Geração da eletricidade - Electricity generation

Diagrama de um sistema de energia elétrica, sistema de geração em vermelho

A geração de eletricidade é o processo de geração de energia elétrica a partir de fontes de energia primária . Para concessionárias do setor de energia elétrica , é a etapa anterior à sua entrega ( transmissão , distribuição , etc.) aos usuários finais ou seu armazenamento (usando, por exemplo, o método de armazenamento bombeado ).

A eletricidade não está disponível gratuitamente na natureza, por isso deve ser "produzida" (isto é, transformando outras formas de energia em eletricidade). A produção é realizada em usinas de energia (também chamadas de "usinas"). A eletricidade é mais frequentemente gerada em uma usina por geradores eletromecânicos , movidos principalmente por motores térmicos alimentados por combustão ou fissão nuclear, mas também por outros meios, como a energia cinética do fluxo de água e vento. Outras fontes de energia incluem energia solar fotovoltaica e energia geotérmica .

História

Os custos anteriores de produção de energia renovável diminuíram significativamente, com 62% da geração total de energia renovável adicionada em 2020 com custos mais baixos do que a nova opção de combustível fóssil mais barata.
Custo nivelado: Com a implementação cada vez mais ampla de fontes de energia renováveis, os custos das energias renováveis ​​diminuíram, principalmente para a energia gerada por painéis solares.
Custo nivelado de energia (LCOE) é uma medida do custo líquido atual médio de geração de eletricidade para uma usina geradora ao longo de sua vida.
Dínamos e motor instalados na Edison General Electric Company, Nova York 1895

Os princípios fundamentais da geração de eletricidade foram descobertos na década de 1820 e no início da década de 1830 pelo cientista britânico Michael Faraday . Seu método, ainda hoje usado, é que a eletricidade seja gerada pelo movimento de uma alça de arame, ou disco de Faraday , entre os pólos de um ímã . As centrais elétricas tornaram-se economicamente práticas com o desenvolvimento da transmissão de energia em corrente alternada (CA), usando transformadores de energia para transmitir energia em alta tensão e com baixa perda.

A produção comercial de eletricidade começou em 1873 com o acoplamento do dínamo à turbina hidráulica. A produção mecânica de energia elétrica iniciou a Segunda Revolução Industrial e tornou possíveis várias invenções usando eletricidade, com os principais contribuintes sendo Thomas Alva Edison e Nikola Tesla . Anteriormente, a única forma de produzir eletricidade era por meio de reações químicas ou usando células de bateria, e o único uso prático da eletricidade era para o telégrafo .

A geração de eletricidade em centrais elétricas começou em 1882, quando uma máquina a vapor acionando um dínamo na Pearl Street Station produziu uma corrente DC que alimentou a iluminação pública em Pearl Street , Nova York . A nova tecnologia foi rapidamente adotada por muitas cidades ao redor do mundo, que adaptaram suas luzes de rua movidas a gás para energia elétrica. Logo depois, a luz elétrica seria usada em prédios públicos, em empresas e para fornecer energia ao transporte público, como bondes e trens.

As primeiras usinas usavam energia hidráulica ou carvão. Hoje, uma variedade de fontes de energia é usada, como carvão , nuclear , gás natural , hidrelétrica , eólica e petróleo , bem como energia solar , energia das marés e fontes geotérmicas .

Métodos de geração

Geração mundial de eletricidade por fonte em 2018. A geração total foi de 26,7 PWh .

  Carvão (38%)
  Gás natural (23%)
  Hydro (16%)
  Nuclear (10%)
  Vento (5%)
  Óleo (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustíveis (2%)
  Outro (1%)

Existem vários métodos fundamentais para converter outras formas de energia em energia elétrica. A geração em escala de utilidade é obtida por geradores elétricos rotativos ou por sistemas fotovoltaicos . Uma pequena proporção da energia elétrica distribuída pelas concessionárias é fornecida por baterias. Outras formas de geração de eletricidade usadas em aplicações de nicho incluem o efeito triboelétrico , o efeito piezoelétrico , o efeito termoelétrico e betavoltaicos .

