Với tình trạng thiên tai nghiêm trọng xảy ra thường xuyên, các công ty và chính quyền địa phương đang tập trung nỗ lực giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu của SDG (giảm khí thải nhà kính) Trong hoàn cảnh này, điều hiện đang thu hút sự chú ý là việc hình thành các “cộng đồng thông minh” nhằm mục đích tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo và sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông để cung cấp và yêu cầu năng lượng một cách hiệu quả trong khu vực

Do đó, chúng tôi đã hỏi Kenichi Tokoro, nhà nghiên cứu cấp cao tại Phòng Nghiên cứu ENIC, Trụ sở Nghiên cứu Đổi mới Lưới điện, Viện Nghiên cứu Trung ương về Công nghiệp Điện lực, người nghiên cứu dự báo nhu cầu, lập kế hoạch vận hành và kiểm soát tối ưu thiết bị năng lượng cũng như việc sử dụng các mô hình cộng đồng thông minh, về những điểm chính liên quan đến việc hình thành cộng đồng thông minh

Viện Công nghiệp Điện lực Trung ương, Trụ sở Nghiên cứu Đổi mới Lưới điện
Nhà nghiên cứu cấp cao, Phòng nghiên cứu ENIC
Kenichi Tokoro

Mr Tokoro là thành viên của Ủy ban Kỹ thuật về Sử dụng và Mở rộng các Mô hình Cộng đồng Thông minh tại Viện Kỹ sư Điện Nhật Bản, Nhóm Nghiên cứu của Viện Kỹ sư Điều khiển và Thiết bị, nhằm phát triển các phương pháp tiếp cận hệ thống mới để hiện thực hóa một thế giới thông minh hơn và nhóm nghiên cứu ''Sự phát triển của Hệ thống Năng lượng và OR'' của Hiệp hội Nghiên cứu Hoạt động Nhật Bản

Về cộng đồng thông minh, ông Tokoro cho biết: ``Tôi tin rằng điều quan trọng là sử dụng hiệu quả năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng có đầu ra không ổn định Để đạt được điều này, chúng ta cần tận dụng công nghệ thông tin liên lạc và công nghệ lưu trữ năng lượng (pin, vv) Tuy nhiên, pin đắt tiền nên nếu thừa điện, bạn chỉ cần tích trữ vào pin là được'' "Không có chuyện đó Điều quan trọng là phải sử dụng công nghệ quản lý năng lượng để tận dụng hiệu quả dung lượng pin để tiết kiệm năng lượng và đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng ổn định Hãy hợp tác với ngành công nghiệp và giới học thuật để phát triển công nghệ hệ thống cho phép sử dụng năng lượng tái tạo trong các cộng đồng này Đây là lý do tại sao ủy ban bắt đầu nghiên cứu này"

Cộng đồng thông minh là gì
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Viện Kỹ sư Điện Nhật Bản đã phát triển "Mô hình Cộng đồng Thông minh" từ năm 2012 và nghiên cứu việc sử dụng cũng như mở rộng Mô hình Cộng đồng Thông minh từ năm 2015

Ông Tokoro: Khi đánh giá các công nghệ hệ thống hỗ trợ cộng đồng thông minh, cần có khả năng tính toán các tiêu chuẩn chung như mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải CO2 bằng cách sử dụng dữ liệu tạo thành cơ sở chung, thay vì đánh giá bằng cách đưa ra dữ liệu thuận tiện cho chúng ta Để đạt được mục tiêu đó, chúng tôi đã nỗ lực phát triển một mô hình cộng đồng thông minh

“Mô hình cộng đồng thông minh”

Trong ``Mô hình cộng đồng thông minh'', chúng tôi đã phát triển một mô hình cơ bản có thể thực hiện các đánh giá cơ bản về chi phí năng lượng, mức tiêu thụ năng lượng, lượng khí thải CO2, vv cho toàn bộ cộng đồng thông minh, có tính đến sự tương tác của bảy lĩnh vực: điện, khí đốt, nước, đường sắt, công nghiệp, kinh doanh và gia đình

Mô hình cộng đồng thông minh
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Mô hình cơ bản được triển khai trong Excel và khi người dùng mô hình nhập giá trị của các biến quyết định như khởi động/dừng thiết bị năng lượng trong từng trường và đầu ra khi khởi động, chi phí năng lượng, mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải CO2 tương ứng cho toàn bộ cộng đồng thông minh có thể được tính toán và phân tích

