UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO
ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE AEROGERADORES
APLICADO A MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL
Yago de Lima Galdino
Yago de Lima Galdino
ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE AEROGERADORES
APLICADO A MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL
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.
Orientadora: Prof.ª Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
Dezembro, 2018 NATAL, RN
GALDINO, Yago de Lima. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos de elevação artificial. 2018. 52 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2018.
Palavras-Chaves: BCS, BCP, Gás Lift, Energias Renováveis, Energia Eólica.
Orientadora: Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli.
RESUMO
___________________________________________________________________________
A energia eólica é uma alternativa bastante promissora para suprimento de energia no setor petrolífero, em especial para os métodos de elevação artificial. Por ser uma energia de fonte inesgotável, limpa, autossuficiente e que diminui a liberação dos gases contribuintes para o efeito estufa, favorece a sua participação na indústria de petróleo, proporcionando uma viabilidade econômica dos projetos, aliado com a disponibilidade dos recursos naturais. O sistema de energia eólica tem a finalidade de transformar a energia cinética provinda do vento em energia mecânica, a qual é convertida em energia elétrica para alimentar o destino final. Nesse trabalho de conclusão de curso, a potência elétrica utilizada em sistemas de elevação artificial é determinada para poços exemplo operados por BCS, BCP e Gás Lift, no intuito de dimensionar sistemas de geradores eólicos, que possam gerar energia necessária para abastecer os sistemas de elevação, visando utilizar um método alternativo para o fornecimento de energia, de modo eficiente e ambientalmente sustentável. Para o estudo, utilizou-se um parque eólico modelo, para fornecer energia elétrica a um determinado número de poços produtores de petróleo. Os resultados obtidos da geração de um aerogerador foram o abastecimento energeticamente de seis poços equipados com BCS, 53 equipados com BCP e 10 equipados com Gás Lift. O mês de menor geração de energia teve os seguintes resultados: BCS 2 poços, BCP 19 poços e Gás Lift 3 poços.
GALDINO, Y. L. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos de elevação artificial. 2018. 52 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2018.
Keywords: ESP, PCP, Gas Lift, Renewable Energy, Wind Energy.
Tutor: Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli.
ABSTRACT
__________________________________________________________________________
Wind energy is a very promising alternative to supply energetically the oil industry, especially artificial oil lift methods. For being an endless resource, clean, self-sufficient and for reducing the emission of greenhouse gases, its participation in oil industry is favored, affording economic feasibility for projects allied with sustainability. A wind energy system has the purpose of transforming kinetics energy provided by the wind into mechanical energy, which is converted into electric energy used to feed the final destination. In this undergrad final work, the electrical power used by artificial oil lift systems is determined for oil wells operating by ESP, PCP and gas lift, aiming the dimensioning of a wind energy power plant, capable of generating enough power to feed the oil lifting, in an efficient and sustainable way. For the study, a model power plant was used, to provide electrical energy to a determined number of producing oil wells. The results obtained for an wind turbine power generation was the supplying of 6 oil wells operating by ESP, 53 equipped with PCP and 10 for gas lift. For the month with the lowest power generation the results were the following: ESP 2 oil wells, PCP 19 oil wells and gas lift 3 oil wells.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus e a Nossa Senhora do Perpétuo Socorro por ter me guiado e abençoado nessa caminhada árdua, me dando força para que eu nunca desistisse dos meus objetivos.
Aos meus pais e irmã, que sempre acreditaram no meu potencial, me incentivando, me dando amor e proporcionando essa conquista.
À minha namorada, por sempre estar do meu lado ao logo dessa caminhada, com sua compreensão e paciência em todos os momentos.
A todos os familiares que com alguns gestos, sempre estiveram presentes ao decorrer dos anos da graduação.
Aos amigos que fiz durante a graduação, pelo companheirismo durante esses anos, fosse nas horas boas ou ruins.
À Brent Engenharia Júnior, que me proporcionou diversas oportunidades de crescimento e ensinamento.
À minha orientadora Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli, pela confiança, orientação e disponibilidade, me proporcionando aprendizados para o meu crescimento profissional.
A todos os professores do departamento de Engenharia de Petróleo, por todo o conhecimento compartilhado nas mais diversas aéreas.
Ao Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT) que me acolheu e proporcionou todo o suporte necessário para o desenvolvimento das pesquisas de Iniciação Cientifica, e no meu trabalho de conclusão de curso.
Sumário
INTRODUÇÃO 12 Objetivos 13 Objetivos Específicos 14 ASPECTOS TEÓRICOS 15 Elevação do Petróleo 15 Elevação Natural 15 Elevação Artificial 16 BCS 17 BCP 20 Gás Lift 21 Energias Renováveis 24 Energia Eólica 26 Aerogeradores 31 Componentes do Aerogerador 32 MATERIAIS E MÉTODOS 34 Metodologia do Trabalho 34Cálculo das Potências 35
Geração Média de Energia Eólica 38
RESULTADOS E DISCUSSÕES 44
Dimensionamento dos Poços 44
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 47
Recomendações 48
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Poço surgente. ... 16
Figura 2 - Principais métodos de elevação artificial... 17
Figura 3 - Poço com sistema BCS. ... 18
Figura 4 - Sistema de produção por BCP. ... 21
Figura 5 - Exemplo Gás Lift Continuo. ... 22
Figura 6 - Exemplo Gás Lift Intermitente. ... 23
Figura 7 - Fontes renováveis. ... 24
Figura 8 - Mapa das regiões de maior potencial energético eólico. ... 25
Figura 9 - Capacidade eólica instalada no mundo. ... 26
Figura 10 - Países com maior produção. ... 27
Figura 11 - Evolução da capacidade instalada... 28
Figura 12 - Geração de energia eólica estados Brasileiros 2017-2018. ... 29
Figura 13 - Potencial elétrico do RN. ... 30
Figura 14 - Modelo de eixo vertical. ... 31
Figura 15 - Modelo horizontal. ... 32
Figura 16 - Componentes do aerogerador. ... 33
Figura 17 – Esquema para o desenvolvimento do trabalho. ... 35
Figura 18 - Esquema para os cálculos do consumo mensal. ... 36
Figura 19 - Modelo usado para estudo. ... 39
Figura 20 - Curva de potência. ... 39
Figura 21 - Cálculos da geração média. ... 40
Figura 22 - Comparação entre o aerogerador e o parque da média dos 12 meses. ... 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 3. 1 - Potência de cada método. ... 36
Tabela 3. 2 - Dados dos métodos de elevação. ... 38
Tabela 3. 3 – Dados 12 meses. ... 40
Tabela 3. 4 - Dados abril 2018. ... 40
Tabela 3. 5 - Geração média de energia eólica 12 meses. ... 42
Tabela 3. 6 - Geração média de energia eólica mês de abril 2018. ... 43
LISTA DE ABREVIATURAS E/OU SÍMBOLOS E/OU SIGLAS BCS – Bombeio Centrífugo Submerso
BCP – Bombeio por Cavidades Progressivas BM – Bombeio Mecânico
GLC – Gás Lift Continuo GLI – Gás Lift Intermitente RGL`S – Razão Gás/Líquido IP – Índice de Produtividade
ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico RPM – Rotações por minuto
C° - Graus Celsius kV – Quilovolt V – Volt HZ – Hertz kW – Quilowatt GW – Gigawatt MW – Megawatt M – Metros Km – Quilômetro HP – Horse-power h – Horas
m/s – Metros por segundos m³/dia – Metros cúbicos por dia
Kgf/cm² - Quilograma-força por centímetro quadrado kWh/dia – Quilowatt hora por dia
kWh/mês – Quilowatt hora por mês MWh/mês – Megawatt hora por mês MWh/ano - Megawatt hora por ano MW med – Megawatt med
Cdiário – Consumo diário
Tconsumo - Tempo de funcionamento do motor Tdias - Dias de funcionamento do motor
Pmotor - Potência do motor Gm - Geração Média Pn - Potência Nominal
FCV – Fator de capacidade verificada
INTRODUÇÃO
Segundo THOMAS 2001, uma das fontes de energia mais utilizadas no nosso planeta é a derivada do petróleo, originada de matéria orgânica de animais e plantas, que foram depositadas há milhares de anos em ambientes aquáticos, como fundos de oceanos e lagos, decorrentes da separação dos continentes ou por crateras. As camadas mais antigas, com os acúmulos das matérias orgânicas, foram soterradas gradativamente pelas mais novas e compactadas pelo peso das camadas superiores. Através de reações químicas realizadas no interior dessas formações, com condições ideais de pressão e temperatura, apenas as moléculas formadas a partir do carbono e do hidrogênio passaram a existir, formando, assim, o querogênio. O querogênio é um dos responsáveis por gerar os hidrocarbonetos líquidos e gasosos que compõe a rocha geradora. Esses hidrocarbonetos formados, migram através de falhas que atravessam as rochas até encontrar uma formação denominada de rocha capeadora ou selos, que são impermeáveis e impedem a migração do fluido até a superfície. Esse fluido fica preso em um espaço chamado de rocha reservatório, que é impermeável, sendo o local que o petróleo fica depositado (THOMAS, 2001).
