Rekenen voor een duurzame toekomst

Elk jaar gebruikt de mensheid zo’n 40% meer van de hulpbronnen van de aarde dan de aarde in dat jaar duurzaam kan leveren. Het is duidelijk dat dit niet eeuwig kan doorgaan. Het bewustzijn hiervan groeit en grote transities beginnen vorm te krijgen. Als expert in het ontwikkelen van rekensoftware ziet VORtech een belangrijke rol voor zichzelf weggelegd bij het ontwikkelen van de software voor rekenen en simuleren die nodig is om deze transities te maken. Wij zijn blij om dit nu al terug te zien in ons klantenportfolio. 

Koos Huijssen, partner bij VORtech, leidt de business development voor VORtech in de duurzaamheidssector. Volgens Koos zijn er voor VORtech veel kansen om in deze richting te groeien. Koos: “Onze projecten op duurzaamheidsgebied variëren van heel praktische werk tot strategische toepassingen.” 

Simulatieworkflows 

Als voorbeeld van heel praktisch werk noemt Koos de automatisering van simulatieworkflows in de energiesector. Koos: “Simulatie is een kernactiviteit bij het ontwerpen van systemen voor een duurzamer energiesysteem. Door het simulatieproces te faciliteren, dragen we indirect bij aan betere ontwerpen, omdat de experts meer alternatieven kunnen berekenen met minder fouten.”  

Als voorbeeld noemt Koos een project dat VORtech voor TenneT heeft gedaan. Daarin is  een geautomatiseerde workflow ontwikkeld om te beoordelen of het hoogspanningsnetwerk voldoet aan vraag en aanbod. Na heel wat vergelijkbare projecten te hebben gedaan, kent VORtech nu de dynamiek in deze projecten en heeft een standaard manier van werken ontwikkeld. 

Volgens Koos zitten de uitdagingen hier niet zozeer in de berekeningen, maar eerder in het goed modelleren van de workflow en het bouwen van de juiste soort automatisering. Koos: “Hier maken we gebruik van het feit dat we niet alleen software engineers zijn, maar ook een technische achtergrond hebben. Daarom kunnen we begrijpen wat er wordt gesimuleerd, wat de gegevens betekenen die in de simulatie worden gebruikt en hoe de uitvoer zal worden geïnterpreteerd. Dit alles is nodig om een ​​effectief gesprek met de gebruikers te voeren. Maar het betekent ook dat we de juiste vragen kunnen stellen om hun stilzwijgende aannames ter discussie te stellen. “ 

Omgaan met data 

Koos ziet ook een andere ontwikkeling die een rol gaat spelen bij het verduurzamen van de wereld: het gebruik van sensordata. Koos: “Er is een enorme toename in de beschikbaarheid van allerlei sensordata en deze kunnen gebruikt worden om onze omgeving te monitoren en als input voor simulaties en berekeningen om scenario’s te evalueren. Denk bijvoorbeeld aan de data die het IPCC gebruikt als basis voor de klimaatscenario’s.” 

Volgens Koos heeft VORtech veel te bieden voor het beheren van al deze data gezien haar ervaring op dit gebied in de watersector. Daar helpt VORtech bij het bouwen van operationele systemen die gegevens uit veel verschillende bronnen verzamelen en die gegevens in berekeningen verwerken om bijvoorbeeld waterstanden langs de kust te voorspellen. Deze systemen zijn niet alleen zeer complex, maar ook kritisch. Koos: “Daar moeten we dus echt robuuste software bouwen.”  

Een belangrijk aspect van dit soort systemen is de visualisatie van de data en simulatieresultaten. Hiervoor is ook weer interactie met de gebruikers essentieel, aldus Koos. “De gebruikers moeten snel de juiste informatie uit de data kunnen afleiden, zonder gevaar voor verkeerde interpretaties. En ze hebben effectieve mechanismen nodig om dieper in de gegevens te duiken wanneer dat nodig is. Dergelijke interactieve visualisaties kun je alleen in nauwe samenwerking met de gebruikers bouwen.” 

Modellen voor een duurzame industrie 

Complexer in termen van berekeningen is het werk dat VORtech doet aan simulatiemodellen voor industriële installaties. De industrie is een belangrijke bron van de uitstoot van broeikasgassen en gebruikt veel energie. Er valt daar dus veel te winnen met innovaties op het gebied van duurzaamheid. Maar deze innovaties vereisen vaak diepgaand inzicht in de industriële processen om soms fundamenteel nieuwe alternatieven te ontwerpen. Voor zowel dit inzicht als de evaluatie van alternatieven zijn berekeningen essentieel. 

