Дигитални решения за опазване на климата

Как прилагането на технологии за цифровизация на сградните инсталации и мрежовата инфраструктура в интелигентния виенски квартал Асперн Зеещат помага за опазването на климата и преминаването на енергетиката към възобновяеми енергийни източници

Преди три години проектът „Aspern Smart City Research“ – единствена по рода си европейска изследователска инициатива за енергийното бъдеще в урбанизираните райони, навлезе във втората си фаза, която ще продължи до 2023 г. Той стартира през 2013 г. в специално обособената за проекта зона за градско развитие – новия виенски квартал Асперн Зеещат. Целта на изследването е да се разработят пазарно ориентирани икономически решения за зеленото бъдеще на градовете. Тези решения трябва да са с възможност за надграждане и на тяхна основа енергийната система да стане по-ефективна и безвредна за околната среда. „Предизвикателствата пред икономиката и обществото, свързани с опазването на климата, са големи. Несъмнено ключът се крие в по-нататъшното развитие на нашите градове и използването на най-модерни технологии. Потреблението на енергия постоянно расте и затова трябва да се използват всички възможни технологии за намаляване на въглеродните емисии“, казва генералният директор на Siemens Австрия Волфганг Хесун. Компанията е един от партньорите в проекта заедно с дружество „Wien 3420 aspern Development“, енергоснабдяващото предприятие „Wien Energie“, мрежовия оператор „Wiener Netze“ и агенцията за икономическа подкрепа „Wirtschaftsagentur Wien“.

 

 В частта „Енергия“ по проекта ще работи мултидисциплинарен екип от близо 100 изследователи. С помощта на определени сценарии екипът трябва да намери отговор на сложни и в същото време много важни за енергийната политика въпроси, касаещи основните области на енергийната система – въз основа на реални данни, оперативен опит и резултати от полеви тестове в интелигентна градска среда. Точно това прави проекта уникален и предизвиква огромен интерес в световен мащаб. Само през 2019 г. тук бяха посрещнати повече от 1100 заинтересовани посетители.

Работен потенциал и практичност

Определяща роля в структурирането на научните изследвания играе принципът, че разработваните продукти трябва да са удобни за използване и лесни за обслужване. Също така много важно е до каква степен резултатите са приложими на практика и доколко могат да бъдат оптимизирани в обширната тестова среда. „За Siemens участието в изследователския проект е свързано с постигане на резултати, които могат да се прилагат на практика“, подчертава Волфганг Хесун. Това ще бъде от полза не само за Виена и нейните жители, но и за други населени места и общности извън Австрия. „Иновациите, които бяха изпробвани в изследователския проект, вече се използват на практика. Също така придобитите знания се прилагат в разработването на нови или усъвършенстването на съществуващи продукти и решения на Siemens“, обяснява той.

 

Докато първият етап на изследователския проект (2013–2018 г.) беше свързан със създаването на необходимата изследователска инфраструктура за събиране на данни в реално време и практическо тестване на концепции, то фокусът на настоящия изследователски етап (2019 – 2023 г.) е върху пренасянето на концепциите в текущата експлоатация на енергийната система и инфраструктурата. Анализът на данните за процесите и употребата е важен двигател на иновациите в тази област. Затова опростяването на системата за потребителите, както и автоматизирането на работните процеси въз основа на получените данни и оперативния опит са важни теми за изследване.

Предизвикателствата пред икономиката и обществото, свързани с опазването на климата, са големи. Несъмнено ключът се крие в по-нататъшното развитие на нашите градове и използването на най-модерни технологии за намаляване на въглеродните емисии
Волфганг Хесун, главен изпълнителен директор на Siemens Австрия

Целта е да се установи кои оптимизации в енергийната система носят максимална полза за отделните участници на пазара (мрежови оператори, доставчици на енергия, фирми, оператори на сграден фонд). След това трябва да се установи как да бъдат реализирани технически така, че да могат да се прилагат на практика, и как да са лесни за използване от потребителите и жителите. Проектът използва системен подход, за да покаже как с помощта на технологиите за цифровизация мрежите, сградите, операторите и обитателите могат да се сближат максимално, за да са полезни един на друг и в същото време да си сътрудничат за опазването на климата и природата.