Existem diferentes situações de poços de petróleo, aqueles que são surgentes, ou seja, têm pressão suficiente para elevar o fluido até a superfície; e os que não são surgentes, que necessitam de meios artificiais para produção do mesmo. Com o passar do tempo, a pressão dos surgentes vai decaindo naturalmente. Uma solução empregada para os dois casos, é a utilização de métodos de elevação artificial.
O Bombeio Centrifugo Submerso (BCS) é um dos meios de elevação artificial mais utilizados. Destaca-se no ambiente de produção de petróleo por apresentar altas taxas de elevação de fluido, comparado com os outros métodos de elevação. O funcionamento da bomba de fundo que compõe o sistema de elevação por BCS se dá através de um motor elétrico que transforma energia cinética em pressão para o deslocamento ascendente do fluido. Esse método pode ser utilizado tanto em ambientes onshore, quanto em offshore.
O Bombeio por Cavidade Progressivas (BCP) é mais um dos métodos utilizados na elevação artificial de petróleo, sendo um dos mais empregados em quantidade de poços no Brasil. Sua utilização é mais indicada na produção de óleos viscosos, em ambientes muitos corrosivos ou com produção de areia.
O método de elevação artificial por Gás Lift é caracterizado pela injeção de gás em determinado ponto da coluna de produção em forma contínua ou intermitente, gaseificando a coluna e tornando o fluido menos denso. É bastante utilizado por ser altamente confiável e de baixo custo comparado aos outros métodos, apresentando tolerância à presença de areia e de outros sólidos.
O processo de sustentabilidade vem se intensificando em âmbito mundial, visando suprir as necessidades atuais dos seres humanos, sem comprometer o futuro das próximas gerações. Um dos mecanismos usados para a intensificação desse processo são as energias renováveis, utilizando-as de forma inteligente, provocando, assim, menos ou nenhum impacto ambiental e mantendo a integração das questões sociais, energéticas, econômicas e ambientais.
Visando à geração de uma energia limpa, renovável, com menos impactos ambientais, a energia eólica e a fotovoltaica são empregadas em alguns casos como a solução energética que tem menos impactos ambientais. Uma vez que a eólica gera energia proveniente dos ventos, e a fotovoltaica através da captação dos raios solares.
A energia eólica destaca-se, no conjunto das energias renováveis, por ser uma das mais empregadas. Consiste na captura da energia cinética contida nas massas de ar, para converte-las em energia mecânica e, em seguida, em energia elétrica. Os sistemas eólicos podem ser classificados em offgrid, sem ligação com a rede elétrica e sim ligados a um banco de baterias; ou ongrid, quando ligados diretamente a um sistema de rede elétrica, no qual irão gerar créditos para que possam ser consumidos.
Nestas circunstâncias, no capítulo 2 serão apresentados os aspectos teóricos deste trabalho, como alguns métodos de elevação artificial e energias renováveis. No capítulo 3, materiais e métodos que serão calculados o consumo energético mensal de cada sistema produção e a geração de energia do parque eólico escolhido. No capítulo 4 os resultados obtidos, como a quantidade de poços que pode ser abastecida por um aerogerador do parque estudado. Por fim, no capítulo 5 serão apresentados as conclusões e recomendações.
Objetivos
Avaliar as alternativas para utilização de energias renováveis em aplicações na indústria de petróleo, especificamente aplicações aos métodos de elevação operando por BCS, BCP e Gás Lift.
Objetivos Específicos
• Estudo sobre equipamentos elétricos típicos de sistemas de elevação por BCS, BCP e Gás Lift;
• Estudar a possibilidade de utilização de energia eólica para alimentação de poços equipados com sistemas operando por BCS, BCP e Gás Lift;
• Dimensionar sistemas de energia eólica para poços de petróleo operando por BCS, BCP e Gás Lift;
ASPECTOS TEÓRICOS
Neste capítulo, serão abordados aspectos teóricos da elevação artificial do petróleo, focando nos métodos de elevação por BCS, BCP e Gás Lift, como também sobre a geração de energia proveniente da eólica para o desenvolvimento do trabalho.
Elevação do Petróleo
Para que possa produzir o fluido contido nas rochas reservatório, é analisado o melhor local a ser perfurado e sua capacidade produtiva. Após a perfuração, é constatado se o poço possui energia e pressão suficiente para elevar o fluido produzido até a superfície em quantidades aceitáveis para o produtor.
Quando ocorre a produção do fluido presente no interior do reservatório até a superfície, por meio de sua própria pressão e energia interna, denomina-se elevação natural. Nesse caso, os poços são chamados de surgentes.
Em outras situações, quando o fluido não consegue chegar até superfície, ou quando a vazão produzida não é mais economicamente viável, meios artificiais são utilizados para que possa elevar o fluido do reservatório ou aumentar a vazão de produção para uma quantidade desejada. São chamados de métodos de elevação artificial e se denominam os poços de não surgentes.
Elevação Natural
A elevação natural é o processo no qual ao se perfurar um poço, o fluido presente no interior é elevado para superfície, através da pressão do reservatório. Essa pressão deverá ser suficiente para vencer todas as perdas de carga ao longo das linhas de fluxo até a superfície.
Os poços são chamados de surgentes, quando produzem unicamente através da energia do reservatório, entretanto com o passar do tempo de exploração e com sua produção acumulada, a pressão interna do reservatório vai declinando, tornando incapaz de elevar o fluido até a superfície.
Na Figura 1 pode ser observado um exemplo de como ocorre a produção por elevação natural do fluido.
Figura 1 - Poço surgente.
Fonte: THOMAS, 2001.
O principal fator que auxilia essa elevação é a própria pressão do poço, porém destaca-se também a importância dos outros fatores, entre eles: a propriedade dos fluidos; o índice de produtividade do poço; o mecanismo de produção, ou seja, gás em solução, capa de gás ou influxo de água; o dano causado à produção elaboradora durante a perfuração e/ou completação do poço; a aplicação de técnicas de estimulação (fraturamento, acidificação) e adequado isolamento das zonas de água e gás adjacentes à zona de óleo (OLIVEIRA, 2010).
