ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DA ......De acordo com o Instituto Brasileiro de...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO

ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DA

GERAÇÃO DE VAPOR UTILIZANDO ENERGIA SOLAR PARA

INJEÇÃO EM POÇOS PETROLÍFEROS

Anderson Ferreira da Silva

Novembro, 2018

NATAL, RN

Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2018.2

ii Anderson Ferreira da Silva

a

Anderson Ferreira da Silva

ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DA GERAÇÃO DE

VAPOR UTILIZANDO ENERGIA SOLAR 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: Dr. Marcos Allyson Felipe Rodrigues

Novembro, 2018

NATAL, RN


iii Anderson Ferreira da Silva

a


iv Anderson Ferreira da Silva

a

SILVA, Anderson Ferreira da. Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de

vapor utilizando energia solar para injeção em poços petrolíferos. 2018. 55 f. TCC

(Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, Natal, Brasil, 2018.

Palavras-Chaves: Coletor solar, injeção de vapor, caldeira.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Allyson Felipe Rodrigues

RESUMO

___________________________________________________________________________

A maior parcela da produção de petróleo on-shore brasileira, é realizada em campos maduros.

Para essa produção acontecer, é necessária a aplicação de métodos térmicos de recuperação que

promovem a redução da viscosidade do óleo. A injeção de vapor é um dos métodos térmicos

mais utilizados e, por isso, faz-se necessário o estudo do processo de geração de vapor. Foram

estudadas situações em que se aplica a energia heliotérmica, empregando coletores lineares do

tipo Fresnel com diferentes configurações, buscando uma economia quantitativa e

consequentemente financeira do combustível consumido pela caldeira de modelo aquatubular.

Foram realizadas análises em seis sistemas diferentes, cada sistema apresentando um gradiente

de temperatura distinto. A temperatura de entrada na caldeira variou de 40 °C a 90 °C, enquanto

que a temperatura de saída foi mantida em 288 °C. Os estudos financeiros foram baseados nos

dados de consumo de combustível da caldeira de cada uma das situações, nos custos

relacionados à aquisição da planta solar, assim como, nos custos da sua manutenção. Ao

analisar os resultados de cada caso, foi possível perceber que, independentemente do

dimensionamento da planta solar e dos custos que ela gera, os resultados econômicos mostraram

uma excelente rentabilidade para esse projeto.


v Anderson Ferreira da Silva

a

SILVA, A. F. da. Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de vapor utilizando

energia solar para injeção em poços petrolíferos. 2018. 55 f. TCC (Graduação) - Curso de

Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2018.

Keywords: Solar collector, steam injection, boiler.

Tutor: Prof. Dr. Marcos Allyson Felipe Rodrigues

ABSTRACT

__________________________________________________________________________

Most of Brazil's on-shore oil production is carried out in mature fields. As regards production,

an application of recovery thermometers should be obtained which promotes a reduction in the

viscosity of the oil. Injection of steam is one of the most used thermal media and, therefore, it

is necessary to study the steam generation process. It has studied the situations in which a

heliothermic energy is applied, employing linear Fresnel reflector with different configurations,

seeking a quantitative and consequently financial economy of the fuel consumed by the

aquatubular boiler. Analyzes were performed in six different systems, each system presenting

a distinct temperature gradient. The inlet temperature in the boiler ranged from 40 ° C to 90 °

C, while the outlet temperature was maintained of 288 °C. The financial studies were based on

the fuel consumption data of the boiler of each one of the situations, in the costs related to the

acquisition of the solar plant, as well as in the costs of its maintenance. When analyzing the

results of each case, it was possible to perceive that, regardless of the size of the solar plant and

the costs it generates, the economic results showed an excellent profitability for this project.


vi Anderson Ferreira da Silva

a

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, Kerginaldo

Francisco da Silva e Maria Denice Ferreira da

Silva, a minha irmã, Andressa Kelly Ferreira da

Silva, por sempre me apoiarem e por sempre

estarem comigo ajudando a vencer todos os

desafios que surgiram em nossas vidas.


vii Anderson Ferreira da Silva

a

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeço a Deus por me dá graça da vida e por sempre abençoar e

proteger a mim e a minha família.

Aos meus pais, a minha irmã, a minha namorada, amigos e a toda minha família que

sempre acreditaram em mim.

Aos meus avôs, Genival Ferreira e José Francisco da Silva (in memoriam) e as minhas

avós Maria de Lurdes Ferreira e Maria Inês da Silva, por sempre acreditarem em mim e pelo

carinho e confiança.

A Brent Engenharia, por me proporcionar experiências e conhecimentos que foram de

grande importância para me tornar a pessoa que sou hoje.

Ao Capítulo Estudantil SPE UFRN pelas oportunidades que me concederam vivencias

incríveis.

Ao meu orientador Prof. Dr. Marcos Allyson Felipe Rodrigues, por todo apoio durante

o desenvolvimento desse trabalho.

A Universidade Federal do Rio Grande do Norte, por me dar todo o suporte para

concluir essa graduação.


viii Anderson Ferreira da Silva

a

Sumário

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 13

2 ASPECTOS TEÓRICOS ................................................................................... 15

2.1 A IMPORTÂNCIA DO PETRÓLEO .......................................................................... 15

2.2 MÉTODOS DE RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO ....................................................... 15

2.2.1 Métodos térmicos ...................................................................................... 17

2.3 INJEÇÃO CÍCLICA DE VAPOR ............................................................................... 17

2.4 INJEÇÃO CONTÍNUA DE VAPOR ........................................................................... 18

2.5 GERAÇÃO DE VAPOR .......................................................................................... 19

2.5.1 Consumo e quantidade de calor requerido da caldeira ........................... 21

2.6 ENERGIA SOLAR ................................................................................................. 21

2.7 ENERGIA HELIOTÉRMICA ................................................................................... 23

2.8 COLETORES SOLARES ........................................................................................ 24

2.8.1 Coletor solar concentrado ........................................................................ 24

Coletor cilíndrico parabólico (Parabolic trough collector - PTC) ....... 25

Refletor disco parabólico (Parabolic dish reflector – PDR) ................ 26

Torre de concentração (Central receiver system) ................................. 26

Refletor linear Fresnel (Linear Fresnel reflector – LFR) ..................... 27

2.9 ANÁLISE ECONÔMICA DE PROJETOS ................................................................... 28

2.9.1 Valor presente líquido – VPL ................................................................... 29

3 MATERIAS E MÉTODOS ............................................................................... 30

3.1 DADOS DA INJEÇÃO ........................................................................................... 30

3.2 DADOS TÉCNICOS DO COLETOR .......................................................................... 30

3.3 DADOS TÉCNICOS DA CALDEIRA ........................................................................ 31

3.4 ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA .............................................................. 32

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................... 34

4.1 CONSUMO E CUSTO DO GERADOR DE VAPOR SEM A APLICAÇÃO DO LFR ........... 34

4.2 SISTEMA 1 ......................................................................................................... 34

4.3 SISTEMA 2 ......................................................................................................... 37


ix Anderson Ferreira da Silva

a

4.4 SISTEMA 3 ......................................................................................................... 39

4.5 SISTEMA 4 ......................................................................................................... 41

4.6 SISTEMA 5 ......................................................................................................... 44

4.7 SISTEMA 6 ......................................................................................................... 46

