火力発電と貯蔵

火力発電は今後数年のうちに変革する必要があります。今日、化石燃料の燃焼は二酸化炭素排出量の約90％を占めており、火力発電所は理論的にはどのような燃料源からでも熱を発生させることができますが、そのほとんどはいまだに石炭、石油、ガスの燃焼に頼っています。

化石燃料が最終的に行き詰まることは、エネルギー業界では広く認められています。設備メーカーと電力会社は、それに応じて長期的な戦略を転換し、新たな低排出量目標を設定し、各コンポーネントからより高い効率を引き出そうと努力しています。温室効果ガスの排出量が少ない熱源を発電所が採用したとしても、火力発電に対する現在のアプローチを根本から見直す必要があります。

例えば、暑い日（家庭やビルの冷房に最も電力が必要とされる時期）には、発電所が冷房に使用する周囲の空気や水が暖かくなりすぎて、この機能を効率的に果たせなくなることがあります。発電所は十分に素早く熱を放散できないため、需要に関係なく発電量を減らさなければなりません。ある試算によると、この発電不足を補うには、世界の平均気温が1度上昇するごとに、平均的な規模の火力発電所を40～60基建設する必要があるそうです。火力発電所が地球温暖化の影響を最も受ける地域であり、その地域で採用されている技術であることを考えれば、追加される発電能力の多くは石炭やその他の化石燃料の燃焼に頼ると考えるのが妥当でしょう。

化石燃料や石炭への比重を高めることは得策ではありません。各企業は、可能な限りCO2排出量を削減することを優先してきました。

既存の火力発電インフラの増強は非常に複雑です。エンジニアやエネルギー生産者は、効率的で実用的な規模のエネルギー発電・貯蔵ソリューションを開発し、持続可能性が信頼性を損なわないような新しい制御戦略を模索したいと考えています。

現在、革新的なチームでさえ、これらのプロジェクトを効率的に市場に投入するためのより多くのツールを必要としています。

これらの大規模プロジェクトに取り組む設計者、エンジニア、発電所オペレータがモデルベース設計とダイナミックモデリングを使用する際、

モデロンがどのようにサポートしているかをご覧ください。

概要 – 火力発電と貯蔵による気候変動への対応

エネルギー部門は気候変動の重要な原因であり、その解決に不可欠な要素です。

再生可能エネルギーは、持続可能で脱炭素化されたエネルギーの未来にとって不可欠ですが、万能ではありません。既存の火力発電所は、需要を満たし、電力系統の安定性を支え続けています。これらの既存のシステムを補強し、再生可能エネルギー源が今後導入されるにつれて生産量のバランスをとることが重要です。

既存のシステムを更新する際、難しい判断を迫られます。老朽化したインフラが適切な時に適切なエネルギーを供給できるようにするには、どうすればいいのか？変動する再生可能エネルギーを大規模に利用するための戦略は？発電所が経験する蓄電や充電の課題にどう対処するのか？より高い信頼性でより多くの電力を供給できる新しい制御戦略とは？

長期的な計画は、リスク軽減の観点から極めて重要です。制御予備力と効率を高め、より信頼性の高い制御戦略を設計し、以前は予測できなかった故障シナリオを緩和することは、脱炭素化と再生可能エネルギーの導入に向けた必須課題です。

個々のコンポーネントの熱効率を高めるような簡単な変更でさえ、エンジニアが適切な設計上の決定を下すためのツールを備えていれば、長期的な利益と長期的な排出量の目覚ましい削減の可能性を秘めています。

ビジネスケース – 火力発電と貯蔵システムに包括的な物理ベースのモデリングを使用する場合

より包括的な物理ベースの動的モデルを採用することで、エンジニアは今日、より複雑で野心的な課題に取り組むことができます。

例えば、多くの火力発電所は、コジェネレーション（すなわち「熱電併給」または「CHP」）戦略を模索したいと考えています。コージェネレーションでは、火力発電所は発電中に発生する廃熱を回収し、地域暖房（または同様の用途）に利用します。このような配置の効率は非常に有望である。

しかし、コジェネレーションはまだ広く採用されていない。コジェネレーションは、より複雑なコントローラとチューニングを必要とする。優れたダイナミック・モデリングがなければ、既存のプラントを更新する唯一の選択肢は、リスクを伴う高価な実機テストしかありません。

炭素回収・貯留（または “CCS”）は、適切なサポートがあれば、エンジニアがさらに前進できるもう一つの分野です。これは特にCCUS（炭素回収・利用・貯蔵）に当てはまる。 CCUSでは、単に排出ガスを回収して貯蔵するのではなく、炭素をプラスチック、コンクリート、燃料生産の原料として再利用します。

