技術情報

新しい電力経済において、仮想発電所 (VPP) は、さまざまな分散型エネルギー資源/Distributed Energy Resources (DER) からの電力の集約を可能にし、エネルギー取引のための効率的なプラットフォームを提供する先導的な役割を果たしています。IIoTコネクティビティがどのようにVPPを実現し、利益を享受できるかを説明します。

データの力を活用する

再生可能エネルギー利用技術の成熟に伴い、グリーンエネルギーは、従来の原子力発電や、火力発電に使われる化石燃料から引き起こす公害および環境破壊に対処するために、これらの電力リソースに代わる実行可能な代替品として急速に普及しはじめています。しかし、このようなグリーンエネルギーへの依存は、電力網の安定性に大きな負担をかけることになります。電力網は、電力の需要と供給のバランスに大きく依存していますが、自然の力を利用して発電する風力や太陽光などのグリーンエネルギーは、天候や気象条件に左右されることも多く、発電量を安定させることが容易ではありません。そこで、電力網の電力変動に迅速に対応できる、よりレジリエンスのある電力網を確保するためのテクノロジーが不可欠となります。この問題を解決するためのソリューションとして注目されるのが、仮想発電所/Virtual Power Plant (VPP) です。

仮想発電所 (VPP) は、ITやIIoT (Industrial Internet of Things) のテクノロジーが成熟した後に登場した分散型 "Internet of Energy" です。従来の集中型発電所とは異なり、仮想発電所 (VPP) は、集中型発電所だけに限定されることがなく、再生可能エネルギー発電所、屋上のソーラーパネル、エネルギー貯蔵バッテリーから電気自動車などに至るまで、さまざまな電力ソースからエネルギーをクラウドソーシングします。このように、仮想発電所はどこからでも誰からでもエネルギーを収穫します。しかしながら、従来型と非従来型の両方の電力ソースから電力を正常かつ柔軟に収集してディスパッチするには、ライブの監視が必要となります。一般的に電気自動車が通勤にも使われるようになった今日の世界で、電力需要のピーク時に仮想発電所が緊急のニーズを解決するためには、充電センターに駐車している自動車を電力網に接続して電力を供給することまで考えられます。一方、再生可能エネルギーが過剰に発電された場合は、その電力を自動車に蓄えることも可能となります。

仮想発電所 (VPP) は、私たちの未来のエネルギー需要に対するソリューションであることは明らかです。しかし、これが本格的に実現する前に、まだいくつかの問題点を解決する必要があります。電力網のレジリエンスを実現するために、仮想発電所 (VPP) は大量のリアルタイムデータを収集する必要があります。つまり、"見える化" することができなければなりません。そのためには、"どれだけの再生可能エネルギーが電力網に統合されるのか"、"ユーザは、どれだけのエネルギーを必要とするのか"、"現在どれだけの電気自動車が充電しているのか" などの問いに明確に答え、"見える化" する必要があります。これらの質問に答えるためには膨大なデータが必要となります。しかしながら、エネルギー分野におけるIIoTの構築は、スマートフォンにAPIをインストールするような単純なものではありません。灼熱に耐えなければならない砂漠の太陽光発電所、強風だけでなく腐食性の塩分を含んだ海水に晒される洋上の風力発電所、さらには、信号が高電磁波の干渉が激しい変電所など、過酷な環境に設置された機器からのデータを受信する必要もあります。過酷な環境下にフィールド機器が点在していることに加え、データを収集するには、さまざまな独自の産業設計を統合するプロフェッショナルな人材が必要で、これは非常に困難なタスクとなります。IIoTテクノロジーが強固な永続的なデータストリーム基盤を構築することにより、仮想発電所の"見える化" にどのように貢献できるかを詳しく見ていきましょう。

IIoTテクノロジーによる見える化：配電ネットワークの謎を解き明かす

電気自動車がますます主流になりつつある現在、Distribution System Operators (DSO) /配電系統の管理および運用者が電力網を最大限に活用できるようにするには、負荷の変化をリアルタイムで把握することが不可欠となります。ドイツのあるDSOは、重要なタスクを見つけました。このDSOは、2020年の時点で、まだ低電圧電力網の電力消費データを確認することができませんでした。そのため、DSOは、変電所の電力データに関する透明性を高めるために、IIoTテクノロジーに着目しました。DSOは、配電フィーダーから1分ごとに収集される電圧、電流、周波数、有効電力/無効電力など21種類の計測データを、見やすく、理解しやすい情報にすることが目標でした。こうした情報を最適化されたEV充電管理システムと組み合わせると、既存の配電システムがサービスを提供する230万世帯に、より多くの電力を供給する能力を最大化することができます。

しかし、変電所からのフィーダーは量が多いだけでなく、形や大きさもまちまちで、さまざまな地域に分散しています。その上、変電所への定期的な出入りの際に、設置者が誤って他の機器に触れないようにするために、厳重に管理されることも少なくありません。そこで、2つの新たな課題が生じます。まず、いかに少ない人員でIIoTテクノロジーを迅速に導入するか。第二に、さまざまな変電所に散在するこれらの IIoTデバイスに効率的にパッチを適用して、安全性を確保するにはどうすればよいか？ これらの問いを念頭に置いて、IIoTインフラストラクチャは、「操作が簡単で、安全で、シームレスにアップグレードできる」という基本的な要件を満たす必要があります。これを考慮して、多くのシステム開発者は対応するソリューションを探しています。

