特集： 1882年1月、ロンドン市に電力を供給したホルボーン・バイアダクト発電所に始まり、最初の商業用石炭火力発電所が稼働を開始した時、世界は永遠に変わりました。それから142年が経ち、世界は大きく変わりました。
しかし、家庭や企業に電力を供給する電力網に関しては、それほど大きな変化はありません。確かに、あちこちで微調整が加えられ、新しい発電方法が導入されたことはありますが、全体的な設計は変わっていません。
現在の電力パラダイムは持続可能ではありません。わずか142年の間に、化石燃料を燃焼させた発電は世界の気候を変え、太陽光や風力といったクリーンで再生可能なエネルギー源による新たな電化の波を必要としています。この新たなエネルギーパラダイムには、新たな送電網が必要となり、それに伴い克服すべき多くの課題が伴います。
近い将来、少数の燃料を燃料とする巨大発電所によって供給される大規模な地域電力網は姿を消すだろう。その代わりに、風力発電所や太陽光発電所といった小規模な分散型発電所から電力を供給する相互接続されたマイクログリッドが誕生するだろうと、アメリカのサンディア国立研究所の電気技師、マイケル・ロップ博士は今週、 The Register紙に語った。
送電網の見直しは容易ではありません。送電網は、発電所から需要家へ交流電流を供給する単方向の送電線で設計されるのが一般的です。太陽光や風力といった再生可能エネルギー源は通常、直流電力を生成するため、それを交流電力に変換するインバーターが必要です。多数の小規模送電網に分散配置されたインバーターは、相互接続された小規模システム間で電力がさまざまな方向に流れるため、送電網がループ状態に陥りやすくなっています。
多数のマイクログリッドが互いにうまく連携し、意図しない閉ループの発生による不安定化を起こさないように維持することは、多くの新技術なしには困難、あるいは不可能となるでしょう。現状の米国の電力システムは、そのような分散化を想定して設計されていません。
そこで、ロップ氏とサンディア国立研究所およびその提携施設のエンジニアたちの出番です。彼らは理想的な自己修復型電力網の構築方法に取り組んでおり、これまで試みられた方法よりもはるかに信頼性の高い方法を発見したと考えています。この技術は、理論上、そして状況次第では、実際にはどこにでも導入可能です。
現代の自己修復グリッド：SFではないが、安くはない
自己修復グリッドが実現するために、自己複製するナノマシンで満たされた電線が将来実現するのを待つ必要はありません。それは新しい概念でもありません。
こうした電力変換システムの開発は、自己修復グリッドなど数多くの電気技術革新の開発を促進するために制定された2007年の米国エネルギー貯蔵競争力法の制定以来、米国政府の優先事項として明示されてきた。
米国の電力法規では、自己修復型電力網を「電力系統の障害を自動的に予測・対応し、顧客への電力網の性能とサービスを最適化する能力を持つもの」と定義しています。このような技術は、ノースカロライナ州シャーロットに拠点を置くデューク・エナジーなどの電力会社によって、複数の州で導入されています。
デューク大学のシステムは、既存の自己修復型グリッドの典型です。同社のウェブサイトによると、このシステムは「遠隔センサーと監視に加え、グリッド上の数千地点からリアルタイムの情報を提供する高度な通信システムを備えており、電力の信頼性を維持するためのリアルタイムの意思決定を行う」とのことです。
デューク氏によると、自己修復グリッド技術により、停電の影響を受ける顧客の数を減らし、問題箇所の特定に必要な時間を短縮し、電力の回復を早め、自然災害やその他の事象によるダウンタイムを削減することができるという。
- 米国の都市は2050年までに環境対策に苦労するだろう
- マイクロソフト、原子力発電データセンターの実現を目指してエネルギー業界の異端者を採用
- Google、ビットバーンの電力供給に地熱エネルギーを採用
- アイルランド、燃料電池で動くデータセンターを開発へ
もちろん、こうした進歩には独自の障害がないわけではありません。このような自己修復型のグリッド技術は高価であり、現在のグリッドと同様に集中化されているため、障害が発生するとシステム全体がオフラインになる可能性があります。
デューク大学のような自己修復型グリッドを実現するには、光ファイバーケーブル、監視機器、その他多くの高価なハードウェアからなるネットワークが必要です。従来の通信手段を用いてグリッドを監視することは、サイバー攻撃の危険性を伴い、システムの拡張性も問題となります。
