a16z：分散型グリッド

著者：Ryan McEnrush（a16z、パートナー）、翻訳：0xjs@GoldenFinance

電力網は送電線と発電所からなる広大で複雑なシステムであり、私たちの経済と産業力の基盤に不可欠です。現在、米国は深刻な課題に直面しています。米国の電力需要は、人工知能コンピューティング、還流、「電化」により、2040年までにほぼ2倍になると予測されていますが、送電網のインフラと運用は、それに追いつくのに苦労しています。

エネルギーが豊富な未来をつかむためには、電力の生産、送電、消費を効率化しなければなりません。そのためには、分散型グリッドが必要です。大規模な発電所や長距離送電線は建設が面倒だが、太陽光、バッテリー、先進的な原子炉などの技術が新たな可能性を開く。高価な長距離配線を回避し、現地で直接展開することができるのは、こうした技術やその他の「ローカル」な技術であり、今後数十年の大幅な負荷増加を支えるのに役立つだろう。

産業の拡大は歴史的に大規模な集中型発電所に依存してきましたが、21世紀は分散型かつ断続的なエネルギー源へのシフトを意味し、「ハブ＆スポーク」モデルから分散型ネットワークへの移行を意味します。もちろん、この進化は新たな課題をもたらし、そのギャップを埋めるためのイノベーションが必要だ。

成長の痛み

米国の送電網は、東部、西部、テキサスの3つの主要な相互接続で構成され、17のNERCコーディネーターによって管理され、ISO（独立系統運用者）とRTO（地域送電運用者）が地域経済とインフラを監督しています。しかし、実際の発電や送電は、地域の電力会社や協同組合が行っている。この構造は、負荷の増加が少なかった時代には機能したが、今日のニーズを満たすために送電網のインフラを拡大することは、ますます困難で高価なものになりつつある。

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アクセスの問題

送電網の運営者は、アクセス待ち行列を使用して、新しい資産のアクセスを管理し、グリッドがアンバランスなしにその場所での新しい電力の追加をサポートできるかどうかを評価し、必要なアップグレードのコストを決定します。現在、2,000GW以上が送電網への接続を待っており、2022年だけでも700GW以上のプロジェクトがキューに入っている。これは 大きな数字である。

しかし現実には、グリッド接続のコストに直面して、多くのプロジェクトが脱落している。歴史的に見ても、列の10～20％のプロジェクトしか実現せず、最終的に接続されるまで申請から5年以上かかることが多い。発電事業者は、最も安価なアクセスポイントを決定するために複数の投機的な提案を提出し、コストが判明した時点で不利な提案を取り下げ、実現可能性調査を複雑にしていることが多い。申請が殺到したため、カリフォルニアの送電網運営会社CAISOは2022年に新たな申請の受付を停止せざるを得なくなり、2024年にも停止する予定だ。

これはエネルギー転換における重要な料金制限要因であり、コスト要因でもある。最近の米国エネルギー省の報告書によると、2035年までの高負荷の増加に対応するためには、新しい資産を統合した地域内送電を128％、地域間送電を412％増加させる必要があるとのことです。より楽観的な予測では、それぞれ64％と34％の増加率を見込んでいる。

提案されている改革は、この開発の滞りを緩和するのに役立つ可能性がある。連邦エネルギー規制委員会（FERC）は、手数料を追加することで提案を選別し、審査を迅速化する「早い者勝ち」政策を推進している。テキサス州電力信頼性評議会（ERCOT）は、「アクセス・アンド・マネジメント」方式を採用しており、より迅速なアクセスを可能にしているが、送電網の信頼性を脅かすようなプロジェクトは切断している。新しい送電網資産を迅速に追加することに大きな成功を収めている。これらの政策が前進したことを示す一方で、NEPAなど他の規制を合理化することも、建設を迅速化する上で重要である。

しかし、認可が下りても、送電網の建設は、リードタイムが12ヶ月以上かかったり、価格が400％も高騰した大型変圧器、特殊鋼の不足など、サプライチェーンのハードルに直面している。変圧器製造を発展させるという連邦政府の目標を達成できるかどうかは、電気鉄鋼業界への支援、特に2027年に予定されているエネルギー効率基準にかかっている。これらはすべて、送電網の停電が、主に天候に起因するものだが、過去20年間で最も高い水準にあり、ハードウェアの交換が必要な時期に起こっている。