Geradores

As turbinas eólicas geralmente fornecem geração elétrica em conjunto com outros métodos de produção de energia.

Os geradores elétricos transformam a energia cinética em eletricidade. É a forma mais utilizada de geração de energia elétrica e tem como base a lei de Faraday . Ele pode ser visto experimentalmente girando um ímã dentro de circuitos fechados de material condutor (por exemplo, fio de cobre). Quase toda a geração elétrica comercial é feita por indução eletromagnética, na qual a energia mecânica força um gerador a girar.

Eletroquímica

Grandes represas, como a Represa Hoover nos Estados Unidos, podem fornecer grandes quantidades de energia hidrelétrica . Possui capacidade instalada de 2,07 GW .

A eletroquímica é a transformação direta da energia química em eletricidade, como em uma bateria . A geração de eletricidade eletroquímica é importante em aplicações portáteis e móveis. Atualmente, a maior parte da energia eletroquímica vem de baterias. As células primárias , como as baterias comuns de zinco-carbono , atuam diretamente como fontes de energia, mas as células secundárias (isto é, baterias recarregáveis) são usadas para sistemas de armazenamento em vez de sistemas de geração primária. Os sistemas eletroquímicos abertos, conhecidos como células de combustível , podem ser usados ​​para extrair energia de combustíveis naturais ou de combustíveis sintetizados. A energia osmótica é uma possibilidade em locais onde a água salgada e a água doce se fundem.

Efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a transformação da luz em energia elétrica, como nas células solares . Os painéis fotovoltaicos convertem a luz solar diretamente em eletricidade DC. Os inversores de energia podem então converter isso em eletricidade CA, se necessário. Embora a luz solar seja gratuita e abundante, a eletricidade da energia solar ainda é geralmente mais cara de produzir do que a energia gerada mecanicamente em grande escala devido ao custo dos painéis. Células solares de silício de baixa eficiência têm diminuído de custo e células multijuncionais com eficiência de conversão de quase 30% agora estão disponíveis comercialmente. Mais de 40% de eficiência foi demonstrada em sistemas experimentais. Até recentemente, a energia fotovoltaica era mais comumente usada em locais remotos, onde não havia acesso a uma rede elétrica comercial, ou como uma fonte de eletricidade suplementar para residências e empresas individuais. Avanços recentes em eficiência de fabricação e tecnologia fotovoltaica, combinados com subsídios impulsionados por preocupações ambientais, aceleraram drasticamente a implantação de painéis solares. A capacidade instalada está crescendo 40% ao ano, liderada por aumentos na Alemanha, Japão, Estados Unidos, China e Índia.

Economia

A seleção dos modos de produção de eletricidade e sua viabilidade econômica variam de acordo com a demanda e a região. A economia varia consideravelmente ao redor do mundo, resultando em preços de venda residenciais generalizados, por exemplo, o preço na Islândia é de 5,54 centavos por kWh, enquanto em algumas nações insulares é de 40 centavos por kWh. As usinas hidrelétricas , nucleares , térmicas e fontes renováveis têm seus próprios prós e contras, e a seleção é baseada na necessidade de energia local e nas flutuações da demanda. Todas as redes elétricas têm cargas variáveis, mas o mínimo diário é a carga básica, frequentemente fornecida por usinas que funcionam continuamente. Nuclear, carvão, óleo, gás e algumas usinas hidrelétricas podem fornecer carga de base. Se os custos de construção de poços para gás natural estão abaixo de $ 10 por MWh, gerar eletricidade a partir do gás natural é mais barato do que gerar energia pela queima de carvão.