Mô hình công nghiệp/kinh doanh mô hình hóa các nhà máy, trung tâm mua sắm, tòa nhà lớn, vv Ví dụ: mô hình công nghiệp mô hình hóa các thiết bị như tua bin khí và máy làm lạnh ly tâm, cũng như nhu cầu từ các nhà máy và có thể tái tạo dòng điện, khí đốt và nước, đồng thời tính đến tác động của việc sản xuất năng lượng mặt trời, pin lưu trữ và phản ứng nhu cầu (thay đổi nhu cầu điện bằng cách cho phép người tiêu dùng kiểm soát việc sử dụng điện một cách thông minh)

Mô hình ngành/kinh doanh
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Mẫu hộ gia đình bao gồm máy nước nóng bơm nhiệt (Ecocute), pin nhiên liệu và máy nước nóng kiểu đốt, đồng thời bằng cách nhập giá trị của các biến quyết định như thời gian bắt đầu/dừng, thời gian sạc/xả, vv của các thiết bị này, lượng điện và gas sử dụng trong nhà sẽ được tính toán

Mẫu nhà
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Ông Tokoro: Điều tôi nghĩ thú vị là mô hình xử lý nước, cho phép chúng tôi xem xét liệu lượng điện dư thừa có thể được hấp thụ bằng cách tận dụng tốt hệ thống nước và nước thải hay không Nước tinh khiết tại nhà máy xử lý nước được lưu trữ trong hồ chứa xử lý nước, sau đó được bơm lên hồ chứa phân phối nằm trên cao và cung cấp cho người tiêu dùng bằng trọng lực Nhiều chung cư còn có bể chứa trên mái, nước máy được bơm vào bể này Nếu thời điểm bơm nước phù hợp với việc tạo ra lượng điện dư thừa thì các hồ chứa phân phối nước và bể chứa trên mái nhà có thể được sử dụng như pin để hấp thụ lượng điện dư thừa

Mô hình xử lý nước
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Phương pháp nghiên cứu hoạt động

Nếu có thể sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông để tận dụng lượng điện dư thừa thì lượng khí thải CO2 có thể giảm mà không phải chịu bất kỳ chi phí nào Tuy nhiên, theo Tokoro, có một số điểm cần thận trọng khi sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông

Có nhiều lựa chọn khác nhau về công nghệ thông tin và truyền thông, chẳng hạn như IoT, cảm biến, truyền thông tốc độ cao 5G, học sâu và máy tính lượng tử làm tài nguyên tính toán Tất nhiên, sử dụng những công nghệ này sẽ phải trả giá

Ông Tokoro: Tôi nghĩ chúng ta cần cân nhắc xem nên chi bao nhiêu cho công nghệ thông tin và truyền thông Ngay cả khi chi phí vận hành có thể giảm một nửa bằng cách sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông, sẽ là vô nghĩa nếu chi phí cần thiết cho việc lập kế hoạch, chẳng hạn như phí cảm biến, chi phí liên lạc và chi phí tính toán, vượt quá mức giảm Khi xem xét việc sử dụng năng lượng trong cộng đồng, điều quan trọng là phải tìm ra giải pháp giảm thiểu tổng chi phí vận hành và chi phí lập kế hoạch Tuy nhiên, với số lượng lựa chọn công nghệ thông tin và truyền thông ngày càng tăng, việc tìm kiếm các giải pháp này ngày càng trở nên khó khăn

Một giải pháp khả thi cho vấn đề này là áp dụng một phương pháp gọi là mô hình nghiên cứu hoạt động Thay vì cố gắng tìm một giải pháp tối ưu nghiêm ngặt, phương pháp này trích xuất các thuộc tính của mục tiêu và giải quyết chúng bằng cách thay thế chúng bằng các hiện tượng trừu tượng đơn giản, công thức toán học, mô hình, vv

Nghiên cứu hoạt động
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Sự khác biệt giữa giới hạn trên của kế hoạch được xác định bằng mô hình và giới hạn dưới của kế hoạch được xác định bằng mô hình trở thành giới hạn trên của chi phí đầu tư CNTT
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Là một ví dụ cụ thể về mô hình hóa, hãy cân nhắc việc sử dụng lượng điện dư thừa từ việc sản xuất năng lượng mặt trời bằng cách chuyển đổi lượng điện đó thành nước nóng Eco Cute Vì mục đích này, điều quan trọng là phải xác định lượng nước nóng được chứa trong bình Ecocut Nếu có ít không gian trong bể thì chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ năng lượng dư thừa Mặt khác, nếu giảm lượng nước nóng dự trữ trong bình để có thể hấp thụ nhiều điện dư thì nguy cơ hết nước nóng sẽ tăng lên Lượng nước nóng dự trữ trong bình phải được xác định bằng cách xem xét sự cân bằng giữa việc sử dụng điện dư thừa và nguy cơ hết nước nóng