4.8 DETERMINAÇÃO DO VPL................................................................................... 48

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ........................................................ 50

5.1 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 50

5.2 RECOMENDAÇÕES ............................................................................................. 50

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 52


x Anderson Ferreira da Silva

a

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2-1 – Processo de Recuperação de Petróleo .................................................................. 16

Figura 2-2 – Processo de Injeção Cíclica de Vapor.................................................................. 18

Figura 2-3 – Processo de Injeção Contínua de Vapor .............................................................. 19

Figura 2-4 – Caldeira Flamotubular ......................................................................................... 20

Figura 2-5 – Caldeira Aquatubular ........................................................................................... 21

Figura 2-6 – Geometria Sol/Terra ............................................................................................ 22

Figura 2-7 – Coletor Cilíndrico Parabólico .............................................................................. 25

Figura 2-8 – Coletor Disco Parabólico ..................................................................................... 26

Figura 2-9 – Torre de Concentração ......................................................................................... 27

Figura 2-10 – Refletor Linear de Fresnel ................................................................................. 28

Figura 4-1 – VPL de todos os sistemas .................................................................................... 49


xi Anderson Ferreira da Silva

a

LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1 – Médias mensais de irradiação global horizontal em cada região do Brasil......... 23

Tabela 2-2 – Tipos de Coletores ............................................................................................... 24

Tabela 3-1 – Área dos Concentradores Lineares tipo Fresnel .................................................. 31

Tabela 3-2 – Dados importantes para o cálculo de consumo de combustível .......................... 32

Tabela 3-3 - Entalpia da Água para as temperaturas da Caldeira e do LFR ............................. 32

Tabela 3-4 - Tabela de Preços .................................................................................................. 33

Tabela 4-1 – Economia financeira (Sistema 1) ........................................................................ 37







xii Anderson Ferreira da Silva

a

LISTA DE ABREVIATURAS E/OU SÍMBOLOS E/OU SIGLAS

CO2 – Dióxido de carbono

kcal/kg – quilo caloria por quilograma

kg/h – quilograma por hora

kg/m³ – quilograma por metro cúbico

kgf/cm² – quilograma força por centímetro quadrado

kJ/kg – quilo joules por quilogramas

m² – metro quadrado

m³/d – metro cúbico por dia

m³/h – metro cúbico por hora

N2 – Nitrogênio

R$/m³ - real por metro cúbico

R$/m²/ano – real por metro quadrado por ano

R$/US$ – real por dólar

R$/€ – real por euro

ton/h – toneladas por hora

US$/m² – dólares por metros quadrados

W/m² – Watts por metro quadrado

Wh/m² – Watts hora por metro quadrado

€/m²/ano – euro por metro quadrado por ano

°C – grau Celsius

% – porcentagem


13 Anderson Ferreira da Silva

a

1 INTRODUÇÃO

De acordo com o Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis – IBP, os

combustíveis fósseis juntos compõem cerca de 80% da energia primária mundial, então o

petróleo ainda possui um papel muito importante na oferta mundial de energia, e esse cenário

irá continuar por um bom tempo.

Segundo a Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis – ANP, em

2017, as reservas de petróleo encontradas no mundo atingiram 1,7 trilhões de barris de petróleo.

No Brasil o volume das reservas é de 12,8 bilhões de barris e ocupando a 10ª posição no ranking

de países produtores de petróleo totalizando no ano de 2017 e uma produção de 2,7 milhões de

barris/dia.

A busca pelo petróleo ainda é uma prioridade para a sociedade moderna, entretanto, em

algum momento esse cenário irá mudar. A indústria de óleo e gás vê isso, e está implementando

o uso das energias renováveis em seus processos. O uso de tecnologias, tais como a energia

provinda dos ventos ou a energia oriunda do sol, são de excelente aplicabilidade, pois são

energias praticamente inesgotáveis.

A produção de petróleo demanda de alguma fonte de energia para que todos os processos

de explotação ocorram. Os reservatórios de petróleo possuem essa energia, porém em muitos,

casos com o tempo, essa energia é esgotada e é necessário aplicar uma energia suplementar.

Muitos reservatórios de petróleo encontram-se em declínio produtivo, principalmente campos

petrolíferos on-shore. São os chamados campos maduros, que são campos de petróleo que estão

em produção há mais de 25 anos. Estes campos produzem uma quantidade muito baixa de

hidrocarbonetos, por esse motivo a indústria busca meios de aumentar a produção.

Na maioria das vezes, os métodos aplicados nestes reservatórios de óleo pesado que

apresentam baixa produção são os métodos térmicos de recuperação, que buscam elevar a

temperatura do óleo, reduzindo sua viscosidade e ajudando no seu deslocamento. O método de

recuperação suplementar térmico é o processo que mais se destaca nos campos de petróleo

maduros. Entre os vários métodos térmicos de recuperação existentes, destaca-se a utilização

da injeção cíclica de vapor e a injeção contínua de vapor.

A injeção de vapor cíclica consiste de três estágios, o primeiro trata-se de uma injeção

por um período pré-estabelecido. O segundo estágio é caracterizado pelo fechamento do poço



a

para que o calor seja espalhado pela formação. O terceiro estágio consiste na mudança de um

poço injetor para produtor e então inicia-se a produção (THOMAS, 2008).

Na injeção continua, diferentemente da injeção cíclica, a injeção ocorre em diferentes

poços de forma contínua, assim formando uma zona de vapor que se expande pela formação,

causando a diminuição da viscosidade do óleo (ROSA, 2006).

O processo de injeção de vapor, bem como, para qualquer processo industrial é

necessário a aplicação de uma fonte energética para que o processo ocorra, nesse caso, a energia

empregue é a térmica. O calor gerado pelas caldeiras, que são alimentadas por algum

combustível que sofre combustão, gera calor ao sistema, assim, gerando o vapor. Para melhorar

esse processo de geração de vapor, o aproveitamento de uma fonte energética renovável,

apresenta uma enorme viabilidade técnica ao processo.

O interesse por renovação e fontes alternativas de energia trouxe um impulso para a

comunidade cientifica, a qual vem sendo explorada para desenvolver novas formas de melhor

aproveitamento dessas fontes energéticas, buscando a redução de impactos ambientais e a

menor dependência mundial de fontes energéticas não-renováveis (DUPONT et al., 2015).

Dessa forma, este trabalho foi desenvolvido visando reduzir o consumo de um gerador

de vapor, aplicando a tecnologia de coletores solares e buscando diminuir os custos desse

gerador de vapor.

Para tanto, foram estudados modelos de coletores solares concentrados, para ver a sua

aplicabilidade nesse sistema de injeção de vapor. Foram realizadas seis análises financeiras,

para seis situações, cada uma com uma configuração de temperatura de entrada e saída do

coletor solar específica, e também diferentes temperaturas de entrada para a caldeira.

Este trabalho foi estruturado em cinco capítulos. O capítulo 1 refere-se a uma breve

introdução sobre o tema do trabalho. No capítulo 2, foi feita uma revisão bibliográfica de

publicações referentes a engenharia de petróleo, à geração de vapor, à energia solar, a coletores

solares e análise financeira, sendo apresentados diversos aspectos teóricos necessários para o

bom entendimento deste trabalho. O capítulo 3 aborda os materiais e métodos utilizados para a

obtenção dos resultados. O capítulo 4 aponta os resultados obtidos a partir de cálculos de

consumo de combustível do gerador de vapor e análise financeira de projeto, promovendo uma

análise e discussão desses resultados. O capítulo 5 apresenta as conclusões obtidas a partir dos

resultados e as recomendações para a futura continuação deste trabalho.



a

2 ASPECTOS TEÓRICOS

Nesse capítulo, serão tratadas as fundamentações teóricas utilizadas neste trabalho de

conclusão de curso, com o intuito de explicar todos os conceitos presentes.

