A transição energética começa medindo-se o impacto da atividade humana no meio ambiente. Para reunir essas medidas, você precisa de sensores.
Assim como os sensores da pele humana enviam impulsos de calor e frio ao cérebro, nas máquinas, as mudanças na corrente elétrica são percebidas por sensores e usadas para analisar as condições físicas.
Um sensor é um dispositivo que detecta uma mudança no ambiente e converte estímulos como calor, luz, som, pressão, radiação ou movimento em sinais elétricos. Esses sinais são passados por uma interface que os converte em um código binário e esse código é, então, processado por um computador. Para entender melhor o papel essencial que os sensores industriais desempenham na tecnologia de energia hoje, aqui estão 5 coisas que você precisa saber:
1. Os sensores estão em todo lugar!
Os sensores de pressão são componentes críticos em aviões, trens e automóveis, e você os encontrará até em laptops, smartphones e máquinas de café. Já se perguntou como o meteorologista preveria o clima sem sensores de pressão? Eles também são amplamente adotados em aplicações de energia de petróleo e gás, linhas de montagem de fabricação, laboratórios de ciências, produtos farmacêuticos e qualquer outra coisa. A tecnologia de medição de pressão foi projetada para fornecer alta confiabilidade e precisão nos ambientes mais adversos.
Os sensores industriais também são usados em qualquer lugar que exija medição de líquido ou gás, umidade, oxigênio ou emissões, como geração de energia, água e águas residuais, alimentos e bebidas , petróleo e gás, produtos químicos, produtos farmacêuticos e produção de aço. Entre as regulamentações e a responsabilidade corporativa de melhorar o cenário ambiental, as empresas estão descobrindo que tecnologias de sensores confiáveis podem aliviar a pressão sobre os engenheiros de controle, permitindo que eles concentrem seu tempo na manutenção de um ambiente seguro com dados e insights confiáveis.
Por fim, os sensores desempenham um papel essencial na medição da radiação em locais como usinas nucleares, grandes portos de navegação, instalações de pesquisa de materiais e turbinas a gás e a óleo.
Específicos para petróleo e gás ou aplicações de perfuração de energia geotérmica, os sensores ajudam a informar como posicionar melhor os poços, determinando a geofísica e a petrofísica de um local usando sensores de radiação gama e de nêutrons. Eles ajudam a determinar os tipos de rochas e se contêm óleo, gás ou água. Essas aplicações de perfuração normalmente também usam sensores de campo gravitacional e magnético para identificar a localização da coluna de perfuração subterrânea em relação aos campos magnéticos e gravitacionais da Terra (como se fosse um GPS subterrâneo).
Os sensores de nêutrons são usados em uma ampla gama de aplicações. Na energia nuclear, são usados para determinar o nível de potência do reator para permitir a inicialização, operação e desligamento seguros. Em aplicações de turbinas a gás, sensores UV são usados como um componente de supervisão para detectar a presença de chama antes da injeção de combustível para evitar explosões.
A semelhança de todas essas medições é que elas são invisíveis ao olho humano, mas essenciais para o funcionamento e otimização de sistemas e indústrias.
2. Os sensores são de alta tecnologia
As matérias-primas para produção de sensores variam de materiais comuns, como alumínio, a metais raros, como ródio. O principal desafio é como pegar essas matérias-primas e transformá-las em sensores. Isso requer equipamentos de última geração e especialistas que usam processos bem estabelecidos para a indústria de sensores inteligentes. Alguns dos especialistas em sensores da Baker Hughes estão na empresa há mais de 40 anos, resolvendo muitos problemas do setor industrial por meio de avanços tecnológicos.
Nossa linha de produto especializada em medição de pressão e negócios, Druck, fabrica sensores de silício. As pastilhas do mineral são compradas e, com mais de 300 processos, são transformadas em um elemento sensor. Alguns dos processos incluem micro usinagem e gravura e podem levar até 12 meses para produzir os elementos mais sofisticados.