Kế hoạch vận hành có tính đến việc sử dụng lượng điện dư thừa
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Bài toán tìm lượng nước nóng tối ưu để chứa trong bể có thể được thay thế bằng bài toán quản lý tồn kho nguyên liệu, sản phẩm dở dang và sản phẩm Bằng cách áp dụng các phương pháp đã được thiết lập để giải quyết các vấn đề tồn kho, chẳng hạn như đặt hàng định lượng và đặt hàng định kỳ, vấn đề về lượng nước nóng cho Ecocut có thể được giải quyết bằng các phép tính đơn giản, mặc dù nó có thể không nhất thiết phải là giải pháp tối ưu theo nghĩa chặt chẽ

Hơn nữa, phí điện cơ bản theo hợp đồng điện áp cao được xác định bởi công suất tối đa, do đó, trong các khu chung cư đã ký hợp đồng cung cấp điện một lần điện áp cao, có thể hình dung việc kiểm soát số giờ hoạt động của Ecocute ở mỗi người thuê để không vượt quá công suất tối đa Bài toán tìm thời gian lái xe tối ưu cho Ecocut của mỗi hộ gia đình có thể được giải quyết bằng các phép tính đơn giản bằng cách thay thế bằng bài toán đóng gói hình chữ nhật

Kế hoạch vận hành có tính đến việc sử dụng lượng điện dư thừa
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Nợ kỹ thuật số và vòng xoáy tử thần

Mr Tokoro cho rằng cần phải xem xét vấn đề nợ kỹ thuật số và vòng xoáy tử vong khi sử dụng năng lượng trong cộng đồng

Nếu các giao dịch điện dư P2P (ngang hàng) bắt đầu diễn ra trong các cộng đồng thông minh, có khả năng những người không thể sử dụng thiết bị thông tin sẽ gặp bất lợi (nợ kỹ thuật số) Ngoài ra, khi việc sản xuất năng lượng mặt trời tăng lên và ngày càng có nhiều người ngừng sử dụng điện từ các công ty điện lực, chi phí vận hành của các công ty điện lực sẽ tăng lên và điều này sẽ được phản ánh trong hóa đơn tiền điện, có khả năng tạo ra một vòng xoáy tử thần trong đó những người không thể lắp đặt năng lượng mặt trời sẽ gặp bất lợi

Ông Tokoro nói rằng một cách để giải quyết vấn đề này có thể là thông qua chỗ ở thay vì giao dịch

Ông Tokoro: Thay vì mua và bán điện theo thời gian thực, tôi nghĩ rằng nếu cộng đồng có quy mô nhất định, có thể thuê và mượn điện trong một khoảng thời gian dài hơn một chút hoặc đổi điện lấy nhiệt, ``trao đổi năng lượng năng lượng'' hoặc ``trao đổi hàng hóa năng lượng'' Năng lượng là thứ mà mọi người đều sử dụng, vì vậy tôi nghĩ sẽ là một ý tưởng hay nếu trả tiền cho thứ gì đó bằng năng lượng Tôi nghĩ có thể sử dụng nó như một loại tiền tệ địa phương, tương tự như hệ thống tiêu chuẩn kilowatt hơn là hệ thống tiêu chuẩn vàng

Hệ thống mới từ Nhật Bản
(Nguồn: Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương)

Mr Tokoro cho rằng ý tưởng linh hoạt này có thể trở thành một hệ thống mới có nguồn gốc từ Nhật Bản Yukiko Kada, cựu thống đốc tỉnh Shiga và là thành viên của Hạ viện, đã sử dụng khái niệm “nước gần, nước xa” Nước gần nhất là nước hồ Biwa, còn nước xa là nước máy

Trước đây, nước từ hồ Biwa được lấy vào để uống và dùng để giặt giũ Nước chảy từ nhà bên cạnh trở thành nguồn cung cấp nước cho nhà bên cạnh nên người ta nói rằng họ đã tạo được cảm giác điều độ trong cuộc sống bằng cách không xả bỏ những thứ bẩn thỉu

Ông Tokoro: Trước đây, cộng đồng có văn hóa tận dụng tốt nguồn nước gần đó Với sự lan rộng của nước máy, vốn là nguồn nước ở xa, ý tưởng sử dụng nước gần đó trong cộng đồng đã mờ nhạt Chúng tôi hy vọng có thể chia sẻ với thế giới một hệ thống có nguồn gốc từ Nhật Bản, trong đó lượng điện dư thừa từ nguồn điện gần đó được chia sẻ và sử dụng trong cộng đồng, với ý tưởng rằng điện vừa gần vừa xa