Elektro-hackathon strategiczny

Brak sieci stacji ładowania to jedna z największych barier rozwoju elektromobilności w Polsce. W hackathonie zorganizowanym przez ICM UW przy wsparciu innogy Polska SA i Ministerstwa Energii powstały ciekawe pomysły optymalnej sieci infrastruktury. Przedsięwzięcie przynosi bezpośrednią odpowiedź na konkretny problem a pośrednio - na pytanie, czy hackathony mogą być systemowym, metodycznym narzędziem rozwiązywania strategicznych wyzwań.

Jeśli Polska szuka cyfrowych dróg na skróty i inteligentnych sposobów niwelowania dystansu do czołówki krajów rozwiniętych, może warto częściej sięgać po narzędzia takie jak hackathon? Dobre owoce przyniosło to Krajowej Administracji Skarbowej, dlaczego nie mogłoby wesprzeć czołowego kierunku innowacyjnego natarcia – elektromobilności?

ICM UW to czołowy polski ośrodek superkomputerowy, jeden z pięciu diamentów w polskiej superkomputerowej koronie. Jego „supermocą” – superkompetencją, bo każdy z tych ośrodków rozwija inną, komplementarną – są kompetencje w zakresie analityki Big Data. Podczas drugiego hackathonu Wielkie Wyzwania Programistyczne jako problem postawiono zagadnienie optymalnej infrastruktury dla pojazdów elektrycznych. „Smart Charge – Inteligentna elektromobilność” miało odpowiedzieć na pytanie, jak zaplanować ogólnopolską sieć stacji ładowania samochodów elektrycznych przy wsparciu superkomputera. Zespoły, które podjęły wyzwanie, miały do dyspozycji infrastrukturę i narzędzia w centrum obliczeniowym ICM UW.

Zobacz również:

Zanim nadejdzie 2020

Elektromobilność stanowi jeden z priorytetów polskiego rządu. Od września 2016 r., gdy opublikowano „Plan rozwoju elektromobilności w Polsce”, konsekwentnie budowany jest ekosystem, który ma wspierać rozwój transportu niskoemisyjnego. Ustawa o elektromobilności i paliwach alternatywnych, która weszła w życie na początku 2018 r., może stanowić katalizator przyspieszający wzrost liczby pojazdów elektrycznych w naszym kraju. Elektromobilność postrzegana jest jako szansa dla całej polskiej gospodarki. Ma być sposobem na poprawę jakości życia w miastach poprzez obniżenie zanieczyszczeń powietrza emitowanych przez silniki spalinowe.

Wydaje się, że jako pierwsze szansę tę dostrzegły samorządy, które wymieniają tabory autobusowe na pojazdy bardziej ekologiczne lub w pełni elektryczne. Już dziś duża część transportu publicznego oparta jest na energii elektrycznej. Dlatego do rewolucji elektromobilności w skali całego kraju potrzebne są zmiany w segmencie pojazdów prywatnych.

Prof. Piotr Bała, ICM UW, organizator hackatonu Smart Charge

Prof. Piotr Bała, ICM UW, organizator hackatonu Smart Charge

Hackathon rzeczywistych problemów

Uczestnicy hackathonu bardzo dobrze poradzili sobie z zadaniem zarówno od strony samego rozwiązania, jak i sposobów wykorzystania superkomputerów oraz narzędzi, które im zaproponowaliśmy. Jesteśmy szczególnie zadowoleni z faktu, że trzy nagrodzone zespoły korzystały z narzędzi do programowania równoległego opracowanych w ICM. Hackathon Smart Charge nie jest wyzwaniem czysto akademickim. Wykorzystujemy komputery i inwencję młodych ludzi, żeby rozwiązywać rzeczywiste problemy. Dlatego cieszy nas współpraca z innogy Polska, które rozumie znaczenie High Performance Computingu w realizacji swoich celów strategicznych.

Z badań przeprowadzonych na zlecenie innogy Polska w 2017 r. wynika, że dla osób zainteresowanych zakupem samochodu elektrycznego największą barierą jest brak ogólnodostępnej sieci stacji ładowania. Dla konsumentów kluczowa jest możliwość ładowania samochodu elektrycznego w miejscu zamieszkania lub w pracy. Przy średnim dziennym przebiegu w Polsce na poziomie 25 km i realnym zasięgu samochodów elektrycznych na poziomie 100–150 km konieczność naładowania pojawi się co kilka dni. Jednak dla osób, które nie mają miejsca postojowego lub garażu, jedyną alternatywą jest jeszcze słabo rozwinięta sieć stacji publicznych. Nadal utrudniony jest też przejazd pomiędzy dużymi miastami ze względu na brak dostatecznie rozwiniętej infrastruktury do ładowania pojazdów – koncerny paliwowe dopiero stawiają pierwsze stacje ładowania przy Miejscach Obsługi Podróżnych na autostradach i przy ważnych węzłach komunikacyjnych.

