より効率的で持続可能な電力網を構築するための電化と自動化の活用 - 前編（全2回）

従来の送電網のエネルギー源を持続可能でグリーンなものに置き換えることを電化といいます。本記事（2部構成のうちのパート1）では、電化に関連するいくつかの課題について、その効率性と持続可能性のために自動化がどのように役立つかを紹介します。本シリーズのパート2では、環境性能評価システム（LEED）とゼロエネルギービルディング（ZEB）認証について、また、それらがどのように二酸化炭素排出量を削減し、持続可能性を向上させるかについて説明します。

電化とは、発電に石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料を使用するシステムを太陽光発電（PV）やその他のグリーンテクノロジーに置き換えることであり、内燃機関（ICE）自動車を電気自動車（EV）に置き換えることです。電化システム、そしてそれらを結びつけ、スマートグリッドやマイクログリッドをサポートするオートメーションの活用は、社会をより持続可能で環境に優しい未来へと導く重要な要素です。

現在の送電網は、大量のEVを充電するようには設計されていません。スマートグリッドとマイクログリッドは、ICE車からEVへの置き換えを広範にサポートするために必要な重要技術になると予想されます。カリフォルニア州では最近、州知事が2035年までにすべての新車と小型トラックの販売をゼロエミッション車（EV）にすることを義務づける行政命令を発令しました。スマートグリッドやマイクログリッドの開発者は、この種の義務に取り組むために、大変な数の国際基準を満たさなければなりません。たとえば、IEEEは、スマートグリッドに関連する100以上の規格を承認または開発中であり、その中には、米国国立標準技術研究所（NIST）の「スマートグリッドの相互運用性のためのフレームワークとロードマップ」に記載されている20以上のIEEE規格も含まれています。IEEEの規格に加え、マイクログリッドはIEC 62898マイクログリッドシリーズやその他の規格によって管理されています。

この記事は2部構成の第1部です。電化の実施、分散型エネルギー資源（DER）の統合、スマートグリッドとマイクログリッドの類似点と相違点、自動化がEVの普遍的な普及をサポートすることを含め、効率性と持続可能性をどのように向上させるか、などに関する課題を考察しています。本記事では、DERとは何か、DERがどのような位置づけにあるのかを掘り下げることから始まり、ユーティリティマイクログリッドの出現がマイクログリッドとスマートグリッドの区別をどのように曖昧にしているかを見て締めくくります。どのような導入であっても、DigiKeyは電化とDER統合をサポートする幅広い 産業用オートメーション製品 を提供いたします。後編の記事は、環境性能評価システム（LEED）とゼロエネルギービルディング（ZEB）認証を取得するために、グリーンビルディングで電化と自動化がどのように利用できるかを検証しています。

DERとは

北米電力信頼度評議会（NERC）の定義は、「分散型エネルギー資源（DER）とは、電気を生産する配電系統上の資源で、バルク電気系統の正式なNERC定義に含まれないもの」となっています。

北米における配電システムとは、変電所からエンドユーザーまでの34.5キロボルト（kV）以下の電線を指します。バルク電力システム（BPS）には、変電所に入ってくる線路が含まれ、多くの場合、長距離にわたって100kV以上の電圧を伝え、大規模なバルク発電設備と連系資源および変電所を接続しています（図1）。

図1：DERは配電系統（青）に存在し、その他の再生可能エネルギー資源は一括受電系統（緑）に存在します。（画像提供：NERC）

DERとは、風力タービンや太陽光発電設備のような発電装置、エネルギー貯蔵装置、ほとんどのバッテリエネルギー貯蔵システム（BESS）、電気自動車用バッテリ充電器（電気自動車用サービス装置（EVSE）とも呼ばれる）、マイクログリッドなど、バルクではないシステム資源を指します。DERは、配電系統に直接存在するだけでなく、需給計器の背後にも存在します。メータの裏側にあるDER電源には、太陽光発電アレイ、BESS、グリッド接続されたEV、データセンターなどに設置された大型ディーゼル発電機のようなスタンバイバックアップ電源が含まれます。マイクログリッドは特定のタイプのDERです。

