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 - 後編（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。本シリーズのパート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した。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。

環境性能評価システム（LEED）およびゼロエネルギービル（ZEB）の認証は、二酸化炭素排出量の削減と持続可能性の向上という社会の願いを支える重要な取り組みです。LEEDやZEBの認証取得には、化石燃料ベースのエネルギーシステムを太陽光発電（PV）や電気自動車（EV）のようなグリーンな代替エネルギーに置き換える電化と、高度な自動化および制御システムを組み合わせた総合的なアプローチが必要です。

米国グリーンビルディング協会（USGBC）のLEEDプログラムには、既存建物と新築建物の脱炭素化が含まれています。ZEBの取り組みは、米国エネルギー省のエネルギー効率・再生可能エネルギー局（EERE）によって調整されています。LEEDやZEB認証の取得は、建築家や建設業者に建物の設計、建設、運営方法に対する新たなアプローチを要求します。エネルギー消費のみに焦点を当てたZEBに比べ、LEEDは炭素、エネルギー、水、廃棄物、輸送、材料、健康、室内環境の質を扱う、より広範な概念です。

電化と持続可能性に関する2回シリーズの2回目は、まずLEEDとZEBの認証レベル、そしてZEBのいくつかの定義の比較を含め、商業ビルや産業ビルでこれらの認証を取得するために必要なことについて見ていきます。続いて、 Phoenix Contact がオートメーションとオンサイト太陽光発電を利用して、敷地内の70,000平方フィートの増築部分でLEEDシルバーおよびZEB認証を取得した事例を、自社製品がプロジェクトの成功にどのように貢献したかを含めて詳しく紹介します（図1）。最後に、LEEDの建築物が国連の持続可能な開発目標にどのように貢献できるかを紹介します。

図1：屋上太陽光発電は、Phoenix Contactの施設がLEEDシルバーとZEB認証を取得できた主な要因です。（画像提供：Phoenix Contact）

LEEDの全体論

LEEDは、高性能な建物を作るために必要なすべての要素を考慮した包括的なシステムです。LEED認証は、詳細な性能基準を用いてプロジェクトに与えられるクレジットまたはポイントに基づいてます。パフォーマンスカテゴリとその相対的重要度（最も重要なものから最も重要でないものまで）は以下の通りです¹。

• 地球規模の気候変動への影響を軽減する。
• 個々の人間の健康を増進する。
• 水資源の保護と回復。
• 生物多様性と生態系サービスを保護および強化する。
• 持続可能で再生可能な物質循環を促進する。
• 地域社会の生活の質を高める。

最も重要な基準である「地球規模の気候変動の原因の削減」は、全ポイントの35%を占めています。LEED認証のレベルには、認証（40～49ポイント）、シルバー（50～59ポイント）、ゴールド（60～79ポイント）、プラチナ（80ポイント以上）があります。

LEEDの最新版であるv4.1では、ほとんどのポイントが運用時二酸化炭素と内包二酸化炭素に関連しています。運用時二酸化炭素とは、暖房、換気、空調（HVAC）、照明、その他エネルギーを消費する建物システムから発生する二酸化炭素（CO₂）排出量のことです。内包二酸化炭素とは、建築物のライフサイクル全体を通じて、建築資材の生産と建築工事工程に関連する排出量のことです。

LEED認証は、より環境に優しい社会を作るために重要です。世界のCO₂ 排出量の39%を建築物が占めており、その28%が建築物の運用によるもの、11%が具体化された排出によるものです（図2）。建築物部門は世界のCO₂ 排出量の最も大きな原因となっているため、ゼロエネルギービルの開発を奨励する特別プログラムも開発されています。

図2：建築作業、資材、建設は、世界のCO₂ 発生の大きな原因になっています。（画像提供：new buildings institute）

ゼロの定義

ゼロエネルギーは単純な概念のように思えますが、いくつかの定義があります。最も引用されているのは、LEEDゼロエネルギープログラム、ILFI（International Living Future Institute）のゼロエネルギー、ゼロコード（Zero Code Renewable Energy Procurement Framework）の3つです。「ゼロ」の定義には大きな違いがあります。

