Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化の進展と電力最適制御システムの構築に向けて2023年12月4日

株式会社MTI 船舶物流技術グループ 船舶システムチーム
山口 真

Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化の進展
省エネ・安全向上・省力化の観点から船舶においても電化の進展が見込まれる

接続機器・システム多様化及び電力有効利用
引用： 「Ship Electrical Systems」 (Wartsila社)

省エネ

運航自由度の向上

革新的省エネデバイス導入
Flapping Foil型推進器 (NYKスーパーエコシップ2050より)
引用： 日本郵船HP ESG経営 NYKスーパーエコシップ
https://www.nyk.com/esg/pdf/SES2050.pdf

引用： 日本財団HP 無人運航船プロジェクト「MEGURI2040」
https://www.nippon-foundation.or.jp/who/about/history/60years/1-topics-1-1© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

安全向上・省力化

自動運航・制御自由度向上

中小型船舶（内航）省人化・省エネ対応
1

Monohakobi Techno Forum 2023

燃料電池

船舶電化の進展

陸電

軸発（PTI/PTO）

電力系統の計画・運用・保護が複雑化する発電機最適化

バッテリ・キャパシタ

動力源の多様化
従来
周波数制御
電気推進

60Hz

主機

直結

57Hz

プロペラ

船内省エネ追及
インバータ

電力系統
接続機器・システム
多様化

電気

発電機

船型最適化
電気推進

電力負荷

電力回生

再エネ利用

新型推進器

プラント中心直流給配電
太陽光
風力© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

制御中心

2

Monohakobi Techno Forum 2023

システム設計・運用の多様化
例：バッテリ-軸発電機ハイブリッドシステム
ブラックアウト防止？
GHG排出最小化？

バウスラスタ
使用時発電機減台？

発電機
負荷率？

発電機
運転or停止？

バッテリ
寿命？

バッテリ容量？

効率改善
負荷分担？

主機 and/or
発電機ピークシェーブ？

主機 and/or
発電機
負荷平準化？

複雑化した電力システムをどのように計画・運用・保護するか？
次港陸電有無

LNG
補ガス
タイミング

想定される海気象・・・

個船・状況に応じて求められる柔軟な運用

システムインテグレーション力・シミュレーション技術力向上が重要© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

3

Monohakobi Techno Forum 2023

システム設計・運用の多様化
システム
インテグ
レータ

メーカー

システム
インテグレータ

造船所

メーカー

造船所

オペレータ
（船会社）

オペレータ
（船会社）

従来

現在制御のコンセプトを一緒に作りこみ、検証していくことが重要© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

4

Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
日本版システムインテグレーションを目指した
EMS（Energy Management System）開発

海外メーカー・船級協会・システムインテグレータとのコラボレーションによるシミュレーションモデル構築

海事デジタルエンジニアリング講座（東大・MODE）におけるシミュレーション基盤構築への取り組み© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

5

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

ソフトウェア（制御）開発①
HzNavi60Hz

ソフトウェア（制御）開発②
ディーゼル機関負荷変動低減

ソフトウェア（制御）開発③
間欠負荷専用DC Link

特許 第6238600号
特許出願検討のため、TBA

57Hz
G/E周波数切替

既開発品の制御高度化・実装© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

発電機負荷変動低減による余剰燃料噴射防止

DC Linkを利用した最適電力系統設計

6

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

ソフトウェア（制御）開発①
HzNavi60Hz

ソフトウェア（制御）開発②
ディーゼル機関負荷変動低減

ソフトウェア（制御）開発③
間欠負荷専用DC Link

特許 第6238600号
特許出願検討のため、TBA

57Hz
G/E周波数切替

既開発品の制御高度化・実装© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

発電機負荷変動低減による余剰燃料噴射防止

DC Linkを利用した最適電力系統設計

7

Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
ソフトウェア（制御）開発① - HzNavi（発電機可変周波数制御）
期待効果(理論値)
発電機の回転数を低くすると、AC系統周波数に連動して動作する電動機の回転数が低下する。

➡ 疑似インバータ効果 | 揚程は回転数の比の2乗で低下し、出力は3乗で低下する
５０ｋWの電動モーター
電源周波数

出力消費電力（57/60)3倍60Hz → 57Hz

42.9kW

省エネ効果

7kW

実証試験（評価中）
就航船で評価中
燃節効果

10%程度

© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

費用回収

1～1.5年程度

8Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
ソフトウェア（制御）開発① - HzNavi（発電機可変周波数制御）
制御イメージ＆機器構成