2.1 A importância do petróleo

De acordo com a ANP, o consumo de petróleo no ano de 2017, teve um incremento de

2,7%, em relação à média de crescimento nos últimos 10 anos, ou seja, a demanda por

combustível fóssil ainda é uma realidade para o mundo.

O petróleo é definido do ponto de vista físico-químico como uma combinação de

carbonos e hidrogênios, denominado hidrocarboneto, de origem orgânica, que podem ser

encontrados nas três fases de estado, líquida, sólida ou gasosa, que vem a depender da pressão

e temperatura em que se encontram. A formação do petróleo se dá em condições bem

específicas, são uma sequência de eventos onde a matéria orgânica acumula-se sob pressões de

sedimentos que são aglutinados em uma depressão presente no relevo, chamada bacia

sedimentar, durante milhões de anos.

O petróleo é encontrado em várias regiões do planeta com diferentes características. As

formas de extrair esse recurso possuem custos elevados, fazendo com que a indústria busque

meios de melhorar a produção dos campos maduros, que apresentam um óleo mais pesado.

Onde o grande desafio é explota-los de forma eficiente apresentando um custo economicamente

viável.

2.2 Métodos de recuperação de petróleo

O petróleo acumulado na bacia sedimentar não é totalmente retirado, para mudar esse

paradigma existem métodos que buscam impulsionar ao máximo a produção. Os métodos

convencionais de recuperação são divididos em três métodos: recuperação primária,

recuperação secundária e os métodos convencionais e especiais de recuperação avançada.

Para que sejam produzidos os hidrocarbonetos presentes na rocha-reservatório, é

necessária uma energia natural do próprio reservatório, chamado processo de recuperação

primária. Esse processo possui três mecanismos são eles: gás em solução, capa de gás e influxo

de água (ROSA, 2006).



a

A energia primária vai diminuindo com o processo de produção, consequentemente a

própria produção de fluidos também sofre decréscimo. Essa perda de energia é causada pela

queda de pressão que ocorre no reservatório e causada também pelas forças capilares e viscosas

do fluido. Para compensar essa perda de energia, inicia-se a recuperação secundária. A

recuperação secundária tem a função de realizar a suplementação das pressões do reservatório

de forma artificial, e seus objetivos são o aumento da eficiência de recuperação e um aumento

da produção (ROSA, 2006).

O processo de EOR (Enhanced Oil Recovery) ou método especial de recuperação

avançada, tem a função de retirar o óleo imóvel, ou seja, é o óleo que não foi produzido pelos

outros dois métodos, pois, se trata de um óleo que não pode ser produzido por forças viscosas

e/ou capilares (AL-MUTAIRI E KOKAL, 2011). O processo de EOR pode ser dividido em três

categorias: química, deslocamento miscível e térmica (SHEPHERD, 2009).

A Figura 2-1 mostra os processos de recuperação primário, secundário e o EOR.

Figura 2-1 – Processo de Recuperação de Petróleo

Fonte: Adaptado do STOSUR, 2003.



a

2.2.1 Métodos térmicos

Os métodos térmicos são aplicados em reservatórios que se deseja diminuir a

viscosidade do óleo, ou seja, são aplicados em reservatórios que apresentam óleo pesado. Com

a aplicação destes métodos, a razão de mobilidade diminui, assim como a tensão superficial,

pois existe um incremento da temperatura no reservatório. Por causa desses fatores a

permeabilidade do óleo aumenta, e consequentemente o deslocamento do óleo em direção aos

poços produtores também é aumentada. (SINO, 2013).

Em campos maduros, normalmente são aplicados os métodos térmicos, pois nesses

campos a produção de óleo já está nos últimos anos de operação e o óleo imóvel não consegue

fluir naturalmente até os poços, precisando ser aquecido. Os principais métodos térmicos são o

de injeção cíclica de vapor e o de injeção contínua de vapor.

2.3 Injeção cíclica de vapor

A injeção cíclica de vapor ou processo de soaking trata-se de um método de injeção

periódica de vapor, que tem como principal função transferir calor para o reservatório numa

região próxima ao poço. Esse método tem a intenção de melhorar a mobilidade do óleo durante

a injeção e no período de soaking, que é o período em que o poço fica fechado por determinados

dias, logo a viscosidade do óleo também é influenciada. Após o período de injeção o poço é

fechado de 3 a 14 dias para que ocorra o soaking, durante esse tempo é esperado que o ocorra

a máxima transferência de calor para o reservatório. O range de recuperação da injeção cíclica

é de 5–25 % do total de óleo in place (ALIKHLALOV, 2011).

A Figura 2-2 a seguir mostra os três estágios que compõe basicamente a injeção cíclica

de vapor, são eles: período de injeção, período de soaking e período de produção.



a

Figura 2-2 – Processo de Injeção Cíclica de Vapor

Fonte: Adaptado de ALIKHLALOV, 2011.

2.4 Injeção contínua de vapor

Segundo Alikhlalov 2011, a injeção contínua de vapor é bem mais complicada se

comparado ao processo de injeção cíclica de vapor. Nesse método, no mínimo são usados dois

poços, um para injeção e outro para produção de óleo. O vapor injetado aquece a formação em

torno do poço e com o tempo forma-se uma zona de vapor e essa zona vai aumentado, e

consequentemente a saturação de óleo nessa região diminui. O óleo tem a sua viscosidade

diminuída e sua razão de mobilidade aumentada, então o óleo é movido para a região mais fria,

ou seja, a região onde se encontra o poço produtor.

A Figura 2-3 a seguir ilustra o processo de injeção contínua de vapor. Durante esse

processo o vapor injetado no reservatório sofre perdas de calor fazendo que esse vapor seja

condensado. Esse condensado de vapor também auxilia no deslocamento do petróleo dentro do

reservatório, empurrando o óleo, pois a água apresenta maior densidade se comparado ao óleo.



a

Figura 2-3 – Processo de Injeção Contínua de Vapor

Fonte: Adaptado de HONG, 1994.

2.5 Geração de vapor

As Caldeiras ou Geradores de Vapor geram energia térmica através da queima de

combustíveis que fornecem calor sensível à água até alcançar a temperatura de ebulição, mais

o calor latente que por fim muda o estado físico da água de liquida para gasosa (ROCCO, 2012)

A água é uma matéria prima bastante abundante no planeta e de baixo custo, por isso é

muito utilizada para a geração de energia. O vapor que seria a fase gasosa da água, é muito

emprega nas indústrias, pois possui alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume.

No século de 17 ocorreu as primeiras aplicações de vapor para a geração de energia no setor

industrial. Uma bomba de água que utilizava vapor como força motriz teve sua patente em 1698

e logo em seguida em 1711, foi desenvolvido a caldeira de Haycock, que também foi

desenvolvida para bombear água (BIZZO, 2003).

