Como a Vitens aumentou a eficiência operacional em 7% através de medições de activos em tempo real

A estratégia ambiciosa da Vitens para melhorar a sustentabilidade através da eficiência industrial

"Cada Gota Sustentável", é esta a visão no coração da Vitens, a maior empresa de água potável dos Países Baixos. A empresa fornece água potável de alta qualidade a 5,6 milhões de pessoas e empresas em 7 das 12 províncias holandesas. A Vitens compreende que a água potável fiável é uma necessidade para a nossa saúde e bem-estar, e que assegurar o fornecimento deste recurso essencial tem de ser sustentável e rentável. Como uma empresa que coloca a responsabilidade global no centro da sua visão a longo prazo, a Vitens está empenhada em criar um ecossistema de água sustentável até 2030.

Para tal, a Vitens está a investir em soluções inovadoras, utilizando dados de forma inteligente para melhorar o seu desempenho operacional. Através da medição contínua (em tempo real) e da utilização de algoritmos, cálculos de modelos e análise de cenários, é possível produzir e fornecer uma qualidade e quantidade de água potável mais constante e fiável. Isto coloca a Vitens na vanguarda da inovação do sector da água para melhorar a eficiência e a sustentabilidade. A redução do consumo de energia e das emissões desempenha um papel fundamental neste percurso para a Vitens, especialmente tendo em conta as questões relacionadas com as alterações climáticas, um mercado energético volátil e o aumento dos preços da energia. As bombas são a força vital das operações diárias da Vitens, sendo a maior parte do consumo de eletricidade utilizada na extração de águas subterrâneas e na distribuição de água potável. A melhoria do desempenho e da eficiência das bombas terá, por conseguinte, um impacto positivo nas operações da Vitens, reduzindo o consumo de energia, os custos e o impacto ambiental.

A Vitens estabeleceu uma parceria com a Samotics para realizar um projeto-piloto de prova de valor numa das instalações de produção. O objetivo deste piloto era demonstrar a capacidade das soluções de monitorização contínua de activos da Samotics para melhorar o desempenho e a eficiência energética de bombas críticas. A Samotics foi escolhida devido ao desempenho que tem demonstrado nesta área na indústria da água. Este estudo de caso destaca como este piloto melhorou a eficiência operacional de uma estação de bombeamento Vitens em mais de 7% com a implementação de mudanças simples no processo.

Analisar uma parte importante de uma vasta rede de água

Para poder fornecer continuamente água potável fiável e a preços acessíveis, a Vitens necessita de uma vasta infraestrutura de água potável. São necessários 117 campos de extração com 1250 poços de extração de água subterrânea, 100 estações de tratamento de água, 49 000 quilómetros de condutas de água e 1400 empregados para fornecer 350 milhões de m³ de água por ano numa vasta área dos Países Baixos. No centro desta atividade estão milhares de bombas, incluindo bombas de furos e bombas de distribuição de água potável. Em 2021, o consumo de energia em toda a rede da Vitens ascendeu a 171 GWh. A Vitens tem planos ambiciosos para reduzir este nível de consumo de energia como parte dos seus objectivos de sustentabilidade para 2030. Estima-se que em toda a indústria, a nível mundial, até 40% de energia utilizada por equipamento industrial acionado por motores eléctricos é desperdiçada devido a ineficiências operacionais, desajustes processo-máquina e danos em desenvolvimento. Por conseguinte, existe uma grande margem para melhorar a eficiência em todos os sectores.

A unidade de produção da Vitens em Hoenderloo, na província holandesa de Gelderland, foi escolhida como o local ideal para realizar este projeto-piloto de prova de valor com o Samotics. Nesta instalação, a Vitens bombeia água para a superfície utilizando um grupo de bombas de furo. Depois de ser tratada, a água limpa é distribuída para três locais através de estações de bombagem dedicadas no local.

Implementação de uma solução analítica avançada que possa ser integrada nos sistemas da Vitens

Desde 2010, a Vitens tem estado a trabalhar no programa de inovação SLIMM, que significa Self Learning Integrated Model based Management. O objetivo deste projeto é digitalizar e automatizar os processos de gestão da rede de água, de modo a que a qualidade da água potável produzida e distribuída possa ser continuamente controlada, e da forma mais eficiente e eficaz possível. Um elemento chave do piloto de Hoenderloo foi determinar se a solução analítica avançada Samotics poderia ser integrada com o sistema SLIMM da Vitens. Isso foi bem-sucedido.

