スマートグリッド

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スマートグリッド (smart grid) とは、スマートメーター等の通信・制御機能を活用して停電防止や送電調整のほか多様な電力契約の実現や人件費削減等を可能にした電力網である。2013年時点では実用化に向け、小規模な電力網で実証実験が行われている。

概要[編集]

スマートグリッドは、通信・制御機能を付加した電力網である。アメリカ合衆国の電力事業者が考案した。

当初の概念では、「スマート」とは発電設備から末端の電力機器までを、デジタル・コンピュータ内蔵の高機能な電力制御装置同士をネットワークで結び合わせ、従来型の中央制御では達成できない自律分散的な制御方式を取り入れることで、電力網内での需給バランスの最適化調整と事故や過負荷などに対する抗堪性を高め、それらに要するコストを最小に抑えることを目的としている。

経緯[編集]

元々、米国の脆弱な送配電網を、新たに登場したコンピュータ技術によって低コストで安全に運用する手法を模索する過程で生まれた構想であり、電力供給者と需要者をデジタル通信線によって結ぶアイデアに、家庭電化製品のネットワーク化推進に失敗していた高機能家電への進出を狙うメーカーやデジタル通信用のデバイス・メーカー、さらにはITネットワークを主導している企業までが、家庭へデジタル回線を引き込む良い機会と捉えて大きな関心を寄せるようになった。また、欧米や日本で電気自動車太陽光発電などが推進され始めたのも、米国が官民を挙げて次世代の送配電網の必要性を論じるきっかけになった。

米国が新たな電力網に"Smart Grid"と名づけて新たな産業分野を作ると、同様の動きが他の先進各国でも生じた。欧州は米国同様の構想で、域内の電力網の再構築・向上を検討している。日本は自家発電や蓄電を推進する住宅・自動車・家電、石油、ガス業界が積極的な一方、現行の電力網で電力供給が安定して運営されていることもあり、電力業界では積極的な動きは少ないが、2011年に政府が5年間でスマートメーター4000万台の導入計画を発表している。

電力の送電網/配電網とその周辺の将来技術の予想や電力需要の量的・質的予想、技術開発と規格統一といった多くの課題があるが、電力網全体に新技術を盛り込んだデジタル式の通信および電力制御を行う装置を配置するだけでも、巨額投資が見込めるため、電力機器メーカーや設備工事業者だけでなく、自動車メーカーやデジタル通信装置に関わる多くの関連業界が新市場と捉え、特にこうした分野に技術的優位性を持つ日本や米国などでは官民一体で推進しており、周辺産業界とも協力してまずは国際的な標準化の確立を目指している。

消費者利益に結びつくかどうか未知数であるが、最小のコストで送電網を構築することに狙いがあるため構築コストの低減が大きな課題である[出典 1]

事業所や工場など、限られた範囲でエネルギー供給源から末端消費部分を通信網で管理する場合も定義に含まれ、サブカテゴリーとして「マイクログリッド」と呼称される。

目的[編集]

日本[編集]

  • 政府
    • 企業

スマートメーターの他、電力制御技術全般や超伝導ケーブル、NAS電池のような大規模蓄電池システムを売り込むビジネスチャンスとの見方が強い[出典 1]高温超伝導送電線[1]

米国[編集]

欧州[編集]

再生可能エネルギーの利用拡大。電気自動車のインフラ整備。

中国[編集]

スマートグリッド(智能電網)を利用した電力供給体制の整備(4兆(約50兆円)の投資を決定)[3]

アジア[編集]

脆弱な送電線網の安定性信頼性向上。

方法[編集]

計画段階のものが多いが、一部が実施段階である。

実施段階[編集]

スマートメーター[編集]