Elevação Artificial
A elevação artificial consiste em tornar a produção do poço mais viável economicamente. É usada para aumentar a vazão de produção, quando a pressão do reservatório diminui, não existindo mais energia suficiente para elevar o fluido até a superfície; ou em casos de reservas depletadas, quando não existe pressão suficiente desde o início de sua vida produtiva.
Para que se possa escolher o método de elevação artificial adequado, é necessário o estudo das condições do poço e do reservatório. Através disso, obtemos informações como sua geometria, propriedades do fluido, profundidade do reservatório, razão óleo-gás, condições do poço, produção de areia, segurança e custos.
Atualmente, existem diversos métodos de elevação artificial. Os mais utilizados são o Bombeio Mecânico (BM), Bombeio por Cavidade Progressiva (BCP), Gás Lift Intermitente (GLI), Gás Lift Continuo (GLC) e Bombeio Centrifugo Submerso (BCP), como mostra a Figura 2.
Figura 2 - Principais métodos de elevação artificial.
Fonte: Adaptado de LEA NICKENS, 1999.
BCS
A bomba centrifuga submersa, utilizada na elevação de petróleo, foi inventada por Armais Arutunoff, que realizou seus primeiros experimentos no campo de Baku, próximo ao mar Cáspio nos anos de 1910 (TAKÁCS, 2009).
O método de elevação artificial por bombeio centrifugo submerso é um dos mais usados no planeta, pois trabalha com uma larga faixa de vazões, ideal para grandes produções de líquidos. É utilizado quando existe a necessidade de aumentar a produção do poço ou por motivos econômicos, quando a vazão produzida não é mais viável.
Esse método consiste na utilização de uma bomba centrifuga de múltiplos estágios, conectada a um motor elétrico de subsuperfície, localizado na extremidade inferior da coluna de produção. Este transforma a energia elétrica recebida por correntes alternadas trifásicas, através de cabos elétricos vindo da superfície, em energia mecânica.
Os equipamentos do BCS podem ser divididos em equipamentos de superfície e subsuperfície. Podemos citar quanto aos de superfície: quadro de comando; caixa de junção ou ventilação; cabeça de poço; cabos e transformador. Já os equipamentos de subsuperfície são: bomba centrífuga; separador de gás (caso haja); selo ou protetor e o motor, como apresentados na Figura 3.
Figura 3 - Poço com sistema BCS.
Fonte: Adaptado de TAKÁCS, 2009.
O sistema do BCS trabalha com tensões abaixo das fornecidas pela rede. O transformador é responsável para corrigir a tensão de 13,8 kV para aproximadamente 460 V. A energia chega no quadro de comando que agirá como um controlador do BCS. O quadro de
comando tem a função de monitorar e gravar os parâmetros operacionais. Ele pode ser equipado com a função de variador de velocidade que o auxilia a maximizar a eficiência do sistema e evitar problemas, aumentando, assim, a vida útil do motor. A energia será transferida do quadro de comando até o motor, através de cabos que passam pela caixa de ventilação. Esta tem um papel de fazer a conexão entre o cabo vindo do motor e o cabo da superfície. É necessário fazer essa ligação em um local especial devido aos gases que possam migrar da subsuperfície até o quadro de comando, gerando risco de explosões.
Segundo TAKÁCS (2009), o cabo elétrico trifásico deve ser dimensionado de forma que se gaste a menor quantidade possível de material, já que em alguns projetos, é o fator determinante para sua viabilidade. Nos projetos de dimensionamento de equipamento BCS, a folga (que para a passagem do cabo ao longo da coluna de produção), a pressão e temperatura internas do poço devem ser levadas em conta para a escolha do mesmo.
A bomba é o equipamento mais importante do sistema BCS. Essa bomba de subsuperfície será posicionada próximo à região dos canhoneados. É uma bomba de múltiplos estágios que, com alta rotação promovida pelo motor elétrico, irá gerar uma força centrífuga que elevará o fluido. Cada estágio tem a função de transformar energia cinética em energia potencial, aumentando a pressão até a pressão de descarga desejada. Existem diferentes modelos de diâmetros de bombas para os mais diversos tipos de situações. Sua escolha se dará conforme as características do poço, quantidade de gás, viscosidade do óleo, dentre outros parâmetros.
Abaixo da bomba é instalado o selo, que tem a finalidade de conter a expansão e contração do óleo dielétrico, presente no motor. Essa expansão e contração ocorre por conta da temperatura do motor e pode gerar contaminação com o contato do fluido do poço com o fluido dielétrico do motor, causando falhas no motor. Esse componente possui selos mecânicos para realizar o isolamento entre os fluidos.
Para evitar um mal funcionamento, ou até mesmo uma obstrução da bomba por bloqueio de gás, o separador deve ser instalado entre o selo e a bomba com a finalidade de extrair o gás da mistura. Com o separador de gás instalado, pode se extinguir ou reduzir problemas provenientes da presença de gás.
Localizado no fundo do sistema, o motor tem a finalidade de transmitir a energia para a rotação dos estágios da bomba, elevando o fluido. São projetados para operar em condições
severas, em que há presença de componentes químicos, areia, além de altas pressões e temperaturas.
Segundo NALIN, D. (2009), o motor transforma a energia vinda da superfície em rotação, gerando um torque aplicado em um eixo, realizando o movimento da bomba. O motor de indução trabalha com correntes alternadas e é resfriado pelos fluidos que circulam no exterior de seu perímetro. Os motores utilizados no BCS são trifásicos, giram na velocidade de 3500 rpm em sistemas de alimentação de 60Hz e tensões que variam de 230V a 7000V. Quando necessário, alteram a potência aumentando seu comprimento ou diâmetro.
BCP
O Bombeio por Cavidade Progressivas (BCP) é um dos vários métodos existentes de elevação artificial. Atualmente no Brasil, o BCP é o segundo método mais empregado em quantidade de poços, ficando atrás somente para o bombeio mecânico. O maior limitador para o uso desse método é seu elastômero que é sensível às propriedades do óleo e as temperaturas elevadas, limitado a temperaturas máximas de 100 C°. Outra limitação, é sua vazão, podendo chegar até 800 m3/dia, para diâmetros de bombas maiores. (MAITELLI, CARLA WILZA SOUZA DE PAULA. Elevação Artificial do Petróleo. 01 aug. 2017, 12 dec. 2017. 435 p. Notas de Aula).
Este método tem como característica a produção de óleos muito viscosos, ambientes muito corrosivos e/ou com produção de areia. Seu funcionamento se dá basicamente por duas peças, o estator e rotor. O estator é um tubo (de aço) que tem seu interior revestido por um elastômero. Na sua superfície interna, tem cavidades nas quais o rotor rotacionará (através de um motor na superfície), elevando o fluido, por meio do espaço formado entre o rotor e estator. O rotor é constituído por uma coluna de haste de aço revestido com cromo e tem um formato helicoidal como podemos observar na Figura 04. O motor elétrico produzirá rotação para o cabeçote o qual rotaciona a haste polida, primeiro elemento da coluna de hastes, que transmitirá toda a rotação pela bomba. Ao girar, a haste liberará vazão com o movimento axial das cavidades do rotor. Pode ser visto o modelo de funcionamento do sistema na Figura 4.
Figura 4 - Sistema de produção por BCP.
Fonte: Notas de Aula Elevação Artificial de Petróleo.
O sistema de BCP necessita de uma grande intervenção do operador para situações nas quais outros métodos de elevação já são automatizados. Estas situações podem ser de diversas naturezas: manutenção, ajuste de polia, ajuste o regime de operação e o registro das condições operacionais do poço. Com essas intervenções, o funcionamento da bomba tem que ser interrompido muito mais vezes se comparado a sistemas automatizados, além dos custos com o operador e o risco à sua segurança.