Foi implementada uma solução analítica combinada Samotics para a monitorização contínua de todas as 17 bombas na unidade de produção de Hoenderloo (nove bombas de furo e oito bombas de distribuição de água limpa). Esta solução consistia em: sensores de energia, que foram instalados no interior do armário de controlo do motor das bombas para recolher dados eléctricos; um gateway para o processamento inicial do sinal
e distribuição; e acesso à plataforma analítica de referência da Samotics para transformar estes dados eléctricos em recomendações de desempenho/eficiência dos activos. Sem a necessidade de instalar sensores em nenhuma das bombas, a instalação pôde ser feita rapidamente e a análise de dados pôde ser iniciada.

Um elemento-chave desta solução total, que abrange especificamente a eficiência energética, chama-se SAM4, cujos resultados são abordados neste estudo de caso. A solução foi implementada para determinar a sua capacidade de localizar e diagnosticar o desperdício de energia nas bombas e gerar soluções para estas questões, de modo a ajudar a Vitens a reduzir o consumo de energia, os custos e as emissões associadas a estas bombas. A um nível mais alargado, a SAM4 centra-se na eficiência total da configuração do motor da bomba no terreno, distinguindo a eficiência do motor e da bomba por ativo (eficiência do componente), analisando a eficiência do ativo (configuração completa da bomba) e um nível mais elevado
eficiência (como estações de bombagem com bombas colocadas no mesmo local).

Ao incorporar análises avançadas na sua estratégia e sistemas de gestão da água, a Vitens pretendia determinar onde é que estas bombas não estavam a funcionar nos modos de operação mais eficientes (o mais próximo possível do ponto de melhor eficiência) ou onde poderiam estar potencialmente sobredimensionadas para o seu objetivo.

Localizar as ineficiências energéticas das bombas e gerar soluções

Durante o projeto-piloto, a atenção centrou-se em três bombas de distribuição de água potável que constituem o núcleo de uma estação de bombagem que distribui água potável a Otterlo/Ede, situada não muito longe das instalações de produção de Hoenderloo. Estas bombas são fundamentais para o abastecimento de água aos clientes, tanto nas horas de ponta como nas horas de vazio. É bastante comum ter várias bombas de diferentes tamanhos a trabalhar em conjunto em locais específicos para satisfazer as variações da procura. As três bombas de distribuição de água limpa incluem duas bombas de distribuição maiores de 55 kW (RNP8 e RNP9) e uma bomba de distribuição menor de 11 kW (RNP7). Veja a ilustração abaixo para uma visão geral da configuração.

Após a instalação dos sensores, a plataforma SAM4 informou a Vitens de que as duas bombas maiores (RNP8 e RNP9) eram frequentemente utilizadas de forma ineficiente para fornecer caudais que poderiam ser cobertos de forma independente e muito mais eficiente pela bomba mais pequena. O SAM4 determinou ainda que uma parte significativa das perdas de energia se devia ao modo de funcionamento, introduzindo perdas de eficiência operacional na bomba e no motor elétrico associado, representando cerca de 10% das perdas de eficiência totais.

Curva da bomba (em cima) mostrando áreas de operação muito distantes do ponto de melhor eficiência da bomba RNP8 em fevereiro de 2022 (RNP9 mostrou operação ineficiente semelhante). Pode ser visto nas métricas (em baixo) geradas pelo SAM4 Energy que a eficiência destas duas bombas de 55kW é de cerca de 69%, abaixo do que é classificado como operação eficiente.

As perdas operacionais das bombas RNP8 e RNP9 são responsáveis por cerca de 10% de perdas totais de eficiência. Estas perdas podem ser reduzidas através da melhoria do funcionamento das bombas.

Pôr em prática os conselhos gerados e acompanhar as melhorias das bombas

A Vitens implementou duas alterações de configuração simples aconselhadas pela plataforma SAM4 para conseguir um bombeamento mais eficiente durante os períodos de baixo caudal. Na primeira fase destas actividades, o limiar de caudal de comutação foi ajustado: o limiar de caudal a que a bomba de 11 kW fornecia caudal foi aumentado, uma vez que a bomba de 11 kW podia fornecer o caudal baixo de forma independente e mais eficiente do que duas bombas de 55 kW. O caudal resultante, o consumo de energia e a eficiência foram posteriormente monitorizados utilizando a plataforma SAM4.

