Introductie simulatiemodel

Een digital twin van het energiesysteem

Het simulatiemodel is een agent-gebaseerd simulatiemodel. Dat betekent dat actoren en energie-assets als het ware 'leven' in het model. Een auto is bijvoorbeeld een object die eigenschappen (type, huidige status, energie-efficientie, etc) en gedrag (rittenpatronen, laadgedrag, voorkeuren) heeft. Een huis is een object dat een fysieke warmtestroom heeft met de buitenwereld en allemaal verbindingen met andere energie-assets die in het huis staan. Het simulatie model is dus geen klassiek 'rekenmodel', het is een model dat de dynamieken van het energiesysteem naspeelt. Je zou het een digital twin of virtuele proeftuin kunnen noemen van het ingestelde energiesysteem.

Structuur van het model

Vrij uniek aan het simulatiemodel is dat het generiek is opgezet. Iedere casus gebruikt exact hetzelfde model. Het model kan één huis met elektrische auto en zonnepanelen in detail simuleren, maar het kan ook een industriegebied of een agrarisch gebied uitspelen. Het hangt er maar vanaf wat je aan het begin van de simulatie als energiesysteem instelt voor de specifieke 'run'. Dit energiesysteem bestaat uit fysieke energie-assets en een sociale laag met actoren en contracten. Beiden worden in de volgende paragrafen verder uitgelegd.

Om een simulatierun te doen heeft het model input nodig die het energiesysteem op de juiste wijze beschijft. Daarvoor is een Json format ontworpen die het volgende beschrijft:

1. Alle actoren en contracten tussen die actoren
2. Alle netaansluitingen, alle daaraan verbonden energieassets (incl. eigenschappen, profielen en gedragsvoorkeuren)
3. De nettopologie
4. Het actieve beleid en andere relevante parameters voor de simulatierun

Fysieke energiesysteem

Holontool simuleert de energiedynamieken van de volgende energiedragers:

• Elektriciteit
• Methaan/groen gas
• Warmte
• Waterstof
• Diesel/benzine

Dat simuleren gaat op basis van 'EnergyAssets'. EnergyAssets zijn daadwerkelijke apparaten' die binnen de context van het model een energievraag hebben (consumption), energie opwekken (production), energie omzetten (conversion) of opslaan (storage). Hier volgen enkele voorbeelden:

• Een gaspit is een EnergyAsset die methaan consumeert o.b.v. zijn eigenschappen en gedrag.
• Een elektrische auto is een EnergyAsset die elektriciteit kan opslaan en verbruiken.
• Zonnepanelen en windmolens zijn EnergyAssets die elektriciteit produceren o.b.v. de huidige zonneinstraling of windsnelheid.
• Een elektrolyser is een EnergyAsset die waterstof consumeert en elektriciteit produceert.
• Een waterstoftank is een EnergyAsset die waterstof opslaat.
• Een huis is een EnergyAsset die warmte opslaat en uitwisselt met de omgeving.

Eigenschappen van EnergyAssets zijn veelal specifiek voor de categorie en het (sub)type, maar een veelvoorkomende parameter is de efficientie.

EnergyAssets zitten in het model altijd verbonden een een GridConnection of een GridNode. Deze noemen we de bouwblokken van het model:

Structuur elektriciteitssysteem

Onderstaande figuur toont de opbouw van de modelstructuur voor elektriciteit. Daarin zijn drie bouwblokken te onderscheiden: 1) GridNodes, 2) GridConnections en 3) EnergyAssets. In de vaste structuur van het model zijn EnergyAssets via GridConnections verbonden aan de netwerken, gerepresenteerd als GridNodes.

GridNodes zijn knooppunten in het netwerk met een instelbare capaciteit (in MW). In het model bestaan varianten voor elektriciteit en warmte. De elektrische GridNodes vertegenwoordigen transformatorstations tussen de netniveaus voor hoge, midden- en lage spanning (respectievelijk HS, MS, LS). Er kunnen meerdere MS/LS-GridNodes aan een HS/MS GridNode hangen. Samen vormen de GridNodes het elektriciteitsnetwerk binnen het model. De HS/MS GridNode vertegenwoordigt het hoogste niveau in het model, en fungeert daarmee als node voor import en export van elektriciteit in het model.

