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European New Build Power Plants 2013(その 1)
調 査 報 告 ウィーン European New Build Power Plants 2013(その 1) 9 月 11 日～12 日にドイツ・Köln で開催された欧州の発電所に関する会議(European New Build Power Plants 2013)ついて報告する。主催は ACI 社(英国)である。今回は、発電分野 における自動化と最適なソリューションに関する講演を紹介する。 １．発電分野における革新的な自動化と最適なソリューション Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社(英国) 【Invensys 社】 Invensys 社は英国の London に本社を置くエンジニアリングおよび情報技術の多国籍企業であり、 1999 年に英国のコングロマリットの BTR 社と Siebe 社の合併により設立。世界 50 ヵ国以上にオフィス があり、製品は約 180 ヵ国で販売されている。主要事業は、ソフトウェア、産業用オートメーション、 エネルギーコントロール、アプライアンス・コントロールの 4 つに分類される。 1.1 世界の発電業界の傾向 世界の発電業界の傾向としては、環境規制、発電所の老朽化、新しい容量の追加、労働 力の高齢化(新規雇用)、そしてサイバーセキュリティが考えられ、これらの課題に対応して いく必要がある。 ①環境規制：温室効果ガスの排出量抑制の必要性に関する世界的な認知(図1-1参照) 発電部門 産業部門 運輸部門 住宅部門、サービス部門、 農業部門 その他 ※ 排出量は年間で 28,920 百万トン 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-1 化石燃料の燃焼によるCO2排出量の内訳(2011年) ②発電所の老朽化：近代化とサービスの需要の増加 欧州には30年以上運転をしている従来型の発電所が70％以上を占めている。そのため、 立替え、現在の基準に適合するための近代化および維持補修に関する需要が増加する。 ③新しい容量の追加：電力需要の増加と停止する発電所の補填(図1-2参照) ― 1 ― (兆ドル) 他の再生可能エネルギー 投資コスト 容量 (GW) 調査報告 ウィーン 水力 太陽光(PV) 風力 原子力 ガス 石油 石炭 投資コスト(右軸) 年 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-2 世界の新しく追加される発電能力の予想 (2009年) ④労働力の高齢化(新規雇用) 現在の運転員は高齢化するが、発電所の運転は継続されるので新しい労働力の確保が 必要となる。 ⑤サイバーセキュリティ 発電所のコンピュータおよびネットワークへの不正侵入、データの改ざんや破壊、情 報漏えい、ウイルスへの感染などへの対策は、安全保障の面から重要である。 1.2 欧州における発電容量の予測 図1-3に、欧州における新規発電所の需要について示すが、将来の電力消費量の増加およ び既存の発電所の老朽化による建て替えと、新しい発電所建設の需要は増加することが予 設置済み容量 (MW) 測されている。 年 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-3 欧州の発電容量の予測 ― 2 ― 調査報告 ウィーン また、図1-4に、欧州で計画または公表された2020年までに新しく建設が予定されている 発電所の容量の内訳を示す。CO2排出量取引制度の現状やエネルギー需要の増加の理由から、 石炭、天然ガス、そして原子力が、発電部門において最も重要な主要エネルギーである。 しかしながら、計画または公表された新規プロジェクトが予定通りに建設されるかどうか は、原料に関する将来の価格の変動ならびに政治的状況に大きく依存する。 ガス(72,370MW、30.13％) 総容量：240,228ＭＷ 石油(0WM、0％) 調査時点で予定無し 無煙炭(30,494MW、12.69％) 褐炭・泥炭(4,295MW、1.79％) 原子力(56,340MW、23.45％) 水力(15,694MW、6.53％) 風力(57,842MW、24.08％) バイオマス(1,007MW、0.42％) 残渣と廃棄物(203MW、0.08％) 他の再生可能エネルギー(1,983MW、0.83％) 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-4 欧州の2020年までに建設予定の発電容量とその内訳 図1-5に、2007年以降に建設または更新が予定されている発電所の欧州各国の容量を示す。 その多くがドイツ、英国、スペインで予定されている。 