監視盤

監視信号

新設盤

主配電盤

Hz Navi MS

発電機周波数制御
異常信号

Mode Select信号
60Hz/HzNavi

状態信号

計測点

監視盤
•

制御可能状態信号を含む各種信号

新設盤｜Hz Navi Monitoring System
計測点の監視及び新設盤と該当信号の入出力

GAC

HzNavi設定用
押釦

•

•

主配電盤

監視盤から入力された信号及び新設盤面に装備された押釦により、Hz Navi制御の可否を判断する
主配電盤に制御可能状態信号を含む各種信号を•通信で入出力する••

新設盤から入力された制御可能状態信号及び発電機コンディションを基にHz Navi制御を行う
ACB異常遮断等の異常が発生した際に、定格周波数制御へ切り替える制御を行う
制御は主配電盤内のGACで行われる※新設盤の機能を他機器に取り込むことは可能© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

9

Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
ソフトウェア（制御）開発① - HzNavi（発電機可変周波数制御）
課題と解決策
課題

解決策

発電機同期投入時における横流防止

発電機運転台数によるインターロック

失火時機関ねじり振動対策

失火による排気温度偏差増大時の警報を追加

NOx排出量増加への対応

対象機関陸上運転での実測による規則対応確認⇒簡易での認証取得に向け対応検討中

各種負荷（電動機）正常動作・機能満足・長期影響

各電動機メーカー、主機メーカー等への機械的仕様確認

発電機非定格での長期運転対応（力率悪化・励磁電流増加・鉄損増加・温度上昇等への対応）

電動機メーカーとの確認⇒今後は電圧・周波数の制御ロジック変更を検討

プラント・電力系統異常状態への対応

制御切替条件設定、警報点リスト作成、制御自動切替機能の付加➡ EMSの要素技術としてのＨｚＮａｖｉ制御・安全機能の更なる高度化を目指す© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

10Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
日本版システムインテグレーションを目指したEMS（Energy Management System）開発

海外メーカー・船級協会・システムインテグレータとのコラボレーションによるシミュレーションモデル構築

海事デジタルエンジニアリング講座（東大・MODE）におけるシミュテーション基盤構築への取り組み© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

11

Monohakobi Techno Forum 2023

システム設計・運用の多様化

交流負荷
主機

例：バッテリ-軸発電機ハイブリッドシステム

配電盤

軸発電機

発電機

①軸発電機（＝主機）からの電力供給による燃費率改善
・狙いは、燃費率の高い主機による発電機（軸発電機）運転による、周波数変換器電力供給における燃費効率改善
直流負荷・電力需要を軸発電機単体でカバーできない領域あり
・並列運転ディーゼル発電機低負荷運転による燃費率悪化
電力： 1,127kW

主機： 29.8MT/day

発電機： 3.6MT/day

バッテリ
軸発電機単体運転できていない

発電機出力（kW）

ディーゼル発電機

一般に・・・発電機燃費率は主機燃費率より悪い

発電機燃費率

燃費率（g/kWh)燃費率（g/kWh)トータル ： 33.4MT/day
一般に・・・
機関負荷率下がる→燃費率悪化

軸発電機

主機燃費率
機関負荷率（%)

機関負荷率（%)

電力： 1,166kW

燃料ガス消費量（MT/day）

主機： 27.7MT/day

トータル発電機： 5.2MT/day

トータル ： 32.9MT/day

主機

発電機

ボイラ
© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

12

Monohakobi Techno Forum 2023

システム設計・運用の多様化

交流負荷
主機

例：バッテリ-軸発電機ハイブリッドシステム

配電盤

軸発電機

発電機

②ブラックアウト防止（発電機高負荷運転による燃費改善）
・狙いは、バッテリ併用による発電機運転台数減及び周波数変換器

効率改善（例：80%負荷運転→発電機2台目稼働）・軸発電機トリップ→バッテリによる負荷負担（健全状態との判断）

直流負荷バッテリ→バッテリSOC低下→バッテリ枯渇→ブラックアウト発生ブラックアウト発生
主機回転数・バッテリSOCマネジメント要検討（バッテリ寿命・バッテリ適用目的によるSOC設定、例; ブラックアウト防止、バウスラスタ補助 等）
燃費率（g/kWh)