A energia térmica pode ser econômica em áreas de alta densidade industrial, pois a alta demanda não pode ser atendida por fontes renováveis ​​locais. O efeito da poluição localizada também é minimizado, pois as indústrias geralmente estão localizadas longe de áreas residenciais. Essas plantas também podem suportar variações na carga e no consumo, adicionando mais unidades ou diminuindo temporariamente a produção de algumas unidades. As usinas nucleares podem produzir uma grande quantidade de energia de uma única unidade. No entanto, desastres nucleares levantaram preocupações sobre a segurança da energia nuclear, e o custo de capital das usinas nucleares é muito alto. As usinas hidrelétricas estão localizadas em áreas onde a energia potencial da queda d'água pode ser aproveitada para a movimentação de turbinas e geração de energia. Pode não ser uma fonte única de produção economicamente viável, onde a capacidade de armazenar o fluxo de água é limitada e a carga varia muito durante o ciclo de produção anual.

Devido aos avanços na tecnologia e com a produção em massa, as fontes renováveis ​​além da hidroeletricidade (energia solar, energia eólica, energia das marés, etc.) tiveram reduções no custo de produção, e a energia agora é em muitos casos tão cara ou menos cara do que combustíveis fósseis. Muitos governos em todo o mundo fornecem subsídios para compensar o custo mais alto de qualquer nova produção de energia e para tornar a instalação de sistemas de energia renovável economicamente viável.

Equipamento gerador

Um grande gerador com o rotor removido

Os geradores elétricos eram conhecidos em formas simples desde a descoberta da indução eletromagnética na década de 1830. Em geral, alguma forma de motor principal, como um motor ou as turbinas descritas acima, aciona um campo magnético giratório passando por bobinas de fio estacionárias, transformando assim energia mecânica em eletricidade. A única produção de eletricidade em escala comercial que não emprega um gerador é a energia solar fotovoltaica.

Turbinas

Grandes barragens como a Barragem das Três Gargantas na China podem fornecer grandes quantidades de energia hidrelétrica ; tem capacidade de 22,5 GW .

Quase toda a energia elétrica comercial na Terra é gerada por uma turbina , movida por vento, água, vapor ou queima de gás. A turbina aciona um gerador, transformando sua energia mecânica em energia elétrica por indução eletromagnética. Existem muitos métodos diferentes de desenvolvimento de energia mecânica, incluindo motores térmicos , energia hidráulica, eólica e das marés. A maior parte da geração elétrica é acionada por motores térmicos . A queima de combustíveis fósseis fornece a maior parte da energia para esses motores, com uma fração significativa proveniente da fissão nuclear e parte de fontes renováveis . A moderna turbina a vapor (inventada por Sir Charles Parsons em 1884) atualmente gera cerca de 80% da energia elétrica do mundo usando uma variedade de fontes de calor. Os tipos de turbina incluem:

Embora as turbinas sejam mais comuns na geração de energia comercial, geradores menores podem ser movidos por motores a gasolina ou diesel . Eles podem ser usados ​​para geração de backup ou como fonte primária de energia em aldeias isoladas.

Produção

A produção bruta mundial total de eletricidade em 2016 foi de 25.082 TWh. As fontes de eletricidade foram carvão e turfa 38,3%, gás natural 23,1%, hidroelétrica 16,6%, energia nuclear 10,4%, petróleo 3,7%, solar / eólica / geotérmica / marés / outras 5,6%, biomassa e resíduos 2,3%.

Fonte de eletricidade (ano total mundial de 2008)
- Carvão Óleo
Gás Natural
Nuclear Renováveis de outros Total
Energia elétrica média (TWh / ano) 8.263 1.111 4.301 2.731 3.288 568 20.261
Potência elétrica média (GW) 942,6 126,7 490,7 311,6 375,1 64,8 2311,4
Proporção 41% 5% 21% 13% 16% 3% 100%
fonte de dados IEA / OECD
Fluxo de energia da usina

