Produção de frio inteligente: um exemplo de IA aplicada e gêmeos digitais no Karlsruhe Stadtwerke

Stadtwerke Karlsruhe: sistemas inteligentes para suprimento de frio urbano

A necessidade de usar energia com mais eficiência está se tornando cada vez mais importante em tempos de mudança climática e aumento dos custos de energia. Isso se aplica não apenas ao aquecimento e fonte de alimentação, mas também à área de produção a frio, que é particularmente indispensável em áreas urbanas modernas e densamente construídas e para aplicações especializadas, como data centers ou instalações médicas. Os fornecedores de energia urbana, como o Stadtwerke Karlsruhe, têm uma responsabilidade especial aqui. Você não apenas precisa garantir a segurança do fornecimento, mas também encontrar maneiras inovadoras de reduzir os custos operacionais e, ao mesmo tempo, dar uma contribuição à sustentabilidade. Um exemplo impressionante de como isso pode ser alcançado é a otimização da produção a frio para a área de Carée Garden em Karlsruhe, com a ajuda de tecnologias digitais avançadas.

Como uma empresa municipal com cerca de 1.100 funcionários, o Stadtwerke Karlsruhe fornece confiável mais de 400.000 pessoas na região com formas essenciais de energia, como eletricidade, gás natural, aquecimento distrital e água potável. Parte dessa ampla gama de tarefas também inclui a operação e manutenção de sistemas de energia complexos para grandes complexos imobiliários, como o sistema de suprimento de refrigeração para o jardim carée. Esta área é um complexo de construção multifuncional que abriga uma mistura de apartamentos, espaço para escritórios, práticas médicas, uma linha de loja, restaurantes e um data center crítico. Um suprimento de frio livre de interrupção e necessidades é de importância crucial para a operação suave de todas as unidades.

O sistema de refrigeração existente dos carés de jardim não é de forma alguma simples. Ele combina diferentes tecnologias para permitir a oferta mais flexível e potencialmente eficiente de energia. A peça central são três máquinas de absorção no peito que oferecem a vantagem de que não podem ser operadas com eletricidade cara, mas com aquecimento distrital ecológico ou até esmalte de uma refinaria próxima. Este sistema é complementado por uma máquina de compressão convencional com dois abrangentes, que é usada em condições operacionais frias ou específicas, bem como uma recorrência que libera o excesso de calor ao meio ambiente.

Apesar do princípio de reagir flexivelmente às temperaturas frias e externas através da combinação de diferentes produtores, a empresa de serviços públicos municipais de Karlsruhe enfrentou um desafio comum: houve uma falta de transparência detalhada sobre o consumo real de energia do sistema geral e a interação dos componentes individuais. Antes da introdução de uma solução inteligente, a visão da eficiência era essencialmente limitada ao balanço anual. No final do ano, você podia ver quantas horas de megawatt de frio foram produzidas e quanta eletricidade e aquecimento distrital foram gastos nisso. No entanto, uma análise detalhada de qual componente usado em que horas e se isso estava na proporção ideal para o frio gerado não foi possível. Essa condição foi apropriadamente descrita pelos responsáveis ​​pelas concessionárias municipais como uma espécie de "vôo cego", uma vez que o potencial de otimizações direcionadas permaneceu em grande parte oculto.

Objetivo do projeto: mais transparência e aumento significativo de eficiência

O objetivo claro de Stadtwerke Karlsruhe deveria acabar com esse estado de transparência. Eles não apenas queriam identificar o potencial de poupança, mas também implementá -los ativamente e automaticamente. A solução foi encontrada na implementação do gerenciamento automatizado do sistema de energia. Esse sistema, desenvolvido pelo Specialist Factor4Solutions, é baseado no software baseado em IA e usa o conceito de gêmea digital. A introdução deste sistema permitiu um tipo fundamentalmente novo de controle do sistema de refrigeração e controle de energia altamente detalhado.

Ao instalar o software e os sensores necessários, todos os fluxos de energia dentro do sistema de refrigeração tornaram -se visíveis e mensuráveis ​​pela primeira vez. Parâmetros como o fluxo de volume da água fria e de resfriamento, as temperaturas em diferentes pontos do sistema, bem como o consumo exato de energia (eletricidade e aquecimento distrital) de cada componente individual- dos absorvedores aos compressores e bombas ao resfriamento de retorno- agora são registrados e avaliados em tempo real. Essa base de dados abrangente é a chave para a otimização. O software agora pode analisar continuamente quais estados operacionais são mais econômicos. Um exemplo simples, mas eficaz, desse potencial de otimização, que é descoberto pela aquisição de dados transparentes, é o controle das bombas. As bombas em sistemas frios geralmente funcionam independentemente da necessidade real com 100 % de fluxo de volume. No entanto, a análise detalhada mostra que, dependendo dos serviços de refrigeração e do status do sistema necessários, 60 % ou menos também seriam suficientes. A taxa manual ou fixa opera essas unidades leva a um consumo significativo e desnecessário de energia.

