エネルギー
予測できない事象を予測してオフショア風力発電所と潮力タービンを強化する
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オフショア再生可能エネルギー・プロジェクトは世界的に大きな勢いを得ています。欧州連合だけを見ても、オフショア風力エネルギーの導入は欧州グリーンディールの実現の中心であり、欧州の競争力とエネルギー供給の安全性を確保することを目的としています。
欧州委員会はすでにオフショア再生可能エネルギーに関するEUの専用戦略を公表し、セクターの長期的な持続可能な発展を支援するための強固な施策を提案しています。この戦略は、2030年までにオフショア風力で少なくとも60GW、海洋エネルギーで1GW、2050年までにそれぞれ300GWと40GWの設置容量という野心的な目標を設定しています。朗報として、EU諸国はすでに短期・長期ともに委員会が提示した目標を上回っています。
オフショア再生可能エネルギーの世界市場も急速に拡大しています。National Renewable Energy Limited (NREL) が公表した2024年オフショア風力市場報告によると、2023年の新規オフショア風力設置により、世界の容量は68GWを超え、319件の稼働プロジェクトが13,000基以上のタービンを稼働させています。
計画・開発段階にある追加プロジェクトも含め、パイプライン上のオフショア風力エネルギー容量は総計453.6GWを超え、そのうち浮体構造が104.4GWです。
Such growth in offshore renewable energy regimes requires strong support from the global R&D community worldwide—and that support is available. In the following segment, we discuss one such innovative development: the deployment of underwater robots capable of predicting waves in real time so that the cost of producing offshore renewable energy could be reduced.
新技術はオフショア風力発電所と潮力タービンの保守をより安価に、迅速に、そして安全にする可能性があります
この研究はエディンバラ大学の研究者3名、Kyle L. Walker、Laura Beth Jordan、Francesco Giorgio-Serchi によって行われました。この研究チームは、波動摂動下でのステーションキーピングタスクにおける撹乱除去のために、完全なエンドツーエンド制御アーキテクチャを開発し、非線形モデル予測制御（NMPC）と決定的海波予測器（DSWP）を組み合わせました。彼らのソリューションは、撹乱が車両の応答に大きく影響し、運用安全性に脅威を与える波支配環境で動作する水中車両を容易にすることを目的としています。
簡単に言えば、研究者たちは計算的および実験的なツールを開発し、不規則で激しい波の中でも自律ロボットが安定した位置を保つことを可能にしました。大学のFloWaveテストタンクが実験の試験場として使用されました。データは、北海に設置されたブイが取得した情報を利用し、ロボットが直面する可能性のある条件を模倣しました。
The system uses devices tethered to the seafloor to measure the direction and height of incoming waves and convey the information in real-time to a robot working nearby, enabling the unmanned machine to pre-empt complex future disturbances in the water and counteract them to maintain a stable position.
技術の利点
安定した無人ロボットがオフショアに配置されれば、定期保守という複雑な作業を低コストで実行でき、再生可能エネルギーの総発電コストを削減します。再生可能エネルギーは通常、化石燃料よりもコストが高く競争力がありません。このようなロボットの導入と安定性により、船舶やヘリコプター、吊り上げ装置を必要としない簡素化された運用が実現します。
研究者は強調しています 彼らの新しいソリューションは従来の制御システムより優れていると。
将来の波動撹乱を予測し、それを制御システムに統合することで、ロボットのハードウェアをほとんど変更せずにこの範囲を拡大できます。技術を現場に適用する観点から、これは大きな利点であり、現在市場に出回っているほとんどの車両に当システムを適用可能にします。
さらに、試験結果は、システムが表面近くの深海で動作するロボットと高い互換性を持ち、撹乱が強く感じられる環境でも有効であることを示しています。
