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分散型エネルギー・グリッドへの移行に必要なのは「管理」、「変換」、「貯蔵」（サステナビリティ・シリーズ 第4回）
このシリーズでは、革新的なプラットフォームとソフトウェア・ソリューションを利用することで、クリーンテクノロジーの実現が可能になるということを明らかにします。また、エネルギーとサステナビリティの未来について他者と対話するのを促すことも目的の1つです。本稿はシリーズ第4回目の記事です。シリーズ第3回目の記事「産業分野のCO2排出量を左右するのは『モータの効率』」はこちらからご覧ください。
世界全体で見た場合、今後数十年間は人口が増加し続けるでしょう。恐らくは、各国／地域の発展が続き、経済は大きな成長を遂げるはずです。それに伴って、エネルギーに対する需要も増大することが予想されます。そうしたなか、気候に関する懸念を解消しつつ、拡大するエネルギー需要に対応するにはどうすればよいのでしょうか。そのためには、クリーンで再生可能なエネルギーの可用性を高めていくことが不可欠です。エネルギーを利用できるか否かは、世界の経済や、すべての人々の幸福、セキュリティに影響を及ぼします。一筋の太陽光も、ひと吹きの風も無駄にしないようにするには、エネルギーの効率的な「管理」、「変換」、「貯蔵」を実現する技術が不可欠です。これらを具現化することが、電力網を確実に管理し、経済の成長を支え、地球の健全性を確保する上では極めて重要です。
最先端の技術を活用した電力網は電動化（electrification）の基盤になります。管理、変換、貯蔵は、いずれも電力網の進化を支える基本的な要素です。管理、変換、貯蔵については、お金に例えると次のように表現することができます。まず、「管理」は現在と将来の残高を確認し、追跡し、予測するために必要なものです。また、旅行に出かける際には、電子外国為替取引所などでスイス・フランから日本円や米ドルなどに両替する作業が必要になるでしょう。これが「変換」です。「貯蔵」は、何らかの支払いが必要なときや、収入が減ったとき、資金が不足したときなどに備えて銀行に貯金することに相当します。つまり、お金の場合と同様に、エネルギーの管理／変換／貯蔵は、追跡の可能性、柔軟性、セキュリティを得るために必要になる概念です。
集中型の電力網
電力網が誕生したのは100年以上も前のことです1。その後、電力網はハブ＆スポークのモデルを基盤として進化／普及し続けてきました2。このパラダイムの中心には、一般的に化石燃料を使用する大規模な集中型の発電所が存在します。それを運用する少数のエンティティによって、電力の生成と制御が行われます。発電所で生成された電力は送電線を介し、長距離にわたって伝送されて配電網に到達します。このアーキテクチャにおいて、エネルギーは、発電所から変電所や送電線、最終的にはエンド・ユーザへと一方向に流れます。このモデルはある程度のスケール・メリットを提供します。その一方で、いくつもの課題も存在します。例えば、効率が低い、供給の途絶という面で脆弱である、再生可能エネルギー源を統合する能力が限られているといったことです。
分散型の電力網
現在は、化石燃料を使用する発電所を中心とした集中型の電力網から、再生可能エネルギーを活用する分散型の電力網への移行が進んでいる状況にあります3。後者の特徴は、広範囲に分散配備された小さな発電機から配電網に対して電力を供給する点にあります。この構造は、深く相互に接続されたネットワークだと表現できます。このような分散化によって電力の流れは二方向（双方向）になります。また、最終顧客がプロシューマ＊となり、余剰のエネルギーを販売して電力網に供給する立場に変化することもあります。つまり、エネルギーの市場にも進化が求められます。それが正しく行われれば、分散化によってエネルギーのレジリエンスが高まると共に4、送電に伴う損失が低減されます5。そのためには、インフラへの投資と、小型発電機の間の調整作業が必要になります。
再生可能エネルギーに対応する分散型の電力網をより広く普及させる上では、電気エネルギーの効率的な管理／変換／貯蔵が更に重要になります。これらは、電力網の適切な運用に必要です。それだけでなく、社会のサステナブルな電動化を実現するためにも不可欠な要素になります。
管理
電力網の設備、電動化用のインフラ、エネルギーの流れを、正確に計測／監視／管理する必要があります。
変換
エネルギーの生成、貯蔵、分配、利用を通し、効率的なAC/DC変換と電圧変換を行わなければなりません。
貯蔵
分散型の蓄電システムを導入し、確実かつ安全にエネルギーを貯蔵／輸送／供給できるようにする必要があります。それにより、いつでもどこでも電力を利用することが可能になります。
管理
「電力網のインテリジェンス、レジリエンス、セキュリティを強化するためには、エネルギーの管理が必要です。」
Dermot O'Keeffe
アナログ・デバイセズ スマート・グリッド・ソリューション担当プロダクト・ライン・ディレクタ
