O mercado de energia está em constante evolução, com uma ampla variação nos custos de energia e preocupações com a redução das emissões de gases de efeito estufa em todo o mundo. As fontes tradicionais de energia, como carvão e nuclear, diminuíram em sua importância, enquanto os suprimentos de gás natural e renováveis estão crescendo de forma consistente.
Os fabricantes estão cientes do papel da energia nas estruturas gerais de custos e emissões e, portanto, tentam continuamente reduzir ambos.
Os efeitos da pandemia de COVID-19 impactaram os padrões de consumo, resultando em mudanças drásticas nos preços do petróleo e de seus derivados. Embora o consumo geral deva se recuperar um pouco em 2021, os combustíveis tradicionais podem nunca retornar aos níveis de preços anteriores, uma vez que as opções concorrentes (ou seja, energias renováveis) continuam a crescer e se tornando continuamente mais baratos.
Os preços do mercado de energia mudando de hora em hora ou ainda mais rápido estão se tornando cada vez mais comuns em todo o mundo. O Brasil terá o PLD horário sendo implementado muito em breve.
Mesmo assim, para usinas de processo de grande escala, a energia normalmente representa 50% das despesas operacionais. Consequentemente, uma redução de 10% no uso de energia pode muitas vezes melhorar as margens em 5%. Como as empresas buscam aumentar os lucros e reduzir as emissões, a otimização de energia é naturalmente um dos primeiros itens a se olhar.
Quando o consumo pode ser medido em detalhes, em tempo real, é possível reduzir significativamente o uso total de energia por meio de simples ações disponíveis. Área por área, um site pode fazer melhorias rapidamente em eficiência e reduzir o consumo e as emissões.
Por outro lado, os projetos de melhoria em grande escala, como a construção de um sistema interno de cogeração, precisam ser examinados cuidadosamente quanto ao potencial de custo/benefício.
As plantas de processo e de manufatura precisam considerar como os vetores de energia disponíveis, sejam fontes tradicionais ou renováveis, podem ser produzidos, distribuídos e combinados para serem usados integrando-os ou reformulando os sistemas de energia existentes. O objetivo é reduzir custos e emissões de gases de efeito estufa.
A produção de hidrogênio pode ser considerada um exemplo. Tradicionalmente, a maneira menos cara de uma planta gerar hidrogênio é reformando o metano, mas esse processo produz dióxido de carbono como subproduto, que normalmente é liberado para a atmosfera.
Se na planta o desejo é eliminar o fluxo de dióxido de carbono, pode seguir uma abordagem mais cara e usar energia para separar a água em oxigênio e hidrogênio (ou seja, “hidrogênio verde”) por eletrólise. Decidir se isso é vantajoso depende muito da fonte de alimentação.
Se a eletricidade usada para eletrolisar a água vem de uma usina elétrica a carvão, subcrítica, a quantidade de dióxido de carbono produzida por unidade de hidrogênio é provavelmente pior do que apenas reformar o metano. Mas, se gerado por turbinas eólicas ou por um banco de painéis fotovoltaicos, ou saída excedente do sistema de cogeração da instalação, a economia pode mudar.
Usar essa abordagem produz menos (ou zero) dióxido de carbono, não usa metano e pode ser mais barato. Essas condições podem não estar disponíveis o tempo todo, todos os dias, mas um determinado site industrial deve ser capaz de aproveitá-las quando possível.
A capacidade de fazer essa determinação requer conhecimento detalhado das fontes e usos de energia para a instalação em qualquer momento e ser capaz de coordenar informações, previsões, programação, regulamentação, relatórios e atividades de controle, bem como o conjunto apropriado de ferramentas de software, conforme ilustrado:
Quando dados, modelos e ferramentas de software estão disponíveis, o uso de energia pode ser otimizado para minimizar custos e emissões simultaneamente. Poucos sites poderiam realizar tal avaliação automaticamente, em tempo real.
Mesmo instalações grandes e que consomem muita energia, como refinarias de petróleo e plantas de produtos químicos com várias unidades, podem não ter a experiência nem os sistemas de software para reunir todos os dados de suporte e colocá-los para funcionar.
A seleção de qual fonte de energia deve ser usada em um determinado momento depende de ter dados relacionados a todas as opções possíveis. Devemos ligar o sistema de cogeração e minimizar a importação de energia da rede, fazer o oposto ou algo intermediário?
Tomar a decisão adequada exige conhecer os custos de combustível e operação em comparação com o custo atual de funcionamento fora do grid. Esses valores podem flutuar no tempo, dependendo do preço da energia, condições climáticas, disponibilidade de fontes renováveis, etc.
Por exemplo, poderia não ser prático iniciar a planta de cogeração para funcionar por apenas uma ou duas horas, então uma previsão realista deve ser feita. Em um cenário dominado por renováveis, devido à variabilidade dos fatores climáticos que impactam a geração de energia, como a velocidade do vento e a intensidade solar, mecanismos de armazenamento de energia devem estar disponíveis para capturar o excedente e ser usados como backup quando a geração renovável for reduzida.