電気使用料の検針作業を通信機能を持った電気メーターが自動的に電力事業者へ遠隔報告する (AMR)。

PC画面上での料金確認。

細かな料金体系の実施(英国・フランス)。

電力使用量の常時監視により供給計画へ役立てる。

ハフィントン・ポストによると、テクニカルロス(機械などが老朽化によって故障し、漏電が発生など・・)、そしてノンテクニカルロス(機械の故障では無く、人為的な盗電や、配電回路の設置ミスなど)を発見する為、スマートメーターに加えて、移動可能かつ、取り付け、取り外し作業が省コスト(作業時間の短縮、高所作業車不要によるランニングコストの軽減など)である事を前提としたクラウドシステム+ワイヤレスシステム+スマートメーターのデータを活用したエネルギーロス感知システムがカナダAwesense社をはじめとする企業により開発され、アメリカ、カナダにて2010年より導入が始まっている。このシステムにより、故障個所や違法配線箇所などをピンポイントで発見できる様になり、早急な作業箇所の指定が可能になった。従来の感知システムに比べ1件当たりの感知コストが圧倒的に低い事により、システム全体の問題点を総点検し、ロスを最低限にしようとする動きが、特に盗電の多い地域で始まっている。このシステムを使用する事により、今までの仕組みでは回収できなかった支払われるべき料金、または改修すべき故障個所を早期に発見、問題解決に結びつける事が可能になり、早急な収益性の向上、結果的に電力料金の抑制につながる。様々な電力会社が、近い将来にこの仕組みを取り入れると予想されている。アメリカ国内のみで約160億ドル、そして世界全体で約2000億ドルと言われているロスを発見し、回収、または改修することで、経営状態の改善、また健全なインフラシステムの構築へ向けた電力会社の動きが始まっている。 [出典 2]


アムステルダム市では「アムステルダム・スマートシティー・プログラム」によって、2つのエリアの合計約1,200件の一般住宅にGPRS規格の無線通信機能を備えたスマートメーターを設置している[出典 3]

イタリアでは2000年から導入が始まり、既に約2,800万台が国内の住宅に設置されている。


英国・フランス・スペイン・ポルトガルで約1億台、中国で6,000万台以上の導入が予定されている。米国でも数千万台の導入が予定され、米国カリフォルニア州のPacific Gas and Electric社はすでに200万個を設置済みであり、約1,000万個の家電制御機能付きスマートメーターに取り替える予定である。

世界的に通信方法の標準化は完了しておらず、ZigBeeZ-Wave、G3-PLCといった異なる方式の採用が進んでいる。[出典 4][出典 5]

  • 供給者のメリット
    • 検針のための人件費や時間を削減できる。
  • 消費者のメリット
    • 多様な電力契約が選択でき、期間に応じて単価に大きな格差をつける場合には、大半の期間安い電気料金を享受できる。
    • 外出先からの家電制御が容易になる[出典 6]
  • 供給者のデメリット
  • 消費者のデメリット
    • 電力契約によってはではピーク時等の遠隔操作によるエアコン停止(米国PG&E社)や電力単価の極端な増大が発生し、必要なときに電力を十分利用できない、または高額な料金を支払って利用することになる。

構想段階[編集]

HEMS[編集]

HEMS(home energy management system、家庭内エネルギー管理システム)は、家庭内にあって家電機器の電力消費量を表示したり、遠隔的に運転を制御する[出典 5]