Gás Lift
O Gás Lift foi introduzido como método de elevação artificial por volta de 1864, na Pensilvânia, com a utilização de ar comprimido e posteriormente gás natural para a elevação de óleo (TAKÁCS, 2005). O Gás Lift é um dos meios de elevação artificial mais utilizados na produção de petróleo. Este fato se deve principalmente pelos seus altos índices de produção alcançados e por sua viabilidade econômica, já que se trata de um método relativamente barato e de fácil instalação. Necessita de menos manutenção, comparado aos outros meios de elevação
Progressiva (BCP) e até mesmo o Bombeio Mecânico (BM), sendo mais adequado e utilizado em ambientes offshore (TAKÁCS, 2005). O gás é injetado de forma contínua ou intermitente na seção inferior da coluna de produção, no qual gaseifica os fluidos produzidos, aumentando assim, a produção do poço.
No método de elevação artificial de Gás Lift Continuo (GLC), o gás é injetado no poço de forma controlada e contínua com o propósito de gaseificar o liquido presente, diminuindo sua densidade e reduzindo as perdas de pressão ao longo da coluna. Esse gás é comprimido na superfície, se desloca por meio de linhas de alta pressão e é injetado no poço através de válvulas de Gás Lift. A Figura 5 mostra um exemplo de como funciona.
Figura 5 - Exemplo Gás Lift Continuo.
Fonte: Adaptado de Gás Lift Design Guide, 1993.
Para controlar as pressões do gás injetado na coluna, existem os controladores de injeção de gás de superfície (choke) e de fundo (válvulas de Gás Lift), que atuam regulando as pressões na coluna através do fluxo de gás injetado, assim, conseguindo um certo controle da vazão de produção de líquidos.
Os principais equipamentos de superfície do GLC são: compressor, árvore de natal e a válvula de injeção choke. Já em relação aos de subsuperfície, se tem a válvula de descarga,
Madril de Gás Lift, coluna de produção, válvula operadora e obturador.
As principais vantagens da aplicação do GLC são: ideal para poços com elevada produção de sólidos; capaz de operar a elevadas profundidades e vazões; sua aplicação em poços direcionais não apresenta problemas; ideal para altas RGL´s, a produção de gás reduz a
necessidade de gás injetado; boa aplicação em ambientes off shore; possibilidade de monitoramento da pressão de fundo e obtenção de gradientes de pressão por meio de wireline (BROWN, 1982; CLEGG et al., 1993).
As principais desvantagens da aplicação do GLC são: requer a disponibilidade de gás para injeção; aplicação não recomendada em campos pequenos e/ou com poucos poços devido ao alto custo de compressores e linhas de injeção; possui baixa eficiência energética acarretando em elevados custos; não recomendado para a produção de baixas vazões de líquido; apresenta dificuldades em elevar emulsões e óleos viscosos; pode apresentar problemas de congelamento e formação de hidratos; gás deve ser adequadamente desidratado; apresenta problemas de segurança em casos com gás injetado a elevadas pressões; a realização de testes de poços é dificultada pela vazão de injeção de gás; necessidade de separação do gás injetado do óleo produzido na superfície acarretando na instalação de tanques e separadores (BROWN, 1982; CLEGG et al., 1993).
O método de elevação artificial por Gás Lift Intermitente (GLI) funciona através da injeção de gás de forma intermitente, abaixo do fluido presente no poço, de forma que a energia de expansão do gás desloque golfadas de líquidos à superfície. Assim, se repetindo em ciclos bem definidos, controlados por uma válvula controladora (moto valve), pode ser visto um exemplo na Figura 6 (TAKÁCS, 2005).
Figura 6 - Exemplo Gás Lift Intermitente.
Sua utilização é mais usual em poços que produzam vazões relativamente baixas (<32m³/d) ou com baixos índices de produtividade (IP). O liquido produzido pode ser calculado através do volume de cada golfada recuperada na superfície e do número de ciclos que podem ser executados por dia pelo sistema (TAKÁCS, 2005).
Energias Renováveis
Em âmbito mundial, a questão energética vem sendo constantemente discutida. Desde a década de 1970, quando houve o início da crise do petróleo, a produção de energia através de fontes renováveis ganha espaço. Além de ser uma fonte esgotável, a queima de combustíveis fósseis potencializa as mudanças climáticas, com aumento, por exemplo, do efeito estufa. Portanto, a busca de autossuficiência na geração de energia, assim como a ampliação da diversificação da matriz energética, tem sido um dos objetivos de vários países, inclusive o Brasil. Destacam-se, desse modo, as energias renováveis, que são praticamente inesgotáveis, além de gerar mínimos impactos ambientais.
Devido às altas taxas de luminosidade, à imensa biodiversidade e às proporções de seu território, o Brasil, e em especial a região do Nordeste, tem vantagens em relação aos outros países na diversidade da geração de energia, incluindo energias renováveis como a solar e a eólica, como também fontes alternativas como a utilização de biomassa na produção de combustíveis renováveis. Na Figura 7 podem ser observados alguns exemplos de energias renováveis, como a biomassa, eólica, fotovoltaica e hidroelétrica.
Figura 7 - Fontes renováveis.
Fonte: Blog Biomassa: <http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-que-e-tao-importante-falar-sobre-isso/>.
De acordo com O Greenpeace (2013), as energias renováveis são alternativas, a longo prazo, na substituição de combustíveis fósseis, reduzindo, assim, a dependências das usinas de grande porte, que geralmente encontram-se distantes do mercado consumidor. Visto isso, é necessário investimentos tanto em infraestrutura como em redes inteligentes e tecnologias de armazenamento e eficiência energética. Entretanto, é necessário, principalmente, planejamento público e comprometimento ambiental, que viabilize a utilização dessas promissoras fontes de energia.
A energia gerada pela força dos ventos faz parte da matriz energética nacional, desde 1992. Isso é ocasionado pelo clima Brasileiro, em especial, a região Nordeste, por possuir ventos excepcionais e razoavelmente constantes, proporcionando uma capacidade de geração de energia que se situa entre as melhores do mundo. Esse ambiente favorece os fortes investimentos das empresas de energia nessa tecnologia, a eólica, visando aproveitar a ótima qualidade dos ventos Brasileiros. Na Figura 8, pode ser observado o mapa das regiões de maior potencial para geração de energia eólica, nos tons de cores mais escuras mostra os lugares de velocidade média anual dos ventos entre 5,5 m/s e 7,5 m/s, nos quais são os mais propícios para uma maior geração de energia eólica.
Figura 8 - Mapa das regiões de maior potencial energético eólico.
Energia Eólica
O início da adaptação dos cata-ventos a fim de gerar energia tem data ao final do século XIX. Em 1888, o primeiro cata-vento foi erguido na cidade de Cleveland, Ohio. Esse cata-vento fornecia 12 kW em corrente contínua. Na época, utilizava-se essa energia para carregar baterias, principalmente para fornecer energia para 350 lâmpadas incandescentes da cidade (SHEFHERD apud Revista Ecoenergia, 2012, p. 16).
O uso tanto da água como do vento como forças motrizes já era sabidamente praticado em grandes civilizações antigas. Entretanto, foi na Segunda Guerra Mundial em que houve o aumento do desenvolvimento de aerogeradores tanto de porte médio quanto de grande porte.
Segundo dados da Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA), o líder da produção mundial de energia eólica é a Ásia, com a China produzindo quase um terço da produção mundial. O segundo lugar ficaria para o continente europeu. Na Figura 09, a seguir, é apresentado um gráfico que demostra a capacidade eólica instalada no mundo entre os anos de 2012 e 2017, em que se atingiu 540.000,00 MegaWatts instalados ao final de 2017. É observado a taxa percentual do crescimento em cada ano.
