ビークル・ツー・グリッド技術：スマートグリッドを実現する

出典: VisualMarketplace/stock.adobe.com; AIで生成

自動車業界では、電気自動車（EV）への移行が進んでいます。環境面での欠点がないわけではないですが、EVは非効率的な炭化水素燃料の燃焼をなくすことで気候変動に直接対処し、自律走行に高度なセンサ技術を採用するのに適しています。EVの環境面でのメリットを最大限に生かすためには、再生可能エネルギーへのシフトも必要です。太陽光や風力といった再生可能エネルギーは断続的で、太陽は常に輝いているとは限らず、風も常に吹いているとは限りません。エンジニアたちは、断続的な再生可能エネルギーを集め、貯蔵し、エンドユーザーに安定的に供給するためのソリューションを開発しています。こうしたソリューションのひとつがスマートグリッドで、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネント、発電・配電・消費インフラ、そして通信技術で構成されるデジタル・ネットワークとなっています。

これらのスマートグリッド技術は、電力を過剰生産することなく、可能な限り需要に応じて電力を供給することを目指しています。世界の脱炭素化におけるその重要性から、世界のスマートグリッド市場は、2021年の430億ドルから2026年には1,030億ドル超へと、年平均成長率（CAGR）19％で拡大すると予想されています。[1]

しかし、炭化水素電力を供給するために構築された送電網から、再生可能エネルギーに対応できる送電網に移行する必要があるため、スマートグリッドの導入には技術的な格差が存在します。さらに、エネルギーの使用量を最大化しつつ、複合的なエネルギー需要の伸びを満たすには、EVとの双方向の電力の流れが必要となります。

図1は、超高エネルギー効率を可能にするビークル・ツー・グリッド（V2G）充電技術など、スマートグリッドの主要要素を示しています。

図1: EV充電用のV2Gコンポーネント。(出典：Petovarga/stock.adobe.com）

V2G技術により、EVは送電網と通信し、需要に応じて電力を送受信することができます。この柔軟性は、脱炭素化とエネルギー回復力に大きなメリットをもたらします。V2Gユニットは、電力を目的のアプリケーションに向ける電力インバータであり、双方向の電力フローを可能にする新しいスマートグリッド技術です。

この記事では、スマートグリッドを実現し、EVをモバイル電源およびシンクとして活用するV2G技術について解説します。

V2Gとは何か？

V2G技術（図2）は、EVとスマートパワーグリッドが効率的なエネルギーフローを実現するために提携する画期的な方法です。V2G技術は、必要性に応じて送電を制御するバルブの役割を果たし、電力を供給源に送ったり、供給源から送ったりすることができます。利用可能な電力レベルが高い機器から、充電が必要な機器に電力を流すことができます。V2G技術により、EVはポータブルなエネルギー貯蔵ステーションとして機能し、物理的に走行用の補助電力をもたらすことができます。

 図2：V2G技術は、EVがバッテリから送電網にエネルギーを再ルートすることを可能にし、送電網を安定させ、再生可能エネルギーの統合をサポートします。(出典:Naeblys/stock.adobe.com) 

スマートグリッドの安定性におけるV2Gの役割

既存の送電網は、発電所からエンドユーザーへの一方向のエネルギーの流れを想定して作られています。電力供給と需要負荷曲線のマッチングは困難であり、発電所の数が限られているため、事業者はこれまで、停電を避けるために余剰電力を発電してきました。さらに、エネルギー効率は現代の電力システムにとって不可欠であり、事業者と消費者はコスト削減と効率向上のためにエネルギー使用を最適化する必要に迫られています。

スマートグリッドとV2Gは、エネルギーの再利用を可能にします。高いエネルギー需要は、他のエネルギー源からエネルギーを取り込み、需要が低下したときに余剰分を送電網に送り返します。送電網の一部がダウンした場合、V2Gシステムはそれを感知し、送電網を安定させるために遠隔地の電力源（約10億台の世界の自動車）から電力を引き出すことができます。

