Sistema de monitoramento para plantas de microgeração distribuída de energia em Foz do Iguaçu

Metodologia

O desenvolvimento desta solução foi dividido em duas partes partes metodológicas a partir dos dois produtos principais desenvolvidos: o hardware e o software. O hardware é elemento principal na planta de geração de energia distribuída, chamado de Controlador Lógico Programável (CLP). A principal vantagem é dada pela confiança, robustez e bom nível de manutenção do código fonte. O hardware tem a possibilidade de adição de módulos de expansão com diferentes tipos de entradas/saídas analógicas e digitais em diferentes níveis de tensão. Outra vantagem da escolha desse equipamento é a presença de comunicação MODBUS RS485 (IEC 60870-5-104), que é um protocolo largamente utilizado no meio industrial. No caso da planta mista o hardware é constituído de periféricos (sensores e atuadores) ligados ao CLP através de redes cabeadas, na configuração estrela, escolhida principalmente pela facilidade de adição de novos componentes e o gerenciamento centralizado. No sistema de monitoramento da planta fotovoltaica, instalada em Foz do Iguaçu, o CLP é responsável por coletar as informações oriundas do inversor de frequência, equipamento que interliga o sistema de geração dos painéis fotovoltaicos à rede elétrica. Nessa conexão é utilizada a comunicação MODBUS TCP/IP. Dentre as grandezas monitoradas, pode-se destacar: corrente elétrica, tensão de entrada e saída do inversor, potência elétrica gerada, fator de potência, quantidade de energia produzida, tarifa de energia local e economia alcançada. O sistema também é capaz de coletar dados de uma estação meteorológica com informações sobre as condições climáticas no local da planta como irradiação, velocidade do vento e temperatura, informações fundamentais para entender os padrões de produção da planta. No caso da planta de biogás/biometano, o CLP é responsável pelo controle de processos e envio dos dados referentes à produção da unidade. As principais grandezas monitoradas nesse sistema são: quantidade de grama processada, volume de esgoto processado, volume de resíduo orgânico processado, volume de biogás produzido, volume de biometano produzido e fornecido aos veículos e faturamento por período. O esquema de processo de produção de biogás/biometano esta dividido em 9 etapas. Na primeira etapa realiza-se a coleta e armazenamento dos materiais, a separação dos elementos e as porções diárias em proporções adequadas para a inserção na caixa de mistura. Nesta etapa, o CLP coleta os dados provenientes de uma balança, via MODBUS, para registro de estoque de matéria prima. Na segunda etapa, no sistema de homogeneização o objetivo é realizar a homogeneização, através de uma bomba triturada da biomassa inserida. Esse material é constituído de três diferentes matérias primas, sendo duas delas sólidas, resíduos dos restaurantes e grama, e uma líquida, o esgoto sanitário. Durante este processo, o CLP comanda, controla e coleta as informações provenientes da bomba e demais componentes envolvidos no processo. Após a homogeneização, inicia-se então a etapa de biodigestão nos biorreatores anaeróbios em série. No primeiro, realiza-se a hidrólise da biomassa e no segundo conclui-se o processo de biodigestão em condições mais favoráveis para o desenvolvimento de bactérias metanogênicas que então produzirão o biogás através da decomposição da matéria orgânica pré-digerida. Como subproduto desta etapa, é produzido biofertilizante, que será utilizado como adubo nas extensas áreas verdes da usina hidrelétrica. Em toda essa etapa, o CLP controla a temperatura e o pH da biomassa ao comandar aquecedores e agitadores instalados na planta. Na sequência, o biogás é armazenado em dois gasômetros, a fim de manter uma pressão constante durante o fornecimento desse gás à biorrefinaria. Neste procedimento, o CLP tem a finalidade de coletar os parâmetros de pressão e vazão do gasômetro. Para o aproveitamento do biogás na produção de energia elétrica ou aquecimento, um processo mais simples de purificação é realizado sem a participação da biorrefinaria. A biorrefinaria tem como objetivo realizar o refinamento do biogás para absorção do CO2 em solvente, e do H2S em absorvedor sólido. O CLP apenas realiza o ligamento/desligamento da biorrefinaria, pois a mesma apresenta um controle próprio. O sistema de compressão e envasamento tem o propósito de armazenar o biometano e envolve quatro compressores e cilindros de aço. O CLP, neste ciclo, controla o acionamento dos compressores e recebe informações de pressão nos os compressores e cilindros. Por fim, o biometano é utilizado para abastecimento veicular, enquanto o biogás pode ser utilizado na produção energia elétrico por meio de grupos geradores. Para o desenvolvimento do segundo produto, o software, foi desenvolvida uma metodologia em quatro camadas: Camada de aplicação; Camada de armazenamento; Camada de comunicação; e Camada de dispositivos. Neste modelo, esses elementos de hardware comunicam-se entre si e com as camadas superiores. A camada de comunicação é responsável pela forma arquitetural da comunicação, que trata desde o modelo de comunicação aos protocolos utilizados em cada dispositivo para envio e recebimento de mensagens. Os principais protocolos de comunicação utilizados nesta camada são: Wireless IEEE 802.11, 2G/3G/4G, Ethernet. O software conta também com uma inteligência na camada de armazenamento, que permite armazenar os dados coletados dos dispositivos em rede na nuvem, ou localmente, assim garantindo a integridade dos dados coletados do sistema caso a camada de comunicação se torne instável ou não exista conexão por um determinado momento. A tecnologia de banco de dados local está presente no dispositivo móvel, que utiliza uma série de scripts para testar a conexão. Quando não houver conexão disponível, armazena os dados coletados em um banco de dados local Sqlite. A camada de aplicação trata do sistema que fornece os dados das plantas para o cliente ou administrador das mesmas e permite enviar comandos a serem processados por elementos de camadas inferiores. As informações colhidas desses dispositivos eletromecânicos e eletrônicos passam por um tratamento até a camada de aplicação, podendo ser consultadas diretamente da camada de armazenamento, por exemplo. O software foi desenvolvido pensando na necessidade de usuários de plantas em um ambiente de mini ou microgeração distribuída com diferentes atribuições e diferentes permissões de modo a garantir a segurança e confidencialidade das informações. O sistema suporta os seguintes tipos de usuários: clientes, técnico e administrador. Além disso, o software permite a visualização dos dados e a atuação na planta por meio de um sistema web acessado pelos usuários via navegadores de internet. Foi desenvolvida também uma versão do software para dispositivos portáteis que permite aos usuários do sistema fazer as alterações e visualizarem os dados de suas plantas em seus aparelhos de telefonia móvel rodando IoS ou Android. A interface inclui informações que visam quantificar e qualificar a produção de energia como a relação entre quantidade de energia gerada e o desmatamento de árvores evitado ou a quantidade de CO2 que deixou de ser emitido para a atmosfera devido à utilização de fontes renováveis no processo. Complementando essas funcionalidades, encontra-se o sistema de envio de mensagens de alerta, como a sinalização do status da planta em caso de desligamento inesperado ou de eventos de emergência como o vazamento de gás ou falha de algum equipamento.