将来的には、研究者はこのソリューションにさらなる自律性を付与し、錆の検出や電気機器の修理など、安定性を損なうことなく正確な作業を実行できるようにしたいと考えています。
この技術をさらに進化させることで、海上での無人ロボットの導入に大きな変革をもたらし、オフショア分野における自動化の度合いを劇的に高めることができるでしょう。
この研究によりオフショア再生可能エネルギーの生産コストは低減し、効率も向上しますが、この分野の研究は長年継続されてきたことを忘れてはなりません。例えば2022年には、Y. Liu、M Hajj、Y. Bao の3名の研究者が、オフショア風力タービン（OWT）におけるロボットベースの損傷評価に関するレビューを発表しています。以下に、レビューの重要なポイントを示します。
オフショア風力タービンの損傷評価にロボットを展開する
研究は、ロボットがオフショア風力タービンの自動状態評価を実施できることを強調しました。また、UAV、クライミングロボット、そして水中ロボットを展開して監視し、写真撮影、サーモグラフィー、X線画像を用いて異常を検出する可能性も検討されました。
オフショア風力タービンは、過酷な環境や動的・極端な荷重が安全性と耐用年数に影響を与えるなど、多くの要因に悩まされています。設置・保守コストが上昇し、再生可能エネルギーの総生産コストが増大します。さらに、海水による材料劣化のリスクも存在します。
研究は、ロボット技術とインテリジェントアルゴリズムの最近の進歩がOWTの損傷レベル評価に役立つと指摘しています。NDE（非破壊検査）装置を搭載したロボットは遠隔または自動でOWTを検査でき、取得したデータはインテリジェントアルゴリズムで損傷の検出、分類、位置特定、定量化が可能です。UAV、クライミングロボット、そして水中ロボットは、光学・赤外線カメラやX線装置などの機器を搭載してさらに支援できます。
研究は、ロボットベースの検査が安全性を向上させ、価格を抑えつつ高い堅牢性を提供する優れたソリューションとなり得ると結論付けました。
これらのソリューションが再生可能エネルギー産業にもたらす価値を考えると、いくつかの企業が商業的な解決策を提示しています。以下にその例を示します。
1. Aerones
Aeronesは企業の中でも世界的リーダーの一つです ロボット風力タービン保守サービスを提供しています。同社は特許取得済みのロボティクス技術を活用し、サービスチームが世界中の風力事業者に対して、より迅速で安全、かつ効果的なサービスを提供できると主張しています。
Aeronesが提供するサービス範囲は、タービンのライフサイクルにおけるすべての重要なサービス領域を網羅しており、検査、清掃、修理などが含まれます。検査では、避雷保護、内部・ドローン検査、排水口清掃サービスを提供します。清掃では、タワーとブレードの清掃を行います。修理サービスでは、Aeronesの高度に洗練されたロボットプラットフォームが表面処理、充填材塗布、研磨、リーディングエッジ保護を支援し、ブレード表面を数年にわたり侵食から守る保護コーティングを適用します。
Aeronesの独自のロボットサービスは、人間を置き換えたり仕事を奪うことを目的としていません。認定技術者が暖かい車両内からツールを操作する必要があります。そのロボット精度と効率性により、Aeronesのサービスはダウンタイムを4〜6倍削減し、アイドル時間を5〜10倍短縮します。独自システムは、検査、清掃、保守、修理のために風力タービン技術者に高品質なロボットサービスを提供し、クラウドベースのデジタルデータプラットフォームは検査から得られるユニークな業界横断データセットを収集し、よりスマートな予防保守計画と予算の効率的な価格設定を可能にします。
2024年9月、Aeronesはイノベーション基金の支援を確保しました、これはCO2排出削減を目的とした高度に革新的で市場対応可能、スケーラブルかつ野心的なインフラプロジェクト向けに提供されたものです。
AeronesはEUのイノベーション基金から440万ユーロを受け取りました。プロジェクトは、タービン修理を18時間以内に完了させ、ダウンタイムを大幅に最小化し、世界的な気候目標に貢献することを目的としています。報告によれば、同社のアプローチは修理ダウンタイムを67％削減し、10年間で161,349トンのCO2排出を回避し、さらに918,320 MWhの再生可能電力の追加生産を可能にすると推定されています。
2023年1月、Aeronesは3,000万米ドルを調達しました、ロボット対応サービスを拡大し効率化を推進するためです。この資金調達は新規投資家のLightrockとHanielが共同リーダーを務め、Blume Equityや既存投資家のChange Ventures、Metaplanet、Mantas Mikuckasらが参加しました。
Aeronesは、この資金を技術・営業部門の拡大、ロボットサービスチームの数増加、そして新たな急成長市場への展開に活用すると述べました。資金調達時点で、Aeronesのロボット対応ソリューションは、世界の風力発電容量の50％を占める顧客にすでに提供されていました。
2. Bladebug
