Produzione fredda intelligente: un esempio di AI applicata e gemelli digitali al Karlsruhe Stadtwerke

Stadtwerke Karlsruhe: sistemi intelligenti per l'approvvigionamento a freddo urbano

La necessità di utilizzare l'energia in modo più efficiente sta diventando sempre più importante nei momenti dei cambiamenti climatici e nell'aumento dei costi energetici. Ciò vale non solo per il riscaldamento e l'alimentazione, ma anche per l'area della produzione fredda, che è particolarmente indispensabile nelle aree urbane moderne, densamente costruite e per applicazioni specializzate come data center o strutture mediche. I fornitori di energia urbana, come lo Stadtwerke Karlsruhe, hanno una responsabilità speciale qui. Non solo devi garantire la sicurezza dell'offerta, ma anche trovare modi innovativi per ridurre i costi operativi e allo stesso tempo dare un contributo alla sostenibilità. Un esempio impressionante di come questo può essere raggiunto è l'ottimizzazione della produzione fredda per l'area di Garden Carée a Karlsruhe con l'aiuto di tecnologie digitali avanzate.

Come società municipale con circa 1.100 dipendenti, lo Stadtwerke Karlsruhe fornisce in modo affidabile oltre 400.000 persone nella regione con forme essenziali di energia come elettricità, gas naturale, riscaldamento del distretto e acqua potabile. Parte di questa vasta gamma di attività include anche il funzionamento e la manutenzione di sistemi energetici complessi per grandi complessi immobiliari, come il sistema di fornitura di refrigerazione per il giardino carée. Questa zona è un complesso di edifici multifunzionali che ospita una miscela di appartamenti, spazi per uffici, pratiche mediche, una linea di negozi, ristoranti e un data center critico. Un'approvvigionamento a freddo senza interruzioni e richiede un'importanza cruciale per il corretto funzionamento di tutte le unità.

Il sistema di refrigerazione esistente del Garden Carées non è affatto semplice. Combina diverse tecnologie per consentire l'offerta più flessibile e potenzialmente efficiente dal punto di vista energetico. Il fulcro è tre macchine per il torace di assorbimento che offrono il vantaggio di non poter essere gestiti con elettricità costosa, ma con il riscaldamento distrettuale ecologico o persino la glassa da una raffineria vicina. Questo sistema è integrato da una macchina fredda a compressione convenzionale con due completi, che viene utilizzato a condizioni operative ad alto freddo o specifiche, nonché da una recidiva che rilascia il calore in eccesso nell'ambiente.

Nonostante il principio di reagire in modo flessibile alle temperature fredde ed esterne attraverso la combinazione di diversi produttori, la società di servizi municipali di Karlsruhe ha affrontato una sfida comune: c'era una mancanza di trasparenza dettagliata sul consumo energetico effettivo del sistema complessivo e l'interazione dei singoli componenti. Prima dell'introduzione di una soluzione intelligente, l'intuizione dell'efficienza era essenzialmente limitata al bilancio annuale. Alla fine dell'anno si vedeva quante ore di megawatt di freddo venivano prodotte e quanta elettricità e il riscaldamento distrettuale sono stati spesi per questo. Tuttavia, non era possibile un'analisi dettagliata di quale componente utilizzato in che ora e se questo era in rapporto ottimale rispetto al freddo generato. Questa condizione è stata giustamente descritta dai responsabili delle utility municipali come una sorta di "volo cieco", poiché il potenziale di ottimizzazioni mirate è rimasto in gran parte nascosto.

Obiettivo del progetto: maggiore trasparenza e aumento significativo dell'efficienza

Il chiaro obiettivo di Stadtwerke Karlsruhe era quindi quello di porre fine a questo stato di trasparenza. Non solo volevano identificare il potenziale di risparmio, ma anche implementarli attivamente e automaticamente. La soluzione è stata trovata nell'implementazione della gestione automatizzata del sistema energetico. Questo sistema, sviluppato da The Specialist Factor4Solutions, si basa su software basato sull'intelligenza artificiale e utilizza il concetto di gemello digitale. L'introduzione di questo sistema ha consentito un tipo fondamentalmente nuovo di controllo del sistema di refrigerazione e un controllo energetico altamente dettagliato.

Installando il software e i sensori necessari, tutti i flussi di energia all'interno del sistema di refrigerazione sono diventati visibili e misurabili per la prima volta. Parametri come il flusso di volume dell'acqua fredda e di raffreddamento, le temperature in diversi punti del sistema e il consumo esatto di energia (elettricità e riscaldamento a distretto) di ogni singolo componente- dagli assorbitori ai compressori e alle pompe al raffreddamento di ritorno, sono ora registrate e valutate in tempo reale. Questa base di dati completa è la chiave per l'ottimizzazione. Il software può ora analizzare continuamente quali stati operativi sono più economici. Un esempio semplice ma efficace di tale potenziale di ottimizzazione, che è scoperto dall'acquisizione trasparente dei dati, è il controllo delle pompe. Le pompe nei sistemi a freddo spesso funzionano indipendentemente dalle esigenze effettive con flusso di volume al 100 %. Tuttavia, l'analisi dettagliata mostra che, a seconda dei servizi di refrigerazione richiesti e dello stato del sistema, il 60 percento o anche meno sarebbe sufficiente. Il tasso manuale o forfettario gestisce tali unità porta a un consumo di energia significativo e inutile.