これには送電は含まれていません

結局のところ、送電網のインフラを構築するためのコスト改革は、消費者にとっての価格上昇となって現れます。消費者が支払う「小売価格」は、卸売価格（発電コスト）と送電料金（電気を届けるために必要なインフラのコスト）の組み合わせである。重要なのは、安価な再生可能エネルギーや天然ガス発電の価格が下落する一方で、電気を供給する価格は急上昇していることだ。

これにはいくつかの理由がある。公益事業者は、顧客の発電量の損失を相殺するために配電料金を使用し、固定リターンのインフラ投資（コストプラス防衛契約に似ている）から収益を確保することを目指している。再生可能エネルギーの増加により、遠隔地への送電線の延長が必要となるが、送電線は断続的なためあまり利用されていない。加えて、電化と自家発電の増加に伴い、負荷はより不安定になり、ピーク需要向けに設計されたインフラは非効率かつ高コストとなる。

政策と市場の調整は、こうした輸送コストの上昇に対応しており、カリフォルニア州が屋上太陽光発電などの分散型電力システムを大規模に導入しているのは、その顕著な例である。

カリフォルニア州のネットエネルギーメータリング（NEM）プログラムでは、当初、住宅所有者が余剰の太陽光を電力会社の配電コストを無視して小売価格で送電網に売電することを認めていた。最近の変更では、基本的に変動卸売価格で電力を買い取るようになり、一般的に最低電力価格と重なる発電ピーク時間帯のソーラーパネル所有者の収益が減少している。この調整により、太陽光発電設備の投資回収期間が長くなり、住宅所有者や企業は、より収益性の高い時間帯にエネルギーを販売できるよう、電力貯蔵に投資するよう促される。

カリフォルニア州の電力会社は、固定料金は所得水準に、使用料金は消費量に依存する請求モデルも提案している。これは、裕福な顧客に送電網インフラのコストをより多く負担させ、低所得者を電力小売価格の上昇から守るためのものだ。最近、この具体的な政策は、より極端ではないものの、似たようなものに変更され、棚上げされたが、このようなアイデアは、富裕層の顧客が送電網から完全に離反することにつながりかねない。離反は、残った顧客のコスト上昇につながり、「死のスパイラル」を引き起こす可能性がある。ハワイの電力市場ではすでにこのような現象が起きており、一部の地域では電気ヒートポンプへの切り替えが急速に進んでいるとの見方もある。

明かりを灯し続ける

電気は魔法ではない。どんなときでも、発電された電力は、電力需要、つまり「負荷」と一致しなければなりません。これが「送電網のバランスをとる」という意味です。高いレベルでは、送電網の安定性は一定の周波数（米国では60Hz）を維持することに依存している。

送電線上の過剰容量によって引き起こされる輻輳（送電網への電力の投棄）は、電力制限や地域的な価格差につながる可能性がある。また、周波数偏差は発電機やモーター機器の損傷にもつながります。風力、太陽光、バッテリーなど、慣性を持たない逆電源もまた、それらが急増するにつれて周波数安定化を複雑にしている。極端な場合、偏差は停電につながり、グリッドに接続された機器にダメージを与えることさえある。

送電網は本質的に脆弱であるため、信頼できる供給と予測される需要を一致させるためには、送電網に接続される資産に慎重な配慮が必要です。断続的な電力（信頼できない供給）の増大と「電化」の台頭（急増する需要）の組み合わせは、 厳しい課題を生み出しています。

いつ十分なのか？

負荷の約3分の2は、（主に）前日オークションを通じて卸売市場によってバランスが取られている。再生可能エネルギーには限界費用がないため、通常は他のエネルギー源よりも高い価格で入札される。/p>

太陽光発電や風力発電の予測不可能性や、老朽化した化石燃料発電所の閉鎖は、送電網の安定性を圧迫する。これは、2022年にカリフォルニア州で発生する2,400GWhの廃棄物のように、停電（生産不足）や電力制限（生産過剰）につながる可能性がある。これに対処するには、エネルギー貯蔵と送電の改善（後述）への投資が必要になる。

