インテリジェント冷却：カールスルーエ市営公益事業におけるAIとデジタルツインの応用例

カールスルーエ市営公益事業：都市冷房のためのインテリジェントシステム

気候変動とエネルギーコストの高騰が続く時代において、エネルギーをより効率的に利用する必要性はますます高まっています。これは暖房や電力供給だけでなく、冷房にも当てはまります。冷房は、特に近代的で人口密度の高い都市部や、データセンターや医療施設といった特殊な用途において不可欠です。この点において、シュタットヴェルケ・カールスルーエのような地方自治体のエネルギー供給業者は特別な責任を負っています。供給の安定性を保証するだけでなく、運用コストを削減しながら同時に持続可能性にも貢献する革新的な方法を見つけ出す必要があります。これをどのように実現したかを示す印象的な例として、カールスルーエのガルテンカレ施設における冷房の最適化を、高度なデジタル技術を用いて実現したことが挙げられます。.

約1,100人の従業員を擁するカールスルーエ市営公益事業会社であるシュタットヴェルケ・カールスルーエは、地域の40万人以上の人々に、電気、天然ガス、地域暖房、飲料水といった不可欠なエネルギー源を安定的に供給しています。この幅広い業務には、ガルテンカレーの冷却システムをはじめとする、大規模複合施設の複雑なエネルギーシステムの運用・保守も含まれています。ガルテンカレーは、アパート、オフィス、診療所、小売店、レストラン、そして重要なデータセンターが混在する多機能複合施設です。すべてのユニットの円滑な運用には、途切れることのない需要に応じた冷却供給が不可欠です。.

GartenCaréeの既存の冷凍システムは、その設計が決してシンプルではありません。様々な技術を組み合わせることで、可能な限り柔軟でエネルギー効率の高い供給を実現しています。その中核を成すのは3台の吸収式冷凍機で、高価な電力ではなく、環境に優しい地域暖房や近隣の製油所の廃熱を利用できるという利点があります。このシステムは、2台のコンプレッサーを備えた従来型の圧縮式冷凍機によって補完されています。この圧縮式冷凍機は、冷却需要が高い場合や特定の運転条件下で使用されます。また、余分な熱を環境に放出する冷却塔も備えています。.

カールスルーエ市営電力会社は、様々なエネルギー源を組み合わせることで冷房需要や外気温に柔軟に対応できるという基本的な可能性にもかかわらず、共通の課題に直面していました。それは、システム全体の実際のエネルギー消費量と個々のコンポーネントの相互作用に関する詳細な透明性の欠如でした。スマートソリューションの導入以前は、効率性に関する洞察は実質的に年間貸借対照表に限られていました。年末には、何メガワット時の冷房が生産され、どれだけの電力と地域暖房が合計で使用されたかを把握することは可能でしたが、どのコンポーネントがいつどれだけのエネルギーを消費し、それが生産された冷房量と最適な比率で一致していたかを詳細に分析することは不可能でした。市営電力会社の責任者たちは、この状況を「目隠し飛行」と的確に表現しました。つまり、的を絞った最適化の可能性はほとんど見えていなかったのです。.

プロジェクト目標: 透明性の向上と大幅な効率性の向上

カールスルーエ市営電力会社は、この透明性の欠如を解消するという明確な目標を掲げました。潜在的なコスト削減策を特定するだけでなく、それを積極的かつ自動的に実行することを目指しました。その解決策は、自動化されたエネルギーシステム管理システムの導入でした。専門企業であるFactor4Solutions社が開発したこのシステムは、AIを活用したソフトウェアをベースとし、デジタルツインの概念を活用しています。このシステムの導入により、冷凍システムの制御方法が根本的に変わり、非常に詳細なエネルギー監視が可能になりました。.

ソフトウェアと必要なセンサーの導入により、冷凍システム内のすべてのエネルギーフローを初めて詳細に可視化・測定できるようになりました。冷水および冷却水の体積流量、システム内の各ポイントの温度、吸収器からコンプレッサー、ポンプ、そして冷却塔に至るまでの各コンポーネントの正確なエネルギー消費量（電力および地域暖房）といったパラメータが、リアルタイムで記録・分析されます。この包括的なデータ基盤こそが最適化の鍵です。ソフトウェアは、どの運転条件が最も経済的であるかを継続的に分析できるようになりました。透明性のあるデータ取得によって明らかになる、こうした最適化の可能性を示すシンプルながらも効果的な例として、ポンプ制御が挙げられます。冷凍システム内のポンプは、実際の需要に関わらず、100%の体積流量で稼働していることがよくあります。しかし、詳細な分析を行うと、必要な冷却能力とシステムの状態によっては、60%、あるいはそれ以下でも十分な場合が多いことがわかります。このようなユニットを手動または常時操作すると、多大な不要な電力消費につながります。.

