1INTRODUÇÃO

Prévia do material em texto

CURSO DE ENGENHARIA DE PETRÓLEO
SUPERFÍCIES COM ALETAS
DOCENTE: ISMAR MACARIO PINTO JUNIOR
DISCENTES:
ARTHUR CESAR COUTO E SILVA
GABRIEL FELIPE BRITO DE MELO
GUILHERME HENRIQUE SILVA NUNES
LUCAS BARBOSA SILVA NETO
PABLO SANTOS AMARAL
RENATO DA SILVA
MACEIÓ – AL
2017
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO............................................................................................................3
COLETORES SOLARES...............................................................................................4
SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES.................................................................................5
TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES ............................................................6
4.1	Concentrador Cilíndrico Parabólico (Parabolic Trough Collector)............7
4.2 	Concentrador Fresnel (Linear Fresnel Reflector – LFR).............................8
 4.3 Concentrador Disco Parabólico (Parabolic Dish Reflector – PDR)............9 4.4	Torre de Concentração..................................................................................10
5.	 CONCENTRADORES SOLARES – COMPARATIVO..........................................................11
APLICAÇÃO NA INDUSTRIA DE PETRÓLEO........................................................12
CONCLUSÃO............................................................................................................14
REFERÊNCIAS
1	INTRODUÇÃO
Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. O sol é a maior fonte de energia disponível na Terra, fornecendo anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x1018 kWh de energia. Esse valor corresponde a 104 vezes o consumo mundial de energia neste período (BIANCHINI, 2013). 
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. Além disso, pode ser convertida diretamente em energia elétrica (ANEEL, 2002). 
A radiação solar depende das condições climáticas e atmosféricas. Apenas parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. Mesmo assim, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial (CEPEL-CRESESB, 2004). Porém, a maior parte da radiação solar que chega a terra está dispersa, sujeitando a utilização desta fonte a variações climáticas, como latitude e longitude, período do ano e variáveis de condição atmosférica. 
Também há um enorme potencial de utilização de energia solar por meio de sistemas de captação e conversão em energia térmica. O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais para aquecimento de água. Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a produção de vapor. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador. Essa forma de geração de eletricidade é a heliotérmica, também chamada de termo solar ou Concentrated Solar Power (CSP) (OLIVEIRA FILHO, 2014). 
A tecnologia CSP é considerada madura internacionalmente e as primeiras plantas comerciais entraram em operação na Califórnia, nos EUA, entre 1984 e 1991, com uma capacidade instalada de 354 MW. Atualmente, existe aproximadamente 1 GW de capacidade instalada no mundo e há expectativa de 15 GW em projetos sendo desenvolvidos ou em construção em diversos países, tais como EUA, Espanha, Austrália, Marrocos, China e Índia, motivados por políticas governamentais (PHILIBERT et al., 2010 apud LODI, 2011). 
2	 COLETORES SOLARES 
 
Segundo Malagueta (2012), 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 para um fluido (ar, água ou óleo em geral). Basicamente, os coletores podem ser de dois tipos: não-concentradores e concentradores. 
Os coletores não-concentradores, ou simplesmente coletores solares planos, são aplicáveis em sistemas que precisam de temperaturas baixas, inferiores a 100°C. Essa tecnologia é empregada predominantemente no setor residencial, mas também é aplicada em outros setores, tais como hotéis, hospitais, edifícios públicos e comerciais e similares. Outro setor que começa a experimentar os aquecedores é o industrial, mas ainda de forma pontual. A Figura 11 ilustra um sistema solar de aquecimento de água. 
Figura 1: Sistema solar de aquecimento de água
Fonte: ANEEL (2002).
Em sistemas que requerem temperaturas mais elevadas, bem acima de 100°C, é indicado que o aproveitamento da energia seja feito por meio de concentradores solares, pois segundo Malagueta (2012), sistemas sem concentradores ou com baixa taxa de concentração não são eficientes, tanto do ponto de vista térmico quanto econômico. 
O concentrador solar capta a energia solar incidente numa área relativamente grande e concentram-na numa área muito menor, de modo que a temperatura desta última aumente substancialmente. Geralmente, os coletores concentradores possuem uma superfície refletora que direcionam a radiação direta a um foco, onde há um receptor pelo qual escoa o fluido absorvedor de calor. O funcionamento dos concentradores será ilustrado nos próximos tópicos. 
3	 SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES 
Os sistemas industriais ligados aos coletores concentradores não diferem muito de sistemas convencionais que geram calor de processo. A peça chave do sistema é o campo de coletores e o arranjo dos coletores no solo ou em terraços de edifícios. Um fluido de calor circula pelo campo. Ao medir a temperatura do fluido na saída do coletor, um sistema de controle regula a vazão do fluido em função da radiação. O calor absorvido pelo fluido é então transferido em um trocador de calor, de onde é utilizado em algum processo industrial ou armazenado em tanques para uso posterior. A Figura 2 ilustra um sistema que utiliza concentradores solares para a geração de energia elétrica. 
Figura 2: Sistema de geração de energia elétrica utilizando concentradores solares
Fonte: Adaptado de MALAGUETA (2012).
4	TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES 
 
