Production à froid intelligente: un exemple d'IA appliqué et de jumeaux numériques au Karlsruhe Stadtwerke

Stadtwerke Karlsruhe: Systèmes intelligents pour l'approvisionnement à froid urbain

La nécessité d'utiliser l'énergie plus efficacement devient de plus en plus importante en période de changement climatique et d'augmenter les coûts énergétiques. Cela s'applique non seulement au chauffage et à l'alimentation électrique, mais aussi à la zone de production froide, qui est particulièrement indispensable dans les zones urbaines modernes et densément construites et pour des applications spécialisées telles que les centres de données ou les installations médicales. Les fournisseurs d'énergie urbaine, comme le Stadtwerke Karlsruhe, ont une responsabilité particulière ici. Vous devez non seulement assurer la sécurité de l'approvisionnement, mais aussi trouver des moyens innovants de réduire les coûts d'exploitation et en même temps contribuer à la durabilité. Un exemple impressionnant de la façon dont cela peut être réalisé est l'optimisation de la production froide pour la région de Garden Carée à Karlsruhe avec l'aide de technologies numériques avancées.

En tant qu'entreprise municipale avec environ 1 100 employés, le Stadtwerke Karlsruhe fournit de manière fiable plus de plus de 400 000 personnes dans la région avec des formes essentielles d'énergie telles que l'électricité, le gaz naturel, le chauffage district et l'eau potable. Une partie de ce large éventail de tâches comprend également le fonctionnement et l'entretien de systèmes énergétiques complexes pour les grands complexes immobiliers, tels que le système d'approvisionnement de réfrigération pour la carié de jardin. Cette zone est un complexe de construction multifonctionnel qui abrite un mélange d'appartements, de bureaux, de pratiques médicales, d'une ligne de magasin, de restaurants et d'un centre de données critique. Un approvisionnement à froid sans interruption et sans besoins est d'une importance cruciale pour le fonctionnement en douceur de toutes les unités.

Le système de réfrigération existant des carés de jardin n'est en aucun cas simple. Il combine différentes technologies pour permettre l'alimentation la plus flexible et potentiellement efficace. La pièce maîtresse est de trois machines à thorat d'absorption qui offrent l'avantage qu'ils ne peuvent pas être utilisés avec une électricité coûteuse, mais avec un chauffage de district respectueux de l'environnement ou même un glaçage à partir d'une raffinerie voisine. Ce système est complété par une machine à froid de compression conventionnelle avec deux complexe, qui est utilisé dans des conditions de fonctionnement élevées ou spécifiques, ainsi qu'une récidive qui libère l'excès de chaleur à l'environnement.

Malgré le principe de réagir de manière flexible aux températures froides et extérieures grâce à la combinaison de différents producteurs, la société de services publics municipaux de Karlsruhe a été confrontée à un défi commun: il y avait un manque de transparence détaillée sur la consommation d'énergie réelle du système global et l'interaction des composants individuels. Avant l'introduction d'une solution intelligente, le compréhension de l'efficacité s'est essentiellement limitée au bilan annuel. À la fin de l'année, vous pouviez voir combien de mégawatts de froid étaient produits et combien d'électricité et de chauffage de district ont été consacrés à cela. Cependant, une analyse détaillée des composants utilisés à quelle heure et si cela était dans un rapport optimal par rapport au rhume généré n'était pas possible. Cette condition a été bien décrite par les responsables des services publics municipaux comme une sorte de «vol aveugle», car le potentiel d'optimisations ciblées est resté largement caché.

Objectif du projet: plus de transparence et une augmentation significative de l'efficacité

L'objectif clair de Stadtwerke Karlsruhe était donc de mettre fin à cet état de transparence. Ils voulaient non seulement identifier le potentiel d'épargne, mais aussi les implémenter activement et automatiquement. La solution a été trouvée dans la mise en œuvre de la gestion automatisée du système d'énergie. Ce système, développé par le Facteur 4Solutions spécialisé, est basé sur des logiciels basés sur l'IA et utilise le concept du jumeau numérique. L'introduction de ce système a permis un type de contrôle fondamentalement nouveau du système de réfrigération et un contrôle d'énergie très détaillé.

En installant le logiciel et les capteurs nécessaires, tous les flux d'énergie dans le système de réfrigération sont devenus visibles et mesurables pour la première fois. Des paramètres tels que l'écoulement du volume de l'eau froide et de refroidissement, les températures à différents moments du système ainsi que la consommation exacte d'énergie (électricité et chauffage district) de chaque composant individuel - des absorbeurs aux compresseurs et aux pompes au refroidissement de retour - sont maintenant enregistrés et évalués en temps réel. Cette base de données complète est la clé de l'optimisation. Le logiciel peut désormais analyser en permanence quels états opérationnels sont les plus économiques. Un exemple simple mais efficace d'un tel potentiel d'optimisation, qui est découvert par l'acquisition transparente des données, est le contrôle des pompes. Les pompes dans les systèmes froids fonctionnent souvent quel que soit le besoin réel avec un flux de volume à 100%. Cependant, l'analyse détaillée montre que, en fonction des services de réfrigération et de l'état du système requis, 60% ou même moins seraient également suffisants. Le manuel ou le taux forfaitaire exploite ces unités conduit à une consommation d'énergie significative et inutile.