A segunda fase desta alteração operacional aumentou a velocidade da bomba de 11kW, de modo a alargar ainda mais a gama de funcionamento útil da bomba mais pequena para fornecer um maior caudal à pressão necessária. Isto foi efectuado através do aumento da frequência de alimentação do VFD, sem exceder a potência nominal do motor e as capacidades da bomba. Isto resultou numa maior gama de caudal viável para a bomba de 11kW, ligando as bombas maiores apenas quando tal era verdadeiramente necessário.

As duas simples alterações de processo implementadas tiveram um efeito significativo na eficiência das três bombas de uma das estações de bombagem da unidade de produção de Hoenderloo. Tendo em conta a distribuição do tempo de funcionamento, da pressão e do caudal nas situações antiga e nova, a eficiência eléctrica global da estação de bombagem aumentou em 7,1%.

Após a implementação das duas alterações de processo, cada bomba estava a funcionar mais em condições de funcionamento mais eficientes (zonas verdes) e menos em condições mais ineficientes (zonas vermelhas). Aqui está a situação de uma das bombas maiores de 55 kW antes (esquerda) e depois (direita) da implementação das mudanças no processo.

Validação dos resultados

Uma vez implementadas estas simples alterações no processo, a melhoria da situação pôde ser vista imediatamente através da plataforma SAM4 no monitor de energia e na curva da bomba gerada. As mudanças operacionais relativamente simples puderam ser feitas sem investimento adicional e resultaram em todas as três bombas operando mais perto de seus melhores pontos de eficiência. Isto aumentou a eficiência e a fiabilidade da bomba. A eficiência total da estação de bombagem melhorou em 7,1%, tendo em conta a distribuição do tempo de funcionamento, pressão e caudal nas situações antiga e nova.

Isto traduz-se numa poupança anual de eletricidade de 2 500 euros nas três bombas e numa redução associada de 9,2 toneladas de CO2, apenas com base na redução de energia. Um outro aspeto importante é o facto de um funcionamento ineficaz poder duplicar as probabilidades de avaria e reduzir a vida útil do equipamento industrial. Isto implica que podem ser obtidas mais poupanças com a melhoria da saúde operacional.

Estamos a ver que a maior parte da energia é consumida na Vitens pelas bombas para distribuir água limpa aos nossos clientes. Com este projeto-piloto SAM4, verificámos muito rapidamente que há muito a ganhar com a melhoria da eficiência operacional das bombas, reduzindo assim o seu consumo de energia, sem deixar de satisfazer a procura.

Rein Wuestman, Engenheiro de processos, Vitens

Uma perspetiva brilhante para o abastecimento sustentável de água

Para fornecer água aos seus clientes de uma forma mais sustentável, a Vitens está a procurar meios mais inovadores para responder aos desafios que enfrenta até 2030 e mais além. Com os custos crescentes e a volatilidade associada ao mercado da energia, está a tornar-se ainda mais importante reduzir o consumo de energia, tanto do ponto de vista dos custos como da sustentabilidade.

Para a Vitens, o trabalho em conjunto com a Samotics demonstrou que a utilização de análises avançadas de dados energéticos numa das suas estações de bombagem garantiu poupanças anuais recorrentes no consumo de energia, custos e uma redução das emissões associadas. O método utilizado para realizar as poupanças de energia nesta avaliação é também extremamente aplicável a outras bombas da rede Vitens.

A realização deste projeto-piloto de prova de valor SAM4 revelou-se uma experiência positiva para a Vitens e a Samotics. Demonstrou como a eficiência eléctrica pode ser significativamente melhorada, e num curto espaço de tempo, através da localização de ineficiências energéticas em bombas industriais, gerando soluções concretas para essas ineficiências e implementando mudanças simples no processo que não envolvem nenhum investimento adicional.

Demonstrou também que a implementação de um sistema deste tipo pode ser efectuada rapidamente e integrar-se nos sistemas da Vitens. Para a Vitens, isto significa que a transição para um ecossistema de água mais sustentável está muito mais próxima.