De acordo com Bizzo 2003, as caldeiras são classificadas em Caldeiras Flamotubulares

e Caldeiras Aquatubulares. As caldeiras flamotubulares possuem tubos por onde passam os

gases, ao redor destes tubos está a água a ser aquecida e evaporada. As caldeiras flamotubulares

são geralmente empregadas em pequenas unidades geradoras de vapor, apresenta uma vazão

mássica (de até 10 ton/h) e baixas pressões (até 10 kgf/cm²), chegando algumas vezes a 15 ou

20 kgf/cm².



a

A caldeira flamotubular apresenta rendimentos baixos de acordo com as normas da

American Society of Mechanical Engineers (ASME), a eficiência desse tipo de máquina térmica

não supera 78% em condições boas de limpeza (ELETROBRÁS, 2005). A Figura 2-4 ilustra o

princípio de funcionamento da caldeira flamotubular.

Figura 2-4 – Caldeira Flamotubular

Fonte: ELEKTRO, 2016.

As caldeiras aquatubulares, diferentemente das caldeiras flamotubulares, têm a queima

dos combustíveis que geram o calor para vaporizar a água fluindo externamente aos tubos, já a

água passa pelo interior destes tubos. Estes tipos de caldeiras apresentam uma maior capacidade

de produção de vapor por unidade de área de troca de calor (ELEKTRO, 2016). As pressões

atingidas podem atingir valores entre 90 e 100 bar, e um range de vazão mássica de 15 a 150

ton/h (BIZZO, 2003).

A ASME afirma que a eficiência de uma caldeira aquatubular é bem superior ao outro

modelo de caldeira, essa a eficiência está entre 80 % e 85 % (ELETROBRÁS, 2005). A Figura

2-5 a seguir ilustra o princípio de funcionamento da caldeira aquatubular.



a

Figura 2-5 – Caldeira Aquatubular

Fonte: ELEKTRO, 2016.

2.5.1 Consumo e quantidade de calor requerido da caldeira

O consumo de combustível de uma caldeira aquatubular pode ser calculada a partir da

Equação 2-1 de eficiência térmica pelo método direto:

𝜂 = �̇�𝑣∗(ℎ𝑣−ℎ𝑎)

�̇�𝑐∗𝑃𝐶 (2-1)

𝜂 – eficiência da caldeira

�̇�𝑣 – vazão mássica de vapor [kg/h]

�̇�𝑐 – vazão mássica de combustível [kg/h]

ℎ𝑣 – entalpia do vapor produzido [kJ/kg]

ℎ𝑎 – entalpia da água de entrada [kJ/kg]

𝑃𝐶 – Poder Calorifico Superior do combustível [kJ/kg]

Isolando a �̇�c, têm-se:

�̇�𝑐 = �̇�𝑣∗(ℎ𝑣−ℎ𝑎)

𝜂∗𝑃𝐶 (2-2)

2.6 Energia solar

A energia solar se trata de uma fonte energética praticamente inesgotável, diferente de

outras fontes, pois ela é proveniente da estrela mais próxima do planeta terra, o Sol. Nas últimas



a

décadas, a aplicação dessa fonte de energia se intensificou, principalmente em residências e

também teve sua aplicabilidade em industrias. A principal responsável pelo aumento da

participação da energia solar na matriz energética do mundo, foi a geração fotovoltaica

(ATLAS, 2017).

A quantidade de energia solar que atinge a terra assim como a duração do dia, dependem

do ciclo anual e do ciclo diário do globo terrestre respectivamente. A duração do dia é

relacionada as estações do ano, já o ciclo anual ocorre, pois, há uma inclinação de 23,45 graus

do eixo da Terra em relação ao plano equatorial, como é ilustrado na Figura 2-6 (ATLAS,

2017).

Figura 2-6 – Geometria Sol/Terra

Fonte: ATLAS, 2017.

A irradiância solar (W/m²) ou fluxo de radiação solar, possui as componentes direta, que

é a irradiância que não sofre interferências dos gases presentes na atmosfera, e a difusa, que

sofre absorção e espalhamento dos gases e partículas presentes na atmosfera. A integral da

irradiância no tempo é definida como irradiação solar (Wh/m²) (ATLAS, 2017).

Na Tabela 2-1 a seguir, são apresentadas as irradiações globais horizontais médias

mensais dos totais diários em cada região do Brasil.



a

Tabela 2-1 – Médias mensais de irradiação global horizontal em cada região do Brasil

Região

r

Viés

(Wh/m²)

Viés

(%)

REQM

(Wh/m²)

REQM

(%)

Irradiação Global

Horizontal Média

Observada

(Wh/m²)

Norte 0,81 30 0,6% 467 9,7% 4825

Nordeste 0,87 12 0,2% 456 8,3% 5483

Centro-Oeste 0,86 23 0,5% 421 8,3% 5082

Sudeste 0,91 4 0,1% 416 8,4% 4951

Sul 0,98 -4 -0,1% 395 8,9% 4444

Médio 0,89 12 0,2% 421 8,2% 5153

Fonte: Adaptado de ATLAS, 2017.

2.7 Energia heliotérmica

A energia heliotérmica ou energia solar térmica concentrada (Concentrated Solar Power

- CSP), é uma tecnologia de geração de energia limpa, ela funciona como uma usina

termelétrica, porém a fonte de energia é proveniente dos raios solares. O princípio básico é a

utilização da concentração dos raios solares diretos que aquecem um fluido (normalmente é

aplicado a água), logo após converte-o para a fase gasosa através do calor que fora gerado pelo

Sol e em seguida a energia térmica é transformada em energia mecânica movimentando turbinas

e gerando energia elétrica (LAMPKOWSKI, 2017).

Além disso, a energia heliotérmica pode ser aplicada em outras industrias, pois não

necessariamente o fluido que é aquecido deve ser aplicado para a geração de energia elétrica.

A indústria petrolífera é um exemplo, como foi explicado anteriormente nessa indústria ocorre

a injeção de vapor e/ou água quente em reservatórios de petróleo, e esse processo ocorre por

meio de geradores de vapor que utilizam combustíveis como fonte energética que acarreta na

geração de gases nocivos ao meio-ambiente.



a

2.8 Coletores solares

Coletores solares são essencialmente trocadores de calor, pois transferem o calor gerado

pela radiação oriunda do sol para um fluido. São divididos basicamente em coletor solar

concentrado e não-concentrado. O coletor concentrado possui regiões refletoras côncavas que

recebem a radiação solar e a concentram em uma área menor, já o coletor não-concentrado

possui mesma área para receber e absorver a radiação. Na Tabela 2-2, têm-se alguns tipos de

coletores solares que existem no mercado (TYAGI et al., 2012).

Tabela 2-2 – Tipos de Coletores

Movimento Tipo de Coletor Tipo de

Concentração

Taxa de

Concentração

Range de

Temperatura

(°C)

Estacionáro

Flat plate collector (FPC) Plano 1 30-80

Evacueted tube collector (ETC) Plano 1 50-200

Compound parabolic collector

(CPC) Tubular 1-5 60-20

Rastreador

de Um Eixo

Linear Fresnel reflector (LFR) Tubular 10-40 60-250

Parabolic trough collector (PTC) Tubular 15-45 60-300

Cylindrical through collector

(CTC) Tubular 10-50 60-300

Rastreador

de Dois

Eixos

Parabolic dish reflector (PDR) Pontual 100-1000 100-500

Parabolic dish reflector (PDR) Pontual 100-1500 150-2000

Fonte: Adaptado de TYAGI et al., 2012

2.8.1 Coletor solar concentrado

Os coletores de concentração solar são muito aplicados em processos de produção de

energia elétrica. A grande vantagem dos coletores concentrados é a capacidade de gerar

temperaturas muito altas, pois os raios solares são concentrados em uma única região, então a

energia é concentrada nesse ponto opticamente, e logo após esta energia é transferida para o

fluido (LAMPKOWSKI, 2017).



a

As seções seguintes apresentam alguns modelos de coletores solares concentrados.