GridConnections vertegenwoordigen verschillende objecten die een (fysieke) netaansluiting kunnen hebben. Voorbeelden zijn woningen, gebouwen (winkels, kantoren), industrieën, maar ook windparken, zonneparken en warmtecentrales voor warmtenetten zijn in Holon als GridConnection gemodelleerd.

Structuur warmtenetten

Voor warmtenetten is een parallele modelstructuur aangemaakt, met speciale Heat GridNodes. Deze HeatGridNode vormt het warmtenet, en heeft hiervoor een eigen EnergyAsset, een HeatStorageAsset. Er kunnen meerdere warmtenetten in het model naast elkaar bestaan.

Aangesloten GridConnections hebben een GridNode voor zowel elektriciteit als warmte. Warmteleveranciers (DistrictHeat GridConnections of ResidualHeat GridConnections) zijn ook aangesloten aan de HeatGridNode en leveren zo hun warmte. Zowel warmteproductie als levering loopt via de HeatGridNode, de netto load over de HeatGridNode zal daarom altijd gelijk zijn aan nul.

Overige energiedragers

Naast elektriciteit en warmte worden ook methaan (aardgas of groengas), waterstof en diesel/benzine gemodelleerd. Hiervoor wordt geen nettopologie ingeladen. Methaan is beschikbaar op locaties of in gebouwen waar een gas aansluiting is. Diesel/benzine verbruik wordt berekend op het aantal gereden kilometers per voertuig. Waterstof en groengas kunnen lokaal geproduceerd en opgeslagen worden, maar kunnen ook uit een niet gemodelleerd net getrokken of gestuurd worden.

Sociale laag

Naast het fysieke energiesysteem worden ook actoren gemodelleerd als aparte agenten. Het model onderscheidt vijf hoofd actortypen. Ieder actortype heeft ook verschillende subtypen:

1. ConnectionOwner: eigenaar van een netaansluitingen --> huishoudens, energiecooperaties, windparkeigenaren, etc.
2. GridOperator: netbeheerder en eigenaar van (Heat)GridNode(s)
3. EnergySupplier: energieleverancier van electriciteit, warmte, methaan of diesel
4. EnergyHolon: een agent die kan optreden als energiecooperatie en lokale EnergySupplier met ConnectionOwners als leden.
5. AdministrativeHolon: agent die een administratieve (bijv. gemeente) representeert, maar geen energie-sturende rol heeft.

Een simulatierun kan vele actoren hebben. Iedere actor gaat gepaard met contracten die hij met andere actoren heeft 'afgesloten'. Deze contracten dienen om transacties van de energiedragers die in het model worden uitgewisseld te quantificeren. Ieder contract kan meerdere parameters hebben die te maken heeft met dat type contract. Zo kunnen huishoudens de volgende contracten hebben:

• Leveringscontract elektriciteit met een ElectricitySupplier (=subcategorie van EnergySupplier). Bepaald de prijs voor elektriciteit, maar ook of het een variable contract is of niet, wat de prijs is voor teruggeleverde elektriciteit, etc.
• Vastrechtcontract elektriciteit met de netbeheerder
• Transport contract met de netbeheerder voor nieuwe tariefstructuren
• Belastingcontract elektriciteit met de overheid (AdministrativeHolon) voor het betalen van elektriciteitsbelastingen
• Leveringscontract gas met een gasleverancier
• Vastrechtcontract gas met een netbeheerder van het gasnet
• Belastingcontract gas met de overheid voor het bij houden van belastingen voor gas

En zo ook voor de overige energiedragers. Merk op dat iedere GridConnectionOwner (lees huishouden/gebouw eigenaar) in het energiesysteem unieke contracten kan hebben. Zo kan het ene huishouden een variabel leveringscontract hebben vorm x, een andere een variabel contract van vorm y, en weer een andere een vast tarief met vaste leveringsprijs Z. Dit hoeft uiteraard niet, en in de voorbeeldcasussen van holons.energy is die complexiteit niet aan de orde, maar simulatiemodel biedt wel die mogelijkheden.