ガス 石油 褐炭・泥炭 無煙炭 (GW) 水力 容量 原子力 バイオマス 風力 残渣および廃棄物 他の再生可能エネルギー 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-5 国別による建設または更新予定の発電容量(2007年以降) ― 3 ― 調査報告 ウィーン 以下のような理由から、効率的な石炭火力発電所が必要不可欠である。 ①EUの“トリプル20”目標 ・CO2の20％削減、 ・最終エネルギー消費に占める再生可能エネルギーを20％に向上 ・エネルギー消費量の20％削減 ②東欧では発電容量の40％を石炭に依存 ③効率を高める余地はある ④向上した出力変化率(Ramp Rate)による優れた設備の運転特性に対する要求 ⑤硫黄酸化物(SOx)の削減が重要(特に褐炭(browncoal/lignite)で考慮) 2016年1月1日以降に新しいEU規制が適用され、硫黄酸化物は最大200mg/m3となる。 【補足】 現行のEU指令(産業排出指令：2010/75/EU)にある300MW以上の排出源について、硫黄酸化物(SOx)、 窒素酸化物(NOx)、ダストの排出量規制値は、それぞれ2016年1月1日以降に以下のとおりとなる (酸素濃度6％)。 ・硫黄酸化物(SOx)：400 から 200 mg/m3 (2016年1月1日以降) ・窒素酸化物(NOx)：500 から 200 mg/m3 (2016年1月1日以降) ・ダスト：50 から 20 mg/m3 (2016年1月1日以降) 図1-6にドイツ大規模発電所技術協会(VGB)の石炭火力発電所のCO2排出量低減の見通し について示すが、CO2排出量は技術開発を通じて徐々に減少させることが可能としている。 まず、発電効率については、現在のEUの平均値(38％)を現在の最新技術を採用して45％か ら50％に置き換えていく。また、これによって同じ発電量を少ない資源で達成できるため に資源保護にもつながる。長期的には、CO2の回収・貯蔵技術(CCS)が必要で、それによっ て排出量を非常に少なくすることが可能となる。 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-6 石炭火力発電所のCO2排出量低減の見通し 図1-7に、既存および新しく建設される石炭火力発電所に求められる技術についての概念 図を示す。ここでクリーンな発電所に必要な点は、「施設の経済性を維持しつつ、排出量 ― 4 ― 調査報告 ウィーン が少ない」ということである。 効率の向上 燃焼後の回収 酸素燃焼 既存 石炭ガス化複合発電 と燃焼前回収 新規 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-7 既存および新しく建設される石炭火力発電に求められる技術のイメージ 1.2 オペレーショナル・エクセレンスと最適化 (1) オペレーショナル・エクセレンスへの挑戦 発電所および他の生産施設におけるオペレーショナル・エクセレンスには、大きく次の4 つの項目があり、これらを向上させていくことが重要である。 ①コントロール・エクセレンス (制御・管理面での優秀さ) ・予定外の作業休止時間を無くす ・廃止、サポートされていない技術の排除 ②ピープル・エクセレンス (人材の優秀さ) ・未経験または退職する労働者に起因する技能低下の防止 ・人とシステムの中での知識の吸収と生産性の向上が必要 ③アセット・エクセレンス(資産の長所) ・装置の効果(有効性、効率)の最大化 ・高い維持補修コストの低減 ・既存資産の寿命を延ばし、装置の最大限の活用 ④環境性と安全性の優秀さ ・偶発的事故の増加、規制の強化、そしてサイバー攻撃に対する脅威の高まり ・環境影響と増加するエネルギーコストの低減 【オペレーショナル・エクセレンス】Operational Excellence オペレーショナル・エクセレンスとは、普段の業務改善のこと、あるいはこのような業務改善プロセ スが現場に定着し、組織としての強みとしている状態のこと。 図1-8に装置から施設への効率性の最適化の概念を示すが、石炭から持ち込まれる熱量の 32％程度しか発電に寄与しておらず、例えば、熱効率が1％改善したとすれば、20％の温室 効果ガスの排出量が削減され、年間に100万ユーロの削減が可能となる。 ― 5 ― 調査報告 ウィーン 680,000 トン CO2/年 2,000 トン NOx/年 施設の最適化 出力 100MW の装置 20％ﾛｽ ボイラー 装置の最適化 40％ﾛｽ 燃料 復水器 復水器 石炭 250,000 トン/年 煙突 8％ﾛｽ 付属施設 32％ 750 GWh/年 発電(Net) 各施設の最適化 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-8 装置から施設への効率性の最適化の概念 (2) 最適化へのアプローチとしての高度プロセス制御 高度プロセス制御(以下、APC)によって、プロセスユニットがプロセスの効率や生産性を 最大にする運転状態に維持することができる。 ・数学的モデルの形でユニットとの重要な関係を表す ・“制約”(装置、製品の品質、在庫等に関係)として合法的な運転の境界の定義 ・各変数の経済的重要性の定義 ・APCは仕様条件を維持しながら、同時に複数の制約を満たす APCが持つ2つの主要機能 ①プロセスの変動を最小限に抑える ②常に、現在の装置性能の制限に関連付けされた制約事項に向かって運転ポイントを進 める 最適な 運転ポイント 煙突 最大特性１ 制約事項 “通常の”プロセス の変動 最小特性２ 制約事項 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-9 APCが持つ2つの主要機能 ― 6 ― 調査報告 ウィーン 化石燃料を使用する発電所におけるAPCの用途 ①排出ガスの制御：窒素酸化物(NOx)および一酸化炭素(CO)の10％から20％の低減 原因不明な逸脱(超過)を最小にする ②蒸気温度の制御：100％以上の出力変化率の向上 ③スートブロワ：自動または通知システム、エキスパートシステムルール、ファジイ 理論制御、蒸気および排気ガス温度の条件に応じたスートブロワの効 果の検証テスト 【エキスパートシステム】 特定分野に特化した専門知識データベースを元に推論を行い、その分野の専門家に近い判断をくだす ことができる人工知能(AI)システム。例えば、病気に関する知識がほとんどない患者が自分の病気を調 べるためにエキスパートシステムを使う、といった、専門知識を持たない人が専門家の助けを借りる形 での利用が考えられている。エキスパートシステムはその性質上、潤沢な知識データと的確な推論能力 が必要となる。このため、エキスパートシステムの開発には高度な技術が必要とされる。 ④ミルの最適化：熱しゃく減量(LOI)の低減10％から20％の低減 ⑤熱効率の向上：0.5％から1％の利益、ボイラー性能の監視 (3) 資産の有効性 次に、オペレーショナル・エクセレンスの資産の有効性に関して、労働者の機動性と維 持管理と運転の向上について説明する。 ①主要機能 ・フィールド内のタスク管理と性能の監視 ・重要な価値は資産活用の増加にある ・バリュードライバー(価値を左右する因子)：総合設備効率(OEE)、稼働時間、 資産管理、エラーのなり記録と文書 ・運転員の巡回と維持補修／修理 ②特徴 ・手順や作業指示を中心に構築 ・モバイルアクセス：エンタープライズシステム(産業用データベース(historican)、 設備保全管理システム(CMMS)、製造実行システム(MES)／品質管理システム (LIMS))との統合 【エンタープライズシステム】enterprise system 企業の業務システム全般、特に大型の企業システムのことで、部門や業務ごとのシステムではなく、 全社規模で導入される情報システムのことを指す場合もある。 【CMMS】computerized maintenance management systemの略 発電所や化学プラント、船舶／航空機、建築物などの設備・施設のメンテナンスに関する情報を電子 化し、一元的に管理するシステムのこと。一般に「設備台帳」「保全作業管理、実績管理」「交換・予備・ 消耗品などの在庫管理、調達依頼」「予防保全・保全計画管理」などの機能で構成される。 ― 7 ― 調査報告 ウィーン 【MES】Manufacturing Execution Systemの略 ものづくり経営の見える化の要求に対し、部品・設備・人・情報の管理、トレーサビリティ、 歩留ま り改善など、製造現場におけるさまざまな情報のデジタル化で中心的な役割をになう統合生産情報シス テム。 【LIMS】Laboratory Information Management Systemの略 品質管理上の記録をしながら詳細ミッションとしての確認作業をするのに、数百点程度の計測点デー タを収集する情報管理ツール。 ③動的な手順：施設の状況に調整されたモバイルによる作業の流れ 図1-10に作業中の運転員の機動性の概念図を示す。 依頼 迅速な対応 現場の運転員 運転制御 アプリケーション 文書 モバイル機器に データが転送 可視化 現状報告 維持補修 ・予備品管理 対応履歴 計装機器類 センサー アクチュエータ バックエンド との統合 イベント 生産計画 装置の監視 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-10 (4) APCが持つ2つの主要機能 運転員への効果、有効性 オペレーショナル・エクセレンスの発電所の運転員への課題として、次のような事項が あり、現在は、運転員の資格として高度なレベルが要求されているので、それを支援して いく必要がある。 ①課題 ・非常に多くの自動化システム ・数少ない支援スタッフと少ない交替 ・オペレーショナル・エクセレンスが必要 ②対策 ・新しく建設される発電所：早めるための運転チームを立ち上げ ・分散型制御システム(DCS)のチェックアウト ・DCSの操作の習得 ・プロセス操作への習得 新しい施設では、チームが練習をし尽くした“自動運転”で信頼性の高い運転となる。 ― 8 ― 調査報告 ウィーン ・非日常的状況、危機的状況、または緊急事態 ・停止および起動 ・労働力の高齢化および後継者の発掘とスタッフの訓練の必要性 また、運転員の教育の利点やそのための技術としては、次のようなものがある。