Innovation dynamique dans la numérisation du secteur de l'électricité

L'adoption rapide de la numérisation par l'industrie de l'électricité est un exemple frappant de son innovation dynamique - le développement et l'introduction continus de nouvelles idées, produits ou processus pour répondre aux demandes changeantes du marché. Ici, POWER examine comment certains concepts numériques complexes, qui, bien que fréquemment communiqués sous des "mots à la mode", ont un impact exploitable dans l'espace du pouvoir, de la génération au consommateur.

La numérisation - le processus holistique impliquant la transformation des modèles commerciaux et de l'exploitation en un environnement plus connecté, axé sur les données, polyvalent et efficace - est devenue un levier établi du secteur de l'électricité à mesure que la transition énergétique se déroule. Jusqu'à présent, ce processus a impliqué une grande variété de technologies numériques complexes et en évolution rapide qui impliquent un éventail d'approches.

Se tenir au courant des derniers développements n'est pas facile, étant donné que le secteur de l'électricité lui-même est si complexe - avec un large éventail de parties prenantes, des producteurs d'électricité, des sociétés de transport et de distribution, des régulateurs et un large éventail de consommateurs. Ici, POWER identifie certaines technologies numériques sous-jacentes et concepts émergents, et illustre comment les acteurs du pouvoir les utilisent (ou ont l'intention de les utiliser).

Il y a au moins deux ans, les professionnels de l'énergie étaient largement convaincus que l'intelligence artificielle (IA) - la capacité des machines à apprendre rapidement à partir de grands ensembles de données, à résoudre des problèmes et à s'adapter en permanence à de nouvelles données sans intervention humaine - était à la mode. Mais grâce aux progrès des systèmes informatiques, l'IA et son sous-ensemble, l'apprentissage automatique, sont devenus de plus en plus importants, avec des applications dominantes dans l'efficacité et l'utilisation, la prévision, la reconnaissance d'algorithmes et de modèles pour les systèmes d'apprentissage, ainsi que la gestion et le transport des sources d'énergie (voir encadré) . Le potentiel de l'IA est également florissant pour le stockage de l'énergie, l'analyse des incertitudes, le traitement des eaux usées, le contrôle des émissions, la production de biocarburants, la gestion de la chaîne d'approvisionnement énergétique, les énergies renouvelables, l'évaluation des risques et la réponse à la demande.

1. Une carte créée par des chercheurs de l'Université de Téhéran tente d'illustrer les liens entre l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML) dans le domaine de l'énergie. La couleur bleue couvre les applications d'IA dans l'efficacité énergétique et l'utilisation ; le jaune couvre le ML et ses méthodes de prévision connexes ; le vert couvre les algorithmes et la reconnaissance de formes pour les systèmes d'apprentissage ; et le rouge couvre les sources d'énergie et les consommateurs. Source : Examens de la stratégie énergétique, janvier 2023

Les cas d'utilisation sont apparemment infinis (Figure 1). En janvier 2023, un distributeur d'énergie activé par l'IA a dévoilé Gridmatic Retail pour rationaliser l'achat d'énergie renouvelable tout en offrant prévisibilité et automatisation aux entreprises et aux clients industriels. Une autre société, Imperium Predictive Analytics, utilise l'IA pour aider les consommateurs à prendre des décisions plus éclairées concernant les stratégies d'approvisionnement lorsqu'ils couvrent des portefeuilles à l'aide d'un algorithme qui prédit les horizons à court, moyen et long terme.

Le fondateur d'Imperium, Lucas Grimes, a déclaré que la valeur clé du service est de fournir la transparence du marché grâce à un processus simplifié, permettant à davantage de parties prenantes d'évaluer et de prendre des décisions sur la base de données exploitables. Cependant, Grimes a noté que les plus grands défis de l'IA, en particulier dans le domaine de la prévision, continuent de tourner autour de "l'acquisition et la validation des données". L'exactitude des données est une autre préoccupation, a-t-il noté.

