A análise exergética, como ferramenta de avaliação é bastante eficiente quando utilizada em plantas de processamento primário de petróleo. O processo de produção e processamento é composto por inúmeros fluxos e ramificações de óleo, gás e água, em diferentes pressões e temperaturas. Para estes diferentes fluxos em uma planta de processamento primário de petróleo se torna um ótimo cenário para a aplicação de análises baseado em exergia, (Voldsund et al., 2014 e Nguyen et al., 2012).
Exemplo dessas aplicações pode ser observado em Panton (2014), Sánchez e Junior (2015), Voldsund et al. (2014) e Nguyen et al. (2012) onde os autores considerando os grandes fluxos de energia, utilizados para extração, processamento, transporte, entre outros utilizam da exergia como ferramenta de análise. Para os autores, as plataformas de processamento primário de petróleo offshore, utilizam grande quantidade de energia, sendo esta energia proveniente da queima de gases para serem utilizados em turbinas a gás para geração de energia elétrica e mesmo geração de energia térmica. Uma vez que estes gases são queimados, os autores analisam as emissões inevitáveis de dióxido de carbono por quantidade de exergia gerada na plataforma.
No trabalho, Sánchez e Junior (2015), os autores utilizaram como ferramenta computacional, o software comercial, Aspen HYSYS®, para as simulações de plantas de processamento primário com e sem Sistemas de Captura de CO2 (CCS). As simulações,
baseadas em conceitos da Segunda Lei da Termodinâmica, avaliaram o desempenho exergético dos processos e equipamentos de separação embarcados. No trabalho, os autores apresentaram as simulações de plataformas brasileiras com e sem sistemas (CCS), e com os
resultados da simulação e análise avaliaram os processos com maiores potenciais para aumento de eficiência bem como do desempenho ambiental.
Observa-se também na literatura específica da área de petróleo, aumento significativo na utilização de unidades flutuantes de armazenamento e transferência, ou seja,
Floating, Production, Storage and Offloading (FPSO). Instalações estas utilizadas para
promover a produção e processamento primário do petróleo. De acordo com Sánchez et al. (2015), ultimamente nos mares brasileiros, as unidades do tipo FPSO, principalmente na Bacia de Campos, vem aumentando cada vez mais. Estes tipos de instalações estão sendo utilizadas, segundo os autores, para impulsionar cada vez mais a produção do petróleo, principalmente na área do pré-sal brasileiro.
Quando se utiliza uma unidade de processamento primário do tipo FPSO, a composição do petróleo deve ser levada em consideração, tendo em vista o modo de operação da planta. Para Nguyen et al. (2012), Voldsund et al. (2014) e Sánchez et al. (2015), por exemplo, dependendo da composição do petróleo, uma unidade de processamento primário pode apresentar três diferentes modos de operação. O primeiro modo, segundo os autores, está relacionado ao petróleo com valores altos de água e CO2. O segundo modo está relacionado
com o percentual de água residual e sedimentos (BSW) de até 50% no petróleo bruto, e por fim, o terceiro modo relacionado com o petróleo bruto com quantidades de hidrocarbonetos líquidos e gasosos com as qualidades comerciais.
Tanto para o modo de operação com quantidades pequenas ou grandes de dióxido de carbono e hidrocarbonetos gasosos, as unidades FPSO de processamento primário contam com processos de exportação de gases, injeção de gases e mesmo injeção de dióxido de carbono. Para cada modo de operação diferente, os autores, aplicam análises baseadas em conceitos de exergia para avaliar e comparar o desempenho dos processos, modo de operação e da planta de processamento, (Nguyen et al.,2012, Voldsund et al., 2014 e Sanchéz et al., 2015).
Semelhante ao trabalho apresentado por Sánchez e Junior, (2015), os autores Sánchez et al., (2015) realizaram as simulações e análises exergéticas utilizando como ferramenta computacional o software comercial, o Aspen HYSYS®. Com os resultados obtidos da simulação, os autores concluíram primeiramente que quanto maior a quantidade de hidrocarbonetos líquidos no petróleo, maior o consumo de energia na unidade de
processamento FPSO. Consequentemente, quanto maior o consumo de energia maior é o processo de geração de irreversibilidade na unidade de processamento.
Observa-se também, segundo os autores, que os indicadores de desempenho baseados em exergia apresentam melhores resultados que os indicadores baseados somente na Primeira Lei da Termodinâmica. Por exemplo, o terceiro modo de operação com a produção dos hidrocarbonetos com qualidades comerciais se apresentou com maior consumo de energia elétrica, maior consumo de energia térmica e maior consumo de exergia. Já para o primeiro modo de operação, o qual se apresenta com altos valores de água e CO2, a destruição de
exergia específica é maior neste modo.