Een voorbeeld van dit soort werk is onze bijdrage aan software die wordt gebruikt bij het ontwerp en de bediening van ethyleenovens. Dit is een mooi voorbeeld waarbij computers worden gebruikt om te onderzoeken hoe de footprint van een industriële installatie kan worden verkleind. Koos’ collega Dirk van Meeuwen heeft een achtergrond in de procesindustrie. Dirk: “We zien dat klanten in de chemische industrie zich sterk inspannen om hun installaties te optimaliseren om aan de steeds strengere milieuregels te voldoen. Ze begrijpen dat ze nu actie moeten ondernemen om de levensvatbaarheid van hun bedrijf te behouden.” 

Er zijn verschillende vaardigheden die VORtech inzet voor dit soort projecten. Dirk van Meeuwen legt uit: “Allereerst begrijpen we de chemie die er gaande is, omdat we hier mensen hebben met een achtergrond in de chemische technologie. Maar ik denk dat wat ons speciaal maakt voor dit soort projecten, is dat we de wiskunde achter de berekening begrijpen. We kunnen dus de algoritmen verbeteren om de berekening nauwkeuriger, robuuster en sneller te maken. Wij hebben veel ervaring met high performance computing. Dat is niet zo exotisch als het klinkt: de basistechnieken om de rekensnelheid te verhogen kun je al toepassen op een stevige laptop. We zijn ook op de hoogte van de nieuwste ontwikkelingen om rekenmodellen te vervangen door machine learning-modellen. Dat belooft modellen heel snel en efficiënt te maken, maar is nu nog behoorlijk experimenteel.” 

Digital twins 

Dirk noemt nog een trend die sterk opkomt en een belangrijke rol gaat spelen bij het verduurzamen van bedrijven: digital twins. Dirk: “Er is tegenwoordig veel hype rondom digital twins, maar inmiddels ook wat inhoud. Zo ontwikkelden we bijvoorbeeld een digital twin voor het binnenklimaat van datacenters, 4DCOOL genaamd. Datacenters gebruiken een enorme hoeveelheid energie voor hun koeling en het aantal en de omvang van datacenters groeit snel. Ook het water dat ze gebruiken voor koeling kan een impact hebben op het milieu. Er is dus veel winst te behalen op het gebied van duurzaamheid door de koeling te optimaliseren.”  

Dat is precies waar 4DCOOL helpt: het geeft gedetailleerd inzicht in de temperatuur in de serverruimte van datacenters en biedt simulatietools om snel het effect van veranderingen in de koeling in te schatten. Met 4DCOOL kunnen operators de koeling afstemmen op een minimaal energieverbruik. 

VORtech heeft 4DCOOL ontwikkeld met partners uit de industrie en de onderzoekswereld. Dirk: “Onze belangrijkste bijdrage hier was het ontwikkelen van algoritmen om het model van de luchtstromen in de serverruimte te combineren met de metingen van de daadwerkelijke temperatuursensoren. Dit wordt data-assimilatie of model-data-fusie genoemd. In dit geval wordt het gebruikt om de stromingssimulatie zeer realistisch te maken, omdat deze voortdurend wordt gekalibreerd met de werkelijke temperaturen. Met zo’n goed gekalibreerd model zal elk scenario dat je gaat berekenen, nauw aansluiten bij wat er in werkelijkheid zal gebeuren. Datacenters kunnen met deze toepassing hun koeling optimaliseren en daarmee de daarvoor benodigde energie verminderen.” 

“We zien veel klanten die de combinatie van modellen en realtime data willen gebruiken en snel scenario’s willen verkennen voor wat ze modelleren. Op een gegeven moment zullen ze misschien zelfs zulke gekalibreerde simulatiemodellen in de aansturing hebben. De meeste van onze klanten zijn daar begrijpelijkerwijs erg huiverig voor, maar ik denk dat we dat in de toekomst steeds vaker zullen zien.” 