この場合、システムインテグレータは、変電所の設計を変更することなく、IIoTデバイスを迅速かつ安全に展開できるエンド・ツー・エンドのソリューションを提案しました。これは、IIoTテクノロジーに精通していないオペレータであっても、IIoTテクノロジーを自分で容易に導入することができます。このシステムにより、設定をクラウドデバイスマネージメントプラットフォームに保存し、リモート管理することが可能です。また、セキュリティ認証に合格した後、設定をフィールドデバイスに自動的にインポートすることもできるため、面倒なアクティベーション手順が不要になります。このソリューションでは、人員の専門知識とリソーススケジューリングによる問題の解決に加え、リモートパッチも利用できるようになります。このような強力なソリューションは、電力網のアップグレードのスピードを加速させ、"Internet of Energy" の促進に貢献することができます。

電力給電: リアルタイム制御

これまで、再生可能エネルギーは、不安定で予測不可能なエネルギーと見なされてきました。再生可能エネルギーを持続的に利用するためには、需給をコントロールし、バランスをとる必要があります。最適な需給バランスを実現するためには、リアルタイムの監視と制御が不可欠です。しかし、これは言うほど簡単なことではありません。例えば、ある国では、再生可能エネルギー発電所は150ミリ秒以内に配電網の電力接続の調整を完了させる必要があると規定されています。このわずかな時間の間に、安定的かつ信頼性の高いリアルタイムデータの収集が不可欠です。しかしながら、データホスティング機器は、悪天候や塩害または電磁波干渉の影響を受けやすく、かつ広大な屋外のサイトに分散配置されることが多いため、安定したデータ伝送の実行は困難をきわめます。データの損失を防ぎ、リアルタイムで円滑にデータを伝送するためには、ハイエンドのネットワーク冗長化テクノロジーを導入する必要があります。例えば、1つのネットワークが使えなくなった場合、バックアップネットワークを経由してデータを伝送することで、データストリームの中断を避けられます。従って、24時間ノンストップの正確なリアルタイム監視および制御システムを構築することができます。

消費者と運営者の両方がWin-Win

運営者が屋外のリモートサイトを監視する以外に、一般住宅やビルに設置されているAMI (Advanced Metering Infrastructure) でもデータを収集することができます。AMIは、電力使用情報を完全に透明化します。消費者はスマートフォンを通じて自分の電力使用量を秒単位で把握することができます。運営者は、ユーザである消費者からの通知を待たずにAMIでリアルタイムに異常を発見し、修理時間を短縮することができます。さらに、消費者のデータをリアルタイムで収集した上で、各世帯の電力消費量の "波形" 分布を算出し、時間帯別の消費量の把握および予測することも可能です。誰もいない時間帯にはエアコンを消すなどして無駄を省いたり、プロバイダが時間帯別の料金を設定したりすることもできます。しかし、それを実行するには、電力消費情報を正確に運営者のシステムに還元する必要があります。家庭用のメータは過酷な環境には設置されませんが、展開されるそれぞれの現場のレイアウトは複雑かつ多様で、人の影響も大きく受ける可能性がありました。そのため、ちょっとした不注意が、通信の安定性に影響を及ぼす可能性があります。また、運営者が間違った電力使用情報を受け取り、電力使用量を計算ミスする可能性もあります。情報の損失を回避するために、通信がダウンしているときに、ストア・アンド・フォワードテクノロジーを使用することができます。メータのデータは最初に保存し、通信が復元された後に伝送することで、消費者と運営者の両方の権限を保護することができます。

仮想電力の取引

情報の透明性が高まり、再生可能エネルギーの価格がより手頃な価格になると、消費者は生産者にもなることもできます。言い換えれば、生産者がタイムリーに電力網に電力を売ることが可能になります。この変化により、需給スケジューリングがさらに柔軟になります。しかし、このレベルの柔軟性を実現するには、セキュアで分散型のネットワークが必要です。従って、ますます多くの国が仮想発電所とブロックチェーンを組み合わせています。ブロックチェーンのスマートなトランザクション契約を通じて、ブロックチェーンの分散型で透明性があり、改ざん不可能な性質を使い、安全でスムーズな購入とエネルギーの伝達が保証されます。事実上、消費者は、隣人などの、安価で、時には型破りなソースから選択し、中間のアグリゲータをスキップするなど自由な選択ができます。

IIoTテクノロジーを通して、電力網は経験に基づくマネージメントからデータ駆動型 (data-driven) のマネージメントに変わりました。 また、電力網は、複数のプラットフォームと一般の消費者の参加を通じて、より強力になることにより、電力利用率が上がり、電力の無駄を省き、エネルギー効率の高い世界を真に実現することができます。