Cidades inteligentes e a telegestão da iluminação pública

Nota

Elaborado por Enio Neves Ago/2012

No primeiro capítulo do recém lançado livro “Cidades Sustentáveis, Cidades Eficientes” dos arquitetos Carlos Leite e Juliana di Césare Marques, os autores consideram que o século 19 foi o século dos impérios, o século 20 foi o das nações e o século 21 será o das cidades e que as megacidades são o futuro do Planeta Urbano e devem ser vistas como oportunidades e não como um problema.

De fato, as concentrações e a escala de elementos e valores dos grandes centros urbanos trazem um menor consumo de energia per capita porém tem potencial para serem mais eficientes e sustentáveis. Assim devemos estar atentos às enormes perspectivas de aplicação dos avanços tecnológicos, de tecnologias verdes para a implementação da excelência na gestão eficiente dos recursos e sistemas urbanos. Com perspectiva de crescimento da população mundial nos centros urbanos, à taxa de 250.000 pessoas por dia, mais de 3 bilhões de pessoas estarão vivendo em novas cidades, ou áreas urbanas que serão estendidas ou renovadas até o ano de 2050.

Assim há uma incrível pressão pública e urgência para a adoção de planejamento e sistemas de gestão e operação das megacidades transformando-as em “cidades inteligentes e sustentáveis”. A gestão política, a sociedade e a iniciativa privada tem papel fundamental no direcionamento de soluções tecnológicas para que de forma racional e eficiente tenha-se em prática o planejamento e controle da expansão urbana de residências, edifícios, indústria, comércio, serviços, consumo de energia elétrica, o uso racional de água, saneamento, expansão dos meios de comunicação: voz, vídeo e dados, além de melhorias nos campos da saúde, educação, cultura e esportes.

Segundo o relatório da Pike Research de 2011, estima-se que até 2020, serão investidos em infraestrutura para as cidades inteligentes um total de US$ 108 bilhões. Na Europa, foi anunciado em Julho de 2012, pela organização European Union Smart Cities & Communities Innovation Partnership, um fundo com alocação de €365 milhões, destinados exclusivamente para projetos em 2013, focados em sistemas de alta eficiência para aquecimento e refrigeração, medidores inteligentes, gerenciamento de energia em tempo real e soluções para o desenvolvimento de edifícios e condomínios com o conceito de “uso zero de energia”.

Especificamente no que tange a geração e consumo de energia elétrica, observamos hoje, que a matriz de energia elétrica para as cidades é basicamente a mesma desenvolvida há 100 anos atrás. É um fluxo unidirecional onde tem-se a fonte de geração de energia, transmissão, distribuição e entrega da energia para o consumidor.

Com o crescimento desenfreado e não planejado dos grandes centros urbanos, aumentaram-se os riscos e falhas operacionais nesse processo de gerenciamento e controle dessa matriz acarretando inúmeros impactos (variações de tensão e corrente, interrupções na rede, apagões, etc.) no processo de fornecimento de energia ao consumidor e consequentemente trazendo significativos prejuízos sociais e financeiros. Essa matriz possui uma característica tipicamente “reativa” ou seja, na ocorrência de uma situação de risco ou de exceção para o consumidor, desenvolve-se a análise da ocorrência e planos de ação para mitigar-se futuras situações similares.

De uma maneira geral, os planos de ação gerados focam-se sempre na ampliação e adoção de alternativas para os processos de distribuição/ transmissão de energia ou para a a sua geração. É claro que, planos de ação para o aumento da geração de energia ou para a sua transmissão/distribuição, são planos que requerem vultosos investimentos de infraestrutura e anos para a sua consecução. Com a evolução dos microprocessadores e das tecnologias aplicadas em comunicação nos últimos anos, está sendo possível mudar-se a matriz de energia de sua característica “reativa” para “preditiva”.

Denominada comumente por “Smart Grid” ou “Matriz de Energia Inteligente”, essa nova matriz, agrega componentes ou equipamentos dos processos de geração e transmissão de energia que são dotados de capacidade de comunicação para transmitir para uma Central de Operações, informações quanto à sua capacidade, utilização, resposta a demandas imediatas, limites de fadiga dos equipamentos e dessa maneira pode-se, prudencialmente, tomar-se as decisões necessárias quanto a necessidade de intervenções de manutenção, substituição de componentes antes de uma situação de não operacionalidade, priorizar o uso de energia em uma situação de exceção e dessa forma reduzir-se significativamente seus impactos na infraestrutura de operação das grandes cidades.