Изследователската база беше значително разширена през настоящата фаза на програмата. Докато във фаза 1 тя се състоеше от една жилищна сграда, учебно заведение и общежитие, сега се проучват технологичният център в Асперн Зеещат и многоетажният паркинг „Seehub“. Освен това за първи път към обектите за изследване са включени дори сгради и инфраструктури извън Асперн Зеещат: жилищният комплекс „Кете-Дорш-Гасе“ в 14-ти виенски район, клиниката „Флоридсдорф“ (използване на отпадъчната топлина от център за данни), UNO City (мощна термопомпа), както и концепции за осветление в началните училища в Ебрайхсдорф, Унтервалтерсдорф, Гунтрамсдорф и други.

 

В областта на електроразпределението научноизследователските дейности имат за цел да осигурят плавен преход от пасивна към активна, интелигентна разпределителна мрежа. Задачата е да се проучат и предложат технически решения, които да подготвят съществуващата инфраструктура на разпределителната мрежа за енергийния преход, без да се нарушава обичайното качество на електроснабдяването.

Интегрирането на възобновяеми енергийни източници поставя сериозни предизвикателства пред електроразпределителната мрежа. Днес към мрежата се подава енергия през точки на свързване, които технически не са били предвидени при първоначалното планиране на мрежата. Към това трябва да добавим електрическите автомобили, които изискват многократно повече енергия за зареждане от обичайното потребление на домакинствата, както и съвременните възможности за съхранение.

 

Освен това съществуващите мрежи за ниско и средно напрежение все още се експлоатират без възможност за измерване и контрол. Единствено оптималната комбинация от икономически ефективно разширяване на мрежата и двупосочна комуникация в реално време може да отговори на изискванията на вече извършващата се трансформация на мрежата, включително на постоянно нарастващото пиково потребление.

Сградите могат да са активни участници на енергийния пазар

Другата голяма област в изследователския проект са сградите. Тук фокусът е върху идеята, че сградите трябва да се превърнат в активни участници на енергийния пазар.

 

„Сградите също трябва да имат важна роля в енергийната система и да бъдат максимално полезни. Поради непостоянния характер на възобновяемите източници производството на енергия от тях изисква висока степен на гъвкавост при потреблението на енергия – и именно тук се намесват сградите. Превръщането на електроенергията в топлина или използването ù за охлаждане може да допринесе за повишаване гъвкавостта на енергийната система.

 

Ето защо нашата концепция е да разглеждаме сградата в по-широк аспект, като част от инфраструктурата, а не изолирано от нея“, разяснява Герд Полхамер, ръководител направление „Интелигентна инфраструктура“ в Siemens Австрия.

Въз основа на собственото си производство на енергия и съществуващите опции за съхранение сградите могат да се възползват от променливите цени на енергията и автоматично да предлагат свои гъвкави възможности на пазара. Така се намалява закупуването на външна енергия, което води до оптимизиране на разходите. Подходът за решаване на този проблем, който се разработва в рамките на проекта „Асперн Зеещат“, е система за енергиен мениджмънт на сградите. Целта е да се създаде комплексно управление на енергията между сградите и енергийната мрежа. По този начин интелигентните сгради могат да комуникират не само с вътрешните си системи (напр. термопомпи, системи за съхранение на енергия, фотоволтаични инсталации или инфраструктура за зареждане), но и с други сгради и дори с електрически мрежи и енергийни пазари.

 

Системата за енергиен мениджмънт е в състояние да прави изчисления за предстоящото енергопотребление в една сграда, с което допринася за енергийно неутралната ù експлоатация. Това се постига, ако в системата се включат различни модели за предвиждане, като например прогнозата за времето, което е важно за работата на фотоволтаичните инсталации. Това е изключително ефективен начин за поддържане стабилността на мрежата и намаляване на въглеродния отпечатък на сградите.