Um problema frequentemente negligenciado em sistemas frios, que é visível apenas por meio de uma análise detalhada, é o consumo de energia das unidades auxiliares chamadas. Bombas, ventiladores no resfriamento de retorno ou outros agentes laterais podem ter um consumo de eletricidade semelhante ou até mais alto do que os produtores de refrigeração reais, especialmente se não forem controlados de maneira ideal. Em muitas plantas, a otimização também é limitada ao componente individual ou a um estado operacional idealizado que raramente é alcançado na realidade - normalmente em menos de três por cento de todas as horas de operação. Como resultado, quantidades consideráveis ​​de energia elétrica são desperdiçadas durante a operação predominante. A melhoria direcionada da interação de todos os componentes de um sistema é exatamente a especialidade da solução implementada.

Após seis meses: sucessos tangíveis e alto potencial

O software inteligente da Factor4Solutions está buscando uma abordagem holística. Ele não considera todos os componentes isolados, mas todo o sistema frio como uma unidade dinâmica. As despesas operacionais energéticas de todos os agregados relevantes - produtores frios, bombas, ventiladores etc. - são avaliados juntos. Isso é possível pelo uso de gêmeos digitais dos componentes individuais e de todo o sistema. Um gêmeo digital é basicamente um modelo virtual e de alta precisão que reflete o sistema real em tempo real. Este modelo permite que a IA calcule diferentes cenários de operação e determine continuamente como os componentes individuais precisam trabalhar juntos para alcançar a eficiência máxima do sistema.

O sistema não é mais controlado por esquemas rígidos e predefinidos (por exemplo, uma determinada máquina sempre é executada como carga base, diferente como uma carga de pico), mas dinâmica e precisa -orientada. A seleção e regulação das unidades agora são selecionadas com base nas condições climáticas atuais (temperatura externa), o requisito real de frio e a eficiência determinada. Por meio de protocolos de comunicação padronizados, o gerenciamento inteligente do sistema fornece os geradores de refrigeração individuais e as unidades auxiliares de maneira direcionada e regula seu desempenho. O resultado é uma empresa que alcança a maior eficiência possível no nível do sistema em todas as situações de carga concebíveis e sob todas as condições ambientais.

A eficácia dessa abordagem foi demonstrada pelo Stadtwerke Karlsruhe logo após a conclusão da fase de teste e o comissionamento totalmente do sistema. Já nos primeiros seis meses após a mudança para o controle inteligente, as concessionárias municipais conseguiram registrar uma redução significativa no consumo de energia elétrica - uma economia de mais de 20 % em comparação com o mesmo período do ano anterior. Esse ganho de eficiência se reflete nos custos operacionais e levou a uma economia financeira no intervalo de cinco dígitos dentro desses seis meses.

No entanto, de acordo com os especialistas, este é apenas o começo. Os primeiros seis meses de operação sob o novo controle também incluíram períodos em que o sistema foi parcial ou completamente baseado na antiga regulamentação convencional. O potencial total da solução inteligente se desenrola em um ciclo anual completo, uma vez que o estilo de direção ideal dos vários geradores frios (absorvedor, compressão, resfriamento livre) depende muito da estação, temperatura externa e requisito de frio específico. Os cálculos das soluções do fator4, com base nos primeiros dados operacionais e simulações com o gêmeo digital, prevêem uma possível economia de energia de mais de 40 % em um ano inteiro de operação. Esse objetivo ambicioso está agora nos pontos turísticos do Stadtwerke Karlsruhe.

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100 % de segurança operacional através da vigilância inteligente

Além da pura eficiência energética e redução de custos, a segurança da empresa da criação é de grande importância para um fornecedor como o Stadtwerke Karlsruhe. A disponibilidade contínua do frio é obrigatória em particular ao fornecer um data center, onde mesmo falhas de curto prazo podem ter sérias conseqüências. A solução inteligente oferece outra vantagem decisiva aqui: o sistema não é apenas configurado uma vez e depois gerenciado, mas é monitorado permanentemente, verificado e otimizado pela Solutions Factor4Solutions do provedor.