主機負荷

Fuel Command

2台目起動、2台並列運転で燃費率悪化

発電機出力（kW）
利用可能電力ディーゼル発電機
軸発電機
ディーゼル発電機
発電機電圧（V）
高負荷で使いたい

No.3
総電力負荷率（%)© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

No.1

No.2
13

Monohakobi Techno Forum 2023

システム設計・運用の多様化

交流負荷
主機

例：バッテリ-軸発電機ハイブリッドシステム

配電盤

軸発電機

発電機

③主機負荷変動低減による燃費改善
・狙いは 、1)効率（燃費率）良好な高負荷率での主機運転

周波数変換器及び 2)負荷変動低減による余剰燃料噴射量減
直流負荷・いずれもうまくできていない

バッテリ・バッテリ寿命を考慮したライフサイクルでの費用対効果要検討
高負荷での一定運転、負荷変動低減のいずれもできていない主機回転数速度
燃料噴
射量
負荷変動低減による余剰燃料噴射量減のイメージ© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

燃費率（g/kWh)

負荷一般に・・・
機関負荷率下がる→燃費率悪化

Fuel Command

発電機出力（kW）

機関負荷率（%)

ディーゼル発電機軸発電機
14

Monohakobi Techno Forum 2023

船舶電化進展へ向けたMTIでの取り組み
日本版システムインテグレーションを目指したEMS（Energy Management System）開発

海外メーカー・船級協会・システムインテグレータとのコラボレーションによるシミュレーションモデル構築

海事デジタルエンジニアリング講座（東大・MODE）におけるシミュテーション基盤構築への取り組み© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

15

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

ソフトウェア（制御）開発①
HzNavi60Hz

ソフトウェア（制御）開発②
ディーゼル機関負荷変動低減ソフトウェア（制御）開発③
間欠負荷専用DC Link

特許 第6238600号
特許出願検討のため、TBA

57Hz
G/E周波数切替

既開発品の制御高度化・実装© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

発電機負荷変動低減による余剰燃料噴射防止

DC Linkを利用した最適電力系統設計

16

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

EMS(Energy Management System )PoC1｜安全に制御する機能と全体最適値を考える機能の分離- 安全航行のために、EMSシステムおよび制御対象が担う役割の整理- 検討結果の仕様でプロトタイプEMSを設計、実証確認
PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発- モデルベース開発により、船内電力システム（発電機、バッテリー、軸発電機を搭載した電力システム）の最適化- 本船実データを使用し、最適化システムの燃節効果を確認© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

17

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC1｜安全に制御する機能と全体最適値を考える機能の分離
EMS 定義①EMSは「全体最適化」を行うための機器であること
ー 指令信号は制御対象の実力の範囲内（仕様範囲内）でされる②EMSの機能が停止しても（あるいはEMSが無くても）、制御対象の機器は動作可能であること
ー 制御対象は単独で安全機能を有する必要あり！
システム構成以下の通り機能分離する
EMS本体

EMSを含んだシステム全体に必要な機能最適化機能
安全機能

EMS制御対象機器機器制御機能© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

18

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC1｜安全に制御する機能と全体最適値を考える機能の分離
制御イメージEMSシステムを用いて発展的な制御（全体最適の上で有効となる制御）を行う場合は、制御対象側で「制御実行可否」「必要な安全機能」の事前検討の上搭載が必要© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

19

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC1｜安全に制御する機能と全体最適値を考える機能の分離
安全機能の検討
最適制御による安全性の損失がないか検討は必要

EMS 安全機能の検討

制御対象の有する安全機能の整理

EMS最適制御の整理（主に組合せ運転）

組合せ制御による安全性の損失検討
損失無安全機能の追加搭載不要

損失有制御対象側で安全機能を実装可能か不可能

可能

制御対象機器に追加安全機能を搭載

EMSに安全機能を搭載

検討終了© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

20

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発
対象船選定
大島造船所殿建造 HACHINOHE MARU (D/G ８００ｋW 3台）
選定理由
・機能安全実証試験実施を見越して、実証試験船であるシリーズ船から実船データも豊富にある本船を選定© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

21

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発
検証システム（モデル） 最適化制御＋最適なH/W仕様を検討した。
No.

