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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO
ENGENHARIA DE PETRÓLEO
APLICAÇÃO DE CONCENTRADORES SOLARES PARA O
AQUECIMENTO DA ÁGUA NO PROCESSO DE GERAÇÃO DE
VAPOR PARA INJEÇÃO EM POÇOS PETROLÍFEROS
Yago Ramon Gouveia Cabral
Novembro 2017
NATAL, RN
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
ii Yago Ramon Gouveia Cabral
Yago Ramon Gouveia Cabral
APLICAÇÃO DE CONCENTRADORES SOLARES PARA O
AQUECIMENTO DA ÁGUA NO PROCESSO DE GERAÇÃO DE
VAPOR PARA INJEÇÃO EM POÇOS PETROLÍFEROS
Trabalho apresentado ao Curso de
Engenharia de Petróleo da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte como
requisito parcial para a obtenção do título
de Engenheiro de Petróleo.
Orientador (a): Dr. ª Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
Novembro 2017
NATAL, RN
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
iii Yago Ramon Gouveia Cabral
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
iv Yago Ramon Gouveia Cabral
CABRAL, Yago Ramon Gouveia. Aplicação de concentradores solares para o aquecimento da
água no processo de geração de vapor para injeção em poços petrolíferos. 2017. 47 f. TCC
(Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte,
Natal, Brasil, 2017.
Palavras-Chaves: Concentradores solares, injeção de vapor, recuperação avançada do petróleo
Orientadora: Prof. ª Dr. ª Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
RESUMO
___________________________________________________________________________
O sol é a principal matriz energética do planeta, sendo direta ou indiretamente responsável por
todas as outras fontes de energia que são utilizadas pelo ser humano. Na indústria do petróleo,
especificamente na recuperação avançada do óleo com a injeção de vapor, pouco se ouve falar
do uso de sistemas que utilizam energias renováveis como alternativa para baratear o processo
de produção, principalmente pela alta demanda energética associada aos processos de
aquecimento de fluidos para geração de vapor. Este trabalho tem por objetivo apresentar
diferentes tipos de coletores e concentradores solares que possam se adequar às temperaturas e
aos volumes de injeção dos reservatórios com características do nordeste brasileiro. Pelas
razões acima expostas, comparando resultados de projetos realizados em outras regiões do
mundo com uma possível aplicação na bacia potiguar, foi possível concluir que os
concentradores cilíndricos-parabólicos e as torres solares apresentam potencial volumétrico e
energético para substituir parcialmente o uso de caldeiras na produção de vapor.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
v Yago Ramon Gouveia Cabral
CABRAL, Yago Ramon Gouveia. Aplicação de concentradores solares para o aquecimento da
água no processo de geração de vapor para injeção em poços petrolíferos. 2017. 47 f. TCC
(Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte,
Natal, Brasil, 2017.
Keywords: Concentrated solar power, steam injection, enhanced oil recovery
Tutor: Prof. ª Dr. ª Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
ABSTRACT
__________________________________________________________________________
The sun is the main energy matrix of the planet, being directly or indirectly responsible
for all other sources of energy that are used by humans. In the oil industry, specifically in the
enhanced oil recovery with the injection of steam, there is little mention of the use of systems
that use renewable energy as an alternative to cheapen the production process, mainly due to
the high energy demand associated with the fluid heating processes for steam generation. This
work aims to present different types of collectors and solar concentrators that can be adapted to
the temperatures and the injection volumes of the reservoirs with characteristics of the Brazilian
northeast. For the above reasons, comparing results of projects carried out in other regions of
the world with a possible application in the Potiguar basin, it was possible to conclude that
parabolic-cylindrical concentrators and solar towers present volumetric and energetic potential
to partially replace the use of boilers in production of steam.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
vi Yago Ramon Gouveia Cabral
DEDICATÓRIA
Este trabalho é dedicado a meus pais João Maria
Gondim Cabral e Idaci de Fátima Gouveia Cabral.
Eles são a principal razão disso tudo.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
vii Yago Ramon Gouveia Cabral
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 1
1.1 Objetivo geral 2
1.2 Objetivos específicos 2
2 ASPECTOS TEÓRICOS 3
2.1 Métodos de recuperação 3
2.1.1 Métodos térmicos 4
2.2 Energias renováveis 10
2.2.1 Energia hidrelétrica 12
2.2.2 Energia eólica 12
2.2.3 Energia oceânica 14
2.2.4 Energia da biomassa 14
2.2.5 Energia geotérmica 15
2.2.6 Energia solar fotovoltaica 15
2.2.7 Energia solar térmica 15
2.2.8 Coletores solares 17
3 MATERIAS E MÉTODOS 24
3.1 Caracterização do campo 24
3.2 Estudo de caso 1: Coalinga, CA 26
3.3 Estudo de caso 2: Amal, Omã 27
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 29
4.1 Vantagens do uso de concentradores solares 29
4.2 Aplicação dos concentradores em Alto do Rodrigues 31
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 32
5.1 Considerações finais 32
5.2 Recomendações 33
REFERÊNCIAS 34
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
viii Yago Ramon Gouveia Cabral
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Métodos de recuperação ............................................................................................ 4
Figura 2 - Injeção de fluidos quentes.......................................................................................... 7
Figura 3 - Caldeiras aquatubulares ............................................................................................. 9
Figura 4 - Caldeiras flamotubulares ......................................................................................... 10
Figura 5 - Aerogerador de eixo horizontal ............................................................................... 13
Figura 6 - Aerogerador de eixo vertical.................................................................................... 13
Figura 7 - Média anual de insolação diária no Brasil ............................................................... 16
Figura 8 - Coletores solares ...................................................................................................... 18
Figura 9 - Concentrador cilíndrico-parabólico com estufa de vidro ........................................ 19
Figura 10 - Produção de vapor em Mckittrick – CA ................................................................ 19
Figura 11 - Coletor cilíndrico parabólico em campo aberto ..................................................... 20
Figura 12 - Coletor Fresnel ....................................................................................................... 21
Figura 13 - Disco parabólico .................................................................................................... 22
Figura 14 - Torre solar .............................................................................................................. 23
Figura 15 - Geração de vapor ao longo do dia ......................................................................... 23
Figura 16 - Mapa de localização do campo Alto do Rodrigues ............................................... 25
Figura 17 - Torre solar em Coalinga, CA ................................................................................. 26
Figura 18 – Planta piloto da PDO em Amal ............................................................................. 27
Figura 19 - Representação do processo de aquecimento solar associado a injeção de vapor .. 29
Figura 20 - Ciclo de geração de vapor em Amal, Omã ............................................................ 30
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
ix Yago Ramon Gouveia Cabral
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos coletores solares por grau de rastreamento ................................. 17
Tabela 2 - Torre solar coalinga ................................................................................................. 26
Tabela 3 - Economia de gás para diferentes ofertas de insolação diária .................................. 31
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
x Yago Ramon Gouveia Cabral
LISTA DE ABREVIATURAS E/OU SÍMBOLOS E/OU SIGLAS
CCP – Concentradores cilíndricos-parabólicos;
COP 21 – Conferência da ONU sobre mudanças climáticas, que ocorreu em Paris em 2015;
EOR – Enhanced Oil Recovery (sigla adotada pelo SPE para tratar da recuperação avançada de
petróleo);
VOIP – Volume de óleo in place (equivalente ao óleo que ainda está intocado no reservatório);
ANP – Agência nacional do petróleo, gás natural e biocombustíveis;
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
1 Yago Ramon Gouveia Cabral
1 INTRODUÇÃO
O crescimento energético mundial segue o crescimento populacional e os avanços
tecnológicos. Consequentemente, a oferta por energia passa diariamente por modificações para
se adaptar a demanda. Cabe a engenharia proporcionar soluções criativas que se adequem a
necessidade dos consumidores finais.
