GEMINI: slim managementsysteem voor aardwarmte-installaties

Afgelopen jaar is TNO een eigen project gestart genaamd GEMINI, dat digital twin-modellen van fysieke installaties koppelt aan een webbased framework om operators digitaal te ondersteunen bij het monitoren en beheren van de zeer complexe systemen in geothermische installaties. GEMINI wil aardwarmtebeheerders en de sector als geheel een open source digitaal platform bieden, waar alle gegevens en modellen veilig worden opgeslagen om de prestaties te bewaken, onderhouden, voorspellen en optimaliseren.

Om deze ontwikkeling te versnellen is Nieuwe Warmte Nu! in november 2023 gestart met het innovatieproject Datagedreven Optimalisatie Aardwarmtesystemen. Het project, gesteund vanuit het Nationaal Groeifonds, is een samenwerkingsinitiatief met partners uit de hele waardeketen, zoals Aardyn, HVC, WEP (Well Engineering Partners), Helin Data, TNO, Geothermie Nederland en de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland.

Operators klaarstomen voor groei in geothermie

We kunnen er niet omheen dat aardwarmte een steeds grotere rol als duurzame warmtebron gaat spelen, of dit nu in de tuinbouw, de industrie of de gebouwde omgeving is. Verwacht wordt dat het aantal aardwarmtesystemen de komende decennia explosief zal toenemen. Om die systemen optimaal te laten draaien en ze te onderhouden, moet de operator in de controlekamer op actuele, nauwkeurige gegevens kunnen rekenen. Een belangrijk feit daarbij is dat je meer en sneller beslissingen moet nemen, naarmate er meer bedrijfsmiddelen bijkomen. GEMINI overbrugt de kloof tussen de fysieke en digitale wereld door dynamische, virtuele replica's van fysieke modellen te bouwen, die de operators in aardwarmtecentrales slim en mensgericht ondersteunen.

Fysieke en digitale wereld samenbrengen in realtime

TNO ontwikkelt een geavanceerde simulatietool die fysische modellen, chemische modellen, datagestuurde modellen én zogeheten ‘physics-informed’ AI-modellen allemaal samenbrengt in één flexibel webbased framework. Deze gestandaardiseerde modellen kunnen dan in de toekomst ingezet worden om samen te werken met systemen in andere sectoren.

Ook bouwt TNO aan het raamwerk voor de digital twin-technologie, die in realtime communiceert met TNO's eigen ontwikkelde datastromen en modellen. Pejman Shoeibi Omrani werkt als senior scientist energietransitie bij TNO. Hij is ervan overtuigd dat er binnen drie tot vier jaar een zeer rijke bron zal zijn van reeds gevalideerde modellen. “De data zullen natuurlijk van de operators zijn, maar de modellen zelf worden open source. We willen ook de toegevoegde waarde laten zien van gegevensuitwisseling door de hele sector”, aldus Pejman.

De maakindustrie, toeleveringsketens, windparken, lucht- en ruimtevaart en auto-industrie maken nu al gebruik van digital twins om hun prestaties te optimaliseren en hun competenties te verbeteren. De toepassing van deze technologie in aardwarmte- en ondergrondse warmteopslagsystemen is echter nieuw. “Maar wel volstrekt logisch”, vindt Pejman.

“Niet alleen vanuit ecologisch oogpunt, maar ook de economische en operationele voordelen voor geothermie beheerders zijn enorm”. Aardwarmtesystemen zijn zeer complex vanwege de vloeistofsamenstellingen, de dynamiek tussen vraag en aanbod, het afwijkende productiegedrag, belasting en slijtage van apparatuur en storingen. Er wordt continu gezocht naar nieuwe manieren om de operationele kosten te bedwingen, uitval te beperken en prestaties te verbeteren, zodat geothermische installaties levensvatbaar kunnen blijven.

“Zo’n digital twin is eigenlijk een virtuele kopie van de fysieke infrastructuur die data en simulaties in realtime integreert”, legt Pejman uit. “Deze krachtige combinatie geeft operators diepgaand en dynamisch inzicht in het gehele energieproductieproces. De digital twin bewaakt en analyseert continu de systeemprestaties, waardoor tekortkomingen, potentiële knelpunten en storingen direct geïdentificeerd en verholpen kunnen worden.”

Open source toegang tot AI-gestuurde technologie voor aardwarmtesystemen

GEMINI heeft tal van modules en toepassingen die ingenieurs ondersteunen in hun werk, bijvoorbeeld om installatieschema's te bouwen, de installatie te optimaliseren, modellen te kalibreren, apparatuur zoals pompen, afsluiters en leidingen te monitoren, emissies te bewaken en (groot) onderhoud te plannen. Bovendien kunnen de automatische dataverwerking en rapportagetool volledig worden geïntegreerd met bestaande databases om workflows te automatiseren en een intelligent managementsysteem te creëren.

De mogelijkheid om bestaande modellen te koppelen en ermee samen te werken met verschillende programmeertalen maakt GEMINI relatief eenvoudig te implementeren. Nadat alle functionaliteiten grondig getest zijn in het veld via projecten zoals WarmingUP GOO en Nieuwe Warmte Nu!, kan de tool beschikbaar worden gesteld aan gebruikers via open-source bibliotheken. Een bijkomend voordeel is de hoge mate van gebruiksvriendelijkheid, zelfs voor gebruikers zonder kennis van codering.

Bouwen aan een werkbaar digital twin framework

GEMINI is vooral bedoeld om operators in geothermie – en met name technici in de controlekamer – in realtime continu toegang te geven tot de actuele gegevens op locatie via het open-source digital twin framework. Hierdoor zijn de systeemprestaties en -status direct inzichtelijk en beschikken ze over datagestuurde ondersteuning om snel te kunnen beslissen.

Maar er zijn ook andere voordelen. Het systeem maakt gebruik van open source modellen voor data-interpretatie, waardoor de informatie relevant wordt voor benchmarking en leerdoelen. De diagnostische en voorspellende waarde van GEMINI zorgt voor een nauwkeuriger beeld van toekomstige prestaties, integriteit én geeft een gedetailleerd inzicht in kritieke processen zoals scaling en corrosie. Hierdoor kan er preventief gehandeld worden, wat de operationele continuïteit verbetert, het aantal transportbewegingen vermindert en de ecologische voetafdruk van de installatie verkleint.

De kennis van de operator wordt bijvoorbeeld door middel van datalabels gedocumenteerd in de digitale twin voor leerdoeleinden en kennisuitwisseling. Ook nieuwe medewerkers worden effectiever opgeleid, aangezien de digital twin als offline trainingstool kan fungeren zonder de fysieke operatie te verstoren.

Hoe ver kan GEMINI ons brengen?

Digital twinning is in sommige sectoren al redelijk ingeburgerd en TNO heeft veel kennis, data en modellen in huis via eerdere en huidige onderzoeksprogramma's. “Ons doel voordat we aan het GEMINI-project begonnen, was om alle gegevens, tools en functionaliteiten van bestaande platforms te verzamelen en alle modellen en informatie op te slaan op één gemeenschappelijke locatie”, zegt Pejman.

“Wij zijn al een heel eind en willen nadat de praktijktests afgerond zijn, de tool en alle modellen als open source beschikbaar stellen aan operators in de geothermiesector. Zij kunnen dan aanvullen en aanpassen naar hun eigen specificaties. Uiteindelijk kan GEMINI worden uitgebreid om in veel andere sectoren dienst te doen, dus de mogelijkheden zijn eindeloos.”