Coletor cilíndrico parabólico (Parabolic trough collector - PTC)

Esse modelo de coletor é capaz de fornecer temperaturas altas e com uma eficiência boa,

a temperatura é em torno de 50 à 400 °C. Coletores cilíndricos parabólicos são formados por

materiais refletores em formato de parábola, um tubo receptor feito de metal preto, coberto por

outro tubo, porém esse é feito de vidro com a função de diminuir as perdas de calor para o

ambiente. Toda a radiação que atinge a parábola é refletida para este receptor, assim

transferindo calor para o fluido que circular através dele. Uma vantagem desse modelo de

coletor é a possibilidade de rastrear o sol, nos sentidos Norte-Sul ou Leste-Oeste

(KALOGIROU, 2014).

O receptor presente na calha parabólica é linear e seu tamanho depender das condições

de fabricação da calha e da área que será refletida do sol. O material que reveste a calha, além

de possuir uma boa reflexão também deve possuir alta absorção de radiação solar e baixa

emissão de radiação térmica (KALOGIROU, 2014). Uma representação da composição do

coletor cilíndrico é apresentada na Figura 2-7.

Figura 2-7 – Coletor Cilíndrico Parabólico

Fonte: Adaptado de TYAGI et al., 2012.



a

Refletor disco parabólico (Parabolic dish reflector – PDR)

O projeto do concentrador disco parabólico é esquematicamente desenvolvido para

direcionar a radiação solar que atinge o disco para um único ponto focalizado. A estrutura do

disco permite o rastreamento do sol em dois eixos, permitindo que o equipamento esteja

posicionado da melhor forma para obter a radiação solar (TYAGI et al., 2012). Uma

representação do coletor disco parabólico é apresentada na Figura 2-8.

Figura 2-8 – Coletor Disco Parabólico

Fonte: Adaptado de TYAGI et al., 2012.

O receptor presente no coletor absorve a radiação solar e a converte em energia térmica

por meio de um fluido, então essa energia térmica gerada pode ser aplicada para a geração de

energia elétrica. Os sistemas de coletores disco parabólicos são capazes de alcançar

temperaturas acima dos 1500 °C (KALOGIROU, 2014).

Torre de concentração (Central receiver system)

A torre de concentração solar, que também é conhecida por campo de heliostato, contém

vários espelhos levemente côncavos que direcionam a radiação solar para um único ponto, que

seria a o receptor instalado no topo da torre, como pode ser observado a seguir na Figura 2-9

(KALOGIROU, 2014).



a

Figura 2-9 – Torre de Concentração

Fonte: Adaptado de KALOGIROU, 2014.

Segundo Kalogirou (2014), o calor acumulado no receptor, assim como nos outros

modelos de coletores solares concentrados, é transferido para o fluido de transferência de calor,

e essa energia térmica pode ser transformada energia elétrica através de turbinas geradoras. Os

heliostatos possuem uma área superficial refletora variando entre 50 e 150 m².

Refletor linear Fresnel (Linear Fresnel reflector – LFR)

O concentrador linear do tipo Fresnel consiste basicamente de campo de espelhos,

receptores e sistema de rastreamento. A radiação solar direta é refletida pelos espelhos

montados paralelamente em direção a um receptor linear fixo (LIN et al., 2013). A Figura 2-10

ilustra a composição básica de um LFR.



a

Figura 2-10 – Refletor Linear de Fresnel

Fonte: Adaptado de LIN et al., 2013.

O LFR é bem semelhante ao coletor cilíndrico parabólico, porém os espelhos são planos

ou com uma pequena curvatura, que são grandes vantagens pois são espelhos mais baratos

quando comparado com o espelho cilíndrico parabólico. Essa tecnologia apresenta algumas

dificuldades em relação ao sombreamento e ao bloqueio que ocorrem pelos próprios refletores,

devido ao espaçamento entre cada refletor, e isto que causa diminuição na eficiência do coletor

(KALOGIROU, 2014).

2.9 Análise econômica de projetos

Na tomada de decisões de investimento, as análises de viabilidade econômica devem

ser realizadas com medidas e critérios que sejam avaliados cautelosamente, visando obter dados

consistentes sobre o retorno dos investimentos e os possíveis riscos a serem assumidos. Entre

os vários métodos existentes para identificar a geração de valor, os mais utilizados são o Valor

Presente Líquido (VPL), Payback simples, Payback descontado e Taxa Interna de Retorno

(TIR) (HOJI, 2014).



a

2.9.1 Valor presente líquido – VPL

Em uma análise de investimentos de projeto, o critério mais aplicado é o valor presente

líquido (VPL), o intuito dessa análise é quantificar o ganho financeiro que teria na realização

de um investimento a uma determinada taxa de juros.

O VPL determina em valores monetários do investimento, através da diferença entre o

valor presente na entrada do caixa e o valor presente na saída do caixa, a uma determinada taxa

de desconto (REBELATTO, 2004).

O valor presente líquido é determinado pela Equação 2-3 a seguir:

𝑉𝑃𝐿 = ∑𝐹𝑡

(1+𝑖)𝑡𝑛𝑡=0 − 𝐼0 (2-3)

Onde:

VPL – valor presente líquido descontado a uma taxa i [R$]

Ft = cada um dos diversos valores envolvidos no fluxo de caixa e que ocorrem em t. É

definido como a diferença entre a receita gerada e os dispêndios do período t [R$]

t – período genérico (t=0 a t=n), percorrendo todo fluxo de caixa [anos]

i – Taxa Mínima de Atratividade (TMA) ou ainda, neste caso, taxa de desconto [%]

𝐼0 – investimento inicial do projeto [R$]

n – número de períodos do fluxo [anos]



a

3 MATERIAS E MÉTODOS

O Capitulo 3 inicia-se apresentando as informações e parâmetros de um coletor genérico

de concentração solar linear tipo Fresnel. São apresentados os dados referentes ao sistema de

aquecimento solar e ao sistema de aquecimento gerado através da caldeira aquatubular, a serem

inseridos no sistema de geração de vapor em estudo. Os dados para os cálculos econômicos

também serão tratados nesse capitulo, incluindo o VPL.

3.1 Dados da injeção

Será realizado o dimensionamento do sistema de aquecimento por meio do coletor solar,

além de cálculos de consumo de combustível da caldeira aquatubular, comparando situações

diferentes onde ocorre uma variação de temperatura de entrada na caldeira. No processo de

geração de vapor, a temperatura inicial da água é de 30 °C e a temperatura final do vapor que

será injetado é de 288 °C.