Figura 9 - Capacidade eólica instalada no mundo.
Fonte: Modificada-WWEA, 2017.
Segundo a WWEA, a taxa de crescimento da potência de energia eólica instalada ficou em torno de 13,82% ao ano, entre os anos de 2012 e 2017, sendo um acréscimo médio de 51,42 GW de potência eólica instalada por ano. Os avanços na tecnologia tanto dos materiais, como no porte das instalações e no estudo na região tem afetado positivamente o fator de capacidade, que faz avaliação do potencial eólico de uma determinada região.
Conforme a Associação Mundial de Energia Eólica, atualmente cinco países são responsáveis por 72% da capacidade eólica instalada. São eles China com 187,7 GW, Estados Unidos com 88,9 GW, Alemanha 56,1 GW, Índia 32,8 GW e Espanha com 23 GW. O Brasil vem ganhando destaque na América Latina por possuir o maior mercado de turbinas eólicas com 12,7 GW de potência instalada. Assim, alguns países vêm investindo nesse setor, para diversificar sua matriz energética e minimizar a dependência de combustíveis fósseis, melhorando, desse modo, o mercado brasileiro de turbinas eólicas.
O gráfico da Figura 10 mostra os países de maior capacidade eólica instalada no mundo e a posição do Brasil, no ano de 2017.
Figura 10 - Países com maior produção.
Fonte: Autor.
Os primeiros projetos de energia eólica a serem instalados no Brasil datam do ano de 1992, pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, com financiamento do Folkcenter (Instituto de Pesquisa Dinamarquês) em parceria com a companhia energética de Pernambuco – CELPE. Um aerogerador foi instalado no arquipélago de Fernando de Noronha, um modelo de 17 metros de diâmetro e com 23 metros de altura. Sua geração de energia correspondia a 10% da energia consumida em todo arquipélago naquele tempo, proporcionando uma economia de aproximadamente de 70.000 litros de óleo diesel por ano.
O Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL) foi responsável pelo primeiro grande estimulo ao desenvolvimento desse tipo de geração de energia no mercado Brasileiro,
publicando o Atlas do potencial eólico Brasileiro, em 2001. A partir disso, foi criado o Programa de Incentivo a Fontes Alternativas de Energia Elétrica - PROINFA em 2002, o qual é administrado pelo Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES), com intuito de aumentar a participação da energia elétrica produzida por empreendimentos de base de geração de energias renováveis, aumentando e diversificando as matrizes energéticas brasileiras. A linha de credito fornecida pelo BNDES financia até 70% do investimento, sendo excluído apenas os bens e serviços importados e as aquisições de terreno.
Através desses estímulos, com 353 projetos instalados, o Brasil passou de 22 megawatts (MW) no ano de 2004 para 8,12 Giga Watts (GW) de capacidade instalada até o mês de janeiro de 2016. De acordo com a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), o Brasil alcançou no mês de novembro de 2018 a marca de 14,34 GW de capacidade instalada em 568 parques eólicos e mais de 7000 aerogeradores em 12 estados. A Figura 11 (mostra a eolução da capacidade instalda de energia eólica no Brasil desde 2005 e sua projeção até 2024, na cor de verde o quanto foi instalado no decorrente ano e na cor azul o somatório com a quantidade instalada já existente. Os números referem-se aos novos empreendimentos em construção e em planejamento.
Figura 11 - Evolução da capacidade instalada.
Fonte: ABEEÓLICA, 2018.
Segundo a associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), que reúne empresas do setor, o Nordeste aparece à frente na capacidade de produção de energia eólica no Brasil
entre os estados, por ter os melhores índices de vento, sendo referência no Brasil. O Rio Grande do Norte destaca-se entre os estados brasileiros na produção de energias limpas.
Segundo a COSERN (2003), o estado situa-se numa zona de clima favorável, em que há o predomínio dos ventos alísios, que são ventos de grande constância. Há sazonalidade no regimento dos ventos no Rio Grande do Norte, com ventos mais intenso no final do inverno e primavera, e menos intenso no verão e outono. O Rio Grande do Norte apresenta-se, então, como um dos melhores ambientes de investimentos para a geração de energia eólica, sendo destaque nacional e internacional. A Figura 12 compara a geração média de alguns estados Brasileiros, onde mostra que o Rio Grande do Norte se destaca na maioria dos meses, entre outubro de 2017 a setembro de 2018.
Figura 12 - Geração de energia eólica estados Brasileiros 2017-2018.
Fonte: ONS, 2018.
Segundo o Centro de Estratégias de Recursos Naturais e Energia, quanto maior a altura, maior será o potencial de produção de energia eólica nas regiões que incidem os ventos, facilitando, desse modo, o processo de geração de energia descrito anteriormente. Tendo isso como base, o estado do Rio Grande do Norte possui um alto potencial energético devido sua localização geográfica. Na Figura 13 podemos observar o aumento do potencial elétrico do RN, à medida que se aumenta a altura de medição da média das correntes de vento. Foram medidas em 50, 75 e 100 metros.
Figura 13 - Potencial elétrico do RN.
Fonte: Adaptada COSERN.
A geração de energia eólica, de início, é devido à radiação solar na superfície. Assim, através do aquecimento não uniforme da superfície terrestre, maior nas zonas equatoriais e menor nas zonas polares, os ventos são gerados.
Um parque eólico pode ser dimensionado em um espaço terrestre ou marítimo, no qual se concentram vários aerogeradores, com a finalidade de transformar energia eólica em energia elétrica. É necessário o estudo de vários fatores para a instalação de um parque, como a velocidade média do vento, obtida através de características topográficas, rugosidade do terreno (que descreve o tipo de vegetação), estabilidade térmica vertical da atmosfera, impactos ambientais, condições de operação, entre outros.
Os parques ao serem montados, funciona com a incidência do vento nas pás do aerogerador que propulsionam o rotor. O rotor, ligado ao eixo principal, transforma a energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. Essa energia é transmitida para a caixa
multiplicadora, sendo aumentada em 1500 rpm a quantidade de rotações necessárias para o aerogerador. Essa energia gerada será enviada para o gerador elétrico, a qual será transformada em energia elétrica.
Aerogeradores
O sistema de geração eólico, também conhecido como aerogerador, é composto por dois modelos, os de eixo vertical e os de eixo horizontal. Os de eixo vertical, em geral, têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, tonando o projeto de dimensionamento mais barato, porém, menos eficiente. Os de eixo horizontal são mais utilizados na indústria pela sua viabilidade econômica, apesar de serem mais caros, são mais eficientes. Além disso, necessitam de uma menor manutenção, apresentam uma baixa produção de ruídos, melhor relação custo benefício e maior segurança. Na Figura 14, podemos observar o modelo de eixo vertical e na Figura 15 o modelo de eixo horizontal.
Figura 14 - Modelo de eixo vertical.
Figura 15 - Modelo horizontal.
Fonte: VESTAS: < https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65>.
Componentes do Aerogerador
Segundo a CRESESB, os componentes descritos na Figura 16 a seguir têm às seguintes finalidades: o rotor conecta-se com o eixo principal e é responsável por transformar a energia cinética proveniente dos ventos em energia mecânica de rotação. A nacele é a carcaça em que se encontra o multiplicador de velocidade, engrenagens, gerador, sistema de controle, anemômetro e motores para rotação. As pás têm a finalidade de receber a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica. A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, transmite a energia mecânica convertida até a carga. A caixa multiplicadora tem a finalidade de receber as rotações que as pás do aerogerador aplicam no rotor, de baixa velocidade, e multiplicá-las em uma quantidade de rotações necessárias para o gerador. O gerador converter a energia mecânica em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica. O controlador é responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade e controle de carga. A torre é responsável pela sustentação e posicionamento do rotor. Os anemômetros detectam a direção, intensidade e velocidade do vento
Figura 16 - Componentes do aerogerador.