A primeira revolução indústria ocorreu na Inglaterra, no final do século XVIII. Nesta
ocasião, a indústria têxtil foi beneficiada pelo advento da máquina a vapor, que antes funcionava
de forma artesanal. Na segunda metade do século XIX iniciou-se a segunda revolução industrial
que terminou durante a segunda guerra mundial (1939 – 1945), proporcionando uma série de
soluções avanços na indústria química, elétrica, de petróleo e de aço. Nas duas ocasiões a
necessidade de superação de poder na guerra foi um fator determinante para o desenvolvimento
de soluções criativas que até hoje são utilizadas no dia a dia.
Na indústria do petróleo, soluções criativas surgem a todo momento devido a
necessidade de encontrar novas reservas e de aumentar o fator de recuperação de óleo de
reservas petrolíferas existentes. Seja para avanços tecnológicos em poços com elevadas
temperaturas e pressão (high pressure and high temperature – HPTP), ou para poços maduros
que necessitam de um estímulo externo para continuar produzindo.
Um dos métodos mais utilizados para a estimulação de poços maduros consiste em
injetar água quente ou vapor visando a redução da viscosidade, e consequentemente, a
diminuição das forças intermoleculares do óleo, promovendo o avanço do óleo que antes não
seria produzido.
O modelo tradicional adotado pela indústria utiliza fontes de energias não renováveis
para o aquecimento da água por meio de caldeiras. Em muitos casos, o custo para a instalação
de um sistema de aquecimento da água não é viável, quando comparado ao retorno financeiro
previsto.
A preocupação com a geração de energia por fontes renováveis tornou-se ainda maior
com a celebração do Acordo de Paris, na COP 21, no ano de 2015. O Brasil assumiu
compromisso de redução de emissões de gases de efeito estufa, em 2025 e 2030,
respectivamente em 37% e 43% em relação aos níveis de 2005 (Nascimento, 2017)
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
2 Yago Ramon Gouveia Cabral
No âmbito de continuar desenvolvendo tecnologias que contribuam para a diminuição
da emissão de gases que contribuem para o efeito estufa, é imprescindível a redução do uso do
gás natural como combustível para o aquecimento de fluidos. Além disso, é importante notar
outras tecnologias disponíveis no mercado que utilizem energias alternativas para a produção
do vapor usualmente utilizado na indústria.
1.1 Objetivo geral
O objetivo deste trabalho é explicar a cadeia de produção de vapor na indústria do
petróleo, sugerindo a inserção de concentradores solares dentro do modelo atual adotado no
Brasil. A exposição de casos reais será utilizada como base para o estudo.
1.2 Objetivos específicos
O presente trabalho tem como principais objetivos:
Apresentar as vantagens do uso da injeção de vapor como método de recuperação;
Explicar os tipos de concentradores solares, apresentando vantagens e
desvantagens de cada equipamento;
Caracterizar a bacia potiguar;
Sugerir o uso de concentradores no cenário potiguar.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
3 Yago Ramon Gouveia Cabral
2 ASPECTOS TEÓRICOS
O presente capítulo apresenta um apanhado histórico dos processos tradicionalmente
utilizados na indústria do petróleo, introduzindo conceitos que posteriormente serão utilizados
na metodologia apresentada.
2.1 Métodos de recuperação
A capacidade de produção natural de um reservatório de petróleo nem sempre é
suficiente para atender a demanda do mercado. Em alguns casos, o poço simplesmente não tem
as características necessárias para produzir sem o auxílio de um mecanismo externo. Os
métodos convencionais de recuperação primária de óleo apresentam eficiência inferior a 15%
da reserva, deixando intocado aproximadamente 85% do potencial de exploração. Com os
métodos de recuperação avançada (Enhanced Oil Recovery – EOR), a eficiência pode chegar a
valores de até 80% de recuperação do óleo residual, desde que o método adequado de
recuperação seja empregado. (Bressan, 2008)
A indústria do petróleo definiu terminologias para se adequar as diferentes necessidades
de produção de cada campo e região, são elas: recuperação primária – Primary Recovery,
recuperação secundária – Secundar Recovery e recuperação terciária – Tertiary Recovery.
Na recuperação primária, o único mecanismo levado em conta para a produção é a
surgência natural do poço, isto é, sem o auxílio de equipamentos externos que modifiquem a
pressão natural do poço. Neste mecanismo, a pressão do próprio reservatório é responsável por
movimentar o óleo até a superfície, tal pressão provém de mecanismos naturais, como o gás e
solução, influxo de água, capa de gás e a segregação gravitacional. A recuperação secundária,
envolve métodos de injeção de fluidos para a manutenção da pressão, água ou gás, cuja funções
principais são manter a pressão do reservatório em um nível elevado para que o óleo possa ser
deslocado até os poços produtores. Já na recuperação terciária, utilizam-se diversos processos
ou injeções de fluidos diferentes da água e do gás visando um maior fator de recuperação do
óleo. (Bressan, 2008)
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
4 Yago Ramon Gouveia Cabral
Na década 90 a SPE – Society of Petroleum Engineers ou Sociedade dos Engenheiros
do Petróleo, passou a utilizar o termo “Recuperação avançada de petróleo” (IOR – Improved
Oil Recovery) que compreende os métodos: EOR + Injeção de água + Injeção de gás, na
tentativa de reerguer a atividade que estava desgastada devido ao baixo preço do petróleo.
Atualmente divide-se os processos de recuperação suplementar em métodos convencionais e
métodos especiais (Figura 1).
Figura 1 - Métodos de recuperação
Fonte: Adaptado de Rodrigues, 2012
2.1.1 Métodos térmicos
A injeção de fluidos quentes em reservatórios é uma técnica que consiste na utilização de
água quente ou vapor, visando a diminuição da viscosidade das zonas com saturação original
de óleo, que não podem ser produzidas através dos métodos convencionais de recuperação.