 

Освен това се оптимизират разходите за целия жизнен цикъл на една сграда. В идеалния случай още в етапа на изготвяне на оферта по обществена поръчка за строителство на сграда се създава дигитален двойник – цифрово изображение в реално време въз основа на информационен модел на сградата (BIM). В хода на строителството той се доразвива в строителна документация и впоследствие може да се допълва, ако са необходими промени или разширения на сградата. В комбинация с предимствата, предлагани от виртуалната реалност и анализа на данни, обслужването и прогнозната поддръжка могат да бъдат значително оптимизирани.

 

Дигиталният двойник на сградата дава възможност за откриване на проблеми на ранен етап. Благодарение на тази прозрачност експлоатацията може да бъде подобрена, грешките – намалени, а разходите и енергията – икономисани. Комбинацията от дигитални двойници на сгради, енергийни мрежи и цели градски квартали помага на инвеститорите да изберат правилните енергийни концепции за своите бъдещи проекти.

Опазване на климата чрез цифровизация

Решаваща роля в изследванията на проекта играят цифровите технологии, с които се модернизират съществуващите системи в Асперн Зеещат, за да генерират нови функционалности, които служат за опазване на климата в съответствие с цялостната идея на изследователския проект.

 

Те включват най-съвременни инструменти за мониторинг и анализ, както и интелигентни датчици и цифрови системи за управление, които подготвят електропреносната мрежа и сградите за ролята им в една сложна и динамично променяща се система.

 

„Благодарение на взаимодействието между термопомпите, съхранението на енергия в сградите, батериите, инструментите за енергийна оптимизация и ефективност в сградите успяхме да натрупаме много нов опит. Обединихме технологиите за управление на сградите с управлението на мрежата и децентрализираните енергийни решения по такъв начин, че всички те да говорят на един език и да предоставят информация към уеббазирана база данни чрез Интернета на нещата “, обяснява Герд Полхамер.

 

За да могат в бъдеще сградите да комуникират не само помежду си, но и с мрежите, те трябва да се свържат чрез интерфейси. По този начин компонентите на системата могат да обменят данни, както и да предлагат гъвкави възможности, което ще доведе до големи синергични ефекти.

 

Ако съществуващата сградна и мрежова инфраструктура бъде използвана по ефективен начин, то цели квартали могат да допринесат за опазването на климата и преминаването на енергетиката към възобновяеми източници.

Приложно насочени изследвания

Индустриалният Интернет на нещата (IIoT) е важен компонент, който стимулира научните изследвания в сектора на електроразпределителните мрежи. Общата сложност на системите в мрежите за ниско напрежение расте динамично заради електрическите автомобили, съхранението на енергия чрез батерии и енергийните колективи. Тук е необходимо само надграждане на съществуващите системи с нови функционалности.

 

Използването на Асперн Зеещат като тестова среда за съвременни системи за автоматизация, базирани на IIоT, доведе до разработването на IoT-архитектури за децентрализирани енергийни системи, обхващащи множество домейни.

 

Продуктовата фамилия на Siemens SICAM A8000 е създадена в резултат на приложно насочени изследвания. Това са решения за автоматизация на станции за мрежови оператори и енергийни доставчици, при които полевите устройства могат автоматично да се регистрират в централна инстанция и директно да започнат да работят.

Машинното обучение дава възможност за анализ и оптимизиране на взаимодействието между мрежата, сградите и потреблението на енергия от обитателите в тях, като се използват данни от мрежата и сградите (напр. натоварване на мрежата или температура в помещенията), както и външни данни (напр. метеорологични данни). Моделите се усъвършенстват непрекъснато с помощта на адаптивни самообучаващи се алгоритми. Специфичните за сградата и мрежата механизми за управление се развиват самостоятелно. С помощта на машинното обучение могат да се изучат зависимостите за различните мрежови клетки и да се направи оценка на натоварването на мрежата. Освен всичко друго изкуственият интелект може да подпомага системните инженери при анализа на причините за неизправности.

