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, a compreensão da eficiência se limitava 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 momento 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.

Do local ao global: PMEs conquistam o mercado mundial com uma estratégia inteligente - Imagem: Xpert.Digital

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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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