OTIMIZAÇÃO EM TEMPO REAL (RTO) EM UMA INDÚSTRIA DE ETANOL

Por Karen Raiane Piccoli e Álvaro Paz Graziane

Resumo: Os avanços tecnológicos e a globalização arremetem, cada vez mais, para um mercado competitivo, que visa a maximização de lucros, produtividade e principalmente a redução de custos. As características do setor sucroenergético, como a instabilidade da matéria-prima, dependência das condições climáticas, oscilações do mercado e restrições legais e ambientais dificultam o atingimento destes objetivos. Desta forma, a utilização de ferramentas e métodos que atuem nos diversos parâmetros operacionais da planta se tornam imprescindíveis. O objetivo do trabalho é apresentar os benefícios da implantação de um sistema de otimização em tempo real (RTO) no setor sucroenergético, tratando em específico do software S-PAA, desenvolvido pela Soteica. Para isto, foram apresentados dados comparativos de empresas que implementaram o sistema, confrontando com períodos sem o uso da otimização. O critério empregado para estudo foi o aumento de exportação de energia elétrica da planta, concluindo assim que o retorno financeiro para o investimento no sistema é rápido e pode ser facilmente visualizado, além de várias outras vantagens que o sistema pode oferecer.

1 INTRODUÇÃO

A indústria, nos dias atuais, enfrenta grandes desafios em busca de uma melhor eficiência nos processos. A globalização tem conduzido, cada vez mais, as empresas a buscarem um diferencial de redução de seus custos operacionais. Esse conceito é também denominado como Quarta Revolução Industrial, ou ainda, como Indústria 4.0.

Para Silva et al. (2018, p. 53), produzir mais e melhor é possível através das tecnologias vinculadas à Quarta Revolução Industrial que são capazes de tornar os processos mais eficientes e eficazes.

Segundo a Confederação Nacional da Indústria (2016), as empresas poderão enfrentar sérias dificuldades na competição de mercado caso não aderirem as tecnologias digitais.

A técnica que vem recebendo destaque como diferencial na indústria é a Otimização em Tempo Real (Real Time Optimization), pois possibilita uma otimização global da planta. O RTO permite que as empresas melhorem seu desempenho, na maioria das vezes aumentando os lucros e reduzindo os custos operacionais, permitindo ainda o aumento da rentabilidade integral da planta (SOTEICA Ideas & Technology, 2017).

Apesar da aplicação da otimização em tempo real em uma unidade exigir um trabalho complexo, sua utilização pode levar ao aumento de 6 a 10% os lucros da empresa, juntamente com o controle avançado (Cutler e Perry, 1983 apud CAMOLESI; MORO; ZANIN, 2008).

O retorno financeiro obtido pelo uso do otimizador é um dos seus maiores benefícios, mas outras vantagens indiretas podem ser atingidas através desta tecnologia, como a redução de emissão de poluentes, melhor entendimento do processo, identificação de erros nos instrumentos de medição, avaliação de desempenho de equipamentos, manutenção, projeto, planejamento de produção e testes de controle avançado (JESUS, 2011).

O estudo da otimização em tempo real em uma indústria de etanol faz-se necessário devido à grande variabilidade do processo que o setor enfrenta. O acompanhamento contínuo, juntamente com a utilização de um algoritmo de otimização, possibilita chegar mais perto do limite operacional máximo, aumentando a lucratividade e diminuindo as perdas da planta industrial.

Algumas características da atividade sucroenergética tornam esta busca bastante complexa: a qualidade e produtividade da matéria-prima são fortemente influenciadas por fatores climáticos e, por consequência, estas influenciam o processo produtivo; a composição química da cana-de-açúcar é bastante variável devido a fatores como diferentes tipos de cana, região de cultivo, clima, solo, adubação, idade, dentre outros; múltiplos objetivos e processos inter-relacionados; múltiplos mercados (açúcar, etanol e geração de energia elétrica); oscilações constantes em preços e demandas; restrições legais e ambientais crescentes (SOTEICA Ideas & Technology, 2017).

Segundo Messias (2016), estes desafios de operar a planta do setor sucroenergético requer ferramentas, métodos e procedimentos que permitam uma rápida e contínua atuação nos diversos parâmetros operacionais, adequando-se rapidamente à dinâmica do negócio.

2 DESENVOLVIMENTO

Foi realizada pesquisa bibliográfica para fundamentação teórica e obtenção de um conhecimento aprofundado sobre o assunto, fundamentada em artigos científicos, livros, dissertações e pesquisa pela internet. A análise dos resultados baseou-se em informações fornecidas pela empresa Soteica Brasil Ltda, obtidos pela implantação do software pelos seus clientes.