Zmianę sytuacji wymusi wspomniana ustawa, zgodnie z którą

do 2020 r. w polskich aglomeracjach ma powstać 6000 normalnych i 400 szybkich stacji ładowania samochodów elektrycznych. Połączenie publicznej sieci z punktami tworzonymi przez podmioty biznesowe i prywatnymi stacjami ładowania powinno zagwarantować swobodne i wygodne przemieszczanie się po drogach w całym kraju.
Przed rozwojem infrastruktury stoi jednak wiele wyzwań, takich jak: znalezienie optymalnych lokalizacji, możliwości istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej oraz sfinansowanie budowy stacji.

Wielkie Wyzwania Programistyczne

Celem hackathonów Wielkie Wyzwania Programistyczne (WWP) jest promocja wykorzystywania analityki Big Data oraz obliczeń wielkoskalowych w rozwiązywaniu realnych problemów biznesowych. Hackathony organizowane przez Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego (ICM UW) dają uczestnikom możliwość wykorzystywania otwartych danych pochodzących z zasobów publicznych, a do przeprowadzania zadań obliczeniowych do dyspozycji mają infrastrukturę ICM UW (m.in. system Okeanos – Cray XC 40). "Znaczenie superkomputerów w gospodarce ery cyfrowej ciągle wzrasta i w kolejnych latach spodziewamy się zwiększonego zainteresowania możliwościami High Performance Computing zarówno ze strony firm komercyjnych, jak i administracji państwowej. Coraz większe możliwości maszyn obliczeniowych oraz wzrastająca dostępność wartościowych danych pozwalają modelować rozwiązania skuteczniejsze i tańsze tak w ich budowie, jak i późniejszym utrzymaniu. ICM UW od ćwierć wieku współpracuje z sektorami publicznym i prywatnym w zakresie modelowania oraz analityki danych. Regularnie odnawiamy infrastrukturę, aby zawsze oferować naszym partnerom optymalne rozwiązania. Przygotowany wspólnie z innogy Polska hackathon Smart Charge – Inteligentna elektromobilność świetnie demonstruje przydatność superkomputerów w pracach nad takimi innowacyjnymi projektami jak elektromobilność. Poprzez hackathony, które tematycznie odnoszą się do wyzwań stojących przed różnymi sektorami, staramy się między innymi zobrazować podmiotom z różnych branż ogromny potencjał HPC" - mówi prof. dr hab. Marek Niezgódka, dyrektor ICM UW.

Hackathony ICM UW są okazją do zademonstrowania przydatności superkomputerów w rozwiązywaniu kluczowych problemów współczesności – nie tylko naukowych, ale też związanych z najważniejszymi obszarami gospodarki.
Hackathony Wielkie Wyzwania Programistyczne są przy tym unikalne – wyróżniają się bardzo wysokimi wymaganiami wobec uczestników.

Celem hackathonu było stworzenie algorytmu dla superkomputera Okeanos, który pomógłby w zaplanowaniu właściwego rozmieszczenia sieci 6000 normalnych stacji ładowania samochodów elektrycznych w Polsce. Uczestnicy konkursu musieli wziąć pod uwagę istniejące ograniczenia powodujące, że zaprojektowanie sieci stacji ładowania jest zdecydowanie trudniejsze niż sieci stacji benzynowych. Wiąże się to w szczególności z czasem ładowania, który jest nieporównywalnie dłuższy w stosunku do tankowania, co oznacza znacznie mniejszą przepustowość stacji.

Dla potrzeb opracowania rozwiązania zostały wykorzystane ogólnodostępne dane (tzw. open data), które w pewnym stopniu odzwierciedlają sytuację rzeczywistą. Uczestnicy nie dysponowali danymi na temat możliwości sieci elektroenergetycznej do przyłączenia stacji ładowania, dlatego musieli szukać rozwiązań, które w pewnym stopniu mogłyby uwzględniać ograniczenia związane z koniecznością rozbudowy kosztownej infrastruktury.