Sabe-se que quanto maior for a viscosidade do óleo, maior será a influência sofrida através do
aquecimento na redução da viscosidade (Rosa, 2006).
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
5 Yago Ramon Gouveia Cabral
A elevada viscosidade do óleo, característica de campos que possuem óleos pesados e
extrapesados (grau API inferior a 27), é um fator determinante na escolha do método de
recuperação a ser utilizado. A injeção de água para este tipo de campo não costuma apresentar
eficiência satisfatória, devido a maior mobilidade da água, resultando nos indesejáveis Fingers
(canalização precoce da água).
O vapor age como um redutor de viscosidade ao entrar em contato com o óleo através da
quebra das longas cadeias moleculares em cadeias menores, permitindo o escoamento deste
óleo para o poço produtor. É importante sinalizar que o aquecimento também é responsável
pela manutenção de pressão no reservatório, pois frações mais leves do óleo podem vir a se
expandir com o aumento da temperatura, auxiliando o processo de expulsão dos fluidos do
reservatório (Rodrigues, 2012).
Conforme explicado por Rodrigues (2012), os métodos térmicos são divididos em dois
subgrupos: injeção de fluidos aquecidos e combustão in situ. Na injeção de fluidos aquecidos o
calor é produzido na superfície e carregado para o reservatório. Já na combustão in situ, o calor
é gerado diretamente no reservatório através da injeção de reagentes que produzem uma reação
exotérmica.
Observa-se na prática que que a taxa de redução da viscosidade é maior no início da
operação, devido ao gradiente de temperatura do reservatório. Depois de atingir uma certa
temperatura essa taxa de redução da viscosidade se torna bem menor se comparada ao início da
injeção. (Rosa, 2006).
A água utilizada nos métodos térmicos pode ser aquecida até a temperatura de vapor ou
convertida para vapor. Após atingir a temperatura de ebulição, o fornecimento contínuo de calor
converte mais e mais água para vapor nessa temperatura. A fração em peso de água convertida
para vapor é chamada de “qualidade do vapor”. Após atingir 100% da qualidade do vapor, o
fornecimento de mais calor irá resultar no vapor superaquecido (Rosa, 2006).
A energia adicional requerida para converter água em ebulição para vapor é chamado
calor latente. Um sistema água-vapor pode ganhar ou perder esse tipo de energia sem variar a
temperatura ou a pressão. O calor latente é maior às pressões mais baixas e diminui até zero no
ponto crítico de 705°F (374°C) e 3206 psia (225 kgf/cm²).
A maioria dos projetos térmicos opera em um intervalo de pressão de 100 psi (7
Kgf/cm²) a 1500 psia (105 Kgf/cm²), o vapor carreia consideravelmente mais calor que a água
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
6 Yago Ramon Gouveia Cabral
quente. Por exemplo: 1 bbl de água convertido para vapor de qualidade 80% carreia acima de
150.000.000 BTU a mais de valor que a água em ebulição na mesma temperatura (Rosa, 2006).
2.1.1.1 Injeção de água quente
Apesar de seu uso simplista e direto, a injeção de água quente é um método que possui
poucas vantagens quando comparado a outros métodos térmicos. O princípio da injeção da água
quente é o mesmo utilizado na injeção de outros fluidos quentes. A recuperação é aumentada
pela melhoria da eficiência de varrido e expansão térmica do óleo.
Apesar de menos utilizada, existem projetos bem sucedidos do uso da injeção da água
quente, projetos em que a injeção de vapor não seria adequada. Estes incluem formações
sensíveis à água doce e aquelas com altas pressões, onde a temperatura de vapor seria excessiva.
(Rosa, 2006)
2.1.1.2 Injeção de vapor
A injeção de vapor ocorre de forma cíclica ou contínua, o método cíclico tem por
objetivo reforçar a recuperação primária de reservatórios de óleos viscosos. A técnica estimula
o poço reduzindo a viscosidade do óleo e limpando a região do poço. A técnica é
frequentemente utilizada para anteceder a aplicação da injeção contínua de vapor, quando a
injeção cíclica torna-se improdutiva (Rosa, 2006).
Na injeção cíclica, o procedimento adotado é a injeção do vapor para atingir a área do
reservatório próxima ao poço em períodos específicos e em seguida ocorre um período de
espera – soaking, onde ocorre a estabilização e espalhamento da temperatura proveniente do
vapor. A injeção pode ser realizada em vários ciclos para que atinja uma área mais abrangente
do reservatório.
Diferente da injeção cíclica, cuja injeção e produção ocorrem no mesmo poço, a injeção
contínua de vapor é realizada com a combinação de malhas de poços produtores e poços
injetores, conforme ilustra a (Figura 2). Uma zona de vapor se forma em torno do poço injetor,
esta zona irá se expandir a medida em que o vapor é injetado. O processo tem por objetivo
igualar a temperatura da zona com a temperatura do vapor injetado.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
7 Yago Ramon Gouveia Cabral
Figura 2 - Injeção de fluidos quentes
Fonte: Modificado de Green e Willhite, 1998
A distribuição das malhas é disposta de acordo com a necessidade específica de cada
região. Entretanto, é importante que a injeção seja realizada na zona de água condensada, pois
a redução da saturação de óleo é máxima nesta zona devido as menores viscosidades.
De acordo com Rosa (2006), as linhas de injeção devem ser enterradas para manter a
perda de calor com o ambiente abaixo de 10%, dependendo do comprimento das linhas. Porém,
as maiores perdas são observadas diretamente na formação produtora, onde o calor é dissipado
por condução através das formações rochosas não produtoras adjacentes.
A injeção de vapor deve ser associada as seguintes características de reservatórios:
Presença de óleos viscosos entre 10 e 20°API, devido a maior efetividade do calor na
redução da viscosidade;
Reservatórios com profundidade inferior a 3000 ft (900 m) – reservatórios rasos, visando a
diminuição dissipação de calor na injeção, e evitando zonas profundas com altas pressões;
Reservatórios com permeabilidade superior a 500 md permitindo o fluxo de óleos viscosos,
visto que uma baixa permeabilidade pode inviabilizar um projeto de injeção;
Saturação de óleo próxima de 0,15 m³ de óleo/ m³ de rocha;
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
8 Yago Ramon Gouveia Cabral
De acordo com Galvão (2008), a injeção de vapor possui a vantagem de não danificar tanto
o reservatório, quando comparado a combustão in-situ. Além disso, as seguintes vantagens
podem ser citadas, quando a injeção é aplicada corretamente:
Recuperação da ordem de 50% do volume de óleo in-place - VOIP;
Maiores vazões de injeção de calor, quando comparado a outros métodos térmicos.
