2022年7月15日

HILで動くデジタル・ツインが欧州のスマートグリッド研究を前進させる

読書時間｜9分

新しい技術を検証することは困難な課題ですが、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。仮想環境で実環境をシミュレートすることで、デジタル・ツインは地域エネルギー・システム開発のリスク回避、加速、合理化に役立ちます。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。デジタルツインがどのように技術検証に革命をもたらし、プロジェクトを強化するかを理解するには、ブログの全文をお読みください。

はじめに｜新規技術開発におけるバリデーションの課題

前回のブログでは、HILを利用したデジタル・ツインが、新製品や運用戦略のリスクを軽減し、より早く市場に投入することで、今日のエネルギー転換を加速するのに役立っていることを紹介しました。グリッド・コンポーネントの開発段階と運用段階の両方に単一のHILモデルを使用することで、OEMとグリッド所有者は、既存のグリッド・コンポーネントを制御する新しい方法を特定し、実データでシステム応答を特性化し、コンポーネントの故障を発生前と発生後の両方でトラブルシューティングして解決することが容易になります。しかし、長期的な研究プロジェクトでは、まったく別の課題が発生します。

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、しばしば二律背反の問題に直面する。パイロット・サイトの設置者やサイト所有者は、実稼働テストに同意する前に、オペレーティング・システムのデモンストレーションを要求することが多い。これは特にグリッド・アプリケーションに当てはまります。グリッド・アプリケーションでは、実際の電力フローが、既存の資産にダメージを与えないよう、常に安全限界内に収まっていなければなりません。新しい資産や制御装置の具体的なビジネスケースや機能がまだ開発中である場合、開発者は、実際のケースで製品が安全に動作することをサイトオーナーに実証する計画をどのように立てればよいのでしょうか。

次のセクションでは、欧州委員会が資金を提供する2つの研究プロジェクトにおいて、HILを利用したパイロットサイトのデジタルツインが、新技術とグリッド制御戦略のベンチマーク、検証、継続的な改善にどのように利用されているかを見ていく。

H2020 CREATORS｜デジタル・ツインは、地域エネルギー・システム構築のリスク回避、スピードアップ、合理化をどのように実現するか？

コミュニティ・エネルギー・システム（CES）は、分散型発電の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て、再生可能エネルギーや高効率のコージェネレーション・エネルギー源から、地域コミュニティに必要なエネルギーを供給するものである。一般的にCESは、自己消費を最大化し、エネルギー料金を削減または完全にゼロにし、さらには柔軟性やアンシラリーサービスを販売することで収益源を創出するために、集約、監視、制御される複数の発電ユニットと蓄電ユニットで構成されるため、マイクログリッドとさえみなすことができる。このように、すべてのCESは、資産と地域の規制の点でユニークであり、それぞれのCESは、その新規性と、以前は独立して運営されていた多様な（再生可能な）エネルギー資産を統合し、監督する必要性のおかげで、ビジネス開発と技術的課題の両方を提示している。ビジネス面では、それぞれのCESの資産と地域の市場規制や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ある。技術的な面では、多様な資産の統合と管理が課題であり、特に各資産が以前は多様な管理（SCADAなど）システムによって独立して管理されていた場合はなおさらだ。幸いなことに、デジタル・ツインはこの両方に役立ち、CESの作成プロセスを劇的にスピードアップすることができる。CREATORSでは、すべてのティア1パイロットサイト（アクローニ、バルセロナ港、タルトゥ、テムセ）と、一部のティア2パイロットサイト（カスティージャ・イ・レオンなど）でデジタル・ツインが作成され、これが活用されている。

なぜならデジタルツインは、初期の技術経済分析や新しい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、どの技術経済分析も簡略化されたモデル（時にはExcelシートも）を使って、主に財務的な入力パラメータに基づいて資本コスト、運転コスト、収益を見積もる。一方、技術的な入力パラメータには通常、資産の容量、出力、および類似の一般的なデータのみが含まれ、資産はどのようなシナリオでも、どのような条件下でも、期待通りに制御され、性能を発揮できると仮定している。分散型エネルギー資源の数が増えれば増えるほど、それらを制御することの複雑さと困難さは指数関数的に増し、何かが期待通りに機能しないリスクも増大する。最も端的に言えば、優れたビジネスアイデアは実装が簡単なように見えるかもしれないが、簡単なことは必ずしも簡単ではない。多くのプロジェクトが最終的に失敗したのは、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である。デジタル・ツインを使えば、技術経済分析は、数日、数週間、数ヶ月の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検証することができる。さらに、技術経済分析や新たな収益源に新たな資産（蓄電池システムや太陽光発電所など）の設置が含まれる場合、デジタルツインは、財務的な観点（ピークカット、使用時間の最適化、電気料金の削減など）からだけでなく、電力品質や地域エネルギーシステムの技術的性能の観点からも、新たな資産の影響を評価するのに最適なツールであり、大きな問題や電圧・周波数の変動がないことを保証します。

