Refrigeração inteligente: um exemplo de aplicação de IA e gêmeos digitais nas concessionárias municipais de serviços públicos de Karlsruhe

Serviços Públicos Municipais de Karlsruhe: Sistemas inteligentes para refrigeração urbana

A necessidade de usar a energia de forma mais eficiente torna-se cada vez mais importante em tempos de mudanças climáticas e aumento dos custos de energia. Isso se aplica não apenas ao aquecimento e ao fornecimento de eletricidade, mas também ao resfriamento, que é indispensável, especialmente em áreas urbanas modernas e densamente povoadas, e para aplicações especializadas, como data centers ou instalações médicas. As empresas de fornecimento de energia municipais, como a Stadtwerke Karlsruhe, têm uma responsabilidade especial nesse sentido. Elas devem não apenas garantir a segurança do fornecimento, mas também encontrar maneiras inovadoras de reduzir os custos operacionais, contribuindo simultaneamente para a sustentabilidade. Um exemplo impressionante de como isso pode ser alcançado é a otimização do resfriamento para o complexo GartenCarée em Karlsruhe, utilizando tecnologias digitais avançadas.

Como empresa de serviços públicos municipais com aproximadamente 1.100 funcionários, a Stadtwerke Karlsruhe fornece de forma confiável mais de 400.000 pessoas na região com fontes de energia essenciais, como eletricidade, gás natural, aquecimento urbano e água potável. Parte dessa ampla gama de responsabilidades inclui a operação e a manutenção de sistemas complexos de energia para grandes complexos de edifícios, como o sistema de refrigeração do GartenCarée. Este complexo é multifuncional e abriga uma variedade de apartamentos, escritórios, consultórios médicos, lojas, restaurantes e um centro de dados crítico. Um fornecimento de refrigeração ininterrupto e sob demanda é essencial para o bom funcionamento de todas as unidades.

O sistema de refrigeração existente na GartenCarée não é de forma alguma simples em seu projeto. Ele combina diferentes tecnologias para permitir o fornecimento mais flexível e potencialmente mais eficiente em termos energéticos possível. No seu núcleo, encontram-se três chillers de absorção, que oferecem a vantagem de poderem operar não com eletricidade cara, mas com aquecimento urbano ecológico ou mesmo com calor residual de uma refinaria próxima. Este sistema é complementado por um chiller de compressão convencional com dois compressores, que é utilizado quando a demanda de refrigeração é alta ou sob condições operacionais específicas, bem como por uma torre de resfriamento que dissipa o excesso de calor para o ambiente.

Apesar da possibilidade fundamental de responder de forma flexível à demanda de refrigeração e às temperaturas externas, combinando diferentes fontes de energia, a empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe enfrentava um desafio comum: a falta de transparência detalhada em relação ao consumo real de energia de todo o sistema e à interação dos componentes individuais. Antes da implementação de uma solução inteligente, as informações sobre eficiência se limitavam essencialmente ao balanço anual. Embora fosse possível determinar, ao final do ano, quantos megawatts-hora de refrigeração foram produzidos e quanta eletricidade e aquecimento urbano foram consumidos no total, não era possível realizar uma análise detalhada de qual componente consumiu quanta energia, em que horário e se essa proporção era ideal em relação à refrigeração produzida. Os responsáveis ​​na empresa de serviços públicos municipal descreveram essa situação, com propriedade, como uma espécie de "voo às cegas", já que o potencial para otimizações direcionadas permanecia em grande parte oculto.

Objetivo do projeto: Maior transparência e ganhos significativos de eficiência

O objetivo claro da empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe era, portanto, acabar com essa falta de transparência. Eles queriam não apenas identificar potenciais economias, mas também implementá-las de forma ativa e automática. A solução residia na implementação de um sistema automatizado de gestão de energia. Esse sistema, desenvolvido pela especialista Factor4Solutions, é baseado em software com inteligência artificial e utiliza o conceito de gêmeo digital. A introdução desse sistema possibilitou uma forma fundamentalmente nova de controlar o sistema de refrigeração, bem como um monitoramento de energia altamente detalhado.

A instalação do software e dos sensores necessários tornou todos os fluxos de energia dentro do sistema de refrigeração visíveis e mensuráveis ​​em detalhes pela primeira vez. Parâmetros como a vazão volumétrica da água gelada e de resfriamento, as temperaturas em vários pontos do sistema e o consumo exato de energia (eletricidade e aquecimento urbano) de cada componente individual – dos absorvedores aos compressores e bombas, até a torre de resfriamento – agora são registrados e analisados ​​em tempo real. Essa base de dados abrangente é a chave para a otimização. O software agora pode analisar continuamente quais condições de operação são as mais econômicas. Um exemplo simples, porém eficaz, desse potencial de otimização, revelado pela aquisição transparente de dados, é o controle das bombas. Frequentemente, as bombas em sistemas de refrigeração operam com 100% da vazão volumétrica, independentemente da demanda real. No entanto, uma análise detalhada mostra que, dependendo da capacidade de refrigeração necessária e da condição do sistema, 60% ou até menos seriam suficientes. Operar essas unidades manualmente ou de forma invariável leva a um consumo significativo e desnecessário de eletricidade.

