Automação e Conservação de Energia no Saneamento

Água é um recurso crítico e em 2014 isto ficou bem evidenciado com os problemas gerados pela estiagem no Brasil. Devido ao baixo nível dos reservatórios, muitas companhias de saneamento estão racionando água ou reduzindo os valores de pressões na rede de distribuição. Além disso, muitas companhias de energia tiveram que diminuir a produção de energia gerada por hidrelétricas (maior fonte de geração de energia no Brasil), o que gerou a necessidade de acionar usinas termelétricas, acarretando no aumento do preço da energia elétrica, que no primeiro semestre de 2014 atingiu o valor máximo permitido por lei.

Segundo a Agência Nacional de Água – ANA (2012), a média brasileira de perda de água é de 38,8%. Porém algumas empresas de saneamento não possuem sistemas de informação e controle adequados, o que pode indicar um percentual de perda ainda maior.

E de acordo com a ABES (2005), cada R$ 1 gasto em conservação de energia, evita R$ 8 de investimento em geração. Além disso, o aumento da eficiência permite que as empresas tenham mais recursos para investir na expansão dos sistemas de água e esgoto.

Conforme os estudos da Schneider Electric, os custos de uma companhia de saneamento são altos e aproximadamente 1/3 deste custo é relativo à energia. Geralmente as companhias de saneamento são os maiores clientes das concessionárias locais de energia. O ciclo da água compreende em captação, adução, tratamento e até distribuição e, considerando o consumo típico de energia neste ciclo, aproximadamente 87% se dá por sistemas de bombeamento, sendo que 67% está na distribuição de água, conforme gráfico abaixo (algumas empresas de saneamento podem divergir destes valores devido a condições geográficas, como uma captação distante ou por gravidade):

Consumo de energia típico no ciclo da água.

Considerando os fatos citados acima e levando em conta que a água doce é um recurso limitado (sendo o Brasil uma das maiores reservas de água doce do planeta, com 13% do total), o crescimento populacional (projeção de crescimento de 8,5% até 2030) e o desenvolvimento industrial (Brasil faz parte dos BRICS países em desenvolvimento), a redução de perda é uma necessidade tanto social e ambiental como para a eficiência do negócio das empresas de saneamento. E para a redução da perda, a automação é um elemento importante, não só dos nível 1 e 2 da pirâmide de automação que é composta pela instrumentação, acionamentos, controladores e supervisório, mas principalmente o nível 3 com a integração de todo o sistema que é formado por um conjunto de softwares como gerenciamento de ativos, modelagem hidráulica, gestão hidráulica, detecção de perda e gestão de energia (o nível 3 depende da automação do nível 1 e 2, mas também pode ser implantada de forma escalonável, começando em pequenas zonas). Neste artigo iremos abordar os sistemas de modelagem e gestão hidráulica.

Pirâmide com os níveis de automação.

Modelagem e gestão hidráulica

Sem inteligência em tempo real sobre o desempenho operacional, sobre os estados da rede e sobre demanda dos clientes, as concessionárias de água enfrentam o desafio de reagir rapidamente a qualquer mudança nestas condições.  Com sistemas SCADA (do inglês Supervisory Control And Data Acquisition – Supervisório de Controle e Aquisição de Dados) é possível o monitoramento parcial da rede, mas eles não oferecem de forma proativa a simulação de impactos sobre a rede de distribuição. Apenas com o SCADA é difícil de responder as seguintes perguntas: Qual é a capacidade da minha rede? Qual o diâmetro da nova tubulação? Posso realizar uma ampliação na rede para um novo loteamento com a mesma infraestrutura de rede, reservatórios e boosters? Qual é a melhor pressão da minha rede em cada ponto dela? Qual é o melhor setpoint de operação para as VRP (Válvulas Reguladoras de Pressão)? Qual o melhor set point de nível dos reservatórios e das bombas? Qual o fluxo de água em uma determinada tubulação durante o dia e a noite? Quais válvulas são necessárias fechar para isolar uma área? Qual a idade da água na tubulação? Para ajudar a responder estas perguntas, alguns softwares de modelagem hidráulica deixaram de ser apenas aplicativos de projeto hidráulico (offline) utilizados de vez  em quando e assumiram a função de um software de gestão e supervisão hidráulica (online), funcionando em tempo real junto com o sistema SCADA e o sistema comercial e trazendo benefícios para os operadores do centro de controle, operadores de campo, projetistas, equipe de manutenção, gestores de  perdas, gerentes, call center e até clientes.