A Reuter-Stokes, outro negócio da Baker Hughes , desenvolve sensores que usam misturas de urânio especialmente formuladas para medir o alto fluxo de nêutrons em usinas nucleares. O gás hélio-3, um produto muito especializado, foi desenvolvido para medir emissões de nêutrons de baixo fluxo. Eles também utilizam sais inorgânicos que podem ser usados como cintiladores para medir a radiação gama.
Muitos desses materiais especiais usados na fabricação de sensores exigem controle: as misturas de urânio, por exemplo, exigirão programas de segurança contra radiação, que são essenciais para o sucesso. Os sais inorgânicos absorvem a umidade, o que significa operar em um ambiente seco para conter os riscos de contaminação.
Materiais especiais se estendem além do elemento sensor e vão até as estruturas mecânicas de suporte. Como exemplo, se um sensor precisa permanecer dentro de um núcleo de reator por sete anos, os materiais de construção para a carcaça do sensor devem ser escolhidos cuidadosamente para minimizar a ativação e tornar o descarte menos perigoso. Isso normalmente é feito controlando o teor de cobalto nos aços inoxidáveis usados para a construção de habitações.
A radiação também pode causar danos aos materiais de construção, o que pode ser minimizado pela seleção cuidadosa da estrutura do grão e aplicações de perfis especializados de tratamento térmico.
A especialização em robustez é tão importante quanto as matérias-primas. Muitas vezes, os sensores industriais operam em ambientes muito hostis, com temperaturas muito altas no núcleo de uma usina nuclear, altas vibrações, choques e cargas sísmicas. Os sensores são obrigados a continuar a funcionar em condições extremas, semelhante ao que aconteceu com o tsunami no Japão.
Da mesma forma, os cristais inorgânicos usados para detecção gama em aplicações de perfuração são muito frágeis. Isso requer um sistema de suspensão robusto para proteger os cristais durante a vibração, choque e calor encontrados durante a perfuração. Da mesma forma, detectores de nêutrons usados em aplicações de perfuração requerem técnicas especiais para proteger o fio do ânodo (mais fino que um fio de cabelo humano) de quebrar sob vibração.
Além da seleção de materiais, a natureza de certos projetos implica em sinais muito baixos, o que coloca muita ênfase na relação sinal-ruído. Isso significa eliminar vias de vazamento de sinal através da redução de contaminantes, o que normalmente requer o uso de um espaço limpo.
Além disso, os cabos de transmissão de sinal devem ter um design especial com resistência de isolamento muito alta para transportar um sinal muito baixo por uma distância muito longa, com grande potencial para interferências ao longo do caminho.
3. Os sensores podem ajudar o mundo a atingir metas de neutralidade de emissões de GEE
Os sensores podem ajudar a mensurar e, como resultado, melhorar a eficiência do combustível. Por exemplo, a tecnologia de detecção TERPS da Druck, seu dispositivo de maior precisão, pode controlar a pressão dos sistemas de combustível em turbinas a gás, o que ajuda a regular com maior precisão o fornecimento de combustível, proporcionando maior eficiência já que a turbina pode ser controlada para níveis mais altos de parâmetros operacionais.
Sensores de fundo de poço podem ajudar a otimizar a inserção de um novo poço. Ao perfurar menos poços, os programas de perfuração são consequentemente menores em um campo específico, reduzindo a pegada de carbono geral das operações. Além disso, os poços podem ser perfurados mais rapidamente com sensores que podem suportar alta temperatura e alta pressão, reduzindo assim o tempo necessário para a sonda e reduzindo o impacto de cada poço.
Os sensores também podem detectar vazamentos em transformadores para impedir que produtos químicos vazem no ambiente. Medidores de vazão instalados para detecção de vazamentos em infraestruturas como as de distribuição de água podem monitorar a eficiência e reduzir o desperdício, maximizando o fornecimento de água. Os programas de manutenção e integridade de oleodutos e gasodutos são gerenciados graças a dispositivos de inspeção equipados com sensores magnéticos ou ultrassônicos , capazes de medir ameaças de corrosão e rachaduras na parede do tubo. Isso também reduz o risco de vazamentos no ambiente.
