Digitalização no setor Agro: como otimizar um sistema de cogeração de energia?

Uma empresa asiática, produtora de fécula, otimizou o funcionamento de uma caldeira que alimenta turbinas em uma cogeração destinada à produção simultânea de eletricidade e vapor a partir de um mesmo combustível. Com a digitalização da cogeração, utilizando a solução da METRON na criação de um gêmeo digital da fábrica para otimizar os custos de eletricidade, foi possível obter uma economia anual de 90.000,00 USD.

Digitalização e setor agro: contexto e objectivos

Uma fábrica de amido na ásia

A fábrica produz amido para a indústria agroalimentar: amido modificado, amido de açúcar, etc. Antes da digitalização dos processos industriais, a sua fatura energética era 10,9 milhões de dólares, sendo consumo de eletricidade de 55 000 MWh/ano  e consumo de carvão de 50 000 t/ano.

Para produzir energia, a empresa produtora de fécula tem os seguintes equipamentos:

  • 1 caldeira alimentada a carvão.
  • 2 turbinas, uma de contrapressão e outra de condensação.

O vapor necessário às linhas de produção passa pelas turbinas, sendo também produzido pela caldeira. No caso de excedente, o vapor residual é integralmente utilizado para produzir eletricidade. O consumo elétrico não gerado pelos turbogeradores, são supridos pelo grid.

COGERAÇÃO F&B

Electricidade interna e externa

  • 55 GWh de eletricidade adquirida na rede externa.
  • 25 Gwh de eletricidade autoproduzida pelas turbinas da fábrica.

O principal desafio da digitalização da cogeração era a identificação das variáveis que tinham um maior impacto no consumo de vapor e a flexibilidade dos ativos existentes para. Há um parâmetro importante a ter em conta: a eletricidade produzida no local corresponde a um preço fixo, enquanto a energia importada da rede tem um custo variável.

 

Digitalizar e otimizar: o duplo desafio da solução da METRON

O projeto de digitalização dos processos de cogeração deveria responder a um duplo desafio:

  • digitalizar a gestão da energia na área das instalações (produção e utilitários) e acompanhar os KPI em tempo real para detecção de eventuais desvios.
  • otimizar o consumo energético entre autoprodução e consumo externo de eletricidade proveniente da rede, com foco em reduzir o custo total das necessidades energéticas.

Antes da solução da METRON: uma gestão «manual» da energia

Para definir as regras de controle, era realizado um acompanhamento mensal num ficheiro Excel. Os KPI analisados eram basicamente na produção, com um acompanhamento dos consumos de vapor face à produção e ao volume de carvão utilizado.

A produção de vapor era constante, independentemente dos custos de produção e dos custos da eletricidade importada da rede. Assim, o vapor excedente era recuperado nos turbogeradores para produção de eletricidade.

Implementação da solução da METRON

O processo de implementação da solução da METRON durou menos de 4 meses.

Definição da arquitetura e coleta de dados

Através da interoperação com os sistemas existentes, foi possível recolher um grande número de dados energéticos e de processos industriais graças a 2 500 tags. Foram transferidos mais de 600 dados por segundo diretamente a partir do servidor OPC da fábrica para a plataforma da METRON. Assim, foram recuperados 2 anos de histórico, desde a inauguração da empresa produtora de fécula.

Foram analisadas mais de 100 variáveis com influência na caldeira e turbinas:

  • temperatura da caldeira.
  • consumo de carvão.
  • fluxo de vapor entre as máquinas.
  • frequências e vibrações dos turbogeradores.
  • fluxo de ar.
  • custos de eletricidade na rede, etc.

 

Gêmeo digital: a estruturação dos dados da fábrica

Os dados externos e internos são reunidos numa modelação digital. Realizou-se um mapeamento digital para mapear os vetores energéticos, os equipamentos, etc., na fábrica.

A integração entre a expertise humana, os conhecimentos da ontologia da METRON, a digitalização dos equipamentos e a contextualização de cada dado, foi possível construir o gêmeo digital da fábrica.

Esta fase permite automatizar as primeiras ações e comparar os desempenhos dos equipamentos em cada cenário de referência.

 

Criação de dashboards para monitorar os consumos em tempo real

A solução da METRON permite acompanhar o funcionamento da fábrica em tempo real:

  • determinação dos KPI pertinentes para cada equipamento.
  • «benchmarking» automático das utilizações energéticas.
  • comparação dos desempenhos das várias instalações.
  • alerta em caso de desvio.
  • consideração de fatores influentes.
  • gestão de projeto.
  • relatório automático.
  • visualização dos vetores de energia e contexto para elaborar modelos com alta acurácia.

Em resultado da modelagem da área e as restrições do contrato de fornecimento de energia, foram implementadas várias medidas de otimização. Designadamente, definiu-se uma regra para minimizar, ou maximizar, a produção de eletricidade gerada internamente.

 

Otimizações em tempro real e acompanhamento

Na segunda fase do projeto, forneceram-se recomendações em tempo real aos operadores presentes nas instalações. Atualmente, os algoritmos utilizam dados internos e externos transmitidos permanentemente para determinar um ponto de operação elétrico ótimo face à produção esperada.

Se os preços da eletricidade forem elevados com uma fraca demanda de vapor, o software sugere, por exemplo, a utilização de mais eletricidade produzida pelas turbinas de vapor, cujo custo fixo é inferior ao custo variável da eletricidade da rede.

Em qualquer caso, compete ao gestor de energia e à equipe de exploração decidir os ajustes identificados e aplicar, ou não, as sugestões de otimização.

 

Os resultados obtidos

Os ganhos obtidos no âmbito do consumo de energia chegaram a 90 000 dólares por ano. A ferramenta de ajuda na decisão implementada, permite que a empresa produtora de fécula passe a otimizar o custo do seu consumo energético em tempo real.

Com um sistema de «Energy Management» digitalizado e centralizado, são economizados 4 dias - HH todos os meses na gestão dos recursos de energia. A partir de agora, os operadores presentes nas instalações podem dedicar-se a tarefas de maior valor agregado.

A importância da cultura energética

No domínio da gestão da energia, a intervensão humana é fundamental – todos devem estar sensibilizados para os desafios da cultura energética controlada pelos dados. A abordagem de gestão digital da energia em tempo real permite transmitir informações corretas, no momento certo e ao operador. Graças a dados claros e pertinentes, a fábrica é mais transparente para todos, algo que facilita o envolvimento das equipes.

A visão precisa e em tempo real da cogeração da empresa produtora de fécula permite que o pessoal da fábrica ajuste o funcionamento da caldeira e das turbinas de acordo com os objetivos de produção fixados e a variabilidade do mercado de energia. Com a combinação da expertise humana com algoritmos de «Data Science», a plataforma da METRON permite comparar o consumo com um modelo de referência e, assim, utilizar todo o potencial da cogeração com o equilíbrio permanente das fontes internas e externas.

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