スマートグリッド、マイクログリッドおよび電化

マイクログリッドはDERですが、すべてのDERがマイクログリッドというわけではありません。BPSの観点から、マイクログリッドとDERという用語は、発電または貯蔵リソースのタイプを指します。スマートグリッドという用語は、BPSが弾力的で効率的な運用を確保するために使用する通信および制御技術を指します。もうひとつの差別化要因は、マイクログリッドには発電、貯蔵リソースおよび負荷が含まれることです。スマートグリッドは、主に発電リソースで構成され、若干の貯蔵はありますが、負荷はありません。スマートグリッドは負荷と通信できますが、負荷はグリッドから切り離されています。

電化がマイクログリッド、BPS、スマートグリッドに与える影響はそれぞれ異なります。BPSでは、電化は既存の送電網に追加されるものであり、適切に管理されなければ、意図しないマイナスの運用結果をもたらす可能性があります。そこでスマートグリッド技術が登場します。

双方向通信と制御が、スマートグリッドの主たる差別化要因です。これらの制御システムには、送電網の安定性を監視するセンサや電力需要を監視する高度なメータが含まれます。また、電気の流れを管理するために、制御可能なさまざまな電力スイッチングデバイスや電力品質デバイスを使用しています。センサは、再生可能エネルギー（RE）の普及とBPSへの電化を促進し、送電網の安定性を確保するために不可欠です。さらに、センサおよび制御要素は、電力障害に対するより迅速で効果的な対応をサポートし、特に電力需要のピーク時や再生可能エネルギーの利用状況が変動する場合に、送電網のバランシングと安全確保を可能にします。スマートグリッド技術は、マイクログリッドと配電系統やBPSとの連携や統合もサポートします。

逆に、マイクログリッドは、RE電源、BESS、EVなどの電化技術に対応するように設計されています。マイクログリッドとスマートグリッドは、分散型エネルギー資源管理（DERM）システムを含む自動制御を必要とします。

DERMは必須

スマートグリッドとマイクログリッドでは、DERMとオートメーションの定義と実装が異なります。スマートグリッドには、広域に広がる多様な発電源と電力利用者が含まれ、グリッド管理のための集中制御センターがあります（図2）。グリッド管理は、BPSにおけるスマートグリッド制御の重要なコンセプトです。既存のBPSは、電化をサポートする必要性が生じる前に設計、建設されたものであり、ディスパッチャブル（出力制御可能）な化石燃料発電が、ますます予測不可能な（したがって制御可能性の低い）再生可能エネルギー電源に取って代わられるにつれて、信頼性の低い運転を経験する可能性があります。さらに、大量のEVの充電は、ほとんどが非ディスパッチャブルであり、電力会社が直接制御することはできません。電化やEV充電に使用される再生可能エネルギー電源が、従来の電力網要素に比べて予測し難いという事実を補うためには、スマートグリッド技術によって実現できる集中型の自動制御が必要です。

図2：スマートグリッドは、リアルタイムのグリッド管理のために自動コントローラとDERMに依存しています。（画像提供：ETAP）

スマートグリッドやマイクログリッドのコントローラは、接続されたリソースをリアルタイムで監視するために、さまざまなセンサからの情報を必要とします。EVとEVSEの出現により、コントローラは充電に伴う電力需要の管理にも使用されるようになりました。また、Vehicle-to-grid（V2G）通信を利用して、EVをグリッドやマイクログリッドに接続し、追加のエネルギー貯蔵容量を提供することもできます。

系統連系マイクログリッドのコントローラは、接続されたリソースの状態を監視するだけでなく、地域のユーティリティグリッドの状態も監視する必要があります。スイッチギアは、スマートグリッドやマイクログリッドに不可欠なコンポーネントであり、堅牢な運転を保証するためにミリ秒単位で応答する必要があります。スイッチギアのサイズは、小規模なマイクログリッド用の数キロワット（kW）から、大規模なマイクログリッドやユーティリティグリッド用の数メガワット（MW）までさまざまです。小型マイクログリッドでは、スイッチギアとコントローラを同じキャビネットに設置できるため、コスト削減と設置の迅速化が可能になります。スマートグリッドとマイクログリッドのDERMには、エネルギー生産とエネルギー消費のインテリジェントな計測が含まれ、クラウドベースの分析によってDERの経済的利益を最大化し、高レベルの回復力をサポートします。DERMの正確なアーキテクチャは、マイクログリッドの種類によって異なります。

