Producción inteligente en frío: un ejemplo de IA aplicada y gemelos digitales en el Karlsruhe Stadtwerke

Stadtwerke Karlsruhe: Sistemas inteligentes para el suministro urbano de frío

La necesidad de usar la energía de manera más eficiente se está volviendo cada vez más importante en los tiempos de cambio climático y aumentar los costos de energía. Esto se aplica no solo a la calefacción y al suministro de energía, sino también al área de la producción de frío, que es particularmente indispensable en áreas urbanas modernas y densamente construidas y para aplicaciones especializadas como centros de datos o instalaciones médicas. Los proveedores de energía urbana, como el Stadtwerke Karlsruhe, tienen una responsabilidad especial aquí. No solo tiene que garantizar la seguridad de la oferta, sino también encontrar formas innovadoras de reducir los costos operativos y, al mismo tiempo, contribuir a la sostenibilidad. Un ejemplo impresionante de cómo se puede lograr esto es la optimización de la producción de frío para el área de Garden Carée en Karlsruhe con la ayuda de tecnologías digitales avanzadas.

Como empresa municipal con alrededor de 1,100 empleados, el Stadtwerke Karlsruhe suministra de manera confiable a más de 400,000 personas en la región con formas esenciales de energía como electricidad, gas natural, calefacción de distrito y agua potable. Parte de esta amplia gama de tareas también incluye la operación y el mantenimiento de sistemas de energía complejos para grandes complejos inmobiliarios, como el sistema de suministro de refrigeración para el Caree de jardín. Esta área es un complejo de construcción multifuncional que alberga una mezcla de apartamentos, espacio de oficina, prácticas médicas, una línea de tienda, restaurantes y un centro de datos crítico. Un suministro de frío sin interrupción y necesidades basadas en el frío es de importancia crucial para el funcionamiento suave de todas las unidades.

El sistema de refrigeración existente de los Carees de jardín de ninguna manera es simple. Combina diferentes tecnologías para permitir el suministro más flexible y potencialmente eficiente. La pieza central es tres máquinas de tórax de absorción que ofrecen la ventaja de que no pueden operarse con electricidad costosa, pero con calefacción de distrito ecológica o incluso esmalte de una refinería cercana. Este sistema se complementa con una máquina fría de compresión convencional con dos completos integrales, que se usa en condiciones de funcionamiento de alto frío o específicos, así como una recurrencia que libera el exceso de calor al medio ambiente.

A pesar del principio de reaccionar de manera flexible a las temperaturas frías y exteriores a través de la combinación de diferentes productores, la compañía de servicios municipales de Karlsruhe enfrentó un desafío común: hubo una falta de transparencia detallada sobre el consumo de energía real del sistema general y la interacción de los componentes individuales. Antes de la introducción de una solución inteligente, la visión de la eficiencia se limitaba esencialmente al balance anual. Al final del año, se podía ver cuántas megavatios se producían horas de frío y cuánta electricidad y calefacción del distrito se gastaron en esto. Sin embargo, no fue posible un análisis detallado de qué componente utilizado a qué hora y si esto estaba en una relación óptima para el frío generado no fue posible. Los responsables de los servicios municipales describieron esta condición como una especie de "vuelo ciego", ya que el potencial de optimizaciones dirigidas permaneció en gran medida oculta.

Objetivo del proyecto: más transparencia y aumento significativo en la eficiencia

Por lo tanto, el objetivo claro de Stadtwerke Karlsruhe era poner fin a este estado de transparencia. No solo querían identificar el potencial de ahorro, sino también implementarlos activa y automáticamente. La solución se encontró en la implementación de la gestión automatizada del sistema de energía. Este sistema, desarrollado por el especialista Factor4Solutions, se basa en el software basado en IA y utiliza el concepto del gemelo digital. La introducción de este sistema permitió un tipo de control fundamentalmente nuevo del sistema de refrigeración y el control de energía altamente detallado.

Al instalar el software y los sensores necesarios, todos los flujos de energía dentro del sistema de refrigeración se hicieron visibles y medibles por primera vez. Parámetros como el flujo de volumen del agua fría y de enfriamiento, las temperaturas en diferentes puntos del sistema, así como el consumo exacto de energía (electricidad y calefacción de distrito) de cada componente individual, desde absorbedores hasta los compresores y bombas hasta el enfriamiento de retorno, ahora se registran y evalúan en tiempo real. Esta base completa de datos es la clave para la optimización. El software ahora puede analizar continuamente qué estados operativos son más económicos. Un ejemplo simple pero efectivo de dicho potencial de optimización, que está descubierto por la adquisición de datos transparentes, es el control de las bombas. Las bombas en los sistemas de frío a menudo se ejecutan independientemente de la necesidad real con un flujo de volumen del 100 por ciento. Sin embargo, el análisis detallado muestra que, dependiendo de los servicios de refrigeración requeridos y el estado del sistema, el 60 por ciento o incluso menos también sería suficiente. La tarifa manual o plana opera tales unidades conduce a un consumo significativo e innecesario de energía.