La sortie par OpenAI en novembre 2022 de ChatGPT, un chatbot disponible dans le commerce basé sur un grand modèle de langage (LLM) d'intelligence artificielle (IA), a inauguré une large reconnaissance que l'IA générative pourrait apporter un changement radical dans l'interface homme-données. Et bien que l'IA générative perturbe déjà de nombreuses industries, elle pourrait avoir un potentiel substantiel pour le secteur de l'électricité, notamment pour aider à automatiser, développer, communiquer et analyser les données, ont suggéré plusieurs experts.

Comme Geir Engdahl, directeur de la technologie chez Cognite, l'a expliqué à POWER, "Ce qui va être très précieux, c'est la combinaison d'une connaissance et de données approfondies du domaine, et d'un système capable d'effectuer la tâche. Donc, il a toute la tuyauterie en place, les opérations de données, si vous voulez, où les données circulent de vos opérations réelles de la centrale électrique dans le système en continu, et nous avons la capacité d'effectuer des tâches qui ont de la valeur dans le système, telles que la création d'ordres d'inspection, ou faire racine analyse des causes avec toutes les données dont vous disposez », a-t-il déclaré. "Je pense que la combinaison de ces" opérations de données "et de ChatGPT et de grands modèles de langage similaires va vraiment changer la façon dont les travailleurs du savoir dans ces industries travaillent."

Les gains les plus importants des programmes d'IA générative conçus sur mesure pourraient être appliqués à toutes les phases de la gestion des performances des actifs, dans des tâches telles que l'identification des équipements pour lesquels la surveillance automatisée a déclenché des alarmes, a suggéré Engdahl. "Il est en quelque sorte capable de synthétiser toutes ces connaissances industrielles et de faire des suggestions vraiment intelligentes", a-t-il noté. "Bien sûr, l'humain sera au courant et prendra la décision finale quant à ce qu'il faut réellement faire."

De plus, les modèles d'IA génératifs pourraient fournir des références à des documents ou aider à intégrer des données dans un graphe de connaissances. "Cela signifie que lorsque vous ingérez, par exemple, des données non structurées, qui peuvent être des documents ou des dessins, vous pouvez tirer plus de contexte des données." Le modèle pourrait, par exemple, identifier le type spécifique de document, et il pourrait permettre aux travailleurs, grâce à un "langage humain" détaillé, d'interroger et d'obtenir rapidement des détails spécifiques sur un document. Engdahl, cependant, a averti que le modèle présentait des lacunes et des défauts, notamment des "hallucinations", un mensonge par omission, la sécurité des données et la protection de la propriété intellectuelle, a-t-il déclaré.

Le cloud computing, un moyen par lequel de grandes quantités de données peuvent être stockées et traitées pour une analyse efficace des données et une prise de décision en temps réel, semble également prendre de l'ampleur dans l'espace du pouvoir. Amazon Web Services (AWS) a récemment signé des accords lucratifs avec plusieurs services publics pour fournir des technologies cloud et des solutions basées sur les données basées sur des analyses avancées. Duke Energy, par exemple, a entamé en novembre 2022 une « collaboration stratégique pluriannuelle » pour créer de nouveaux logiciels et services de réseau intelligent sur AWS et étendre ses services de réseau intelligent, une suite d'applications personnalisées qui aident le service public à anticiper la demande énergétique future et à identifier où et comment mettre à jour le réseau électrique. Le service public a également accepté de migrer ses charges de travail de technologie de l'information et d'analyse de grille vers AWS.

« Notre évolution numérique est fondamentale pour notre transition vers une énergie propre », a déclaré Bonnie Titone, vice-présidente principale et directrice de l'information chez Duke Energy. « Par exemple, pour simuler avec précision les futurs besoins énergétiques et planifier les investissements pour le réseau, nous devons exécuter des centaines de millions de calculs de flux d'énergie, un processus qui prendrait des semaines avec du matériel informatique traditionnel. En utilisant les technologies cloud d'AWS développe pour Duke Energy, nous visons à exécuter ces mêmes simulations en 15 minutes ou moins."