A energia total consumida em todas as usinas para a geração de eletricidade foi de 51.158 terawatts-hora (4.398.768 quilotoneladas de óleo equivalente ), o que foi 36% do total para fontes de energia primária (TPES) de 2008. A produção de eletricidade (bruta) foi de 20.185 TWh ( 1.735.579 ktep), a eficiência foi de 39%, e o saldo de 61% foi calor gerado. Uma pequena parte, 1.688 TWh (145.141 ktep) ou cerca de 3% do total de entrada, do calor foi utilizado em usinas de co-geração de calor e energia. O consumo interno de eletricidade e as perdas na transmissão de energia foram de 3.369 TWh (289.681 ktep). A quantidade fornecida ao consumidor final foi de 16.809 TWh (1.445.285 ktep), o que representa 33% da energia total consumida nas usinas e nas usinas de calor e cogeração de energia (CHP).

Resultados históricos da produção de eletricidade

Observe que os eixos verticais desses dois gráficos não estão na mesma escala.

Geração anual mundial de eletricidade. Geração líquida anual de eletricidade a partir de energia renovável no mundo.

Produção por país

Os Estados Unidos são há muito o maior produtor e consumidor de eletricidade, com uma participação global em 2005 de pelo menos 25%, seguidos pela China , Japão, Rússia e Índia. Em 2011, a China ultrapassou os Estados Unidos para se tornar o maior produtor de eletricidade.

Lista de países com fonte de eletricidade 2005

A fonte de dados dos valores (energia elétrica gerada) é IEA / OECD. Os países listados são os 20 principais por população ou os 20 principais por PIB (PPP) e a Arábia Saudita com base no CIA World Factbook 2009.

Composição da Eletricidade por Recurso (TWh por ano 2008)
Setor elétrico do país Combustível fóssil Nuclear classificação Renovável Bio
outro *
total classificação
Carvão Óleo Gás sub
total de
classificação hidro Geo
Thermal
Solar
PV *
Solar
Térmico
Vento Maré sub
total de
classificação
Total mundial 8.263 1.111 4.301 13.675 - 2.731 - 3.288 65 12 0.9 219 0,5 3.584 - 271 20.261 -
Proporção 41% 5,5% 21% 67% - 13% - 16% 0,3% 0,06% 0,004% 1,1% 0,003% 18% - 1,3% 100% -
China 2.733 23 31 2.788 2 68 8 585 - 0,2 - 13 - 598 1 2,4 3.457 2
Índia 569 34 82 685 5 15 12 114 - 0,02 - 14 - 128,02 6 2.0 830 5
EUA 2.133 58 1.011 3.101 1 838 1 282 17 1,6 0,88 56 - 357 4 73 4.369 1
Indonésia 61 43 25 130 19 - - 12 8,3 - - - - 20 17 - 149 20
Brasil 13 18 29 59 23 14 13 370 - - - 0,6 - 370 3 20 463 9
Paquistão 0,1 32 30 62 22 1,6 16 28 - - - - - 28 14 - 92 24
Bangladesh 0,6 1,7 31 33 27 - - 1,5 - - - - - 1,5 29 - 35 27
Nigéria - 3,1 12 15 28 - - 5,7 - - - - - 5,7 25 - 21 28
Rússia 197 16 495 708 4 163 4 167 0,5 - - 0,01 - 167 5 2,5 1.040 4
Japão 288 139 283 711 3 258 3 83 2,8 2,3 - 2,6 - 91 7 22 1.082 3
México 21 49 131 202 13 9,8 14 39 7,1 0,01 - 0,3 - 47 12 0,8 259 14
Filipinas 16 4,9 20 40 26 - - 9,8 11 0,001 - 0,1 - 21 16 - 61 26
Vietnã 15 1,6 30 47 25 - - 26 - - - - - 26 15 - 73 25
Etiópia - 0,5 - 0,5 29 - - 3,3 0,01 - - - - 3,3 28 - 3,8 30
Egito - 26 90 115 20 - - 15 - - - 0.9 - 16 20 - 131 22
Alemanha 291 9,2 88 388 6 148 6 27 0,02 4,4 - 41 - 72 9 29 637 7
Turquia 58 7,5 99 164 16 - - 33 0,16 - - 0,85 - 34 13 0,22 198 19
RD Congo - 0,02 0,03 0,05 30 - - 7,5 - - - - - 7,5 22 - 7,5 29
Irã 0,4 36 173 209 11 - - 5.0 - - - 0,20 - 5,2 26 - 215 17
Tailândia 32 1,7 102 135 18 - - 7,1 0,002 0,003 - - - 7,1 23 4,8 147 21
França 27 5,8 22 55 24 439 2 68 - 0,04 - 5,7 0,51 75 8 5,9 575 8
Reino Unido 127 6,1 177 310 7 52 10 9,3 - 0,02 - 7,1 - 16 18 11 389 11
Itália 49 31 173 253 9 - - 47 5,5 0,2 - 4,9 - 58 11 8,6 319 12
Coreia do Sul 192 15 81 288 8 151 5 5,6 - 0,3 - 0,4 - 6,3 24 0,7 446 10
Espanha 50 18 122 190 14 59 9 26 - 2,6 0,02 32 - 61 10 4,3 314 13
Canadá 112 9,8 41 162 17 94 7 383 - 0,03 - 3,8 0,03 386 2 8,5 651 6
Arábia Saudita - 116 88 204 12 - - - - - - - - - - - 204 18
Taiwan 125 14 46 186 15 41 11 7,8 - 0,004 - 0,6 - 8,4 21 3,5 238 16
Austrália 198 2,8 39 239 10 - - 12 - 0,2 0,004 3,9 - 16 19 2,2 257 15
Holanda 27 2,1 63 92 21 4,2 15 0,1 - 0,04 - 4,3 - 4,4 27 6,8 108 23
País Carvão Óleo Gás sub
total de
classificação Nuclear classificação hidro Geo
Thermal
Solar
PV
Solar
Térmico
Vento Maré sub
total de
classificação Bio
outro
Total classificação

