Duurzaamheid en energie: AI-onderzoek in Leiden, Delft en Rotterdam
Van energietransitie tot stikstofcrisis: kunstmatige intelligentie kan er flink bij helpen. Onderzoekers van de drie Zuid-Hollandse universiteiten brengen dat samen in een stroomversnelling. Drie van hen vertellen over de samenwerking in onderzoek naar AI voor Energie en Duurzaamheid in het Zuid-Hollandse AI-kenniscluster. Deel 3 van een serie over vijf thema's waarbinnen de drie universiteiten en twee medische centra veel AI-gerelateerd onderzoek doen.
'De energietransitie kan onmogelijk lukken zonder interdisciplinaire samenwerking', zegt Yashar Ghiassi Farrokhfal, en hij kan het weten. Hij heeft een achtergrond als elektro-ingenieur, computerwetenschapper en tegenwoordig doet hij bedrijfseconomisch onderzoek naar met name de toekomst van energiebedrijven, als universitair hoofddocent bij de Erasmus Universiteit.
Alle puzzelstukjes moeten mee
'Ons energiesysteem is net een ecosysteem', schetst Farrokhfal. 'Het bestaat uit talloze kleine puzzelstukjes en alle interacties daartussen. Energiebedrijven, zonnepanelen, consumenten, overheden enzovoort. Om vooruit te komen, moeten álle stukjes mee.' Kunstmatige intelligentie maakt het mogelijk om met heel veel data beslissingen uit te proberen en te optimaliseren in dat complexe systeem.
Maar om alle puzzelstukjes correct te modelleren, is dus wél brede samenwerking tussen wetenschappers nodig en dat gaat nog niet optimaal. 'In community's van computerwetenschappers of ingenieurs zie ik dat de papers te eenzijdig zijn. Iets kan technologisch een sterk idee zijn, maar er moet ook een businessmodel aan vast zitten dat werkt.'
Ik dacht dat ik alles wist
Toen ik zelf van community wisselde en naar de business school kwam, dacht ik dat ik alles van zonnepanelen en stroomopslag in batterijen wist, en over hoe de handel in de elektriciteitsmarkt werkt. Maar ik leerde een heel nieuwe invalshoek kennen. Veel praktischer, vanuit bedrijven. En dan zijn er ook nog de aspecten overheidsregulatie en menselijk gedrag die je niet uit het oog moet verliezen bij de energietransitie.'
Tja, hoe breng je dat allemaal samen... 'Wetenschappers worden nog altijd vooral afgerekend op citaties en publicaties in wetenschappelijke tijdschriften, en de meeste daarvan zijn monodisciplinair. Dat is geen stimulans. Wetenschapsfinancier NWO stimuleert wetenschappers wél goed tot interdisciplinair samenwerken. En dat we nu met Delft en Leiden zoeken naar samenwerking is ook heel goed. Het beleidsonderzoek dat Leiden doet bijvoorbeeld, is voor mij een interessante aanvulling. De TU Delft brengt de technische invalshoek in. Met daarnaast onze kennis van management en gedrag kunnen we energiesystemen samen heel goed begrijpen.
Stikstofprobleem
De rol van Farrokhfal in de focusgroep van zo'n vijftien wetenschappers is vaak die van tolk. 'Elk vakgebied heeft zijn eigen jargon. Ik ken al die talen en kan soms veel verwarring wegnemen.'
Handige hulp voor nieuwkomer in het AI-veld Jan Willem Erisman. Al 35 jaar houdt hij zich bezig met het stikstofprobleem, sinds een jaar als hoogleraar Milieu en duurzaamheid in Leiden. Dat te veel ammoniak en stikstofoxiden de natuur onaanvaardbaar beschadigen, is inmiddels doorgedrongen tot de geïnteresseerde krantenlezer, maar de oplossing is er nog niet.
Afgelopen najaar kreeg Erisman het verzoek om aan te sluiten bij de focusgroep op het gebied van AI-onderzoek binnen duurzaamheid en energie, die de toenadering en samenwerking bewerkstelligt in het Zuid-Hollandse AI-kenniscluster. 'Het is nu een mooi moment om met kunstmatige intelligentie te gaan werken in ons veld. Bij het Centrum voor Milieuwetenschappen hebben we veel instrumenten en data, we kunnen de zelflerende modellen van AI-experts gebruiken daar veel meer uit te halen. We hebben bijvoorbeeld een model van een materialen-footprint en transport. Hoeveel gaat een stad in, hoe lang blijft het er, wat gaat verloren en wat wordt hergebruikt. Dat model is data-gekoppeld, maar het gebruikt nog geen data uit sociale media of satellieten.'
Putten uit het netwerk
Erisman is blij dat hij nu Thomas Bäck van zijn eigen universiteit kent, die als hoofd Natural Computing bij het Informatica-instituut aan verschillende AI-focusgroepen van de drie Zuid-Hollandse universiteiten deelneemt. Erisman kan dankzij de AI-focusgroep voor energie en duurzaamheid nu ook putten uit het netwerk van Mathijs de Weerdt, sectieleider van de algoritmiekgroep van de TU Delft en voorzitter van de werkgroep Energie en Duurzaamheid van de Nederlandse AI-coalitie. De Weerdt: 'Daarin werken we bijvoorbeeld aan plannen voor een simulatiemodel van Europa dat we met veel data willen vullen waarna slimme algoritmen optimale beleidsvoorstellen kunnen doen.'