図1-11 に運転訓練における現実とシミュレーションのイメージを示す。 ①利点 ・大事故につながるような出来事がより少なくて済む ・試運転をより速く行える ②技術 ・運転訓練システム(OTS) ・フィールド用の没入型3次元可視化訓練 現 実 施 設 制 動的 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ 御 HMI (ﾋｭｰﾏﾝ・ﾏｼﾝ・ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ) ｿﾌﾄｳｪｱ ｴﾐｭﾚｰｼｮﾝ 同じ/類似の HMI ﾊｰﾄﾞｳｪｱ 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-11 (5) 運転訓練における現実とシミュレーション 企業が運転訓練システムを採用する理由 企業が運転訓練システムを採用する理由としては、以下の要因が考えられる。 ①ビジネス上の要因 ・施設の性能およびオペレーショナル・エクセレンス(コスト) ・施設の安全性 ・プロジェクトのリスク管理とリスクの緩和 ・投資判断の評価 ②運転訓練システムの支援方法と価値 ・起動および試運転の回数の低減： 立ち上げ前に運転員の訓練および制御用アプリケーションのテスト ・施設の性能と安全およびオペレーショナル・エクセレンスの維持または向上： 運転手順におけるベストプラクティスの開発と実施 ・施設の制御と計画の変更のためのテストベッド： ― 9 ― 調査報告 ウィーン シミュレーションでのテストは安いが、実際の施設では高くつき、試運転期間中の実 施はさらに高くつく ・スタッフの交替(退職時)費用の低減： 新しい運転員と現在の運転員の引き継ぎを短縮するために、実際の施設ではほとんど 発生しないシナリオを運転訓練システムで訓練することが可能 【テストベッド】 大規模なシステム開発で用いられる、実際の運用環境に近づけた試験用プラットフォームの総称で、 テストベッドは、実際に運用されているシステムを危険にさらすことなく、実際の運用体制に近い状況 で稼動させる目的で用いられる。 (6) 没入型3次元可視化訓練システム 没入型3次元可視化(3次元バーチャル)訓練システムのコンセプトと利点については、次の ことが考えられる。 ①コンセプト 運転訓練システムは制御室のためにあり、仮想現実は現場のためにある ・現場の運転員または維持補修員と制御室の運転員とのリンク ・非常に完成度の高いプロセスシミュレーションと仮想ウォークスルーの施設環境 ②仮想現実の基本的利点 ・施設運転員の完全な訓練 ・安全、重要なタスク、大規模災害状況への迅速で正確に対応できるスキルの向上 排ガス処理設備(通常時) 蒸気系統配管(異常発生時) 大規模災害の例(火災発生時) 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図1-12 没入型3次元可視化訓練システムの例 ― 10 ― 調査報告 ウィーン 1.3 まとめ 将来の電力消費量の増加および既存の発電所の老朽化による建て替えと、新しい発電所 建設の需要は増加することが予測されており、世界の発電業界の傾向として、環境規制、 発電所の老朽化、新しい容量の追加、労働力の高齢化(新規雇用)、そしてサイバーセキュリ ティが考えられ、これらの課題に対応していく必要がある。そこで、発電事業に対するビ ジネスの価値を創出していくことが要求され、そのイメージを図1-13に示す。発電所の最 適化を図ることで、年間に300万から1,500万ユーロのコスト削減が可能となり、事業者に とっては魅力的なものである。 重要機器の 制御 ボイラー・タービン 間の調整 蒸気温度制御 燃焼炉の 最適化 施設のプロセス ・計装 施設用 DCS スートブロワ 変電所の保護と制御 施設の資産管理、 ｽｹｼﾞｭｰﾙ・ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ 変電所の電力の品質 企業の 資産管理 発電機励磁方式 ・自動電圧調整器(AVR) 取り引きと 他の発電所との最適化 負荷周波数制御 電力の品質と グリッドの安定性管理 発電機用 遮断器 開閉装置・ 電源トランス 出典：European New Build Power Plants 2013 講演資料、Dr. Christian Lockemann 氏、Invensys 社 図 1-13 発電事業に対するビジネスの価値創出のイメージ （参考資料） ・European New Build Power Plants 2013 講演資料、 ・Invensys 社ホームページ、 (http://iom.invensys.com/EN/pages/home.aspx) ・VGB POWERTECH、ELECTRICITY GENERATION 2012/2013 (http://www.vgb.org/daten_stromerzeugung.html?dfid=55643) ― 11 ―