2022年7月15日

HILを活用したデジタルツインが欧州のスマートグリッド研究を前進させる

読了時間| 9分

革新的な技術の検証は困難な課題となる場合がありますが、デジタルツインは革新的なソリューションを提供します。現実世界の状況を仮想環境でシミュレートすることで、デジタルツインはコミュニティエネルギーシステムの開発におけるリスク軽減、加速、効率化に貢献します。また、革新的なバッテリーシステムの価値と性能を示す上でも重要な役割を果たします。デジタルツインが技術検証に革命をもたらし、プロジェクトを強化する方法については、ブログ全文をお読みください。

はじめに| 新技術開発における検証の課題

前回のブログでは、HILを活用したデジタルツインが、新製品および運用戦略のリスクを軽減し、市場投入を迅速化することで、今日のエネルギー転換を加速させる仕組みについてご紹介しました。グリッドコンポーネントの開発段階と運用段階の両方で単一のHILモデルを使用することで、OEMとグリッドオーナーは、既存のグリッドコンポーネントを制御するための新しい方法の特定、実データを用いたシステム応答の特性評価、そしてコンポーネントの故障発生前と発生後のトラブルシューティングと解決を容易に行うことができます。しかしながら、長期的な研究プロジェクトには、全く別の課題が伴います。

斬新で破壊的な技術を市場に投入しようとする開発者は、しばしばジレンマに陥ります。パイロットサイトの設置業者やサイトオーナーは、実稼働試験に同意する前に、オペレーティングシステムのデモンストレーションを求めることが多いのです。これは特に、既存の資産への損傷を防ぐため、実際の電力フローが常に安全限度内に収まっている必要があるグリッドアプリケーションにおいて顕著です。新しい資産や制御の具体的なビジネスケースや機能がまだ開発段階にある場合、開発者はどのようにしてサイトオーナーに対し、自社製品が実際の状況で安全に動作することを実証するための計画を立てることができるのでしょうか。

次のセクションでは、HIL を活用したパイロットサイトのデジタルツインを、欧州委員会が資金提供する 2 つの別々の研究プロジェクトでどのように使用して、新しいテクノロジとグリッド制御戦略をベンチマークし、検証し、継続的に改善するかについて説明します。

H2020 クリエイター| デジタルツインは、コミュニティエネルギーシステムの作成のリスクを軽減し、スピードアップし、効率化するためにどのように役立つのでしょうか?

コミュニティエネルギーシステム（CES）は、分散型発電コンセプトの比較的最近の発展形であり、地域のエネルギー資産を統合し、再生可能エネルギーまたは高効率コージェネレーションエネルギー源から地域社会のエネルギー需要を供給します。CESは一般的に、複数の発電ユニットと蓄電ユニットで構成され、それらを集約・監視・制御することで、自家消費の最大化、光熱費の削減または完全削減、さらには柔軟性サービスやアンシラリーサービスの販売による収益源の創出を実現するため、マイクログリッドとさえ考えられます。そのため、各CESは資産と地域の規制の点でそれぞれ独自のものであり、その斬新さと、以前は個別に運用されていた多様な（再生可能エネルギー）エネルギー資産を統合・監視する必要があることから、事業開発と技術開発の両面で課題を抱えています。事業面では、それぞれのCESの資産と地域の市場規制および可能性の組み合わせに最適なビジネスケースと収益源を見つけることが主な課題です。技術面では、特に各資産が以前は多様な管理システム（SCADAなど）によって個別に管理されていた場合、多様な資産の統合と管理が課題となります。幸いなことに、デジタルツインは両方の目的に役立ち、CES の作成プロセスを大幅に高速化します。CREATORSでは、すべての Tier 1 パイロットサイト (Acroni、バルセロナ港、タルトゥ、テムセ) と一部の Tier 2 パイロットサイト (例: カスティーリャイレオン) にデジタルツインが作成され、デジタルツインが使用されています。

デジタルツインは、コミュニティエネルギーシステムの構築におけるリスクを軽減します。なぜなら、デジタルツインは、初期の技術経済分析や新たな収益源のアイデアを運用の観点から完全に検証できる唯一の技術だからです。より正確には、あらゆる技術経済分析では、主に財務的な入力パラメータに基づいて、簡略化されたモデル（場合によってはExcelシートも）を用いて資本コスト、運用コスト、収益を推定します。一方、技術的な入力パラメータには、通常、資産の容量、発電量、および同様の一般的なデータのみが含まれます。これらのデータは、資産があらゆるシナリオや条件下で制御され、期待どおりに機能することを前提としています。分散型エネルギー資源の数が増えるにつれて、それらを制御する複雑さと課題は指数関数的に増大し、期待どおりに機能しないリスクも高まります。簡潔に言えば、優れたビジネスアイデアは簡単に実装できるように見えるかもしれませんが、シンプルであることは必ずしも容易ではありません。多くのプロジェクトは、技術経済分析が運用上の課題を過小評価したり、完全に無視したりしたために最終的に失敗します。デジタルツインを使用すれば、数日、数週間、または数か月にわたる運用における標準的なユースケースだけでなく、エッジシナリオや緊急シナリオでも技術経済分析を検証できます。さらに、技術経済分析や新たな収益源に新しい資産（バッテリーストレージシステムやPVファームなど）の設置が含まれる場合、デジタルツインは、財務的な観点から（ピークカット、時間帯別最適化、電気料金の削減など）だけでなく、電力品質やコミュニティエネルギーシステムの技術的パフォーマンスの観点からも、電圧や周波数の変動などの重大な問題がないことを確認するための最適なツールとなります。