Apesar de ser um dos métodos mais rentáveis e com maior gama de aplicabilidade, o método
térmico apresenta algumas desvantagens em relação as limitações de profundidade do
reservatório, além das seguintes implicações desfavoráveis (GALVÃO, 2008):
Elevado consumo de águe e energia;
Emissão de gases causadores do efeito estufa;
Produção de areia, comum em projetos térmicos;
Formação de emulsão;
Riscos de segurança adicionais, devido às altas temperaturas.
2.1.1.3 Produção do vapor
A produção do vapor tradicionalmente ocorre em caldeiras, cuja aplicação tem sido
ampla no meio industrial e também na geração da energia elétrica nas termelétricas. As
primeiras aplicações práticas surgiram por volta do século 17. Em 1711, Newcomen
desenvolveu um equipamento com a finalidade de produção de vapor, aproveitando ideias de
Denis Papin, um inventor francês. A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório
esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida como caldeira de Haycock.
(Bizzo, 2003)
As caldeiras evoluíram com o passar do tempo, passaram a ser divididas em caldeiras
elétricas e caldeiras a combustível. Os dois modelos de caldeiras tem um revés associado ao
elevado desperdício e elevadas perdas de energia, quando não são bem dimensionadas. Na
indústria do petróleo, o modelo mais adotado é baseado no uso de combustíveis, especialmente
o gás natural.
De acordo com (ELEKTRO, 2016), as caldeiras que produzem vapor pela queima de
combustíveis podem ser classificadas em dois grandes grupos: caldeiras aquatubulares e
caldeiras flamotubulares:
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
9 Yago Ramon Gouveia Cabral
2.1.1.3.1 Caldeiras aquatubulares
A água a ser aquecida passa pelo interior dessas caldeiras aquatubulares (Figura 3), por
meio de tubos, que por sua vez, são envolvidos por gases de combustão. A forma cilíndrica
permite a organização destas tubulações em feixes com uma entrada de água em uma das
extremidades e saída de vapor na outra.
Figura 3 - Caldeiras aquatubulares
Fonte: Elektro, 2016
Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais do que uma caldeira flamotubular
de capacidade equivalente. Ela apresenta, porém, algumas vantagens, como uma maior
capacidade de produção de vapor por unidade de área de troca de calor e a possibilidade
de utilizar temperatura superior a 450º C e pressão acima de 60 kgf/cm2. (ELEKTRO, 2016)
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
10 Yago Ramon Gouveia Cabral
2.1.1.3.2 Caldeiras flamotubulares
O funcionamento das caldeiras flamotubulares (ou pirotubulares) (Figura 4) é
semelhante ao funcionamento das caldeiras aquatubulares, com a diferença que o espaço interno
dos tubos é preenchido com gases quentes provenientes da combustão, aquecendo o fluido que
preenche o espaço da caldeira. (Elektro, 2016)
Este tipo de caldeira, geralmente de pequeno porte, apresenta baixa eficiência e é
utilizada apenas em pressões reduzidas. Apesar de seu porte inferior, as caldeiras
flamotubulares são muito utilizadas devido ao investimento inicial inferior no
dimensionamento. Além possuem fácil manutenção e podem utilizar combustíveis líquidos,
sólidos ou gasosos.
Figura 4 - Caldeiras flamotubulares
Fonte: Elektro, 2016
2.2 Energias renováveis
A superfície terrestre é constantemente alimentada pela energia proveniente do sol, tal
energia é responsável por aquecer a superfície da terra e é indiretamente responsável pela
origem de toda a energia conhecida pelo ser humano. Desde a evaporação e precipitação da
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
11 Yago Ramon Gouveia Cabral
água do mar, dando origem a rios e lagos, que posteriormente são explorados através da energia
hidroelétrica, até a formação de uma atmosfera que possibilita a sobrevivência de seres vivos,
que devido a ação do tempo e da pressão, são transformados em matéria orgânica para formação
do petróleo e do gás.
O sol sempre foi a principal fonte de energia do planeta e “recentemente” recebeu o um
termo para sua utilização direta: “Energia solar”, tal terminologia, enquadra-se em um conjunto
maior conhecido por: “Energias renováveis”, que traduz uma necessidade de reduzir os
impactos ambientais causados pelo incremento do consumo de combustíveis fósseis.
Em 1997, os países integrantes da Organização das Nações Unidas (ONU) reuniram-se
em Kyoto (Japão) para discutir diretrizes para amenizar os impactos ambientais causados pela
emissão de gases responsáveis pelo efeito estufa, principalmente o Dióxido de Carbono, tal
encontro foi nomeado como Protocolo de Kyoto e tinha como principais medidas para a redução
dos gases a pesquisa, promoção, desenvolvimento e aumento do uso de formas novas e
renováveis de energia.
Em meados de 2004, quando o protocolo de Kyoto teve de fato seu início consumado,
foi iniciado uma tentativa mundial de inclusão das energias renováveis como fonte primordial
de fornecimento energético. Anos depois, nota-se que o mundo ainda é muito dependente dos
combustíveis fósseis, devido ao custo envolvido e a baixa eficiência energética para a
exploração de energias renováveis.
É fato que energias renováveis possuem um potencial de exploração e desenvolvimento
bastante elevado, as vantagens de sua utilização podem ser centralizadas não apenas na
diminuição dos impactos ambientais, mas também na taxa de renovação quase infinita. A
ciência aponta que a luz e o calor do sol poderão ser aproveitados durante cerca de 8 bilhões de
anos, podendo ser considerada inesgotável pelo ser humano. (Villalva, 2015).
Os exemplos mais conhecidos de energias renováveis são: energia hidrelétrica, energia
solar fotovoltaica, energia eólica, energia oceânica, energia da biomassa, energia geotérmica e
a energia solar térmica.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
12 Yago Ramon Gouveia Cabral
2.2.1 Energia hidrelétrica
É a fonte energética mais explorada no Brasil. As centrais hidrelétricas estão sempre
associadas a barragens de rios, para que a energia potencial de um rio possa ser transformada
em energia elétrica. O princípio de funcionamento baseia-se na transformação da energia
potencial da água em energia cinética para girar as pás de uma turbina, acoplado a estas turbinas,
existe um gerador elétrico que transforma o movimento em energia, para que em seguida, a
energia possa ser direcionada aos transformadores e em seguida para os centros de consumo. A
água dos rios está em constante renovação devido ao ciclo de evaporação e das chuvas, assim,
pode-se considerar que a energia hidrelétrica é um tipo de energia renovável. (Villalva, 2015).
2.2.2 Energia eólica
A energia eólica, ou energia do vento, vem sendo empregada a centenas de anos pelo
ser humano no transporte e no acionamento de mecanismos. Com o avanço da tecnologia, a
energia eólica passou a ser utilizada na geração de eletricidade através do uso de aerogeradores.