マイクログリッドの種類

マイクログリッドは、その用途とアーキテクチャによって分類することができます。マイクログリッドのアーキテクチャには、リモート型、ネットワーク型、グリッド接続型の3種類があります。リモートマイクログリッドとは、離島や遠隔地での採掘や農業のような場所に設置されるものです。オフグリッドマイクログリッドとも呼ばれ、電力会社のBPSから物理的に分離されています。それらには、完全な自給自足が求められます。

ネットワーク化またはネスト化されたマイクログリッドは、複数の個別DERまたはマイクログリッドが共通の電力会社の配電系統に接続されたネットワークです。マイクログリッドは通常、集中監視システムによって制御され、マイクログリッドの運転ニーズと、より広いユーティリティグリッドのサポートとのバランスをとります。コントローラは多くの場合、マイクログリッドとDERに重要度のレベル分けを行い、最も重要な要素が確実に保護されるようにします。ネットワークマイクログリッドの用途には、コミュニティマイクログリッド、スマートシティ、そしてユーティリティマイクログリッドという新しいカテゴリがあります。

ネットワーク型マイクログリッドは、系統連系型マイクログリッドのサブカテゴリです。すべての系統連系マイクログリッドは、配電網に物理的に接続されており、配電網との接続が行われる共通結合点（PCC）にはスイッチングデバイスが設置されています。通常運転時、系統連系型マイクログリッドは配電網に接続されています。周波数と電圧の調整、有効電力と無効電力のサポート、容量不足を緩和する需要応答などのサービスをグリッドに提供することができます。

アイランド型運転では、マイクログリッドは電力会社の配電網に接続されていません。アイランド化は、配電網が寸断された場合や、メンテナンスなどの他の必要性から発生することがあります。アイランド型から系統連系型に移行する際、マイクログリッドは配電の周波数を感知し、再連系する前に動作を同期させる必要があります。

マイクログリッドの用途は、キャンパス、病院、医療センター、商業施設、コミュニティ、産業施設など数多くあります。最も新しいアプリケーションカテゴリは、ユーティリティマイクログリッドです（図3）。

図3：マイクログリッドは、その用途によって分類されることが多いです。（画像提供： Siemens）

境界線の曖昧さ

スマートグリッドとマイクログリッドの境界を曖昧にするユーティリティマイクログリッドが導入されています。その過程で、DERの定義が分散型エネルギー資源から専用エネルギー資源に変わります。電力会社のマイクログリッドは、異常気象や山火事、その他の不測の事態による停電を減らすために設計されています。既存の送電網アーキテクチャでは、極端な事態が発生した場合、安全のために送電網の大部分を遮断します。

予定外の大規模停電がもたらす重要かつ不幸な影響は、EVの使用を抑制することです。電力会社のマイクログリッドは、EV普及の鍵になると考えられています。たとえば、Southern California Edison（SCE）は、山火事の際に可能な限り広範囲に電力を利用できるようにするため、公共安全電源遮断マイクログリッドの開発を提案しています。他の電力会社は、この新しいグリッドアーキテクチャをコミュニティマイクログリッドと呼んでいます（図4）。

図4：ユーティリティマイクログリッドは、比較的広い地域に広がるさまざまな資産を含み、従来のマイクログリッドとスマートグリッドの境界を曖昧にします。（画像提供：Edison International）

ユーティリティマイクログリッドのアイランド化機能は、現在可能なレベルよりもきめ細かなレベルで電気の利用可能性を向上させる鍵となります。完全な住宅コミュニティから、学校や消防署、医療センター、避難所などの戦略的な場所を含む公共の場所まで、幅広い規模のマイクログリッドに導入されることが期待されています。EVSEの設置は、こうしたコミュニティマイクログリッドの設計において重要な位置を占めています。EVSEは、EVの充電だけでなく、バックアップ電源としてのEVの系統接続もサポートします。

まとめ

電化は、より持続可能な電力網を確保し、CO₂ 排出量の削減を推進するために必要です。PVエネルギーやEVのような多くの電化技術は、それらが取って代わろうとする従来の資源ほど予測は容易ではありません。つまり、電化はスマートグリッドやマイクログリッドにおける高度なセンサネットワークや自動制御システムでサポートされなければなりません。