re:Invent 2024: AWSが電力網の課題解決 - Duke EnergyやVectorの事例
はじめに
海外の様々な講演を日本語記事に書き起こすことで、隠れた良質な情報をもっと身近なものに。そんなコンセプトで進める本企画で今回取り上げるプレゼンテーションはこちら！
📖 AWS re:Invent 2024 - Achieving dynamic power grid operations with AWS (ENU101)
この動画では、電力需要の増加と再生可能エネルギーの普及に伴う電力網の課題と、AWSによる解決策について解説しています。AWS Industry ProductsのPaul Reedが、従来のハードウェア定義型からDynamic Gridへの移行の必要性を説明し、Duke EnergyやVector、PNNLとの具体的な取り組みを紹介します。特にDuke Energyでは6週間かかっていた電力潮流シミュレーションを15分に短縮し、Vectorでは100万台以上のスマートメーターデータを従来の10倍の速度で処理できるようになりました。AWSが電力会社と協力して開発している新技術が、カーボンフリーエネルギーへの移行を加速させる様子がよくわかります。
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本編
電力需要の急増とAWSのDynamic Gridビジョン
電化が進む自動車からクッキングヒーターまで、今後20年で電力需要は3倍に増加すると予測されています。気候変動への対応を考慮しなくても、再生可能エネルギーによる発電コストの劇的な低下により、増加する需要を満たすための最も安価な電力源となっています。しかし、再生可能エネルギーは従来の発電所と比べて予測が難しく、地理的にも分散しています。需要の増加と供給の不安定さにより、世界中の電力網は混雑し、信頼性が低下しています。電力会社は安定供給の維持に苦心しており、より良い方法を見出す必要に迫られています。
私はPaul Reedと申します。AWS Industry Productsのサステナビリティ・クリーンエネルギー部門を率いており、私のチームは世界中の電力会社やGrid Operatorと密接に協力して、新しいテクノロジーの開発とAWSでのイノベーションを通じて、クリーンエネルギーへの移行を支援しています。これから20分ほど、直面している課題や、私たちが支援しているお客様、そして開発している解決策についてお話ししたいと思います。
AWSは持続可能な未来の実現に向けて取り組んでいます。約5年前、AmazonはClimate Pledgeを共同設立し、最初の署名企業となりました。これは、Paris Agreementより10年早い2040年までにカーボンニュートラルを達成することを企業に求めるものです。Amazonは気候変動の緊急性に対応するため、事業全体での排出削減を継続するとともに、他の企業にもPledgeへの参加を呼びかけ、目標や計画、プログラムの加速を促しています。カーボンフリーエネルギーへの移行は、短期的に排出量を削減できる最も効果的な方法の一つです。
2023年、Amazonは4年連続で世界最大の企業による再生可能エネルギーの購入者となり、Amazonが消費する電力の100%が再生可能エネルギー源によるものとなりました。これにはAWSデータセンターで使用される電力も含まれています。2024年1月時点で、Amazonは500以上の再生可能エネルギープロジェクトを展開しています。これは28ギガワットのクリーンエネルギー容量、つまり約77,000ギガワット時に相当し、米国の730万世帯、もしくは欧州の2,000万世帯の1年分の電力をまかなえる規模です。
消費者や企業による再生可能エネルギーへの関心の高まりと、EV、太陽光パネル、蓄電池などのDistributed Energy Resource（DER）の増加により、電力会社は電力網における需給パターンの急速な変化に直面しています。International Energy Agencyは、今後5年間で再生可能エネルギーの発電量がほぼ倍増すると予測しています。また、Wood Mackenzieによると、米国では今後3年間で0.25テラワット以上の新規DERが稼働を開始する見込みです。これは非常に大きな数字に聞こえますが、同時にWood Mackenzieは、複雑で分散化された系統連系プロセスによる遅延が足かせとなっていると指摘しています。この遅延は再生可能エネルギープロジェクトの採算性に影響を与え、開発事業者にとっての魅力を低下させ、最終的にはカーボンフリーエネルギーへの移行を遅らせることになっています。