電力使用制限契約による遠隔制御
電力需要のピーク時に、電力機器の使用を一時的に減らす代わりに電力料金を下げる[出典 7]
分散発電による売電の効率化とトラブル回避
事業所発電や個人宅での余剰電力の買取時円滑に「逆方向」の電力を流し、また位相電圧を適正に維持するよう調整する。
電気自動車の充電・放電スケジューリング
EVPHV充電を、電力事業者の発電電力量に余剰がある時間帯に行えるようスケジュールを組む。また、電気自動車から電力需要のピーク時に放電させる[出典 1]
センサ・遠隔制御技術
一般住宅や事務所・工場等の需要家の電力消費を、スマートメーターに搭載したセンサネットワーク技術と遠隔制御技術を活用して監視し、負荷制御することで電力消費量の平準化と電圧周波数の安定化を図る。例えば真夏の昼間に電力需要がピークとなれば、家庭のスマートメーターを経由した無線や有線による遠隔操作によって、クーラーの設定温度を短時間だけ2度ほど上げる。
充電技術
太陽光発電風力発電のような発電電力が変動し制御できない発電装置では、個別の蓄電池に発電した電気を蓄えることによって外部に送出する電力量を一定にする、または必要なだけ放電するといった使用法が従来から用いられてきたが、スマートグリッドではこの考え方をさらに進めて、蓄電池の設置位置に関係なくグリッド内で全てを共通化すれば、発電した電気の実質的な蓄電可能量を増やすことができるとするものである。太陽光発電所や風力発電所ごと、配電網ごとや家庭・事業所ごとに、充電のためコンセントに接続された電気自動車等の蓄電池といった全てを連携して用いるためには、どこの電池に充電可能な空きがあるのかや、どの電池から放電すべきかなどを細かく制御する必要があり、センサ・遠隔制御技術も必要となる[出典 1]

逆潮流[編集]

家庭や工場といった通常は電力を消費する側が、反対に電力系統へ電気を送り出す電力のことを「逆潮流」と呼ぶ。電力系統内で配電する電力の容量は電力消費の大小、つまり需要に応じて設計されているが、逆潮流ではこの設計時に想定しなかった供給者が電力系統へ加わることになる。

品質維持
代表的な逆潮流の問題点に、電圧変動と周波数変動がある。電力系統でも大規模な送電系統では、中央給電指令所の集中監視の下で主に発電所の調速器[4]によってこれら電力供給での品質が維持されているが、電力会社が発電量をコントロールできない逆潮流が多量に流入すると、電力の周波数安定性と電圧維持が困難になり発電所の解列(送電網からの切り放し)が行われると考えられる。
位置による不平等
事業所発電のような大規模な発電を逆潮流として受け入れる場合には電線や変圧器にもそれなりの対応が行えるだろうが、無数の小規模な発電への対応は問題となる可能性がある。例えば、同一の変圧器によって配電される住宅地内の複数の家が発電した電力を同時に逆潮流として流せば、その分だけ電圧は電線や変圧器などの許容量に応じて局所的に上昇する。日本では、電気事業法第26条および電気事業法施行規則第44条の定めにより101±6Vや202V±20Vの範囲内に収める必要があり、これを超え各家ごとに備わったパワーコンディショナが規定通り機能すれば無効電力として売電されない。また変圧器から遠い家では電圧上昇の影響を大きく受けるため、変圧器に近い複数の家が逆潮流を行えば配電系統の末端側は常に電圧の規定値上限近くになってしまって、最悪の場合末端側の家は発電して余った電力を全く売電できなくなる可能性がある。
このように、将来家庭での発電と売電が普及した時に家の立地によって売電できなくなる事態を避けるため、変圧器を増やして逆潮流を行いやすくする対策が議論されている[出典 1]

従来型の電力系統の見直し[編集]

例えば日本の電力会社は「99.9999%の高い確度で周波数は規定内に収まっている」とその安定度を強調するが、欧米の電力網と比較すると規定の許容範囲は、60±0.2Hz以内、(中部電力 時差±10秒以内)[出典 8]50±0.2Hz以内、(東京電力 時差±15秒以内)[出典 9]と緩い。極めて安定な電力供給は当然のように考えられてきたが、停電などの大きな障害は別としても、逆潮流のような電力の安定性を阻害する要因の登場に対して、本当に電圧や周波数の変動を避けるために大きな設備投資が今後も必要か疑問の声が出始めている。周波数だけ見ても、産業用などで使われる同期式モーターのような今となっては特殊な物を除けば、多くの機器が正しい周波数を必要とはせずに、インバーター式による操作性と運転効率の改善による省エネルギーを志向する時代になっている。電圧についても、インバーター式の電源や直流動作のために内部で電圧の自動調整を行う電源回路を備える電気製品が主流となり、少しくらいの電圧の変化は多くの機器では全く影響しないようになっている。

