石油や石炭などの化石燃料が枯渇しつつあるため、風力、太陽光、波力などの持続可能な代替エネルギー資源が緊急に必要とされています。
一部の電力会社はすでにこうした動きを始めている。 国際エネルギー機関の予測によると、再生可能電力の発電容量は 43%増加すると予想されています 2017 年から 2022 年の期間を通じて。
しかし、持続可能な資源からエネルギーを採取するだけでは十分ではありません。 エネルギープロバイダーは、新しい設備の維持に関する当面の課題に直面することになります。 さらに、途切れのない供給を保証するために、再生可能資源によって生成された電力をより安定した従来のエネルギーとシームレスに統合する必要があります。
ここでIoTが登場します。 モダンな エネルギー分野におけるIoTソリューション 上記の課題を解決するだけでなく、顧客エクスペリエンスを向上させ、需要の予測を支援し、スマート グリッドの構築を可能にし、リモートの破損検出でエンジニアを支援します。 エネルギー市場における世界的な IoT が、 20.2年の2020億ドルから成長すると予想される CAGR 35.2% で 2025 年には 11.8 億ドルに達します。
IoTが再生可能エネルギーへの取り組みにもたらすメリット
エネルギー分野におけるモノのインターネットは、効率的な再生可能エネルギーの生成と配電を可能にする役割を果たします。 資産監視にかかる時間と人的労力を節約し、状況が悪化する前に構造的損傷を検出して危険を回避するのに役立ちます。 さらに、エネルギー消費の概要を提供することで、顧客エクスペリエンスが向上します。
リモート資産監視
運用と保守のコストは、再生可能エネルギーの生産を妨げる主な要因の XNUMX つです。 たとえば、 風力タービンの平均運用コスト 通常、運用開始から最初の 42,000 年間は 48,000 ドルから XNUMX ドル/MW の間です。 そして、タービンが老朽化するにつれてコストも増加します。
経費を削減するために、プロバイダーはエネルギー生成、送電、配電機器に IoT センサーを取り付けて、遠隔から監視できます。 これらのデバイスは、温度、振動、機器の摩耗係数などの属性を測定できるため、事前のメンテナンスのスケジュール設定、信頼性の向上、ダウンタイムの削減に役立ちます。
さらに、IoT は負荷管理の最適化にも貢献します。 センサーは送電線と配電線の混雑を監視できます。 これらのデバイスから得られるデータは、インフラストラクチャのアップグレードとダウングレードに関するビジネス上の意思決定に役立つ有益な洞察を提供します。
ゼネラル・エレクトリック・パワー社 監視および診断センター は、IoT と Predix ベースの資産パフォーマンス管理ソフトウェアを併用して、発電機とタービンを監視しています。 このソフトウェアは、IoT センサーから受信する膨大な量のデータを分析します。 この設定により、GE は計画外のダウンタイムを 5% 削減し、メンテナンス コストを最大 25% 削減し、誤報を 75% 削減することができました。
無人航空機（UAV）
エネルギー生成装置はいつでも損傷する可能性があるため、エネルギープロバイダーは損傷をできるだけ早く検出できる必要があります。 まれな人間による検査だけに依存するのは危険です。
UAV など ドローン、検査のためのソリューションを提示 風力タービンやソーラーパネルなど、手の届きにくい構造物。 たとえば、これらの車両は風力タービンのローター ブレードを監視できます。この作業は、従来はロープクライミングのメンテナンス チームによって行われていました。 ドローンがタービンの周りを旋回して高品質のビデオや画像を収集し、人間の調査員が遠隔で材料を観察して亀裂や塗装の剥がれなどを探すことができます。この画像により、検査員はブレードが破損したかどうかなど、より重大な欠陥を発見することもできます。雷によってタービンの効率が低下する可能性があります 8％まで。 ドローンの使用は、人間の労働よりも安価で安全なオプションです。
これらの車両は、ソーラー パネルを検査する際の時間とコストも節約できます。 ドローンの平均はおよそ 10メガワットあたりXNUMX分 人間の検査員に比べて、メガワットあたり平均 1200 ドルを節約できます。 West Coast Solar の経験によれば、500 kW のサイトを手動で評価するには 1 人の技術者が丸 40 日かかりますが、ドローンなら XNUMX MW のサイトをわずか XNUMX 分で検査できます。
スマートグリッド
従来のエネルギーグリッドは均一なエネルギーを発電所から消費者に伝送し、月に一度請求書を発行します。 太陽光発電所などの再生可能エネルギー源では、太陽が毎日輝き、毎日同じ量のエネルギーを供給するという保証はありません。 結果として、これらの電源は安定性も信頼性も低く、他の電源で補完する必要があります。