Uczestnicy musieli wziąć pod uwagę kilka kluczowych czynników związanych z potencjalną lokalizacją stacji:

• zasięg samochodu elektrycznego (określony na 250 km);

• czas ładowania (min. 30 minut);

• dane o gęstości zaludnienia;

• założenie, że z każdym adresem związany jest jeden samochód;

• założenie, że w jednej lokalizacji, w promieniu 250 m, można przygotować co najwyżej 10 stanowisk do ładowania o maksymalnej mocy 500 kW;

• uwzględnienie odległości między stacjami położonymi w różnych aglomeracjach, aby zapewnić możliwość jak najwygodniejszej podróży pomiędzy miastami.

Dwa etapy wyzwania

Uczestnicy mieli do dyspozycji zasoby OpenStreetMap zawierające sieć dróg i ulic oraz listę adresów budynków.

Wyzwanie składało się z dwóch części:

Etap I – uczestnicy musieli rozmieścić w miastach centralnych stacje proporcjonalnie do liczby mieszkańców. Punkty ładowania miały być zlokalizowane w miejscach ogólnie dostępnych, takich jak:

o stacje transformatorowe

o centra i budynki handlowe

o budynki użyteczności publicznej

o inne miejsca (uzasadnione przez uczestników).

Etap II (pod warunkiem ukończenia etapu I) – zadaniem uczestników było rozmieszczenie dodatkowych 3 tys. stacji ładowania poza aglomeracjami, tak aby zminimalizować odległości pomiędzy nimi.

Rezultaty...

Hackaton odbył się w dniach 15–16 lutego 2018 r. w Centrum Technologii ICM UW w Warszawie. Konkurs pokazał, że rozmieszczenie 6000 stacji ładowania w aglomeracjach miejskich nie jest zadaniem łatwym. Sporym ograniczeniem była niewielka liczba potencjalnych lokalizacji, w których można byłoby rozmieścić tak dużo punktów ładowania. Pracując nad planem rozmieszczenia sieci stacji, należy brać pod uwagę wiele dodatkowych uwarunkowań niewpisanych w mapy OpenStreetMap, takich jak dostępność infrastruktury elektroenergetycznej, miejsca postojowego czy kwestie własnościowe.

Do hackathonu zgłosiło się 16 uczestników, w tym trzy osoby ze Stanów Zjednoczonych, które brały udział zdalnie. Ostatecznie w samym wyzwaniu udział wzięło siedem zespołów, które przez blisko dwa dni pracowały nad rozwiązaniem problemu.

W godzinach wieczornych drugiego dnia hackathonu kapituła konkursu wysłuchała prezentacji pięciu zespołów, które ukończyły zadanie i były w stanie przedstawić wyniki swojej pracy. Podczas narady przedstawiciele kapituły wybrali rozwiązanie, które miało największy potencjał do zastosowania w przyszłości w sposób komercyjny.

Michał Markiewicz i Mikołaj Bocheński - zwycięzcy hackathonu Smart Charge w otoczeniu organizatorów i partnerów przedsięwzięcia

Michał Markiewicz i Mikołaj Bocheński - zwycięzcy hackathonu Smart Charge w otoczeniu organizatorów i partnerów przedsięwzięcia

Pierwsze miejsce zajęli Michał Markiewicz i Mikołaj Bocheński z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Udało im się znacznie rozszerzyć liczbę lokalizacji, m.in. o miejsca parkingowe oraz szkoły, co pozwoliło na równomierne rozmieszczenie stacji ładowania. Wewnątrz aglomeracji układ stacji został zoptymalizowany przez uwzględnienie lokalizacji zabudowań, dzięki czemu zagęszczenie stacji rosło proporcjonalnie do gęstości budynków na danym obszarze, przy jednoczesnym wykluczeniu parków, skwerów itp.

Drugie miejsce w hackathonie zajęli Mateusz Wolski i Michał Blajer. Na trzeciej pozycji uplasowali się Zuzanna Bednarska i Mariusz Wachowicz. Członkowie obu zespołów to studenci inżynierii obliczeniowej – kierunku prowadzonego przez ICM UW.

Rozmieszczenie stacji ładowania wg algorytmu Michała Markiewicza i Mikołaja Bocheńskiego, zwycięzców hackathonu Smart Charge.

Rozmieszczenie stacji ładowania wg algorytmu Michała Markiewicza i Mikołaja Bocheńskiego, zwycięzców hackathonu Smart Charge.