A tecnologia de gerenciamento de queima através de sensores já está disponível e, com a medição precisa, vem a redução de emissões. Usando a tecnologia desenvolvida pela Panametrics, um negócio da Baker Hughes , os operadores de petróleo e gás podem obter informações críticas sobre seu sistema de queima, incluindo temperatura, pressão, velocidades do gás de ventilação e composição do gás, para calcular os níveis ideais de desempenho do queimador e garantir 98%+ combustão de flare de alta eficiência. A tecnologia flare.IQ poderia economizar as emissões equivalentes à remoção de 34.000 carros das estradas em uma refinaria de petróleo e gás típica (produtora de 500 mil barris por dia, operando com 70% de eficiência de queima).
4. Os sensores mantêm as máquinas conectadas
O mundo digital é binário, feito de 1s e 0s. Para pegar nosso mundo analógico e digitalizá-lo, precisamos começar com um dispositivo que converta esses sinais. E qual seria o dispositivo? Um sensor! Uma vez que os dados são processados, onde quer que esteja, esse é o primeiro passo para a digitalização da indústria.
Há uma necessidade crescente para o desenvolvimento de novas tecnologias de sensores para fazer mais do que apenas medir pressão, então tecnologias mais recentes podem medir tanto a pressão quanto a temperatura. Em sua jornada de digitalização, alguns operadores podem querer o máximo de informações possível de um sensor para obter uma leitura básica e compreender dados a partir disso.
Ou outros podem querer reunir todos os dados disponíveis de todo o sistema. Nesse caso, seu produto, ou seu IP, são as informações analisadas como resultado dos dados coletados por vários sensores. Por exemplo, os consultores precisam analisar a profundidade da água em um reservatório e dados de chuva para prever as defesas contra enchentes nas cidades. Todos são calculados a partir de leituras de pressão e, em seguida, são capazes de elaborar um algoritmo complexo, para projetar um modelo que manterá a cidade protegida contra inundações. Vastas quantidades de dados de sensores são necessárias para tornar seu produto o mais preciso possível e, finalmente, salvar vidas.
Não importa como um cliente deseja os dados, seja um simples sinal analógico ou um protocolo digital complexo, a tecnologia de sensores industriais precisa ser capaz de oferecer suporte a ambos.
5. Sensores para o futuro da tecnologia energética
Para a próxima geração de transdutores de medidores de vazão ultrassônicos, as equipes de P&D agora estão usando a impressão 3D para criar formas complexas, o que anteriormente não era viável com os métodos tradicionais de usinagem e fabricação.
Como resultado, a qualidade do sinal usando tais transdutores foi significativamente melhorada, pois a forma do sinal para transmitir o feixe foi aprimorada pelas peças impressas. Isso significa que essa tecnologia será aplicável em aplicações mais difíceis para medições de hidrogênio e CO2 , por exemplo, pois os componentes precisam ser muito mais robustos para funcionar nesses ambientes - um fator chave de sucesso na transição energética.
Na economia do hidrogênio, os vazamentos não são aceitáveis do ponto de vista de custo e segurança. O hidrogênio é um combustível caro e altamente energético. Os sensores de detecção de vazamento existentes estão sendo ajustados e novos sensores estão sendo desenvolvidos para suportar as condições de hidrogênio e fornecer medições precisas durante a produção, transmissão ou armazenamento.
Fazer mais com um sensor existente, seja com medições adicionais ou medições mais precisas, aumentará a eficiência discutida anteriormente.
A tecnologia de sensores existente também está sendo testada e adaptada para uso futuro no desenvolvimento de aplicações de energia geotérmica e nuclear.
A tecnologia de detecção testada em esportes de automobilismo funciona sob as condições mais difíceis do ponto de vista de vibração e temperatura, portanto, uma transferência de tecnologia para outras aplicações geralmente faz sentido quando se olha para futuras aplicações de energia.
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