分散型電力網 – エネルギー安全保障の未来

多くの人々は、分散型電力網をエネルギー安全保障を向上させるための最良の選択肢であると見なしています。これらのネットワークは、コミュニティベースのエネルギー資源を中央集権型発電所とともに利用することで、従来のグリッドインフラストラクチャーを強化します。ここでは、MITのエンジニアチームが分散型電力網を改善し、将来の家庭をエネルギーで支えるためにどのように努力しているかを見てみます。

停電の増加

レポートによると、停電は世界中で何らかの理由により増加しています。多くの地域では、メンテナンスの不足がシステムの老化とパフォーマンスの低下につながっています。さらに、過去よりも厳しい天候条件が発生しやすくなっているため、古いインフラストラクチャーにストレスがかかっていることも要因の1つです。

停電の原因として多くの人々が考慮しない別の要因は、再生可能エネルギーへの切り替えです。太陽光パネルは、低コストのエネルギーを提供する良い例ですが、エネルギーを生成できない状況や時間があります。

夜間や長期間の曇天の場合、太陽光発電システムはコミュニティを支えるために必要なエネルギーを提供できません。従来の停電とは異なり、再生可能エネルギーの発電における予測可能なギャップ（太陽の場合、曇天や夜間など）は、グリッドエッジデバイスを調整してリアルタイムで消費と配送を調整することで軽減できます。

停電統計

2023年のアメリカ住宅調査は、エネルギー危機がどれほど深刻化しているかを明らかにしました。レポートによると、少なくとも4分の1の米国世帯が過去1年間に停電を経験しました。また、70％以上の回答者が6時間以上停電になったことも明らかになりました。

統計によると、農村コミュニティは長時間の停電を経験する可能性が高く、デトロイトのような都市もインフラストラクチャーの悪さやその他の要因により異常な頻度の停電に悩まされていることも明らかになりました。

世界的懸念

この問題を世界規模で見ると、問題の規模は指数関数的に拡大します。国全体が何日も何週間も暗闇に包まれる事例は数多くあります。ある事例では、キューバの老朽化した電気網が故障し、1000万人以上が何日間も電気を失う事態となりました。

地元の電力網の進化

地元の電力網について考える際、中央集権型発電所、変電所、送電線を想像することが多いです。このインフラストラクチャーはまだ最も一般的ですが、家庭用電子機器の進化により大きな変化を遂げてきました。

Source – MIT

グリッドエッジデバイス

グリッドエッジとは、中央電力源から遠く離れたデバイスを指します。これらのデバイスは、発電、蓄電、調整などの高度な機能を備えています。グリッドエッジデバイスの例として、住宅用太陽光パネル、バッテリー、電気自動車、ヒートポンプ、温水器、IoT（モノのインターネット）デバイスなどがあります。

分散型エネルギー資源（DERs）

分散型エネルギー資源の利用が増えるにつれ、市場では新たな機会が生まれます。これらのスマートデバイスは、モニタリング、制御、通信、動作などのタスクを実行する能力を提供します。MITのエンジニアチームは、グリッドの耐久性を向上させ、サイバー攻撃から保護し、ネットワークを安定させるための最新の戦略で、この柔軟性を活用しようとしました。

分散型電力網の研究

最近の研究である「信頼できるIoT調整資産を介した電力網の耐久性」¹は、エッジデバイスを利用してグリッドの耐久性を確保するための新しいフレームワークを紹介しています。この新しいシステムは、グリッドエッジデバイスを調整してネットワークを再バランスさせるかサポートすることで機能します。

IoTデバイス

この研究の核心は、IoT（モノのインターネット）デバイスの使用にあります。IoTデバイスとして機能するためには、センサーを備え、インターネットにデータを通信できる必要があります。注目すべきは、現在世界中に数十億のスマートデバイスが存在し、将来5年以内にエッジデバイスのの大部分を占めることが予測されているという事実です。

この戦略では、家主が地域市場に加入することになります。この加入により、IoTデバイスがマイクログリッドに参加できるようになります。承認された後、信頼できるデバイスは、エンジニアが開発した独自のアルゴリズムによって決定される消費と配送の調整が可能になります。

EURIEKA（効率的、超耐久、IoT調整資産）

EURIEKAアルゴリズムは、エンジニアの研究の核心です。このアルゴリズムは、ネットワークをスキャンして参加するエッジデバイスを探します。次に、事前に設定された基準に基づいて、電力網を補完するか、IoTデバイスの消費を減らすかを決定します。アルゴリズムの効果的な点は、各ローカル電力市場に基づいていることです。

オペレーター

ローカル市場のオペレーターは、このアプローチで重要な役割を果たします。各市場には、グリッド参加者や他のオペレーターと管理および通信するタスクを負ったオペレーターがいます。彼らは、EURIEKAアルゴリズムを起動し、正しく機能することを保証するノードです。

信頼を確立する

このプロセスの第一歩は、信頼を確立することです。IoTデバイスが数多く存在するため、システムがセキュリティリスクを防ぐために、承認された信頼できるデバイスのみと連携することが重要です。アルゴリズムは、信頼できるIoTデバイスを独自に検証および承認し、停電を軽減し、システムを安定させるために最も効果的な組み合わせを決定できます。

ローカル電力市場

この戦略の一環として、IoT参加者が貢献に対して報酬を得ることができるローカルエネルギーマーケットが創設されます。システムは、参加者の行動を自動で追跡し、エネルギーへの貢献に基づいて報酬を支払います。注目すべきは、エンジニアが、直接の支払いから請求書のクレジットまで、参加者が報酬を受け取るさまざまな方法を考えていることです。

