser aproveitadas

directamente para fornecer calor para a indústria, aquecimento

ambiente, termas e outros aproveitamentos comerciais

2. Bombas de calor geotérmicas (BCG): Aproveitam as diferenças

de temperatura entre o solo e o ambiente, fornecendo calor e frio.

3. Centrais Geotérmicas: aproveitamento directo de fluidos

geotérmicos em centrais a altas temperaturas (> 150 ºC), para

movimentar uma turbina e produzir energia eléctrica.

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27.3.1 Centrais Geotérmicas

No caso das Centrais Geotérmicas, para obter energia geotérmica

são realizados dois furos próximos e bem profundos no solo, de

forma a alcançar uma camada de rocha quente. Num desses furos é

introduzida água, que será aquecida pela própria rocha e expelida

pelo segundo furo, em forma de vapor. Esse vapor quente é

transportado através de tubulações até à usina, na qual irá fazer girar

as lâminas de uma turbina que, em movimento, e com a ajuda de um

gerador, é transformada em energia eléctrica.

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27.3.1 Centrais Geotérmicas

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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG):

O princípio de operação de energia geotérmica é a permuta de calor que

ocorre entre o fluido e a terra. Para isso, é utilizado um permutador de calor

constituído por um conjunto de tubos de polietileno, enterrados a uma

determinada profundidade. A essa profundidade, a temperatura é constante, e

não é afectada pelas condições climatéricas do ambiente. No interior dos tubos,

circula um fluido de trabalho e devido à acção dinâmica do fluido o mesmo

alcança a temperatura constante de operação.

O permutador de calor está ligado a uma bomba de calor geotérmica (BCG),

que é responsável pela geração de calor e frio como se trata de um sistema de

climatização.

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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG)P

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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG)

A energia geotérmica permite grande economia de energia, e

por ter a temperatura do fluido constante, a diferença de

temperatura é mais baixa, reduzindo a energia necessária para

o funcionamento dos sistemas de condicionamento do ar.

Pode-se esperar uma economia de até 60% da energia usada

em comparação com os sistemas tradicionais.

A energia geotérmica tem portanto, o período de reembolso

aceitável com o mínimo de manutenção.

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Limpa. As centrais geotérmicas, como as centrais solares e eólicas, não

têm de queimar combustíveis para manufacturar o vapor para mover as

turbinas. A geração de electricidade com a energia geotérmica ajuda a

conservar os combustíveis fósseis não renováveis e reduzindo o uso

desses combustíveis, reduz-se as emissões que prejudicam a nossa

atmosfera. Não há nenhum ar fumegante à volta de centrais geotérmicas

– de facto algumas são construídas no meio de colheitas de quintas e

florestas, e partilham terreno com o gado e vida selvagem local.

27.4 -Vantagens e benefícios da energia geotérmica

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Não prejudica a terra. A área de terreno necessária para

centrais geotérmicas é mais pequena por megawatt do que para

quase cada outro tipo de centrais. As instalações geotérmicas não

precisam de barrar rios ou de colher florestas – e não há cabos de

minas, túneis, covas abertas, pilhas de lixo ou derramamentos de

óleo.


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Fiável. As centrais geotérmicas são projectadas para funcionar 24 horas

por dia, durante todo o ano. Uma central geotérmica situa-se

directamente por cima da sua fonte de combustível. É resistente a

interrupções de geração de energia devido a condições atmosféricas,

catástrofes naturais ou cisões políticas que podem interromper o

transporte de combustíveis.

Flexível. As centrais geotérmicas podem ter desenhos modulares, com

unidades adicionais instaladas em incrementos quando necessário para se

ajustar à crescente procura de electricidade.


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Poupa Divisas. O dinheiro não tem de ser exportado para

importar combustível para centrais geotérmicas. O “combustível”

geotérmico – como o sol e o vento – está sempre onde a central

está; os benefícios económicos permanecem na região e não há

nenhum choque de preços de combustível.


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Ajuda os Países em Desenvolvimento. Os projectos

geotérmicos podem oferecer todos os benefícios acima

mencionados para ajudar os países em desenvolvimento a crescer

sem poluição. E as instalações em localizações remotas podem

levantar o nível e qualidade de vida trazendo electricidade a pessoas

longe dos centros demográficos “electrificados”.


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Desde que a primeira electricidade gerada geotermicamente no mundo

foi produzida em Larderello, a Itália, em 1904, que o uso da energia

geotérmica para electricidade cresceu a nível mundial para

aproximadamente 27,000 megawatts em vinte e um países em todo o

mundo.

