テスラの仮想発電所：グローバル電力グリッドを変革する

電力グリッドを考えてみてください。 世界の大半を覆い、その存在と信頼性は、私たちの多くが生まれるよりも遥か以前から1世紀以上にわたり現代世界を定義してきました。過去100年間の新技術のほぼ全ては、このグリッドのおかげと言えます。

今日のグリッドは、何百万もの高度で相互接続されたデバイスが複雑なパターンで連携しているおかげで運用できています。しかし、その設計は集中型発電と最小限の制御ポイントを前提とし、化石燃料に依存しています——これらは全て20世紀に根ざした概念です。

もし今日、電力グリッドをゼロから再設計したらどうなるでしょうか？ この問いに、テスラのエンジニアであるコリン・ブレックとパーシー・リン克が最近取り組みました。彼らの答えは、オープンソース技術とデジタルツインを通じて、巨大なレジリエンス（強靭性）を構築することです。彼らは最近、英国のカンファレンスでその知見を共有しました。

既存グリッドに再生可能エネルギーが増えるにつれ、需給の複雑な計算を必要な精度で行うことが難しくなります。一定程度の制御力が失われ、発電予測が困難になります。

風力・太陽光発電がすでに普及している地域では、蓄電池がこれらの問題を緩和してきました。蓄電池は予期せぬ需要のピークと谷に非常に迅速に対応し、必要に応じて充放電を行います。

「この迅速な応答は、実は妥協ではなく、古いグリッドより優れるための革新、機会なのです」とリン氏は言います。

蓄電池は、これらのエンジニアが描くグリッド再構想の鍵です。既存の石炭・天然ガス火力発電所規模の巨大蓄電池を作るだけでなく、住宅や企業に設置されたより小さな蓄電池の力を活用することも提案しています。これらは通常、自家用太陽光発電や非常用電源として使われています。

「これらの小さな蓄電池と太陽光を備えた住宅や企業を集約し、仮想発電所（VPP）を構築できます」とリン氏は述べます。

仮想発電所（VPP）アーキテクチャは、分散型エネルギーリソースに依存します。蓄電池は一例ですが、風力・太陽光も頻繁に利用されます。これらのリソースのネットワークが連携し、より高い柔軟性と可用性で電力を供給します。

テスラの仮想発電所では、デジタルツインモデルがシステム内の様々なモノのインターネット（IoT）資産、それらの現在の状態と関係性を表現します。デジタルツインモデリングソフトウェアは、2つの主要なオープンソースプロジェクト、KubernetesとAkkaに依存しています。

「AkkaとKubernetesの組み合わせは実に素晴らしい」とブレック氏は語ります。「Kubernetesは粗粒度の障害対応とスケーリングを担当します。ポッドのスケールアップ/ダウン、生存確認プローブの実行、指数バックオフでの失敗ポッド再起動などです。一方、Akkaでは細粒度の障害、例えばサーキットブレーカーや個別リクエストのリトライ、個々のエンティティの状態モデリング（バッテリーが充電中か放電中かなど）を扱います。」

Akkaでデジタルツインをモデリングする際、各モデリングサイトはアクターで表現されます。TechRepublicが説明するように、「プログラマーはアクター内で個別サイトのモデリングのみを気にすればよく、Akkaランタイムがこれを数千〜数百万サイトへスケーリングします。スレッド、ロック、並行性バグの心配を取り除く、IoTに特に強力な抽象化です。」

デジタルツインモデルを通じて、エンジニアは完全な全体像がなくても、システム内の極めて複雑な関係性と状態をニアリアルタイムで表現し、対話できます。

「分散IoTシステムには不確実性が内在するため、データモデル、ビジネスロジック、さらには顧客体験においても、それから逃れようとせず、受け入れる必要があります」とブレック氏は言います。「物理・仮想のIoTデバイス間の関係性、特にそれが時間とともにどう変化するかを表現することは、IoTで最も難しい問題ですが、優れた製品を作る上で不可欠です。」

ローカルとグローバルな目的の共同最適化も課題でした。個人が所有する小さな蓄電池は、所有者が予期せず必要になる場合に備えて自己を枯渇させるべきではありませんが、グリッドのリアルタイム需給バランスは常に満たさなければなりません。

「分散最適化が可能なのは、テスラが自社でハードウェアを作り、ファームウェアとソフトウェアを完全に制御しているからです」とリン氏は説明します。「これにより、ローカルと中央の知能、それらの相互関係を迅速にイテレーションでき、この協業は社内横断的であり、社間ではありません。」ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアの垂直統合が、より強靭なソリューションの枠組みを作り、分散アルゴリズムによってデバイスが不可避な通信障害時にも合理的に振る舞えるようにしました。

テスラの仮想発電所は、今日のオートメーション業界で最もホットなトピックの一つである、情報技術（IT）と運用技術（OT）の融合（IT/OTコンバージェンス）の好例です。分散コンピューティングと産業用モノのインターネット（IIoT）が、テスラのグリッドレジリエンス確保と、再生可能エネルギーへの移行で直面するエンジニアリング課題の解決を支えました。

テスラのエネルギープラットフォーム開発、世界最大の蓄電池を用いたエネルギー市場へのアルゴリズム参加、テスラ初の仮想発電所構築における実世界の課題についてさらに深く知りたい方は、ブレック氏とリン氏のプレゼンテーション全文をお読みください。