3.2 Dados técnicos do coletor

Para uma melhor otimização do projeto, foi escolhido o modelo de coletor linear do tipo

Fresnel, pois esse apresenta boas vantagens, seja ela econômica ou técnica, e é bastante eficaz

para o seu propósito. O projeto foi definido em 6 sistemas diferentes, para cada sistema existe

uma configuração de temperatura diferente. A temperatura de saída do coletor varia de 40° à

90 °C, portanto, para cada uma das situações é incrementado uma temperatura de 10 °C

(TORRES, 2018).

Para esse projeto, o consumo de água considerado foi de 500 toneladas por dia, e

considerando uma eficiência de 0,8, a vazão mássica de vapor gerado e injetado será de 400 t/d.

O tempo útil de Sol é de 8 horas por dia, a massa total que passa pelo concentrador nesse

intervalo de tempo é de 133333 quilogramas e a vazão mássica será de 16666,7 kg/h (TORRES,

2018). Não foram considerados perdas de temperatura

A Tabela 3-1 apresenta as áreas determinadas nos estudos realizados por Torres, 2018.



a

Tabela 3-1 – Área dos Concentradores Lineares tipo Fresnel

SISTEMA ÁREA (m²)

1 471,27

2 942,53

3 1413,8

4 1885,07

5 2356,33

6 2827,6

Fonte: Adaptado de TORRES,2018.

3.3 Dados técnicos da caldeira

Os parâmetros apresentados a nessa seção foram utilizados para determinar o consumo

de combustível da caldeira nas condições especificas de cada situação, tendo como base a

aplicação desse projeto por um tempo total de 25 anos, baseando-se no tempo de vida de um

campo de petróleo. Em cada situação foi determinado a quantidade de combustível por hora,

esses gastos com combustível foram empregados nos cálculos de viabilidade econômica.

O combustível comumente utilizado no processo é o óleo diesel, com um poder calorifico

superior de 10954 kcal/kg (BIZZO, 2003). O diesel possui uma massa específica variando de

815 a 865 kg/m³, a massa específica do óleo diesel considerada para esse trabalho foi de 825

kg/m³ (PETROBRAS, 2014).

Durante às 16 horas restantes do dia, a temperatura de entrada da caldeira será de 30 °C,

portanto o consumo de combustível total da caldeira será a soma entre o consumo sem a

aplicação coletor LFR e o consumo com a aplicação do coletor LFR.

A eficiência de uma caldeira aquatubular varia de 80% a 85 %, para esse projeto

consideramos a eficiência de 85% (ELETROBRÁS, 2005).

A Tabela 3-2 a seguir resume todos os dados técnicos do gerador de vapor.



a

Tabela 3-2 – Dados importantes para o cálculo de consumo de combustível

PROPRIEDADE QUANTIDADE

Vazão mássica total de água 500 t/d

Vazão mássica total de vapor 400 t/d

Título do vapor 0,8

Eficiência da Caldeira 85%

Temperatura da entrada da caldeira (sem coletor) 30 °C

Vazão mássica de vapor 16666,667 kg/h

Massa específica do diesel 825 kg/m³

Poder calorífico do óleo diesel 10954 kcal/kg

Fonte: Autor, 2018.

As entalpias referentes às temperaturas de entrada e saída da caldeira aquatubular e

também referentes às temperaturas de entrada e saída do LFR, são apresentadas na Tabela 3-3:

Tabela 3-3 - Entalpia da Água para as temperaturas da Caldeira e do LFR

ENTALPIA (30 °C) 125,79 kJ/kg




ENTALPIA (70 °C) 293 kJ/kg



ENTALPIA (287,777 °C) 2769,35666 kJ/kg

Fonte: Adaptado de KEENAN et al., 1969.

3.4 Análise de viabilidade econômica

Baseando-se em parâmetros financeiros da caldeira aquatubular e do LFR, foi realizada

uma análise técnica e econômica dos sistemas, através disso, determinar a viabilidade

econômica para cada sistema.



a

Como premissa, foi avaliado o custo total das plantas solares de cada sistema. O custo

do coletor linear de Fresnel é de US$ 166,67/m² (NISHITH, 2014). Para toda a estimativa

econômica, foi considerado o US$ custando R$ 3,70 (INVESTING, 2018).

Tomando como base os custos com manutenções das plantas solares de CSP de torre de

concentração central que variam de 8 €/m²/ano até 25 €/m²/ano (LAMPKOWSKI, 2017). Foi

determinado um valor de 15 €/m²/ano para o LFR, com uma conversão considerando o €

custando R$ 4,2738 (INVESTING, 2018).

Após determinar estes valores, calculou-se as despesas referentes ao consumo realizado

pelo gerador de vapor, estes custos foram: o consumo do coletor sem o uso da energia

heliotérmica, o gasto com o combustível com a aplicação das plantas solares (soma entre o

consumo durante as 16 horas em que o coletor não se aplica e o consumo durante as 8 horas em

que ocorre o aproveitamento da energia solar). Através destes dados, foi possível determinar a

economia anual de óleo diesel.

Considerou-se um custo para a aquisição da área da planta solar para cada sistema, o

custo para a compra do terreno foi de 150 R$/m².

Todos os valores relevantes para os cálculos da estimativa econômica dos sistemas se

encontram na Tabela 3-4.

Tabela 3-4 - Tabela de Preços

DADOS VALORES

Preço do concentrador linear de Fresnel 166,67 US$/m²

Conversão Dólar/Real R$ 3,70

Custo do terreno 150 R$/m²

Preço do óleo diesel 3.445,40 R$/m³

Fonte: Autor, 2018.



a

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesse capitulo, serão apresentados os resultados do consumo de combustível e das

análises financeiras para cada uma das 6 situações.

Serão apresentados os consumos de óleo diesel, os valores em reais apresentados por

estes consumos de combustível e os resultados do VPL.

4.1 Consumo e custo do gerador de vapor sem a aplicação do LFR

Os gastos de diesel do gerador de vapor foram calculados utilizando um ΔT que variou

de 30 °C à 288 °C, a vazão mássica é de 16666,7 kg/h, valor que permanece o mesmo para

todas as análises desse trabalho. Então, através da Equação 2, a vazão mássica é determinada.

Têm-se:

�̇�𝑐𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 125,79)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = 1130,983208 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = 1,370889 𝑚³/ℎ

�̇�𝑐𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = 32,901330 𝑚³/𝑑

Logo, os valores gastos com a alimentação da caldeira durante um ano foi de:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = (32,901330 𝑚3

𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠

𝑚ê𝑠 𝑥 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 𝑥 3445,40

𝑅$

𝑚³ )

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙𝑠𝑒𝑚 𝐿𝐹𝑅 = 40.808.966,87 𝑅$/𝑎𝑛𝑜

4.2 Sistema 1

No primeiro sistema de geração de vapor para injeção em poços de petróleo, foi

utilizada uma planta de coletores solares concentrados lineares do tipo Fresnel com um

ΔT variando de 30 °C à 40 °C.



a

O consumo de combustível para o sistema 1 durante o período onde ocorre a incidência

solar é dado pela Equação 2. A entalpia do vapor à uma temperatura de 288 °C e a entalpia da

água à uma temperatura de 40 °C, são 2769,3567 kJ/kg e 167,56 kJ/kg, respectivamente.