エネルギー分野における IoT により、さまざまなソースからエネルギーを取得する自給自足の配電システムであるスマート グリッドの構築が可能になります。 IoT は、再生可能エネルギーと従来のエネルギーを切り替えるタスクを引き継ぎ、無停電電源を提供します。
IoT センサーは、さまざまな電源間の切り替えに加えて、システム障害を検出し、グリッドを高速再生プロセスに導くことができます。 たとえば、デューク・エナジー 自己修復スマートグリッドを作成しましたこれは、IoT デバイスを使用して障害を検出し、それを制御システムに伝達し、制御システムが損傷した領域を隔離し、XNUMX 分以内に電力供給を復旧するようにスイッチに指示します。
破れの検出
パイプラインに取り付けられた IoT センサーは漏れを検出し、問題が拡大する前にオペレーターにパッチを適用するよう通知できます。 漏洩に対処しないと地球温暖化につながり、爆発を引き起こす可能性があります。
ドイツの新興企業 MEM Sensors は、微小な振動を分析することでタービンの断裂を検出できる IoT センサーを製造しています。 タービンが損傷すると、その振動パターンが変化します。 このスタートアップのセンサーは超低周波数範囲を捕捉し、高速フーリエ変換アルゴリズムを適用して風力発電所の状態を分析し、タービンとそのコンポーネントに関するタイムリーな洞察を提供します。 これらの洞察を使用して、オペレーターは初期段階で欠陥を発見できます。
責任あるエネルギーの生産と消費
電力分野における IoT の最も大きな利点の XNUMX つは、再生可能エネルギー会社の生産予測を支援できることです。
- 需要と供給の相関関係: スマート メーターなどのエネルギー使用量モニターから受信するデータにより、企業は XNUMX 日を通して、または季節に基づいて、さまざまな時間帯の消費パターンを理解できるようになります。 これにより、企業は出力を減らすか、エネルギー貯蔵ユニットを使用することで、供給を実際の需要に合わせることができます。
東京電力は東芝エネルギーシステムズと協力し、 分散型再生可能エネルギー発電所を接続する AIとIoTを活用したエネルギー貯蔵システムを搭載しています。 このテクノロジーは、貯蔵ユニットに投入するのに十分な余剰エネルギーがいつ存在するかを予測するのに役立ちます。 予測は、気象条件、需要、および一部の過去のデータに基づいて行われます。 需要が増加すると、システムは保存されたエネルギーを放出します。 この発電へのアプローチにより、同社は非再生可能エネルギーの使用量を削減することができました。
- エネルギー不足の予測: 長年にわたって収集された履歴データは、特定の気象条件下で再生可能エネルギー供給業者がどれだけの量を発電できるかを示しています。 このような分析は、いつエネルギー不足が予想されるかを示し、サプライヤーに代替エネルギー源を探すための余裕を与えます。
顧客体験の向上
IoTはメーカーと顧客の双方のエネルギーマネジメントに貢献します。 再生可能エネルギー企業は顧客にスマート メーターを提供できます。 これらのモノのインターネット デバイスは電力消費に関するデータを収集し、住民がエネルギー使用量を最適化できる詳細なレポートを送信します。 この取り決めはコストの節約に役立ち、間違いなく肯定的な顧客エクスペリエンスをもたらします。
Skanska USA オフィスは、ニューヨーク市のエンパイア ステート ビルディングにあります。 センサー技術の恩恵を受ける、遠隔測定データを収集してエネルギー消費を追跡します。 これにより、同社は電気料金を 57% 削減することができました。
IoT が業界にもたらす課題
IoT は再生可能エネルギー分野に多大な影響を与える可能性があります。 ただし、IoT の実装には、適切に対処する必要がある多くの課題が伴います。
データの保守とセキュリティ
IoT デバイスはサイバー攻撃を受けやすいです。 IoT デバイスには堅牢な暗号化方式をサポートするために必要なハードウェアが不足しているため、これは特に重要です。 さらに、これらのデバイスは無線通信に依存しているため、悪意のある第三者による干渉が可能になります。 IoT システムには通常、ほぼ同一のデバイスが含まれているため、サイバー攻撃がより早く拡散する可能性があるという事実によってリスクが増幅されます。 攻撃が確認された場合、重要なインフラストラクチャに組み込まれた IoT デバイスを簡単に無効にすることはできません。無効にすると損害が発生する可能性があります。
さらに、IoT センサーは消費者の電力使用量に関する膨大な量のデータを収集します。 エネルギープロバイダーは、このデータを使用して電力消費パターンを理解します。 その際、企業はプライバシー侵害に注意して回避する必要があり、消費者の信頼を失うことになります。 このシナリオを回避するには、顧客データの使用および販売について明示的な許可を取得することをお勧めします。 もう XNUMX つのソリューションは、ユーザーが自分の情報を完全に制御できる、信頼できるプライバシー管理システムです。