Fonte: ANEEL: http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_4.htm .
Segundo a ANEEL, as turbinas podem ser classificadas em pequenas, quando geram energia inferior a 500 kW, médias quando possuem potência entre 500 e 1000 kW, e grandes quando são capazes de gerar mais de 1000 kW.
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capitulo, serão apresentadas as metodologias seguidas para obtenção dos resultados de um estudo de dimensionamento de um aerogerador e um parque eólico, objetivando, assim, suprir a demanda energética de três métodos de elevação artificial de petróleo: BCS, BCP e Gás Lift.
Com isso, iniciou-se o estudo do funcionamento de um parque eólico localizado no interior do Nordeste. A potência instalada, o fator de capacidade, a energia gerada, a quantidade de máquinas, sua distribuição de energia, entre outras características foram analisadas, a fim de conhecer o quanto se poderia gerar de energia para o estudo em questão. O parque escolhido como modelo para geração de energia eólica chama-se Laut I.
Para efetuar o dimensionamento, foi realizado o levantamento dos dados de cada método de elevação, sendo os campos localizados no interior do Nordeste Brasileiro. O dado principal colhido para as análises foi a potência utilizada por cada sistema de elevação. No caso do sistema BCS, no qual há uma bomba em funcionamento, foi analisado um sistema com potência de 108 HP. O método por BCP, possuindo um sistema de 12,5 HP de potência. Por último, para o método de Gás Lift, colheu-se dados de um exemplo de Elmer e Elmer (2016), o qual adota um valor de 62,4 HP para um compressor de 2 estágios. (ELMER E ELMER 2016).
Metodologia do Trabalho
A Figura 17 representa a metodologia para obter os resultados deste trabalho. De início, foram feitas as revisões bibliográficas, estudando o petróleo e alguns de seus métodos de elevação artificial, como também, o estudo das energias renováveis, em especial, a eólica. Em seguida, foram feitos os cálculos para verificar o consumo mensal de cada sistema de elevação estudado e, em seguida, a geração energética média de um parque eólico. Por fim, o dimensionamento do número de poços de acordo com a energia gerada por um aerogerador do parque estudado.
Figura 17 – Esquema para o desenvolvimento do trabalho.
Fonte: Autor, 2018.
Cálculo das Potências
Através dos dados das potências de cada método de elevação, mencionados anteriormente, serão calculados o seu consumo diário e o seu consumo mensal, considerando que funcionem 24 horas por dia e 30 dias por mês. Na Tabela 3.1, pode ser observada a potência em HP e em kW requerida para cada método de elevação.
Revisão
Bibliográfica
Petróleo
Méodos de
elevação artificial
BCS, BCP, Gás Lift
Cálculo do
consumo diário
Energias
Renováveis
Energia Eólica
Dimensionamento
do aerogerador
Geração Média de
Energia
Dimensionamento
dos números de
poços
Tabela 3. 1 - Potência de cada método.
Método Potência em HP Potência em kW
BCS 108 80,535
BCP 12,5 9,321
GÁS LIFT 62,4 46,531
A Figura 18 mostra a sequência dos cálculos para obter o consumo mensal de cada sistema de elevação citado, feitos nas Equações (1) e (2).
Figura 18 - Esquema para os cálculos do consumo mensal.
Fonte: Autor.
Para o consumo do sistema BCS:
Cdiário (𝑘𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎)= 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (1)
Cdiário (𝐾𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎)= 24 ∗ 80,535 = 1932,84 kWh/dia Onde:
𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜- Consumo diário (kWh/dia);
𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜- Tempo de funcionamento do motor (h/dia); Consumo Diário
Cdiário = tconsumo* Pmotor
Consumo Mensal
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟- Potência do motor (kW); 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 (2) 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 30 ∗ 1932,84 = 57985,2 kWh mês = 57,9852 𝑀𝑊ℎ 𝑚ê𝑠 Em que:
𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠- Dias de funcionamento do motor (dias/mês); 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙- Consumo energético mensal (kWh/mês).
Aplicando os dados do sistema BCP nas Equações (1) e (2):
Cdiário (𝐾𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎)= 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Cdiário (𝐾𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎)= 24 ∗ 9,321 = 223,7 kWh/dia 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 30 ∗ 223,7 = 6711 kWh mês = 6,711 𝑀𝑊ℎ 𝑚ê𝑠
Aplicando os dados do sistema Gás Lift nas Equações (1) e (2):
Cdiário (𝐾𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎)= 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Cdiário (𝐾𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎)= 24 ∗ 46,531 = 1116,74 kWh/dia 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh mês) = 30 ∗ 1116,74 = 33502,2 kWh mês = 33,5022 𝑀𝑊ℎ 𝑚ê𝑠
Na Tabela 3.2 estão elencados os dados de consumo mensal, em MegaWatts horas/mês, de cada método de elevação utilizado no presente estudo. Os dados presentes na tabela serão utilizados para o cálculo do dimensionamento da quantidade de poços.
Tabela 3. 2 - Dados dos métodos de elevação.
Método de Elevação Consumo Mensal (𝑀𝑊ℎ
𝑚ê𝑠)
BCS 57,9852
BCP 6,711
GÁS LIFT 33,5022
Com esses dados, pode-se determinar a quantidade de energia necessária para o funcionamento de cada poço estudado, considerando que o motor trabalhe 24 horas por dia, 30 dias por mês.
Geração Média de Energia Eólica
O parque eólico Laut I, localizado no interior do Rio Grande do Norte, foi precedido de um estudo sobre o potencial energético, o qual constatou um regime de ventos com velocidade de 8,5 m/s (média anual). Devido a esses índices, sua geração média de energia anual se comporta de maneira satisfatória para a geração prometida no início do projeto, atendendo, assim, às exigências da companhia elétrica, ONS. Em consequência disso, o parque eólico Laut I foi escolhido para o presente estudo. Ocupando uma área de 310 hectares, o parque apresenta uma capacidade de geração ou potência nominal de 51 MW (MegaWatts), contendo 31 aerogeradores modelo V82 da marca Vestas, cada um possuindo uma potência nominal de 1,65 MW. O seu rotor tem um diâmetro de 82 metros, com 3 pás. Ele comporta uma torre com altura do cubo entre 59 metros e 80 metros máximo, segundo dados do fabricante. Na Figura 19, pode ser visto o modelo usado para estudo e, na Figura 20, a representação da sua curva de potência, disponibilizado pelo fabricante, na qual é possível analisar que o aerogerador só começa a produzir energia com velocidade de vento a partir de 3,5 m/s. A potência máxima é atingida com velocidade de vento de 13 m/s, permanecendo constante até atingir a velocidade de corte que é 20 m/s, cessando a produção de energia.
Figura 19 - Modelo usado para estudo.
Fonte: VESTAS: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65?picture=9lN6tm4zuel.
Figura 20 - Curva de potência.
Os cálculos feitos neste capítulo são baseados em dados obtidos na geração dos últimos 12 meses do Laut I, de setembro de 2017 a agosto de 2018, como também do mês de menor geração, que foi o de abril de 2018, conforme Boletim do Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS, mostrados nas Tabelas 3.3 e 3.4.
Tabela 3. 3 – Dados 12 meses.
Usina Fator de Capacidade
Verificado (%)
Potência Nominal (MW)
Laut I 29,8 51
Tabela 3. 4 - Dados abril 2018.
Usina Fator de Capacidade
Verificado (%)
Potência Nominal (MW)
Laut I 11,1 51
Na Figura 23 mostra a sequência dos cálculos para geração média. Figura 21 - Cálculos da geração média.