En tant que grand coup de pouce pour l'exploitation et la maintenance des centrales électriques, les progrès de la robotique sont entre-temps sur le point de remodeler les opérations difficiles et les tâches de maintenance. L'inspection robotique autonome est déjà utilisée dans une flotte de robots divers adaptés à la gestion d'environnements difficiles ou dangereux. Consumers Energy et National Grid utilisent séparément Spot de Boston Dynamics, le robot agile emblématique en forme de chien de l'entreprise, pour inspecter les actifs des sous-stations électriques critiques de l'entreprise, en capturant des analyses thermiques et en lisant les jauges de manière autonome. Ontario Power Generation et Duke Energy utilisent quant à eux Spot pour des missions d'inspection dans des centrales nucléaires. Spot a également été déployé dans des centrales hydroélectriques et des zones minières, évaluant les zones dangereuses en raison du risque d'activité sismique, de la stabilité des roches ou de la présence de gaz toxiques.

2. Le robot TOKA 4 de Gecko escalade une chaudière, collectant des données ultrasonores pour alimenter une plate-forme logicielle alimentée par l'intelligence artificielle. Avec l'aimable autorisation de Gecko Robotics

Gecko Robotics, basée à Pittsburgh, a également constaté un regain d'intérêt pour ses robots. Armés de scanners à ultrasons multi-angles et de caméras visuelles, ses robots grimpants de la série TOKA (Figure 2) peuvent inspecter les réservoirs, les chaudières, les épurateurs, la tuyauterie, l'épaisseur des parois et les piqûres. L'activité a connu une croissance particulièrement cruciale compte tenu des actifs vieillissants du secteur de l'électricité. "Notre métier consiste à faire passer les entreprises de la maintenance réactive avec une fiabilité très linéaire ou médiocre à la proactivité, mais même au-delà", a déclaré Jake Loosararian, PDG et co-fondateur de Gecko Robotics, à POWER.

Gecko propose également une analyse de données activée par l'IA collectée à partir des inspections à multiples facettes permises par des robots, ce qui s'est avéré inestimable pour certains de ses clients de centrales électriques. "Nous avons collecté et possédé des données sur des dizaines de milliers d'actifs. Nous sommes en mesure de donner des informations à l'aide de certains des logiciels avancés sur ce que nous pensons réaliser, en prédisant évidemment à partir des ensembles de données quels sont certains des problèmes, mais aussi être en mesure de s'assurer qu'il y a une dépense prudente de capex [dépenses en capital] pour résoudre les problèmes, pas seulement aujourd'hui mais dans le futur, afin que vous puissiez prolonger la fréquence de vos fermetures.

Tel que défini par le National Institute of Standards and Technology (NIST), l'Internet des objets (IoT) comprend l'interconnexion des appareils numériques grand public (tels que les appareils intelligents et les appareils cellulaires). En revanche, l'IoT industriel (IIoT) couvre l'interconnexion des appareils numériques, tels que les capteurs, les instruments et les machines dans les processus industriels, de fabrication et commerciaux, par exemple, la sécurité, le réglage des performances, le contrôle d'accès, le contrôle des installations, la sécurité et la maintenance. .

L'IIoT se distingue également par son intégration des technologies de l'information et de la communication pour améliorer les technologies opérationnelles (OT), qui sont des "systèmes ou dispositifs programmables qui interagissent avec l'environnement physique". Les systèmes OT, par exemple, comprennent les systèmes d'instrumentation et de contrôle (I&C), les systèmes de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA) et les systèmes de contrôle distribués. Alors que l'OT traditionnel s'interconnecte généralement via des réseaux câblés, les appareils IIoT peuvent utiliser une gamme de technologies sans fil pour une couverture étendue, y compris l'identification WiFi, cellulaire, satellite, Bluetooth ou radiofréquence. Le NIST note qu'au lieu de remplacer le contrôle de processus traditionnel, les dispositifs IIoT sont destinés à améliorer les processus industriels grâce à une surveillance supplémentaire de divers capteurs et à l'application de modèles d'analyse de données.