Van dom net naar smart grid
De Weerdt is een inhoudelijk algoritme-expert die veel bezig is met toepassingen en netwerken met de industrie. Net als Farrokhfal houdt hij zich vooral bezig met de energietransitie. 'Een smart grid is nu een modewoord, maar we hebben nog een dom net. Er is slimme planning nodig, zodat energiecentrales hun productie bijvoorbeeld via weersverwachting aanpassen aan het aanbod van zon- en windenergie. Elektrische auto's moet je opladen op momenten dat het overige verbruik laag is. AI is daarbij onmisbaar.'
De Weerdt: 'Dankzij de focusgroep heb ik Eefje Cuppen leren kennen, die zich als hoogleraar bestuur van duurzaamheid in Leiden bezighoudt met hoe mensen omgaan met nieuwe systemen. Ook dat aspect is heel belangrijk. Het is fijn dat de drie universiteiten elkaar nu makkelijker weten te vinden in ons AI-kenniscluster en we zo nieuwe puzzelstukjes kunnen aanleggen.'
Hieronder een voorbeeld van het werk van elk van de drie wetenschappers: AI-gerelateerd onderzoek op het gebied van duurzaamheid en energie.
Universiteit Leiden - Jan Willem Erisman
De tijd is rijp om stikstofdata met AI inzichtelijk te maken
'Zo'n tien jaar geleden zijn we begonnen met satellietmetingen. Twee keer per dag wordt de ammoniakconcentratie in de lucht op elke plek in Europa in blokken van twaalf vierkante kilometer gefotografeerd. Zo brengen we de uitstoot via de lucht van alle 54.000 boerderijen in beeld. We staan nu op het punt dat we willen onderzoeken wat al die data waard zijn, vergeleken met de grondmetingen die al langer plaatsvinden, maar op veel minder locaties. Een volgende stap is dat we die grondwaarden en satellietdata samenbrengen in een model dat patronen herkent en inzicht geeft. Daar komt AI bij kijken. Mijn kennismaking met AI-onderzoekers komt dus op een mooi moment.'
TU Delft - Mathijs de Weerdt
Een digital twin van het energiesysteem laat zien hoe het (niet) moet
'Een realistisch model van het energiesysteem kan ons helpen nu beslissingen te nemen die impact hebben over tientallen jaren. Zodat we iets goeds achterlaten voor toekomstige generaties. Waar moeten de windmolens komen, hoe kan het energiesysteem omgaan met steeds meer elektrisch rijden en hoe zorgen we dat al die auto's bij het opladen het net niet overbelasten? Met algoritmen kun je veel scenario's uitproberen. Peter Palensky, hoogleraar intelligente elektriciteitsnetten hier in Delft, ontwikkelt een digital twin van het Nederlandse energienetwerk. Daarmee kunnen we onderzoeken hoe het bestaande Nederlandse elektriciteitsnetwerk reageert op prikkels of schokken, zoals nieuwe windmolenparken of een cyberaanval. Ook kunnen we innovaties simuleren en evalueren.'
'De algoritmen die hiervoor nodig zijn, komen van mijn afdeling. Bijvoorbeeld algoritmen die windparken helpen optimaliseren, het opladen elektrische auto’s plannen of die helpen bij het ondersteunen van beslissingen. De kern van dit soort problemen is het doorrekenen van mogelijkheden, terwijl de toekomst niet volledig bekend is.'
'Naast algoritmen zijn enorm veel data nodig. Over gebruik en levering door consumenten en bedrijven, maar ook over plannen die bijvoorbeeld elektriciteitsbedrijven hebben. Alles moet erin om het model realistisch te maken en tot dat felbegeerde smart grid te komen.'
Erasmus Universiteit Rotterdam - Yashar Ghiassi Farrokhfal
Eén groot model verbindt alle energiesectoren om transitie mogelijk te maken
'Ik ben betrokken bij een recent gefinancierd project om een efficiënte energietransitie in de Rotterdamse haven te onderzoeken. Dit voorbeeld laat perfect zien dat van meerdere disciplines en belanghebbenden moeten samenwerken om de energietransitie voor elkaar te krijgen.'
'Het koolstofvrij maken van energie is niet voor alle sectoren even uitdagend. In de energiesector is het relatief gemakkelijk, dankzij zon en wind. Dat maakt interactie met andere sectoren nog belangrijker en interessanter. Neem de transportsector. Die is compleet anders dan de energiesector, maar dankzij elektrische voertuigen en waterstoftrucks is de kans groot dat we deze twee sectoren kunnen integreren en kunnen profiteren van hun diversiteit. Dat lukt alleen als experts in de transportsector en de energiesector samen het systeem ontwerpen, terwijl ze ook de behoeften van de belanghebbenden op een rij krijgen en waar nodig goede compromissen sluiten.'
'Soortgelijke verhalen bestaan voor het snijvlak tussen de warmte- en elektriciteitssector en tussen verschillende energiedragers gas, warmte en elektriciteit. Behalve een goed ontworpen systeem, kan ook consistente regelgeving in verschillende sectoren een grote stimulans zijn voor zulke integratie. Met een multidisciplinair team krijgen we de kans om dit complexe probleem optimaal en praktisch te bestuderen.'
Vijf thema's vol van AI-onderzoek in Zuid-Holland
Dit artikel is deel 3 van een serie waarin we laten zien hoe onderzoek en onderwijs met of naar kunstmatige intelligentie een rol speelt bij de Erasmus Universiteit Rotterdam, de Universiteit Leiden en de TU Delft. De artikelen beslaan deze vijf thema's, waarbinnen de universiteiten van het Zuid-Hollandse AI-kenniscluster zowel met elkaar als naast elkaar werken:
• AI voor Vrede, recht en veiligheid
• AI voor Haven en maritiem
• AI voor Energie en duurzaamheid
• AI voor Gezondheid en zorg
• AI voor Technologische industrie
Tekst: Rianne Lindhout