Un problème fréquemment négligé dans les systèmes froids, qui n'est visible que par une analyse détaillée, est la consommation d'énergie des unités auxiliaires SO. Les pompes, les ventilateurs dans le refroidissement de retour ou d'autres agents latéraux peuvent avoir une consommation d'électricité similaire ou même plus élevée que les producteurs de réfrigération réels, surtout s'ils ne sont pas contrôlés de manière optimale. Dans de nombreuses plantes, l'optimisation est également limitée à la composante individuelle ou à un état opérationnel idéalisé qui est rarement atteint dans la réalité - généralement dans moins de trois pour cent de toutes les heures de fonctionnement. En conséquence, des quantités considérables d'énergie électrique sont gaspillées pendant le fonctionnement prédominant. L'amélioration ciblée de l'interaction de toutes les composantes d'un système est exactement la spécialité de la solution implémentée.

Après six mois: succès tangibles et potentiel élevé

Le logiciel intelligent de Factor4Solutions poursuit une approche holistique. Il ne considère pas chaque composant isolément, mais l'ensemble du système froid comme une unité dynamique. Les dépenses de fonctionnement énergiques de tous les agrégats pertinents - producteurs froids, pompes, ventilateurs, etc. - sont évalués ensemble. Ceci est rendu possible par l'utilisation de jumeaux numériques des composants individuels et de l'ensemble du système. Un jumeau numérique est essentiellement un modèle virtuel à haute provision qui reflète le système réel en temps réel. Ce modèle permet à l'IA de calculer différents scénarios de fonctionnement et de déterminer en continu comment les composants individuels doivent travailler ensemble pour atteindre l'efficacité du système maximale.

Le système n'est plus contrôlé par des schémas rigides et prédéfinis (par exemple, une certaine machine s'exécute toujours comme une charge de base, une autre charge comme une charge de pointe), mais dynamique et axée sur les besoins. La sélection et la régulation des unités sont désormais sélectionnées sur la base des conditions météorologiques actuelles (température extérieure), de l'exigence de froid réelle et de l'efficacité déterminée. Grâce à des protocoles de communication standardisés, la gestion des systèmes intelligents fournit les générateurs de réfrigération individuels et les unités auxiliaires de manière ciblée et régule leurs performances. Le résultat est une entreprise qui atteint l'efficacité la plus élevée possible au niveau du système dans chaque situation de charge imaginable et dans toutes les conditions environnementales.

L'efficacité de cette approche a été démontrée par le Stadtwerke Karlsruhe peu de temps après la fin de la phase de test et la mise en service entièrement du système. Dès les six premiers mois après le passage au contrôle intelligent, les services publics municipaux ont pu enregistrer une réduction significative de la consommation d'énergie électrique - une économie de plus de 20% par rapport à la même période l'année précédente. Ce gain d'efficacité se reflète dans les coûts d'exploitation et a entraîné une économie financière dans la fourchette à cinq chiffres dans ces six mois.

Cependant, selon les experts, ce n'est que le début. Les six premiers mois de fonctionnement sous le nouveau contrôle comprenaient également des périodes dans lesquelles le système était partiellement ou complètement basé sur l'ancienne réglementation conventionnelle. Le plein potentiel de la solution intelligente se déroule sur un cycle annuel complet, car le style de conduite optimal des différents générateurs froids (absorbeur, compression, refroidissement libre) dépend fortement de la saison, de la température extérieure et de l'exigence de froid spécifique. Les calculs de Factor4Solutions, basés sur les premières données de fonctionnement et simulations avec le jumeau numérique, prédisent une éventuelle économie d'énergie de plus de 40% sur une année de fonctionnement entière. Cet objectif ambitieux est désormais dans les vues du Stadtwerke Karlsruhe.

Du local au mondial : les PME conquièrent le marché mondial avec des stratégies intelligentes - Image : Xpert.Digital

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100% de sécurité opérationnelle grâce à une surveillance intelligente

En plus de l'efficacité énergétique pure et de la réduction des coûts, la sécurité de l'entreprise de la création est d'une grande importance pour un fournisseur comme Stadtwerke Karlsruhe. La disponibilité continue du froid est obligatoire en particulier lors de la fourniture d'un centre de données, où même les échecs à court terme peuvent avoir de graves conséquences. La solution intelligente offre un autre avantage décisif ici: le système est non seulement mis en place une fois, puis géré lui-même, mais est surveillé en permanence, vérifié et optimisé par le fournisseur Factor4Solutions.

