Ein neues Computermodellierungstool, das von einem Forschungsteam der MIT Vitality Initiative (MITEI) entwickelt wurde, wird Infrastrukturplanern, die in der Elektrizitätswirtschaft und anderen energieintensiven Sektoren arbeiten, dabei helfen, zukünftige Bedürfnisse und Bedingungen besser vorherzusagen und sich darauf vorzubereiten, während sie Pläne für Stromerzeugungskapazitäten, Übertragungsleitungen und andere notwendige Infrastruktur entwickeln. Das Software könnte den Zeitaufwand für diese Planung verkürzen und dazu beitragen, dass das Stromnetz Kunden weiterhin effizienten, zuverlässigen und kostengünstigen Strom liefern kann, der den Emissions- und Regulierungsstandards entspricht. Das Software wurde im Rahmen eines philanthropisch unterstützten Forschungsprojekts von MITEI in Zusammenarbeit mit der Princeton College und der New York College entwickelt.
Macro, das neue Software, wurde speziell für Versorgungsplaner, Regulierungsbehörden und Forscher entwickelt, die verstehen möchten, wie sich Stromnetze und andere Energiesektoren angesichts neuer Technologien und Richtlinien oder unterschiedlicher Arten der Nutzung von Strom und energieintensiven Gütern entwickeln könnten, erklärt MITEI-Forscher Ruaridh Macdonald. Durch die Eingabe von Particulars über verfügbare Erzeugungseinheiten, prognostizierten Bedarf, Kosten, mögliche neue Technologien und potenzielle politische Einschränkungen können Planer verschiedene Optionen für die Gestaltung und den Betrieb zukünftiger Infrastruktur untersuchen, die die Preise minimieren und den Wert für alle maximieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen berücksichtigt Macro insbesondere die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Industriesektoren.
Mit der weiteren Entwicklung wird Macro es politischen Entscheidungsträgern ermöglichen, in Echtzeit die Auswirkungen potenzieller politischer Optionen auf Ergebnisse zu untersuchen, die von Kohlenstoffemissionen über Netzzuverlässigkeit bis hin zu Rohstoffpreisen und mehr reichen.
Die wachsende Herausforderung für Versorgungsplaner und frühere MIT-Modelle
Der Strombedarf steigt mittlerweile sprunghaft an, was unter anderem auf den zunehmenden Einsatz künstlicher Intelligenz und die Elektrifizierung von Fahrzeugen und Gebäuden zurückzuführen ist. Infolgedessen wird mehr Stromerzeugung und -übertragung erforderlich sein. Mittlerweile gehen Tausende von Wind- und Solarenergieprojekten ans Netz, aber man kann sich nicht darauf verlassen, dass diese Einheiten ständig Strom erzeugen, sodass ergänzende Stromquellen und Speichereinrichtungen benötigt werden. Darüber hinaus müssen Energieverbraucher wie Rechenzentren, Produktionszentren und Krankenhäuser strenge Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Die Aufgabe des Planers wird durch die Verpflichtung, den CO2-Ausstoß zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, noch komplizierter.
Macro baut auf einer Geschichte von Kapazitätserweiterungsmodellen (CEMs) auf, darunter GenX und DOLPHYN, die von MITEI-Forschern entwickelt wurden, um Versorgungsunternehmen bei der Planung für die Zukunft zu unterstützen. GenX wurde 2017 entwickelt, um die Entscheidungsfindung im Zusammenhang mit Investitionen in Energiesysteme sowie den Netzbetrieb in Echtzeit zu unterstützen und die Auswirkungen möglicher politischer Initiativen auf diese Entscheidungen zu untersuchen. DOLPHYN, das 2021 veröffentlicht wurde, hat die gleiche Kernstruktur wie GenX, verfügt jedoch über zusätzliche Sektoren, darunter die Produktion von Wasserstoff, Biokraftstoffen und mehr.
Allerdings Macdonald; Jesse Jenkins, einer der Erfinder von GenX und jetzt Professor an der Princeton College; und Dharik Mallapragada, einer der Gründer von DOLPHYN und jetzt Professor an der New York College, erkannte, dass sie größere und höher auflösende Modelle erstellen mussten, als GenX oder DOLPHYN in der Lage sind, um genauere Antworten auf die Auswirkungen von Richtlinien und neuen Technologien zu erhalten.
Einführung in Makro
Macdonald, Jenkins und Mallapragada entwickelten zusammen mit den Princeton-Mitarbeitern Filippo Pecci und Luca Bonaldo eine neue Architektur, die die erforderlichen erweiterten Funktionen bietet. Beim Aufbau von Macro entwickelten sie und ihre Groups eine Reihe von vier Kernkomponenten, die kombiniert werden können, um das Energiesystem für jeden industriellen Prozess zu beschreiben. „Die Komponenten beschreiben jeweils grundlegende Vorgänge in einem Energiesystem: Übertragung, Speicherung, Transformation und Ein- oder Austritt aus dem Netzwerk“, erklärt Macdonald. „Da die Komponenten nicht branchenspezifisch sind, können wir sie zum Aufbau von Netzwerken aus Strom-, Rohstoff- und Datensystemen nutzen.“ Mit Macro können sich Nutzer gezielt auf bestimmte Bereiche der Wirtschaft konzentrieren, beispielsweise für den überregionalen Switch von Strom oder Rohstoffen. Diese Flexibilität hat andere Forschungsgruppen dazu veranlasst, Macro für ihre eigenen Projekte zu verwenden. „Tatsächlich beschäftigen sich bereits einige Leute mit der Zementproduktion und der Produktion bestimmter Chemikalien“, sagt Macdonald.