電話回線では、専用回線によって高い通信品質を維持しできたが、それを構築して維持管理するのに大きなコストをかけてきた。デジタル通信でも当初はコストをかけた専用回線や伝送品質を保証する回線でスタートした後、今では品質と同程度に低コスト性にも配慮してベストエフォート方式を採用したIPネットワークが世界中を席巻しているが、品質に不満の声はあまり聞かれない。

逆潮流に対応するため電力網への追加投資が必要だとする議論もあるが、通信回線サービスが高い品質維持からベストエフォートへと変わったように、電力サービスにおいて極端な高品質化の維持にコストを掛け続ける必要があるのか、ベストエフォートではだめなのか再検討を求める意見もある。

電力網には、通信網には存在し得ない合成の誤謬を考慮する必要もある。1987年7月23日首都圏大停電の原因の一つにインバータ機器の負荷の定電力特性があり、配電線の電圧降下に対して負荷となるインバータ機器が電力を確保しようとして電流を多く取り込むように制御された結果、送配電網の電圧制御機能が限界に達したことが指摘されている[出典 10]

各国の状況[編集]

米国の状況[編集]

アメリカ合衆国ではカリフォルニア州の電力危機ニューヨークの大停電をきっかけに、送配電網の整備を求める声が大きくなった。2003年の大停電事故の1ヵ月前に、米エネルギー省は「Grid2030」という送配電網の近代化に関するレポートを発表していた。2007年12月には「スマートグリッド」関連の投資資金補助や試験プロジェクトの予算に1億米ドルを拠出することを法律で決めた。バラク・オバマ大統領の就任1ヵ月後の2009年2月には、景気刺激策である「米国再生・再投資法」(American Recovery and Reinvestment Act, ARRA) の一部として、「スマートグリッド」関連分野に110億米ドル(日本円で1兆1000億円相当)を拠出することを決めた。これが今日、米国の通信とIT機器メーカーの間まで広がったスマートグリッド・ブームのきっかけとなった。

ニューメキシコ州では政府と日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO) が中心となり、スマートグリッド構想に基づく実証研究プロジェクト「Green Grid」を企画している。日本経済産業省は以前より州政府と太陽熱発電などの再生可能エネルギーで繋がりがあり、協力関係にあった。2009年2月には州政府から日本へ提案され、4月に会合が持たれて、6月末までにプロジェクト概要を提案し、2009年の夏には可否が決定される予定である。5MWの配電線(フィーダー線)1本を対象にして、1,200軒の家庭、1つの学校、複数の事業所を含む地域の電力網に2MWの電力貯蔵施設と1MWの太陽光発電施設を加えた[5][出典 1]

オバマ大統領はアメリカ連邦議会 に対して、代替エネルギーの生産を2009年からの3年間で2倍にし、新しい「スマートグリッド」を建設するための法案を通過させるために遅滞なく行動するように要請した[出典 11]

化石燃料温暖化ガスの排出削減は、エネルギー安全保障や地球温暖化問題の対策の1つとして多くの政府が推進している。米国の電力消費量を5%削減できれば、5,300万台分の自動車に相当する化石燃料の節約と温暖化ガス排出量の削減が実現するといわれており[出典 12]、実現手段の1つとしてスマートグリッドが検討されている。

スマートグリッドによる米国国内の電力網の変化は、2009年現在から既に始まったスマートメーターの導入であり、既に全米では8州を除く42の州政府が政策での何らかの形でスマートメーターへの取り組みを示しており、一部は取付け段階である。2011年から2020年頃までには、無線や有線通信によって家庭内の電気を使用する機器類の電力使用を遠隔操作することが想定されている()。米国の動きに対応して、日本を含む世界中の企業が将来の大きな市場を目指して自社の持てる技術を宣伝している[出典 1]

日本の状況[編集]

元々日本では、電力会社が大口需要家(工場、大規模ビル等)向けに光ファイバ等を用いて電力消費量をほぼリアルタイムにモニタリングするシステム(一般的に電力会社においてロードサーベイと呼ばれるもの)が1990年代より構築されている。一例を挙げると、東京電力では1995年九州電力では1996年より同種のシステムが順次導入されている[出典 13]。現在日本国内で開発が進められているスマートグリッド技術の多くは、このロードサーベイから発展したものである。

