Tesla's virtuele elektriciteitscentrale: de mondiale energienetwerk transformeren

Overweeg het elektriciteitsnet. Het bedekt bijna de hele wereld. Zijn bestaan en betrouwbaarheid hebben de moderne wereld gedefinieerd voor veel langer dan de meesten van ons leven. We zijn de meeste, zo niet alle, van een eeuw aan nieuwe technologie verschuldigd aan het net.

Het net kan vandaag alleen functioneren dankzij miljoenen gesophistikeerde, met elkaar verbonden apparaten die samenwerken in complexe patronen. Toch is het gebouwd voor gecentraliseerde opwekking met minimale controlepunten, en het steunt op fossiele brandstoffen – concepten die allemaal geworteld zijn in de 20e eeuw.

Hoe zou het elektriciteitsnet eruitzien als het vandaag vanaf nul herontworpen zou worden? Dat is een vraag die Tesla-ingenieurs Colin Breck en Percy Link recentelijk aanpakten. Hun antwoord omvat het bouwen van enorme veerkracht door middel van open-source technologieën en digitale tweelingen. Ze deelden hun inzichten op een recente conferentie in het VK.

Naarmate meer hernieuwbare energie op het bestaande net komt, worden de complexe berekeningen van aanbod en vraag moeilijker met de vereiste precisie te maken. Er gaat een mate van controle verloren, en opwekking wordt moeilijker te voorspellen.

In plekken waar wind- en zonne-energie al gangbaar is, hebben batterijen geholpen om deze problemen te mitigeren. Ze kunnen erg snel reageren op onverwachte piekbelasting en dalen, op- en ontladen zoals nodig.

"Deze snelle reactie is eigenlijk zelfs een innovatie, een kans om beter te zijn dan het oude net," zegt Link. "Het is niet alleen een compromis."

Batterijen zijn de sleutel tot de herontwerp van het net door deze ingenieurs. Naast het creëren van reuzebatterijen van de grootte van bestaande kolen- of aardgascentrales, stelden ze ook voor de kracht van kleinere batterijen te benutten die in huizen en bedrijven geïnstalleerd zijn – batterijen die meer typisch gebruikt worden voor privé zonne-opwekking of noodstroom.

"We huizen en bedrijven met deze kleinere batterijen en zonnepanelen samen tot virtuele elektriciteitscentrales," zegt Link.

De architectuur van een virtuele elektriciteitscentrale (VPP) steunt op gedistribueerde energiebronnen – batterijen zijn één voorbeeld, maar wind en zonne-energie worden ook vaak gebruikt. Een netwerk van deze bronnen bundelt krachten om energie op te wekken met verhoogde flexibiliteit en hogere beschikbaarheid.

In Tesla's virtuele elektriciteitscentrale vertegenwoordigen digitale tweelingmodellen verschillende Internet of Things (IoT) activa in het systeem, evenals hun huidige staten en relaties. De digitale tweelingmodelleersoftware steunt op twee cruciale open-source projecten: Kubernetes en Akka.

"De combinatie van Akka en Kubernetes is echt fantastisch," zegt Breck. "Kubernetes kan grove fouten en schaling afhandelen, dus dingen als pods omhoog of omlaag schalen, liveness probes uitvoeren, of een mislukte pod herstarten met exponentiële back-off. Daarna gebruiken we Akka voor het afhandelen van fijne fouten zoals circuit breaking of het opnieuw proberen van een individueel verzoek en het modelleren van de staat van individuele entiteiten, zoals het feit dat een batterij op- of ontlaadt."

Bij het modelleren van een digitale tweeling in Akka wordt elk modelleringsite vertegenwoordigd door een actor. Zo legt TechRepublic uit: "De programmeur maakt zich zorgen over het modelleren van een individuele site in een actor, en de Akka-runtime zorgt voor het schalen naar duizenden of miljoenen sites. Het is een krachtige abstractie voor IoT in het bijzonder, die de zorgen over threads, locks of concurrency bugs wegnemt."

Via digitale tweelingmodellen kan een ingenieur interageren met near real-time vertegenwoordigingen van extreem complexe relaties en statussen binnen systemen, zelfs wanneer het complete plaatje niet beschikbaar is.

"Onzekerheid is inherent in gedistribueerde IoT-systemen, dus we moeten dit omarmen in het datamodel, in de bedrijfslogica, en zelfs in de klantervaring, in plaats van er te vluchten," zegt Breck. "Fysieke en virtuele relaties tussen IoT-apparaten vertegenwoordigen, vooral naarmate ze zich in de tijd veranderen, is het moeilijkste probleem in IoT, vertrouw me, maar essentieel voor het creëren van een geweldig product."

Co-optimisatie van lokale en globale doelen was een andere uitdaging. Kleinere batterijen in eigendom van individuen mogen zich niet leegmaken, voor het geval de eigenaar ze onverwacht nodig heeft, maar de real-time balansbehoeftes van het net moeten altijd worden vervuld.

"Gedistribueerde optimalisatie is alleen mogelijk omdat Tesla zijn eigen hardware bouwt en volledige controle heeft over firmware en software," zegt Link. "Dit stelt snelle iteratie mogelijk over de lokale en centrale intelligentie en hoe ze zich tot elkaar verhouden, en deze samenwerking is cross-team in plaats van cross-bedrijf." Verticale integratie van hardware, firmware en software legde het fundament voor een veerkrachtigere oplossing met een gedistribueerd algoritme om apparaten redelijk te laten handelen tijdens onvermijdelijke communicatiestoringen.

Tesla's virtuele elektriciteitscentrale is een primair voorbeeld van informatietechnologie/operationele technologie (IT/OT)-convergentie, een van de meest dringende onderwerpen in de automatiseringsindustrie vandaag. Gedistribueerde computing en het Industrial Internet of Things (IIoT) hielpen Tesla om netveerkracht te garanderen en enkele van de ingenieursproblemen aan te pakken die ontstaan bij de overgang naar hernieuwbare energie.

Om dieper in te gaan op de ontwikkeling van het Tesla-energieplatform, algoritmische deelname aan energiemarkten met de grootste batterij ter wereld, en de real-world uitdagingen van het creëren van Tesla's eerste virtuele elektriciteitscentrale, kunt u de volledige transcriptie van Breck en Link's presentatie lezen.