Os dois tipos de aerogeradores conhecidos são: de eixo horizontal (Figura 5) e os de
eixo vertical (Figura 6), as turbinas de eixo vertical são aplicadas a pequenos geradores que
podem ser aplicados ao uso residencial. Possuem a vantagem de captar o vento de qualquer
direção e, portanto, possuem complexidade menos durante sua instalação. Já os geradores de
eixo horizontal, necessitam do auxílio de um sistema automatizado para acompanhar a
orientação do vento. Todavia, este é o modelo mais aplicado na geração de eletricidade em
parques eólicos. Diversos parques já estão em funcionamento no Brasil, principalmente nas
regiões Nordeste e sul, onde os ventos alísios são abundantes. (VILLALVA, 2015).
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
13 Yago Ramon Gouveia Cabral
Figura 5 - Aerogerador de eixo horizontal
Fonte: Autor próprio
Figura 6 - Aerogerador de eixo vertical
Fonte: Autor próprio
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2.2.3 Energia oceânica
A energia oceânica é extraída da movimentação das ondas e das correntes marítimas, as
correntes são resultado de diferenças de temperatura e densidade da água causadas pelo
aquecimento solar. O princípio de funcionamento é semelhantes aos outros métodos, destoando
apenas na fonte de movimento para movimentação das turbinas.
A energia cinética das correntes pode ser direcionada para que ocorra a geração de
energia através de boias combinadas a geradores, ou através do uso dos geradores Pelamis, que
possuem formato alongado e articulado para captar o movimento das ondas. Além destes
métodos, existem diversos outros projetos para melhor aproveitar a energia cinética proveniente
do movimento natural das marés. Uma outra maneira de captar a energia das marés é utilizar a
energia potencial pela diferença da altura entre as marés alta e baixa. (SESMIL, 2013).
2.2.4 Energia da biomassa
A energia proveniente da biomassa possui características semelhantes aos combustíveis
fósseis, derivando de organismos vivos empregados como combustíveis. Todavia, a origem da
biomassa possui um conceito mais imediatista, enquanto os combustíveis fósseis levam
milhares de anos sob ação de pressão e temperatura adequada para formação, a biomassa é
obtida através de processos mais rápidos de combustão de matéria orgânica de origem animal
ou vegetal. (LORA, 2012).
Os 4 métodos mais utilizados para a transformação da biomassa em energia são:
Pirólise, Gaseificação, Combustão e Co-combustão.
Pirólise: a biomassa é exposta a altíssimas temperaturas sem a presença de oxigênio,
visando a aceleração do processo de decomposição.
Gasificação: semelhante a pirólise, diferindo primordialmente na temperatura, que é
inferior e por resultar apenas em gás inflamável. Este gás ainda pode ser filtrado,
visando a remoção de componentes químicos residuais.
Combustão: utilizado como combustível direto, este processo é realizado em altas
temperaturas e presença abundante de oxigênio, produzindo vapor a alta pressão,
geralmente associado a movimentação de turbinas.
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15 Yago Ramon Gouveia Cabral
Co-combustão: consiste na substituição de parte do carvão mineral utilizado em usinas
termelétricas por biomassa, reduzindo significativamente a emissão de poluentes.
2.2.5 Energia geotérmica
Energia geotérmica é o modelo de energia que se aproveita do calor liberado pelo
magma terrestre. Este método é muito empregado em regiões vulcânicas, onde existe a presença
de gêiseres que expelem vapor de água quente para fora da terra. Outro jeito de explorar este
calor é utilizar tubulações subterrâneas, que posteriormente são direcionadas para turbinas e
convertidos em energia. (VILLALVA, 2015)
2.2.6 Energia solar fotovoltaica
A energia incidente na superfície terrestre é mais de 10.000 vezes maior que o atual
consumo global de energia primária. O aproveitamento da energia solar nos painéis solares
fotovoltaicos é resultado da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença de luz solar,
produzindo eletricidade em corrente contínua. (SILVA, 2014).
Os sistemas fotovoltaicos têm a capacidade de captar diretamente a luz solar e produzir
corrente elétrica, esta corrente é coletada e processada por dispositivos controladores e
conversores, podendo ser armazenada em baterias ou utilizada diretamente em sistemas
conectados à rede elétrica. É importante diferenciar o aquecimento solar da geração de energia
por meio de painéis fotovoltaicos, apesar de ambos utilizarem a mesma matriz energética, estas
são duas maneiras diferentes de exploração da energia. (VILLALVA, 2015).
2.2.7 Energia solar térmica
A energia solar térmica é indiretamente responsável por quase todas as energias
existentes no planeta. Conforme explicado no Atlas de Energia Elétrica do Brasil (ANEEL,
2005), a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para
aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica.
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16 Yago Ramon Gouveia Cabral
O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos ocorre em combinação com o
uso de concentradores ou coletores solares. Os coletores são mais utilizados em residências e
no comércio (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) com foco apenas no aquecimento da
água. Já os concentradores destinam-se a aplicações que necessitam de maiores temperaturas,
como por exemplo a produção de vapor para injeção em poços petrolíferos. (Kalogirou, 2009).
A região do nordeste brasileiro possui características vantajosas para o uso desta
modalidade de energia. Especialmente quando a média anual de insolação diária no Brasil
(Figura 7) é levada em conta.
Figura 7 - Média anual de insolação diária no Brasil
Fonte: Adaptado do TIBA - ATLAS Solarímétrico do Brasil. Recife: Editora Universitária da UFPE,
2000.
Alguns modelos de coletores solares já possuem destaque no mercado para
utilização residencial e industrial. Na indústria petrolífera, o aquecimento solar teria um papel
fundamental na cadeia de produção do vapor a ser utilizado na recuperação avançada do
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17 Yago Ramon Gouveia Cabral
petróleo. O processo iria se estabelecer em conjunto com o uso dos aquecedores tradicionais,
que utilizariam uma quantidade inferior de combustível, apenas suprindo a demanda para a
noite e para dias em que o aquecimento solar não fosse possível (devido a dias chuvosos ou por
qualquer outra necessidade externa).
2.2.8 Coletores solares
Coletores solares são trocadores de calor que transformam radiação solar em calor. O
coletor capta a radiação solar, a converte em calor, e transfere esse calor pra um fluido (ar, água
ou óleo em geral) (KALOGIROU, 2009).
