セクターカップリングは、建物、輸送、産業を、従来のエネルギー源と再生可能エネルギー源の両方によって生産される電力と統合するという、かなり現代的な概念です。この記事から フェニックスコンタクトセクターカップリングと電気負荷管理が、将来的にこれらの電気消費者と生産者を効率的に結び付けるのにどのように役立つかを学びます。
電力供給が主に再生可能エネルギー源に基づいている場合、セクターを連携させる必要があります。これには、発電、産業、モビリティ、インフラストラクチャ、建物が含まれます。Phoenix Contactは、全電化社会の技術的な観点と、建物内のセクター間自動化の例を示します。
太陽エネルギーは現在の世界のエネルギー需要を上回っており、実質的に無尽蔵です。さらに、太陽エネルギーをベースに気候中立で再生可能、かつ環境に優しい方法で発電された電力でこの需要を満たすための技術的基盤はすでに整っています。生活のあらゆる分野で使用される電力が、再生可能エネルギー源からカーボンニュートラルな方法で独占的に生成される未来の世界を想像することは可能です。
しかし、「オール電化社会」は、他のエネルギー源が役割を果たさなくなることを意味するものではありません。それは、太陽や風によって発電された電気がどこでも同じ量で継続的に利用できるわけではないこと、また、利用されたエネルギーを貯蔵することが難しいためです。さらに、電気は、航空輸送や海上輸送、建物の暖房などの特定の用途には適したエネルギー源ではありません。
ここで実用的な解決策を提供するために、全電化社会の考え方はパラダイムシフトに依存しています。数十年にわたり、電気は主に石炭、石油、ガスなどの一次エネルギー源から生成されてきましたが、将来的には、電気自体が持続的に生成される一次エネルギーとなり、必要に応じて同様にカーボンニュートラルな液体またはガスエネルギー源に変換できるようになります。
必要なパラダイムシフトは、電気エネルギーの可用性、貯蔵、回収に関する問題を解決できるPower-to-Xテクノロジーに基づいています。Power-to-Xは、変換プロセスを通じて、もともと電気として生成されたエネルギーを、たとえば水素、メタン、メタノールなどの形で利用できるようにします。したがって、電気は自動車、船舶、航空機用の気候中立燃料の生産に使用することができます。いわゆるe燃料は、既存のインフラをさらに活用することを可能にし、エネルギーを貯蔵および輸送する効果的な方法であり、熱電併給発電所を使用して電気に戻すことさえ可能です。
中間期のエネルギー効率
しかし、Power-to-Xテクノロジーで使用されるエネルギー変換プロセスの効率が低いことが問題です。再生可能エネルギーの生成に関連するコストを大幅に削減することによってのみ、e-燃料を経済的に生産することができます。再生可能エネルギーの分散型発電の世界的拡大は長期的には役立つでしょう。しかし、現在の暫定期間においては、エネルギー効率の向上が極めて重要です。セクターカップリングは、経済的にも実現可能な技術的ソリューションを提供します。これには、データとエネルギーフローの両方の観点から、エネルギー、産業、モビリティ、インフラストラクチャ、建物の各セクターの包括的なスマートネットワーキングが含まれます (図1)。
図1:
フェニックス・コンタクトのバート・ピルモント拠点では、建物と負荷管理における包括的かつスマートなネットワークが成功裏に導入されました。
目的は、余剰エネルギーが常に必要な場所に正確に流れる、効率的でバランスの取れた全体システムを構築することです。これは、最大限の電化と、それに続くすべてのセクターのデジタル化、ネットワーク化、自動化に基づいています。今後数年間、セクターカップリングの経済的実装には、ビルオートメーション、輸送技術、工場およびプロセスオートメーションなどの従来の領域にわたる電気工学と情報技術の融合が必要になります。これを実現するために必要な基本技術はすでに存在しています。5G、TSN、シングルペアイーサネットなどにより、センサー/アクチュエータレベルからITシステムまで、あらゆる場所に設置された多数のデバイス間でシームレスな通信インフラストラクチャを実現できます。これを基に、OPC UAなどの伝送規格やPhoenix ContactのPLCnext Technologyなどのオープン制御プラットフォームにより、今後のプロジェクトやアプリケーションが促進されます (図2)。
図2:
通信における基礎技術は、セクターカップリングの経済的実施を成功させるための基礎である。
現状の一般的な状況を分析する
建物と負荷管理の一例は、過去25年間で大幅に成長したPhoenix Contact社のBad Pyrmontサイトです。4つの生産棟とオフィス棟のネットワークは相互接続されており、電気、暖房、冷房、圧縮空気、窒素を分配できます。2つの社内天然ガス熱電併給発電所と太陽光発電システムにより、電気と熱が生成されます。必要に応じて、追加の電力が送電網から供給されますが、その量は意図的に制限されています。
エネルギーの需要と供給は常にバランスをとらなければならないため、環境的にも経済的にも意味のあることは技術的な課題となります。
典型的なシナリオは3つあります。