Fonte: Autor.
O ONS constatou que no período dos 12 meses citado o fator de capacidade médio verificado foi de 29,8%, que corresponde à eficiência exercida, ou seja, o parque encontra-se gerando aproximadamente 30 % da potência instalada. Entretanto, seu fator de capacidade
Geração Média
Gm= Pn* Fcv
Transformação de Gm(MW med) para Gm(MWh/ano)
previsto é de 32,5%, segundo Boletim Mensal de Geração Eólica da ONS – setembro/2018. Para conhecer a geração média (Gm) do parque, na qual diz o quanto o parque gerou, calcula-se o produto de sua potência nominal (capacidade de geração) com o calcula-seu fator de capacidade médio dos 12 meses precedidos. Portanto, a geração média do parque nesse período de tempo mencionado é obtida a partir da Equação (3), a seguir:
𝐺𝑚 = 𝑃𝑛 ∗ 𝐹𝑐𝑣 (3) 𝐺𝑚 = 51 ∗ 0,298 = 15,2 𝑀𝑊𝑚𝑒𝑑
Em que:
Gm - Geração Média (MW med); Pn - Potência Nominal (MW);
Fcv - Fator de Capacidade Verificada (%);
Sabendo que existem 31 aerogeradores e considerando uma geração uniforme de cada, ao se dividir a Geração Média do parque pela quantidade de máquinas existentes, obtemos o valor de 0,49 MW med por aerogerador.
A fim de possibilitar a correspondência com as unidades que são utilizadas no sistema dos métodos de elevação artificial, é realizada a transformação de MW med (MegaWatts médio), sendo energia média no intervalo de tempo considerado, para MWh/ano (MegaWatts hora por ano). A Equação (4) mostra o modelo do ONS:
𝐺𝑚 𝑀𝑊ℎ
𝑎𝑛𝑜 = 𝐺𝑚 𝑀𝑊𝑚𝑒𝑑 ∗ 8760 (4) 𝐺𝑚 = 15,2 ∗ 8760 = 133152 𝑀𝑊ℎ
𝑎𝑛𝑜
Considerando a geração anual do parque Laut I obtida nos cálculos da Equação (4), medida mensalmente, a média de geração para ser utilizada no abastecimento dos sistemas de elevação será de 11096 MWh/mês. Distribuindo pela quantidade de máquinas do parque, considerando uma geração uniforme das mesmas, temos 357,9 MWh/mês produzidos por cada aerogerador. A Tabela 3.5 mostra os valores.
Tabela 3. 5 - Geração média de energia eólica 12 meses.
Sistema Geração de Energia
Aerogerador 357,9354 (𝑀𝑊ℎ
𝑚ê𝑠)
Parque Eólico 11096 (𝑀𝑊ℎ
𝑚ê𝑠)
Os cálculos feitos através das Equações (3) e (4) são correspondentes a uma média feita durante os 12 meses descritos, porém, nem todos os meses possuem o fator de eficiência como mencionado, por ser feita uma média de todos, em que uns geram mais e outros menos. De acordo com os dados do ONS, em alguns meses do ano, a geração de energia é baixa, devido aos índices de vento da época serem menores. A partir disso, segundo dados do ONS, foi calculada a geração média do parque, no mês de menor percentagem do fator de capacidade verificado, dentre os 12 meses estudados, para que se possa conhecer se mesmo em épocas de pouco vento, o parque seria capaz de suprir a demanda energética dos sistemas de elevação artificial estudados.
Os cálculos a seguir, seguem o mesmo raciocínio dos da Equação (3), feitos para média dos 12 meses, diferenciando apenas o fator de capacidade médio, que agora é 11,1%, referente ao mês de abril de 2018, considerado segundo o boletim da ONS, o mês com menor geração de energia, devido aos índices de vento serem baixos.
𝐺𝑚 = 51 𝑀𝑊 ∗ 0,111 = 5,6 𝑀𝑊 𝑚𝑒𝑑
Dividindo o valor obtido da geração média do parque, pela quantidade de máquinas existentes, que são 31, obtemos o valor de 0,18 MW med que cada aerogerador produz, considerando uma geração uniforme, no mês mencionado anteriormente classificado como de menor geração de energia.
A unidade utilizada para o cálculo de consumo dos sistemas de elevação é MWh/mês e a unidade para geração de energia é MW med. Transformações de unidades foram feitas para deixar o sistema de cálculos compatível, aplicando na Equação (4), resultando em um valor
médio de 131,4 MWh/mês de energia gerada no mês mencionado, por máquina. Esses valores podem ser observados na Tabela 3.6.
Tabela 3. 6 - Geração média de energia eólica mês de abril 2018.
Sistema Geração de Energia
Aerogerador 131,4 (𝑀𝑊ℎ
𝑚ê𝑠)
Parque Eólico 4088 (𝑀𝑊ℎ
𝑚ê𝑠)
Os dados das Tabelas 3.5 e 3.6 servirão para o dimensionamento da quantidade de poços que podem ser abastecidos energeticamente através da geração eólica.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capitulo serão apresentados os resultados obtidos em cada método de elevação estudado anteriormente. Serão demonstrados os dados de energia consumida pelos métodos de BCS, BCP e Gás Lift, a quantidade média de energia eólica gerada nos 12 meses mencionados e no mês de menor produção, tanto pelo parque eólico quanto pelas máquinas, e por fim, o dimensionamento dos poços de acordo com os métodos de elevação utilizados.
Dimensionamento dos Poços
Para a determinação do dimensionamento dos poços, foram utilizados os valores calculados do consumo mensal do sistema de cada método de elevação (BCS, BCP e Gás Lift), assim como, os valores calculados para obtenção da energia gerada nos 12 meses mencionados anteriormente e do mês de abril de 2018 do Laut I, por conseguinte, o valor de energia gerada por cada máquina do parque nesses períodos.
Desta maneira, escolheu-se um único aerogerador, a fim de dimensionar a quantidade de poços de cada método de elevação estudado. O motivo dessa escolha se deu, pelo fato que um aerogerador gera energia suficiente para suprir a demanda energética de cada sistema de elevação, tanto na média anual, quanto no mês de menor índice de geração.
A Tabela 4.1 indica, de acordo com a média da energia gerada nos 12 meses mencionados e do mês de menor geração (abril 2018), através de único aerogerador do parque Laut I, a quantidade de poços cuja demanda energética pode ser suprida para cada sistema de elevação.
Tabela 4. 1 - Quantidade de poços que poderão ser abastecidos (por unidade). Método de Elevação Média dos 12 meses Mês de Abril 2018
BCS 6 2
BCP 53 19
GÁS LIFT 10 3
Como visto na Tabela 4.1, podem ser abastecidos energeticamente 6 poços que utilizam o modelo estudado através de BCS como sistema de elevação ou 53 que utilizam BCP ou 10 que utilizam Gás Lift.
Diante do mês de menor geração de energia do ano, um aerogerador em funcionamento do Laut I supre 2 poços que utilizam o sistema de BCS como método de elevação ou 19 que utilizam BCP ou 3 que utilizam Gás Lift.
As Figuras 22 e 23 mostram um gráfico comparativo entre a quantidade de poços que podem ser abastecidos energeticamente através da geração de energia tanto de um aerogerador como de um parque eólico para cada sistema de elevação artificial estudado neste trabalho.
Figura 22 - Comparação entre o aerogerador e o parque da média dos 12 meses.
Figura 23 - Comparação entre aerogerador e o parque no mês de abril.
Fonte: Autor.