Un problema frequentemente trascurato nei sistemi freddi, che è visibile solo attraverso un'analisi dettagliata, è il consumo di energia delle unità ausiliarie così chiamate. Pompe, ventilatori nel raffreddamento del ritorno o in altri agenti secondari possono avere un consumo di elettricità simile o anche più elevato rispetto ai produttori di refrigerazione effettivi, specialmente se non sono controllati in modo ottimale. In molte piante, l'ottimizzazione è anche limitata al singolo componente o a uno stato operativo idealizzato che si ottiene raramente nella realtà, in genere in meno del tre percento di tutte le ore operative. Di conseguenza, durante l'operazione predominante vengono sprecate notevoli quantità di energia elettrica. Il miglioramento mirato dell'interazione di tutti i componenti di un sistema è esattamente la specialità della soluzione implementata.

Dopo sei mesi: successi tangibili e alto potenziale

Il software intelligente di Factor4Solutions sta perseguendo un approccio olistico. Non considera ogni componente in isolamento, ma l'intero sistema a freddo come un'unità dinamica. Le spese operative energetiche di tutti gli aggregati pertinenti - produttori a freddo, pompe, ventole ecc. - sono valutate insieme. Ciò è reso possibile mediante l'uso di gemelli digitali dei singoli componenti e dell'intero sistema. Un gemello digitale è fondamentalmente un modello virtuale e ad alta precisione che riflette il sistema reale in tempo reale. Questo modello consente all'intelligenza artificiale di calcolare diversi scenari operativi e determinare continuamente come i singoli componenti devono lavorare insieme per ottenere la massima efficienza del sistema.

Il sistema non è più controllato da schemi rigidi e predefiniti (ad es. Una certa macchina funziona sempre come carico di base, una diversa come carico di picco), ma dinamico e ha bisogno di orientata. La selezione e la regolamentazione delle unità sono ora selezionate sulla base delle condizioni meteorologiche attuali (temperatura esterna), il requisito a freddo effettivo e l'efficienza determinata. Attraverso protocolli di comunicazione standardizzati, la gestione dei sistemi intelligenti offre i singoli generatori di refrigerazione e le unità ausiliarie in modo mirato e regola le loro prestazioni. Il risultato è un'azienda che raggiunge la massima efficienza possibile a livello di sistema in ogni immaginabile situazione di carico e in tutte le condizioni ambientali.

L'efficacia di questo approccio è stata dimostrata dallo Stadtwerke Karlsruhe poco dopo il completamento della fase di test e la piena messa in servizio del sistema. Già nei primi sei mesi dopo il passaggio al controllo intelligente, le utility municipali sono state in grado di registrare una riduzione significativa del consumo di energia elettrica, un risparmio di oltre il 20 percento rispetto allo stesso periodo dell'anno precedente. Questo guadagno di efficienza si riflette nei costi operativi e ha portato a un risparmio finanziario nell'intervallo di cinque cifre in questi sei mesi.

Tuttavia, secondo gli esperti, questo è solo l'inizio. I primi sei mesi di funzionamento sotto il nuovo controllo includevano anche periodi in cui il sistema era parzialmente o completamente in base alla vecchia regolamentazione convenzionale. Il pieno potenziale della soluzione intelligente si svolge su un ciclo annuale completo, poiché lo stile di guida ottimale dei vari generatori a freddo (assorbimento, compressione, raffreddamento libero) dipende fortemente dalla stagione, dalla temperatura esterna e dal requisito specifico per il freddo. I calcoli di Factor4Solutions, basati sui primi dati operativi e simulazioni con il gemello digitale, prevedono un possibile risparmio energetico di oltre il 40 percento in un intero anno di attività. Questo obiettivo ambizioso è ora nelle attrazioni dello Stadtwerke Karlsruhe.

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Sicurezza operativa al 100 % attraverso la sorveglianza intelligente

Oltre alla pura efficienza energetica e alla riduzione dei costi, la sicurezza dell'azienda della creazione è di grande importanza per un fornitore come Stadtwerke Karlsruhe. La continua disponibilità del freddo è obbligatoria in particolare quando si fornisce un data center, in cui anche guasti a breve termine possono avere gravi conseguenze. La soluzione intelligente offre un altro vantaggio decisivo qui: il sistema non è solo impostato una volta e quindi gestito da solo, ma è permanentemente monitorato, controllato e ottimizzato dallesoluzioni del fattore provider.

