たとえば、地域の送電網、大規模なパイプ システム、米国全土を縦横に走る道路など、大きなものを研究したいと考えているとします。しかし、少なくとも現時点では、どれも存在しません。これらの目に見えない迷宮が安全で効率的であることを確認するには、どのように調査しますか?

良い質問です。答えは次のとおりです。これは、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) の統合エネルギー システム先端研究 (略して ARIES) と呼ばれるプラットフォームで行われています。

NREL の専門家は、数千、あるいは数百万の異なるエネルギー技術を含む、既存または理論上の電力網全体の 3D シミュレーションを作成できる研究プラットフォームを構築しました。たとえば、研究者は既存のグリッドに次の情報を入力できます。風力タービン、ソーラーパネル、バッテリー、原子力施設、電気自動車、さらには携帯電話などのスマートデバイスを対象に、それらが将来の送電網にどのような影響を与えるかを確認します。

しかし、最近まで、グリッド パズルの 1 ピースがうまく表現されていませんでした。

「欠けているのは、水力発電装置をどのようにシミュレートまたは表現できるかということです。」ロブ・ホブサピアン氏はこう語った。機械エンジニアNREL と ARIES の研究顧問が導入を支援しました水力発電プラットフォームに入る。

ARIES を使用すると、研究者は将来のほぼすべてのグリッド シナリオを実行し、計画することができます。例: 大量の再生可能エネルギーはさまざまなコミュニティ送電網にどのような影響を与える可能性がありますか?そして、水力発電は、私たちの電力システムがハリケーン、寒波、サイバー攻撃、その他の混乱を乗り切るのにどのように役立つのでしょうか?

「これにより、『もしも』のシナリオを実行できるようになります」とホブサピアン氏は語った。「現実の世界では、そこにあるものには限界があります。」

今では、水力発電や、より初期の海洋エネルギー（と呼ばれることもあります）などの水力発電技術について「もしも」を考えることができます。海洋エネルギーなぜなら、それは多くの場合、強力な海の波、海流、潮汐から来ているからですが、川の流れからのエネルギーを指す場合もあります)。

大きく異なりますが、どちらの水力発電技術も予測可能なエネルギーを生成するため、次のようなより変動性の高いエネルギー源にとって信頼できるパートナーとなります。風力エネルギーそして太陽光発電。それらの再生可能エネルギーに加えて、エネルギー貯蔵(バッテリーのように) は、かなり長い間 ARIES の一部でした。混合物に少量の水を振りかける時が来ました。

「ARIES を使用して水力発電をシミュレーションできるようになったので、より多くの場所でより多くのシナリオを研究できるようになり、将来のエネルギー システムの可能性も研究できるようになりました」と ARIES の研究所プログラム マネージャーのジェリー デイビス氏は述べています。「私たちはできるだけ多くの再生可能発電源を代表したいと考えています。」

しかし、それは思っているよりも難しいことです。

水力発電シミュレーターがアラスカの人里離れた村を支援

漁師たちがアラスカのコルドバの人里離れた村の港に戻ると、何百もの小さな教会の尖塔に似たマストのスパイクでいっぱいの入り江に入ります。

コルドバにはたくさんの漁師がいますが、サケ、オヒョウ、メバル、トラウトなどを漁獲していますが、あまり望ましくない漁獲量も 400% 増加しています。エネルギー需要これは、小さな村のマイクログリッド、つまり 2 つの水力発電所とディーゼル発電機のみに依存する独立した電力システムに負担をかける可能性があります (ディーゼルは空輸か船で輸送する必要があり、多くの場合、多額の費用がかかります)。

そしてそれが問題なのです。

コルドバのマイクログリッドと、病院や家庭を含むマイクログリッドが電力を供給するすべてのものは、夏の魚の豊作やアラスカの危険なほど寒い冬によるエネルギー需要の急増、さらには雪崩や干ばつなどの異常気象に対して脆弱です。この村は、特に経済や生活がエネルギーに依存している場合に、エネルギーの供給と需要を一致させることができるように、マイクログリッドがこれらすべての変化に合わせて変動する新しい方法である解決策を必要としていました。

しかし、操作によって停電や修復不可能な損傷が引き起こされないことを祈りながら、このような重要なシステムを単純にいじくり回すことはできません。また、まだ設置されていないバッテリーやソーラーパネルなど、存在しないものを研究することもできません。

そこで NREL と ARIES が登場します。

その村はARIES の水力発電エミュレーション プラットフォームから直接恩恵を受ける最初のコミュニティの 1 つは、ARIES の他の部分と同様に、町のエネルギー デバイスの蜘蛛の巣を正確にシミュレートするためにハードウェアとソフトウェアに依存しています。

ARIES のソフトウェア プログラムは実世界のデータに基づいて構築されており、実際のグリッド (Cordova のマイクログリッドなど) を模倣できるため、研究者はコンピュータ シミュレーションの安全性で Cordova システムを操作できます。ARIES は間もなく、水力発電機などの実際のハードウェアをこれらの仮想シミュレーションに接続できるようになり、システムが実際の技術からライブ フィードバックを受け取り、そこから学習できるようになります。