Existem quatro tipos demonstrados de sistema CSP: cilíndrico parabólico, Fresnel, disco parabólico (ou prato parabólico) e torre de concentração (ou torre central). A Figura 3 apresenta a configuração básica dessas tecnologias, que serão discutidas nos próximos tópicos. 
Figura 3: Tipos de tecnologias de concentradores solares
Fonte: BIANCHINI (2013).
 
4.1	 Concentrador Cilíndrico Parabólico (Parabolic Trough Collector) 
 
Segundo Kalogirou (2009) apud Malagueta (2012), esse tipo de coletor é revestido por um material refletor em formato parabólico. E também é composto por um tubo de metal preto, coberto com um tubo de vidro para reduzir as perdas de calor, é colocado ao longo da linha focal do receptor. 
Quando a parábola aponta para o sol, os raios solares são refletidos pela superfície e concentrados no receptor. A radiação concentrada aquece o fluido que circula internamente no tubo (MALAGUETA, 2012). 
Na Figura 4 é apresentado o esquema da concentração da radiação em um concentrador parabólico. 
Figura 4: Esquema da concentração da radiação em um concentrador parabólico
Fonte: MALAGUETA, 2012.
O concentrador cilíndrico parabólico é a tecnologia solar mais madura para gerar calor em temperaturas de até 400°C. A energia do fluido pode ser utilizada para geração de eletricidade ou de calor de processo. 
4.2 	Concentrador Fresnel (Linear Fresnel Reflector – LFR) 
 
O concentrador solar Fresnel é uma tecnologia que se baseia em uma série de faixas de espelhoslineares que concentram a luz para um receptor fixo, montado em uma torre. Os espelhos podem ser alinhados como uma parábola ou dispostos no chão. (KALOGIROU). 
 De acordo com Lodi (2011), a tecnologia de Fresnel é menos eficiente que a tecnologia cilíndrico-parabólica para a conversão de energia solar em energia elétrica, além do fato de ser mais difícil incorporar o armazenamento térmico, uma forte aplicação para esta tecnologia é o fornecimento de calor para processos industriais, tais como recuperação de óleos pesados, refinarias, celulose e papel, alimentos e dessalinização. 
Essa tecnologia ainda não é muito madura e a maior parte das plantas existentes no mundo são plantas pilotos, como a presente na Austrália (10 MW), que foi desenvolvida por uma companhia australiana chamada Ausra. Na Figura 5 é mostrado o esquema da concentração da radiação em um sistema com concentrador do tipo Fresnel. 
Figura 5: Esquema da concentração da radiação em sistema com concentrador do tipo Fresnel
Fonte: Adaptado de KALOGIROU, 2009 apud MALAGUETA, 2012.
 
4.3	 Concentrador Disco Parabólico (Parabolic Dish Reflector – PDR) 
 
O concentrador disco parabólico é um coletor que segue o sol em dois eixos, concentrando energia solar em um receptor localizado no ponto focal do disco, como mostrado no esquema da Figura 6 (KALOGIROU). 
Figura 6: Esquema de um concentrador de disco parabólico
Fonte: Adaptado de MALAGUETA, 2012.
Por possuir uma concentração pontual e sistema de rastreamento em dois eixos, o disco parabólico possui as maiores taxas de concentração e por essa razão é o coletor mais eficiente. Consequentemente, atinge temperaturas de 100°C a 1500°C, atrás apenas da torre de concentração, que pode atingir até 2000°C. (MALAGUETA, 2012) 
Ainda segundo Malagueta (2012), o disco pode operar de forma independente (indicado para uso em regiões isoladas) ou como parte de uma planta composta por vários discos. 
Os raios solares incidem sobre a parábola e são concentrados no ponto focal da parábola, onde aquecem o fluido circulante. Esse calor pode ser transportado por tubulação para um sistema central ou ser transformado diretamente em eletricidade em um gerador acoplado diretamente no receptor. 
4.4	 Torre de Concentração 
 