Um problema frequentemente negligenciado em sistemas de refrigeração, que só se torna evidente através de análises detalhadas, é o consumo de energia dos equipamentos auxiliares. Bombas, ventiladores na torre de resfriamento ou outras unidades auxiliares podem, por vezes, consumir energia semelhante ou até superior à das próprias unidades de refrigeração, especialmente se não forem controladas de forma otimizada. Além disso, em muitos sistemas, a otimização limita-se a componentes individuais ou a um estado operacional idealizado que raramente é alcançado na realidade – tipicamente em menos de três por cento de todas as horas de funcionamento. Isto resulta num desperdício significativo de energia elétrica durante a maior parte do tempo de operação. A melhoria direcionada da interação de todos os componentes do sistema é precisamente a especialidade da solução implementada.

Após seis meses: Sucessos tangíveis e alto potencial

O software inteligente da Factor4Solutions adota uma abordagem holística. Ele não considera cada componente isoladamente, mas sim todo o sistema de refrigeração como uma unidade dinâmica. O consumo de energia de todas as unidades relevantes – chillers, bombas, ventiladores, etc. – é avaliado em conjunto. Isso é possível graças ao uso de gêmeos digitais dos componentes individuais e de todo o sistema. Um gêmeo digital é essencialmente um modelo virtual de alta precisão que espelha o sistema real em tempo real. Esse modelo permite que a IA calcule diversos cenários de operação e determine continuamente como os componentes individuais devem trabalhar em conjunto de forma ideal para atingir a máxima eficiência do sistema.

O sistema não é mais controlado por esquemas rígidos e predefinidos (por exemplo, uma máquina específica sempre opera em carga base e outra em carga de pico), mas sim de forma dinâmica e baseada na demanda. A seleção e o controle das unidades agora são baseados nas condições climáticas atuais (temperatura externa), na demanda real de refrigeração e na eficiência determinada. Utilizando protocolos de comunicação padronizados, o sistema inteligente de gerenciamento ativa e regula seletivamente a potência de cada chiller e unidade auxiliar. O resultado é uma operação que atinge a máxima eficiência possível em nível de sistema, em todas as situações de carga concebíveis e sob todas as condições ambientais.

A eficácia dessa abordagem tornou-se evidente na empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe logo após a conclusão da fase de testes e o comissionamento completo do sistema. Nos primeiros seis meses após a transição para o controle inteligente, a empresa registrou uma redução significativa no consumo anual de eletricidade – uma economia de mais de 20% em comparação com o mesmo período do ano anterior. Esse ganho de eficiência se reflete diretamente nos custos operacionais e já resultou em economias financeiras de cinco dígitos nesses primeiros seis meses.

Mas, segundo especialistas, isso é apenas o começo. Os primeiros seis meses de operação com o novo sistema de controle também incluíram períodos em que o sistema funcionou parcial ou totalmente de acordo com os controles antigos e convencionais. O potencial total da solução inteligente se revela ao longo de um ciclo anual completo, já que o modo de operação ideal dos diferentes chillers (absorvedor, compressão, resfriamento livre) depende muito da estação do ano, da temperatura externa e da demanda específica de refrigeração. Cálculos da Factor4Solutions, baseados em dados operacionais iniciais e simulações com o gêmeo digital, preveem uma economia potencial de energia de mais de 40% ao longo de um ano inteiro de operação. Essa meta ambiciosa agora está firmemente no radar da empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe.

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Confiabilidade operacional de 100% por meio de monitoramento inteligente

Além da pura eficiência energética e da redução de custos, a confiabilidade operacional do sistema é de suma importância para uma empresa de serviços públicos como a Stadtwerke Karlsruhe. Especialmente ao abastecer um data center, onde mesmo breves interrupções podem ter sérias consequências, a disponibilidade contínua de refrigeração é absolutamente essencial. A solução inteligente oferece outra vantagem crucial: o sistema não é apenas configurado uma única vez e gerenciado de forma independente, mas é monitorado, testado e otimizado continuamente remotamente pelo fornecedor, a Factor4Solutions.