LEEDゼロエネルギー認証を取得するためには、建物は、自家発電と外部調達エネルギーを含めて、12か月間のエネルギー収支がゼロでなければなりません。敷地内での化石燃料の燃焼は禁止されていません。総エネルギー消費量は、敷地内または外部で生成された再生可能エネルギー、またはカーボンオフセットで構成されなければなりません。

ILFIゼロエネルギー認証は最も厳しい基準です。建物のエネルギー需要の100%をオンサイトの再生可能エネルギーで賄うことを要求しています。燃焼は許されず、認証に関してはモデルは許可されず、実際のパフォーマンスに基づいて行われます。

ゼロコードは、特に商業施設や中高層住宅の新築を対象としています。ゼロカーボンビルディングとは、敷地内で化石燃料を使用せず、建物の運用に必要なエネルギーを賄うだけの炭素を含まない再生可能エネルギーまたは炭素クレジットを敷地内で生産または調達する建物と定義されています。ゼロコードはまた、建物が建築効率に関するASHRAE基準90.1-2019を満たすことを要求しています。ゼロコードでは、他のエネルギー効率基準が同等以上のエネルギー効率をもたらす場合、その基準で代用することを認めています。

事例によるLEED

Phoenix Contactは、このほど同社の米国の敷地内にある物流センターの屋根に961（kW）の太陽光発電システムを設置しました。このシステムは、施設のエネルギー需要の約30%、つまり年間約160世帯分のエネルギー消費に相当する電力を発電します。このビルはLEEDシルバーとゼロエネルギー認証を取得しています。

敷地内の天然ガス焚き1MWマイクロタービンコージェネレーションシステムは、太陽光発電システムと統合されました。中央エネルギー制御システムは、太陽光発電所の出力と建物のエネルギー消費量をリアルタイムで監視します。マイクロタービン発電機は、エネルギー需要全体がPVシステムの出力を上回る場合に使用されます。太陽光発電システムとマイクロタービンを併用して、ネットメータリングによって送電網に電力を供給し、会社に収入をもたらすこともあります。

このシステムは、日中の天然ガス消費を抑え、夜間にマイクロタービン発電機を稼働させることで、全体のエネルギー効率を最大化し、全体のCO₂ 発生量を最小化するように設計されています。日によっては、天然ガスの消費量をほぼゼロにすることも可能です。PVシステムの統計には以下のようなものがあります。

• 2,185枚のソーラーパネル
• 年間発電量1,214,235kWh
• 1,939,279ポンドのCO₂ 排出量削減

最大限の発電効率と可用性を実現するためには、このような大規模な設備において、個々のPVシステムセグメントを継続的に監視および制御する必要があります。

自動化における実用的な情報の必要性

PV設備のような電化システムの効果的な自動化と制御には、広範で実用的な情報が必要です。PVパネルの各ストリングをリアルタイムで監視することで、生産量を最大化し、予防保全をサポートします。ストリングが突然ダウンすれば、何千kWもの電力が失われ、それに伴う金銭的損失が発生する可能性があります。

Phoenix Contactの米国敷地内に設置された961kWのPVシステムには、12台のインバータと、各インバーターに給電する6ストリングのPVパネルが含まれており、パネルマウント 2908286ような第2世代の Emproエネルギーメータ を始めとする同社の製品がいくつか組み込まれています。これらのメータは、主要なエネルギーパラメータを測定し、クラウドベースのプラットフォームに送信するように設計されており、すべてのシステム要素の遠隔監視をサポートしています。EMproエネルギーメータは、単相、二相、三相の設置や構成など、さまざまな電力システム設計に対応しています。このシステムは、以下のような数多くのシステム要素や運転状況をリアルタイムで監視します。

• インバータは、直流入力電力、交流出力電力、有効電力、無効電力、故障、運転状態について個別に監視されます。
• 各PVストリングでは、電流と電圧の出力を監視します。そのデータによって、ストリングの動作状態やメンテナンスの必要性を判断します。
• パネルの温度は、設備全体に張り巡らされた多数のセンサで監視されています。
• 風速や風向き、気温、相対湿度、気圧などの気象条件が収集されます。
• 太陽放射照度は2台の日射計で測定され、1台はパネルの設置角度に合わせた10度の角度で、もう1台は水平に設置されます。
• 汚れセンサは、PVパネル表面のほこりや汚れによる光損失を測定します。
• カメラはシステムのセキュリティ監視を行います。

