次世代型産業用ヒートポンプの仮想テスト環境の構築
MAN Energy Solutions（以下MAN ES社）は、2世紀以上にわたり、社会の進歩を促す技術革新の最前線に立ってきました。最近では、エネルギーシステム設計および産業ソリューションプロバイダーとして脱炭素化のパイオニアとなることに力を注いでいます。
この持続可能なアプローチの一環として、MAN ES社は産業および自治体向けの持続可能な暖房ソリューションの実現に不可欠な大規模産業用ヒートポンプの研究開発に取り組んできました。 MAN ES社は、低温の熱源（海水や空気など）から熱を吸収し、圧縮により作動流体に熱を伝達し、さらに暖房や冷却用のより高温の熱源に熱を放出する、初の大型超臨界CO2ヒートポンプ（いわゆる「メガヒートポンプ」）を開発しました。CO2は無毒で不燃性であり、従来のハイドロフルオロカーボン冷媒の代わりに冷媒として使用しても地球温暖化の可能性が低いため、環境に配慮したものになります。
MAN ES社のヒートポンプは多用途で、個々の顧客ニーズに合わせてカスタマイズが可能です。 温度供給範囲は約60～150℃で、水や液体の加熱、例えばプロセス加熱や地域暖房に適しています。 出力は1ユニットあたり10メガワット熱（MWth）から50 MWthの範囲で、複数のヒートポンプを並列運転することで、さらに高い出力も可能です。
課題
超臨界CO2ヒートポンプは、従来のヒートポンプよりも高温・高圧で稼働し、CO2排出量を抑えながら高い効率を実現します。 効率がわずかに向上するだけでもCO2排出量を大幅に削減できるため、これらのシステムの設計には特殊なコンポーネントと精密なエンジニアリングが必要です。 特定の気候やシステム規模に合わせたソリューションのカスタマイズは、開発プロセスをさらに複雑にします。 また、長期間にわたって断続的に稼働するシステムを長持ちさせることも課題です。配備後の変更には費用と時間がかかるため、時間の経過とともに変化する条件に対するシステムの反応を予測することは極めて重要です。短期および長期の設計上の決定を改善するためには、正確な過渡シミュレーションが不可欠です。このようなモデルにより、MAN ES社は仮想テストベッドで長期間にわたってさまざまな条件下でシステムの動作を研究し、1日、1年を通しての動作を調査し、制御戦略を最適化することができます。
この点において、MAN ES社は過渡現象シミュレーション用の動的モデルを開発プロセスの不可欠な一部として採用しています。
• 現実世界の状況をシミュレート：動的過渡モデルは、さまざまな条件下で性能と効率を最適化します。
• 制御と安定性を強化：過渡応答を理解することで、システムの安定性を確保し、問題を防止します。
• エネルギー利用を最適化：正確な過渡状態のモデリングにより、無駄を削減し、効率を向上させます。
• 再生可能エネルギーを統合：変動するエネルギー供給への適応により、地域熱供給ネットワークの柔軟性と持続可能性が向上します。
・インダストリー5.0とデジタルツインの採用：デジタルツインは、製品ライフサイクル全体を通して、リアルタイムのモデル更新、パーソナライズされた製品表現、意思決定の改善を提供します。
ソリューション
過去、MAN ES社は定常状態でのシミュレーションを行っていましたが、熱力学的な循環プロセスでは、シャットダウン、起動、ランプアップ、または過渡的な部分負荷運転がどのように実行されるかを確認することが重要です。MAN ES社は、詳細な過渡超臨界ヒートポンプモデルの開発と、多様なシナリオ下でのヒートポンプのシミュレーションを行うためにModelon Impactを選択しました。これらのシナリオには、シャットダウン、起動、電気負荷のバランス調整、その他システム入力の急激な変化など、さまざまな負荷プロファイル下でのシステム応答が含まれます。
Modelon Impactの利点の1つは、Modelicaベースのビルトインコンポーネントライブラリにアクセスできる一方で、ドラッグアンドドロップのユーザーインターフェースで3rdパーティ製やオープンソースのライブラリを使用できるオプションも残されていることです。Modelonの発電ライブラリおよび蒸気サイクルライブラリは、MAN ESチームにコンポーネントをさらにカスタマイズし、システムを正確にモデル化するための強力な出発点を提供しました。
Emmanuel Jacquemoud氏は、MAN ES社の電気熱エネルギー貯蔵/ヒートポンプ部門の主任エンジニアです。Modelon Impactの使用を開始した際のチームの経験について尋ねられた際、彼は次のように答えました。「私たちは、定期的に博士課程の学生や新しいチームメンバーにモデリング作業を行わせています。彼らは数ヶ月でModelon Impactを習得し、私たちの能力をさらに向上させています。これは、他のシミュレーションツールでは不可能だと思います。ModelicaフレームワークとModelon Impactプラットフォームは、非常に使いやすいです。」
モデルが完成すると、MAN ES社はヒートポンプの挙動と限界を分析するためのシミュレーションを開始しました。負荷要求の変化に対するヒートポンプの反応を理解することは、MAN ES社が試運転の準備を進めることに役立ちます。最初のステップとして、スイス・チューリッヒにあるMAN ES社の施設に物理的なテストベッドが構築されました。テストベッドのモデルはModelon Impactで開発され、物理的なテストベッドで実施されたテストを再現するシミュレーションが行われました。
結果
モデルを検証するために、チューリッヒの施設で35 MW 超臨界CO2ヒートポンプの物理的試験を実施し、MAN ES社はヒートポンプモデルのシミュレーション結果と比較するためのデータセットを得ました。
ヒートポンプモデルは、関連するプロセスパラメータについて、物理的試験ベッドの測定値と95%の精度で一致しました。これらのシミュレーションにより、MAN ES社は制御戦略を調整し、将来のプロジェクトに向けた設計のいくつかの側面を再考することさえできました。
デンマークのエスビャウでヒートポンプをフルスケールで展開し、チームはシミュレーション結果と実際の状況を比較し、今後のプロジェクトに向けてモデルを微調整する予定です。海水と再生可能電力を熱の生成に利用することで、デンマークのこの都市では、MAN ES社のヒートポンプ技術により、1つの施設で年間16万トンのCO2排出量を削減できる見込みです。
Emmanuel Jacquemoud氏は、モデリングとシミュレーションによってMAN ES社の顧客にさらに大きな価値を提供できると確信しており、「最終的には、お客様にシンプルなシミュレーションツールを提供したいと考えています。動的なデジタルツインがあれば、お客様はシミュレーションを実行し、予測を作成し、運用計画を決定することができます」と述べています。
信頼性の高い結果が得られる検証済みのモデルを手に入れたことで、MAN ES社は、デンマーク、フィンランド、スウェーデン、その他のヨーロッパ諸国における今後のプロジェクトに向けて、Modelon Impactを使用して動的なモデルの開発を継続することにしました。