Só os Estados Unidos produzem 2700 megawatts de electricidade de

energia geotérmica, electricidade comparável a queimar sessenta milhões

de barris de petróleo por ano.


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Se não for usado em pequenas zonas onde o calor do interior da

Terra vem à superfície através de géiseres e vulcões, então a

perfuração dos solos para a introdução de canos é dispendiosa.

Os anti-gelificantes usados nas zonas mais frias são poluentes: apesar

de terem uma baixa toxicidade, alguns produzem CFCs e HCFCs.

27.5 -Desvantagens da energia geotérmicaP

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Este sistema tem um custo inicial elevado, e a barata manutenção da

bomba de sucção de calor (que por estar situada no interior da Terra

ou dentro de um edifício não está exposta ao mau tempo e a

vandalismo), é contrabalançada pelo elevado custo de manutenção

dos canos (onde a água causa corrosão e depósitos minerais).

27.5 - Desvantagens da energia geotérmicaP

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Problema 27.1

Uma central recebe vapor geotérmico saturado que entra na instalacão a 2

MPa. O vapor entra na turbina a 0,3 MPa e sai a 15 kPa. O rendimento

isentropico da turbina é de 85 por cento, e o rendimento do gerador eléctrico

de 95 por cento. Se a re-injeção ocorrer somente na torre de resfriamento,

tendo em conta que o processo é representado pelo diagrama, qual será o

desempenho térmico do sistema e o calor por kWh.

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Problema 27.1- Resolução (I)

O Ponto 1 representa vapor saturado. Das tabelas de propriedades de

vapor saturado, para P= 2 MPa tem-se: h1=2799,5 kJ/kg e T1 = 212,42

ºC.

O Ponto 2 representa vapor superaquecido. Das tabelas de propriedades

de vapor superaquecido, para P= 0.3 MPa, tem-se: h2=2865,6 kJ/kg. A

temperatura de saturação é de 133,55 ºC. Considerando que a expansão

na turbina ocorre a pressão constante, então haverá uma redução de

temperatura e assim:

Quando h2 = 2865,6 kJ/kg,T2 = 200 ºC

Quando T = 150 ºC, h2` = 2761,0 kJ/kg,

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Problema 27.1- Resolução (II)

A fracção de variação de energia do Ponto 1 ao Ponto 2, pode ser expressa

como.

368,027616,2865

27615,2799,

22

,

21

hh

hhfrac

CTT

TT

TTfrac

0

33

,

22

,

23

4,168150200

150368,0

Similarmente.

Portanto, o superaquecimento efectuado entre os pontos 2 e 3 é:

∆T=168,4ºC-133,55 ºC =34,85 ºC.

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Problema 27.1- Resolução (III)

As entropias são analizadas do mesmo modo. de vapor superaquecido, para

P= 0,3 MPa, tem-se, S2 = 7,0778 kJ/kgºK quando T2 = 200 ºC e S2` =

7,3115 kJ/kgºK, quando T = 150 ºC.Assim:

KkgkJSS

SS

SSfrac

0

33

,

22

,

23

/164,70778,73115,7

0778,7368,0

Considerando o processo 3-4 isentrópico S3=S4= 7,164 kJ/kgºK

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Problema 27.1- Resolução (IV)

O Ponto 4 está na zona de mistura. O título pode ser determinado

considerando S3=S4, e lendo na tabela os valores de entropia do líquido e

da mistura. Assim para P= 15 kPa, tem-se, S4f = 0,7549 kJ/kgºK e

S4fg=7,2536 kJ/kgºK. Deste modo o título será:

884,02536,7

7549,0164,7

4

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fg

f

S

SSx

E resulta que:

kgkJxhhhh

hhx

fgfs

fg

fs/23231,2373884,094,225444

4

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Problema 27.1- Resolução (V)

Considerando que h1=h3=2799,5 kJ/kg e o rendimento isentropico da

turbina é de 0.85 teremos:

Wideal=h3 - h4s =2799,5-2323=476,5 kJ/kg

Wreal=η xWideal =405 kJ/kg

E a entalpia real 4 será:

h4=h3 -Wreal =2799,5 - 405=2394,5 kJ/kg

E a eficiência térmica do sistema será:

142,096,835,2799

40595,0

_1

ambt

realesist

hh

W

Em termos de calor, 1 kWh = 3412,14 BTU

kWhBTUCalorthermal

/15,2402914,3412

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Problema 27.2

Água geotérmica proveniente de um poço é injectada numa usina de

geotérmica a uma temperatura de 260 ºC e uma pressão de 10 MPa. O

fluido flui para um separador misturador a uma pressão de 0,5 bar. A

pressão de saída da turbina é 0,2 bar. A eficiência global da turbina é 0.83.