電力リソースの最適な分配と利用を実現するには、電力を効果的に管理しなければなりません。スマート・グリッド技術を採用すれば、電力会社は電力の流れをリアルタイムに監視／制御することができます。その結果、無駄な消費電力6を削減したり、停電7の発生を抑えたりすることが可能になります。また、産業プロセス、商業活動、日常生活に向けて、より高い信頼性で電力を提供できるようになります。リアルタイムのデータと、そのデータから導出される実用可能なインサイトは、新たなシステムやサービスを開発し、エネルギーの市場を育む上で非常に重要な役割を果たします。多様なエネルギー源、需要のパターン、新技術の統合によって複雑さが増す状況下では、効果的な管理が不可欠です。電力網を適切に管理できれば、配電を最適化し、送電に伴う損失を最小限に抑え、コスト効率良くエンド・ユーザに電力を届けられるようになります。
変換
「エネルギーは、発電、送電、蓄電を経て、電気自動車のドライブ・モータをはじめとする目的地に到達するまで電力網を流れていきます。目的地に到達するまでには、AC/DC変換、DC/AC変換、DC/DC変換という複数種の変換処理が行われます。」
Vitaly Goltsberg
アナログ・デバイセズ エネルギー変換ソリューション担当プロダクト・ライン・ディレクタ
太陽光パネルや風力タービンといった再生可能エネルギー源は、DC電力を生成します。したがって、再生可能エネルギー源を電力網に効率的に統合するには、DCからACへの変換（とDCへの再変換）やDC電圧間の変換を行うための効率的なシステムが不可欠となります。そうした変換システムの代表的な例がインバータです。その稼働数が増加すれば、電力網の状態に応じてよりインテリジェントに動作する、よりスマートなコントローラを導入する機会が生まれます。
エネルギーに関する目標は国ごとに大きく異なります。米国を例にとると、2030年までに電力の80%を、再生可能エネルギーで賄うという目標が掲げられています8。それらのエネルギーは、太陽光や風力などを基に、非同期またはインバータ・ベースのシステムによって生成されることになるでしょう。ただ、インバータ・ベースのリソースをシームレスに統合したハイブリッド型の電力システムの運用方法は確立されていません9。アナログ・デバイセズで車両電動化／エネルギー担当マーケティング・ディレクタを務めるDavid Ryanは、「私たちの目の前に、不透明感を伴う問題が立ちはだかっていることを感じています。それでも、技術的な専門知識と経験に基づいて課題を解決し、実用的なソリューションを開発しなければなりません」と述べています。
貯蔵
「再生可能エネルギーを活用する分散型のエネルギー・グリッドに移行するには、ストレージの飛躍的な進化が不可欠です。」
Connor Power
アナログ・デバイセズ エネルギー・ストレージ・ソリューション担当プロダクト・ライン・ディレクタ
電動化された未来を実現するには何が必要なのでしょうか。その基盤を成す要素の1つがエネルギー用のストレージです。バッテリをはじめとする蓄電技術を利用すれば、需要が少ない期間の余剰電力を貯蔵しておき、需要が高い期間に放出することが可能になります。
蓄電システム（ESS：Energy Storage System）を利用すれば、電力網に過負荷が生じて破綻するというリスクを回避できます。それだけでなく、莫大なコストを削減できる可能性がもたらされます。更に、ESSのバッテリを活用すれば、需要の急激な変化にシンプルかつ的確に対応することが可能になります。バッテリは電気の貯蔵庫です。つまり、燃料用のタンクや、石炭用の貯炭場に相当します。分散化された生産者は、余剰のエネルギーを貯蔵し、それを電力網向けのものとして販売することができます。つまり、エネルギーの取引に関する新たなビジネス・モデルが生み出されることになります。
ESSの要になるものが、バッテリ管理（バッテリ・マネージメント）システム（BMS：Battery Management System）です。バッテリの再利用とリサイクルを実現するためにはBMSが不可欠です。BMSを活用すれば、バッテリの充電状態とライフ・サイクル全体を把握し、バッテリの健全性を維持し、寿命を最大限に延ばすことが可能になります。BMSは個々のバッテリ・セルを監視し、電圧や電流に関する値を正確に測定します。それらの情報は、より大きな容量、より高いエネルギー効率、より長い寿命を備えるシステムの実現に役立ちます。
エネルギーの管理／変換／貯蔵を担う先進的なソリューション
米国立再生可能エネルギー研究所（NREL：National Renewable Energy Laboratory）は、「現時点で商用利用されている技術を用い、再生可能エネルギーを基にして得られる発電能力を、より柔軟な電気システムと組み合わせれば、2050年に米国で必要とされる発電量の80%を十分に賄える（現時点の割合は20%）」との見解を示しています10。ただ、2050年の時点では、電子（電気）を管理／変換／貯蔵する際の精度と信頼性を更に高めるための高度な手法が必要になります。具体的には、以下に挙げるような技術が求められます。
監視：電力の使用パターンと電力網のパフォーマンスに関するインサイトを得るためには監視機能が不可欠です。電力会社は、電力の消費量（と発電量）を連続的に監視します。それにより、需要がピークに達する期間を特定し、効率の低下を検出し、データに基づいて判断を行うことが可能になります。得られた結果は、電力網の運用を最適化し、停電の発生を抑えるために活用されます11。
スマート・メータ：スマート・メータを使用すれば、個々の消費者のレベルでリアルタイムのデータを取得することができます。それにより、エネルギーの消費量に基づいて意思決定を行えるようになります。このことは、監視の概念が全く新たなレベルまで引き上げられるということを意味します。また、スマート・メータを活用すれば、変動価格制のモデルを導入することが可能になります。そうすれば、消費者に対し、料金の低いオフピークの時間帯に電力を使用するよう促すことができます。また、電力網に対する流入／流出電力を正確に監視することで、正確な料金が請求されることが保証されます12。その結果、新しい市場が育まれます。それだけでなく、再生可能エネルギー源の円滑な統合も可能になります13。そうした市場において重要なのは、エネルギーの流れについて、リアルタイムの透明性、正確な計測、追跡性を確保することです。適切に測定できないものを取引の対象にすることはできないからです。
デマンド・サイド・マネージメント：時間帯別料金制、スマート・アプライアンス、電気自動車の充電、エネルギー効率に関するその他の技術などを活用して管理を行うことで、消費電力の削減が促進されます14。
スマート・グリッド技術：スマート・グリッドは、高度なセンシング・システム、通信システム、制御システムを統合することで実現されます。それらにより、電力網のリアルタイムの性能が監視されます。その結果、効率的な負荷分散、デマンド・レスポンスのプログラムの実行、障害の検出を行えるようになります。また、無駄に消費されるエネルギーを最小限に抑えつつ、電力網の信頼性を高めることができます。
相互接続、通信：分散型の電力網では、様々なコンポーネントを相互に接続し、それらの間で通信を実施できるようにする必要があります。それにより、分散型エネルギー源（DER：Distributed Energy Resource）、ストレージ・システム、デマンド・レスポンスのメカニズムの協調動作が可能になります。このことは、電力網のレジリエンス、コストの削減効果、エネルギー効率のそれぞれを高めることに役立ちます15～18。
マイクログリッド：マイクログリッドは、新たに生み出された分散型電力網のパラダイムを構成する要素です。局所的なクリーン・エネルギー・システムであるマイクログリッドは、特定の地域やコミュニティを対象として発電／蓄電／配電を行えるように設計されます。個々に独立して動作することもできますし、複数で連携してメインの電力網に電力を供給することも可能です。
必要なのは「提携」と「透明性」
クリーン・エネルギーの業界では、あらゆるレベルの提携が必要になります。それにより、非効率な部分を改善しつつ、データの収集を行う個所と頻度を増やすことが可能になります。まずは、電力網のインフラ全体（マクロ・ネットワークのレベルから、そのネットワークを構成するマイクロ・ノードまで）にわたる透明性を実現します。すなわち、供給、需要、予備の経路に沿ったエネルギーのリアルタイムの流れを把握できるようにする必要があります。
透明性はデータの取得を可能にし、データはインサイトを強化します。管理／変換／貯蔵のための技術を適切に組み合わせることにより、電力網の様々なノードに関する情報のエコシステムを構築しなければなりません。エネルギーの未来に向けては、それが非常に重要な意味を持つのです。
移行の加速
多くの送電／配電システムは、数十年前に設計されたものです。今日の分散化された再生可能エネルギー源をそれらに統合するのは容易なことではありません。柔軟なエネルギー分配を実現し、再生可能エネルギーを最適化し、脱炭素化を促進するにはどうすればよいでしょうか。そのためには、電力網をスマート・グリッド技術によってアップグレードし、より先進的なものへと変えていくことが不可欠です。スマート・グリッド技術は、運用効率の向上、顧客向けサービスの改善、障害の迅速かつ正確な検出にも役立ちます19。また、インテリジェントなエッジも重要な要素です。それらは自律的に動作し、自己最適化が可能なものでなければなりません。加えて、リアルタイムの意思決定を行えるものであることも必要です。更に、効率を最大化し、電力網の障害／停止の発生を抑え、あらゆる個所におけるエネルギーの流れについて透明性が得られるように設計する必要があります。
管理／変換／貯蔵のための技術は、エネルギー効率を高める役割を果たします。また、エネルギーの利用を最適化し、再生可能エネルギー源のシームレスな統合の実現に貢献します。更には、分散型の電力網の安定性と信頼性を全体的に高めることにも役立ちます。そうした先進的な技術を導入することで、持続可能なエネルギーの未来を実現することができます。言い換えれば、エネルギーの面で、安全かつクリーンで健全な世界への移行を加速することが可能になります。
参考資料
*プロシューマ：画期的なレベルの技術の進歩とユーザの参加意識の高まりを受けて、生産活動と消費活動の境界線はあいまいになっています。その結果、消費者は生産者でもあり消費者でもあるプロシューマに変化しつつあります。
1 James McBride、Anshu Siripurapu「How Does the U.S. Power Grid Work?（米国の電力網はどのように機能しているのか？）」米外交問題評議会（CFR：Council on Foreign Relations）、2022年7月
2 Ward Pincus「The Many Forms of Decentralization（様々な形態の分散化）」MAN Energy Solutions
3 Sara Stefanini「Replacing Centralised Power with Distributed Energy Systems Needs New Policies and Coordination（集中型の電力システムを分散型のエネルギー・システムに置き換えるには、新しい政策と調整が必要）」Energy Post、2022年1月
