鋳造工場が操業する多くの地域（サハラ以南のアフリカ、南アジア、中東の一部など）では、電力網が利用できないか、あるいは不安定です。電力網が脆弱な鋳造工場では、電圧低下、周波数変動、計画外の停電などが発生し、バックアップ電源なしでは誘導溶解が不可能になる場合があります。従来はディーゼル発電機が解決策とされてきましたが、燃料費、メンテナンス費用、発電機の減価償却費を考慮すると、ディーゼル燃料費は1kWhあたり0.25～0.50ドルにもなり、溶解コストが非常に高額になります。
MONTE INTELLIGENCE社は、誘導溶解用途向けの太陽光・ディーゼルハイブリッド発電システムの開発に取り組んできました。そのコンセプトはシンプルです。日中は太陽光発電で基本電力を供給し、曇天時や夜間はディーゼル発電機でバックアップを行います。このシステムによりディーゼル燃料の消費量を40～60%削減できるため、一般的なディーゼル価格であれば3～5年で太陽光発電への投資を回収できます。
システム構成は、主に5つのコンポーネントから成ります。まず、太陽光発電アレイです。これは、地上設置型または屋根設置型のパネルで構成され、炉の1日のエネルギー消費量の目標割合を満たすように設計されています。1MWの誘導炉を1日8時間稼働させた場合、1日のエネルギー消費量は約8MWhです（鉄の溶解に1トンあたり1000kWh、1日あたり8トンの処理を想定した場合、または、より小規模な溶解の場合は出力を下げて稼働させた場合）。このエネルギーの50%を供給する太陽光発電アレイは、1日あたり4MWhの発電量が必要です。
太陽光発電アレイの規模は、設置場所の日照量によって決まります。1日あたり最大日照時間が5時間（多くの熱帯・亜熱帯地域で典型的）の場所では、1MW（直流）の太陽光発電アレイは、インバータ効率、配線、汚れ、温度による出力低下などによるシステム損失が15～20%あることを考慮すれば、1日あたり約5MWhを発電します。アレイには、1MWあたり約1.2～1.5ヘクタールの土地が必要で、鋳造工場の屋根に設置する場合は0.6～0.8ヘクタールとなります。
第二に、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）は、変動する太陽光発電出力と誘導炉負荷との間の緩衝材として機能します。誘導溶解は高出力で変動する負荷であり、溶解中は1MW、保持中は100～200kWの電力を消費する可能性があります。バッテリーは、インバータが必要とするDCバス電圧の安定性を維持するために、太陽光発電量と炉負荷の差を秒単位で供給または吸収する必要があります。リン酸鉄リチウム（LFP）バッテリーは、長寿命（放電深度80%で4000～6000サイクル）、優れた安全性、およびコストの低下（2026年にはパックレベルで1kWhあたり約80～120ドル）のため、好ましい化学組成となっています。
バッテリー容量は、溶解作業中の太陽光発電量が少ないと予想される最長期間（高信頼性設計のシステムでは通常2～4時間のフルロード運転）に合わせて設計されています。1MWの炉の場合、4MWhのバッテリーは太陽光発電が全くない状態でも4時間のフルパワー運転を可能にし、ほとんどの曇天時に対応できるため、作業員は進行中の溶解作業を中断することなく完了させることができます。バッテリーは、太陽光発電の出力が炉の需要を上回る期間、または翌日が曇天と予想される場合は夜間にディーゼル発電機から充電できます。
第三に、ハイブリッドインバーターは、太陽光発電アレイとバッテリーからの直流電力を炉用の交流電力に変換するパワーエレクトロニクスです。これは標準的な太陽光発電用インバーターとは異なり、誘導炉の負荷特性に対応する必要があります。誘導炉の負荷特性には、低い力率（誘導コイル単体では0.15～0.25、炉のコンデンサバンクによって0.95以上に補正される）と、中周波電源からの高調波成分が含まれます。インバーターは、kWだけでなくkVAの需要に合わせてサイズを決定する必要があり、炉の高調波が太陽光発電システムにフィードバックしてインバーターのトリップを引き起こすのを防ぐために、高調波フィルタリング機能も備えている必要があります。
第4に、ディーゼル発電機があります。これは、太陽光発電と蓄電池の両方で需要を満たせない場合（通常は曇天が続く場合や夜間運転時）に、炉にフル電力を供給できる容量を備えています。発電機の定格は、始動時の突入電流と力率を考慮して、炉の定格出力の約1.2～1.5倍にする必要があります。1MWの炉の場合、1.5MVAの発電機が一般的です。発電機は必要な時だけ稼働し、ハイブリッドコントローラーが蓄電池の充電状態と太陽光発電の出力予測に基づいて自動的に起動・停止します。
5つ目は、ハイブリッドエネルギー管理システム（EMS）です。これは、PVアレイ、バッテリー、発電機、炉の間で電力をどのように配分するかを秒単位で決定するコントローラーです。EMSのロジックには、PV出力が炉の需要を超える場合はバッテリーを充電する、炉の需要がPV出力を超える場合はバッテリーを放電する、バッテリーの充電状態が20%を下回る場合は発電機を起動する、天気予報で長時間の曇天が予想される場合はバッテリー容量を維持するために発電機を早めに起動する、系統電力が利用可能になった場合（系統連系システムの場合）、系統を補助的に使用する、などが含まれます。
太陽光・ディーゼルハイブリッドシステムの経済分析は簡単です。太陽光発電の均等化発電コスト（バッテリーサイクルコストを含む）とディーゼル発電の限界コストを比較します。8～10年ごとにバッテリーを交換するハイブリッドシステムの太陽光発電の均等化発電コストは、1kWhあたり約0.06～0.10ドルです。ディーゼル発電のコストは1kWhあたり0.25～0.50ドルです。太陽光発電1kWhあたりの節約額は0.15～0.44ドルです。年間1500MWhの太陽光発電を行うシステムの場合、年間節約額は22万5000～66万ドルとなり、150万ドルのシステム投資を2.3～6.7年で回収できます。
MONTE INTELLIGENCEは、太陽光資源の評価、システム規模の決定、当社製誘導炉パッケージとの統合など、誘導溶解用途向けの太陽光・ディーゼルハイブリッドシステムの設計を提供しています。
貴社の鋳造工場における太陽光・ディーゼルハイブリッド発電システムの実現可能性調査については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