O modelo hidráulico é formado pelos elementos da rede de distribuição, como: tubulações, reservatórios, válvulas, estações de bombeamento, medidores de vazão, medidores de pressão, capacidade de reservatórios e a demanda (consumo). As informações sobre estes elementos podem ser construídas diretamente no modelo hidráulico, mas normalmente são importados de arquivos CAD ou de base de dados GIS (do inglês Geographical Information System – Sistema de Informação Geográfica).

Benefícios para operadores

Com a modelagem e gestão hidráulica é mais fácil de entender a rede de distribuição, pois é possível vê-la por inteiro em tamanho reduzido, como se fosse uma maquete do sistema. No entanto, ela é dinâmica com os valores, sendo estes atualizados de forma online. O operador consegue visualizar claramente as pressões em todas as regiões da rede de abastecimento e identificar os pontos com baixa e alta pressão (para o cálculo das pressões não é necessário possuir medidores em toda a rede, pois com apenas alguns medidores é possível calcular a pressão nas outras tubulações). Nas regiões com baixa pressão significa que alguns moradores estão sem água e com alta pressão significa que existe um potencial para reduzir a pressão da rede naquele ponto. Reduzindo a pressão, os vazamentos existentes também são reduzidos, pois a área da fenda de vazamento é a mesma, mas a pressão da água no interior da tubulação é menor, o que diminui a força da água. Com a pressão menor, a probabilidade de novos vazamentos também diminui. Sendo assim, com a redução das pressões e dos vazamentos, obtêm-se economia de energia, por conta da diminuição do bombeamento da água.

Exemplo de visualização da pressão nas áreas da rede de distribuição, na qual cada cor representa uma faixa de pressão.

Além da pressão, é possível analisar outras informações como: vazão, velocidade, demanda, nível dos reservatórios, etc.

Exemplo de visualização da velocidade da água na rede de distribuição, na qual cada cor da tubulação representa uma faixa de pressão.

Para evitar erros de operação e melhorar o entendimento do comportamento na rede de distribuição de água, o operador pode simular as operações das manobras de válvulas e mudanças de set points em diferentes horários e cenários. Mesmo após uma falha no processo de abastecimento é possível simular quanto tempo o sistema levará para retornar a sua operação normal.

Exemplo de visualização de uma simulação da manobra de uma válvula e o efeito dela após 6 horas.

Com o modelo, torna-se fácil para o operador identificar os principais consumidores na rede.

Com o modelo, torna-se fácil para o operador identificar os principais consumidores na rede.

Para isolar uma área basta selecionar esta opção em um determinado ponto da rede que o software identifica quais válvulas devem ser fechadas, identificando, inclusive, os consumidores que serão afetados. Além disso, é possível enviar um SMS ou e-mail para estes consumidores.

Exemplo de visualização da isolação de uma área e os consumidores afetados.

Os operadores de campo podem utilizar sistemas móveis, como tablets e celulares para a visualização da rede e suas variáveis (pressão, vazão e etc) ou podem receber alarmes por SMS ou e-mail, reduzindo o tempo de atuação para qualquer variação ou incidente.

Benefícios para projetistas e gestores de perda

Com a “maquete” da rede na tela do computador, o projetista consegue dimensionar corretamente a rede, podendo simular e visualizar se a rede existente ou uma ampliação dela está com a pressão e a vazão adequadas ou se é necessário trocar e/ou acrescentar algum item na rede (por exemplo aumentar o diâmetro de uma tubulação existente ou instalar uma VRP). E como o modelo funciona online, os dados de consumo, vazão e pressão sempre estão atualizados o que evita possíveis erros.

O modelo ainda pode auxiliar no dimensionamento automático das tubulações, conforme as necessidades de vazões e pressões. Ele ainda calcula a idade da água em cada tubulação, podendo ser utilizado como um parâmetro de projeto.

Exemplo de análise gráfica da elevação do terreno e da pressão por um trecho da tubulação.

Da mesma forma que o operador, o projetista também pode analisar os principais clientes e pontos críticos na rede para definir as pressões.

