GHD — одна из ведущих мировых компаний по оказанию консультационных услуг в сферах строительства, энергетики, экологии, геодезии и перевозок. Она помогает клиентам из частного и государственного секторов внедрять опыт цифрового инжиниринга в бизнес-процессы. Одно из их направлений деятельности — моделирование производства и транспортировки «чистого» (англ. “green") водорода.
Для получения «чистого» водорода воду расщепляют с помощью электролиза, который происходит за счет возобновляемых источников энергии. Таким образом можно избежать образования углерода.
При смешивании с азотом «чистый» водород легче перевозить кораблями на большие расстояния. Однако затраты на проектирование завода, логистику, исследования рынка, оценку рисков, а также другие факторы не всегда очевидны. Поэтому неопределенность нормированной себестоимости водорода (levelized cost) с учетом производства и транспортировки часто становится основной причиной остановки подобных проектов.
Чтобы оценить осуществимость таких проектов как с инженерной, так и с финансовой стороны, GHD моделирует полный цикл цепочки поставок «чистого» водорода. Это помогает инженерам напрямую связать сценарии проектирования с финансовыми показателями.
В отличие от моделирования в Excel, динамическое моделирование лучше отражает сложность и риски, точнее визуализирует процессы, а также позволяет учесть экономику проектов. Руководители используют имитационные модели, чтобы тестировать гипотезы и принимать обоснованные решения.
Проблема
Австралийской компании необходимо было построить завод по производству «чистого» водорода и создать финансово и технологически эффективную цепь поставок: от производства до доставки конечным клиентам.
Вместо разработки статических логистических моделей они вместе с консультантами по имитационному моделированию из GHD использовали традиционное инженерное проектирование вместе с динамическим моделированием, чтобы:
- разработать проект завода по производству водорода;
- оценить экономику проекта;
- оценить возможные риски проекта;
- оптимизировать рентабельность инвестиций.
Для этого проекта инженеры GHD выбрали AnyLogic в качестве инструмента имитационного моделирования в связи с тем, что:
- AnyLogic позволяет учесть динамику и изменчивость цепи поставок. Это было важным фактором выбора программы, поскольку производство экологически чистого водорода, как и все виды возобновляемой энергии, зависит от времени суток и погоды, а также от технического обслуживания завода и доступности активов. Поэтому статические модели неприменимы для планирования;
- Библиотека моделирования потоков AnyLogic — идеальный инструмент для моделирования движения газа и жидкости;
- AnyLogic позволяет разбивать модель на компоненты и включать/выключать их в процессе моделирования по запросу в зависимости от сценария работы;
- обширные возможности визуализации делают модели AnyLogic более интерактивными и привлекательными для пользователей;
- модель в AnyLogic это не «черный ящик». Она в деталях передает процессы, происходящие внутри цепи поставок, а её входные данные отделены от логики. В то же время AnyLogic предоставляет возможности управления версиями модели.
Решение
В модели производственного процесса сырье — опресненная вода, воздух и электричество — направляется на электролиз. Стадия электролиза смоделирована так, что сырье может быть обработано с помощью одной из трех технологий для получения водорода.
Затем водород сжимается и поступает на аммиачную установку, где водород смешивается с азотом для облегчения транспортировки.
Точное моделирование добычи, хранения и транспортировки газа стало возможным благодаря Библиотеке моделирования потоков AnyLogic. С ее помощью можно анализировать различные характеристики потоков, такие как скорость и пропускная способность. Кроме того, можно находить потенциальные «узкие мест» и простои а также оптимизировать рабочие процессы.
Она представляет процессы в виде последовательности дискретных событий. Это делает процесс моделирования более прозрачным и позволяет пользователям отслеживать изменение потоков в динамике.
Также были смоделированы варианты перевозки водорода и аммиака, включая способы и стоимость транспортировки, а также работа необходимых активов и вспомогательной инфраструктуры. Инженеры в том числе учли в модели стоимость портовой инфраструктуры для экспорта аммиака.
Для дальнейшей обработки результатов и подробного анализа денежных потоков специалисты использовали возможности интеграции AnyLogic с Python. Они расширили модель цепи поставок финансовой моделью, которая включает в себя статистику по денежным потокам, изменению чистой приведенной стоимости, нормированным затратам, рентабельности инвестиций и другим финансовым показателям. Они представили данные в виде графиков, чтобы руководство могло сравнивать сценарии и отслеживать изменения стоимости с течением времени.
Модель производства и транспортировки «чистого» водорода позволила инженерам:
- оценить производственные мощности, необходимые для работы с различными активами, включая воду и водород;
- оценить эффективность различных технологий электролиза, в том числе применяемых на заводе щелочных электролизеров;
- протестировать сценарии работы оборудования и отслеживать, как изменения в сценариях, включая техническое обслуживание и поломки, влияют на жизненный цикл «чистого» водорода;
- проанализировать, сколько энергии потребляется на каждом этапе производства, и оценить избыток энергии.
Результат
Модель цепочки поставок «чистого» водорода использовалась для:
- нахождения баланса между стоимостью производства возобновляемой энергии и загрузкой производственных мощностей;
- нахождения оптимального способа перевозки «чистого» водорода;
- сравнения технологий производства «чистого» водорода и оценки их эффективность;
- исследования ключевых факторов изменения нормированных затрат и способов их снижения;
- расчета необходимой емкости хранилищ сырья и газа;
- тестирования изменений и оценки их влияния на процесс.
Модель цепи поставок объединяет различные этапы производства и транспортировки «чистого» водорода. Она позволяет увидеть, как каждый этап влияет на непрерывный жизненный цикл «чистого» водорода и на различных участников цепи поставок.
Благодаря этому инженеры смогли связать сценарии проектирования с финансовыми показателями, что привело к лучшему планированию и управлению бизнес-решениями. В дальнейшем модель можно легко обновлять по мере появления новых технологий.
Моделирование также сделало взаимосвязанные процессы прозрачнее. Разработчики смогли учесть неопределенность и изменчивость, что невозможно со статическими моделями.
Хотя производство водорода по необходимой цене в настоящее время недостижимо, инженеры нашли возможные решения этой задачи, которые можно реализовать в будущем.
Описание проекта подготовлено по презентации Джеоффа Маритина, руководителя команды по имитационному моделированию компании GHD, на конференции AnyLogic 2021:
