未来を形作るスマートグリッド

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送電網は、需要と供給をより適切に調整し、安定性と信頼性を向上させ、よりクリーンで持続可能なエネルギーへの移行をサポートするために進化しました。現在、スマートグリッドはリアルタイムの監視と自動化を活用して効率を改善し、エネルギーの流れをより良い方向に導いています。

従来の送電網と比べ、スマートグリッドにはいくつかの新しいコンポーネントが組み込まれています：

•    分散型エネルギー資源（DER）： 再生可能エネルギーの台頭により、グリッド運用者は地域レベルで発電と需要のバランスを取る方法を模索しています。発電または蓄電する小規模システムが解決策として浮上していますが、これらのシステムを効果的に管理するには、マイクログリッドを構築する必要があります。[1]

•    スマートメーターシステム（AMI）： リアルタイムの双方向通信により、電力の流れをより細かく制御できます。グリッド全体で電力利用を可視化することで、より正確な需要予測と、需要の変化に対応した配電の自動調整が可能になります。[2] 

•    ビークル・ツー・グリッド技術（V2G）： 電気自動車（EV）が送電網に与える影響は、大きな懸念事項となっています。V2G技術は、EVが未使用のエネルギーをバッテリからグリッドに供給することで、この影響を軽減するのに役立ちます。[3] ドライバーは、発電量が多く需要が少ない時間帯にのみ充電するようにしたり、使用直前に充電サイクルを開始するようにスケジュールを組むこともできます。

これらのイノベーションは始まりに過ぎません。人工知能や5G接続といった新たな技術は、スマートグリッドの能力と可能性をさらに拡大します。この記事では、現在エネルギー分野を形成しているトレンドとともに、そうした技術の一部とその影響を紹介します。

エネルギーのインターネット

スマートグリッドが進化を続ける中、事業者は、コネクテッドセンサーやスマートメーターといったモノのインターネット（IoT）技術の採用を増やしています。エネルギーのインターネット（IoE）として知られています。[4]   この相互接続されたデバイスのネットワークは、大規模な広帯域接続を必要とします。これは、グリッドの地理的な広がりと、センサから生成される圧倒的なデータ量のためです。

5G技術が高度なIoTや エッジユースケースを可能にしたように、5G技術はIoEを可能にする鍵となります。[5]   5G規格はIoTをサポートするためにゼロから設計され、混雑した都市環境でも遠隔地でも、卓越したスピード、信頼性、セキュリティを提供します。[6]5Gが可能にするコネクテッド・インフラストラクチャは、グリッド管理にとって大きな前進であり、ほぼリアルタイムの自動化をサポートします。[7] 

しかし、接続性はパズルの一部に過ぎません。スマートグリッドは、深い分析と迅速な対応を必要とする大量のデータを生成する極めて複雑なシステムです。[8] こうした目標を達成するため、事業者はAIを活用した新しい送電網の活用方法を模索しています。

スマートグリッドをよりスマートに

AIはスマートグリッドの運用に革命をもたらす計り知れない可能性を秘めています。SAP Insights社が発表した論文によると、この技術は再生可能エネルギー技術を統合し、送電網を安定させ、インフラの不安定性を軽減するための基本的なものであると述べています。[9]  AIの自己学習適応能力は、再生可能エネルギーをサポートし、需要の高いピーク時や低い時の発電バランスをとる上で特に価値があります。

スマートグリッドの運用にAIと機械学習を統合することで、他にも以下のようなメリットが期待できます：

•    より効率的なエネルギー生成、より正確な予測、予測分析によるより良い電力管理
•    データに基づいた迅速な意思決定
•    デバイス、エンドポイント、電気自動車のエネルギー使用と充電を最適化し、調整する
•    より迅速に、より高性能な停電警報と、グリッドの不均衡に対処するための自動切り替えの組み合わせ
•    積極的なインフラの維持・管理
•    すべてのグリッド運用の可視性と透明性の向上
•    インテリジェント脅威の検出と修復

AIを活用したスマートグリッドは、エネルギーコストの削減、持続可能性に関するガイダンス、料金の透明性の向上、停電の頻度の減少など、消費者にもさまざまなメリットをもたらします。AIや機械学習は、マイクログリッドなどの新技術をサポートすることもできます。

相互接続されたエネルギーアイランド：マイクログリッド

すべての家の屋根にソーラーパネルが並ぶ地域を思い浮かべてください（図1）。この地域は街の主要な送電網に接続されていますが、各家庭は日常生活に必要なエネルギーを発電することもできます。

図1：太陽光発電住宅が立ち並ぶ街区。(出典：slavun/stock.adobe.com）

この近隣の例はマイクログリッドで、複数の接続された負荷とDERで構成される自給自足の地域化されたグリッドです。[10] その他の例としては、病院、大学キャンパス、商業ビルなどがあります。マイクログリッドは独立して運営されることもあれば、電力会社によって管理されることもあります。

マイクログリッドは一般的に、3つの中核的な特徴によって定義されています：
•    ローカルで発電・配電が可能
•    中央送電網から切り離し、独立した運用が可能（アイランド化と呼ばれるプロセス） 
•    エネルギー価格と発電量を監視し、動的に調整できるマイクログリッドコントローラによって管理[11] 

マイクログリッドは、特に自然災害に見舞われやすい地域や遠隔地において、送電網の耐障害性を高めるためにますます重要になってきています。マイクログリッドは、再生可能エネルギーや従来型の発電機を含む様々なエネルギー源を統合することができ、効率的なエネルギー管理と配電を確保するためにスマート技術によって制御されています。

従来の配電網の最も大きな弱点のひとつは、冗長性がないことです。発電所が停止したり、送電網が高需要によって過負荷になったりすると、地域全体が停電になる可能性があります。マイクログリッドはこの問題を軽減できます。メイングリッドへのアクセスを失った地域は、電力が回復するまでマイクログリッドに切り替えるだけで良いからです。マイクログリッドはまた、持続可能なエネルギー発電への移行における重要なステップでもあり、メイングリッドのエネルギー負荷を軽減することができます。

持続可能な電力へのグローバルな取り組み

欧州連合（EU）が2050年までに気候変動に左右されない国になる計画を発表して以来、[12]   世界中の政府が独自の持続可能性に対して積極的に投資しています。詳細は異なりますが、ほぼすべてのイニシアチブの核心は、送電網の更新と再生可能エネルギーへの移行で構成されています：

•    タイは2037年までにエネルギーの3分の1を再生可能エネルギーで供給することを目指しており、電気自動車市場の急成長に直面しているため、送電網の大規模な近代化を必要としています。[13]   
•    スウェーデンは2040年までに、風力、バイオエネルギー、太陽エネルギー、体温を組み合わせて活用することで、化石燃料から完全に脱却することを目指しています。同国は予定より8年早く、2012年に50％のマイルストーンに到達しました。[14]  
•    コロンビア政府は、2030年までに約75％の家庭にスマートメーターを設置する計画をしています。[15]  
•    日本は2050年までにカーボンニュートラルを実現することを約束し、そのために1,550億ドルの脱炭素化基金を設立することを約束しました。[16]  

スマートグリッド技術は、太陽光発電、風力発電、水力発電などの持続可能なエネルギー源への移行に役立つと考えられています。スマートグリッドは、需要の変動を賢く調整するだけでなく、予知的・予防的なメンテナンスをサポートし、より優れたシステム管理と可視性を可能にします。おそらく最も重要な支援技術はエネルギー貯蔵でしょう。

需要と供給のギャップを埋める 

原子力発電と水力発電を除いて、持続可能なエネルギー解決策には大きな弱点があります：発電できるのは限られた時間内だけで、需要の多い時間帯に発電量を増やすことはできません。一方、天然ガス発電所は、より多くの資源を燃やすことでより多くの電力を生み出すことができますが、太陽をより明るく燃やしたり、風の強さを強めたりすることはできません。このように、持続可能なソリューションは、エネルギー貯蔵システムなしには拡張できません。

幸運なことに、いくつかの有望な解決策が目前に迫ってきており、最も注目すべきは固体電池の進化は、1キログラムあたり500ワット時までのセルレベルのエネルギー密度が約束されています。[17] スマートグリッドはまた、余剰エネルギーの貯蔵と放出のタイミングを動的に識別し、グリッドの柔軟性と信頼性を高めるという重要な役割を果たします。

よりスマートな輸送の推進

送電網の近代化への取り組みに加え、EVへの移行は排出量を大幅に削減する可能性を秘めています。クライメイト・ニュートラル（気候中立）を目指すほとんどの国は、今後数十年以内に内燃自動車を電気自動車に置き換えることを約束しています。V2G技術と並んで、スマートグリッドがこの移行に役立つ理由はいくつかあります。

まず、知的なスケジューリングによってEVの充電負荷を軽減することが可能になります。これは、発電量の多い時間帯や需要の少ない時間帯にのみ充電サイクルを開始することを意味します。また、ドライバーのニーズに応じて充電サイクルを調整することもできます。例えば、ドライバーが朝8時に家を出て出勤するような場合、グリッドへの影響を最小限に抑えつつ、車が時間通りに運転できるように、ゆっくりと充電サイクルをスケジュールすることができます。

スマートグリッドは、温室効果ガス排出のためにEVの排出削減量を追跡することも可能となっています。このイノベーションが消費者レベルに与える影響は小さいかもしれませんが、大規模な陸上輸送車両を運営する企業にとっては、大幅なコスト削減につながる可能性があります。

最後に、スマートグリッドは電気自動車とスマートシティをつなぐ架け橋として機能する可能性があります。当初は交通の監視や制御といったタスクのための通信や調整を促進する一方で、スマート電力インフラは最終的には完全な自律走行を可能にするのに役立てることができるでしょう。[18]

知的なサイバーセキュリティをサポート

送電網の相互接続が進み、デジタル技術への依存度が高まるにつれて、送電網は脅威の標的にもなっています。巧妙化するサイバー脅威に直面した場合、重要インフラの安全性と回復力を確保することが不可欠となります。

こうした脅威に対抗するため、事業者はグリッド全体のデータ伝送を保護するために暗号化技術を使用しています。セキュアな通信プロトコルも不可欠で、送電網の異なる部分間の通信が安全に行われるようにすることで、妨害や改ざんのリスクを最小限に抑えています。

また、悪条件下でも送電網の運用を維持し、迅速な復旧を可能にする回復力も必要です。主な技術としては、エネルギーフローのための冗長経路や、ネットワーク全体を停止させることなく故障箇所を分離して対処できる強力な制御システムなどがあります。

よりスマートな未来を実現

最初の送電網がオンライン化されてから、世界は大きく進歩しました。現代の送電網は、数年前には考えられなかったようなさまざまな要求や落とし穴に直面しています。幸いなことに、スマートグリッドはこうした課題に対応し、克服するために進化を遂げてきました。

5GやAIからEVやマイクログリッドに至るまで、私たちはゆっくりと、しかし確実に、電気を生産し、貯蔵し、そして使用する方法に革命を起こそうとしています。そして、私たちがこれまで見てきたものは、ほんの始まりに過ぎないということを示す兆候があります。

[1] https://www.next-kraftwerke.com/knowledge/derms