W jaki sposób wyniki ocenia partner - najbardziej zainteresowany wynikami hackathonu? „Przygotowany projekt nie był finalny, głównie z powodu jakości danych źródłowych i wskazanych miejsc nie traktujemy go jako rzeczywistych rekomendacji do zlokalizowania poszczególnych stacji. Rozwiązanie zaproponowane przez zespół z Uniwersytetu Jagiellońskiego ma jednak potencjał do wykorzystania na szeroką skalę przy projektowaniu realnej sieci stacji. Warunkiem jest poprawienie jakości danych źródłowych oraz oczywiście dalsze prace z wykorzystaniem superkomputera. Sam hackathon to ciekawy przykład współpracy biznesu z jednostką naukową i próby rozwiązania realnego problemu gospodarczego.

W tej chwili w innogy Polska trwają prace dotyczące rozwoju i dostosowania warszawskiej sieci ładowania do proporcjonalnie rosnącej liczby samochodów elektrycznych, dlatego nie wykluczamy dalszej współpracy z ICM oraz ze studentami, którzy zajęli czołowe miejsca” - powiedział dr Maciej Chmieliński, menedżer odpowiedzialny za rozwój elektromobilnosci w innogy Polska SA

... i co dalej?

Słabo rozwinięta sieć ogólnodostępnych stacji ładowania jest postrzegana jako jedna z największych barier rozwoju elektromobilności w Polsce. Obłożenie najczęściej wykorzystywanej stacji innogy Polska przy ul. Emilii Plater w Warszawie nie przekracza dziś 40%. Dlatego, z uwagi na niewielką liczbę samochodów elektrycznych (ok. 2000) oraz możliwość ładowania e-aut w domu lub pracy, kilkaset ogólnodostępnych stacji ładowania w największych polskich aglomeracjach wydaje się w tym momencie wystarczające. Realnym ograniczeniem jest jednak podróż pomiędzy dużymi miastami i tu jak najszybciej powinny pojawić się szybkie stacje ładowania.

Janusz Moroz, członek zarządu ds. handlu w innogy Polska, partnerze hackathonu Smart Charge

Janusz Moroz, członek zarządu ds. handlu w innogy Polska, partnerze hackathonu Smart Charge

Elektrobmobilność w Polsce rozpędza się

Pierwszą stację ładowania w Warszawie uruchomiliśmy w listopadzie 2009 r. przed naszą siedzibą na Wybrzeżu Kościuszkowskim i było to pierwsze takie urządzenie w Polsce. W kolejnych latach rozbudowaliśmy sieć stacji w stolicy do 11, co daje 22 ogólnodostępne punkty, z których mogą korzystać wszyscy posiadacze samochodów elektrycznych. Do roku 2015 użycie naszych stacji było jednak sporadyczne, co wynikało bezpośrednio z faktu, że w Polsce sprzedawanych było zaledwie kilkadziesiąt samochodów elektrycznych rocznie. Skokowy wzrost wykorzystania stacji obserwujemy dopiero od 2016 roku. W 2017 roku ze stacji innogy w Warszawie pobrano ponad 32 MWh energii elektrycznej, czyli o 55% więcej w porównaniu do roku poprzedniego. Energia ta pozwoliła pojazdom elektrycznym na przejechanie 200 000 km. Oznacza to również, że samochody te nie wyemitowały w mieście ponad 24 ton CO₂ oraz innych szkodliwych substancji. Ustawa o elektromobilności i paliwach alternatywnych w kolejnych latach przyczyni się do rozwoju publicznych punktów ładowania, a my już dziś widzimy duże zainteresowanie ze strony klientów biznesowych i indywidualnych naszymi stacjami. Rewolucja elektromobilności w Polsce już się rozpędza i trudno ją będzie zatrzymać.

Mając na uwadze rządowy plan rozwoju elektromobilności, budowa sieci stacji powinna odbywać się w sposób zaplanowany i dopasowany do rosnącej liczby samochodów elektrycznych. Kluczowa jest koordynacja działań samorządów, Operatorów Systemu Dystrybucyjnego, firm energetycznych oraz podmiotów prywatnych planujących budowę infrastruktur do ładowania.

Wyniki hackathonu mogą być interesującym punktem wyjścia do dalszych prac nad optymalnym rozwojem sieci stacji ładowania samochodów elektrycznych. Polscy naukowcy dzięki swojemu doświadczeniu oraz nowoczesnym narzędziom i technologiom, takim jak infrastruktura obliczeniowa ICM UW, są dobrze przygotowani do wspierania biznesu, który mierzy się z różnymi wyzwaniami. Jednak to od przedsiębiorstw zależy, czy dostrzeżona zostanie potrzeba realizacji wspólnych projektów i czy później przełoży się ona na wdrożenie realnych rozwiązań.