三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015) 新製品・新技術特集

技 術 論 文37

エネルギーマネージメントのためのプラットフォーム開発-トータルエネルギーソリューションの提案The Development of Platform for Total Energy Management-The Proposal of Total Energy Solution-

小 栁 容 子 *1

小 野 仁 意 *2

Yoko Koyanagi

Hitoi Ono

宮 本 学 *3

榎 本 智 之 *4

Manabu Miyamoto

Tomoyuki Enomoto

川 添 司 *5

渡 部 正 治 *6

Tsukasa Kawazoe

Masaharu Watabe

エネルギー自由化やエネルギーの安定的供給のニーズを受け，エネルギー供給システムの多様化が進み，多くの選択肢を得ることが可能になった一方で，大規模かつ多種多様なエネルギー機器からなるシステム，及びその運用方法を迅速に提案評価することが難しくなっている。三菱重工業㈱では，通常時のエネルギーの効率的な利用と停電や機器故障など非常時の事業継続性を両立するトータルエネルギーソリューションを提供するためのプラットフォーム開発を進めている。本稿では，プラットフォームの一部である計画提案システムの概要と適用例，及び今後の展開について述べる。

|1. はじめに大規模な自然災害や社会情勢変化に伴うリスクに対応したエネルギー安定供給手段の一つとして，分散型電源システムが注目されている。また，エネルギー自由化の流れに伴い，多様なエネルギー利用方法を選択することが可能となってきている。

図１ トータルエネルギーソリューション
*1 技術統括本部 広島研究所*2 技術統括本部 広島研究所 室長 工博，技術士（機械）*3 ICT ソリューション本部 製品ソリューションセンタ 主席研究員*4 エネルギー環境ドメイン 事業開発室 グループ長*5 機械設備システムドメイン 事業開発推進部 グループ長*6 エネルギー環境ドメイン 事業開発室 次長 工博

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これらの背景を踏まえた，エネルギー平準化や供給量低減の取り組みは，家庭から，工場，都市へと広がりを見せており，対象となるエネルギー機器数の増大や機種の多様化が進んでいる。
結果，これらの機器の組み合わせ方法や運用方法に関する検討が複雑かつ多岐にわたり，従来の手計算ベースの検討では対応が困難になっている。
更に，近年のセンシング技術および情報通信技術の発達により，エネルギーの流れの把握，見える化が安価で実現可能となったことを受け，ICT を活用したエネルギーマネジメントシステムの適用が広がりつつある。
当社では，図１に示すように，1S5R（蓄積，需要の削減，需要の供給への追従，再利用，再生利用，再資源化）の取り組みを通じて，通常時のエネルギー効率利用と非常時の事業継続性を両立するトータルエネルギーソリューションの提供を進めている。その中で，総合機械メーカとして蓄積した知見を活用し，大規模かつ多種多様なエネルギー機器からなるシステムを対象に，より最適なエネルギー機器の組み合わせやその運用方法を迅速に提案評価することが可能なシステムを開発した。次章以降に，システムの概要とその適用事例について述べる。

|2. システムの特徴
エネルギーソリューションとは，電気や熱（蒸気や冷温水等）のエネルギー需要を最小化，平準化するためや，必要エネルギーを効率よく供給するための施策である。また，非常時の事業継続のため，機器の起動時間や過渡的な挙動も含めた，エネルギーの安定性も考慮する必要がある。
エネルギー供給の施策は，①運用計画，②設備計画に大別される。①の運用計画は，日々の電熱需要に対し，既存の機器構成，システムにおけるメンテナンスコストも含むランニングコストやCO2 排出量を指標とした機器の運用を評価する。②設備計画は，年間の需要変動や将来的な需要変化を考慮して，導入機器のイニシャルコストと導入前後のランニングコストの変化を評価する。
設備計画は更に，一部の機器を代替する場合と，新規機器システムを導入する場合に大別され，一部機器の代替の場合は，既存機器との親和性や長期的な設備計画を考慮する必要がある。
このような施策検討は，複数の機器特性に加え，電気・燃料の料金体系や電熱需要など，検討対象案件や目的ごとに異なり，かつ多岐にわたる検討条件を考慮する必要があり，これが検討プロセスを複雑化，煩雑化する要因の一つとなっている。
このような施策検討プロセスを簡易にかつ能率的にするために，以下の特徴を持つシステムを開発した。本システムの構成を図２に示す。