スマートグリッド技術は主に、双方向の電力フローが可能な送電網、スマートメータ、診断結果を報告しセキュリティを保護するその他の家庭用機能で構成されています。また、双方向通信をサポートし、エネルギー利用を強化・自動化することで、負荷曲線により近づけることができます。

デマンドレスポンスサービス
スマートグリッド・エネルギー配電網の「スマート」とは、デジタル制御のことです。あるアプリケーションが電力を必要とすると、V2Gユニットが不要になるまでそこに電力を送ります。V2Gユニットは、スマートグリッド技術の頭脳として機能し、電力使用を最適化し、消費者のコストを最小限に抑えます。このデマンドレスポンスは、消費者にダイナミックなエネルギー価格設定を可能にし、非ピーク時の使用にインセンティブを与えます。エネルギー需要のピークカットは、送電網の安定に極めて重要な役割を果たします。

再生可能エネルギーの統合
V2G技術は、再生可能エネルギーをグリッドに統合し、利用率を最大化するために不可欠です。風力や太陽光は断続的なエネルギー源であり、電力変動につながる可能性があるのに対し、V2Gはより多くの電力が必要なときに自動車にエネルギーを蓄えることができます。エネルギーが不足すると、自動車は蓄電したエネルギーを送電網に戻すことができます。エネルギー供給者、利用者、公共機関が協力することで、V2G技術と再生可能エネルギーの統合は、より持続可能で回復力のあるエネルギーシステムの開発に効果的に貢献することができます。

V2Gピーク需要管理のためのインテリジェント充電アルゴリズム

送電網とEVの間の電気の流れを可能にするには、AC送電網の電力を車載バッテリの電力に変換し、DCをACに変換できる双方向インバータから始まります。この双方向送電により、エネルギーの貯蔵と供給を管理し、再生可能エネルギーを取り入れる新たな機会を生み出すことができます。例えば、送電網は再生可能エネルギーによる余剰エネルギーを日中に貯蔵し、夜間や停電時でも必要なときに送電することができます。

V2Gシステムは、EVがバッテリを充電または放電するタイミングと量を決定するスマートな充電アルゴリズムに頼っています。これらのアルゴリズムは、システムの状態、エネルギー価格の変動、再生可能エネルギーの状態と平均レート、EVバッテリの電圧と充電レートなどの要因を考慮しています。

これらの要素を適切に考慮することで、システム設計者は、EVの充放電スケジュールを満たす送電スケジュールを設定することができます。これにより、電力供給の需要を緩和し、停電を防ぎ、オフピーク時のEV所有者のバッテリ充電コストを下げることができます。

スマート充電プロトコルを採用することで、再生可能エネルギーの統合を支援しながら、電力需要のバランスをとることで、V2Gモデルの有効性と影響力を高めることができます。

EV所有者のコスト削減

消費者機器間で発電された電力を「リサイクル」することで、エネルギー需要のピークを抑えることができ、エネルギー会社はより一貫した需要プロファイルによってコストを予測しやすくなります。このピークカットにより、消費者はEV1台あたり年間最大870ドルを節約できます。[2]

インテリジェント充電は、EVバッテリの充放電を制御して負担を少なくすることで、EVバッテリのライフサイクルを延ばすこともできます。これは、新しいバッテリの必要性を減らすことでEVユーザーに利益をもたらし、環境に優しい交通ネットワークの促進に貢献します。バッテリは、ピーク時の効率を維持するために約20％から80％の間で充電を維持する必要があり、V2Gは充電レベルをより適切に制御することを可能にします。さらに、インテリジェント充電は、余剰の風力発電や太陽光発電の電力を節約し、エネルギー供給の不規則性に対処することで送電網の回復力を高めます。

V2G技術とスマートグリッド

人工知能（AI）、機械学習（ML）、高度なセンサ、無線通信プロトコルは、V2G技術を進歩させ、よりスマートで効率的なグリッドシステムを実現するために不可欠です。

AIとMLの統合によるV2Gシステムの強化

エンジニアがV2Gを採用できる技術をどんどん開発するにつれて、AIとMLは自動化と需要予測モデリングを通じてスマートグリッドの性能をさらに向上させることができます。

