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

 

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.

Figura 1- Variabilidade e Técnicas de Controle.

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”.

Figura 2 – Componentes do S-PAA e fluxo das informações.

 

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.

Para efeito de exposição e comparação dos dados, será apresentado neste trabalho apenas o critério de aumento da exportação de energia elétrica. Dados, estes, obtidos por algumas empresas sucroenergéticas clientes da Soteica Brasil.

A implementação do software de gerenciamento e otimização em Tempo Real nas plantas sucroenergéticas apresentaram resultados financeiros positivos, retornando o investimento e rendendo lucro para as usinas.

A seguir, “Tabela 1”, são apresentados os ganhos gerados a partir da utilização do S-PAA.

 

Tabela 1 – Resultados do aumento de exportação em empresas que implementaram o S-PAA.

Usina

Aumento de exportação (MWh) Ganho financeiro (R$/h) Ganho financeiro (R$/safra)
BALDIN BIONERGIA 5,27 1.159,40 5.797.000,00
BEVAP BIONERGIA 0,80 176,00 880.000,00
USINA ESTIVA 1,23 270,60 1.353.000,00
PARANACITY- USAÇUCAR 3,56 783,20 3.916.000,00
PITANGUEIRAS AÇÚCAR E ÁLCOOL LTDA 1,52 334,40 1.672.000,00
TAPEJARA – USAÇUCAR 3,87 851,40 4.257.000,00
USINA VERTENTE – GUARANI 4,90 1.078,00 5.390.000,00

Fonte: SOTEICA Ideas & Technology (2017).

Figura 4 – Valores de consumo de vapor para dias com faixas de moagem semelhantes (Tapejara – USAÇUCAR).

Para padronização dos cálculos, utilizou-se como base o valor de venda da energia elétrica de R$ 220,00/MWh, sendo uma safra considerada de 5000 horas efetivas.

É de fácil visualização, através da “Tabela 1”, que os ganhos financeiros obtidos em uma safra proporcionam um retorno significativamente rápido para o investimento realizado.

O foco de atuação do S-PAA, no caso da maximização da exportação da energia elétrica, é a estabilização e minimização do consumo de vapor no processo, e o equilíbrio energético de toda a planta. O software, calcula assim, de forma on-line, a necessidade de entalpia em cada ponto do processo e determina sua origem mais econômica e equilibrada.

Além disso, a utilização da operação em Laço Fechado (o sistema atua diretamente nos set-points), possui a vantagem de acelerar a captura de dos ganhos previstos pelo software, e pode agregar um ganho adicional nas operações onde a atuação manual demandaria um esforço e uma prontidão além do razoável. Há também os casos em que vários cálculos de equilíbrio devem ser executados no intervalo de segundos, com precisão acima da capacidade humana.

A gestão do processo possibilita a estabilização do vapor de toda planta, acompanhada do equilíbrio energético, reduzindo, desta forma, a utilização de vapor por tonelada de cana moída, e consequentemente, refletindo no aumento da exportação de energia elétrica.

A “Figura 4’ e a “Figura 5” apresentam um comparativo da utilização do S-PAA com o modo de operação Manual para faixas semelhantes de moagem de cana. A “Figura 4” exibe os dados referentes ao consumo de vapor por tonelada de cana, e a “Figura 5” a exportação de energia elétrica. Ambos os dados são referentes à Usina Santa Teresinha – USAÇUCAR, unidade de Tapejara (PR).

Figura 5 – Valores de exportação de energia elétrica para dias com faixas de moagem semelhantes (Tapejara – USAÇUCAR).

Além do aumento direto na exportação de energia elétrica, a estabilização do balanço energético da planta traz vários ganhos adicionais, como citado anteriormente. Um exemplo disso é ilustrado na “Figura 6”, que apresenta os ganhos referentes ao primeiro ano de implantação do S-PAA em diferentes unidades do grupo USAÇUCAR Santa Terezinha (PR), mostrando também as fases de implantação: energia, processo e laço fechado.