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 167,57)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1113,108691 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,349223 𝑚³/ℎ

O consumo de óleo diesel durante as 16 horas em que não se aplica o coletor LFR no

processo, à temperatura de entrada na caldeira é de 30 °C, é de:

�̇�𝑐16ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 125,79)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐16ℎ = 1130,983208 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ

Portanto, o consumo total diário para o sistema 1 é determinado a seguir:

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,349223 𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + ( 1,370888

𝑚3

ℎ𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32,728001 𝑚3/𝑑

Esse consumo de combustível calculado na Equação 6 será aplicada para todos os outros

sistemas, pois, em todos eles a aplicação da energia heliotérmica se dá apenas durantes as 8

horas em que ocorre a insolação.

Com base no custo da aquisição da área para aplicação da planta solar contido na Tabela

3-4, o valor é determinado a seguir:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 150 𝑅$

𝑚2 𝑥 471,27 𝑚2



a

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 𝑅$ 70.689,88

Considerando os dados da Tabela 3-1, o valor do projeto da planta solar é determinado

a seguir:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 166,67 𝑈𝑆$

𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 471,27 𝑚2

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 𝑅$ 290.619,75

Valores gastos com a manutenção da planta solar foram determinados pela equação

abaixo:

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 64,107 𝑅$

𝑚²𝑎𝑛𝑜

𝑥 471,265843 𝑚2

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 30.211,44𝑅$

𝑎𝑛𝑜

O custo com a alimentação de combustível da caldeira durante um ano foi de:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = (32,728001 𝑚3

𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 1 = 𝑅$ 40.593.979,72

A Tabela 4-1 apresenta os resultados financeiros relacionados a este sistema. Inclui

todos os valores de custos anuais com a aplicação do coletor e sem a aplicação do coletor.



a

Tabela 4-1 – Economia financeira (Sistema 1)

COM O

COLETOR

CONSUMO TOTAL DE COMBUSTIVEL EM 1

ANO DE ATIVIDADE

11.782,08037 m³/ano

CUSTO ANUAL DO COMBUSTIVEL R$ 40.593.979,72

SEM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano


DIFERENÇA SEM COLETOR X COM COLETOR

(ECONOMIA ANUAL)

R$ 214.987,16

CUSTO DA AQUISIÇÃO DO TERRENO R$ 70.689,88

CUSTO DO COLETOR R$ 290.619,75

CUSTO DA MANUTENÇÃO ANUAL DA PLANTA SOLAR R$ 30.211,44

Fonte: Autor, 2018.

4.3 Sistema 2

No sistema 2 de geração de vapor, no qual foi considerado um ΔT do coletor solar

variando de 30 °C à 50 °C, possui o mesmo intervalo de tempo de insolação entre outros

parâmetros do sistema 1. O objetivo dessa configuração é diminuir o consumo de combustível

e consequentemente diminuir os gastos econômicos que o combustível gera, assim como é a

intenção dos próximos sistemas.

O consumo de óleo diesel para o sistema 2 foi determinado pela Equação 2-2.

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 209,33)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1095,242730 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,327567 𝑚³/ℎ

O consumo de óleo diesel durante às 16 horas em que não se aplica o coletor LFR no

processo possui uma temperatura de entrada na caldeira de 30 °C. A quantidade de combustível

durante esse período será a mesma do sistema 1.



a

Logo,

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ

Portanto, o consumo total diário para o sistema 2 é dado pela equação a seguir:

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,327567𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + (1,370888

𝑚³

ℎ 𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32,554755 𝑚3/𝑑

Com base no custo da aquisição da área para aplicação da planta solar contido na Tabela

3-4, esse valor é determinado a seguir:


𝑚2 𝑥 942,53 𝑚2


Considerando os dados da Tabela 3-1, custo da planta solar é determinado a seguir:


𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 942,53 𝑚2


Valores gastos com a manutenção da planta solar foi determinado pela equação abaixo:

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 2 = 64,107 𝑅$𝑚²

𝑎𝑛𝑜

𝑥 942,531686 𝑚2

𝑀𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 2 = 60.422,88 𝑅$

𝑎𝑛𝑜

Os valores gastos com a alimentação da caldeira durante um ano foi de:



a

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 2 = ( 32,554755 𝑚3

𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )





COM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11719,71193 m³/ano


SEM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano



(ECONOMIA ANUAL)

R$ 429.871,40



CUSTO ANUAL DA MANUTENÇÃO DA PLANTA SOLAR R$ 60.422,88

Fonte: Autor, 2018.

4.4 Sistema 3

No sistema 3 de geração de vapor, no qual foi considerado um ΔT variando de 30 °C à

60 °C, possui o mesmo intervalo de tempo de insolação que os outros sistemas.

O consumo de óleo diesel para o sistema 3 foi determinado através da Equação 2-2.

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 251,13)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1077,359656 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,305891 𝑚³/ℎ



a

A quantidade de combustível consumido durante o período de 16 horas em que não se

aplica o coletor LFR será a mesma do sistema 1 e sistema 2.

Logo,

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ

Portanto, o consumo total diário para o sistema 3 é calculado a seguir:

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,305891𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + (1,370888

𝑚³

ℎ 𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32,381344 𝑚3/𝑑

Com base no custo da aquisição da área para aplicação da planta solar para o sistema 3

contido na Tabela 3-4, esse valor é determinado a seguir:


𝑚2 𝑥 1413,8 𝑚2




𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 1413,8 𝑚2




𝑚²𝑎𝑛𝑜

𝑥 1413,797529 𝑚2


𝑎𝑛𝑜



a

Os valores gastos com a alimentação de combustível da caldeira durante o período de

um ano foi de:


𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )





COM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.657,28374 m³/ano


SEM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano



(ECONOMIA ANUAL)

R$ 644.961,47




Fonte: Autor, 2018.

4.5 Sistema 4

Para o sistema 4 de geração de vapor, o coletor LFR vai trabalhar com um ΔT variando

de 30 °C a 70 °C, a massa de água é a mesma para essa configuração, entre outros parâmetros

que também são os mesmos, como é para todos os seis sistemas.

O consumo de óleo diesel para o sistema 4 também foi determinado pela Equação 2-2.



a

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 292,98)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1059,455191 𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,284188 𝑚³/ℎ


processo possui a temperatura de entrada na caldeira de 30 °C. A quantidade de combustível

consumido durante esse período também será a mesma.

Logo,

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ


�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,284188𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + (1,370888

𝑚³

ℎ 𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32,207725 𝑚3/𝑑




𝑚2 𝑥 1885,07 𝑚2




𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 1885,07 𝑚2

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 4 = 𝑅$ 1.162.479,00



a



𝑚²𝑎𝑛𝑜

𝑥 1885,07 𝑚2


𝑎𝑛𝑜

O valor anual gasto com a alimentação da caldeira foi de:


𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )


A Tabela 4-4 a seguir apresenta os resultados financeiros relacionados a este sistema.

Inclui todos os valores de custos anuais com a aplicação do coletor e sem a aplicação do coletor.


COM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.594,780880 m³/ano


SEM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano



(ECONOMIA ANUAL)

R$ 860.308,82


CUSTO DO COLETOR R$ 1.162.479,00


Fonte: Autor, 2018.



a

4.6 Sistema 5


de 30 °C a 80 °C, os outros parâmetros permanecem os mesmos, como é para todos os seis

sistemas.

O consumo de óleo diesel para o sistema 5 foi calculado através da Equação 2-2.