グリッドは、AIが消費するための膨大なデータを提供します。AIとMLのアルゴリズムは、EVのバッテリの健康状態、送電網の状況、電力価格、EVの使用パターンを分析することができます。データの変更はAIソフトウェアに組み込まれ、次に予測が必要になったときに考慮されるため、エネルギー効率は継続的に改善さ れます。AIはまた、さらなる効率化のための電力管理で自動運転機能を強化することもできます。

この継続的な最適化により、送電網のバランスをさらに整え、電気料金を下げ、EVのコストで最も高い要素であるバッテリの寿命を延ばすことができます。さらに、AIとMLテクノロジーは、再生可能エネルギー生産の傾向を分析し、年間を通して動的に調整することができます。余剰エネルギー貯蔵能力を活用することで、これらの技術は再生可能エネルギーのグリッドへの統合を最適化し、より安定した信頼性の高いエネルギー供給を保証することができます。

V2G技術における無線通信プロトコル

V2G技術に欠かせないもうひとつの要素は、グリッド、EV、充電ステーションという3つの重要な要素間でのデータ交換を促進する無線通信です。AIやMLと同様に、データ管理は双方向の電力交換とシステム性能の管理を制御するのに役立ちます。

V2Gシステムは、無線通信プロトコルを使用して、車両ID、バッテリの充電状態、温度、EVの速度、計測された電力フロー、グリッド周波数などのデータを収集します。Wi-Fi®、専用狭域通信（DSRC）、セルラー・ビークルツーエブリシング（C-V2X）ネットワークなど、それぞれのプロトコルには、通信距離、速度、セキュリティに関する制限と利点があり、最高性能のスマートグリッドを実現するためには統合する必要があります。

Wi-Fi
Wi-Fiはローカルエリアネットワーク（LAN）に最も適しており、短い距離では信頼性が高いです。長距離では限界があり、ユーザー人口密度が高いと干渉の影響を受けやすいという欠点があります。Wi-Fiは、車載通信やEVの周辺環境とのインターフェイスに最適です。

DSRC
3つのプロトコルの中で最も待ち時間が短いDSRCは、車両とインフラ間の高セキュリティ、高速、直接通信に最適です。その低遅延は、安全性向上のために高い信号応答感度が求められる先進運転支援システム（ADAS）に最適です。DSRCは、衝突の回避や交通渋滞のナビゲーションのための車両間通信や車両からインフラへの通信など、1kmまでの中間距離のユースケースに適しています。

C-V2X ネットワーク
セルラーはカバーエリアが広いため、リモート機能や診断に最適です。高いデータスループットを提供するため、車両対歩行者通信に理想的なプロトコルです。DSRCよりも待ち時間が長いC-V2Xネットワークは、インフォテインメントや無線アップデートなど、最速の応答性を必要としないアプリケーションに適しています。

リアルタイムデータ管理のための先進センサ

自動運転車（AV）のために開発された多くのセンサ技術は、V2Gに適用できます。エンジニアは、バッテリ管理システム（BMS）を通じてバッテリの健全性を監視するセンサ、充電状態、無線プロトコルで通信される多くのパラメーターを採用しなければなりません。さらに、スマートパワー・メータセンサは、AVが電力を使用する方法とタイミングを指示するためのデータを制御アルゴリズムに供給します。この強化により、システムの性能と効率が最適化され、V2Gシステムにも恩恵をもたらす可能性があります。

V2Gの導入

V2Gの技術は開発されつつあるが、それを全国規模で普及させるのはまったく別の問題です。全国的なV2Gネットワークにはいくつかの課題が残されていますが、持続可能性の向上と送電網の回復力を実現する機会は、公共部門と民間部門の双方にとって魅力的です。