Poussés par les progrès de la technologie et les efforts visant à accroître les économies de coûts, la commodité, l'efficacité, la fiabilité et la durabilité des composants d'alimentation, les appareils IIoT prolifèrent. À titre d'exemple parmi des centaines d'autres, une équipe de maintenance prédictive de NRG Energy, un géant de la production concurrentiel, a récemment ajouté une surveillance continue des actifs sans fil qui fournirait des données plus fréquentes et permettrait une détection plus précoce des défaillances en développement afin de mieux évaluer l'état des équipements de ses centrales électriques.

Un obstacle fréquemment cité lié aux appareils IIoT est que les réseaux sans fil peuvent subir des pannes et qu'ils peuvent être coûteux à déployer, en particulier s'ils sont intégrés à une infrastructure existante. Une avancée spécifique sur ce front a notamment été l'intégration de la 5G, un système de communication sans fil. La 5G, notamment, a ouvert la voie au contrôle de mouvement en temps réel isochrone sans fil, aux systèmes de capteurs pour la surveillance des processus critiques et aux applications de réalité augmentée et de réalité virtuelle, a noté 5G-ACIA, une alliance pour les industries connectées et l'automatisation. Les avantages d'une connectivité à large bande passante et à faible latence, quant à eux, incluent des applications de maintenance étendues, ainsi que pour la sûreté et la sécurité de l'usine.

"Les applications de géolocalisation peuvent être utilisées pour la sécurité et la sûreté des travailleurs et du public. Si un travailleur pénètre dans une zone qui devrait être évitée, son capteur portable peut déclencher une alarme", a noté Dominique Verhulst, responsable de Global Energy Practice chez Nokia. . "Ces types d'applications peuvent également être utilisés dans des usines distantes, alertant les équipes de sécurité centrales de toute activité non autorisée sur un site. Pour limiter davantage l'activité humaine dans des sites restreints où il pourrait être trop dangereux pour une personne de travailler, des robots télécommandés peuvent être activé sur le réseau pour automatiser les activités de maintenance."

Cependant, les risques de cybersécurité associés aux systèmes IIoT, en particulier aux appareils commerciaux prêts à l'emploi qui n'incluent pas de fonctionnalités de sécurité intrinsèques, sont également une préoccupation omniprésente. Selon Lior Frenkel, PDG de la société israélienne Waterfall Security Solutions, des solutions émergentes sont mises en œuvre dans de nombreux services publics pour faire face aux risques de cybersécurité liés à l'intégration IT/OT. Frenkel a mis en avant les passerelles unidirectionnelles de Waterfall, une "alternative évolutive" aux pare-feux qui peuvent sécuriser l'accès à distance et permettre la surveillance en temps réel du réseau industriel.

"En cybersécurité, les risques pour les réseaux OT, les réseaux de production, pour les réseaux de contrôle sont nouveaux. En tant que marché, il a probablement cinq ans", a-t-il déclaré. "Ce qui a changé il y a cinq ans, c'est le déplacement de la menace d'un ransomware basé sur le terrorisme."

L'approche de Waterfall, qui, selon Frenkel, est déployée par de grands services publics comme Southern Co., vise essentiellement à supprimer les pare-feu généralement connectés entre le réseau de contrôle et le monde extérieur. Parmi les autres technologies de sécurité émergentes, Frenkel a déclaré qu'il surveillait notamment les technologies de détection d'intrusion, qui peuvent surveiller à distance le réseau. Cependant, la surveillance est désormais également disponible en tant que service, a-t-il noté.