Computers voor duurzame technologie 

Dirk ziet nog veel meer mogelijke toepassingen van de ervaring van VORtech op duurzaamheidsgebied. “De installaties die nodig zijn om de overstap naar een duurzame economie te maken moeten allemaal ontworpen en geoptimaliseerd worden. Zo moet het elektriciteitsnet worden uitgebreid om tegemoet te komen aan de snel groeiende vraag naar elektriciteit. En waarschijnlijk gaan we het net ook op een andere manier gebruiken, waardoor er meer flexibiliteit ontstaat.”  

“Het kost veel rekenwerk om daarvoor de beste oplossing te vinden”, aldus Dirk. Hij vult aan: “En dan zijn er nog zaken als warmtenetten en geothermische installaties en alle infrastructuur die nodig zal zijn voor een waterstofeconomie. Veel hiervan kunnen perfect worden ontworpen met bestaande commerciële toepassingen. Maar de eisen aan deze commerciële toepassingen zullen ook evolueren naarmate gebruikers het maximale uit een ontwerp proberen te halen. Ik geloof oprecht dat we hier veel innovatie en verbetering kunnen brengen.” 

Milieumodellen 

De laatste categorie waar VORtech helpt bij de transitie naar een duurzame toekomst betreft milieumodellen. Mark Roest van VORtech legt uit dat dit al lang onderdeel is van de activiteiten van VORtech: “We zijn zo’n vijftien jaar geleden begonnen met werk aan het IMAGE-model van het Planbureau voor de Leefomgeving en we zijn nog steeds betrokken bij de verdere ontwikkeling. Dit is een model dat het gecombineerde effect van veel milieuontwikkelingen simuleert, zoals klimaatverandering en landgebruik. Het is een perfecte manier om te beoordelen hoe al deze ontwikkelingen op elkaar inwerken en wat het effect van nieuwe internationale verdragen zou kunnen zijn. In dezelfde geest hebben we bijgedragen aan het LOTOS-EUROS-model dat de ozon, fijnstof en aërosolen in de atmosfeer modelleert.”  

VORtech levert diverse diensten voor de ontwikkelaars van dit soort modellen. Mark: “Een belangrijk aspect is dat veel van deze modellen gemaakt zijn door mensen die expert zijn in het onderwerp dat gemodelleerd wordt, zoals ozon of klimaat. Meestal leveren ze behoorlijk goed werk bij het maken van de software, maar uiteindelijk ligt hun kracht in het modelleren en niet zozeer in de softwareontwikkeling. Wij kunnen ze dus helpen met het verbeteren van de kwaliteit van de code. Bijvoorbeeld door een goede architectuur te introduceren en te zorgen voor een meer volledige testdekking, zodat er niets kapot gaat als er wijzigingen worden aangebracht. Deze modellen worden immers gebruikt voor hele belangrijke beslissingen, dus ze kunnen maar beter goed zijn.”  

High performance computing is ook een vaardigheid waar veel vraag naar is voor dit soort toepassingen. Mark: “Het zijn altijd hele grote en complexe modellen die veel rekentijd vergen. Tegelijkertijd wil je zoveel mogelijk met deze modellen spelen om scenario’s te verkennen. Het helpt dan niet als het model dagen nodig heeft om te rekenen. Het is altijd heel welkom als we ook maar een klein beetje van die rekentijd kunnen afschrapen.” 

Computing voor een duurzame toekomst 

Koos, Dirk en Mark zijn het erover eens dat VORtech veel te bieden heeft in de transitie naar een duurzame toekomst. Koos: “Als bedrijf hebben we besloten voorrang te geven aan projecten die de wereld beter maken en bij onze verkoop en acquisitie streven wij naar werk met een duurzaamheidsdimensie. De jongere generatie heeft hier een zeer sterk gevoel bij, maar ook de senioren bij VORtech zijn zeer gemotiveerd om hun ervaring in te zetten voor het verbeteren van de wereld en het verminderen van de impact op het milieu. Ik ben erg blij dat we hier zo’n duidelijk standpunt over hebben.” 

Mark voegt nog een laatste wending aan de discussie toe: “Computing zelf kost ook energie en de enorme groei in datacenters is op zichzelf al een belasting voor het milieu. Er wordt veel onderzoek gedaan om die last te verminderen, bijvoorbeeld door speciale processors te gebruiken, zoals bij neuromorfic computing. Maar op de korte termijn zullen we de berekeningen die we doen zo efficiënt mogelijk moeten maken. En dat is uiteindelijk wat veel van onze klanten van ons vragen en waar wij goed in zijn.”