Os coletores são divididos fundamentalmente em dois tipos: não-concentradores e
concentradores. Os concentradores são aqueles que a área de interceptação e absorção da
radiação são as mesmas, e são indicados para aplicação a sistemas que necessitam de baixas
temperaturas. Já os coletores não-concentradores, são aqueles que demandam altas
temperaturas, e geralmente são utilizados em conjunto com superfícies refletoras (em alguns
modelos podem ser utilizados com lentes) direcionando a radiação diretamente para um foco,
onde há um receptor com o fluido a ser aquecido. (KALOGIROU, 2009)
Os coletores solares ainda podem ser divididos em estacionários ou rastreadores. Dentre
os rastreadores, os coletores podem rastrear em um eixo ou em dois. Os principais modelos com
algumas características serão apresentados na tabela 1, e posteriormente, alguns modelos serão
explicados.
Tabela 1 - Classificação dos coletores solares por grau de rastreamento
Motora Coletor Receptor Faixa de temperatura (°C)
Solar plano Plano 30 a 80
Estacionário Tubular a vácuo Plano 50 a 200
Parabólico composto Tubular 60 a 300
Rastreamento em 1 eixo Refletor linear de Fresnel Tubular 60 a 250
Cilindro parabólico Tubular 60 a 400
Rastreamento em 2 eixos Disco parabólico Pontual 100 a 1500
Torre solar Pontual 150 a 2000
Fonte: Adaptado de KALOGIROU, 2009
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Para projetos de injeção de vapor, o processo requer temperaturas muito elevadas,
devido as perdas envolvidas no processo. Visando sempre a melhor eficiência, alguns modelos
de coletores solares (Figura 8) possuem maior destaque dentro da indústria, pois utilizam
rastreadores que conseguem acompanhar a trajetória do sol. São exemplos de tecnologias:
a) Calha parabólica;
b) Fresnel;
c) Disco parabólico;
d) Torre solar.
Figura 8 - Coletores solares
(Fonte: Adaptado do site http://energiaheliotermica.gov.br)
2.2.8.1 Concentradores cilíndricos-parabólicos
Também conhecido pela sigla CCP, o concentrador cilíndrico-parabólico possui como
principal componente a superfície refletora cilíndrica parabólica, que age refletindo a radiação
a) b)
c) d)
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solar para um tubo contendo o fluido a ser aquecido. A radiação solar é transformada em energia
térmica, na forma de calor sensível ou latente de fluido. (Souza Filho, 2008).
O aproveitamento máximo da radiação solar ocorre quando o concentrador cilíndrico-
parabólico é utilizado em conjunto com um rastreador que movimenta o concentrador no eixo
paralelo ao seu eixo focal, permitindo que a radiação solar direta esteja direcionada para o tubo
absorvedor. (Souza Filho, 2008).
É possível ainda, otimizar o processo de produção de vapor com o auxílio de uma casa
de vidro (Figura 9). Um exemplo de sucesso foi implementado na Califórnia em 2011 (Figura
10), revelando números impactantes que serão apresentados mais a frente, e reduzindo
consideravelmente o consumo de gás na produção de vapor.
Figura 9 - Concentrador cilíndrico-parabólico com estufa de vidro
Fonte: adaptado do site https://www.glasspoint.com/technology/ acesso em 10/11/2017
Figura 10 - Produção de vapor em Mckittrick – CA
Fonte: adaptado do site https://www.glasspoint.com/markets acesso em 10/11/2017
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O projeto da Berry Petroleum (Mckittrick – Califórnia) possui um potencial energético
térmico de 300 KW, aquecendo a água até ela virar vapor, ou pré-aquecendo até 190°F
(aproximadamente 88°C). Já o projeto da Petroleum Development Oman (Amal – Oman) tem
um potencial energético térmico de 7 MW e produz cerca de 50 toneladas de vapor livre de
emissão de carbono por dia. Os dois projetos são voltados para aplicação em campos
petrolíferos, especificamente para o uso na recuperação avançada.
É importante lembrar que a tecnologia da estufa de vidro não precisa obrigatoriamente
estar associada aos concentradores cilíndricos-parabólicos. Na verdade, a maioria dos projetos
encontrados no mercado não utilizam a estufa de vidro (Figura 11). A vantagem da estufa seria
a proteção contra intempéries climáticas, visto que boa parte dos poços produtores estão em
regiões abertas e com elevada quantidade de poeira.
Figura 11 - Coletor cilíndrico parabólico em campo aberto
Fonte: RENEWABLE POWER NEWS, 2009
2.2.8.2 Coletor linear Fresnel
Conforme detalhado em (KALOGIROU, 2009), os coletores Fresnel podem ser
divididos em dois tipos: o coletor Fresnel de lentes e o refletor linear Fresnel. O primeiro é
constituído por um material plástico transparente, concentrando os raios em um receptor,
enquanto o segundo é constituído por uma série de tiras planas lineares de espelhos.
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Diferentes arranjos podem ser utilizados para reduzir o espaço utilizado e reduzir as
sombras que um espelho pode vir a causar nos outros. De maneira geral os coletores Fresnel
são indicados para plantas comerciais de baixa potência (de 1 a 5 MW), e não estão
completamente consolidados no mercado.
Apesar de ter funcionamento semelhante ao concentrador cilíndrico-parabólico, o
coletor linear de Fresnel possui algumas importantes diferenças:
A linha focal, onde a energia solar se concentra, não se move, possibilitando a utilização
de fluidos sob pressão, já que as conexões não precisam ser flexíveis.
Espelhos planos para coletores Fresnel são mais simples e baratos. Porém, espelhos
óticos têm mais perdas óticas, apresentando menor eficiência.
Figura 12 - Coletor Fresnel
Fonte: adaptado do site http://energiaheliotermica.gov.br acesso em 10/11/2017
2.2.8.3 Disco parabólico
O disco parabólico possui um sistema de rastreamento pontual em dois eixos, e por isso
possui maiores taxas de concentração (600 a 2000), consequentemente, atinge temperaturas
mais altas (de 100ºC a 1500ºC), atrás apenas da torre de concentração (que pode atingir até
2000ºC) (Kalogirou, 2009).
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Por conseguir rastrear em dois eixos, o disco parabólico (Figura 13) possui o melhor
aproveitamento possível da radiação solar, pois aponta diretamente para o sol desde o nascer
até o poente.
Figura 13 - Disco parabólico
Fonte: http://energiaheliotermica.gov.br acesso em 10/11/2017
O disco pode operar de forma independente (indicado para uso em regiões isoladas) ou
como parte de uma planta composta por vários discos (Kalogirou, 2009).
2.2.8.4 Torre solar
Este método de captação de radiação solar consiste na disposição de vários espelhos
com um mesmo ponto focal, localizado no topo de uma torre, onde os fluidos são
superaquecidos. Para que o método funcione, é necessário aparelhar uma quantidade de
espelhos localizados na base da torre possibilitando o aquecimento adequado do fluido
(Kalogirou, 2009).
