Estudo sobre iluminação inteligente em armazéns (smart lighting)

Em seu livro Warehousing 5.0, os professores Eric Grosse e Christoph Glock se aprofundam nesse conceito que coloca os armazéns como pilares centrais da vantagem competitiva e do sucesso empresarial e reconhece sua grande influência na eficácia das cadeias de suprimentos. O livro, que contou com a colaboração de vários pesquisadores, resume os resultados dos estudos mais recentes sobre o assunto e oferece um guia para gerentes transformarem seus processos.

Grande parte das emissões de gases de efeito estufa de instalações industriais provém de aquecimento, resfriamento, ar condicionado e iluminação. Nos armazéns, esta última pode supor até 65% da demanda de energia, o que tem um impacto significativo nos custos operacionais e na pegada de carbono da instalação.

A busca por maior eficiência energética e o uso crescente de energia renovável impulsionaram soluções inovadoras em casas, redes elétricas, cidades e fábricas inteligentes. Os diodos emissores de luz (do inglês light-emitting diode, LED) se tornaram uma fonte de iluminação popular e energeticamente eficiente.

Uma das caraterísticas dos sistemas de iluminação inteligentes (SII) ou smart lighting systems, é a melhoria da qualidade da luz e a elevada eficiência energética, conseguidas através da tecnologia LED e de controles de iluminação inteligentes. Os sistemas tradicionais consistem normalmente em luminárias controladas por interruptores. Em contrapartida, os SII utilizam componentes como sensores de movimento ou de luz natural para ajustar a intensidade e até a cor de acordo com as condições ambientais e as necessidades do usuário.

Aplicações em logística

Grandes espaços nos armazéns para preparação de pedidos, com áreas que permanecem desocupadas por longos períodos ou que podem aproveitar a luz natural, são uma oportunidade para a implementação de sistemas de iluminação inteligente (SII). A qualidade da luz desempenha um papel crucial, pois, afeta o desempenho dos pickers. A má visibilidade pode provocar operações mais lentas, maior probabilidade de erros e maior risco de acidentes.

Vale ressaltar que as regulamentações trabalhistas de cada país costumam especificar requisitos menos exigentes. Por exemplo, os regulamentos técnicos da Alemanha estabelecem um nível mínimo de iluminação para armazéns entre 50 e 300 lux, dependendo da área de trabalho. Em instalações onde é necessário ler uma etiqueta ou especificação ao realizar tarefas como busca e seleção durante o picking, são necessários apenas 200 lux. No entanto, é necessário um nível de iluminação de três a quatro vezes maior para uma leitura clara.

A qualidade da luz desempenha um papel crucial, pois, afeta o rendimento dos pickers

A implementação de tecnologias LED em armazéns pode contribuir para a redução do consumo de energia durante todo o processo de preparação de pedidos. A atualização da iluminação convencional com soluções de LED permite obter uma economia de energia de mais de 50% e, dependendo da configuração, pagar a reforma em menos de três anos.

No campo de preparação de pedidos, onde os trabalhadores realizam tarefas que exigem grande esforço físico e mental, a implementação do SII pode trazer benefícios significativos para seu bem-estar e produtividade. A incorporação de tecnologia de iluminação controlável pode melhorar o desempenho, a autonomia e a satisfação no trabalho.

Estudo de caso em um armazém

Em nossa pesquisa, conduzimos um experimento e uma simulação para ilustrar os efeitos de possíveis instalações de sistemas de iluminação inteligentes (SII).

Para o primeiro, obtivemos dados de uma empresa italiana especializada na fabricação de válvulas de latão para os setores de água e gás. Suas instalações abrangem uma área de 4.300 m², dos quais 3.500 m² são destinados ao armazenamento. De planta retangular, o armazém mede 75 x 45 m, possui estantes para paletes onde o picking é feito manualmente e há algumas janelas que fornecem luz natural. A atividade ocorre em dois turnos de oito horas por dia, cinco vezes por semana.