冷凍システムにおいてしばしば見落とされがちな問題の一つが、補助機器の電力消費です。これは詳細な分析によって初めて明らかになります。ポンプ、冷却塔のファン、その他の補助機器は、特に最適に制御されていない場合、冷凍ユニット本体と同等、あるいはそれ以上の電力を消費することがあります。さらに、多くのシステムでは、最適化は個々のコンポーネント、あるいは実際にはほとんど達成されない理想的な動作状態（通常は全動作時間の3%未満）に限定されています。その結果、動作時間の大部分において、膨大な量の電気エネルギーが無駄になっています。すべてのシステムコンポーネントの相互作用を的確に改善することこそが、実装されたソリューションの真髄です。.

6ヶ月後：目に見える成功と高い潜在能力

Factor4Solutionsのインテリジェントソフトウェアは、包括的なアプローチを採用しています。各コンポーネントを個別に扱うのではなく、冷凍システム全体を動的なユニットとして捉えます。チラー、ポンプ、ファンなど、関連するすべてのユニットのエネルギー消費量をまとめて評価します。これは、個々のコンポーネントとシステム全体のデジタルツインを活用することで実現されます。デジタルツインとは、実際のシステムをリアルタイムで反映する高精度な仮想モデルです。このモデルにより、AIは様々な動作シナリオを計算し、システム効率を最大化するために個々のコンポーネントがどのように連携するのが最適かを継続的に判断できます。.

システムは、もはや硬直した事前定義されたスキーム（例えば、特定の機械を常にベースロードで稼働させ、別の機械をピークロードで稼働させるなど）に従って制御されるのではなく、需要に基づいて動的に制御されます。ユニットの選択と制御は、現在の気象条件（外気温）、実際の冷却需要、そして決定された効率に基づいて行われます。標準化された通信プロトコルを使用することで、インテリジェントなシステム管理システムは、個々のチラーと補助ユニットの出力を選択的に起動・制御します。その結果、あらゆる負荷状況とあらゆる環境条件下で、システムレベルで可能な限り最高の効率を実現する運用が可能になります。.

このアプローチの有効性は、カールスルーエ市営電力会社において、テストフェーズの完了とシステムの本格稼働開始直後から明らかになりました。インテリジェント制御への移行から最初の6ヶ月で、同電力会社は年間電力消費量の大幅な削減を記録しました。これは前年同期比で20%以上の削減です。この効率性の向上は運用コストに直接反映され、最初の6ヶ月間で既に5桁のコスト削減につながっています。.

しかし専門家によると、これはほんの始まりに過ぎません。新しい制御システムによる運用開始から最初の6ヶ月間は、システムが部分的または完全に従来の制御に従って稼働していた期間もありました。このインテリジェントソリューションの潜在能力は、年間サイクル全体を通して発揮されます。なぜなら、各種チラー（吸収式、圧縮式、フリークーリング式）の最適な運転モードは、季節、外気温、そして具体的な冷却需要に大きく依存するからです。Factor4Solutionsによる初期運用データとデジタルツインを用いたシミュレーションに基づく計算では、年間を通して40%以上のエネルギー節約が可能になると予測されています。この野心的な目標は、カールスルーエ市営電力会社にとって今や確実な視野に入っているのです。.

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インテリジェントな監視による100%の運用信頼性

純粋なエネルギー効率とコスト削減に加え、シュタットヴェルケ・カールスルーエのような公益事業会社にとって、システムの運用信頼性は極めて重要です。特に、短時間の停電でも深刻な影響が出る可能性のあるデータセンターへの供給においては、継続的な冷却の可用性が不可欠です。このインテリジェントなソリューションは、この点においてももう一つの重要な利点を提供します。システムは一度設置すればその後は独立して管理されるだけでなく、プロバイダーであるFactor4Solutionsによって継続的にリモート監視、テスト、最適化されます。.