「どんな状況でも、重大な問題が発生した場合、こうした通信手段が失われる可能性があります」とロップ氏はThe Register紙に語った。「そして場合によっては、こうした通信手段は高額になることもあります。」
これらの欠点を考慮すると、多くのクリーンエネルギープロジェクトがすでに遅れており、クリーンエネルギーの目標達成を阻害する恐れがあることを考えると、このような自己修復技術を大規模に導入して送電網を近代化することは正当化しにくいでしょう。
ロップ氏と彼の研究仲間は、このような自己修復設計によって提供される全体的な状況認識を必要とせずに、閉ループの形成を防ぐ方法を検討することで、この問題を解決したいと考えています。
「自分が今いる場所の情報しか見られないという状況で、ループを作らないようにする方法を模索している」とロップ氏は説明し、高価な通信機器のシステムへの依存を避けることが重要な目標だと強調した。
未来のグリッドはすでに準備ができている
ロップ氏とサンディア国立研究所を率いる研究チームは、ニューメキシコ州立大学の研究者らと協力し、ソフトウェアアルゴリズムのみを用いてマイクログリッド間の潜在的な障害を検知する方法を開発した。さらに、このシステムは新たなハードウェアを必要とせず、電力系統を様々な方法で再構成するグリッドスイッチのマイクロプロセッサ制御であるリレーとして容易に導入できる。
「このプロジェクトでは、既存のハードウェア上で新しいソフトウェアを実行することに重点を置いていました」とロップ氏は述べた。「私たちが取り組んでいることのほぼすべては、既存の商用ハードウェア上で展開可能です。」
サンディア国立研究所のマイケル・ロップ博士は、新たなハードウェアを必要とせずに将来の電力網を自己修復できるアルゴリズムの開発を主導しました... クリックして拡大します。
2022年と2023年に発表された2本の論文に記載されているように、ロップ氏と彼のチームは、リレーがブリッジを形成するマイクログリッドのより大きなシステムの残りの部分については一切知らずに、各リレースイッチで機能するシステムを解明しました。
リレーの両側の電圧の周波数を調べ、その測定値をアルゴリズムに通すことで、Ropp のソフトウェアは両側の相関係数を算出し、ループの形成を防ぐために 2 つのマイクログリッドを切断する必要があるかどうかを判断します。
各マイクログリッドリレーは、その判断に必要なコードを備えており、独立して動作して送電網の故障を防ぐことができます。サンディア国立研究所によると、これらのアルゴリズムは、病院などの重要な資源への電力供給を維持するために送電網の一部をいつ停止すべきかを判断するために使用でき、また、デューク大学などの企業が使用している既存の集中型システムと同様に、マイクログリッドの損傷を回避するために再編成することもできます。
このようなシステムに必要なハードウェアはほぼ整備されているため、これは遠い将来のプロジェクトではなく、5年以内に導入される可能性があると主張されています。
技術は整っており、準備は万端です
「電力システムで既に使用されている多くの既存機能を、新しい方法で活用することで、新たな事象を検知しようとしているのです」とロップ氏は語った。「ループ検出器は、特定の問題を解決するために私たち自身で考案したものですが、根本にあるのは、これが明日の電力システムに実用化できるということです。私たちは技術を確立し、これを活用する準備は万端です。」
もちろん、論文で示された予備的な結果が現実世界で実証されることを確認するには、テストが必要となる。「本当に機能するかどうかを確かめるために、徹底的にテストしたいと思っています」とロップ氏は説明した。「自信はありますが、まだ大規模なテストは行っていません。」
チームは既にサンディア国立研究所に試験施設を設置しており、米国各地の複数の電力会社と提携して、このコンセプトが様々な電力システム設計思想に適応できることを確認している。ロップ氏は、この技術が最初にどこに導入されるかは未定だが、実験室で検証されれば、最終的には複数の場所で試験される可能性があると示唆した。
従来の集中型電力パラダイムから分散型発電とマイクログリッドの世界に移行できるかどうかについては、ロップ氏はそれが可能だと確信しており、結局のところ、どれだけ手頃な価格で実現できるかが問題だと考えている。
「私たちがやろうとしているのは、大金をかけずに課題に対応できるソリューションを生み出すことです」と彼は宣言し、「[自己修復グリッドアルゴリズム]こそがまさにそれなのです。」®
