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、新製品や運用戦略のリスクを軽減し市場投入を加速することで、今日のエネルギー転換を促進している様子をご紹介しました。グリッド構成要素の開発段階と運用段階の両方に単一のHILモデルを活用することで、OEMやグリッド所有者は、既存グリッド構成要素の新たな制御方法の特定、実データを用いたシステム応答の特性評価、構成要素の故障発生前後のトラブルシューティングと解決をより容易に行えるようになります。 しかし、長期的な研究プロジェクトには、まったく別の課題群が存在します。
革新的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直面する。パイロットサイトの設置業者やサイト所有者は、実稼働試験に同意する前に、運用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のだ。これは特にグリッドアプリケーションにおいて顕著であり、既存設備の損傷を避けるため、実際の電力フローは常に安全限界内に収め続けなければならない。 新規設備や制御システム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計画を立てれば、自社製品が実運用環境で安全に機能することをサイト所有者に実証できるだろうか？
次のセクションでは、欧州委員会が資金提供した2つの別々の研究プロジェクトにおいて、パイロットサイトのHIL技術を活用したデジタルツインが、新技術と系統制御戦略のベンチマーク、検証、および継続的な改善にどのように活用されているかを検討します。
H2020 CREATORS| 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いて、リスク軽減、スピードアップ、効率化をどのように実現するのか？
コミュニティ・エネルギー・システム（CES）は、分散型発電の概念を応用した比較的新しい開発であり、地域のエネルギー資産を統合することで、再生可能エネルギーや高効率コージェネレーション源から地域コミュニティのエネルギー需要を供給する。 典型的には、CESは複数の発電・貯蔵ユニットを統合・監視・制御し、自家消費率の最大化、エネルギー料金の削減または完全な排除、さらには柔軟性や付帯サービスの販売による収益創出を目的とするため、マイクログリッドと見なすこともできる。 したがって、資産構成や地域規制の観点から各CESは独自性を持ち、その新規性と従来独立して稼働していた多様な（再生可能）エネルギー資産を統合・監督する必要性から、ビジネス開発と技術の両面で課題を抱えています。 ビジネス面での主な課題は、各CESの資産構成と現地市場規制・可能性に最適なビジネスケースと収益源を見出すことである。技術面では、特に各資産が従来異なる管理システム（例：SCADA）で独立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る。 幸い、デジタルツインは両方の課題解決に役立ち、CES構築プロセスを劇的に加速させます。CREATORSプロジェクトでは、この目的でデジタルツインが活用され、全ティア1パイロットサイト（アクロニ、バルセロナ港、タルトゥ、テムセ）および一部のティア2パイロットサイト（例：カスティーリャ・イ・レオン）向けに作成されました。
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リスクを低減します。なぜなら、運用面から初期の技術経済分析や新たな収益源のアイデアを完全に検証できる唯一の技術だからです。 より正確に言えば、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資本コスト、運用コスト、収益を推定するために簡略化されたモデル（時にはExcelシートさえも）が使用される一方、技術的な入力パラメータには通常、資産容量、出力、およびあらゆるシナリオや条件下で資産が制御され、期待通りに動作すると仮定した同様の汎用データのみが含まれる。 分散型エネルギー資源が増加するにつれ、それらを制御する複雑さと課題は指数関数的に増大し、想定通りに機能しないリスクも高まります。 端的に言えば、優れたビジネスアイデアは実装が単純に見えるかもしれないが、単純であることが必ずしも容易であるとは限らない。多くのプロジェクトが最終的に失敗するのは、技術経済分析が運用上の課題を過小評価、あるいは完全に無視したためである。デジタルツインを用いれば、技術経済分析は数日、数週間、数ヶ月にわたる標準的な運用ケースだけでなく、エッジケースや緊急シナリオにおいても検証可能となる。 さらに、技術経済分析や新たな収益源に新規資産（例：蓄電池システム、太陽光発電所）の導入が含まれる場合、デジタルツインは新規資産の影響を財務的観点（例：ピークシェービング、時間帯別最適化、電気料金削減など）から評価するのに最適なツールである。同時に、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評価でき、重大な問題や電圧・周波数変動の発生を確実に防止できる。 など）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評価でき、電圧や周波数の変動といった重大な問題が発生しないことを保証します。
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を通じてCESの投資判断リスクを低減するだけでなく、CESの構築と稼働開始を迅速化・効率化します。 より正確に言えば、デジタルツインがCES内の全主要資産の通信層（例：PVインバーターが使用するMODBUSレジスタ、蓄電システムが使用するSunSpecマップ、EV充電器のOCPPプロファイル）を包含する場合、これらの資産の統合はデジタルツインを用いて実施可能となる。 デジタルツインを用いて測定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といった全ての統合課題を解決した後、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。これにより試運転時間を1日間に短縮することが可能です。
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のデジタルツインに新規資産の汎用モデルを追加することで、その追加が運用上の問題を引き起こさないことを検証できます。 次に、汎用資産モデルを組み込んだCESのデジタルツインを修正し、設置予定の資産の精密モデルを組み込みます。これにより、再びデジタルツイン内で統合が可能となります。この方法により、物理的なCESのダウンタイムは最小限に抑えられます。デジタルツインの構成を新しい物理資産にプッシュするだけで済むためです。
H2020 HYBRIS | デジタルツインは、新しいバッテリーシステムの価値をどのように実証できるか？
デジタルツインを広く活用するためには、モデリングフレームワークを再現可能かつ拡張可能な方法で実証できることが重要である。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Kemiwatt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新規ハイブリッド電池システムに統合した。このシステムはプロジェクト期間中、パートナー間で移動される。 これを支援するため、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を開発し、実機試験との比較検証を実施。これにより実電池プロトタイプの試運転および制御試験を支援する。モデルは柔軟なパラメータ設計を採用しており、プロジェクト期間中に異なる規模の電池システムを検討可能としている。
検証が完了したバッテリーシステムのデジタルツインは、ソリダリティ・アンド・エナジー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。これにより実質的に「仮想実証サイト」が構築され、現地のSCADAシステムまたはクラウドベースのコントローラーが試験対象の制御装置として機能する。 当然ながら、これにはサイトモデルの適切な検証が必要であり、以下の2段階で実施されます：第一に、実サイトの履歴データと実データを用いて、現場の制御入力がツイン内のシミュレーション挙動と一致することを確認します。第二に、実サイトで行われた実バッテリープロトタイプを用いた試験を、完全仮想化されたデジタルツイン環境内で再現します。 両検証テストが確認され次第、「仮想実証サイト」上で実試験に先駆けたテストを実施可能となり、現場の運用デジタルツインとして機能させることが可能となる。
最後に、この手法はオランダの住宅実証サイトに拡張される。ここでは実際のバッテリーシステムやローカル制御は導入せず、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」を構築・検証する。 グリッドの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可能となる。これにより潜在的なユーザーは、サイト自体の実条件を用いてHESSシステムの利点を比較し、さらには異なる規模のバッテリーシステムの性能比較さえ行えるようになる。この枠組みは強力な販売ツールとなり得る。これにより、新規かつカスタマイズされたバッテリーシステムの導入がはるかに実現可能となり、これらの新技術を統合しようとする者に対し、意図した通りに機能するという確信を与えることができる。
クレジット
テキスト | セルジオ・コスタ、アレクサンダル・カヴギッチ
ビジュアル | カール・ミッケイ、ミリツァ・オブラドヴィッチ
編集 | デボラ・サント
CREATORSプロジェクトおよびHYBRISプロジェクトは、欧州連合のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムから、それぞれ助成契約番号957815および963652に基づき資金提供を受けています。