図２ 本システムの構成

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2.1 簡便な評価プロセス
エネルギーソリューション評価に必要な作業を整理し，本システムでは，図２に示すように，①地域設定，②業種設定，③機器系統設定，④計算実行，⑤評価の５つのステップで定義する。ここで，①地域設定，②業種設定，③機器系統設定はユーザの入力操作であり，検討に必要な入力値をステップに従って入力する。
ユーザは，検討したい項目に合わせ①地域設定，②業種設定，③機器系統設定の入力値を変更し，⑤評価にて定量的数値を確認することで，最適なソリューションを検討することができる。
たとえば，大きく変動する電気料金やガス料金に対応し，ランニングコストが最少となる契約内容を検討したい場合，①電力・燃料料金設定にて，料金を変更し，結果を比較することで，定量的な評価が可能となる。また，ガスエンジン運用によるコストメリットを検討したい場合は，③機器系
統設定でガスエンジンの運用パターンを変更することで，ボイラや吸収冷凍機への排熱利用も含めた検討が可能となる。

2.2 総合的な評価
本システムには，Modelica 言語を適用しており，伝熱系，電気系，機械系等の複合領域を共通して取扱うことができる。(1)また，本システムでは，機器ライブラリに，再生可能エネルギー機器を含む発電機器，冷熱機器，コジェネシステム，及び蓄熱槽といった幅広いエネルギー機器モデルを有し，多岐にわたる機器の構成を考慮することが可能である。また，各機器モデルは，部分負荷を含む機器特性に加え，イニシャルコスト，メンテナンスコストといったコストモデルを保有し，コスト評価を含む総合的な評価が可能である。

2.3 標準データベース
一般には，検討に必要な情報を全て把握，入手することが困難である場合が多く，簡易な一次評価の妨げとなる。本システムでは，地域に紐づけて整理された天候や電力・燃料料金体系，業種ごとに標準化された季節別電熱需要や機器構成，更に一般的な機器仕様が，予め標準データベースに登録されている。ユーザは，標準データベースから選択したデータを用いる他，標準データを用いて設定した値を検討対象案件に合わせて編集することや，実測データを保有する場合は実測データに基づく値を設定することで，初期検討段階において十分なデータが揃っていない場合においても，簡易な一次評価を迅速に実施することができる。

2.4 最適化
本システムは，最適な機器運用方法を探索する最適化機能を有する。本機能は，ユーザが収束条件やランニングコストや CO2 排出量などを用いた評価関数を設定する。本機能を利用することにより，ユーザは多種にわたる機器の効率や有効な排熱利用などを考慮した最適運用方法をユーザが設定した基準に基づいて算出することができる。

|3. システムを用いた評価プロセス
本システムは，図２で示したプロセスに沿った画面を持つ。ユーザは画面フローに従い，５つのステップからなる評価プロセスを実行することで，エネルギーソリューション評価を迅速に行うことができる。以下に，各ステップについて述べる。

3.1 地域設定
気象条件と電力・燃料料金を設定する。ユーザは地図から地域を選択することで，地域に紐づいた標準データを設定することができる。また，ユーザが直接値を入力することも可能である。

3.2 業種設定
電気需要および冷水，温水，蒸気といった熱需要を設定する。3.1 と同様に，ユーザは業種を選択することで標準データを設定することができる他，直接値を設定することも可能である。

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3.3 機器系統設定
機器系統を設定する。機器系統は，評価対象案件ごとに異なるため，簡易な操作で柔軟な設定ができることが求められる。本システムでは，系統図をグラフィック表示することで，視覚的な理解を容易とし，また，画面上で，機器ライブラリから機器モデルをドラック＆ドロップすることや，電気，温水，冷水といった種別ごとに色の異なる線で機器を結ぶといったマウス操作で，柔軟かつ簡易な系統設定を可能とした。
また，3.1，3.2 と同様に，標準データベースとして代表的な機器系統を保有し，ユーザは，データベースから評価対象案件に類似した系統図を選択し，系統設定を効率的に行うことができる。
更に，機器の運用パターンや機器仕様，性能についても標準データを利用する他，パラメータとして自由に設定することも可能である。