バリエーション説明①

HACHINOHE MARU オリジナル構成システム

ベースとなるモデル②

発電機自動制御搭載システム

D/Gを燃費最良負荷で利用することを目指したモデル③

発電機自動制御＋バッテリー搭載システム

D/Gを燃費最良負荷で利用することを目指したモデル④

発電機自動制御＋軸発電機搭載システム

M/Eを燃費最良負荷で利用することを目指したシステム⑤

発電機自動制御＋バッテリー＋軸発電機搭載システム

D/G,M/Eを燃費最良負荷で利用することを目指したシステム③D/G+BATT/CAP
2023.
Co.,
rights reserved.
©©2023.
MTI MTI
Co., Ltd.
All Ltd.
rightsAllreserved.

④D/G+S/G⑤D/G+ BATT/CAP +S/G

22 22

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発

個別機器モデル化及び同定© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

全体シミュレーションモデル作成
23

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

電力（kW）

PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発

日時

データ粒度影響分析© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

直交表によるバッテリシステムパラメータスタディ
24

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

燃費率（g/kWh)

PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発

燃費率（g/kWh)

総電力負荷率（%）

総電力負荷率（%）

バッテリ活用方法検討及びパラメータスタディ© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

制御フローチャート策定
25

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

主機回転数（%）

単発放電積算電力量（kWh）

船内電力負荷（kW)

瞬時放電電力（kW)

船内電力負荷（kW)

PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発プロペラトルク（Nm）

バッテリ仕様決定© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

軸発電機仕様及び制御ロジック策定
26

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS
PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発

発電機起動台数

船内負荷電力ディーゼル発電機1台あたり負荷率
軸発電機出力電力

バッテリ充放電電力
バッテリSOC

シミュレーションの一例（通常プラント＋バッテリ＋軸発電機）© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

27

Monohakobi Techno Forum 2023

日本版システムインテグレーションを目指したEMS(*1)開発*1 Energy Management System

統合制御システム開発 - EMS

各発電機出力（%)

PoC2｜モデルベースによる電力システム全体最適化戦略開発

シミュレーションベースでの効果推定
総負荷（%）

発電機不均等負荷分担制御の設定© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

バッテリ
1.26 %
軸発電機
3.55 %
バッテリ＋軸発電機 4.02 %システム構成別最大燃節効果及び費用対効果検証
28

Monohakobi Techno Forum 2023

まとめ

本発表での要旨

・船舶における電化は省エネ・安全向上・省力化の観点などから、今後更に進展していくことが予想される・電力系統に接続される機器は多様化し、制御も複雑になる
・更には制御は運用者が意図したものとなるもの、運用上においても柔軟に変更できることなどが重要であり、設計者・運用者共同で作り上げていくことが重要

・そのような状況を踏まえて、MTIではシミュレーション等を活用した船舶電化に関する取り組みを加速させている・オープンコラボレーションにより国内外さまざまなメーカーとの共同で基礎的なシミュレーション基盤構築及び有効性（EMS開発妥当性）の検証に取り組んでいる・PoCを通して、統合制御するというEMSの効果・価値が検証できた© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

29

Monohakobi Techno Forum 2023

まとめ
今後の取り組み・効果の見えてきたEMSについて、機能要求、機能安全、性能要求、試験要求などの開発における要件を整理していく
・国内海事産業の強みと特性を生かして、単独のメーカー機器にとどまらず、複数社にまたがる機器・システムにおいても、オープンコラボレーションによって、欧州メーカー・システムインテグレータなどが実施している制御コンセプトより更に踏み込んだ最適制御システム構築をめざす。
・更には、シミュレーションベースの検証のみならず、新造船・就航船のいずれにおいても実船搭載を目指して、引き続き国内外メーカーとの連携を進める・MTIとしては運用者目線からの最適化システム構築に向けたオペレーションノウハウの言語化、制御面への落とし込み、制御の運用自由度向上に関する取り組みを進める

高度なEMS開発を一緒にオープンコラボレーションしていきましょう。仲間募集中！
© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

30

Monohakobi Techno Forum 2023

ご清聴どうもありがとうございました。

© 2023. MTI Co., Ltd. All rights reserved.