Embora as concessionárias municipais também tenham seus próprios sistemas de vigilância e funcionários qualificados, os cuidados especializados adicionais da equipe de especialistas da Factor4Solutions com seu profundo know-how na área de tecnologia de refrigeração e otimização do sistema baseado em IA representa uma adição valiosa. O monitoramento remoto permanente usando IA geralmente pode reconhecer anomalias ou problemas em potencial antes de liderar. Graças ao gêmeo digital e à comparação em tempo real dos dados operacionais atuais com o estado ideal do modelo, é possível identificar desvios mais cedo e informar proativamente os clientes sobre falhas iminentes ou medidas de manutenção necessárias. Isso permite uma manutenção preditiva e evita padrões não planejados. A garantia da capacidade comercial o tempo todo é de importância fundamental para o Stadtwerke Karlsruhe, principalmente por causa da obrigação contratual de entregar referências, especialmente ao center de dados sensíveis no Garden Carée.

Introdução e integração da solução

A introdução e implementação da solução inteligente foi suave e descomplicada da perspectiva da utilidade municipal. A cooperação com o provedor de serviços externos, que já supervisiona a tecnologia de medição e controle da utilidade municipal, foi essencial.

Juntos, os pontos de dados necessários para a configuração do software foram identificados e liberados. O fator4Solutions, que controlava a solução de sua localização em Berlim a partir do controle remoto, havia comunicado claramente com antecedência quais pontos de dados específicos do sistema do sistema eram necessários. Isso incluiu, por exemplo, fluxos de volume, temperaturas e os valores exatos dos medidores de calor e frio.

Depois que esses dados foram fornecidos, o software foi configurado muito rapidamente. O sistema foi fundamentalmente definido dentro de um dia e conseguiu iniciar a aquisição de dados e as primeiras análises. Após apenas quatro a seis semanas, estava disponível uma primeira análise abrangente dos dados do sistema. Com base no conhecimento adquirido com essa análise, o sistema pode ser mais bem -fundido. Por exemplo, ficou claro quais pontos de dados adicionais seriam úteis para otimização ainda mais precisa, e o sistema foi expandido e calibrado de acordo.

Essa integração relativamente simples e rápida torna a tecnologia interessante para uma variedade de aplicações e indústrias, onde quer que os sistemas de refrigeração complexos estejam em uso e sua eficiência seja aumentada.

Amortização rápida como um forte argumento para a expansão da cooperação

Os efeitos positivos da otimização inteligente do frio foram muito rápidos e convincentes para o Stadtwerke Karlsruhe. Uma olhada no consumo anual de energia e na produção de refrigeração em comparação com o ano anterior, mesmo que o novo controle tenha funcionado apenas a toda a faixa por seis meses, mostrou um aumento significativo na eficiência e na economia mensurável de energia.

A consideração econômica é particularmente gratificante: o período de amortização do sistema é notavelmente curto. Os custos anuais incorridos para o uso do software e o suporte contínuo pelos especialistas em tecnologia da refrigeração da Factor4Solutions já são compensados ​​pela economia de energia alcançada nos cinco primeiros meses operacionais. Isso significa que o sistema já gera economia de custos que vão além dos custos do sistema a partir do sexto mês do ano. Esse rápido retorno do investimento (ROI) é um forte argumento para a implementação de tais tecnologias.

Em vista das experiências positivas e do aumento comprovado de eficiência, não é de surpreender que o Stadtwerke Karlsruhe não apenas considere a cooperação com o fator4Solutions, mas já está implementando. Outro sistema de fornecimento de frio da Stadtwerke agora também é supervisionado e otimizado pelo sistema inteligente. Além disso, as concessionárias municipais operam vários outros sistemas frios de diferentes tamanhos e complexidade, que são potencialmente elegíveis para otimizar a solução de IA. Como a tecnologia provou ser flexível e integrada em quase todos os sistemas frios comuns, as chances são boas de que análises significativas, ganhos de transparência e outros potenciais de economia também possam ser realizados nesses sistemas usando a IA e os gêmeos digitais.

O projeto da Garden Caree, em Karlsruhe, é um exemplo bem -sucedido de como as tecnologias digitais modernas - em particular inteligência artificial e gêmeos digitais - podem revolucionar a eficiência energética em uma área tradicionalmente intensiva em energia, como a refrigeração. Ao converter sistemas operacionais em sistemas transparentes e inteligentes, os fornecedores de energia podem não apenas economizar custos operacionais significativos, mas também aumentar a segurança operacional e fazer uma contribuição importante para a redução no consumo de energia e, portanto, à proteção climática. O sucesso na Stadtwerke Karlsruhe mostra que os investimentos em sistemas de otimização inteligentes e baseados em dados esperam rapidamente e pavimentam o caminho para um fornecimento de energia mais sustentável e eficiente. A economia inicialmente impressionante de mais de 20 % e o potencial previsto de mais de 40 % sublinham o enorme potencial que é o controle inteligente e a rede de sistemas de energia.

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Konrad Wolfenstein

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