Les outils numériques remodèlent également plusieurs aspects du système électrique plus large. Parallèlement à l'apprentissage automatique qui peut prédire la production de panneaux solaires en fonction des conditions météorologiques, plusieurs technologies ont vu le jour pour faciliter les centrales électriques virtuelles, qui combinent des ressources énergétiques distribuées pour fournir des services de réseau.

Les technologies numériques permettent également la création de micro-réseaux, de systèmes énergétiques autonomes à petite échelle qui peuvent fonctionner de manière indépendante sur le réseau plus large et de centrales électriques hybrides. Dans un exemple unique, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et le Laboratoire national de l'Idaho (INL) ont démontré en janvier 2023 que le nucléaire à l'INL et les énergies renouvelables au NREL pouvaient être virtuellement synchronisés à l'aide d'un câblage à fibre optique exploité par ESnet et de simulateurs numériques en temps réel.

Sur le front de la distribution, les services publics souhaitent investir davantage dans "des dispositifs en aval qui intègrent des connaissances dans leurs outils de modélisation, ainsi que des fonctionnalités opérationnelles pour résoudre les problèmes courants de congestion de la qualité de l'alimentation", a noté Sally Jacquemin, vice-présidente et directrice générale de Power and Utilities chez L'unité commerciale Open Systems International (OSI) d'AspenTech. Et du côté de la transmission, la surveillance et le contrôle des actifs de production grâce à une analyse de stabilité dynamique deviennent de plus en plus importants pour assurer la stabilité de la tension et de la fréquence sur tout le réseau avec des énergies renouvelables, a-t-elle déclaré.

Les technologies numériques créent également de nouvelles plateformes d'échange d'énergie qui permettent un échange plus efficace et transparent des crédits d'énergie renouvelable et d'autres produits énergétiques. La blockchain, qui a été la clé de ces efforts, s'avère également utile pour les efforts d'approvisionnement et de fourniture d'énergie sans carbone 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 (24/7 CFE).

Par exemple, Cleartrace, un fournisseur tiers, collabore avec JPMorgan Chase (JPM) au Royaume-Uni depuis 2020 pour surveiller la consommation d'énergie de JPM à l'aide de la technologie de suivi de l'énergie basée sur la blockchain. La technologie fait correspondre numériquement, en temps réel, la consommation d'électricité de JPM à la production d'énergie renouvelable dans le cadre d'un contrat d'achat d'électricité 24h/24 et 7j/7. La plateforme de Cleartrace est également utilisée par NextEra, Iron Mountain, Brookfield Properties et Brookfield Renewable.

3. Le modèle de construction fortifié numériquement de Terafab promet d'accélérer la construction de centrales solaires, de réduire les coûts de construction et d'éliminer le risque de sécurité physique des ouvriers du bâtiment qui doivent soulever de lourds panneaux solaires et des structures en acier (souvent dans des conditions météorologiques difficiles) en utilisant l'automatisation sur une chaîne de montage climatisée. Ce rendu montre Terabase Terafab dans une "usine de terrain numérique automatisée". Avec l'aimable autorisation de Terafab

Enfin, les avancées numériques stimulent également les chaînes d'approvisionnement et transforment la construction. En mai, la société de solutions numériques et d'automatisation Terabase Energy a annoncé la première usine de terrain numérique automatisée au monde pour la construction de centrales solaires. Prévu pour être déployé à l'automne 2023, le système complet Terafab (Figure 3) combinera un jumeau numérique d'un site de projet, des systèmes avancés de gestion de la chaîne d'approvisionnement et des stocks, un centre de commande numérique sans fil sur site, une chaîne de montage automatisée déployée sur le terrain et des systèmes spécialisés. l'installation des rovers en une opération transparente 24h/24 et 7j/7, a déclaré la société à POWER.

—Sonal Patelest rédacteur en chef adjoint de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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