Após uma auditoria energética exaustiva, descobriu-se que a iluminação era responsável por até 30% do consumo total da instalação. A empresa, que originalmente utilizava lâmpadas de iodetos metálicos no armazém, decidiu melhorar sua infraestrutura para reduzir o consumo de energia. Seguiu as diretrizes da EN 12464-1, que especifica os requisitos de iluminação para espaços de trabalho internos, e implementou uma substituição de luminárias, em vez de apenas lâmpadas, para minimizar custos durante a modernização.

A implementação de tecnologias LED em armazéns pode contribuir para a redução do consumo de energia durante todo o processo de preparação de pedidos

A empresa incorporou o SII através de sensores de luz natural e detectores de movimento. Essa integração permitiu o controle dinâmico dos níveis de iluminação considerando a influência da luz natural. Dessa forma, o sistema conseguiu adaptar a intensidade de cada corredor em função do seu uso.

Após a instalação, os dados foram coletados por 12 meses. Os resultados foram surpreendentes: o consumo no armazém diminuiu cerca de 80%. Vale ressaltar que isso se beneficiou significativamente da detecção da luz do dia, o que gerou mais economia durante o verão.

Consumo de energia para iluminação [kWh] no armazém (adaptado de Füchtenhans et al., 2023)
Extraído do livro 'Warehousing 5.0' de Christoph H. Glock y Eric H. Grosse

A implementação de sistemas inteligentes também resultou em um aumento de cerca de 50 lux no piso dos corredores do armazém. O custo total da modificação das instalações foi de 18.000 €, equivalente a 2.500 € por kW de potência de iluminação instalada. Com economia substancial de energia e iluminação aprimorada, o investimento resultou em um período de retorno de 1,9 anos.

Estratégias para economizar

De modo a obter mais informações sobre a forma como o SII influencia o desempenho, também desenvolvemos um modelo de simulação num armazém de preparação de pedidos manual. Consideramos aspectos da sua configuração e operações, bem como a dimensão, os padrões de procura, o número de preparadores de pedidos, as atribuições de armazenamento e as políticas de lote. Assim, implementamos quatro estratégias que representam diferentes graus de tecnologias de iluminação inteligente:

• Os dois primeiros sistemas iluminaram completamente todos os corredores durante as operações.
• O terceiro reduziu a intensidade em corredores que não estavam em uso no momento.
• O quarto incorporou áreas de atividades totalmente iluminadas e reduziu a iluminação além dessas áreas.

A simulação mostrou que sistemas inteligentes podem reduzir o consumo de energia em até 87% em comparação com a iluminação convencional de armazéns em tempo integral. No que diz respeito aos possíveis períodos de retorno dos investimentos em armazéns, os resultados da nossa simulação, do estudo de caso e de uma série de entrevistas com especialistas levaram às seguintes conclusões:

• Em um armazém de 7.500 m² com 7.000 horas de iluminação anual, o consumo médio anual total de energia usando lâmpadas fluorescentes é de 1.792 MWh, a um custo de 322.560 € (assumindo um preço de 0,18 kWh).
• Com a substituição das lâmpadas por lâmpadas LED, esse número é reduzido para 1.174 MWh, a um custo de 211.320 € por ano.
• A integração de sensores de luz natural para aproveitar 4,4 horas de luz solar por dia e um sistema de controle ajustável poderia gerar economias adicionais e reduzir o consumo para 987 MWh, 177.600 € por ano.
• Se a vida útil média for de 15.000 horas para lâmpadas fluorescentes e 50.000 horas para LED, a manutenção das primeiras equivaleria a 576.000 € ao longo de dez anos.
• A modernização ou reformulação necessária para implementar o sistema LED é estimada em um milhão de euros, mas os custos de manutenção são eliminados neste cenário.

Com essas suposições, o período de retorno do investimento para um sistema de iluminação sem horas de luz solar é de 5,9 anos, e se ele fosse equipado com sensores de luz natural que contabilizassem 4,4 horas de luz solar por dia, seria de 4,9.