 

В средата на втората част от проекта може да се направи извод, че чувствително намаляване на въглеродните емисии е възможно чрез оптимална координация на производството на енергия от възобновяеми източници и нейното съхранение. При подходящи условия (фотоволтаична система, използване на подпочвени води) сградите в урбанизираните райони могат самостоятелно да произвеждат голяма част от необходимата им енергия. Иновативните методи за анализ, разработени в рамките на изследванията в Асперн Зеещат, вече са предоставени на мрежови оператори, доставчици на енергия и операторите на сграден фонд, за да ги използват в организацията на експлоатационната работа или за нови бизнес модели. Благодарение на реализираната концепция за виртуална електроцентрала и децентрализирана система за управление на енергията доставчиците на енергия и мрежовите оператори вече имат достъп до системи, които могат да активират и предлагат на пазара неизползвана досега енергийна гъвкавост в сградите.

Икономическа реализация на интелигентните мрежи

Тестовите сгради вече са готови за интелигентна мрежа. Това означава, че ако тези концепции започнат да се прилагат в градоустройството, пиковите натоварвания ще намалеят и няма да има нужда от скъпи разширения на мрежата.

Интегрирането на системите за съхранение на електроенергия в мрежовата инфраструктура също ще допринесе за редуциране на пиковите натоварвания. Без съмнение експлоатацията на системите за съхранение на електроенергия е икономически изгодна единствено при съвместното им използване заедно с производителите на енергия и електроразпределителните дружества. Тези изводи ще бъдат взети под внимание при формирането на енергийни колективи, съобразени с мрежата. В енергийните колективи могат да се избегнат загубите, които възникват при захранване на по-високи нива на мрежата. Наред с други неща в проекта се проучва как техническата система на един енергиен колектив може да комуникира със системите на други участници на пазара (мрежови оператори, доставчици на енергия и услуги и др.).

 

„Изследователските ни усилия разкриха значителен потенциал за намаляване на въглеродните емисии чрез оптимално координиране на производството, съхранението и потреблението на енергия. Въпреки това все още не сме стигнали до края на нашите анализи и търсене на иновативни решения. Съвместната работа на всички партньори в проекта ни доведе до извода, че за да развием неутрални по отношение на климата икономика и общество, имаме нужда от нови подходи и все по-тясно сътрудничество между градоустройството, енергийната индустрия, експлоатацията на мрежи, жилищния сектор, строителството и промишлеността. До тези изводи стигнахме също така благодарение на подкрепата на живеещите в Асперн Зеещат“, споделя Волфганг Хесун.

Технологии за дигитализация в борбата с климатичните изменения

  • Промишлен Интернет на нещата: лесно свързване и разпределено взаимодействие на широк набор от сензори и интелигентни устройства.
  • Дигитален двойник: съвременните киберфизически производствени системи позволяват оптимално планиране, използване и поддръжка.
  • Машинно самообучение: помага на интелигентните технически устройства да възприемат заобикалящата ги среда без сложни инженерни решения и да разпознават ситуациите без чужда помощ.
  • Изкуствен интелект: съчетава гореспоменатите елементи на цифровизацията и с помощта на усвоените знания дава възможност за вземане на самостоятелни решения и цялостна оптимизация на системите.

Технологии на Siemens подпомагат изграждането на ефективни енергийни системи

 

  • BIM-Viewer: благодарение на информационното моделиране операторите на сграден фонд получават нова информация за управляваните сгради и инсталираните в тях продукти
  • Система за енергиен мениджмънт (BEMS): осигурява безпроблемно управление на енергията между сградите и енергийните мрежи и може да гарантира оптимизиране на разходите и консумацията на енергия на цяла сграда
  • Desigo CC: интегрирана, модулно разширяема и отворена платформа за управление на високопроизводителни сгради
  • SICAM A8000: серия модулни устройства за телеуправление и автоматизация във всички области енергоснабдяването с високи изисквания за безотказност в експлоатацията
  • SICAM EGS: мрежовите датчици осигуряват прозрачност по отношение натоварването на инсталациите в инфраструктурата за ниско напрежение. Те са в основата на решенията за цифровизация на разпределителната мрежа
  • SICAM ChargeControl: координирано управление на зареждането на електрическите автомобили с цел облекчаване на най-ниските нива на мрежата
  • SICAM Microgrid Control: първата технологична основа за създаването на енергийни колективи. SICAM Microgrid Control наблюдава, управлява и оптимизира локалното потребление на енергия