4 Arnaud de Giovann、Ben Warren「Can Decentralized Energy Get Good Enough, Fast Enough?（分散型のエネルギー・システムは十分に有効かつ高速になり得るのか？）」Ernst & Young、2022年11月
5 「The Potential for Decentralized Energy Systems in Wind Energy Policy（風力エネルギー政策における分散型エネルギー・システムの可能性）」Energy5、2023年9月
6 Marcin Frąckiewicz「The Role of Smart Grids in Energy Efficiency and Conservation（エネルギーの効率向上と節約に対するスマート・グリッドの役割）」TS2 Space、2023年4月
7 「Smart Meters Can Reduce Power Outages and Restoration Time（スマート・メータによる停電の回避と復旧時間の短縮）」アメリカ電機工業会（NEMA：National Electrical Manufacturers Association）
8 H. J. Mai「Energy Experts Share How the U.S. Can Reach Biden’s Renewable Energy Goals（どうすれば米国はバイデン大統領が掲げる再生可能エネルギーの目標を達成できるのか -- エネルギーの専門家の見解）」米国公共ラジオ放送（NPR：National Public Radio）、2023年2月
9 「Grid-Forming Inverter Controls（電力網を構成するインバータの制御）」米国立再生可能エネルギー研究所（NREL：The National Renewable Energy Laboratory）
10 「Renewable Electricity Futures Study（再生可能電力の未来に関する研究）」米国立再生可能エネルギー研究所（NREL：The National Renewable Energy Laboratory）
11 「Exploring the Benefits of Real-Time Energy Monitoring in Smart Grids（スマート・グリッドにおけるエネルギーのリアルタイム監視がもたらすメリット）」Energy5、2023年10月
12 Matthew E. Kahn、Bhaskar Krishnamachari「Smart Meters and Dynamic Pricing Can Help Consumers Use Electricity When It’s Less Costly, Saving Money and Easing Pollution（スマート・メータと変動価格制により、消費者は安価な時間帯の電力を使用してコストを抑え、環境汚染の緩和に貢献することが可能に）」南カリフォルニア大学（USC）ドーンサイフ、2022年10月
13 Janet Richardson「Why Smart Meters Are Important for the Net Zero Target Renewable Energy Hub（ネット・ゼロを目標とする再生可能エネルギー・ハブにとってスマート・メータが重要である理由）」The Renewable Energy Hub、2023年7月
14 「Demand-Side Management and How It Is Used in Electricity Markets（デマンド・サイド・マネージメントの概要、電力市場におけるその活用法）」NRG Energy、2023年6月
15 「Distributed Energy Resources（分散型のエネルギー資源）」米国エネルギー効率経済評議会（ACEEE：American Council for an Energy-Efficient Economy）
16 Chun Sing Lai、Giorgio Locatelli、Andrew Pimm、Xiaomei Wu、Loi Lei Lai「A review on long-term electrical power system modeling with energy storage（エネルギー貯蔵を用いた長期的な電力システム・モデリングに関する総説）」Journal of Cleaner Production、2020年9月
17 Pooja Shah「Grids under strain: How energy storage is the key to a reliable grid（過負荷がかかる電力網 -- 信頼性の高い電力網の要はエネルギー貯蔵）」Det Norske Veritas group (DNV)
18 「Demand Response（デマンド・レスポンス）」国際エネルギー機関（IEA：International Energy Agency）
19 「The Role of Telecommunications Infrastructure in Smart Grids（スマート・グリッドにおける通信インフラの役割）」Utilities One、2023年8月