No processo que envolve o consumidor de energia, grandes mudanças estão ocorrendo e é nesse ponto que podemos analisar o consumo de energia dedicado à iluminação. Cerca de 75% da energia elétrica global, é consumida pelas cidades e 25% em áreas rurais. Estimativas dão conta hoje, de que 20% de toda a energia elétrica gerada é usada para a iluminação.

A Iluminação Pública (rodovias, avenidas, ruas, túneis, praças, parques e iluminação de destaque à edifícios e monumentos) responde pelo consumo de cerca de 20 a 30% nas grandes cidades. Novas tecnologias de iluminação, como a iluminação gerada por diodos emissores de luz (LED) também conhecida por iluminação de estado sólido, podem potencialmente economizar mais de 50% de energia para iluminação em geral. Isto pode representar globalmente, economias da ordem de:

  • 555 milhões de toneladas de CO² por ano;
  • 1,5 bilhões de barris de petróleo por ano;
  • 530 usinas de geração de energia de 2TW h/ano.
  • Longa Vida útil: superior a 60.000 hs com perda inferior a 10% em seu fluxo luminoso ao final dessa evolução da tecnologia de iluminação por LEDs tem demonstrado ser o caminho natural para a substituição da tradicional Iluminação Pública. Com grandes vantagens em relação às fontes convencionais de luz (incandescente, halogena, fluorescente e por descarga de gás), os mais recentes avanços na utilização de LEDs para a iluminação apresentam as seguintes características:se período;
  • Mínima manutenção;
  • Alta eficiência energética: economias em energia podem ser superiores a 70%;
  • Permitem uma grande liberdade no desenvolvimento e design de luminárias;
  • Emitem “luz direta”;
  • Quando brancos, possuem alto índice de reprodução de cores, superiores aos índices obtidos pelas lâmpadas tradicionais, melhorando a visibilidade e a segurança;
  • Acendem instantaneamente;
  • São robustos e a prova de vibração;
  • Não emitem raios Ultra Violeta e raios Infra Vermelhos;
  • Não se aquecem demasiadamente, permitindo operação e manutenção segura;
  • Não são agressivos ao meio ambiente (sem mercúrio e sem chumbo);
  • Equipados com difusores e lentes para a dispersão da luz gerada, proporcionam iluminação mais uniforme e com menor ofuscamento;
  • Contribuem significativamente para a redução da poluição luminosa do planeta;
  • Podem ter sua cor alterada dinamicamente;
  • Podem ter seu fluxo luminoso, alterado dinamicamente (“dimerização”).

Dadas essas importantes características e em especial a longa vida útil, superior a 13 anos com pequena depreciação do fluxo luminoso e mínima manutenção, Luminárias Públicas de LEDs, tendem a fazer parte do “mobiliário urbano”.

De que maneira as luminárias que utilizam tecnologia de iluminação por LEDs aplicada à Iluminação Pública se integram em Matrizes de Energia Inteligentes? Os LEDs por serem de tecnologia de estado sólido, gerando fluxo luminoso alimentados por corrente contínua, se integram com facilidade a circuitos dotados de microprocessadores que podem ser programados para receber/transmitir dados ou comandos através de meios de comunicação remota, para controle operacional da luminária equipada com LEDs.

Luminárias para a Iluminação Pública, projetadas e desenvolvidas com essas características de tecnologia embarcadas são denominadas “luminárias inteligentes” já são uma realidade, podendo proporcionar inúmeras funcionalidades e disponibilizar serviços tais como:

  • Monitoramento Remoto: falhas com a luminária podem ser enviadas automaticamente através de vias de comunicação, reduzindo ao mínimo o tempo de resposta para a reparação e reduzindo drasticamente os custos operacionais de manutenção;
  • Gerenciamento efetivo e inteligente do acervo de Iluminação Pública: registra dados e informações referentes às horas de funcionamento, irregularidades na sua operação e assim permite planejar eficientemente procedimentos de manutenção preventiva, evitando-se bloqueios nas vias públicas;
  • Dimerização inteligente: fluxo luminoso gerado pela luminária pode ser totalmente controlado – diminuído em horários de baixo tráfego na via pública ou aumentado em situações que requerem aumento da segurança;
  • Supervisão e segurança: podem ser agregados sensores de presença e/ou câmeras para a captura de imagens estáticas ou em vídeo, receber comandos operacionais para piscar em diversas frequências codificadas, para ações de segurança pública;
  • Disseminação de informações: podem, por exemplo, transmitir informações de alerta de tráfego, de emergência, atrasos ou falhas operacionais em transportes públicos, através de faixas de frequência de telefonia celular;
  • Mensuração inteligente: pode capturar de maneira instantânea ou periódica, informações oriundas de medidores inteligentes: energia elétrica, gás, água, etc., e enviá-las diretamente para a concessionária de serviços, minimizando os custos de captura dessas informações pelos métodos tradicionais;