Embora a empresa de serviços públicos municipal possua seus próprios sistemas de monitoramento e pessoal qualificado, o suporte adicional e especializado da equipe de especialistas da Factor4Solutions, com seu profundo conhecimento em tecnologia de refrigeração e otimização de sistemas com suporte de IA, representa um valioso complemento. Através do monitoramento remoto contínuo com o uso de IA, o sistema consegue detectar anomalias ou problemas potenciais antes que causem uma falha. Graças ao gêmeo digital e à comparação em tempo real dos dados operacionais atuais com o estado ideal do modelo, os desvios podem ser identificados precocemente e os clientes podem ser informados proativamente sobre falhas iminentes ou medidas de manutenção necessárias. Isso possibilita a manutenção preditiva e evita paradas não planejadas. Garantir a disponibilidade operacional em todos os momentos é fundamental para a empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe, principalmente devido à sua obrigação contratual de fornecer refrigeração, em especial para o centro de dados sensível em GartenCarée.

Introdução e integração da solução

Do ponto de vista da concessionária municipal de serviços públicos, a introdução e implementação da solução inteligente ocorreram sem problemas e sem complicações. A colaboração com o provedor de serviços externo, que já gerencia a tecnologia de medição e controle da concessionária, foi essencial nesse processo.

Em conjunto, os pontos de dados necessários para a configuração do software foram identificados e aprovados. A Factor4Solutions, que gerencia a solução remotamente a partir de sua sede em Berlim, comunicou claramente com antecedência quais pontos de dados específicos do sistema de controle da planta eram necessários. Estes incluíam, por exemplo, vazões, temperaturas e as leituras precisas dos medidores de calor e frio.

Assim que esses dados foram fornecidos, o software foi configurado muito rapidamente. Em um dia, o sistema estava basicamente pronto e podia começar a coleta de dados e a análise inicial. Após apenas quatro a seis semanas, uma primeira análise abrangente dos dados da planta estava disponível. Com base nas informações obtidas a partir dessa análise, o sistema pôde ser ainda mais aprimorado. Por exemplo, ficou claro quais pontos de dados adicionais seriam úteis para uma otimização ainda mais precisa, e o sistema foi expandido e calibrado de acordo.

Essa integração relativamente simples e rápida torna a tecnologia fundamentalmente interessante para uma ampla variedade de aplicações e indústrias, sempre que sistemas de refrigeração complexos estiverem em uso e sua eficiência precisar ser aumentada.

Amortização rápida como um forte argumento para expandir a cooperação

Os efeitos positivos da otimização inteligente do resfriamento tornaram-se evidentes de forma rápida e convincente para a concessionária municipal de Karlsruhe. Uma comparação do consumo anual de energia e da produção de resfriamento com o ano anterior, mesmo com o novo sistema de controle em pleno funcionamento há apenas seis meses, já demonstrava um aumento significativo na eficiência e uma economia de energia mensurável.

O aspecto econômico é particularmente animador: o período de amortização do sistema é notavelmente curto. Os custos anuais de utilização do software e o suporte contínuo dos especialistas em refrigeração da Factor4Solutions são compensados ​​pela economia de energia obtida nos primeiros cinco meses de operação. Isso significa que, a partir do sexto mês do ano, o sistema gera uma economia líquida que supera os custos iniciais. Esse rápido retorno sobre o investimento (ROI) é um argumento convincente para a implementação de tais tecnologias.

Dadas as experiências positivas e os ganhos de eficiência comprovados, não é surpresa que a empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe não só esteja considerando expandir sua colaboração com a Factor4Solutions, como já a esteja implementando. Outro dos sistemas de refrigeração da empresa agora também está sendo gerenciado e otimizado pelo sistema inteligente. Além disso, a empresa opera diversos outros sistemas de refrigeração de tamanhos e complexidades variadas, que são potencialmente adequados para otimização com o uso da solução de IA. Como a tecnologia se mostrou flexível e integrável a praticamente todos os sistemas de refrigeração comuns, há uma boa chance de que análises significativas, maior transparência e potencial de economia adicional possam ser alcançados também nesses sistemas por meio do uso de IA e gêmeos digitais.

O projeto da GartenCarée em Karlsruhe é um exemplo bem-sucedido de como as tecnologias digitais modernas – especialmente a inteligência artificial e os gêmeos digitais – podem revolucionar a eficiência energética em um setor tradicionalmente intensivo em energia, como o de refrigeração. Ao transformar instalações operacionais em sistemas transparentes e controlados de forma inteligente, os fornecedores de energia podem não apenas obter economias significativas nos custos operacionais, mas também aumentar a confiabilidade operacional e dar uma contribuição vital para a redução do consumo de energia e, assim, proteger o clima. O sucesso na empresa de serviços públicos municipal de Karlsruhe demonstra que os investimentos em sistemas de otimização inteligentes e baseados em dados se pagam rapidamente e abrem caminho para um fornecimento de energia mais sustentável e eficiente. As economias iniciais impressionantes de mais de 20% e o potencial projetado de mais de 40% ressaltam o enorme potencial inerente ao controle inteligente e à interconexão de sistemas de energia.

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Konrad Wolfenstein

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