Os espelhos localizados no solo devem ser instalados em conjunto com rastreadores que
possibilitem o máximo de captação solar durante o dia. É importante que estes espelhos estejam
a uma distância adequada uns dos outros para que o mínimo de sombra atrapalhe o processo.
O fluido aquecido circula na própria torre solar (Figura 14), sem a necessidade da
instalação de tubulações nos espelhos. A torre solar gera temperaturas elevadas o bastante para
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23 Yago Ramon Gouveia Cabral
transformar água em vapor (150°C a 2000°C), permitindo a movimentação de turbinas para
geração de eletricidade, ou ainda, a canalização para injeção direta em poços de petróleo
(Malagueta, 2012).
Figura 14 - Torre solar
Fonte: http://energiaheliotermica.gov.br acesso em 11/11/2017
O processo não é totalmente eficiente devido a não-disponibilidade de radiação solar
durante a noite, sendo necessário o uso em conjunto com as caldeiras (figura 15).
Figura 15 - Geração de vapor ao longo do dia
Fonte: adaptado de https://www.glasspoint.com/technology/integration acesso em 09/11/2017
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24 Yago Ramon Gouveia Cabral
3 MATERIAS E MÉTODOS
Neste capítulo será apresentada a metodologia empregada no presente trabalho. Onde,
foi realizado um levantamento bibliográfico abrangendo as tecnologias disponíveis no mercado
para a utilização no aquecimento solar, buscando a integração entre energias renováveis e
métodos térmicos de recuperação avançada de petróleo.
Serão apresentadas as características de um campo localizado no nordeste do Brasil,
com as informações referentes ao atual processo de produção de vapor. Posteriormente, estudos
de casos reais serão expostos, visando a inserção de novas tecnologias ao modelo atual de
produção adotado.
3.1 Caracterização do campo
A localização geográfica do Rio Grande do Norte, especificamente da Bacia Potiguar
onde fica localizada a formação Açu, é afortunada por ter disponibilidade de uma quantidade
elevadíssima de radiação solar durante o dia. Este potencial térmico é muito pouco explorado,
quando comparado a outros países, que utilizam da energia solar para geração de energia
elétrica e aquecimento de fluidos.
O campo de Alto do Rodrigues, localizada entre os municípios de Alto do Rodrigues e
Pendências no estado do Rio Grande do Norte, possui uma área de exploração de
aproximadamente 65,17 km² e tem o óleo como principal fluido de extração. É um campo
onshore (quando a produção ocorre completamente em terra) e fica entre os campos de Estreito
e de Monte Alegre (Figura 16). De acordo com o Plano de Desenvolvimento de Alto do
Rodrigues (ANP, 2016), o campo teve sua produção iniciada no dia 30/06/1981 e a única
concessionária participante na extração é a Petrobras.
Ainda sobre o Plano de Desenvolvimento da ANP (2016), existem 712 poços envolvidos
na produção, sendo 592 poços produtores e 120 poços injetores. O volume in place em
dezembro de 2015 era de 308,15 milhões de barris de petróleo e 298,60 milhões de metros
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cúbicos. Já a produção acumulada do campo, totaliza 50,57 milhões de barris de petróleo e 0,08
milhões de metros cúbicos de gás natural.
Figura 16 - Mapa de localização do campo Alto do Rodrigues
Fonte: Relatório referente ao Plano de Desenvolvimento de Alto do Rodrigues, ANP, 2016
O modelo geológico da área do campo de Alto do Rodrigues é formado pelas
Formações Pendência, Alagamar, Açu, Jandaíra, Barreiras e depósitos fluviais
recentes. O arcabouço estrutural da área do campo é caracterizado pelo trend de falhas
denominado Falha de Carnaubais, que representa um lineamento de direção NNE, de
caráter transcorrente dextral. A Falha de Carnaubais atuou como descontinuidade
responsável pela implantação do graben, que culminou com a instalação da Bacia
Potiguar. A produção de óleo iniciou através da explotação da Zona Açu100, seguida
da Zona Açu140 e bem mais tarde iniciou a explotação da Zona Açu300. (ANP, 2016)
O volume de injeção de vapor pode variar para cada operação. No caso da injeção cíclica
de vapor, que geralmente precede a injeção contínua, o volume é dimensionado através de cotas
proporcionais a espessura porosa saturada por petróleo. Sendo utilizadas cotas que variam de
100 a 200 toneladas de vapor por metro linear de espessura porosa saturada por óleo. Já a
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injeção contínua de vapor, na zona portadora de petróleo, consiste na injeção diária de vazões
entre 60 m³/d e 200m³/d. (GUSHIKEN e SIQUEIRA, 2008)
3.2 Estudo de caso 1: Coalinga, CA
Localizado na cidade de Coalinga, CA (320 km de Los Angeles) a planta solar piloto,
realizada em uma parceria entre a Chevron e a BrightSource entre 2011-2014, tem extensão de
404.686 m² (100 Acres) e utiliza a torre solar para produzir 29 MWt (Megawatts térmico),
equivalente a aproximadamente 13 MWe (Megawatts elétrico).
O projeto de Coalinga (Figura 17) é totalmente voltado para o uso na recuperação
avançada de petróleo, com dimensionamento (tabela 2) realizado para se adequar ao volume de
vapor solicitado para este campo.
Figura 17 - Torre solar em Coalinga, CA
Fonte: http://www.brightsourceenergy.com acesso em 09/11/2017
Tabela 2 - Torre solar coalinga
Número de Helióstatos 3.822
Número de espelhos 7.644
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27 Yago Ramon Gouveia Cabral
Altura da torre 327 pés = 100 m
Fonte: adaptado de http://www.brightsourceenergy.com acesso em 09/11/2017
3.3 Estudo de caso 2: Amal, Omã
O projeto piloto da Petroleum Development Oman - PDO em parceria com a Glasspoint
(Figura 18) colocou a cidade de Amal – Omã em uma posição de prestígio no quesito inovação.
Operando desde dezembro de 2012, o aproveitamento da energia solar, por meio do uso de uma
combinação de tecnologias que envolve: concentradores cilíndricos-parabólicos e uma casa de
vidro, culmina em uma produção energética de 7 MWt, gerando uma média de 50 toneladas de
vapor livre da emissão de carbono por dia, conforme citado na revisão bibliográfica do presente
trabalho. (Glasspoint Solar, 2016).
Figura 18 – Planta piloto da PDO em Amal
Fonte: www.glasspoint.com/markets/oman/ acesso em 14/11/2017
A área da instalação é de 17.280 m², e representa uma economia energética de 47.000
MMBtus por ano de gás. De acordo com o centro nacional de estatísticas e informações de Omã
(NCSI, 2017), o gás utilizado para suprir a necessidade energética do campo de Amal é
equivalente a 20% de todos o gás utilizado no país. Até 2020 este valor será ainda maior com a
instalação de um dos maiores campos de concentradores solares cilíndricos-parabólicos do
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mundo. O projeto “Miraah” terá potencial de pouco mais de 1 GWt (1.021 MWt), com potencial
para gerar incríveis 6.000 toneladas de vapor por dia. (Glasspoint Solar, 2016).