一方で、米国エネルギー情報局は、現在の電力網の信頼性が低下しており、停電がより頻繁に発生し、より大きな混乱を引き起こしていると指摘しています。従来の電力網の計画、運用、保守、拡張のアプローチはもはや機能しません。発電から消費に至る一方向の電力の流れは、分散型発電、ローカルストレージ、双方向のエネルギーの流れに置き換わりつつあります。端的に言えば、私たちの電力網は、これから向かう世界に対応できる設計になっていないのです。
そこで、今日の電力の需給の動的な性質に対応し、カーボンフリーエネルギーへの移行を加速するために、電力網はハードウェア定義型からソフトウェア定義型へと移行する必要があると私たちは考えています。ソフトウェア定義型、つまりDynamic Gridとは、リアルタイムデータが洞察とシナリオプランニングを導き、電力網の運用を継続的に最適化できる仕組みです。 これは、新しい設備を電力網に接続するプロセスであるInterconnectionを簡素化し、大幅にスピードアップすることから始まります。 高圧配電から低圧送電まで、複数のレベルで電力網を包括的に分析し、リアルタイムデータを活用します。
このアプローチには、既存のインフラの性能を積極的に最適化し、 データの近くにビジネスロジックを配置してレイテンシーを削減し、信頼性を向上させることも含まれます。AWSは、データ、分析、最適化のすべてを理解しており、これら3つを効率的かつ信頼性高く、安全にスケールさせることができます。
電力会社の課題とAWSの革新的ソリューション
このDynamic Gridのビジョンを実現する上で、電力会社が直面する3つの重要な課題を見てみましょう。 第一に、電力網は何百万もの物理的資産で構成されています。電柱、電線、スイッチ、変圧器、発電所など、これらすべてが接続されて電力網を形成しています。この相互接続された資産のコレクションは何十年もかけて成長し進化してきましたが、これらの資産は多くの場合、電力会社の異なる部門や、電力会社が事業を展開する地方自治体によって所有・管理されています。現在の物理的な電力網の状態や運用状況について、信頼できる単一の情報源が存在しないのです。そのため、電力会社は不正確または古い情報に基づいて改善計画を立てたり運用変更を行ったりせざるを得ず、遅延、コスト増加、電力供給の信頼性低下につながっています。
次に、スケールでのシミュレーションについて見ていきましょう。電力は物理法則に従って電力網を流れます。電力会社は、EVやデータセンターなどの新しい負荷の影響、特定の地点における風力発電所や太陽光発電所の接続に関するコストとメリット、あるいはハリケーンや竜巻などの気象現象への対応計画について研究したいと考えています。 計画的または予期せぬ変化に直面した際の電力の流れをシミュレーションすることは、電力網を確実かつ安全に運用し、拡張を計画する上で極めて重要です。
最後に、私たちの家庭にある電力メーターは、電力網の末端として、消費地点での電力使用量と品質を追跡しています。既存のメタデータシステムは、月1回の顧客請求（いわゆるmeter to cash）を目的として構築されてきました。しかし、スマートメーターからより高頻度のデータにアクセスできるようになったことで、需要と供給を最適化するためのリアルタイムの洞察を得ることが可能になりました。これにより、発電容量を把握し、需要をコントロールまたは時間シフトすることで、再生可能エネルギーを最大限活用し、従来型の炭素集約型発電の出力調整への依存を減らすことができます。
これら3つの課題に対処するため、私のチームが現在顧客と取り組んでいる事例をご紹介します。 米国最大手のエネルギー持株会社の一つであるDuke Energyは、長年AWSのお客様であり、2022年からは開発コラボレーションを行っています。このコラボレーションを通じて、私のチームはAWSに新しいテクノロジーを構築し、Dukeやその他の電力会社のクリーンエネルギーへの移行を支援し、需要分析、負荷予測、運用や設備投資を通じた電力網の改善提案を行っています。例えば、配電用フィーダーに住宅用ソーラーパネルや商業用EVチャージャーを追加する際には、電圧、電圧位相角、有効電力、無効電力をモデル化する複雑な電力潮流計算が必要です。既存のオンプレミスツールは処理が遅すぎるか、複雑さゆえに電力網の一部しか分析できませんでした。Dukeと密接に協力して、私たちは何億もの電力網シミュレーションをコスト効率よくスケールアップして実行できるソリューションを開発しました。その結果、従来Dukeがオンプレミスで6週間かかっていた電力潮流シミュレーションを、AWSでわずか15分で実行できるようになりました。