E ainda é possível realizar simulações de qualidade como a introdução de algum produto químico na rede para traçar as regiões que este efluente iria contaminar, ou marcar pontos na rede com reclamações de qualidade e verificar quais são as tubulações iniciais comuns (fonte da contaminação) para ocasionar as reclamações.

Benefícios para manutenção e gestores de perdas

Com a integração com o SCADA é possível enviar comandos para as manobras das válvulas através do software de gestão hidráulica. Assim, todas as ordens ficam registradas no software para gerenciamento das operações e essas ordens podem ser visualizadas sobre o mapa.

Exemplo da visualização das ordens das manobras na rede.

É possível verificar qual o material de cada tubulação, a quantidade de tubulações com o mesmo material e a idade da tubulação, para analisar a manutenção nas redes e as perdas. Como são conhecidas as vazões nas ZMC (Zona de Medição e Controle) e são conhecidas as demandas dos clientes, é possível calcular o nível de perda. E com o histórico de vazamentos é possível calcular em quais tubulações dentro da ZMC há maior potencial para vazamentos, apontando assim, quais ZMCs possuem maiores perdas e em quais tubulações devem ser verificadas.

Benefícios para gerentes

É possível a criação de KPIs (do inglês Key Performance Indicator – Indicador Chave de Performance), gráficos e tabelas com qualquer variável do sistema para facilitar a gestão da distribuição de água e a verificação do desempenho.

Benefício para call center e clientes

A equipe de call center pode ter acesso ao software para consultar se a região do cliente está passando por alguma manutenção e se a pressão está baixa.

Exemplo da consulta de um cliente, mostrando a localização e os dados cadastrais.

Os clientes podem ser avisados por SMS ou e-mail para futuras manutenções ou para incidentes ocorridos, assim diminuindo o impacto de uma ação na rede sobre o cliente.

Otimização

Atualmente nas concessionárias de água, os set points dos níveis dos reservatórios e a velocidade das bombas são definidos por meio da experiência com o sistema de água, isto quando os equipamentos não são ligados e desligados pelo conhecimento do operador. As instalações mais automatizadas possuem mais de um set point para um equipamento, mas mesmo assim estes set points são fixos, não mudando com as variações do dia. Então, alguns softwares de modelagem e gestão hidráulica possuem a capacidade de calcular o melhor set point para o sistema e comandar os equipamentos para manter as necessidades de nível, vazão e pressão mais próximos do mínimo necessário (com uma margem de segurança), reduzindo o nível dos reservatórios (coluna de água a ser vencida pelo bombeamento), a pressão e os surtos (variações) na rede, consequentemente reduzindo os vazamentos, bombeamentos, produção de água e gastos com energia.

Comparação do controle de pressão tradicional e o otimizado.

CONCLUSÃO

Os sistemas de distribuição de água nunca terão uma perda igual a zero, muitos países desenvolvidos possuem perdas de aproximadamente 12%. Então as perdas têm que ser combatidas de acordo com o ciclo de melhoria contínua, onde o software de modelagem e gestão hidráulica é uma ferramenta de auxílio muito importante (ele pode atuar nas etapas de medição, análise e solução). Devido ao seu funcionamento online, é fácil de entender e visualizar toda a rede de distribuição e como ela está se comportando em tempo real.

Etapas do ciclo de melhoria contínua

A redução de perdas gera os seguintes benefícios:

• Redução de produtos químicos devido a diminuição da produção de água;
• Redução de energia elétrica devido a diminuição da produção de água, de vazamentos e da pressão da rede;
• Adiamento dos investimentos necessários para atender ao aumento da demanda decorrente do crescimento populacional;
• Aumento da disponibilidade de água para a população;
• Ganho na imagem da concessionária, focada em eficiência, preservação dos recursos naturais e diminuição das reclamações;

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABES – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL. Perdas em Sistemas de Abastecimento de Água: Diagnóstico, Potencial de Ganhos com sua Redução e Propostas de Medidas para o Efetivo Combate, 2013, Goiânia.

 ANA – Agência Nacional de Água, publicado 13/11/2012, último acesso 10/09/2014.

SCHNEIDER-ELECTRIC. Software de Modelagem e Gestão Hidráulica AQUIS, versão 6.0.

Tags: água, Controle os custos, distribuição, Energia, hidrelétrica, racionamento, saneamento