Un problema con frecuentemente ignorado en los sistemas de frío, que solo es visible a través de un análisis detallado, es el consumo de energía de las unidades auxiliares llamadas. Las bombas, los ventiladores en el enfriamiento de retorno u otros agentes secundarios pueden tener un consumo de electricidad similar o incluso más alto que los productores de refrigeración reales, especialmente si no están controlados de manera óptima. En muchas plantas, la optimización también se limita al componente individual o a un estado operativo idealizado que rara vez se logra en la realidad, generalmente en menos del tres por ciento de todas las horas de funcionamiento. Como resultado, se desperdician cantidades considerables de energía eléctrica durante la operación predominante. La mejora específica de la interacción de todos los componentes de un sistema es exactamente la especialidad de la solución implementada.

Después de seis meses: éxitos tangibles y alto potencial

El software inteligente de Factor4Solutions está buscando un enfoque holístico. No considera cada componente de forma aislada, sino todo el sistema de frío como una unidad dinámica. Los gastos operativos enérgicos de todos los agregados relevantes (productores de frío, bombas, ventiladores, etc.) se evalúan juntos. Esto es posible gracias al uso de gemelos digitales de los componentes individuales y todo el sistema. Un gemelo digital es básicamente un modelo virtual de alta precisión que refleja el sistema real en tiempo real. Este modelo permite que la IA calcule diferentes escenarios operativos y determine continuamente cómo los componentes individuales tienen que trabajar juntos para lograr la máxima eficiencia del sistema.

El sistema ya no está controlado por esquemas rígidos y predefinidos (por ejemplo, una determinada máquina siempre se ejecuta como una carga base, una diferente como una carga máxima), pero es dinámica y de necesidades orientadas. La selección y la regulación de las unidades ahora se seleccionan sobre la base de las condiciones climáticas actuales (temperatura exterior), el requisito de resfriado real y la eficiencia determinada. A través de protocolos de comunicación estandarizados, la gestión inteligente del sistema ofrece los generadores de refrigeración individuales y las unidades auxiliares de manera específica y regula su rendimiento. El resultado es una empresa que logra la mayor eficiencia posible a nivel del sistema en cada situación de carga concebible y en todas las condiciones ambientales.

La efectividad de este enfoque fue demostrada por Stadtwerke Karlsruhe poco después de que se completó la fase de prueba y la comisionada por completo del sistema. Ya en los primeros seis meses después del cambio al control inteligente, los servicios municipales pudieron registrar una reducción significativa en el consumo de energía eléctrica, un ahorro de más del 20 por ciento en comparación con el mismo período del año anterior. Esta ganancia de eficiencia se refleja en los costos operativos y lleva a un ahorro financiero en el rango de cinco dígitos en estos seis meses.

Sin embargo, según los expertos, esto es solo el comienzo. Los primeros seis meses de operación bajo el nuevo control también incluyeron períodos en los que el sistema se basó parcial o completamente en la antigua regulación convencional. El potencial completo de la solución inteligente se desarrolla durante un ciclo anual completo, ya que el estilo de conducción óptimo de los diversos generadores de frío (absorber, compresión, enfriamiento libre) depende en gran medida de la temporada, la temperatura exterior y el requisito específico de frío. Los cálculos de Factor4Solutions, basados ​​en los primeros datos operativos y simulaciones con el gemelo digital, predicen un posible ahorro de energía de más del 40 por ciento durante todo un año de operación. Este ambicioso objetivo ahora está a la vista del Stadtwerke Karlsruhe.

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100 por ciento de seguridad operativa a través de la vigilancia inteligente

Además de la eficiencia energética pura y la reducción de costos, la seguridad de la creación de la compañía es de gran importancia para un proveedor como Stadtwerke Karlsruhe. La disponibilidad continua del frío es obligatoria en particular cuando se suministra un centro de datos, donde incluso las fallas a corto plazo pueden tener graves consecuencias. La solución inteligente ofrece otra ventaja decisiva aquí: el sistema no solo está configurado una vez y luego se maneja, sino que se monitorea, verifica y optimiza permanentemente por el proveedor Factor4Solutions.