ハイブリス・クリエーター-IMG1 — **図1.**CREATORSプロジェクトにおける工業用Tier2サイトのデジタルツインのトップレベル図。

デジタルツインは、動作検証やビジネスモデルの検証によってCESへの投資判断のリスクを軽減するだけでなく、CESの構築や試運転を迅速化・効率化する。より正確には、デジタルツインにCESのすべての主要資産の通信レイヤー（PVインバータで使用されるMODBUSレジスタ、蓄電池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）が含まれている場合、これらの資産の統合はデジタルツインで実施できる。デジタル・ツインを使用して、計測値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、すべての統合の課題を解決すれば、デジタル・ツインからのコンフィギュレーションを物理的なCESサイトにプッシュするだけで、試運転時間を1日に短縮できる。

ハイブリス・クリエイターズIMG2 — **図2.**例えばこのスクリーンショットは、各月のPV発電所の生産量と年間のPV生産量を示している。

同じデジタルツインのセットアップを使用して、将来の資産を統合し、CESの資産ポートフォリオの拡張を合理化することもできる。第一に、オリジナルの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生じないことを検証することができる。第二に、CESのデジタルツインに一般的な資産モデルを追加し、設置する資産の正確なモデルを追加することで、デジタルツインに統合することができる。このようにして、物理的なCESのダウンタイムは最小限に抑えられる。デジタル・ツインからのコンフィギュレーションを新しい物理的な資産にプッシュするだけでよい。

ハイブリス・クリエイターズIMG3 — **図3.**デジタルツインは、各月の可視化ウィジェットを持つように設定できる。例えば、ここではデジタルツインを BESS 追加の利点を評価するために使用し、BESS が PV と並列運転されている場合に、ある月に消費されたエネルギーをウィジェットに表示する。この場合のデジタルツインは、BESSの追加がすべての料金体系（P1、P2、P3）において過剰消費を防ぐのに役立つという最初の考えを検証するものです。ウィジェットは、各料金体系期間において、（仮想BESSが設置された）契約上限を超えた電力が何時間あるかを表示します。

H2020 HYBRIS ｜デジタル・ツインはいかにして新しいバッテリー・システムの価値を実証できるか？

デジタル・ツインが広く使われるようになるには、モデリングの枠組みが再現可能でスケーラブルな方法で実証されることが重要である。HYBRISプロジェクトでは、電力サービスに最適化された東芝製リチウムイオン電池と、エネルギーサービスに最適化されたケミワット製レドックスフロー電池が、プロジェクト期間中にパートナーからパートナーへと移動する1つの輸送用コンテナ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されている。これをサポートするために、ハイブリッド・バッテリー・システムのHILベースのデジタル・ツインが開発され、実際のバッテリー・プロトタイプの試運転と制御テストをサポートするために、実際のテストに対して検証されました。このモデルは、プロジェクト期間中にさまざまなサイズのバッテリーシステムを考慮できるよう、柔軟なパラメータで設計されている。

ハイブリス・クリエイターズ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・バッテリーとケミワット製AORFBレドックスフロー・バッテリーを、HESStecが設計した輸送用コンテナに組み込んだ［HYBRIS D2.1より作成］。

検証後、このバッテリー・システムのデジタル・ツインは、Solidarity and Energy社が管理するイタリアのグリッド・システムのデジタル・ツインに統合される。これにより「仮想実証サイト」が構築され、サイト上のSCADAシステムまたはクラウドベースのコントローラーが、テスト中の制御装置として機能する。第一に、過去と実際のサイトデータを使って、サイト上の制御入力が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し、第二に、実際のバッテリーのプロトタイプを使って実際のサイトで実施されたテストを、完全にバーチャルなデジタルツイン環境で実施されたテストと比較して再現する。両方の検証テストが確認されると、"バーチャル・デモンストレーション・サイト "でのテストが実際のテストに先駆けて実行され、サイトの運用デジタル・ツインとして機能するようになる。

最後に、このアプローチをオランダの住宅用実証サイトに拡張する。ここでは、実際のバッテリーシステムやローカル制御は実装されません。代わりに、イタリアのサイトと同様に、バッテリー資産なしで「仮想実証サイト」が作成され、検証されます。グリッドデジタルツインの検証により、HYBRISバッテリーモデルもバーチャルに追加することができ、潜在的なユーザーは、HESSシステムの利点、さらには異なるサイズのバッテリーシステムの性能を、サイト自体の実際の条件を使っ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を秘めており、斬新でカスタムメイドのバッテリーシステムの採用をより現実的なものにし、これらの新技術を統合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。