課題と機会

V2G技術は、バッテリの劣化やサプライチェーンへの影響から、市場や規制の障壁に至るまで、複雑な課題と機会を示しており、これらはすべて、その普及と潜在的な利益を形成する上で極めて重要です。

バッテリの劣化とサプライチェーンへの影響 
V2G技術によってバッテリに負担がかかり、ライフサイクルが短くなるかどうかを判断するための研究が進行中です。[3]  充電の繰り返しの回数を増やすと、サイクルの歪みと材質の劣化が進む可能性があります。EVバッテリの充放電サイクルは、適切に管理されないと容量と寿命が低下し、高価な部品が必要となる高い修理費につながる可能性があります。しかし、スマート充電アルゴリズムは、その影響を緩和し、バッテリの寿命を延ばすことができます。

スマート充電とAIは歪み損失を軽減することができますが、リチウムイオン電池の化学的性質は、いくつかの代替電池の化学的性質に比べて安定性が低いことが知られています。例えば、Rivian社や他のEVメーカーが使用しているリン酸鉄リチウムは、充電サイクルを繰り返してもリチウムイオンほど劣化しません。

技術、市場、規制の障壁
V2G技術を現在の送電網の枠組みに組み込むには、さまざまな困難が伴います。送電網は一方向のエネルギーの流れのための構造であるため、双方向の電力の流れの統合、再生可能エネルギーからのエネルギーの取り込み、通信と制御の改善など、技術的に複雑な問題があります。

こうした技術的な障壁に対処する一方で、市場は家庭や送電網レベルでのインフラ強化のための設備投資を行う必要があります。経済が不安定な時期には、指導者は長期的な利益よりも短期的なコスト削減を優先することが多く、V2Gシステムの普及を促進するための新たな規則や基準の必要性が高まります。

平準化エネルギー貯蔵コストは0.085ドル/kWhから0.243ドル/kWhの範囲であり、現在の正味現在価値（NPV）の推定値は-1,317ドルから+3,013ドルの間です。[4] バッテリの化学的改良により、化学的性質が成熟すれば、V2GのNPVは+7,000ドルに達する可能性があります。これらの数字は、V2Gの普及は大きな利益を生むが、その実現には投資が必要であることを強調しています。

V2G技術の導入には、送電網を相互接続するための規制、電力料金の緩和、公的機関や消費者の資本負担を軽減するための補助金も必要となります。例えば、比較的最近のISO 15118-20規格は、EVと充電ステーション間の双方向充電のためのV2G通信インターフェイスを定義しています。[5]

公共部門と民間部門の協力

V2Gの可能性を活用し、実証プロジェクトから大規模な導入に移行するためには、規制当局は、市場が必要とする行動を促進するために、支援的で性能に基づいた環境を作り出す必要があります。地域の電力会社と政府は、充電インフラの普及を可能にし、自動車と送電網への技術導入を支援しなければなりません。

V2Gが個人にもたらすメリットについて一般の人々を教育し、EVの利用を促進することも不可欠な課題です。消費者の認知度を高めることで、V2G技術の導入が進み、成功する可能性が高まります。そうすることで、エネルギー産業は、持続可能性の強化、再生可能エネルギーへのアクセスと導入の増加、電力回復力の支援に向けて大きな一歩を踏み出し、持続可能なエネルギーの未来の発展に貢献することができます。

まとめ 

V2G技術はエネルギー利用に革命をもたらしています。世界的に拡大するEVの普及を活用し、送電網を増強するために電力供給を行うことができます。風力や太陽光のような断続的な再生可能エネルギーを広く集め、貯蔵し、利用することで、消費者コストを削減しながらエネルギーの脱炭素化を進めることができます。

双方向電力技術を採用するためには、強化されたバッテリ化学、インフラ、部品の強化を開発するために、公共部門と民間部門の協力が必要となります。最後に、規制と標準化された環境整備が行われ、既存の市場関係者と新たな市場関係者の参入ルールが確立され、全国的な双方向のエネルギー環境が実現さ れようとしています。

[1] https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/smart-grid-market-208777577.html