Projeto AutoOpti das DLR e Voith visa Otimização Inteligente para a Energia Hidrelétrica
Em um projeto pioneiro de colaboração, a Voith, uma das líderes mundiais no fornecimento de soluções para usinas hidrelétricas, e o Instituto de Tecnologia de Propulsão do DLR (Centro Aeroespacial Alemão) uniram suas expertises para aprimorar o processo de desenvolvimento de turbinas hidráulicas por meio de métodos avançados de otimização assistidos por inteligência artificial. O objetivo do AutoOpti é transformar de forma significativa a engenharia de turbinas utilizando técnicas inteligentes de otimização. Para isso, as equipes estão criando um sistema multidisciplinar de otimização capaz de aumentar substancialmente a eficiência das turbomáquinas e aprofundar o entendimento físico de fenômenos complexos de escoamento.
A energia hidrelétrica é um dos pilares da matriz energética sustentável. Ao mesmo tempo, as turbinas hidráulicas modernas enfrentam crescente pressão por inovação. Concessionárias e operadores de usinas demandam, cada vez mais, máxima eficiência, longa vida útil e alta confiabilidade operacional, sob condições econômicas e regulatórias cada vez mais rigorosas. Um dos grandes desafios nesse contexto é o projeto de componentes de escoamento complexos, como rotores e pás-guia.
Paralelamente, processos digitalizados e baseados em dados tornam-se cada vez mais importantes para manter a competitividade no mercado global. Além disso, prazos e custos de desenvolvimento estão sob constante escrutínio. Para atender a essas demandas, são necessárias novas abordagens no design de turbinas
A ferramenta AutoOpti do DLR: otimização para sistemas complexos de turbinas
O núcleo do projeto é a ferramenta de otimização AutoOpti, desenvolvida pelo DLR, especificamente para processos automatizados de projeto interdisciplinar e otimização. O software permite integrar modelos de dinâmica de fluidos, mecânica estrutural e outras simulações, incorporando estratégias inteligentes para seleção de projetos e redução de modelos.
Em parceria com a Voith, o AutoOpti está sendo aplicado à otimização fluido-mecânica de componentes de turbinas. Na prática, isso significa que elementos como rotores e pás-guia podem ser ajustados de forma direcionada para minimizar perdas hidráulicas e reduzir tensões mecânicas, muito mais rapidamente do que com métodos convencionais de desenvolvimento.
Como o aprendizado de máquina acelera a evolução das turbinas
Neste projeto de inovação, geometrias reais e condições de contorno provenientes do desenvolvimento de produtos da Voith são integradas em um processo automatizado de otimização. O AutoOpti conduz todo o fluxo: gera novos projetos, executa simulações automaticamente e avalia resultados com base em critérios como eficiência hidráulica, perdas de escoamento e robustez mecânica. Com o uso de modelos substitutos já consolidados (Gaussian Processes), o número de custosos cálculos CFD é significativamente reduzido. Essa combinação permite explorar o espaço de projeto de forma sistemática e eficiente.
Primeiros resultados: ganhos de eficiência já perceptíveis
Mesmo nas fases iniciais, o potencial é evidente: na otimização de uma turbina Francis, o AutoOpti gerou novas variantes de projeto que alcançaram melhorias significativas de eficiência em diversos pontos de operação – mantendo constantes as vazões. Paralelamente, os primeiros modelos substitutos foram treinados com sucesso a partir de dados CFD de alta fidelidade e integrados de forma eficaz ao processo de otimização. Os resultados confirmam: o AutoOpti encurta de maneira significativa o tempo de desenvolvimento e melhora de forma mensurável a qualidade do projeto das turbinas.
Próximos passos do AutoOpti: expansão e novas aplicações
A etapa seguinte será ampliar a aplicação do AutoOpti para outros componentes de turbinas e integrar novas disciplinas físicas ao processo. Também está em avaliação o uso dessa otimização em outras linhas de produtos da Voith.
O Instituto de Tecnologia de Propulsão do DLR acompanha de perto essa evolução – por meio de workshops técnicos, treinamentos específicos e suporte contínuo para a integração dos métodos aos fluxos de desenvolvimento existentes. A meta de longo prazo é transformar essa parceria de sucesso em uma colaboração duradoura.
Além dos métodos tradicionais de aprendizado de máquina utilizados no AutoOpti (como Gaussian Processes), o instituto está desenvolvendo novas abordagens com redes neurais profundas (DNNs) por meio do FlowFormer, baseado em arquiteturas transformer que aproximam diretamente o comportamento tridimensional do escoamento.
Sobre o Grupo Voith
O Grupo Voith é uma empresa global de tecnologia. Com seu amplo portfólio de sistemas, produtos, serviços e aplicações digitais, a Voith estabelece padrões nos mercados de energia, papel, matérias-primas e transporte. Fundada em 1867, a Voith conta atualmente com cerca de 22.000 funcionários, vendas de € 5,2 bilhões e localizações em mais de 60 países ao redor do mundo, sendo assim uma das maiores empresas familiares na Europa.
A Divisão do Grupo Voith Hydro faz parte do Grupo Voith e é um fornecedor líder e parceiro confiável para o equipamento de usinas hidrelétricas. A Voith desenvolve soluções e serviços personalizados e de longo prazo para grandes e pequenas usinas hidrelétricas em todo o mundo. Seu portfólio de produtos e serviços abrange todo o ciclo de vida e todos os principais componentes para grandes e pequenas usinas hidrelétricas, desde geradores, turbinas, bombas e sistemas de automação, até peças de reposição, serviços de manutenção e treinamento, e soluções digitais para hidrelétricas inteligentes..