もう一つの革新的企業であるBladebugは、成長しつつあるオフショア風力産業のニーズに応え、予測可能で効率的なソリューションを提供しています。同社はタービンブレードの検査と修理を支援する高度なロボットを開発しており、ロープアクセスの必要がありません。Bladebugのロボットソリューションには多くの利点があります。導入障壁を低減し、ダウンタイムを最小化し、作業の重複を防止します。
Bladebugのクローラーロボットは視界外から操作可能です。これにより、技術者はコストをかけず、過酷な環境にさらされることなく遠隔で保守作業を実行できます。半自律的です。
第二に、軽量であるため、展開速度と使いやすさは多くの競合製品よりもはるかに高いです。Bladebugのロボットソリューションを通じて、O&Mチームは従来のロープアクセスチームを使用できるようになる前に欠陥を処理できます。この予防保守はタービンの効率を向上させ、低炭素エネルギーの生成を最大化します。
最後に、モジュラー設計によりロボット本体はさまざまな非破壊検査および修理装置を受け入れることができ、オフショアでも柔軟に対応できます。
BladebugはInnovate UK、Catapult Offshore Renewable Energy、Imperial Enterprise Lab、Launch Academyなどから広範な資金支援とメンターシップを受けています。資金提供者は2つの投資家、BritbotsとThe Offshore Wind Growth Partnershipです。
3. Reblade
2024年5月、Global Wind Energy Councilが報告しました、2023年に世界で新たに117ギガワットの容量が記録的に設置されたことを。
ハードウェアの増設とそれに伴う保守計画の急増という課題に対処するため、デンマークの企業Rebladeはドローンで配送されるミニチュア修理工場を創設しました。
同社のロボットブレード修理ソリューションは、メンテナンスチーム向けにプラグアンドプレイ方式を提供し、地上からプロジェクトを指示・監視できるようにします。Rebladeのロボットは、清掃や研削からコーティング、タービンブレードのリーディングエッジ塗装まで、各作業ごとにロボットを用いた侵食修理を実施できます。ドローン配送の修理システムはカスタマイズ可能で、各モジュールは顧客の好みやニーズに合わせたタスクと製品を提供できます。
同社は、ロボットが非常に高速かつ効率的で、サービスチームが1日で2基のタービン全体の修理を完了できると主張しています。また、ソリューションは様々な気象条件に耐え、遠隔地でもシームレスに作業でき、サービス時間とコストを最大80％削減できると述べています。同社は3つの投資家を有し、Eureka Network と European Innovation Council を含みます。
オフショア風力発電所と潮力タービンを強化するロボットソリューション：未来
今後、オフショア風力発電所と潮力タービンの効率向上には、検査・保守プロセスの自動化に向けた取り組みが一層必要となります。これらはサービス品質の向上だけでなく、危険な水中環境で作業する人間のダイバーの必要性を減らすことで、安全上の懸念を大幅に軽減します。
人間の作業からロボットソリューションへの転換は、遠隔操作車両、無人水上船、そしてより高度な自律型水中ロボットを含むものとなります。これらの技術は、人間にとって危険またはアクセス不可能な条件下でも成功裏に稼働し、過酷な天候、深海、長時間にわたって機能します。
この分野で研究を行う研究者は、より緻密なソリューションが必要な重要領域をいくつか特定しています。例えば、水中ロボットは乱流の海で正確な位置保持が求められますが、これは本稿冒頭で取り上げた研究が重要な突破口として解決した課題です。
研究者はデジタルツインの活用も検討しています。現在のロボットは高度な3Dマッピングと再構築技術を備えており、海底インフラの詳細な三次元モデルを作成できます。エンジニアはこれらの「デジタルツイン」を用いて、タービン基礎上の海洋生物の付着状況や潜在的な構造問題を、陸上の制御室から安全に監視できます。
この分野でのもう一つの画期的な突破口は、USV（無人水上船）とROV（遠隔操作水中ロボット）の協調利用です。USVは移動式基地局として機能し、水中ROVを展開・連携させて風力発電所インフラの包括的な検査を実施します。このような作業を行うチームは、先進的なAIと制御システムの恩恵を受け、ロボットユニットが複雑な水中環境を驚異的な精度と効率で航行できるようになります。
推定によれば、ロボット検査システムの使用により、保守ミッションの燃料消費が最大97％削減でき、1日あたり7,000リットルからわずか200リットルへとされています。
要約すると、利点は多数あります。まず、炭素排出量の大幅な削減による気候への恩恵です。次に、これらのソリューションが全体的な再生可能エネルギー生産コストを低減することで、企業は長期的に利益を得ます。そして最後に、特に保守・検査に従事する従業員は、安全基準の向上と実質的にリスクのない作業環境の実現という恩恵を受けます。