Malagueta (2012) afirma que torre de concentração é um tipo de tecnologia de aquecimento solar composta por um campo de coletores de heliostatos, formada por vários espelhos planos (ou levemente côncavos), que são capazes de rastrear o sol em dois eixos, e que reflete os raios do sol na direção de um receptor central, instalado no alto de uma torre. Cada heliostato é composto por quatro espelhos instalados no mesmo pilar, com área refletora total de 50 a 150m². O calor concentrado absorvido no receptor é transferido para um fluido circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho. A Figura 7 mostra um sistema de torre de concentração. 
Figura 7: Sistema de torre de concentração para geração de energia elétrica
Fonte: BIANCHINI (2013).
Entre as vantagens da torre de concentração, é possível destacar que as perdas de energia térmica devido ao transporte são mínimas, visto que os espelhos coletam a luz solar e a concentram em um único receptor. Além disso, segundo Malagueta (2013), por rastrear o sol em dois eixos, possui altas taxas de concentração (entre 300 a 1000, menor apenas que o disco). Essa tecnologia é indicada para sistemas de maior porte (acima de 10 MW). 
5	 CONCENTRADORES SOLARES – COMPARATIVO 
Os principais tipos de sistema encontram-se listados na Tabela 1. 
Tabela 1: Comparativo entre as tecnologias de coletores solares concentradores 
	 
 Tecnologia 
	Faixa de capacidade indicada (MW) 
	 