Deve ser tomada uma decisão, também em tempo real, sobre quando armazenar ou consumir a energia. Tudo isso representa um grande desafio para a pessoa ou grupo encarregado de gerir de forma otimizada o sistema energético.
É claro que esse tipo de análise não pode ser feito manualmente na extensão e com a velocidade necessária para uma instalação grande e complexa, especialmente quando as energias renováveis estão envolvidas.
Felizmente, as ferramentas já mencionadas, usando a abordagem Digital Twin baseada em modelo em tempo real, podem considerar as fontes e os usos da energia, tornando possível otimizar as seleções muito além da energia convencional e dos esforços de redução de emissões.
Esse conjunto de aplicações tem muitos recursos específicos, incluindo:
- Um digital twin integrado em tempo real e baseado em modelo que considera equipamentos e subsistemas comuns às redes tradicionais de energia baseada em carbono (combustível, vapor, eletricidade), mas também equipamentos e sistemas relacionados à energia renovável (solar, eólica, biomassa)
- Suporte para previsões, que trata das condições futuras do site e de seu ambiente. Isso pode incluir condições climáticas e de mercado (por exemplo, PLD horário) no lado da oferta, além da demanda de energia do processo, incluindo vapor, energia, combustíveis, hidrogênio, etc.
- Suporte para analisar a eficiência energética atual e passada e o desempenho do site a partir de dados históricos
- Suporte para gestão ideal de estoque de energia
- Suporte para otimizar em tempo real, levando em consideração a programação ideal, frequentemente atualizado em um horizonte de tempo móvel
- Operação automatizada dessas funções em longo e curto prazo para torná-las realmente viáveis e liberar operadores para atividades de maior valor
O conjunto de aplicações Visual MESA é construído em torno de um modelo Digital Twin da planta, fornecendo em tempo real, análise baseada na modelagem de todos os sistemas de energia de todo o site e vizinhos.
Uma vez em operação, a otimização multi-período combinada (MPO), monitoramento de energia (EM) e otimização em tempo real (ERTO/ECLRTO) realizam atividades considerando o passado e otimizando o presente, mas com um olhar no futuro.
O MPO monitora e orienta visando a otimização da energia em tempo real, considerando uma programação móvel ideal multi-período, permitindo que o site opere sempre com o menor custo e dentro das restrições de emissão.
Em uso stand-alone, a abordagem combinada MPO/EM/ERTO/ECLRTO ajuda os operadores e engenheiros a gerar, analisar e distribuir a programação ideal dos sistemas de utilidades do site, mesmo incluindo sua vizinhança, sob o conceito conhecido como Virtual Power Plant (VPP).
Um VPP pode ser uma rede relativamente complexa de unidades geradoras de energia descentralizadas, como fazendas eólicas, parques solares e unidades combinadas de calor e energia (CHP), bem como consumidores de energia, geradores/usuários de hidrogênio verde e sistemas de armazenamento.
As unidades interconectadas são consideradas como um todo, para serem programadas de forma otimizada, monitoradas e otimizadas em tempo real.
As ferramentas de gestão de energia em tempo real, incluindo programação, monitoramento e otimização ideais, devem ser personalizadas para cada instalação ou VPP, uma vez que cada situação é diferente. As fontes e os usos de energia variam amplamente de uma planta para outra, então nenhuma solução pode caber em todos os lugares.
A KBC e a Yokogawa possuem mais de 100 instalações ao redor do mundo, ajudando globalmente clientes a manter uma evolução e melhorias constantes. Muitos clientes usam nossas tecnologias de forma consistente por décadas, sendo capazes de conduzir seus sistemas de energia de maneira ideal, agora e durante a transição energética que se aproxima:
O pacote de aplicações de gestão de energia Visual MESA é configurado para funcionar de forma autônoma, reunindo e processando as previsões necessárias das variáveis externas – como projeções de preços de combustível/energia e previsões do tempo, executando cálculos, historizando KPIs, produzindo e distribuindo os relatórios com os resultados.
Eles podem ser executados com ações de malha aberta ou fechada, dependendo se as metas geradas a partir da programação podem ser passadas automaticamente do programador para o otimizador e, a partir daí, serem implementados manualmente pelos Operadores, para o Controle Avançado de Processo (APC) ou camada base de controle regulatório.
A consistência entre os sistemas de decisão em diferentes escalas de tempo, otimizando em tempo real, mas levando em conta as restrições impostas pela programação ideal é garantida. Consequentemente, o custo geral e as emissões de GEEs podem ser substancialmente reduzidos com a ajuda de uma abordagem Digital Twin baseada em modelos em tempo real.
Artigo escrito por Carlos Ruiz (Gerente de Produto) e Eduardo Ishikawa (Supervisor de Vendas) na Yokogawa.