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 334,91)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1041,516499 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,262444 𝑚³/ℎ


processo, possui a temperatura de entrada na caldeira de 30 °C. A quantidade de combustível

consumido durante esse período também será a mesma.

Logo,

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ


�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,262444𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + (1,370888

𝑚³

ℎ 𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32,033774 𝑚3/𝑑




𝑚2 𝑥 2356,33 𝑚2




a



𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 2356,33 𝑚2


Valores gastos com a manutenção da planta solar desse sistema LFR foi determinado

pela equação abaixo:


𝑚²𝑎𝑛𝑜

𝑥 2356,33 𝑚2


𝑎𝑛𝑜

O valor anual gasto com a alimentação de combustível da caldeira foi de:


𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )






a


COM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.532,15854 m³/ano


SEM O

COLETOR


ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano



(ECONOMIA ANUAL)

R$ 1.076.067,83




Fonte: Autor, 2018.

4.7 Sistema 6


de 30 °C a 90 °C, os outros parâmetros permanecem os mesmos, como é para todos os seis

sistemas.

O consumo de óleo diesel para o sistema 6 foi calculado através da Equação 2-2.

�̇�𝑐8ℎ = 16666,667 ∗ (2769,3567 − 376,92)

0,85 ∗ (10954

0,239006) → �̇�𝑐8ℎ = 1023,543582 𝑘𝑔/ℎ

�̇�𝑐8ℎ = 1,240659 𝑚³/ℎ


processo, possui a temperatura de entrada na caldeira de 30 °C. O consumo é o mesmo, assim

como foi em todos os sistemas anteriores.

Logo,

�̇�𝑐16ℎ = 1,370888 𝑚³/ℎ



a


�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1,240659 𝑚3

ℎ 𝑥

8ℎ

𝑑) + (1,370888

𝑚³

ℎ 𝑥

16ℎ

𝑑 )

�̇�𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 31,859491 𝑚3/𝑑




𝑚2 𝑥 2827,6 𝑚2




𝑚2 𝑥 3,70

𝑅$

𝑈𝑆$ 𝑥 2827,6 𝑚2


Valores gastos com a manutenção da planta solar desse sistema LFR foi determinado

pela equação abaixo:


𝑚²𝑎𝑛𝑜

𝑥 2827,6 𝑚2


𝑎𝑛𝑜

O valor anual gasto com a alimentação de combustível da caldeira foi de:



a


𝑑 𝑥 30

𝑑𝑖𝑎𝑠


𝑅$

𝑚³ )





COM O

COLETOR

CONSUMO TOTAL DE COMBUSTIVEL EM

1 ANO DE ATIVIDADE

11469,41672 m³/ano


SEM O

COLETOR

CONSUMO TOTAL DE COMBUSTIVEL EM

1 ANO DE ATIVIDADE

11.844,47869 m³/ano



(ECONOMIA ANUAL)

R$ 1.292.238,50




Fonte: Autor, 2018.

4.8 Determinação do VPL

Os parâmetros incluídos para a determinação do VPL, foram os dados de entrada e de

saída do caixa, tendo como gasto inicial o capital investido para a aplicação da planta de

coletores solares que ocorre no ano 0. A partir do segundo ano, iniciaram bons resultados

financeiros gerados pela implementação dos LFR no processo de geração de vapor.

A Figura 4-1 a seguir demonstra os resultados do VPL de todos os sistemas. Nota-se

que os valores do VPL dos dois primeiros anos de todos os sistemas foram negativos, pois,

trata-se dos custos de manutenção da planta solar e a aquisição do terreno.



a

Figura 4-1 – VPL de todos os sistemas

Fonte: Autor, 2018.

Observando-se as cursas do gráfico, percebe-se uma viabilidade econômica

independente do sistema a ser escolhido. Além de que, em todas as curvas mostraram a

viabilidade técnica da aplicação do LFR, tendo em vista que o gasto com o óleo diesel será

diminuído.

Realizando uma análise mais detalhada para as curvas dos dois extremos, que seria o

sistema 6 e o sistema 1, nota-se que o sistema 6 teve uma curva bastante acentuada, mostrando

que apesar de possuir um investimento inicial mais elevado, o retorno financeiro foi muito alto.

O sistema 1 apesar de apresentar uma curva VPL quase que linear, ainda assim, existe uma

economia financeira bastante significativa, e claro, uma economia de combustível considerável,

que implica na diminuição da emissão de gases poluentes a atmosfera.

(R$1.500.000,00)

(R$500.000,00)

R$500.000,00

R$1.500.000,00

R$2.500.000,00

R$3.500.000,00

R$4.500.000,00

R$5.500.000,00

R$6.500.000,00

R$7.500.000,00

R$8.500.000,00

0 5 10 15 20 25

VPL

PERÍODO (ANOS)

VALOR PRESENTE LÍQUIDO

Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4 Sistema 5 Sistema 6



a

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Neste capítulo, serão apresentadas as conclusões referentes aos resultados obtidos, bem

como recomendações para trabalhos futuros.

5.1 Conclusões

Essa pesquisa contribuiu para mostrar que a aplicação de energias renováveis em

processos de geração de vapor é uma ótima ferramenta para melhorar o processo de recuperação

de óleo em campos maduros, tanto economicamente como tecnicamente. Além de contribuir

para a diminuição de gases nocivos que são gerados pelas maquinas térmicas movidas a

combustíveis fósseis.

Em todos os modelos de sistemas apresentados nesse trabalho, pôde-se observar que a

aplicação da tecnologia heliotérmica, apesar de ainda ser uma tecnologia que em âmbito

nacional está em desenvolvimento, é muito importante para ajudar no incentivo de novos

estudos abrangendo essa tecnologia para indústrias globalmente consolidadas.

As metodologias utilizadas nesse trabalho foram primeiramente o estudo da geração de

vapor através de parâmetros semelhantes aos aplicados nos casos reais, tendo em vista

relacionamento entre uma fonte energética renovável e a fonte energética oriunda da queima de

combustíveis fosseis. Dimensionando todo o consumo e fazendo o comparativo entre sistemas

diferentes, com temperaturas de entrada e saída distintas.

O valor presente líquido dos seis sistemas foram diretamente proporcionais as áreas dos

coletores, portanto, quanto maior foi o gradiente de temperatura que buscou atingir para o LFR,

maior foi a área do coletor, consequentemente maior foi o investimento inicial, em contra

partida, os valores economizados de combustível paras os sistema que tinham áreas maiores

foram bem significativos, mostrando que o projeto é um possível bom investimento para se

aplicar na geração de vapor para injeção em reservatórios de petróleo.

5.2 Recomendações

Recomenda-se um estudo mais aprofundado da viabilidade técnica e econômica para

projetos de geração de vapor utilizando tecnologia heliotérmica, baseando os estudos em casos

reais de plantas de injeção de vapor em campos maduros de petróleo. Levantando dados in loco

do consumo das caldeiras, os volumes de vapor injetados, perdas de eficiência da caldeira,



a

perdas de calor para o reservatório, e assim, ter um embasamento melhor para a realização do

estudo.

Indica-se um estudo para a injeção de água quente utilizando apenas o coletor solar,

criando um comparativo entre a tecnologia aplicada atualmente com a energia heliotérmica.

Sugere-se um estudo de aplicabilidade de coletores solares para a geração de energia

elétrica em instalações da indústria petrolífera.



a

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SI

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