A comunicação é o ponto central de uma luminária inteligente. A comunicação para permitir as funcionalidades acima descritas, pode ser efetuada por PLC – Power Line Carrier e/ou RF – Rádio Frequência. Comandos, programas e rotinas de operação, podem ser enviados por esses meios de comunicação à microprocessadores embarcados nas luminárias que os armazenam em memórias para a sua operação. Uma visão esquemática de arquitetura básica para a instalação de luminárias públicas inteligentes, pode ser observada na figura 1.

cidades-inteligentes-figura-1

A integração das redes de Iluminação Pública com luminárias inteligentes telegerenciadas e Medidores Inteligentes de Consumo, possibilita uma enorme gama de oportunidades de serviços sociais urbanos e comerciais. Os Medidores Inteligentes já estão disponíveis em diversos mercados e em múltiplas versões: para coleta de informações de consumo energia elétrica, consumo de água e consumo de gás. Possuem também modelos diferenciados para aplicações em residências, comercio e indústria.

Os Medidores Inteligentes desenvolvidos para mensuração da energia elétrica, podem capturar informações de utilização e consumo em equipamentos dotados de microprocessadores e sensores. Para o ambiente residencial, já estão sendo comercializados no mercado dos EUA, diversos utensílios domésticos tais como, fornos de micro-ondas, máquinas de lavar e de secar roupas, lava-louças, etc., equipados com esses microprocessadores e sensores que os habilitam a enviar dados de sua utilização (tempo de uso, horário de início de operação, horário de termino de operação, consumo de energia elétrica) via rádio frequência em rede wi-fi doméstica ou diretamente ao Medidor Inteligente.

Estima-se que nos EUA até 2015, cerca de 50% de todos os equipamentos eletrônicos residenciais, estejam dotados dessa capacidade. Analogamente, nos ambientes comerciais e industriais, fabricantes de equipamentos de ar condicionado e aquecedores já os estão equipando com microprocessadores e sensores similares.

A Figura 2 demonstra, de forma simplificada, como pode ser a arquitetura de integração de entre a Telegestão da Iluminação Pública e a coleta de informações de Medidores Inteligentes.

cidades-inteligentes-figura-2

Como pode-se perceber, podemos obter uma grande sinergia na integração da Telegestão da Iluminação Pública e o consumidor de energia. Com a captura dos dados efetuada pelos Medidores Inteligentes e transmitidas via rede de Iluminação Pública tele gerenciada, as concessionárias de serviços, poderão compreender melhor os hábitos e costumes do consumidor de energia e oferecer planos de utilização de energia menos onerosos aos munícipes, comércio e indústria, ao mesmo tempo em que a capacita a eliminar picos de consumo que podem sobrecarregar toda a Matriz de Energia Inteligente.

Esse tipo de integração, proporciona de imediato para as concessionárias, a eliminação dos custos nos processos de captura das informações de medidores tradicionais. Para a administração das cidades, a infraestrutura de telegestão da Iluminação Pública, pode oferecer oportunidades comerciais tornando-se em veículo para o transporte de informações e oferta de serviços.

Concluindo:

  • A transição para a tecnologia de iluminação com luminárias de LED trará significativa melhoria aos padrões de qualidade de iluminação porém, por sí só, não será suficiente para atingir a demanda de elevados níveis globais de economia de energia;
  • Soluções interoperáveis e resilientes, são requeridas para trazer economias significativas em termos de energia, gerenciamento e custos operacionais elevando a um novo nível a sustentabilidade do planeta e o conforto de vida;
  • As cidades devem procurar migrar e integrar os seus serviços públicos em uma arquitetura integrada, ecologicamente correta, de forma a aumentar sua eficiência, economia, qualidade e controle;
  • A Telegestão da Iluminação Pública com luminárias inteligentes, hoje, já pode oferecer oportunidades para aumento dessa eficiência permitindo a integração de uma miríade de serviços, atendendo as demandas sociais e urbanas ao mesmo tempo em que pode contribuir de forma decisiva para a Matriz de Energia Inteligente.