Bien que les services publics municipaux disposent également de leurs propres systèmes de surveillance et de leur personnel qualifié, les soins spécialisés supplémentaires de l'équipe d'experts de Factor4Solutions avec leur savoir-faire profond dans le domaine de la technologie de réfrigération et de l'optimisation du système basé sur l'IA représente un ajout précieux. La surveillance à distance permanente utilisant l'IA peut souvent reconnaître les anomalies ou les problèmes potentiels avant qu'il ne mène. Grâce au jumeau numérique et à la comparaison en temps réel des données de fonctionnement actuelles avec l'état idéal du modèle, il est possible d'identifier les écarts tôt et d'informer de manière proactive les clients des défaillances imminentes ou des mesures de maintenance nécessaires. Cela permet un entretien prédictif et évite les normes non planifiées. La garantie de la capacité commerciale à tout moment est d'une importance fondamentale pour Stadtwerke Karlsruhe, notamment en raison de l'obligation contractuelle de livrer des références, en particulier au centre de données sensible dans la Carée du jardin.

Introduction et intégration de la solution

L'introduction et la mise en œuvre de la solution intelligente ont été lisses et simples du point de vue de l'utilité municipale. La coopération avec le fournisseur de services externes, qui supervise déjà la technologie de mesure et de contrôle de l'utilité municipale, était essentielle.

Ensemble, les points de données requis pour la configuration du logiciel ont été identifiés et publiés. Factor4Solutions, qui contrôlait la solution à partir de son emplacement à Berlin à partir de la distance, avait clairement communiqué à l'avance, quels points de données spécifiques du système du système étaient nécessaires. Cela comprenait, par exemple, les flux de volume, les températures et les valeurs exactes de la chaleur et des compteurs froids.

Une fois ces données fournies, le logiciel a été configuré très rapidement. Le système a été fondamentalement réglé dans un délai d'un jour et a pu démarrer l'acquisition de données et les premières analyses. Après seulement quatre à six semaines, une première analyse complète des données du système était disponible. Sur la base des connaissances acquises à partir de cette analyse, le système pourrait être encore fin. Par exemple, il est devenu clair quels points de données supplémentaires seraient utiles pour une optimisation encore plus précise, et le système a été élargi et calibré en conséquence.

Cette intégration relativement simple et rapide rend la technologie intéressante pour une variété d'applications et d'industries, partout où des systèmes de refroidissement complexes sont utilisés et leur efficacité doit être augmentée.

L'amortissement rapide comme un argument fort pour l'expansion de la coopération

Les effets positifs de l'optimisation intelligente du froid ont été très rapides et convaincants pour le Stadtwerke Karlsruhe. Un aperçu de la consommation annuelle d'énergie et de la production de réfrigération par rapport à l'année précédente, même si le nouveau contrôle n'a fonctionné que sur la gamme complète pendant six mois, a montré une augmentation significative de l'efficacité et une économie d'énergie mesurable.

La considération économique est particulièrement gratifiante: la période d'amortissement du système est remarquablement courte. Les coûts annuels engagés pour l'utilisation du logiciel et le soutien continu par les spécialistes de la technologie de réfrigération de Factor4Solutions sont déjà rémunérés par les économies d'énergie réalisées au cours des cinq premiers mois d'exploitation. Cela signifie que le système génère déjà des économies de coûts qui dépassent les coûts du système du sixième mois de l'année. Ce retour sur investissement rapide (ROI) est un argument solide pour la mise en œuvre de ces technologies.

Compte tenu des expériences positives et de l'augmentation éprouvée de l'efficacité, il n'est pas surprenant que le Stadtwerke Karlsruhe considère non seulement la coopération avec Factor4Solutions, mais il met déjà en œuvre. Un autre système d'alimentation à froid de Stadtwerke est désormais également supervisé et optimisé par le système intelligent. De plus, les services publics municipaux exploitent un certain nombre d'autres systèmes froids de différentes tailles et complexité, qui sont potentiellement éligibles pour optimiser la solution d'IA. Étant donné que la technologie s'est avérée flexible et intégrée dans presque tous les systèmes froids courants, les chances sont bonnes que des analyses significatives, des gains de transparence et d'autres potentiels d'épargne peuvent également être réalisés dans ces systèmes en utilisant l'IA et les jumeaux numériques.

Le projet dans la Carée du Garden à Karlsruhe est un exemple réussi de la façon dont les technologies numériques modernes - en particulier l'intelligence artificielle et les jumeaux numériques - peuvent révolutionner l'efficacité énergétique dans un domaine à forte intensité énergétique tels que la réfrigération. En convertissant les systèmes d'exploitation en systèmes transparents et intelligemment contrôlés, les fournisseurs d'énergie peuvent non seulement économiser des coûts d'exploitation importants, mais également augmenter la sécurité opérationnelle et apporter une contribution importante à la réduction de la consommation d'énergie et donc à la protection du climat. Le succès de Stadtwerke Karlsruhe montre que les investissements dans les systèmes d'optimisation intelligents et basés sur les données s'attendent rapidement et ouvrent rapidement la voie à un approvisionnement énergétique plus durable et plus efficace. L'épargne initialement impressionnante de plus de 20% et le potentiel prévu de plus de 40% souligne l'énorme potentiel qui est un contrôle intelligent et un réseau de systèmes énergétiques.

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