住友電気工業住友精密工業により電力網構想が提案されており、太陽光発電と高温超電導直流電力ケーブルの組み合わせによる地球規模の電力網敷設を段階的に推進する「PPLPソリッドDC・超長距離・大容量・国際連系・海底ケーブル」によって、最終的には人類の必要とする全エネルギーを再生可能な手段によって得ることを目指している[出典 14]

経済産業省望月晴文事務次官は2009年2月19日の記者会見で、アメリカでスマートグリッドが提唱されているのは送電網がつぎはぎだらけなためによく大停電を起こすのが理由で、日本は送電網がしっかりしているから追従する必要はないのではないかという見方を示した[出典 15]

東京工業大学東京電力東芝日立製作所などが共同で「日本版スマートグリッド」実証実験を東工大キャンパスで2010年度から行うと報道された[出典 16]。実験に東芝日立製作所東芝三菱電機産業システム富士電機システムズ(現富士電機)・明電舎伊藤忠商事関電工の参加が決まっており、期間は3年間の予定である[出典 16]

実証実験では実際の家庭生活を想定し、家庭用の太陽光パネルを設置して冷蔵庫などの一般的な家電製品や電気自動車、ヒートポンプ給湯器に利用する一方、余った電力については蓄電池にためたり、電力会社に実際に売ったりするという。電力の売買状況をコンピューターで把握し、コンピューター内にシミュレートした送電線網への影響を分析。送電線網に影響を与えずに太陽光発電を有効利用できる売電の時間帯や電気自動車への充電時間帯などを検証する[出典 16]

日本より米国の方がスマートグリッド参入に意向や興味を示している企業は多種多様だが、日本国内では家庭内通信まで踏み込んだ改革を目指す計画ではなく、新築住宅などでの家庭用太陽光発電と家庭用コジェネレーション装置といった家庭での自家発電が進められている。日本国内は電力網でもロードサーベイに代表される電力監視センサのネットワークが充実してきており、各電力会社は需要家の負荷変動を予測しながら細かな変動は電力監視のネットワークで随時把握し細かな対応を行えるとしており、米国のように一般家庭の家電製品を電力需要に応じて遠隔制御する取り組みに積極的でない[出典 1]。欧米や中国などが進める大規模なスマートグリッド計画と対照的に、日本では産官学共同にも関わらず小規模な実証試験ばかり少数行われる程度の現状が"ガラパゴス化"に繋がるのではないかと危惧する声も出ている。

英国・イタリアの状況[編集]

英国とイタリアでは、電力料金の不払いに対応するためにスマートメーターの導入を進めている。

標準化[編集]

IEEEでは2009年からP2030規格(スマートグリッドの相互運用性に関する指針)の策定に当たった。また米国政府は、NISTへ機器・システム間での相互運用性確保に関連した標準規格(機器・システム自体の標準規格ではない)の選定を指示した。NISTはこれを受けてEPRIと委託契約を行い、中間報告書が公表された。IEEE2030は2011年9月に標準化が完了している。

IEEE1888: (スマートグリッドを想定した)次世代のビル管理・ビルエネルギー管理(BEMS)部門の通信規格。

ECHONET Lite: ECHONETコンソーシアムが策定した家電のネットワーク通信規格。家庭のエネルギー管理(HEMS)部門での利用が想定されている。

IEEE802.15.4g: Smart Utility Network(SUN)と呼ばれ、微弱無線でマルチホップ式に、センサ・データを収集することができる通信規格である。

ZigBeeHomePlug Powerline Allianceなどの企業も宅内電気機器に採用されるよう働きかけを行っている[出典 1]

脚注・出典[編集]

脚注[編集]