2.1 Estrutura da Otimização em Tempo real (RTO)

A otimização de um sistema consiste na determinação de suas variáveis independentes, através de um modelo matemático e um algoritmo de programação, com intuito de maximizar ou minimizar uma função objetivo sem violar as restrições do sistema. A otimização é em tempo real quando a solução deste problema, dita ótima, é obtida periodicamente e implementada de forma automática (CAMOLESI; MORO; ZANIN, 2008).

Essa baseia-se na exploração de regiões próximas da operação atual para encontrar uma melhor condição de operação e definir valores de set-points mais adequados para atingir um determinado objetivo.

A “Figura 1” representa a variabilidade e a atuação dos sistemas de Controle Convencional, Controle Avançado e Controle Avançado com Otimização/Real Time Optimization (RTO).

A Otimização, juntamente com o Controle Avançado, reduz a variabilidade do processo com base em modelos que procuram prever o comportamento das variáveis dependentes em função de variação nas variáveis manipuladas ou perturbações. O algoritmo calcula os movimentos necessários nas variáveis manipuladas que minimizem a soma dos erros futuros.

Para implementar um RTO necessita-se de um sistema on-line que irá simular o processo e prever o desdobramento de ações, mostrando ao longo prazo a melhor forma de operá-la, considerando as limitações dos equipamentos, segurança, qualidade do produto, além de aspectos econômicos, técnicos e ambientais. Estes ajustes poderão ser implementados pelo próprio operador ou em laço fechado (quando o sistema atua diretamente nos set-points). A forma de atuação depende da automação desejada e/ou disponível na empresa (MESSIAS, 2016).

2.2 Solução Soteica (S-PAA)                      

O S-PAA é um Sistema de Gestão Avançada em Tempo Real desenvolvida pela Soteica para o setor sucroenergético. Ele possui 4 componentes principais esquematizados na “Figura 2”.

Inicialmente, uma série de dados são coletados automaticamente dos sistemas existentes, como por exemplo pressão, temperatura, vazão, Brix, concentração, níveis, entre outros (C1). Essas informações são lidas por um modelo representativo da planta física, que é baseado em conceitos da engenharia, que preveem o comportamento fluidodinâmico e termodinâmico do processo, além de realizar balanços em cada um dos equipamentos (C2).

No modo de edição, o sistema conta com uma representação em 3D de todos os equipamentos e fluxos necessários para a modelagem de uma planta do setor (C3), no qual utiliza um esquema de cores para diferenciar os diversos fluxos e para indicar pontos recomendados para atuação pelo módulo de otimização, como representado na “Figura 3”.

Por fim, a otimização determina a melhor condição de operação para a planta no momento atual (C4). O sistema pode operar em laço aberto (o operador observa as sugestões de otimização do sistema e atua na malha de controle) ou em laço fechado (o sistema atua diretamente nos set-points).

2.3 Descrição do processo de uma indústria de etanol

A produção de etanol se inicia com o preparo e moagem da cana-de-açúcar, matéria-prima do processo. Parte do bagaço obtido do processo de extração é utilizado na caldeira, para a geração de vapor e energia elétrica, enquanto o caldo extraído passa por uma peneira rotativa, a fim de reter o bagacilho, dando origem ao caldo misto.

Este caldo é aquecido, para posteriormente ser enviado aos decantadores, onde ocorre a separação dos materiais particulados, ainda restantes no caldo. Estes sólidos são filtrados e enviados à agrícola (torta).

O caldo clarificado proveniente do decantador segue para o reboiler para uma elevação de sua temperatura (realizando a assepsia) e de seu Brix. Parte deste caldo passa pela evaporação e sofre um aumento considerável em seu Brix (xarope). O caldo e o xarope, em diferentes concentrações, são misturados, originando o mosto.

O mosto é enviado para as dornas, juntamente com a levedura, onde ocorre a fermentação, resultando no vinho bruto, que é centrifugado para a separação da levedura. A levedura segue para as cubas, onde é tratada e retorna à dorna para um novo ciclo de fermentação, enquanto o vinho deslevedurado segue para as colunas de destilação, obtendo-se assim o etanol hidratado ou anidro. Este etanol é armazenado em depósitos para então ser expedido.

• Resultados da utilização do RTO (S-PAA)

Como citado anteriormente, o software S-PAA possui a capacidade de atuar em todos os setores do processo produtivo industrial. Por esta razão, os benefícios adquiridos devido sua utilização são diversos, como por exemplo, o aumento da extração na moenda, aumento na recuperação e rendimentos da planta, equilíbrio energético do processo, redução das perdas, aumento da exportação de energia, diminuição do consumo de bagaço, estabilidade do processo, dentre outras vantagens.