Pretende-se calcula-se a eficiência térmica, a massa de vapor e caudais de

água necessários para uma potência de 5 MW.

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A partir da temperatura T = 260 ºC, da tabela de água saturada

hfpoço=1134,37 kJ/kg:

A partir da pressão P = 0,5 bar no separador misturador tem-se:

hfs=340,49 kJ/kg e hfgs=2305,4 kJ/kg

E resulta que o título no separador será:

344,04,2305

49,34037,1134

fgs

fss

h

hhx

Tendo em conta que numa turbina entra só vapor, então x = 1. Para uma

presão de entrada de 0,5 bar:

hin=2645,9 kJ/kg e Sin=7,5939 kJ/kgºK

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

45


Na saída da turbina onde a pressão é de 0,2 bar e usando as tabelas de

vapor saturado, teremos:

Sout=7,5939 kJ/kgºK – processo isentropico

Sfout=0,8320 kJ/kgºK e Sfgout=7,0766 kJ/kgºK

hfout=251,4 kJ/kg e hfgout=2358,3 kJ/kgº

E assim pode-se calcular:

955,00766,7

8320,05939,7

_

_

outfg

outfout

S

SSx

kgkJxhhh outfgoutfout /6,25033,2358955,04,251__

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

46

Problema 27.2- Resolução (III)

O trabalho ideal será:

kgkJhhW outideal /32,1426,25039,2645int

kgkJWW idealreal /12,11832,14283,0

O trabalho real será:

Considerando hamb =83,91 kJ/kg calcula-se:

113,096,8337,1134

32,118

__

ambtwellf

realsist

hh

W

O rendimento do misturador separador estima-se como:

0388,0113,0344,0_ sistspmpoc x

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

47

Problema 27.2- Resolução (IV)

E a massa de vapor e caudais de água necessários para uma potência de 5

MW:

skgkgkJ

kW

W

Pm

real

sistvapor /33,42

/12,118

5000.

skgx

mm

mist

vaporagua /05,123

344,0

33,42.

.

kWhBTUCalorthermal

/93,3019514,3412

O calor por cada kWh é :

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

48

Problema 27.3

Considerando o sistema geotérmico do Problema 2 e admitindo as

mesmas condições iniciais, determinar o eficiência térmica, e a taxa de

fluxo sabendo que o líquido entra na turbina como líquido saturado e é

descarregado a 0,2 bar.A eficiência, ηe, da turbina é de 0,50.

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

49



hfpoço=1134,37 kJ/kg e Psat = 4,6921 Mpa.

Os valores para as entropias e entalpias do líquido e vapor são:

Sf2=2,8840 kJ/kg.K e Sfg2=3,1168 kJ/kg.K

hf2=1134,8 kJ/kg e hfg2=1661,7 kJ/kg

Para a pressão P3= 0,2 bar, na saída da turbina tem-se:


hf2=251,43 kJ/kg e hfg2=2357,6 kJ/kg

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

50



hfpoço=1134,37 kJ/kg e Psat = 4,6921 Mpa.

Os valores para as entropias e entalpias do líquido e vapor são:


hf2=1134,8 kJ/kg e hfg2=1661,7 kJ/kg

E resulta que o título no separador será:

29,00753,7

8320,08840,2

3

32

fg

fs

S

SSx

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

51

Problema 27.3 - Resolução (III)

E resulta que:

kgkJxhhh outfgoutfout /388,9356,235729,043,251__

kgkJhhW outfideal /4,199388,9358,11342

kgkJWW idealreal /7,994,1995,0

Trabalho ideai e real será:

Rendimento térmico do sistema:

095,096,8337,1134

7,99

__

ambtwellf

realsist

hh

W

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

52

Problema 27.3 – Resolução (IV)

E resulta que o calor e o fluxo de vapor são:

skgkgkJ

kW

W

Pm

real

sistvapor /15,50

/7,99

5000.

kWhBTUCalorthermal

/26,3591714,3412

Pro

f. D

outo

r E

ngº

Jorg

e N

ham

biu ◊

Sist

emas

Ene

rgét

icos

53

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