さらに、電力供給が予測不可能になるにつれて、天然ガスはその費用対効果と柔軟性から、ますます重要な役割を果たすようになる。天然ガスは、必要なときだけ稼働する「ピーカープラント」を通じて、再生可能エネルギーをサポートするために使われることが多い。一般に、太陽光発電や風力発電は断続的な性質を持っているため、天然ガス火力発電所や他の種類の発電所は断続的に採算がとれず、時には技術的な理由で継続的に赤字で運転されることさえある。その結果、再生可能エネルギー源が停止しているときに「ピーカー発電所」が卸売価格を設定すると、消費者にとってはコスト上昇、ひいては変動につながる可能性がある。

電力需要も変化している。ヒートポンプのような技術は、エネルギー効率は高いものの、再生可能エネルギーによる発電量が少ない場合、冬の負荷ピークにつながる可能性があります。このため、系統運用者は電力資産のバッファーを保持する必要があり、再生可能エネルギー源は資源充足計画において見落とされがちです。系統運用者は通常、「10年に1度」のルールに従い、10年ごとの不足を許容するが、実際の計算はもっと複雑である。ERCOTでは、価格上昇のインセンティブに代わる伝統的な容量市場がないため、再生可能エネルギーが送電網に参入するにつれて緊急予備力が増加している。

カリフォルニアのような太陽光発電の普及率が高い地域も「ダックカーブ」に直面しており、日照時間が短くなり需要が増加するにつれて、系統運用者は20ギガワット以上の電力を急速に追加する必要があります。これは、出力を維持するように設計された発電所にとっては、技術的にも経済的にも困難なことである。

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再生可能エネルギーは断続的であるため、隠れたコストが発生し、系統運用者はリスクを取ったり、新たな資産に投資したりせざるを得なくなります。平準化エネルギーコストはプロジェクトの経済的実行可能性を評価する一方で、より広い送電網に対する資産の真の価値を単純化しすぎています。しかし、LCOEは、原子力発電所のような新しい資産を建設する際の経済的課題を浮き彫りにしている。今日の天然ガスよりも高価ではあるが、原子力エネルギーは、電力を脱炭素化するための説得力のある信頼できる道筋を提供する。原子炉建設の規模を拡大する必要があるだけだ。

しかし、原子力だけに頼ることはできない。ロシアのエネルギー制裁中にフランスが直面した原子力の課題や、米国南部の寒冷地における天然ガスの問題が示しているように、単一のエネルギー源だけに頼ることは危険であり、商品価格の変動は言うまでもありません。カリフォルニアのような再生可能エネルギーが豊富な地域も、日常的に輸入に頼っているため、不確実性に直面している。アイスランドやスカンジナビアのように、ほぼ100％クリーンエネルギーを使用している地域でも、危機の際には信頼できるバックアップや輸入の選択肢を維持している。

賢くなる

電力需要が増加するにつれ、グリッドは分散化と断続的な再生可能エネルギーによる複雑さの増大に対処するのに苦労しています。このシフトを力ずくで強制することはできません。そうするなら、本当に賢くなる必要があります。

現在の送電網は古く、「愚か」で、安定性を確保するために小さなリアルタイム調整を行いながら、予測される需要に合わせて生産量を調整する発電所に依存している。送電網はもともと、大規模な発電所からの一方通行の流れを想定して設計されていますが、屋上の太陽光発電が近所の電気自動車を充電するように、複数の小規模な電源があらゆる方向に電力を供給するという概念に挑戦しています。加えて、リアルタイムの潮の流れが見えないため、特に配電レベルでは問題が山積しています。

住宅用太陽光、バッテリー、先進原子力、（潜在的な）地熱エネルギーは、分散型電力を提供し、インフラ開発の必要性を減らします。しかし、刻々と変化する不安定な送電網を統合するには、依然として革新的なソリューションが必要です。加えて、電力会社規模の電力システムの効率的な利用は、局所的な貯蔵と需要側反応（例えば、グリッドが緊張しているときにサーモスタットをオフにする）によっても大幅に増やすことができ、一時的にしかオンラインにならない遊休資産を建設する必要性のピークを減らすことができる。

