Carbon Re entwickelt hochmoderne Dekarbonisierungstechnologie mit Weights & Biases
„W&B hat den Wissensaustausch vereinfacht. Ich kann jemandem schnell ein Experiment zeigen, das ich durchgeführt habe, die Ergebnisse und meine Arbeit erklären.“
Theo Wolf
Ingenieur für maschinelles Lernen
Die moderne Welt erschaffen
Heute ist Beton nach Wasser der am häufigsten verwendete Werkstoff der Welt. Das Material bildet die Grundlage moderner Infrastruktur, vor allem dank seiner Haltbarkeit, Festigkeit und Vielseitigkeit.
Zement ist der wichtigste Bestandteil, der Beton zu einem so nützlichen Baumaterial macht, aber er hat auch hohe Umweltkosten. Etwa 8 % der vom Menschen verursachten CO2-Emissionen der Erde stammen aus der Zementproduktion. Um das ins Verhältnis zu setzen: Wäre die Zementindustrie ein Land, wäre sie nach den USA und China der drittgrößte CO2-Emittent der Welt.
Ein Startup möchte das ändern. Carbon Re, ein Unternehmen der Universität Cambridge und des University College London, hat sich zum Ziel gesetzt, die gigantischen Emissionen aus der Zementproduktion zu reduzieren. Indem das Unternehmen das immense Potenzial künstlicher Intelligenz nutzt, will es gleichzeitig die CO2-Emissionen und Kosten senken – eine Win-Win-Situation für alle.
Zementherstellung
Obwohl Zement ein beliebtes und gut verstandenes Massenprodukt ist, handelt es sich bei der Zementherstellung um einen komplexen Prozess, der mehrere Schritte umfasst und bei dem sich die Inputs (Brennstoffe, Rohstoffe), Bedingungen (Zustand der Ausrüstung, Schichtwechsel) und konkurrierende Prioritäten (Durchsatz, gesetzliche Anforderungen) ständig ändern.
Über die Hälfte der CO2-Emissionen bei der Zementherstellung stammen in der Regel aus der Klinkerherstellung, einem Hauptbestandteil von Zement, bei der Kalkstein (CaCO3) durch Erhitzen auf extreme Temperaturen in Kalk (CaO) umgewandelt wird. Weitere 40 % der CO2-Emissionen entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zum Heizen des Vorwärmers und des Ofens. Die letzten 10 % der Emissionen entstehen durch Strom, der beim Mahlen von Materialien und beim Transport der Rohstoffe entsteht.
Delta Zero Zement
Wenn Sie den Kontrollraum eines Zementwerks betreten, sind Sie von der Vielzahl der Monitore rund um die Kontrollraumbediener überrascht. Jede Entscheidung, die sie treffen, wirkt sich direkt auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Anlage aus.
Das erste Produkt von Carbon Re, Delta Zero Cement, hilft Betreibern, den Betrieb ihrer Öfen und Vorwärmer zu optimieren. Die daraus resultierende höhere Effizienz bedeutet, dass die Öfen weniger Brennstoff verbrauchen und im Gegenzug weniger CO2 in die Atmosphäre freigesetzt wird. „Wir unterstützen die Betreiber jetzt dabei, ihre Arbeit effizienter und mit dem geringsten CO2-Fußabdruck zu erledigen“, sagte Nantas Nardelli, leitender Forschungswissenschaftler bei Carbon Re.
Die Modelle, die bei Delta Zero Cement zum Einsatz kommen, werden anhand einer Fülle von Daten trainiert, die von Sensoren stammen, die überall im Werk zu finden sind. Zwar ist ein großer Datensatz für das Trainieren von Modellen im Allgemeinen von Vorteil, aber die Tatsache, dass das Team mit Zeitreihendaten arbeitet, macht die Sache komplizierter. Die Daten, die aus Sequenzen von Beobachtungen bestehen, die in regelmäßigen Zeitabständen aufgezeichnet werden, können je nach Kontext Rauschen enthalten, stark verklumpt oder sogar unregelmäßig sein.