分散型電力網のテスト

MITのエンジニアは、ユーティリティーに優しいシミュレーター、リアルタイムのハードウェアインザループ検証、コシミュレーションプラットフォームを使用して、新しいアプローチをテストしました。

電力網アルゴリズム

テストには、5%の故障から40%の壊滅的な故障まで、システムのすべてのレベルで発生するさまざまな電力喪失シナリオが含まれました。

グリッド攻撃シナリオ

研究者は、システムを大規模なサイバー攻撃に対してテストしました。このシナリオでは、チームは、スマートテラストラットがハッキングされたと想定しました。ハッキングされたデバイスは、電力網に危険なレベルのストレスを加えるために、強制的に増加されました。伝統的な電力網では、ストレスの増加により故障する可能性があります。しかし、グリッドエッジシステムは、耐久性を示しました。

自然災害

チームは、システムを天候イベントに対してテストしました。彼らは、送電線の多大な部分が破壊される大規模な自然災害を想定しました。このシナリオは、世界中で一般的です。自然災害が頻繁に発生するからです。

分散型電力網のテスト結果

アルゴリズムのテストは、グリッドエッジデバイスのネットワークがさまざまなシナリオによるエネルギー喪失を補うことができることを証明しました。システムは、グリッドトポロジーを調整することでネットワークを再安定化しました。さらに、新しいアルゴリズムは、信頼できるデバイスとその能力を自動的に決定できます。

分散型電力網の利点

分散型電力網には、多くの利点があります。たとえば、各デバイスのエネルギー消費を考慮して効率的なエネルギー生成を提供します。このシステムは、現状に比べてよりグリーンで持続可能な代替手段です。

IoTデバイスは至る所に存在する

別の利点は、IoTデバイスの使用です。世界中には数十億のユニットがあり、電力網を安定させるための潜在能力があります。この戦略では、これらのデバイスの機能を考慮して、故障せずに極端な条件に対処できるより強固な電力網を作成します。

再生可能エネルギーギャップを埋める

風力や太陽光発電などの技術は、クリーンエネルギーを生成するために素晴らしいものですが、家庭を支えるために必要な電力を生成できない時期があります。エンジニアは、こうしたシナリオでは、グリッドエッジデバイスが追加の作業を負担することを想定しています。

収益性

この戦略の潜在的な利点の1つは、参加者が貢献に対して報酬を受け取ることができる、よりダイナミックなローカル電力市場の創設です。MITの研究者は、この概念を提案していますが、具体的な金銭的インセンティブ、たとえば請求書のクレジットや支払いは、市場の実施と規制フレームワークに依存します。前月、スマート冷蔵庫やテラストラットがグリッドを安定させるために役割を果たしたことに対して、無料の電気代の月を得ることは素晴らしいことです。

分散型電力網の研究者

分散型電力網の研究は、MITのエンジニアチームによって行われました。論文の主要著者は、Vineet NairとJohn Williamsです。この研究は、Anu Annaswamyによって共著され、インド工科大学、国立再生可能エネルギー研究所、米国エネルギー省、MITエネルギーイニシアチブの資金提供を受けています。

この研究は、リード研究者のNairによる適応制御理論の分野における以前の研究を拡大しています。適応制御理論は、人間の介入なしに問題を感知して自動的に修正するシステムを作ることを中心にしています。この最新のプロトコルは、この研究に沿ったものであり、将来、1年を通して家をエネルギーで支えるのに役立つ可能性があります。

エネルギー解決のリーダー企業

エネルギー解決を市場に提供するためのレースは、複数の主要企業の登場につながっています。これらの企業は、エネルギー生産と配送を市場全体で強化するために、数百万ドルを研究開発に投入しています。以下は、電力網の改善で利益を得るのに最も適した企業の1つです。

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK )は、1904年にカタワバ川に設立された水力発電所として市場に参入しました。同社は、James Buchanan DukeとBenjamin Newton Dukeによって設立され、ノースカロライナ州シャーロットに本拠を置いています。同社の設立以来、Duke Energy Corporationは大きな成長を遂げてきました。現在では、アメリカ合衆国で最大の電力会社の1つとなっています。

Duke Energyの市場支配的地位は、数多くの десяти年、買収、市場動向を経て実現しました。1997年には、同社はPanEnergy Corporationと合併して提供サービスを拡大しました。2005年には、Duke EnergyはCinergy Corporationを買収して、重要な州での市場浸透率を高めました。

現在、Duke Energyはエネルギー生産部門の市場リーダーであり続けています。同社は、新しいテクノロジーを戦略の一部として積極的に取り入れて、顧客に信頼性の高い安価なエネルギーを提供しています。

同社の立場と歴史から、Duke Energyはグリッドエッジ研究の成果を活用してサービスを改善することができます。したがって、DUKはどのポートフォリオにも強力な追加となります。

Duke Energy Corpの最新情報

分散型電力網の未来

エンジニアは、成功するために克服しなければならない多くの障害を認識しています。まず、システムではクライアントと事業所がネットワークに参加する必要があります。その後、システムを機能させるために特定のハードウェアを統合することに同意する必要があります。これらのすべてのステップでは、多くの人々を教育し、低コストでアクセスしやすいソリューションを提供する必要があります。

電力網の耐久性を実現する

このチームのユニークなアプローチに敬意を表します。彼らの概念では、利用可能なグリッドエッジデバイスを利用してシステム全体を安定させるというものです。この戦略は、論理的であり、大きなコストやネットワークの変更を必要とせず、現在設置されている巨大なIoTネットワークを活用しています。したがって、将来的に分散型電力網に関するさらなる研究が行われることが予想されます。

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研究参考:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}