HYBRIS-CREATORS-IMG1 — **図 1.** CREATORS プロジェクトの産業 Tier 2 サイトのデジタルツインのトップレベルビュー。

デジタルツインは、ビジネスモデルの運用検証と妥当性確認によってCESへの投資決定のリスクを軽減するだけでなく、CESの構築と運用開始のスピードアップと効率化にも貢献します。より正確には、CES内のすべての主要資産（PVインバータで使用されるMODBUSレジスタ、蓄電システムで使用されるSunSpecマップ、EV充電器のOCPPプロファイルなど）の通信レイヤーをデジタルツインに組み込むことで、これらの資産の統合をデジタルツインで行うことができます。測定のスケーリングやコマンドメッセージのフォーマットなど、すべての統合課題をデジタルツインで解決すれば、デジタルツインからの設定を物理的なCESサイトにプッシュするだけで済みます。これにより、運用開始までの時間を1日に短縮できます。

HYBRIS-CREATORS-IMG2 — **図 2.**パイロットサイトのすべての運用データは、デジタルツイン SCADA で視覚化できます。たとえば、このスクリーンショットには、各月の PV 発電所の生産量と年間の PV 生産量が表示されています。

同じデジタルツイン設定は、将来の資産を統合し、CESにおける資産ポートフォリオの拡張を効率化するためにも使用できます。まず、既存のCESのデジタルツインを新しい資産の汎用モデルで拡張し、その追加によって運用上の問題が発生しないことを確認します。次に、汎用資産モデルを含むCESのデジタルツインを、導入予定の資産の正確なモデルを含むように修正し、デジタルツイン内で再度統合を行うことができます。これにより、物理的なCESのダウンタイムは最小限に抑えられます。デジタルツインからの設定を新しい物理資産にプッシュするだけで済みます。

HYBRIS-CREATORS-IMG3 — **図3.**デジタルツインは、月ごとに可視化ウィジェットを設定することができます。例えば、ここではデジタルツインを用いてBESS追加によるメリットを評価し、ウィジェットには、BESSがPVと並列運転されている場合の特定の月の消費エネルギーが表示されています。このデジタルツインは、BESSの追加がすべての料金プラン（P1、P2、P3）における過剰消費の防止に役立つという当初の考えを検証しています。ウィジェットには、各料金プラン期間において、契約上の制限を超える電力が何時間発生しているかが表示されます（仮想BESSを設置済み）。

H2020 HYBRIS | デジタルツインはどのようにして新しいバッテリーシステムの価値を実証できるのでしょうか?

デジタルツインを広く使用するには、モデリングフレームワークを繰り返しかつスケーラブルに実証できることが重要です。HYBRISプロジェクトでは、電力サービス向けに最適化された東芝のリチウムイオン電池と、エネルギーサービス向けに最適化されたケミワットのレドックスフロー電池を、単一の輸送コンテナ内で動作するように設計された新しいハイブリッド電池システムに統合します。このコンテナは、プロジェクト期間中にパートナー間で移動されます。これをサポートするために、ハイブリッド電池システムのHILベースのデジタルツインが開発され、実際のテストに対して検証され、実際の電池プロトタイプの試運転および制御テストをサポートします。モデルは柔軟なパラメータを使用して設計されているため、プロジェクトの過程で電池システムのさまざまなサイズを検討できます。

HYBRIS-CREATORS-IMG4 — **図4.** H2020 HYBRISプロジェクトで開発されたバッテリーシステム。東芝製リチウムイオン電池とケミワット製AORFBレドックスフロー電池をHESStecが設計した輸送コンテナに統合している[HYBRIS D2.1から編集]

検証が完了すると、このバッテリーシステムのデジタルツインは、Solidarity and Energy が管理するイタリアのグリッドシステムのデジタルツインに統合されます。これにより、基本的に「仮想デモンストレーションサイト」が作成され、サイトの SCADA システムまたはクラウドベースのコントローラーのいずれかが、テスト対象の制御デバイスとして機能できるようになります。もちろん、これにはサイトモデルが適切に検証される必要があり、これは 2 段階で行われます。第 1 段階では、サイトの制御入力がデジタルツインでシミュレートされた動作と一致することを確認するために、履歴データと実際のサイトデータを使用します。第 2 段階では、実際のサイトで実際のバッテリープロトタイプを使用して実行されたテストを、完全に仮想化されたデジタルツイン環境のテストに対して複製します。両方の検証テストが確認されると、実際のテストの前に「仮想デモンストレーションサイト」でテストを実行し、サイトの運用可能なデジタルツインとして機能させることができます。

最後に、このアプローチはオランダの住宅実証サイトにも適用されます。ここでは、実際のバッテリーシステムやローカルコントロールは実装されません。代わりに、イタリアのサイトと同様に、バッテリー資産のない「仮想実証サイト」を構築し、検証を行います。グリッドデジタルツインが検証された後、HYBRISバッテリーモデルも仮想的に追加できるため、潜在的なユーザーは、HESSシステムのメリット、さらには異なるサイズのバッテリーシステムの性能を、実際のサイトの状況を用いて比較することができます。このフレームワークは強力な販売ツールとなる可能性があり、斬新でカスタマイズされたバッテリーシステムの導入をはるかに実現可能にし、これらの新技術を導入しようとする人々に、それらが意図したとおりに機能するという確信を与えます。