Aunque las empresas de servicios municipales también tienen sus propios sistemas de vigilancia y personal calificado, la atención adicional especializada del equipo de expertos de Factor4Solutions con sus profundos conocimientos en el área de tecnología de refrigeración y la optimización del sistema basada en AI representa una valiosa adición. El monitoreo remoto permanente que usa AI a menudo puede reconocer anomalías o problemas potenciales antes de liderar. Gracias al gemelo digital y a la comparación en tiempo real de los datos operativos actuales con el estado ideal del modelo, es posible identificar las desviaciones temprano e informar de manera proactiva a los clientes sobre las fallas inminentes o las medidas de mantenimiento necesarias. Esto permite un mantenimiento predictivo y evita los estándares no planificados. La garantía de la capacidad comercial en todo momento es de importancia fundamental para Stadtwerke Karlsruhe, sobre todo debido a la obligación contractual de entregar referencias, especialmente al centro de datos confidencial en el Carée del jardín.

Introducción e integración de la solución

La introducción e implementación de la solución inteligente fue suave y sin complicaciones desde la perspectiva de la utilidad municipal. La cooperación con el proveedor de servicios externos, que ya supervisa la tecnología de medición y control de la utilidad municipal, fue esencial.

Juntos, los puntos de datos requeridos para la configuración del software fueron identificados y lanzados. Factor4Solutions, que controlaba la solución desde su ubicación en Berlín desde Remote, se había comunicado claramente de antemano qué puntos de datos específicos del sistema del sistema eran requeridos. Esto incluyó, por ejemplo, flujos de volumen, temperaturas y los valores exactos de los medidores de calor y frío.

Después de proporcionar estos datos, el software se configuró muy rápidamente. El sistema se estableció fundamentalmente dentro de un día y pudo iniciar la adquisición de datos y los primeros análisis. Después de solo cuatro a seis semanas, estuvo disponible un primer análisis completo de los datos del sistema. Basado en el conocimiento obtenido de este análisis, el sistema podría estar más fino. Por ejemplo, quedó claro qué puntos de datos adicionales serían útiles para una optimización aún más precisa, y el sistema se expandió y calibró en consecuencia.

Esta integración relativamente simple y rápida hace que la tecnología sea interesante para una variedad de aplicaciones e industrias, donde sea que se usen sistemas de enfriamiento complejos y su eficiencia se incrementa.

La amortización rápida como un fuerte argumento para la expansión de la cooperación

Los efectos positivos de la optimización inteligente del frío fueron muy rápidos y convincentes para el Stadtwerke Karlsruhe. Una mirada al consumo anual de energía y la producción de refrigeración en comparación con el año anterior, incluso si el nuevo control solo funcionó hasta el rango completo durante seis meses, mostró un aumento significativo en la eficiencia y el ahorro de energía medible.

La consideración económica es particularmente gratificante: el período de amortización del sistema es notablemente corto. Los costos anuales que se incurren para el uso del software y el apoyo continuo por parte de los especialistas en tecnología de refrigeración de Factor4Solutions ya están compensados ​​por los ahorros de energía logrados en los primeros cinco meses operativos. Esto significa que el sistema ya genera ahorros de costos que van más allá de los costos del sistema desde el sexto mes del año. Este rápido retorno de la inversión (ROI) es un fuerte argumento para la implementación de tales tecnologías.

En vista de las experiencias positivas y el aumento probado de la eficiencia, no es sorprendente que el Stadtwerke Karlsruhe no solo considere la cooperación con Factor4Solutions, sino que ya está implementando. Otro sistema de suministro de frío de Stadtwerke ahora también está supervisado y optimizado por el sistema inteligente. Además, los servicios municipales operan varios otros sistemas de frío de diferentes tamaños y complejidad, que son potencialmente elegibles para optimizar la solución AI. Dado que la tecnología ha demostrado ser flexible e integrada en casi todos los sistemas de frío comunes, las posibilidades son buenas de que los análisis significativos, las ganancias de transparencia y otro potencial de ahorro también se puedan realizar en estos sistemas mediante el uso de IA y gemelos digitales.

El Proyecto en el Carée Garden en Karlsruhe es un ejemplo exitoso de cómo las tecnologías digitales modernas, en particular la inteligencia artificial y los gemelos digitales, pueden revolucionar la eficiencia energética en un área tradicionalmente intensiva en energía como la refrigeración. Al convertir los sistemas operativos en sistemas transparentes y controlados de manera inteligente, los proveedores de energía no solo pueden ahorrar costos operativos significativos, sino también aumentar la seguridad operativa y hacer una contribución importante a la reducción del consumo de energía y, por lo tanto, a la protección climática. El éxito en Stadtwerke Karlsruhe muestra que las inversiones en sistemas de optimización inteligentes basados ​​en datos esperan y allanan rápidamente el camino para un suministro de energía más sostenible y eficiente. El ahorro inicialmente impresionante de más del 20 por ciento y el potencial predicho de más del 40 por ciento subrayan el enorme potencial que es el control inteligente y la red de los sistemas de energía.

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Konrad Wolfenstein

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