Otimização energética e automação de sistemas de bombeamento em estações de tratamento de água: estudo de caso e proposta de controle parametrizável

Abstract

A crise hídrica que atingiu a Região Metropolitana de São Paulo entre 2014 e 2016 evidenciou a vulnerabilidade do abastecimento da maior metrópole do país e impulsionou a diversificação de mananciais, da qual resultou o Sistema Produtor São Lourenço (SPSL), inaugurado em 2018 e responsável pelo abastecimento de diversos municípios da região oeste da Grande São Paulo. Como a operação contínua desse sistema depende de processos eletrointensivos de bombeamento, e como o saneamento responde por parcela expressiva do consumo nacional de energia elétrica, sendo a eletricidade uma das principais componentes dos custos operacionais do setor, é apresentado um diagnóstico energético da Estação de Tratamento de Água (ETA) Vargem Grande, unidade central do SPSL, a partir de dados operacionais obtidos pelo sistema supervisório Elipse® ao longo de um semestre de operação. Foram processados dados horários de potência ativa, vazão e nível dos motores de recalque, distribuídos em dois grupos hidráulicos com alturas manométricas distintas. O Indicador de Eficiência Energética (IEE) obtido para a estação já se encontra abaixo do limite de referência estabelecido pelo PROCEL/Sanear, evidenciando um desempenho energético satisfatório e servindo como linha de base para futuras avaliações. A unidade opera sob a Modalidade Tarifária Azul, que exige a contratação independente de uma demanda para o posto de ponta e de outra para o posto fora de ponta. Como contribuição aplicada, propõe-se uma estratégia de deslocamento de carga implementada em Texto Estruturado (ST) na plataforma Codesys®, baseada em uma biblioteca parametrizável de blocos de função, que utiliza a capacidade de armazenamento dos reservatórios de distribuição para antecipar o bombeamento a horários de menor custo, elevando os níveis antes da ponta e reduzindo a operação dos conjuntos motobomba durante esse intervalo. Os dois reservatórios de distribuição considerados são geridos de forma independente, por meio de setpoints específicos de nível e bloqueio seletivo, sem comprometer o revezamento operacional baseado em horímetro. A modulação fina dos conjuntos motobomba apoia-se nos inversores de frequência (VFD), atualmente instalados em apenas parte das bombas, recurso de eficiência energética no controle de vazão cuja extensão às demais bombas ampliaria os ganhos da estratégia. A aplicação da estratégia possibilita reduzir de forma expressiva o bombeamento durante o Horário de Ponta, com foco especial na renegociação da demanda contratada junto à distribuidora, mecanismo central para a obtenção de economia financeira. A arquitetura segue as diretrizes do Plano de Integração dos Sistemas Operacionais (PISO 2.0) e foi concebida para ser replicada em outras unidades do Sistema São Lourenço sem alterações no código-fonte. Os resultados permitem inferir a viabilidade técnica da estratégia, preservando a continuidade operacional do sistema e a segurança do abastecimento da população atendida.

The water crisis that affected the São Paulo Metropolitan Region between 2014 and 2016 exposed the vulnerability of the country's largest metropolis and drove the diversification of water sources, which resulted in the São Lourenço Water Production System (SPSL), inaugurated in 2018 and responsible for supplying several municipalities in the western region of Greater São Paulo. Because the continuous operation of this system relies on energy- intensive pumping processes, and because the sanitation sector accounts for a significant share of national electricity consumption, with electricity being one of the main components of the sector's operating costs, an energy assessment is presented of the Vargem Grande Water Treatment Plant (WTP), the central unit of the SPSL, based on operational data obtained through the Elipse® supervisory system over a semester of operation. Hourly data on active power, flow rate, and level were processed for the pumping motors, distributed across two hydraulic groups with distinct manometric heads. The Energy Efficiency Indicator (EEI) obtained for the plant already lies below the reference threshold established by PROCEL/Sanear, indicating a satisfactory energy performance and serving as a baseline for future evaluations. The unit operates under the Blue Tariff Modality, which requires separate contracted demands for the peak and off-peak periods. As an applied contribution, a load shifting strategy is proposed, implemented in Structured Text (ST) on the Codesys® platform and based on a parameterizable library of function blocks, which uses the storage capacity of the distribution reservoirs to anticipate pumping to lower-cost periods, raising their levels before the peak period and reducing the operation of the motor-pump sets during that interval. The two distribution reservoirs considered are managed independently, through specific level setpoints and selective blocking, without compromising the operational rotation based on running-hour meters. The fine modulation of the motor-pump sets relies on the variable frequency drives (VFDs) currently installed on only part of the pumps, an energy-efficiency resource for pump flow control whose extension to the remaining pumps would enhance the strategy. Applying the strategy makes it possible to substantially reduce pumping during the peak period, with particular emphasis on renegotiating the contracted demand with the utility, the central mechanism for achieving financial savings. The architecture follows the guidelines of the Operational Systems Integration Plan (PISO 2.0) and was designed to be replicated in other units of the São Lourenço System without changes to the source code. The results allow inferring the technical feasibility of the strategy, preserving the operational continuity of the system and the supply security of the population served.