Vectorは、オーストラレーシアと太平洋地域でエネルギーおよび通信サービスを提供するニュージーランドのエネルギー企業で、2021年から開発コラボレーションを行っています。Vectorは、先ほど触れたスマート電力メーターからの高頻度データを活用することに強い関心を持っていました。メタデータは従来、請求目的で使用されてきましたが、オーストラリアの規制変更により、1日単位ではなく5分間隔で消費量を測定することが求められるようになりました。Vectorは、この高頻度・高精度なデータを活用して、顧客の脱炭素化目標達成を支援するためのより豊富な洞察を提供したいと考えていました。
私のチームが開発した既存のサービスと新技術を活用して、VectorはクラウドネイティブなエネルギーデータプラットフォームDivergeを構築し、大規模なメタデータの収集と分析を行っています。現在、Vectorはオーストラリアとニュージーランドで100万台以上のスマートメーターをDiverge上で運用しており、従来のレガシーなメーターデータ管理システムと比べて、6倍のデータ量を10倍の速度で処理しています。
顧客事例から研究事例に移りましょう。 米国エネルギー省の国立研究所の一つであるPacific Northwest National Laboratory（PNNL）は、今後30年間の住宅用ソーラーパネルとEVの普及を研究し、電力網のボトルネックがいつどこで発生する可能性があるかを理解したいと考えていました。この種の問題に対する従来のアプローチでは、研究対象期間の一部の年についてピークシナリオを分析するというものでした。左側のグラフは、そのような従来型の分析結果を示しています。PNNLはAWSを使用して確率論的分析を実施し、対象となる500のトライアルそれぞれについて、今後30年間にわたって約9,000回の電力潮流計算を実行し、合計1億3,100万回の電力潮流シミュレーションを行いました。これらすべてがAWS上で1時間以内に実行され、右側のグラフがその結果を示しています。ご覧の通り、この第二のアプローチで発見された電力網のボトルネックの場所と深刻度は大きく異なっており、このような結果を活用することで、将来予想される負荷に対応するための設備投資の優先順位付けを、まったく異なる形で行うことができます。
これらの3つの分野は、AWSがお客様やパートナー様のお手伝いをしている分野のほんの一例です。カーボンエミッションの削減には、再生可能エネルギーへのシフト、電化の促進、そしてよりダイナミックな電力グリッドの計画と運用が必要です。このDynamic Gridへの移行には、電力会社が天候、EV普及、分散型エネルギーリソース（DER）の導入などの不確実性を考慮しながら、膨大な量のシナリオを分析する必要があります。私のチームは、世界中の電力会社や研究機関と協力して、電力グリッドの変革とカーボンフリーの再生可能エネルギーへの移行を加速させる中核となるアプリケーションやテクノロジーの特定に取り組んでいます。これらのお客様とともに、AWSではDynamic Gridを実現する重要な基盤技術の構築、テスト、実証を行っています。
私のチームは、ここからたった2分の場所でデモを行っていますので、詳細をご覧になりたい方はぜひお立ち寄りください。ご来場ありがとうございました。質問がございましたら個別にお答えいたしますので、残りのre:Inventもお楽しみください。
※ こちらの記事は Amazon Bedrock を利用することで全て自動で作成しています。
※ 生成AI記事によるインターネット汚染の懸念を踏まえ、本記事ではセッション動画を情報量をほぼ変化させずに文字と画像に変換することで、できるだけオリジナルコンテンツそのものの価値を維持しつつ、多言語でのAccessibilityやGooglabilityを高められればと考えています。
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