Sebbene le utility municipali abbiano anche i propri sistemi di sorveglianza e il personale qualificato, l'assistenza aggiuntiva e specializzata da parte del team di esperti di Factor4Solutions con il loro profondo know-how nell'area della tecnologia di refrigerazione e l'ottimizzazione del sistema basato sull'intelligenza artificiale rappresenta una preziosa aggiunta. Il monitoraggio remoto permanente che utilizza l'IA può spesso riconoscere anomalie o potenziali problemi prima di guidare. Grazie al gemello digitale e al confronto in tempo reale degli attuali dati operativi con lo stato ideale del modello, è possibile identificare in anticipo le deviazioni e informare in modo proattivo i clienti su fallimenti imminenti o misure di manutenzione necessarie. Ciò consente una manutenzione predittiva ed evita standard non pianificati. La garanzia di capacità commerciale in ogni momento è di fondamentale importanza per Stadtwerke Karlsruhe, non da ultimo a causa dell'obbligo contrattuale di consegnare riferimenti, in particolare al Data Data Center del Garden Carée.

Introduzione e integrazione della soluzione

L'introduzione e l'implementazione della soluzione intelligente è stata regolare e semplice dal punto di vista dell'utilità municipale. La cooperazione con il fornitore di servizi esterni, che già supervisiona la tecnologia di misurazione e controllo dell'utilità municipale, era essenziale.

Insieme, i punti dati richiesti per l'installazione del software sono stati identificati e rilasciati. Factor4Solutions, che controllava la soluzione dalla sua posizione a Berlino dal remoto, avevano chiaramente comunicato in anticipo quali punti dati specifici dal sistema del sistema erano richiesti. Ciò includeva, ad esempio, flussi di volume, temperature e valori esatti del calore e dei contatori freddi.

Dopo aver fornito questi dati, il software è stato configurato molto rapidamente. Il sistema è stato fondamentalmente impostato entro un giorno ed è stato in grado di avviare l'acquisizione dei dati e le prime analisi. Dopo solo quattro o sei settimane, era disponibile una prima analisi completa dei dati del sistema. Sulla base delle conoscenze acquisite da questa analisi, il sistema potrebbe essere ulteriormente definito. Ad esempio, è diventato chiaro quali punti dati aggiuntivi sarebbero stati utili per un'ottimizzazione ancora più precisa e il sistema è stato ampliato e calibrato di conseguenza.

Questa integrazione relativamente semplice e rapida rende la tecnologia interessante per una varietà di applicazioni e settori, ovunque siano in uso sistemi di raffreddamento complessi e la loro efficienza deve essere aumentata.

Amorzazione rapida come un forte argomento per l'espansione della cooperazione

Gli effetti positivi dell'ottimizzazione del freddo intelligente sono stati molto rapidi e convincenti per lo Stadtwerke Karlsruhe. Uno sguardo al consumo annuale energetico e alla produzione di refrigerazione rispetto all'anno precedente, anche se il nuovo controllo ha funzionato solo per sei mesi, ha mostrato un aumento significativo dell'efficienza e del risparmio energetico misurabile.

La considerazione economica è particolarmente gratificante: il periodo di ammortamento del sistema è notevolmente breve. I costi annuali sostenuti per l'uso del software e il supporto continuo da parte degli specialisti della tecnologia di refrigerazione di Factor4Solutions sono già compensati dal risparmio energetico raggiunto nei primi cinque mesi operativi. Ciò significa che il sistema genera già risparmi sui costi che vanno oltre i costi del sistema dal sesto mese dell'anno. Questo rapido ritorno sugli investimenti (ROI) è un forte argomento per l'implementazione di tali tecnologie.

Alla luce delle esperienze positive e del comprovato aumento dell'efficienza, non sorprende che lo Stadtwerke Karlsruhe non solo considera la cooperazione con i fattori4Soluzioni, ma sia già implementando. Un altro sistema di approvvigionamento a freddo di Stadtwerke è ora anche supervisionato e ottimizzato dal sistema intelligente. Inoltre, le utility municipali gestiscono una serie di altri sistemi a freddo di diverse dimensioni e complessità, che sono potenzialmente idonei per ottimizzare la soluzione AI. Poiché la tecnologia ha dimostrato di essere flessibile e integrato in quasi tutti i sistemi freddi comuni, è probabile che in questi sistemi possano essere realizzati anche analisi significative, guadagni di trasparenza e altri potenziali di risparmio.

Il progetto nel Garden Carée di Karlsruhe è un esempio di successo di come le moderne tecnologie digitali - in particolare l'intelligenza artificiale e i gemelli digitali - possano rivoluzionare l'efficienza energetica in un'area tradizionalmente energetica come la refrigerazione. Convertendo i sistemi operativi in ​​sistemi trasparenti e controllati in modo intelligente, i fornitori di energia possono non solo risparmiare costi operativi significativi, ma anche aumentare la sicurezza operativa e dare un contributo importante alla riduzione del consumo di energia e quindi alla protezione del clima. Il successo di Stadtwerke Karlsruhe mostra che gli investimenti in sistemi di ottimizzazione basati su dati intelligenti si aspettano rapidamente e aprono la strada a un approvvigionamento energetico più sostenibile ed efficiente. I risparmi inizialmente impressionanti di oltre il 20 percento e il potenziale previsto di oltre il 40 percento sottolineano l'enorme potenziale che è il controllo intelligente e la rete dei sistemi energetici.

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Konrad Wolfenstein

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