In der Vergangenheit wurde dieser kontinuierliche Datenstrom von den Betreibern genutzt, um reaktive Entscheidungen auf Grundlage des aktuellen Zustands der Anlage zu treffen. Die Verwendung dieser Daten für vorausschauende, vorausschauende Planungen stand dabei nicht im Vordergrund. Carbon Re ist eine der ersten Gruppen, die den Wert und die Relevanz der Daten maximiert, indem sie Modelle erstellt, die maßgeschneiderte digitale Zwillinge einer Zementanlage sind. Dieser digitale Zwilling bietet eine Plattform für KI-Agenten, um die Komplexität der Zementproduktion in einer anspruchsvollen Simulation zu erlernen. Die Ergebnisse sind Erkenntnisse darüber, wie die Effizienz der Anlage maximiert werden kann, was erhebliche Kosteneinsparungen und vor allem Emissionsreduzierungen ermöglicht.
Institutionalisierung von Wissen und Erkenntnissen
Die Bekämpfung des Klimawandels erfordert kollektives Handeln. Da Carbon Re weiterhin mehr gleichgesinnte Personen für die Sache rekrutiert, benötigt das Team ein zuverlässiges, organisiertes und zugängliches System von ML-Aufzeichnungen, um neue Mitglieder schneller an Bord zu holen. Mit einer Plattform wie Weights & Biases gibt es einen nachvollziehbaren Verlauf von Daten, Experimenten, Modellen und Bereitstellungen, sodass frühere Projekte manchmal auch noch Monate oder später leichter referenziert werden können.
„W&B hat den Wissensaustausch vereinfacht. Ich kann jemandem schnell ein Experiment zeigen, das ich durchgeführt habe, die Ergebnisse und meine Arbeit erklären“, sagte Theo Wolf, Machine Learning Engineer bei Carbon Re.
Eine weitere Priorität für Carbon Re ist die Suche nach einer Möglichkeit, die Forschung zu beschleunigen. Mithilfe von W&B Sweeps kann das Team automatisch Hunderte von Kombinationen von Hyperparameterwerten ausprobieren, die besten finden und eine umfangreiche Reihe von Visualisierungen erhalten, die den Trainingsprozess unterstützen. Dadurch wird ein Großteil der manuellen Arbeit eingespart, sodass jedes Mitglied Zeit hat, sich auf wichtigere Aufgaben zu konzentrieren.
Beim Übergang vom Experimentieren zur Produktion war das Team bisher auf manuelle Bereitstellungen angewiesen, die zeitaufwändig waren und manchmal zu Zwischenfällen führten. Mit dem Einsatz von W&B Models gehört das der Vergangenheit an. Jetzt kann das Team Modelle automatisch neu trainieren und neu bewerten, um sicherzustellen, dass die besten in die Produktion gehen. „Wir verwenden das Modellregister als unsere Quelle der Wahrheit“, erklärte Nantas. „Es ist eine Schlüsselkomponente unseres Backends.“
Auf der Suche nach CO2-Neutralität
Obwohl Initiativen wie Industrie 4.0 zu einem Anstieg der Daten geführt haben, hinkt die Zementindustrie als Ganzes in Sachen Digitalisierung immer noch hinterher. Legacy-Systeme und Betriebsprozesse sind nicht in der Lage, die verfügbaren Daten zu nutzen. Hier kommt Carbon Re ins Spiel.
Die Grenzen der KI zu erweitern, um die Dekarbonisierung zu beschleunigen, ist keine leichte Aufgabe. Durch die Nutzung von Weights & Biases kann Carbon Re Wissen zentralisieren und wiederverwenden, zeitaufwändige MLOps-Aufgaben automatisieren und den iterativen Modellierungsprozess optimieren. Carbon Re hat sich zum Ziel gesetzt, die globalen Emissionen massiv zu senken, und Weights & Biases freut sich, einen kleinen Beitrag zu diesem Vorhaben zu leisten.