Observa-se para a média de geração de energia dos 12 meses prescritos, que o parque eólico pode suprir energeticamente a quantidade de 191 poços que utilizam o sistema de elevação artificial por BCS, 1653 poços por BCP e 331 por Gás Lift. Já para o mês de abril o mesmo parque poderia atender 70 poços por BCS, 609 por BCP e 122 de Gás Lift.
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Além de possuir áreas petrolíferas, o estado do Rio Grande do Norte torna-se favorável para investimento em parque eólicos, por apresentar a incidência de melhores ventos, assim sendo, um território propício para instalação de aerogeradores.
De acordo com os estudos realizados neste trabalho, observou-se o quanto de energia pode ser gerado por meio de energia eólica, podendo contribuir, assim, para indústria petrolífera, em especial, nos métodos de elevação artificial estudados. Foi analisado o consumo mensal dos métodos de elevação por BCS, BCP e Gás Lift, como também, calculada a quantidade de energia gerada, por um único aerogerador e pelo parque estudado (Laut I), nos 12 meses citados e no de menor fator de capacidade verificado, parque este, que foi usado como modelo para obtenção dos resultados. Com isso, calculou-se a quantidade de poços de cada método de elevação que podem ser supridos energeticamente pela energia gerada das máquinas eólicas.
De acordo com a quantidade de energia gerada pelos aerogeradores do parque eólico Alegria I, da média dos meses de setembro de 2017 a agosto de 2018, conclui-se que um único aerogerador, considerando uma geração uniforme, pode abastecer a demanda energética do sistema de 6 poços de BCS ou 53 de BCP ou 10 de Gás Lift. E que mesmo no mês de menor índice de vento, consequentemente, de menor geração energia, que foi o de abril de 2018, ainda assim, é capaz de abastecer energeticamente o sistema de 2 poços de BCS ou de 19 poços de BCP ou de 3 poços de Gás Lift.
Portanto, percebe-se que a geração de energia eólica pode contribuir para a indústria petrolífera, devido a sua quantidade de geração de energia de forma abundante e inesgotável. É notória a necessidade de investimentos, cada vez mais, nesse tipo de energia renovável. Desse modo, busca-se uma ampliação do parque gerador eólico, com menor custo, menor prejuízo ambiental e diversificando a matriz energética nacional.
Recomendações
É recomendado para os próximos trabalhos, uma análise econômica do custo da construção de um parque eólico. Assim, pode-se extrair um payback do projeto, mostrando, dessa forma, valores de investimento e consumo necessários da indústria petrolífera, nesse tipo de geração de energia. Além de um estudo para aplicação off shore.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABEEOLICA. Disponível em: <http://abeeolica.org.br/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
AGRAWAL, Nitesh. et al. Quick Look Methodology for Progressive Cavity Pump Sizing and Performace Monitoring. SPE Oil and Gas India Conferece and Exhibition in Mumbai, India. SPE-178097-MS, 2015.
AMARANTE, Odilon A. Camargo do. et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Ministério de Minas e Energia, Brasília, 2001.
ANEEL. Energia Eólica. Disponível em:
<http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_6_1.htm>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
ASSMANN, Brenno Waldemar. Estudo de Estratégias de Otimização para Poços de Petróleo com Elevação por Bombeio de Cavidades Progressivas. 2008. Tese (Doutorado em Ciências) – Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal,2008.
CARROTORE, Pedro Ribeiro Del. Desenvolvimento de Ferramenta para Auxílio na Seleção de Métodos de Elevação Artificial. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Petróleo) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
CERNE. Centro de Estratégias em Recursos Naturais & Energia. Disponível em: <
http://cerne.org.br/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
COSERN. Potencial eólico do Rio Grande do Norte. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_eolico/atlas_eolico_RN.pdf/>. Natal, 2003. Acesso em: 05 de nov. de 2018.
COSTA, Rutácio de Oliveira. Controle Aplicado a Poços com Método de Elevação de Bombeio Centrífugo Submerso. 2012. Tese (Doutorado em Ciências) – Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012.
CRESEC. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
DAKE, L. P. Engenharia de Reservatórios: Fundamentos. Tradução de Carlos Emmanuel Ribeiro Lautenschlãger e Guilherme Righetto. 1°. ed. Editora Elsevier, 2014.
DURTRA, Ricardo Marques. Energia Eólicas Princípios e Tecnologias. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica. Maio de 2018.
ELMER, W. G.; ELMER, D. C. Two-stage Compression with elevated cooler discharge temperatures improves wellsite gas-lift operations. SPE Liquids-Rich Basins Conference – North America held in Midland, Texas, USA. SPE-181773-MS, 2016.
GREENPEACE. Mais sol e vento na energia brasileira. Disponível em:
<http://www.greenpeace.org/brasil/pt/Noticias/Mais-sol-e-vento-na-energia-brasileira/?gclid=EAIaIQobChMIyP3dlvH11wIVDwWRCh2oIwXkEAAYASAAEgIJlfD_B wE>. Acesso em: 07 de novembro de 2018.
HIRSCFELDT, Marcelo. Manual de Bombeo de Cavidades Progressivas. OilProduction.net. Versão2008 V1.
LEA, J.F.; NICKENS, H.V. Selection of Artificial Lift. SPE Mid-Continent Operations Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, USA, 28-31 Mar. 1999. SPE-52157-MS.
MAITELLI, CARLA WILZA SOUZA DE PAULA. Elevação Artificial do Petróleo. 01 aug. 2017, 12 dec. 2017. 435 p. Notas de Aula.
NUNES A. L. T. et al. Células Fotovoltaicas Aplicadas em Elevação Artificial por Meio do BCS. In: Rio Oil & Gás, 19.,2018, Rio de Janeiro. Disponível em: <
https://www.ibp.org.br/rog2018-trabalhos-tecnicos/>.
OLIVEIRA, R. C. Elevação Artificial de Petróleo – Bombeio Mecânico com Haste (BMH). Apostila, Aracaju, 2010.
ONS. Operador Nacional Elétrico. Disponível em: <http://ons.org.br/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
REVISTA ECOENERGIA. História da Energia Eólica e suas Utilizações. Edição n°13, Ano II. Agência Virtual, Rio de Janeiro, 2012.
ROSA, A. J., Carvalho, R. S., Xavier, J.A.D., Engenharia de Reservatórios de Petróleo. Editora Interciência, 2006.
ROSENO, Igor Bezerra. Aplicação da Energia Eólica para Suprimento de Energia nas Unidades de Bombeio de Elevação Artificial.2016. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Petróleo) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2016.
ROYAL DUTCH SHELL. Artificial Lift Manual Parte 2A. - Gás Lift Design Guide.1993. Hague, Países Baixos, 1993.
SCHLUMBERGER. Gás Lift Design and Technology. 1999. Well Completion and Productivity. Chevron Main Pass 313 Optimization Project.
TAKÁCS, G. Electrical Submersible Pumps Manual: Design, Operations, and Maintenance 1.ed.: Gulf Equipment Guides, 2009.
TAKÁCS, G. Sucker-Rod Pumping Manual, 1.ed. Tulsa, Oklahoma, USA: PennWell Corporation, 2003.
THE WIND POWER. Disponível em:
<https://www.thewindpower.net/turbine_en_28_vestas_v82-1650.php>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
THOMAS et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 1. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2001.
TRIBUNA DO NORTE. Disponível em: < http://www.tribunadonorte.com.br/noticia/rn-ganha-seu-terceiro-parque-eolico/173855>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
VESTAS. Modelos de Turbinas Eólicas. Disponível em: < https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65>. Acesso em 20 de novembro de 2018.
WEG. Blog com Ciência. Disponível em: < http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-que-e-tao-importante-falar-sobre-isso/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
WWEA. Associação Mundial de Energia Eólica. Disponível em: < https://wwindea.org/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.