システムにはデータロガーとインターフェースも必要です。たとえば、同社のRadioline無線モジュール（モデル 2901541 など）は、RS-485プロトコルを使用してPVモジュールの温度センサや汚れセンサとケーブルなしで無線通信を行います。また、PoE（power over Ethernet）を使って電力とデータを同時に伝送する場合もあります。モデル 1153079ような FL mGuard 1000シリーズ セキュリティルータは、ファイアウォールセキュリティとユーザー管理を提供します。

これらすべてを統合するには、Phoenix ContactのPLCnextテクノロジーに基づくDINレールマウントモデル 1069208の ようなコントローラが必要です（図3）。モデル 2702783のような入出力（I/O）モジュールと組み合わせると、コントローラはセンサネットワークからのデータを集約し、クラウドサービスプロバイダに送信します。さらに、産業用PCでPhoenix Contactの Solarworx ソフトウェアが動作します。付属のソフトウェアツールとライブラリは、ソーラー産業が採用している通信プロトコルと標準をサポートしています。このシステムは、PVシステム運用のカスタマイズされた自動化と可視化を可能にし、パフォーマンス最適化のための履歴データとリアルタイムデータを分析できるサードパーティ製ソフトウェアパッケージと互換性があります。ライブラリには、プログラマブルコントローラのIEC 61131規格の要件を満たす機能ブロックが含まれています。

図3：大規模太陽光発電システムに適したDINレールマウントコントローラ。（画像提供：Phoenix Contact）

給電制御は、PVアレイのような分散型エネルギー資源（DER）を電力網と統合するための電化パズルの最後のピースです。Phoenix ContactのPGSコントローラ は、系統接続ポイントの電圧と無効電力レベルを監視し、インバータに必要な制御値を決定して、中高圧系統への電力の給電制御管理をサポートします。

LEEDと持続可能な開発

国連（UN）は、2030年までに世界の貧困をなくすことを目的とした17の持続可能な開発目標² （SDGs）を定めています。USGBCによると、LEED建築物に内在する電化と自動化は、以下のような17のSDGsのうち11のSDGsの達成に貢献できるといいます。

目標3：健康と福祉

目標6：清潔な水と衛生設備

目標7：安価でクリーンなエネルギー

目標8：持続的、包括的、持続可能な経済成長、完全かつ生産的な雇用、すべての人のためのディーセントワークの促進

目標9：強靭なインフラの構築、包括的で持続可能な産業化の推進、イノベーションの促進

目標10：国内および国家間の不平等の削減

目標11：持続可能な都市とコミュニティ

目標12：責任ある消費と生産

目標13：気候変動対策

目標15：陸上生態系の保護、回復、持続可能な利用の促進、森林の持続可能な管理、砂漠化との闘い、土地の劣化と生物多様性の損失の阻止と回復

目標17：実施手段の強化、持続可能な開発のためのグローバルパートナーシップの活性化

企業戦略は、より持続可能な社会にも貢献できます。たとえば、Phoenix Contactがアメリカ大陸の物流センターでLEEDシルバーとゼロエネルギー認証を取得したのは、世界中のすべての拠点でカーボンニュートラルを達成するという同社の当初の目標の一部でした。同社の次の目標は、2030年までに完全に気候変動に左右されない付加価値チェーンを構築することです。

まとめ

建築部門は、世界のCO₂ 発生の最も大きな原因となっています。LEEDとZEB認証は、より効率的で持続可能な建物を作るために電化と自動化を利用することの成功を測る重要なツールです。このように、オンサイトのコージェネレーション設備と統合された大規模な太陽光発電設備は、より環境に優しい社会に貢献することができます。LEED認証を受けた建物は、国連の17のSDGsと2030年までに世界の貧困をなくすという目標の達成も支援しています。

リファレンス：

1. LEED評価システム、グリーンビルディング協会
2. 持続可能な開発目標、国連