Darüber hinaus kann der Benutzer mit Makro ein Downside in kleinere Teile zerlegen. Die meiste für diese Artwork der Modellierung verwendete Software program ist für die Ausführung auf einem Laptop konzipiert. „Mit der neuen Architektur von Macro können wir ein großes Downside problemlos in viele kleine Probleme zerlegen, die wir auf separaten Computern ausführen können“, sagt Macdonald. Dadurch eignet sich Macro intestine für die Ausführung auf modernen Hochleistungs-Computing-Clustern. Es bietet auch einen zusätzlichen Vorteil bei der Planung von Energiesystemen. Bestimmte Aspekte der Growth – zum Beispiel die Übertragung – sind zu komplex, um mit herkömmlichen Optimierungsmethoden gelöst zu werden, daher gehen die meisten CEMs von bestimmten Näherungen aus. Aber mit Macro kann der Übertragungsteil vom Relaxation des Issues getrennt und mithilfe von KI-Techniken separat gelöst werden, wodurch eine genauere Lösung generiert wird, die dann in das Gesamtmodell eingespeist werden kann.
Darüber hinaus legten die Entwickler von Macro großen Wert auf eine einfache Bedienung. Sie entwickelten eine „Taxonomie“ potenzieller Benutzer und vereinfachten den Arbeitsablauf jeder Gruppe so weit wie möglich. Die meisten Benutzer möchten lediglich ihre Daten mithilfe von Excel und anderen Instruments, mit denen sie vertraut sind, eingeben, eine Problemanalyse durchführen und eine Antwort erhalten. Andere sind Modellierer, die eine neue Technologie oder Richtlinie hinzufügen möchten; Diese Leute müssen möglicherweise etwas zusätzlichen Computercode schreiben – aber nicht viel. Schließlich gibt es Entwickler, die dem Modell neue Funktionen oder große Elemente hinzufügen möchten und dafür viel Codierung durchführen müssen. „Wir haben die Dinge in Macro so strukturiert, dass das Leben für die ersten beiden Benutzergruppen viel einfacher ist, auf Kosten der Tatsache, dass es für die Entwickler etwas schwieriger wird“, sagt Macdonald. Das Group entwickelt derzeit eine grafische Benutzeroberfläche für das Modell, sodass die meisten Benutzer nie Code verwenden müssen. „Sie interagieren einfach damit, wie sie es mit der meisten Software program tun, die sie verwenden.“
Zukunftspläne: Verwendung von Makros zur Steuerung der Politikgestaltung – in Echtzeit
Christopher Knittel, George P. Shultz-Professor an der MIT Sloan College of Administration, plant, Macro zur Gestaltung der Energiepolitik zu nutzen. Seine Imaginative and prescient ist inspiriert von den Erfahrungen von Professor John Sterman vom MIT Sloan, der die Entwicklung des globalen Klimasimulators „En-ROADS“ leitete, sowie eines Systemdynamikmodells, das schnelle, aber annähernde Analysen durchführt und es Benutzern ermöglicht, verschiedene Ansätze zur Reduzierung von Kohlenstoffemissionen in Echtzeit auszuprobieren.
Wie beim globalen Klimasimulator kann es Tage dauern, mit Macro eine vollständige Analyse einer vorgeschlagenen Politik durchzuführen. Es gibt jedoch Techniken zum Erstellen eines „Emulators“, der in Sekundenschnelle ein ungefähres Ergebnis generieren kann. In seiner Rolle als Direktor der Mission „Enabling New Coverage Approaches“ des MIT Local weather Undertaking prüft Knittel die Möglichkeit, ein „Flaggschiffprojekt“ zu unterstützen, um einen Emulator zu entwickeln, der auf das vollständige Makromodell aufsetzt und in Echtzeit ausgeführt werden könnte. Knittel und sein Group würden sich dann mit ausgewählten politischen Entscheidungsträgern treffen und sie einladen, mithilfe von Macro zu sehen, wie sich verschiedene politische Schritte auf die globalen Temperaturen, Treibhausgaskonzentrationen, Energiepreise, den Anstieg des Meeresspiegels usw. auswirken würden.
Durch die Verwendung des Emulators „verlieren Sie eine gewisse Genauigkeit oder einige Funktionen des vollständigen Makromodells“, bemerkt Knittel. Daher stellt er sich vor, Kongressabgeordnete zunächst den Emulator ausführen zu lassen, um eine Richtlinie zu entwerfen. „Bevor der Gesetzgeber dann den Gesetzentwurf tatsächlich ausarbeitet, würde das akademische Group das vollständige Makromodell ausführen, um die Genauigkeit der Ergebnisse des Emulators zu bestätigen“, sagt Knittel. „Diese Übung könnte dazu beitragen, die politischen Entscheidungsträger davon zu überzeugen, welche politischen Hebel sie ansetzen sollten.“
Macro wurde als Open-Supply-Software program veröffentlicht und ist für Forschungs- und kommerzielle Zwecke frei verfügbar. Es wurde von Mitarbeitern in den USA, Südkorea, Indien und China getestet. Mehrere dieser Groups entwickeln Länder- und Regionalmodelle, die andere bei ihrer Arbeit nutzen können.