これを実現するために、エンジニアは、CCS/CCUSのコストを見積もり、安定したCO2除去率を可能にし、発電所の中核機能に対する潜在的な消耗（例えば、発電量の減少や過渡運転の制約）を最小化する戦略を検討するためのツールを必要としています。

包括的なモデルベースの設計とシステムシミュレーションツールを採用することで、電力会社はCO2排出削減目標を達成し、新しい発電、コージェネレーション、貯蔵戦略をコスト効率よく導入するための選択肢を評価することができます。

ソリューション – 火力発電・貯蔵システム開発のためのModelon Impact

Modelon Impactは、モデルベース設計を用いて物理システムを設計、シミュレーション、解析するためのクラウドプラットフォームです。その火力発電ライブラリを通じて、Modelon Impactは、火力発電所運転（制御システムを含む）のための包括的なモデリング、シミュレーション、最適化のフレームワークを提供し、新エネルギー源と従来のエネルギー源の両方を網羅しています。

Modelon Impactは、ツール、ライブラリ、チュートリアル、および発電・貯蔵システムに特化したカスタマイズ可能な商用検証済みコンポーネントの包括的なスイートを提供します。これらの商業的に検証されたコンポーネントには、発電機、タービン、ボイラー、蓄熱システム、およびさまざまなエネルギー源（集光型太陽光発電、ガス、石炭、原子力など）、地域暖房システム、熱コージェネレーション発電所などのためのすぐに使えるモデルが含まれます。
プロジェクトにさらなるカスタマイズが必要な場合、またはモデルに取り込むのに助けが必要なユニークな性質がある場合、モデロンのシステム設計とシミュレーションの専門家がお手伝いします。

Modelon Impactは、今あるものをモデリングするだけでなく、将来の新しいコンセプトの評価を支援するために構築されています。

• テンプレート化されたシステムモデルは、新しいプラントコンセプトのモデリングを簡素化すると同時に、ユニークなレイアウトを可能にします。
• 起動シーケンス、プラント全体の制御設計、および緊急シナリオのシミュ レーションとコントローラーのチューニングのゼロリスクテストと開発
• 数値的に効率的でロバストな流体モデルによる、大規模システムの高速シミュレーションと動的最適化

クラウドプラットフォームであるModelon Impactは、組織全体（非専門家やエンジニアリングやプログラミングの経験が浅い人を含む）や外部パートナーとのコラボレーションを容易にします。この包括的で動的な物理ベースのモデリングアプローチにより、さらなる洞察を享受することができます。マルチフィデリティモデルを使用することで、チームは、標準的なコンポーネントや材料を使用した、手頃な価格で効率的、スケーラブル、かつディスパッチ可能なエネルギー貯蔵ソリューションの探求において、より大きな自由度を享受することができます。

使用例 – 現場での物理ベースの動的モデリング

サーマルエンジニアは、すでにModelon Impactを使用し、作業の効率を高めています。例えば、Babcock Power社では、既存のボイラーにおける石炭の交換を研究するために動的モデルを使用しています。(https://asmedigitalcollection.asme.org/POWER/proceedings-abstract/POWER2023/87172/1167509）。例えば、Stadtwerke Rostock AG社は、当社の火力発電ライブラリ (TPL)で構築したコンバインドサイクル・ガスタービン発電所のダイナミックモデルを使用しています。 このダイナミックモデルは、当初はコジェネレーション発電の機会を探索し最適化することを目的としていました。しかし、その同じモデルは、最適な柔軟性を得るために熱応力を受けたコンポーネントを評価し、再設計し、エネルギーシステムに熱貯蔵を統合する最良の方法を調査するためにも使用されました。

また、Modelon Impactの火力発電ライブラリは、CCS技術を効果的に統合することで、発電所の排出量を削減し、熱効率を向上させる、より柔軟で脱炭素化された発電所の設計にも使用されています。ほぼすべての発電シナリオにおいて、エンジニアはModelon Impactを使用して、制御チューニングを加速することにより試運転時間を短縮することができます。事前にプラントのモデルを使って予備的な制御設計を開発することで、現場での調整や繰り返しが少なくなります。検証された制御設計は、試運転時間を大幅に短縮し、プラントが稼動してからの不測の事態を軽減します。

リソース

お客様のエンジニアリングスタックに新しいツールを導入することは困難である可能性がありますので、モデロンは定期的にModelon Help Centerで簡単なチュートリアルやガイドをリリースしています。私たちの専門家は、お客様のチームが前進し続けるための詳細なサポートを提供しています。

過去20年にわたり、卓越したサービスと専門知識を提供することによって私たち自身を明確にし、多くの業界で信頼できるパートナーとして高い評判を得てきました。

お客様の成功は、常に私たちの最優先事項です。