「スマートグリッド」は、これらすべてを達成することを目的としており、主に3つの技術グループに分けることができます。

• 動的ライン定格、ソリッドステート変圧器、電圧管理およびトレンド・システム、より優れた導体、インフラ監視、グリッド規模の発電、グリッド規模のストレージなど。

• ヒートポンプ、家電製品、住宅用太陽光発電、家庭用エネルギー貯蔵、電気自動車充電など。家庭用エネルギー貯蔵、電気自動車充電器、スマートサーモスタット、スマートメーター、マイクロリアクターおよび小型モジュール炉、マイクログリッドなど。

• 仮想発電所、より良い予測、デバイス管理、エネルギー・データ・インフラ、マイクログリッドなど。

仮想発電所、より良い予測、デバイス管理、エネルギー・データ・インフラ、サイバーセキュリティ、ADMS、相互接続計画、電力金融ツール、二国間協定の自動化など。

具体的には、「スマートグリッド」の将来にとって重要な2つの大きなトレンドがあります。

第一に、局所的なピーク負荷を平準化し、グリッド全体の断続的な電力供給を安定させるために、大量のエネルギー貯蔵施設を建設する必要があります。蓄電池はすでに小規模な電力供給には不可欠であり、価格が下がり続けているため、さらに長時間の供給も可能だ。しかし、何百ギガワット時という蓄電池の規模を拡大するには、サプライチェーンの拡大も必要だ。幸いなことに、好調な経済状況は今後も展開を加速させそうだ。起業家たちは、可能な限りバッテリーを利用することに目を向けるべきだ。

2つ目は、分散型エネルギー資産ネットワークの展開と統合を加速させることだ。電化できるものはすべて電化されるだろう。これらのシステムが家庭やグリッド規模のエネルギーシステムと相互作用できるようにするには、さまざまな新しいソリューションが必要になります。電気自動車やサーモスタットなどの「スマート」デバイスの集合体は、大規模なエネルギー資産の挙動を模倣した仮想発電所を作り出すことさえできるだろう。

未来はどうなるのか？

送電網拡大の中心的な課題は、経済性と信頼性の両方を考慮しながら、集中型システムと分散型システムのシフトのバランスを注意深くとることです。中央集権型送電網はシンプルで信頼性が高い（ことが多い）一方で、複雑な需要変動と高い固定費に直面しています。例えば、世界の大規模原子力発電所のほとんどは政府出資です。また、分散型送電網の導入はまだ初期段階だが、インドの農村地域が好むように、コストは安いが自動的に信頼できる電力を確保できるわけではない。

明確にしておかなければならないのは、現在ある集中型送電網がなくなることはないということだ。strong>を取り囲む分散型資産の増大するネットワークによって消費されるだろう。納税者はますます自家発電と蓄電に頼るようになり、伝統的な電力独占に挑戦し、規制と市場改革を推進するだろう。この自家発電の傾向は、信頼性が特に重要なエネルギー集約型産業において極端なものとなるだろう。アマゾンやマイクロソフトはすでに原子力発電を利用したデータセンターを建設中であり、私たちは新しい原子炉の開発と配備を加速させるために全力を尽くすべきである。

より広範に、電力料金の支払い者は、信頼性が高く、手ごろな価格で、クリーンな電力を必要としている。ercotは、そのユニークな立地、革新しやすい「純粋なエネルギー」市場、自由な相互接続政策により、分散型グリッドを通じてこれが実現できるかどうか、いつ、どのように実現できるかを見守る鍵となるだろう。中央集権型グリッドこのシフトをうまく乗り切ることが、大きな経済成長につながることは間違いない。

決定的に重要なのは、この分散型送電網を構築するには、最も優秀な起業家やエンジニアが必要だということです。顧客前、顧客後、送電網のソフトウェア技術に本格的な革新をもたらす「スマートグリッド」が必要です。政策や経済の動向はこの電力開発を加速させるだろうが、この分散型送電網が旧来の送電網よりもうまく機能するようにする責任は民間部門にある。

米国の送電網の未来は、新技術を利用し、自由市場を受け入れて、わが国の課題を克服し、より効率的でダイナミックなエネルギー状況への道を切り開くことにあります。これは21世紀の偉大な事業のひとつですが、私たちはこの挑戦に立ち向かわなければなりません。

世界は急速に変化しており、送電網もそれに合わせて変化しなければならない。