カールスルーエ市営公益事業会社は独自の監視システムと有資格者を擁していますが、冷凍技術とAIを活用したシステム最適化に関する深いノウハウを持つFactor4Solutionsの専門家チームによる追加の専門サポートは、貴重な補完となります。AIを活用した継続的なリモート監視により、システムは異常や潜在的な問題を、故障につながる前に検出することができます。デジタルツインと、現在の動作データとモデルの理想的な状態とのリアルタイム比較により、逸脱を早期に特定し、差し迫った故障や必要なメンテナンス措置について顧客に事前に通知することができます。これにより、予測メンテナンスが可能になり、計画外のダウンタイムを回避できます。常に運用可能な状態を確保することは、カールスルーエ市営公益事業会社にとって根本的に重要です。これは、特にガルテンカレにある機密性の高いデータセンターへの冷却供給という契約上の義務があるためです。.

ソリューションの導入と統合

自治体の電力会社にとって、スマートソリューションの導入と実装はスムーズかつ複雑な手続きもなく進みました。このプロセスにおいて、既に電力会社の計測・制御技術を管理している外部サービスプロバイダーとの連携が不可欠でした。.

ソフトウェアのセットアップに必要なデータポイントが特定され、承認されました。ベルリンの拠点からソリューションをリモート管理するFactor4Solutionsは、プラントの制御システムから必要なデータポイントを事前に明確に伝えていました。これには、例えば流量、温度、熱量計と冷気計の正確な測定値などが含まれていました。.

データが提供されると、ソフトウェアの設定は非常に迅速に行われました。わずか1日でシステムの基本的なセットアップが完了し、データ収集と初期分析を開始できました。わずか4～6週間で、プラントデータの最初の包括的な分析が可能になりました。この分析から得られた知見に基づき、システムをさらに微調整することができました。例えば、より正確な最適化のためにどのデータポイントを追加すれば効果的かが明確になり、それに応じてシステムを拡張・調整しました。.

この比較的シンプルで迅速な統合により、複雑な冷却システムが使用されており、その効率を向上させる必要があるさまざまなアプリケーションや業界にとって、このテクノロジーは根本的に興味深いものになります。.

迅速な償却は協力拡大の強力な根拠となる

インテリジェントな冷却最適化のプラス効果は、カールスルーエ市営電力会社にとって非常に迅速かつ確実に現れました。新しい制御システムが本格的に稼働してからわずか6ヶ月しか経っていませんでしたが、年間エネルギー消費量と冷却出力を前年と比較すると、既に大幅な効率向上と目に見えるエネルギー節約が見られました。.

特に心強いのは経済面です。システムの償却期間は非常に短いのです。ソフトウェアの使用にかかる年間費用とFactor4Solutionsの冷凍専門スタッフによる継続的なサポートは、運用開始後5ヶ月以内に達成されるエネルギー削減効果によって相殺されます。つまり、6ヶ月目以降は、システムの初期費用を上回る純コスト削減効果が得られます。この迅速な投資回収率（ROI）は、こうした技術を導入する上で説得力のある根拠となります。.

カールスルーエ市営公益事業会社がFactor4Solutionsとの協業拡大を検討しているだけでなく、既に導入していることは驚くべきことではありません。現在、同公益事業会社の別の冷却システムも、このインテリジェントシステムによって管理・最適化されています。さらに、同公益事業会社は、AIソリューションを用いた最適化に適した、規模や複雑さの異なる複数の冷却システムを運用しています。この技術は柔軟性が高く、ほぼすべての一般的な冷却システムに統合可能であることが実証されているため、AIとデジタルツインを活用することで、これらのシステムでも重要な分析、透明性の向上、そしてさらなるコスト削減を実現できる可能性が十分にあります。.

カールスルーエのガルテンカレにおけるプロジェクトは、現代のデジタル技術、特に人工知能とデジタルツインが、従来はエネルギー集約型であった冷蔵業界において、いかにエネルギー効率を革新できるかを示す成功例です。運用設備を透明性の高いインテリジェント制御システムに転換することで、エネルギー供給業者は運用コストを大幅に削減できるだけでなく、運用の信頼性を高め、エネルギー消費量の削減、ひいては環境保護にも大きく貢献できます。カールスルーエ市営電力会社の成功は、スマートでデータ駆動型の最適化システムへの投資がすぐに回収され、より持続可能で効率的なエネルギー供給への道を開くことを示しています。当初の20%を超える目覚ましい節約効果と、将来的には40%を超える削減効果が見込まれることは、エネルギーシステムのインテリジェント制御とネットワーク化に秘められた計り知れない可能性を裏付けています。.

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