Figura 6 – Ganhos do Grupo USAÇUCAR Santa Terezinha (PR) com a utilização do software S-PAA.

Com a implantação do programa em suas unidades, o grupo USAÇUCAR atingiu um retorno financeiro de 8 milhões de dólares, como apresentado acima. Desta forma, o retorno financeiro da implantação da otimização em tempo real é um dos maiores fatores para a tomada de decisão e adesão sistema.

  • CONCLUSÃO

Com implantação da otimização em tempo real (RTO), no caso específico do software S-PAA, é possível realizar uma modelagem global dos processos e suas utilidades. Seu algoritmo é capaz de verificar, em intervalos de segundos, os parâmetros operacionais, trazendo assim uma maior rentabilidade para o processo. Seu uso no setor sucroenergético está, em grande parte, baseado no retorno financeiro que o investimento proporcionará com o aumento da produção e/ou redução dos custos da planta. Porém, outros fatores relevantes devem ser alcançados, como a padronização e estabilidade operacional, agilidade na atuação e o conhecimento da planta como um todo, garantindo assim a operação dentro dos fundamentos da química e das especificações operacionais dos equipamentos.

Agradecimentos

Agradeço a Douglas Castilho Mariani, Consultor de Negócios da Soteica, pela concessão dos dados utilizados no trabalho. Agradeço também ao Eng. Luiz Lacerda Filho pela disponibilidade e auxílio para confecção deste artigo.

REFERÊNCIAS

CAMOLESI, Valmir J.; MORO, Lincoln L.; ZANIN, Antônio C.. Implantação de um otimizador em tempo real (RTO) no conversor de uma unidade de craqueamento catalítico. Sba Controle & Automação, Natal, vol.19, n.2, abril/junho 2008.

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA. Indústria 4.0: novo desafio para a indústria brasileira. Sondagem Especial: Indústria 4.0, Brasília, ano 17, n. 2, abril 2016.

HUGOT, E. Manual da Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou, 1969. 2v.

JESUS, Normando José Castro. Otimização em Tempo Real em um Processo Industrial de Produção de Etileno. Rio de Janeiro, 2011. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

MESSIAS, Josias. É Possível Otimizar uma Usina em Tempo Real?.Net, jan. 2016. Disponível em: <http://www.prousinas.com.br/2016/01/12/e-possivel-otimizar-uma-usina-em-tempo-real/> Acesso em: 11 abril 2018.

RIBEIRO, Carlos A. F.; BLUMER, Solange A. G.; HORII,  Jorge. Fundamentos de Tecnologia Sucroalcooleira, Tecnologia do Álcool. Piracicaba, 1999.

SILVA, E. et al. Automação & Sociedade: Quarta revolução industrial, um olhar para o Brasil. Rio de Janeiro: Brasport, 2018.

SOTEICA Ideas & Technology. Disponível em: < https://www.soteica.com.br/> Acesso em: 10 abril 2018.

REAL TIME OPTIMIZATION (RTO) IN AN ETHANOL INDUSTRY

Abstract: Technological advances and globalization increasingly lead to a competitive market, which aims at maximizing profits, productivity and, in particular, reducing costs. The Sugar-energy sector characteristics, such as raw material instability, dependence on climatic conditions, market oscillations, and legal and environmental restrictions make these objectives difficult to achieve. In this way, the use of tools and methods that act on the various plant operating parameters become essential. The objective of this work is to present the benefits of the implementation of a real time optimization system (RTO) in the sugar-energy sector, dealing specifically with S-PAA software developed by Soteica. For this, we presented comparative data of companies that implemented the system, confronting periods without the use of optimization. The criterion employed for the study was the increase in the plant electricity exportation, thus concluding that the financial return for the investment in the system is fast and can be easily visualized, in addition to several other advantages that the system can offer.

Clique e leia na íntegra o artigo publicado no JornalCana de maio/2018

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