3.4 シミュレーション・最適化
上記ステップでのユーザ入力に基づき，ランニングコストや CO2 排出量を算出する。
また，機器運用方法の最適化を行う場合は，収束条件やランニングコストや CO2 排出量などを用いた評価関数や，収束条件を設定する。

3.5 評価グラフ表示された 3.4 での計算結果を評価する。本システムでは，効率的なエネルギー供給を評価する指標となるランニングコストや CO2 排出量のグラフ表示に加え，機器の運用パターン，電力・熱バランス図を表示する。また，複数のケースを並列して表示することができ，ユーザは複数のケースの定量的な数値を容易に把握することが可能となる。

|4. 適用事例
これまでに述べたシステムを適用したエネルギーソリューション検討例について述べる。

4.1 ガスエンジンコジェネレーションの導入検討
図３に示すように，買電を主体にボイラ，ターボ冷凍機を用いた運用をしているケースに対し，ガスエンジンと，排熱利用可能なボイラ，吸収冷凍機から成るコジェネシステムを導入した場合のランニングコスト変化について検討した。

図３ ガスエンジンコジェネレーションの導入検討

本ケースのようにコジェネレーションシステムを有する場合，ガスエンジンの運用は，受電料金と燃料料金の比較だけでなく，蒸気・冷水需要を踏まえ，検討する必要がある。さらに，ガスエンジンからの排熱は蒸気利用と，冷水利用といった選択肢があり，効率のよい方を選択する必要がある。

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本ケースで設定した，電熱需要および電気，燃料料金に対し，ランニングコストを評価関数とし最適化した結果を図４に示す。図４が示す通り，本ケースでは，蒸気需要がある昼間は，排ガスボイラからの蒸気を蒸気として利用し，冷水は，ターボ冷凍機で供給する一方で，蒸気需要がない夕方以降は，排ガスボイラからの蒸気を蒸気投入型吸収冷凍機に供給し，冷水を生成する運用が，最小のランニングコストとなる。また，図５のように，ガスエンジン導入により低減できるランニングコストや，初期投資，ランニングコストも踏まえた投資回収年数を定量的に示すことができる。

図４ ガスエンジンコジェネレーション導入時の機器運用

図５ ガスエンジンコジェネレーション導入によるコストメリット

4.2 料金体系検討
4.1 に加え，さらにガスエンジンを稼働させることによる，受電量変動を考慮し，契約電力および電力料金体系について検討した結果を図６に示す。これによると従来の契約電力から変更することにより，ランニングコスト低減の可能性があることがわかる。

図６ 契約電力量と年間コスト

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)42|5. まとめ
本稿では，大規模かつ多種多様なエネルギー機器からなるシステムを対象に，既存機器システムで運用方法変更によるランニングコストメリットや，新規機器システムの導入または，一部代替におけるイニシャルコストも含む投資対効果を迅速かつ定量的に評価できるシステムについて述べた。本システムにより，効率的なエネルギー供給を実現する最適な機器の組み合わせやその運用方法を評価することが可能となった。
今後，エネルギーの自由化や非常時におけるエネルギー安定供給可能なシステム評価のため，電力系統の周波数変動や起動時間等の機器の動的遅れが考慮可能なモデルへの拡張を進める。さらに，工場における生産計画や，都市・商業施設・ビル等における人・物の流れに応じて変動するエネルギー需要を予測する機能を付加することで，時々刻々と変動する環境に即応しオンラインで最適なソリューションを提案するエネルギーマネジメントシステムを構築し，エネルギーマネジメントプラットフォームへとつなげる。

参考文献(1) Fritzson,P, Principles of Object-Oriented Modeling and Simulation with Modelica 3.3: A
Cyber-Physical Approach, Wiley-IEEE Press, 2014