- 自家発電した電気が十分ではありません。地元の電力会社が追加の電力を供給していますが、絶対的な電力消費量の請求に加えて、負荷値を含む直送料金も適用しています。サイトが15分間隔で定義された負荷値を超えた場合、追加のコストが適用されます。
- 現在消費されている電力よりも多くの電力が生産されます。太陽光発電システムが十分な電力を生成するとすぐに、熱電併給発電所は停止されます。
4号館には余剰電力を収集するエネルギー貯蔵施設があります。しかし、スマート ビルでは、翌日は暖かくなるとビルが判断した場合、換気システムによって週末に安価な電力を使用してビルを冷却することもできます。 - 幅広い温度範囲: 電子モジュールの生産における気候条件は、夏の外気温が高くても常に安定していなければなりません。このとき、冷却装置と除湿装置が使用され、それに応じて大量の電力が必要になります。プロセス冷却が過剰である場合は、これを熱エネルギー貯蔵システムに供給することができます。この場合、400立方メートルを超える水を貯蔵する防火設備です。
では、最適な負荷管理を実現するにはどうすればよいでしょうか?以前は、スタッフは過去の経験に基づいて手動でシステムをシャットダウンしたり追加したりしていました。これらの決定は、最終的には当該個人のノウハウに依存していました。それによって、異なる個人的な選択が生まれました。しかし、システム全体が複雑になるほど、日常業務でエラーが発生しやすくなり、決定が遅れたり間違った決定が下されたりするとコストが高くなります。
…エネルギー管理のデジタル化
したがって、負荷制限値が15分間隔を超えず、生産が確実に実行されるようにするために、手動のエネルギー管理をデジタル化して自動化する必要があることは明らかでした。
ステップ1: Phoenix Contactの施設管理チームは、建物、生産工場、エネルギー供給業者をデータ レベルでネットワーク化しました。ケーブルは第4ビルに集まります。2016年に、同社独自のビル管理ソフトウェア システムEmalyticsがここで初めて使用され、その後、すべての「古い」ビルに採用されました。IoTベースのビル管理システムは、統合、エンジニアリング、視覚化、レポート、分析を組み合わせています。これには、50台を超えるコントローラーからの約25,000個の個別データ ポイントを統合する必要があっただけでなく、チームは技術的な取引を監視および操作するために、対応するプラント イメージを再作成、リンク、テストする必要もありました。純粋なデータ転送に加えて、7,000件を超えるデータ レコード (履歴) と約130件の自動タイム スケジュール プログラムも転送されました。したがって、EmalyticsはBad Pyrmontサイトの61,000を超えるデータ ポイントで構成されています。
ステップ2: スタッフはノウハウを文書化しました。まず、すべての電力消費者を優先順位に従って分類しました。稼働しなければならない製造工場は優先度1に割り当てられます。短時間オフグリッドになることが許される負荷は優先度2に割り当てられます。長期間オフグリッドになる可能性もある負荷は優先度3に割り当てられます。次に、スタッフは各負荷のシャットダウン時にどれだけの電力が節約されるかを定義しました。研究結果に基づき、チームはプラントの自動電源投入とシャットダウンのための階層型システムを開発した。操作のための起動も特定のシーケンスで実行されます。完全にリスクのない取り組みではありません。複雑なシステムでは介入の数が非常に多いため、予期しない混乱が発生する可能性があります。しかし、2020年末から2021年初頭にかけて既存のビルサービス管理システムがEmalyticsに移行されて以来、生産工場で障害が発生していないことから、達成された成功の方がこれをはるかに上回っています。独立した第三者機関も、バート・ピルモントのビルの運営コストは市場平均よりも約50％安いことを確認しています（図3）。
図3:
EmalyticsとProficloud.ioのスマートサービスは、深い洞察を提供し、ターゲットを絞った建物と負荷の管理を可能にします。
ステップ3: Proficloud.ioに基づく高レベルのクラウド サービスを使用してエネルギー データを取得できます。これを使用すると、場所をまたいでエネルギーとKPIの監視を確立できるだけでなく、たとえばAIと機械学習アルゴリズムを使用してデータ分析を行い、より正確な消費予測を提供することもできます。Phoenix Contactのスペシャリストは、同様の課題に直面しているユーザーを、同社のソリューションの全ポートフォリオを活用してサポートします。サポートには、建物内のデータ収集や、Emalyticsを使用したインテリジェントな建物サービス管理システムを介した建物とのやり取りを行うILC 2050 BIコントローラーなどのコンポーネントから、Proficloud.ioのスマート サービスを使用した場所をまたいだデータ評価までが含まれます (図4)。
図4:
Proficloud.ioとスマートサービスを使用すると、データを視覚化し、消費情報を表示できます。
まとめ
標準化されたソフトウェアとハードウェアを使用し、専門部門のノウハウを取り入れれば、地域レベルでセクターカップリングと革新的な負荷管理が可能になります。Phoenix Contact社のBad Pyrmontサイトがその証拠です。