水力発電の場合、ARIES のシミュレーション機能は特に価値があります。研究者は実験用の太陽電池パネルや風力タービンを実験室の現場に設置することはできますが、水力発電所を再現することはできません。単純に大きすぎて、特定の河川の場所や地理に限定されすぎます。

代わりに、NREL の上級研究エンジニアである Mayank Panwar と Hovsapian は、彼らが言うものを構築しました。リアルタイム水力エミュレーション プラットフォームは、現実世界の水力発電施設をリアルタイムで模倣できます。水力発電シミュレーターの 1 秒は、現実世界の 1 秒に相当します。現在、同社の 2.5 メガワットのエミュレータは、実際の水力発電所 (コルドバを含む) からのデータを使用してシミュレーションに情報を提供しています。

「ARIESにますます多くの技術が追加され、風力や太陽光など送電網の変動性と不確実性がますます増大する中、水力発電は送電網に安定性をもたらす上で重要な役割を果たすだろう」とホブサピアン氏は述べた。「しかし、それをどのように定量化すればよいのでしょうか? ARIES は、それを行うのに理想的な環境となるでしょう。」

ARIES を使用することで、Hovsapian 氏は、コルドバにあるこの水力発電所が 1 つではなく 10 メガワットのバッテリーまたは 3 メガワットのソーラー パネルと組み合わせられたらどうなるかなど、より多くの「もしも」の質問をすることができます。そして、これらの変化は送電網の信頼性にどのような影響を与えるのでしょうか?ARIES のおかげで、Cordova には答えがあり、さらに回復力の高いグリッドも用意されています。

ホブサピアン氏によると、この種のプラグアンドプレイシミュレーションを実現できるシステムは世界中に他にありません。

そして、恩恵を受けるのは水力発電だけではありません。

海洋エネルギーを地域社会に迅速に届ける

海洋エネルギーはまだ開発の初期段階にありますが、これらの技術は、豊富な流水しかなく、他にほとんどない地域社会にとって、貴重なクリーン エネルギー源となる可能性があります。コルドバと同様、アラスカのイギウジ村も高価なディーゼル燃料の輸送に依存しています。メイン州沖合の多くの島々のコミュニティは、天候が荒れると安定した電力を維持するのに苦労している。

エネルギーコストが他の地域よりも一般的に高いハワイのコミュニティは、高価な輸入燃料に依存していることもよくあります。

しかし、これら 3 つの地域にはすべて、大量の水があるという強力な共通点があります。川の流れ、波、潮汐からのエネルギーを利用すれば、各コミュニティはエネルギー回復力を向上させ、クリーン エネルギーの目標も達成できる可能性があります。

問題が 1 つだけあります。コミュニティがこれらの初期デバイスのいずれかをインストールすることを選択する前に、テクノロジーが約束を実現できるというより大きな自信が必要です。そして、それがまさに ARIES が提供できるものです。

「私たちの使命の大部分は、エネルギー技術のリスクを軽減し、地域社会が安心してエネルギー技術を導入できるようにすることです」とデイビス氏は語った。

NRELでは、研究者らは「現場で失敗しないように」海洋エネルギー技術を研究していると、同研究所の研究エンジニア、クマラグル・プラバカール氏は語った。「たとえ小さな河川発電機が小さな家に電力を供給しているとしても、それは送電網に電力を供給しているので、それが安全であることを確認する必要があります。」

そして、そのために、そしてより複雑な分析のために、ARIES が必要です。

現在、プラバカール氏は海洋エネルギー技術が既存の電力網にどのように組み込まれるかを調査している。流れは一定する傾向がありますが、川は依然として凍結や干ばつに見舞われます。波や潮汐は予測可能ですが、1 日または 1 年を通して常に同じ量の電力を生み出すとは限りません。

ARIES を使用することで、Prabakar 氏は、これらの変動がさまざまな電力システムにどのような影響を与える可能性があるか、また、グリーン水素として貯蔵されるエネルギーなどの他のソリューションがこれらの変動のバランスを取れるかどうかを評価できます。

牡羊座の最大の贈り物は時間かもしれません。過去10年間、研究者たちは新しいエネルギー技術を検証するのに何年もかかっていたとプラバカール氏は語った。しかし、ARIES を使用することで、専門家はそのプロセスを大幅にスピードアップできるようになりました (ARIES は、他の国立研究所の同様のシミュレータと組み合わせて、さらに多くのデータ、機能、回答を取り込むこともできます)。

海洋エネルギー技術の開発を加速し、遅かれ早かれ気候変動との戦いに貢献できるようにするには、スピードが特に重要です。

「誰かが水力発電を追加するアイデアを思い付いたら、12か月以内に導入できるはずだ」とプラバカール氏は語った。

「エキサイティングだ」とホブサピアン氏は付け加えた。「これからたくさんの変化が起こりますが、ARIES は私たちがその準備をするのに役立ちます。」