初期投資
過去 XNUMX 年間で価格が下がったにもかかわらず、再生可能エネルギー発電設備は依然として高価です。 IoT テクノロジー、データ ストレージ ユニット、データ処理技術を組み込むと、これらのコストが大幅に増加します。 可能であれば、検討する価値があります 結果ベースのモデル、企業がリソースを浪費する投資をせずに実行可能な製品を提案できるため、IoT プロジェクトで人気が高まっています。 このモデルによると、エネルギー プロバイダーと IoT ベンダーは、IoT ソリューションのパフォーマンスに基づいて支払いを交換することに同意します。
エネルギー消費
一部の再生可能エネルギー利用設備には多数の IoT デバイスが含まれており、それらを維持するにはかなりの量の電力が必要です。
したがって、IoT システムの構築を検討しているエネルギー会社は、電力使用量を最小限に抑えるための適切なアプローチを見つける必要があります。 オプションの XNUMX つは、IoT デバイスをスリープ モードにして、XNUMX 日を通じて事前に定義された時間に動作させることです。 また、エネルギー節約を念頭に置いて効率的な通信プロトコルを実装することをお勧めします。
IoT標準
異なるメーカーの IoT デバイスは必ずしも互換性があるとは限りません。 IoT ネットワーク内での接続にはさまざまなテクノロジーが使用されており、この不一致が別の課題を引き起こしています。 IEEE によると、 XNUMX つの標準セット エネルギー会社は、IoT システムを導入する際に、テクノロジーと規制基準を調査する必要があります。 テクノロジー標準には、ネットワークおよび通信プロトコル、データ集約標準が含まれます。 規制基準には、とりわけデータのプライバシーとセキュリティが含まれます。
関係するすべての利害関係者が、選択した標準化システムについて共通の理解を持っていることを確認してください。 利用可能な IoT 標準には、IEEE P2413 グループによって開発されたアーキテクチャ フレームワークが含まれており、これにより、さまざまなセクターにわたる IoT コンポーネントの調整が保証されます。 もう XNUMX つの例は、スマート メーターとスマート グリッド用の Zigbee Smart Energy 標準です。
スマートデバイスからクラウドへのデータ転送
エネルギープロバイダーが再生可能エネルギーへの取り組みで IoT の使用を計画している場合、これらのセンサーからクラウドにデータを転送する方法を考える必要があります。 再生可能エネルギー発電設備の多くは人間のオペレーターがアクセスするのが難しい孤立したエリアに設置されており、モバイル インターネットがない場合が多いため、これは特に困難です (ただし、モバイル接続を確立する機会はあるかもしれません)。
以下に、ゲートウェイ経由でクラウドへの接続を確立するための XNUMX つの実行可能な方法を示します。 XNUMX つのシナリオはすべて、XNUMX つのゲートウェイのみに依存します。 ゲートウェイはセンサーからデータを受信し、エッジ コンピューティングを使用してデータを処理し、保存またはさらなる処理のためにクラウドに送信します。
SMS ベースの接続
この場合、IoT デバイスによって収集されたデータはバイナリ形式でエンコードされ、Base64 エンコードを使用してテキスト メッセージにパッケージ化されます。 これらのメッセージはゲートウェイを介してクラウドに送信されます。 SMS メッセージの長さは限られているため、XNUMX つの SMS にできるだけ多くのデータを詰め込む最適な方法を考え出すことが重要です。
通常の Android スマートフォンは、テキスト メッセージを受信し、再パッケージ化し、インターネット接続を使用してクラウドに転送するゲートウェイとして機能します。
Advantages:
- ゲートウェイの手頃な価格とシンプルさ: 専用の機器を探す必要はありません。 通常のスマートフォンで十分です。 カスタム デバイスを開発する場合でも、モバイル開発は組み込み型の開発よりも大幅に安価です。
デメリット:
- 一度に XNUMX つの SMS しか送信できないため、データ転送が遅くなります。 さらに、すべての転送は携帯電話会社を通じて行われるため、通信コストが追加されます。
- セキュリティには課題があります。 エンコードされたメッセージにセキュリティ層を追加すると、必然的にパッケージの長さが長くなります。 その結果、XNUMX つのメッセージに収まるデータが減り、効率が損なわれます。
LoRa ベースの接続
