Обзор
Германия планирует полностью заменить уголь и атомную энергию возобновляемыми источниками энергии. Это позволит снизить выбросы парниковых газов в 2030 году на 55% по сравнению с 1990 годом. Уже сегодня по всей Германии установлено большое количество солнечных и ветровых источников энергии, и правительство хочет, чтобы их стало еще больше к 2030 году.
Региональное Министерство природопользования, защиты климата и энергетики Баден-Вюртемберга, Европейский институт энергетических исследований (EIFER) и их партнеры работали над тем, чтобы повысить энергоэффективность и устойчивость районов Германии, переведя их на возобновляемые источники энергии.
Проблема
Основная задача, которая стояла перед исследователями, — интегрировать в систему возобновляемые источники энергии с плавающими объемами производимой энергии. Объемы производимого электричества должны были незамедлительно покрывать суточное энергопотребление.
Электричество можно было сберегать в аккумуляторах, но хранить таким образом необходимый для района или города объем энергии было очень дорого. Поэтому специалисты института EIFER выбирали подход, который позволит использовать имеющиеся бытовые приборы, чтобы удовлетворить спрос на возобновляемые источники энергии. Например, можно изменять нагрузку электроприборов, включая их в солнечную и ветреную погоду.
Расходы, связанные с таким гибким использованием, будут ниже, чем установка дополнительных аккумуляторов. Таким образом исследователи планировали максимально гибко использовать бытовые приборы вместо аккумуляторов.
Децентрализованное управление энергопотреблением легко предсказуемо. В то же время оно включает множество технологий, возобновляемых источников энергии и потребителей энергии (например, электромобили). Это новый подход к управлению энергопотреблением, который включает в себя ресурсы генерации энергии, распределенные хранилища и элементы гибкой нагрузки, например, бытовые приборы, потребляющие разный объем энергии в разные периоды времени.
Решение
Институт EIFER разработал демонстрационную модель реального энергопотребления для района из 10 зданий, в которых проживало около 25 семей. Для такого района специалисты EIFER установили систему децентрализованного управления энергопотреблением. Одновременно был создан цифровой двойник, который сравнивался с реальной демонстрационной моделью.
Специалисты EIFER показали преимущества этого цифрового двойника, виртуально представляющего реальную систему. Он сопровождал проект на разных этапах и пополнял его данными на протяжении всего жизненного цикла. Цифровой двойник также играл роль репозитория статических и динамических данных, например разных рабочих сценариев.
Демонстрационная модель энергопотребления представляла собой подробную агентную имитационную модель, в которой связывались отдельные компоненты производства, хранения и потребления электроэнергии и тепла.
Для виртуальной демонстрации с помощью многоподходного моделирования исследователи использовали земельный участок в Алленсбахе. Эта модель заменила 140 физических устройств для тестирования. Ежесекундное обновление данных позволило проводить аппаратно-программное тестирование системы управления энергией в режиме реального времени. В модели были представлены тепловые и электрические потоки на разных уровнях (отдельные приборы, семьи, дома и земельные участки) и их взаимодействие.
В этом примере разные части домовладения моделировались как отдельные агенты. Потоки электричества отображались желтым цветом, а тепла — красным. Были предусмотрены контроллеры, которые обеспечивали гибкость нагрузки, сдвигая потребление теплового насоса в нужное время при помощи автономного алгоритма. Контроллер был связан с индикатором состояния энергосети в точке подключения к ней. От индикатора агенты получали нужную информацию.
ПО AnyLogic было центром имитационного моделирования. Входные данные хранились в файлах Excel и базе данных AnyLogic. Для визуализации специалисты EIFER использовали сервис AnyLogic Cloud. Выходные данные также экспортировались в Excel, чтобы их могли анализировать пользователи без навыков моделирования.
Из-за сложности системы специалисты EIFER использовали многоподходное моделирование, включая дискретно-событийное моделирование и системную динамику. Кроме того, они использовали модели на основе данных. В AnyLogic доступна связь между разными устройствами. Для экспериментов и оценки их результатов использовался сервис AnyLogic Cloud.
Результаты
При использовании этой системы доля собственного энергопотребления выросла с 55% до 75%. Кроме того, наблюдалось снижение пиковой мощности. Если мы добавим в систему электромобили, то увидим огромное снижение пиковой мощности, поскольку они не нагружаются всеми пользователями одновременно и происходит изменение нагрузки во времени.
При увеличении доли собственного потребления снизились операционные расходы системы. А это, в свою очередь, привело к снижению стоимости электроэнергии для потребителей в Германии до 5 евроцентов/кВт. До энергетических кризисов тариф на электричество составлял 30 евроцентов/кВт, а значит удалось сэкономить почти 20% стоимости. Из-за кризисов тарифы на электроэнергию сильно повысились, но также пропорционально должна расти и экономия.
Бытовые приборы обычно работают, когда включены. Если люди хотят, чтобы их посуда к утру была вымыта, то должны запускать посудомоечную машину в ночное время. Посудомоечные машины в разных домах работают в разное время, поэтому кривая потребления электричества будет сглажена.
С помощью имитационного моделирования исследователи анализировали, как можно увеличить долю локально производимой и потребляемой энергии с помощью интеллектуального управления производством и потреблением электричества и тепла.
В будущем специалисты EIFER планируют чаще использовать сервис AnyLogic Cloud для подобных проектов. При разработке взаимосвязанного цифрового двойника специалисты EIFER хотят реализовать такие новые функции, как повторное воспроизведение реальных исторических сценариев в виртуальном мире, упреждающее управление, оптимизацию и алгоритмы обучения.
Этот проект был представлен на конференции AnyLogic 2022 Энрике Кремерсом (Enrique Kremers) из EIFER.
Презентация доступна в формате PDF.