Para Nguyen et al. (2012) e Sánchez et al., (2015), o ramo petrolífero de processamento primário está utilizando cada vez mais indicadores específicos baseados em exergia além dos indicadores de desempenho globais, baseados somente em energia. Uma vez que os indicadores de desempenho baseados em exergia são capazes de identificar os equipamentos ou mesmo os modos de operação mais críticos com os respectivos processos de irreversibilidades que são gerados. Afirmam também que a irreversibilidade específica, ou destruição de exergia específica, é um critério de avaliação bastante útil para comparar as diferentes unidades de processamento primário de petróleo e/ou modo de operação da planta.
Em D’Aiola et al. (2016), os autores apresentaram também uma análise exergética para os inúmeros fluxos de uma planta de processamento primário do tipo FPSO na Bacia de Santos. Neste trabalho os autores, considerando o cenário de uso racional de recursos naturais, otimização energética e requisitos ambientais, também destacaram a análise exergética como ferramenta ideal de avaliação. Ou seja, avaliados de acordo com a eficiência exergética e a quantidade de exergia total na planta, avaliado também de acordo com a exergia específica consumida por volume de hidrocarboneto e quanto ao parâmetro ambiental relacionado a quantidade de CO2 gerado pela exergia específica.
O trabalho dos autores é realizado com dados de uma planta de processamento primário de petróleo do tipo FPSO que realiza a compressão a alta pressão de gases e possui sistemas de remoção de CO2. No FPSO, o fluxo de gás pode ser processado de diferentes
formas, ou seja, o primeiro modo de operação desvia todo o gás do sistema de remoção de dióxido de carbono para reinjeção no poço, pura e simplesmente. Já o segundo modo utiliza o sistema de remoção de CO2 exclusivamente para exportação máxima dos gases, e por fim, o
terceiro modo, que realiza um tratamento parcial do gás através do sistema de remoção de CO2 permitindo que parte do gás seja reinjetado e parte exportado, (D’Aiola et al., 2016).
Uma vez identificados os fluxos da instalação e diferenciado cada modo de produção, utilizando de conceitos de exergia, os autores avaliaram a influência de cada um dos modos de operação na planta bem como os cenários de maior e de menor eficiência exergética. Puderam verificar também quais os pontos de maior consumo específico de exergia, quais os pontos de irreversibilidade no processo e as quantidades de emissões de CO2
por unidade de exergia gerada.
Nesse cenário de uso racional de recursos naturais, otimização energética e requisitos ambientais, os autores Nguyen et al. (2012) e Nguyen et al. (2016), utilizaram informações de plataformas de processamento primário de petróleo offshore. Estas plataformas utilizam quantidades significativas de energia para suprir os processos embarcados. Nestas instalações, o consumo de energia geralmente é suprido utilizando o gás produzido da própria plataforma. Sendo estes gases queimados para acionar turbinas a gás para a geração de energia elétrica necessária para os processos de separação. Com a queima desses gases existe a emissão inevitável de dióxido de carbono na plataforma.
Os autores, neste trabalho, também lançaram mão de conceitos baseados na Segunda Lei da Termodinâmica, para analisar plataformas na Noruega, com e sem sistemas de captura de CO2. As plataformas avaliadas pelos autores são plantas de processamento localizadas no
mar do norte com longevidade da ordem de 10 a 20 anos de operação ainda ativas.
Nguyen et al. (2012), Panton (2014) e Nguyen et al. (2016), apresentaram em seus trabalhos análises exergéticas para os sistemas de captura de dióxido de carbono, ou seja, plataformas com ou sem a integração de sistemas de captura e injeção de CO2. As
configurações são com sistema de captura, sistema de compressão e sistema de bombeamento de CO2 designados por sistema de captura e armazenamento de carbono - CCS. Neste trabalho
foi apresentada uma visão geral do processo com as configurações básicas dos equipamentos utilizados bem como dos subsistemas na planta de processamento.
Os mesmos parâmetros de desempenho baseados em exergia utilizados por Sánchez e Junior, (2015) para as plataformas brasileiras, os autores Nguyen et al. (2016) realizaram para as plataformas no mar do norte com e sem CCS. Concluíram também que o separador trifásico em ambas as situações são os equipamentos com maior geração de irreversibilidade
(destruição de exergia). Acrescentaram também que os processos de aquecimento do petróleo reduzem as irreversibilidades tanto no separador trifásico quantos nos outros equipamentos.
Outro ponto importante apresentado por Nguyen et al. (2016), que as plantas que utilizam sistemas CCS aumentam consideravelmente a irreversibilidade na planta. Porém, as reduções de emissões de CO2 são bastante elevadas, da ordem de 77%. Por outro lado, a
redução da eficiência exergética foi de pelo menos 2,8 pontos percentuais, contudo mesmo que a eficiência exergética tenha apresentado quedas, os autores apontam que a redução de dióxido de carbono foi muito vantajosa.
Os resultados das análises de sistemas com CCS apresentam 1,9 pontos percentuais mais favoráveis em relação a critérios ambientais. Porém quando se utiliza conceitos de exergia, de acordo com os autores, estes aumentos de desempenho ambiental causam aumento de irreversibilidades nas plataformas, que devem ser levadas em consideração nas análises.