Multi-objectieve optimalisatie voor een nul-op-de-meter
- Opdrachtgever
- Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier
- Partners
- Deltares
- Jaar
- 2020
- Locatie
- Texel
Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier (HHNK) heeft een ambitieus klimaat- en energieprogramma vastgesteld en streeft ernaar in 2025 klimaatneutraal te zijn. Daarbij zet HHNK in op het duurzaam opwekken en het besparen van energie, en wil het netcongestie voorkomen. Hiervoor zijn verschillende potentiële mogelijkheden beschikbaar. In een proeftuin op het eiland Texel is gestart met de aanleg van een zonnepark en een batterij met als doel om in 2020 al energieneutraal te zijn.
De uitdaging
Op jaarbasis is de energiebalans sluitend, maar HHNK verwacht dit niet op dagbasis. De zon schijnt namelijk geen 24 uur per dag terwijl tegelijkertijd wel gedurende de hele dag elektriciteit wordt afgenomen. Om de periode van leemte te overbruggen is ook een batterij geïnstalleerd om energie tijdelijk op te slaan en af te nemen op de momenten dat de vraag hoger is dan het aanbod. Aan de kant van zowel de vraag als de levering van elektriciteit kan gestuurd worden, en daarmee rijst de vraag: hoe kan deze beschikbare flexibiliteit optimaal benut worden?
Onze oplossing
De waterketen en het watersysteem worden geregeld met behulp van rioolgemalen, de afvalwatervuilzuivering, en oppervlaktewatergemalen. De inzet van deze kunstwerken zorgt voor een vraag aan elektriciteit en wordt bepaald door de (vuil)waterlast die afhangt van vele variabelen als neerslag, verdamping, afvalwater van inwoners en toeristen, etc. De aansturing van de kunstwerken gebeurt binnen de ingestelde grenzen en parameters om de waterbeheertaken te borgen. De flexibiliteit in deze grenzen en parameters maakt het mogelijk om zoveel mogelijk te opereren op zelfopgewekte zonne-energie.
De levering van elektriciteit komt uit de opwek van het zonnepark en het ontladen van de batterij waarbij de resterende behoefte wordt aangevuld uit het elektriciteitsnet. De opwek vanuit het zonnepark varieert op basis van de hoeveelheid inkomende straling en het wolkendek. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit is verder oncontroleerbaar. De geïnstalleerde batterij (ter grootte van een zeecontainer) heeft een opslagcapaciteit van 200 kWh en kan laden of ontladen met 40 kW. Bij het ontladen treedt een rendementsverlies op van 40%.
De afstemming in de energiebalans binnen de grenzen van de waterbeheertaken is een typisch optimalisatieprobleem. Dit probleem is op te lossen met een multi-objective optimization methode waarin de optimale oplossing wordt gezocht binnen de gestelde randvoorwaarden. De optimale oplossing is gedefinieerd op basis van een set aan doelfuncties en randvoorwaarden. Deze set staat hieronder opgesomd waarbij de doelfuncties sequentieel opgelost worden.
- Maximale vullingsgraad in het rioolstelsels.
- Het waterpeil blijft binnen toegestane grenzen van de polders.
- Het waterpeil eindigt aan het eind van de optimalisatie op streefpeil.
- Minimale afname van energie vanuit het energienet.
- Minimale ontlading uit de batterij.
- Minimale oplading van de batterij.
De sequentiële benadering zorgt dat altijd eerst wordt voldaan aan het belangrijkste doel voordat gezocht wordt naar een oplossing voor een onderliggend doel. De doelen m.b.t. de waterbeheertaken hebben de hoogste prioriteit. Daarna wordt gezocht naar ruimte om te sturen op het inzetten van eigen opgewekte energie binnen de overgebleven oplossingsruimte. Deze optimalisatiemethodiek is bekend onder de naam goal programming. Het optimalisatieprobleem voor LOGiC kent 15 stuurparameters over een tijdshorizon van 2 dagen met een tijdstap van één uur wat resulteert in een enorm aantal mogelijke uitkomsten (om precies te zijn 1548). Een optimalisatiemodel kan uit al deze mogelijke uitkomsten de optimale oplossing berekenen.
Het resultaat
Voor de afstemming tussen de energievraag en het aanbod van duurzame elektriciteit is een real-time controlsysteem ontwikkeld, genaamd LOGiC Texel. Het LOGiC systeem beschouwt het water- en energievraagstuk integraal en bepaalt op basis van eigen opgewekte zonne-energie de optimale aansturing van de objecten. Daarin maakt het systeem gebruik van het actuele inzicht vanuit metingen, externe informatie voor neerslag en buitenwaterstanden, simulaties van de waterafvoer met 3Di en sturingsparameters. Het LOGiC Texel systeem verwerkt real-time en automatisch de informatie en komt met behulp van een optimalisatieregeling tot een inzet voor de kunstwerken.
Hiervoor is een optimalisatiemodel gebouwd in RTC-Tools. RTC-Tools is een open-source toolbox ontwikkeld door Deltares. Deze toolbox focust op de sturing en optimalisatie van controleerbare natuurlijke watersystemen specifiek gericht op het oplossen van conflicterende doelen onder onzekere toekomstverwachtingen. Daarmee is deze toolbox uitermate geschikt voor het complexe vraagstuk van conflicterende doelen m.b.t. het energieverbruik en de waterbeheertaken van het waterschap. Met de formulering van de doelfuncties in het optimalisatiemodel gaat het LOGiC systeem voor nul-op-de-meter binnen de grenzen van het waterbeheer.
Alle cases