LoRa は、長距離データ送信にライセンス不要の無線周波数を使用する低電力広域ネットワークであり、10 km 以上の距離をカバーできます。 LoRa モジュールは通常、メッシュ ネットワーキング トポロジに配置されます。このトポロジでは、IoT センサーがノードとして機能し、範囲内にある場合はゲートウェイと直接通信し、範囲内にない場合は他のセンサーを介して通信します。 メッシュ トポロジには、次のようないくつかの利点があります。
- 障害からの回復: XNUMX つのノードが崩壊した場合、手動介入を必要とせずにパスが自動的に再構成され、ネットワークの回復力が高まります。
- 迅速な適応: エンジニアは、ネットワークの手動再構成を心配することなく、ノードを追加および削除できます。
- 自己最適化: ネットワークは、IoT デバイスからゲートウェイにデータを送信する最適な方法を発見できます。
このソリューションは、長距離にわたって信頼性の高い伝送を提供します。 ただし、この場合、ゲートウェイは高度なデバイスです。 エネルギープロバイダーは引き続きそのようなゲートウェイを購入できますが、その場合は LoRa Alliance に参加し、参加するデバイスごとに料金を支払う必要があります。 長期的には、ゼロから開発する方がコストが安くなります。
Advantages:
- SMS ごとにプロバイダーに料金が請求される最初のオプションとは異なり、データ転送は無料です。
デメリット:
- データ送信がより頻繁に行われるため、他のオプションと比較してより多くのエネルギーを消費します。
- 一部のセンサーは接続ノードとして機能するため、より多くのセンサーが必要です。
- セキュリティが弱点になる可能性があります。ネットワークの適応性が速いため、第三者が気づかれずに悪意のあるノードを挿入する可能性があります。
ダイヤルアップベースの接続
このシナリオは、すべての IoT デバイスとゲートウェイ間の独立したダイヤルアップ接続を意味します。 XNUMX つのオプションは、転送する十分なデータがあるときにゲートウェイとの接続を開始するようにセンサーを構成することです。 ただし、このようなシステムでは、複数のセンサーが同時にゲートウェイに接続しようとする可能性があるため、待ち時間が発生し、回線が混み合います。 さらに、通話の開始にはエネルギーが必要ですが、通話が失敗するとエネルギーが無駄になってしまいます。 より良い代替案は、事前に確立された順序ですべての IoT デバイスを呼び出すようにゲートウェイ自体をプログラムすることです。
このソリューションでは、すべてのセンサーに専用モデムがあり、ゲートウェイがダイヤルアップ接続を開始するのをスタンバイ モードで待機します。 ゲートウェイがセンサーに到達すると、認証プロセスが行われます。 次に、ゲートウェイはセンサーが保有するデータ量を問い合わせます。 ネットワークの過負荷を避けるために、データの一部だけを受信して次のデバイスに進むことを選択できます。
Advantages:
- XNUMX 回のセッションで大量のデータを送信できる
- 低エネルギー消費
- 他のオプションよりも構成と実行が安価
不利益:
- ゲートウェイと通信できるデバイスは一度に XNUMX つだけです
- LoRaよりも遅い
- カスタムゲートウェイが必要です
ビジネス向けの要点
エネルギー分野には、有益な IoT アプリケーションがいくつかあります。 これらのデバイスは、エネルギー生成の最適化、機器や設備の遠隔保守、顧客による支出の管理に役立ちます。 IoT は、機械学習やコンピューター ビジョンなどのテクノロジーと組み合わせることで、さらに魅力的な機会をもたらします。
あらゆるメリットがあるにもかかわらず、IoT プロジェクトを開始するのは困難です。 PwCによると、 電力部門は新技術の導入が遅い。 PwC は、これはエネルギー会社のトポロジーに部分的に起因していると考えています。 業界のシステムは、以前のテクノロジーに合わせた階層的な制御とコマンドの原則に従って設計されました。 IoT を導入すると、セクター内の相互関係が変化しますが、そのプロセスには時間がかかります。 それにもかかわらず、IoT はエネルギー生成効率を向上させるため、企業はエネルギーの生成効率を満足させるためにこれに取り組む必要があります。 州の再生可能エネルギーポートフォリオ基準 (米国に拠点を置く企業の場合)、および他の国の同等の法律。
既存の構造に IoT を導入するだけでは、上で紹介したすべてのメリットが得られるわけではありません。 デバイスによって生成されたデータを保存および処理する方法を考える必要があります。 このようなプロジェクトに着手する前に、IoT からクラウドにデータを転送する方法と、その転送方法についてよく理解してください。 ビジネス上の意思決定を改善するために役立つ洞察を生成します。