Solar PV * is Photovoltaics Bio other * = 198 TWh (Biomass) + 69 TWh (Waste) + 4 TWh (other)

Preocupações ambientais

As variações entre os países que geram energia elétrica afetam as preocupações com o meio ambiente. Na França, apenas 10% da eletricidade é gerada a partir de combustíveis fósseis, os EUA são 70% e a China 80%. A limpeza da eletricidade depende de sua fonte. A maioria dos cientistas concorda que as emissões de poluentes e gases de efeito estufa da geração de eletricidade com base em combustíveis fósseis são responsáveis ​​por uma porção significativa das emissões mundiais de gases de efeito estufa; nos Estados Unidos, a geração de eletricidade é responsável por quase 40% das emissões, a maior de todas as fontes. As emissões de transporte estão logo atrás, contribuindo com cerca de um terço da produção de dióxido de carbono dos Estados Unidos . Nos Estados Unidos, a queima de combustíveis fósseis para geração de energia elétrica é responsável por 65% de todas as emissões de dióxido de enxofre , principal componente da chuva ácida. A geração de eletricidade é a quarta maior fonte combinada de NOx , monóxido de carbono e material particulado nos EUA. Em julho de 2011, o parlamento do Reino Unido apresentou uma moção que "os níveis de emissões (de carbono) da energia nuclear eram aproximadamente três vezes menores por quilowatt-hora do que os da energia solar, quatro vezes menores do que o carvão limpo e 36 vezes menores do que o carvão convencional".

Ciclo de vida das emissões de gases de efeito estufa por fonte de eletricidade
Tecnologia Descrição 50º percentil
(g CO2 / kWh e )
Hidrelétrica reservatório 4
Vento em terra 12
Nuclear vários tipos de reatores de geração II 16
Biomassa vários 18
Solar térmico calha parabólica 22
Geotérmico rocha quente e seca 45
Solar PV Silício policristalino 46
Gás natural várias turbinas de ciclo combinado sem esfregar 469
Carvão vários tipos de gerador sem esfregar 1001

Veja também

Referências