Taxa de concentração 
	Eficiência solar-elétrica 
(%) 
	Área requerida 
(m²/kW) 
	Parabólico 
	10-200 
	70-80 
	10-15 
	18 
	Fresnel 
	10-200 
	25-100 
	9-11 
	- 
	Torre 
	10-150 
	300-1000 
	15-30 
	21 
	Disco 
	0,01-0,4 
	1000-3000 
	20-30 
	20 
Fonte: Adaptado de LODI (2011).
De acordo com a Tabela 1, os concentradores mais eficientes são os de torre e os de disco parabólico. Segundo Lodi (2011), a tecnologia cilíndrico-parabólica, Fresnel e torre solar podem ser integradas a ciclos de vapor, e terem capacidades de geração elétrica entre 10 a 200 MW. Assim, a eficiência térmica neste ciclo passa a ser entre 30 a 40%. 
A tecnologia cilíndrico-parabólica concentra a radiação solar entre 70 a 80 vezes, a tecnologia de Fresnel entre 25 a 100 vezes, a torre solar entre 300 a 1000 vezes e o disco parabólico entre 1000 a 3000 vezes. No disco parabólico, devido à elevada concentração que pode ser obtida, a eficiência costuma ser mais alta do que as das outras tecnologias de concentração (KALOGIROU, 2009). 
Devido às vantagens apresentadas e ao fato de ser a tecnologia mais consolidada até o momento, para a realização deste trabalho, a tecnologia adotada foi a cilíndricoparabólica. 
6	APLICAÇÃO NA INDUSTRIA DE PETRÓLEO
Atualmente, apesar de grandes empresas de petróleo terem como objetivo principal a descoberta de novos poços, há uma preocupação também com os campos que se encontram em fase de declínio produtivo, que é a situação de muitos dos campos onshore no Brasil. Esses campos, chamados campos maduros, possuem baixa rentabilidade, embora ainda possam ter um volume razoável de petróleo e/ou gás natural (CABRAL & ROLINO, 2013). 
Em campos maduros, o diferencial de pressão entre o reservatório e o poço é insuficiente para que o óleo seja extraído naturalmente. Para suplementar a energia natural desses poços, podem ser utilizados métodos de elevação artificial, cujos métodos mais comuns na indústria de petróleo são: gas-lift, bombeio centrífugo submerso (BCS), bombeio mecânico com hastes (BM) e bombeio por cavidades progressivas (BCP). Também podem ser utilizados métodos de recuperação, sejam eles os convencionais ou os especiais. Entre os convencionais, podem ser destacadas a injeção de água e a injeção de gás. Entre os especiais, estão os métodos térmicos, os métodos químicos e os métodos miscíveis. Cada método apresenta vantagens e desvantagens, e a escolha do método depende das características do poço ou campo (THOMAS, 2001). 
Os métodos térmicos de recuperação têm sido largamente empregados como um método estratégico na recuperação de óleo pesado, pois melhoram o escoamento de óleos através da redução da viscosidade, viabilizando a produção de petróleo em campos considerados inviáveis comercialmente pelos métodos convencionais de recuperação. Este método tem como princípio o aumento da temperatura do reservatório através da utilização de uma fonte de calor, a qual é fornecida através da injeção de um fluido cuja temperatura é maior do que a encontrada no reservatório (SANTANA, 2009). 
Um dos processos de recuperação suplementar, a injeção de vapor, tradicionalmente produz vapor através da queima de combustível. Uma alternativa a queima de combustíveis é o aproveitamento da energia solar para aquecimento da água e geração de vapor. Esse tipo de aquecimento pode gerar a mesma qualidade de vapor com o gás natural, podendo assim diminuir os custos com a geração de vapor para injeção nos poços maduros. 
A injeção de vapor é um método complexo de deslocamento de óleo que envolve simultaneamente transporte de calor e massa (SANTANA, 2009). Pode ser usada de maneira cíclica ou contínua. A Figura 8 o processo de injeção de vapor. 
Figura 8: Injeção contínua de vapor
Fonte: Adaptado de SAMPAIO (2004)
O vapor é gerado em uma caldeira ou em um gerador de vapor pela transferência do calor dos gases quentes para a água. Quando a água absorve quantidade suficiente de calor, muda da fase líquida para a de vapor. A energia para gerar o vapor pode ser obtida da combustão de combustíveis ou da recuperação de calor residual de processo (ELEKTRO, 2016). 
As caldeiras industriais podem apresentar desperdícios e elevadas perdas de energia se não forem adequadamente dimensionados e se a sua operaçãoe manutenção não forem praticadas de acordo com certos critérios e cuidados. Em geral, o custo dos combustíveis representa uma parcela significativa da conta dos insumos energéticos. 
Nesse contexto, a utilização da energia solar pode ser uma alternativa na geração de vapor, podendo contribuir para redução do consumo de energia e para a redução dos custos de produção. 
7	CONCLUSÃO
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. Além disso, pode ser convertida diretamente em energia elétrica.
Na indústria petrolífera a injeção de vapor é um dos métodos de recuperação mais adequados para os campos maduros da região, devido às características do óleo. Na geração de vapor, o custo com combustíveis representa uma parcela significativa. Nesse contexto, a utilização de energia solar para gerar vapor pode ser uma das alternativas para diminuir os gastos a longo prazo. 
8	REFERÊNCIAS 
Agência Nacional de Energia Elétrica (Brasil) – ANEEL. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. Brasilia, DF: ANEEL, 2002. 
BIANCHINI, H. M. Avaliação Comparativa de Sistemas de Energia Solar Térmica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2013. 
CABRAL, Marcelo de Melo; ROLINO, Nicomedes Figueiredo. Alternativas para viabilizar a produção de poços em campos maduros com elevado custo de produção no Nordeste do Brasil. TECNOLOGIA & INFORMAÇÃO-ISSN 2318-
9622, v. 1, n. 1, p. 33-48, 2013. 
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL, Centro de Referência para Energia 
Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – CRESESB. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Grupo De Trabalho de Energia Solar – GTES, Rio de Janeiro, 2004. 
ELEKTRO. Manuais Elektro de Eficiência Energética – Segmento Industrial. Elektro - Eletricidade e Serviços S.A, São Paulo, 2016. 
LODI, Cristiane. Perspectivas para a Geração de Energia Elétrica no Brasil Utilizando a Tecnologia Solar Térmica Concentrada. Dissertação (mestrado) – UFRJ/COPPE/Programa de Planejamento Energético, 2011. Rio de Janeiro: 
UFRJ/COPPE, 2011. 
MALAGUETA, Diego C. Geração Heliotérmica – Princípios e Tecnologias. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – CRESESB. Rio de Janeiro, 2012. 
OLIVEIRA FILHO, Cássio Mauri de. Metodologia para estudo de implantação de uma usina heliotérmica de receptor central no Brasil. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2014. 
SAMPAIO, A. Seminário Recursos Energéticos do Brasil: Petróleo, Gás, Urânio e Carvão. Clube de Engenharia, Rio de Janeiro, 2004. 
SANTANA, K. R. Estudo da segregação gravitacional no processo de injeção de vapor em reservatórios heterogêneos. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia do Petróleo), Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia do Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2009. 136p. 
THOMAS, J.E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Rio de Janeiro: Interciência, 2001.