Teslas virtuelles Kraftwerk:Das Stromnetz neu erfinden

Denken Sie an das Stromnetz. Es bedeckt den größten Teil der Welt. Seine Existenz und Zuverlässigkeit haben die moderne Welt viel länger geprägt, als die meisten von uns am Leben sind. Wir verdanken die meisten, wenn nicht sogar alle neuen Technologien eines Jahrhunderts dem Netz.

Das Netz kann heute nur dank Millionen hochentwickelter, miteinander verbundener Geräte funktionieren, die in komplexen Mustern zusammenarbeiten. Dennoch ist es für eine zentralisierte Erzeugung mit minimalen Kontrollpunkten ausgelegt und stützt sich auf fossile Brennstoffe – Konzepte, die alle im 20. Jahrhundert verwurzelt sind .

Wie sähe das Stromnetz aus, wenn es heute von Grund auf neu gestaltet würde? Das ist eine Frage, mit der sich die Tesla-Ingenieure Colin Breck und Percy Link kürzlich auseinandergesetzt haben. Ihre Antwort beinhaltet den Aufbau einer immensen Widerstandsfähigkeit durch Open-Source-Technologien und digitale Zwillinge. Sie teilten ihre Erkenntnisse kürzlich auf einer Konferenz in Großbritannien.

Je mehr erneuerbare Energie in das bestehende Netz eingespeist wird, desto schwieriger werden die komplexen Berechnungen von Angebot und Nachfrage mit der erforderlichen Genauigkeit. Ein gewisses Maß an Kontrolle geht verloren , und die Erzeugung wird schwieriger vorherzusagen.

An Orten, an denen Wind- und Solarenergie bereits üblich sind, haben Batterien dazu beigetragen, diese Probleme zu mildern. Sie können sehr schnell auf unerwartete Verbrauchsspitzen und -täler reagieren und nach Bedarf laden und entladen.

„Diese schnelle Reaktion ist eigentlich sogar eine Innovation, eine Chance, besser zu sein als das alte Netz“, sagt Link. "Es ist nicht nur ein Kompromiss."

Batterien sind der Schlüssel zur Neukonzeption des Stromnetzes durch diese Ingenieure. Neben der Schaffung riesiger Batterien in der Größe bestehender Kohle- oder Erdgaskraftwerke schlugen sie auch vor, die Leistung kleinerer Batterien zu nutzen in Haushalten und Unternehmen installiert – Batterien, die eher für die private Solarstromerzeugung oder Notstromversorgung verwendet werden.

„Wir können Haushalte und Unternehmen mit diesen kleineren Batterien und Solaranlagen zu virtuellen Kraftwerken zusammenfassen ," sagt Link.

Die Architektur virtueller Kraftwerke (VPP) stützt sich auf verteilte Energieressourcen – Batterien wären ein Beispiel, aber auch Wind und Sonne werden häufig verwendet. Ein Netzwerk dieser Ressourcen bündelt sich, um Energie mit erhöhter Flexibilität und höherer Verfügbarkeit zu erzeugen.

In Teslas virtuellem Kraftwerk repräsentieren digitale Zwillingsmodelle verschiedene Internet of Things (IoT)-Assets im System sowie ihre aktuellen Zustände und Beziehungen. Die Modellierungssoftware für digitale Zwillinge stützt sich auf zwei wichtige Open-Source-Projekte:Kubernetes und Akka.

„Die Paarung von Akka und Kubernetes ist wirklich fantastisch“, sagt Breck. „Kubernetes kann mit grobkörnigen Fehlern und Skalierungen umgehen, das wären Dinge wie das Hoch- oder Herunterskalieren von Pods, das Ausführen von Liveness-Tests oder das Neustarten eines ausgefallenen Pods mit einem exponentiellen Backoff. Dann verwenden wir Akka, um mit feinkörnigen Fehlern wie Schaltungen umzugehen Unterbrechen oder erneutes Versuchen einer einzelnen Anfrage und Modellieren des Zustands einzelner Entitäten, wie z. B. die Tatsache, dass eine Batterie geladen oder entladen wird."

Beim Modellieren eines digitalen Zwillings in Akka wird jede Modellierungsstelle durch einen Akteur repräsentiert. Wie TechRepublic erklärt:„Der Programmierer macht sich Gedanken darüber, eine einzelne Site in einem Akteur zu modellieren, und dann übernimmt die Akka-Laufzeitumgebung die Skalierung auf Tausende oder Millionen von Sites Sperren oder Nebenläufigkeitsfehler."

Durch digitale Zwillingsmodelle kann ein Ingenieur nahezu in Echtzeit mit Darstellungen äußerst komplexer Beziehungen und Zustände innerhalb von Systemen interagieren, selbst wenn das vollständige Bild nicht verfügbar ist.

"Unsicherheit ist verteilten IoT-Systemen inhärent , also müssen wir dies einfach in das Datenmodell, in die Geschäftslogik und sogar in das Kundenerlebnis aufnehmen, anstatt zu versuchen, es zu umgehen“, sagt Breck. „Die Darstellung physischer und virtueller Beziehungen zwischen IoT-Geräten, insbesondere wenn sie sich ändern ist im Laufe der Zeit das schwierigste Problem im IoT, glauben Sie mir, aber wesentlich für die Entwicklung eines großartigen Produkts."

Eine weitere Herausforderung war die gemeinsame Optimierung lokaler und globaler Ziele. Kleinere Batterien im Besitz von Einzelpersonen sollten sich nicht selbst entladen, falls der Besitzer sie unerwartet verwenden muss, aber die Echtzeit-Ausgleichsanforderungen des Netzes müssen immer erfüllt werden.

„Verteilte Optimierung ist nur möglich, weil Tesla seine eigene Hardware baut und die volle Kontrolle über Firmware und Software hat “, sagt Link. „Dies ermöglicht eine schnelle Iteration über die lokale und zentrale Intelligenz und deren Beziehung zueinander, und diese Zusammenarbeit erfolgt team- und nicht unternehmensübergreifend.“ Die vertikale Integration von Hardware, Firmware und Software bildete den Rahmen für eine widerstandsfähigere Lösung mit einem verteilten Algorithmus, der Geräten dabei hilft, bei unvermeidlichen Kommunikationsausfällen vernünftig zu handeln.

Das virtuelle Kraftwerk von Tesla ist ein Paradebeispiel für die Konvergenz von Informationstechnologie und Betriebstechnologie (IT/OT), eines der dringendsten Themen in der heutigen Automatisierungsbranche. Verteilte Datenverarbeitung und das industrielle Internet der Dinge (IIoT) hat Tesla dabei geholfen, die Ausfallsicherheit des Netzes zu gewährleisten und einige der technischen Probleme zu lösen, die beim Übergang zu erneuerbaren Energien aufgetreten sind.

Um tiefer in die Entwicklung der Tesla-Energieplattform, die algorithmische Teilnahme an Energiemärkten mit der größten Batterie der Welt und die realen Herausforderungen bei der Schaffung von Teslas erstem virtuellen Kraftwerk einzutauchen, können Sie die vollständige Abschrift der Präsentation von Breck und Link lesen .