O principal diferencial desta tecnologia é a utilização da casa de vidro, que previne uma
perda de aproximadamente 15% de eficiência total de aquecimento. A casa de vidro fica
localizada a 6,1 m acima do solo, e o design é capaz de reduzir 50% da sujeira associada aos
coletores, quando comparada a coletores sem tal proteção. (Glasspoint Solar, 2016).
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
29 Yago Ramon Gouveia Cabral
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
No presente capítulo serão discutidas as possibilidades de inserção das tecnologias
expostas no capítulo anterior, sustentando o método na cadeia de injeção de vapor. Dois tipos
de coletores foram escolhidos com base no intervalo de temperaturas e nos volumes de vapor
que eles são capazes de trabalhar.
O primeiro caso apresenta as vantagens do uso da torre solar, já o segundo apresenta as
vantagens do uso da aplicação do concentrador cilíndrico-parabólico, em conjunto com a casa
de vidro. Em seguida, serão apresentadas sugestões para aplicação de tais tecnologias na bacia
potiguar.
4.1 Vantagens do uso de concentradores solares
Apesar do impacto causado pela grandiosidade dos projetos, a instalação de uma torre
solar e de um campo de coletores cilíndricos-parabólicos pode ser economicamente viável para
as regiões onde a radiação solar é abundante. O processo resumido do ciclo de produção e
aplicação do vapor em torres solares está representado na (Figura 19).
Figura 19 - Representação do processo de aquecimento solar associado a injeção de vapor
Fonte: adaptado de http://www.brightsourceenergy.com acesso em 09/11/2017
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30 Yago Ramon Gouveia Cabral
O vapor, que seria produzido pelas caldeiras, agora será produzido em conjunto com a
torre solar (Figura 20). Direcionando o vapor para um recipiente trocador de calor, é possível
controlar a vazão de injeção e manter a temperatura com uma quantidade de combustíveis
inferior a utilizada pelas caldeiras. Posteriormente, a água reciclada do processo completo
poderá ser novamente redirecionada para o trocador de calor, viabilizando uma otimização no
processo com uso de menos água.
A aplicação de coletores cilíndricos-parabólicos reduziu aproximadamente 80% do
consumo de gás natural na planta piloto da PDO, em Amal – Omã. Este gás pode ser
redirecionado para outros usos, como por exemplo: exportação, geração de energia e uso
industrial. Além da diminuição da emissão de carbono para a atmosfera, tornando o processo
mais limpo. (Glasspoint Solar, 2016).
Figura 20 - Ciclo de geração de vapor em Amal, Omã
Fonte: adaptado de https://www.glasspoint.com/markets/oman 09/11/2017
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4.2 Aplicação dos concentradores em Alto do Rodrigues
De acordo com Chaves (2016, p. 33), são utilizados 514 m³ de combustível (gás natural)
por hora para gerar 145 m³ de vapor em um projeto localizado na bacia potiguar. No processo
de injeção em um campo nesta mesma localização, a temperatura do vapor é de 281ºC e a
pressão é de 63 kgf/cm².
Adotando como parâmetro a média de 8 horas de insolação diária para o nordeste
brasileiro, e o volume de gás injeção de 520 m³ por hora para a injeção contínua de vapor, é
possível mensurar uma economia de, pelo menos, 4.112 m³ de gás por dia. Em um ano, este
valor será próximo de 1.480.320 m³ de gás economizado.
Outros valores de economia de gás serão apresentados na (Tabela 3), levando em
consideração diferente cenários de insolação diária:
Tabela 3 - Economia de gás para diferentes ofertas de insolação diária
Insolação diária (horas) Volume de gás equivalente (m³/dia)
4 2.056
6 3.084
8 4.112
10 5.140
12 6.168
Fonte: Autor
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32 Yago Ramon Gouveia Cabral
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Neste capitulo, serão apresentadas as conclusões referentes a viabilidade da aplicação
de concentradores solares, realizando uma avaliação geral de todos os temas propostos ao longo
do presente trabalho. Em seguida, serão expostas as sugestões para trabalhos futuros.
5.1 Considerações finais
O aquecimento de fluidos através de concentradores solares já é uma realidade no
mercado. A instalação de plantas de aquecimento solar contribui com a geração de empregos e
reduz consideravelmente a emissão de carbono para a atmosfera. Além disso, por se tratar de
nordeste brasileiro, a oferta de radiação solar possibilita a exploração deste modelo de energia
renovável para diversas outras áreas da indústria.
A escolha do modelo mais adequado para a aplicação deve ser baseada na avaliação da
área em que o projeto será implantado. Quando um projeto possui características inovadoras
dentro de um processo tradicional, é importante levar em conta a confiabilidade do novo
método. Características como: localização do campo, grau API do óleo, recursos para instalação
do projeto, volume de vapor a ser injetado, disponibilidade de água na região, tempo de
instalação e equipamento a ser utilizado, são fundamentais no processo de introdução de um
novo método de recuperação.
Nos exemplos de Coalinga e de Amal, foram apresentados resultados reais de projetos
pilotos de duas tecnologias que conseguiram substituir parcialmente o uso tradicional de
caldeiras a combustível. Com a expansão da tecnologia e a necessidade de baratear o processo
de recuperação de óleos pesados, os dois métodos mostraram potencial para a possível aplicação
em um cenário que possua condições climáticas semelhantes (regiões quentes e com oferta de
radiação solar abundante).
Com base nos argumentos apresentados, associando as características da região do
nordeste brasileiro com os outros países onde as tecnologias já estão em uso, é possível admitir
a possibilidade de inserção dos concentradores solares na cadeia de produção de vapor. As
vantagens associadas possuem um caráter, não apenas econômico, mas também ambiental.
Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1
33 Yago Ramon Gouveia Cabral
5.2 Recomendações
Para estudos futuros que sigam o mesmo tema, recomenda-se a realização do
dimensionamento de uma planta de produção de vapor com a inserção de coletores ou
concentradores solares. Indica-se ainda, estudos de casos de outras tecnologias de
concentradores ou coletores solares. Visando a inserção das energias renováveis dentro do
cenário da indústria petrolífera.
Além disso, como recomendação, propõe-se a expansão do uso de sistemas híbridos,
que permitam a exploração energética em plataformas marinhas – offshore. Com o atual
panorama da indústria petrolífera no Brasil, estes temas poderiam se complementar para o
desenvolvimento de uma tecnologia que permita o barateamento da produção de petróleo em
alto mar.
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REFERÊNCIAS
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