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  1. ^ 日本の住友電気工業では高温超伝導ケーブルを売り込んでいる。
  2. ^ 世界中の家庭内の電気製品が送電網を経由した電力線の通信網で情報をやり取りするようになれば、現在のインターネット機器の10-100倍の数の端末が繋がる巨大な情報網が出現するため、未来のシスコシステムズ、次のGoogleを狙う企業はこれら2社のほかにもIBMインテルベライゾン・ワイヤレスを筆頭に、多くの企業がチャンスをうかがっている。
  3. ^ http://www.nikkei.co.jp/news/main/20100313ATGM1203512032010.html [リンク切れ]
  4. ^ 中央給電指令所では自動周波数制御装置 (AFC) などを使って10秒ごとに変動を監視し、負荷が増えて電圧が低下するか周波数が遅れる場合には発電所の出力を増すように調整が行われ、逆に負荷が減ると逆に出力を減らすように指示する。同様にそれぞれの発電所でも1秒ごとに調速器が発電周波数を一定に保つように働いている。
  5. ^ ニューメキシコ州の「Green Grid」計画では、日本側からは経済産業省やNEDOの他にも、東京電力日本ガイシパナソニック日立製作所東芝なども会合に参加している。

出典[編集]

  1. ^ a b c d e f g h i 蓮田宏樹、Phil Keys著 『スマートグリッド』、日経エレクトロニクス2009年6月1日号
  2. ^ James Grundvig著 『Detecting Power Theft by Sensors and the Cloud: Awesense Smart System for the Grid 』、[1]Huffington Post2013-04-15
  3. ^ 鈴木剛司著、『欧州トップの環境対応都市目指すアムステルダム』、日経エレクトロニクス2009年12月28日号
  4. ^ 清水直茂著、『スマートメーター』、日経エレクトロニクス2009年12月28日号
  5. ^ a b 蓬田広樹著、『低炭素社会への移行を契機に新エネルギー市場が拡大へ』、日経エレクトロニクス2009年11月30日号
  6. ^ 経済産業省 家電制御で省エネ スマートハウス実証 環境市場新聞 2009年7月9日
  7. ^ A Smarter Electrical Grid Bloomberg Businessweek 2008年1月11日
  8. ^ 平常時系統運用指針(2012年(平成24年)7月1日実施) (PDF) 中部電力
  9. ^ 電力会社における周波数調整と会社間連系について (PDF) 平成15年9月12日 東京電力(株)
  10. ^ 電力系統の構成及び運用について~電力系統の構成及び運用に関する研究会 平成19年4月
  11. ^ Christoph Steitz; Karin Jensen (2009年1月13日). “Obama clean energy goal is good start: industry” (英語). ロイター. http://planetark.org/wen/51189 2009年2月28日閲覧。 
  12. ^ Litos Strategic Communication (under contract for the DOE) (2008-09-10) (pdf). The Smart Grid: An Introduction. United States Department of Energy. p. p. 7. http://www.oe.energy.gov/DocumentsandMedia/DOE_SG_Book_Single_Pages.pdf 2008年11月22日閲覧。. 
  13. ^ 富士時報 1998年9月号 p.55
  14. ^ 畑良輔GENESIS計画と高温超電導直流ケーブル -究極の持続可能な「新エネルギー」の開発について-」、『SEI テクニカルレビュー』第172号、住友電気工業、2008年1月、2009年2月28日閲覧。
  15. ^ 米国景気対策法案について”. 望月経済産業事務次官の次官等会議後記者会見の概要. 経済産業省 (2009年2月19日). 2009年2月28日閲覧。
  16. ^ a b c “東電など「日本版スマートグリッド」実証実験”. 産経新聞. (2009年5月1日). p. 1-3. http://sankei.jp.msn.com/life/environment/090501/env0905012242000-n1.htm 2009年5月12日閲覧。 

参考書籍[編集]

  • 横山 隆一 編著 『災害に強い電力ネットワーク ― スマートグリッドの基礎知識』(早稲田大学ブックレット<「震災後」に考える>)早稲田大学出版部、2011年 ISBN 9784657113023

関連項目[編集]

外部リンク[編集]