太陽光の成長は、よりスマートでレジリエントな電力グリッドを求めている

化石燃料から太陽光電力グリッドへの世界的な転換

イベリア半島（ポルトガルとスペイン）での電力グリッド崩壊の余波として、多くの人が何が起きたのか根本原因を問いただしました。そして、今日の多くの事柄と同様に、議論はすぐに政治化され、太陽光発電が崩壊の原因と非難されました。

出典: RNZ

そして、ある程度は部分的に真実かもしれません。電力グリッドは数十年前に設計され、数基の巨大な発電所を中心とした、化石燃料中心の集中型設計でした。

対照的に、分散型で再生可能エネルギー供給は様々な形で機能します。太陽光発電のコストが下がるにつれ、総エネルギー生成のますます大きな割合を占めるでしょう。現在、太陽光は新たにグリッドに追加された発電の80％を占め、風力がさらに10％です。

2024年に585GWの容量追加があり、再生可能エネルギーは世界全体の電力拡大の90％以上を占めました。

太陽光と風力エネルギーは最も拡大し続け、2024年の純再生可能エネルギー追加の合計の96.6％を占めました。容量拡大の3分の2以上は太陽光で、32.2％増加し1,865GWに達し、続いて風力は11.1％増加しました。

出典: Irena

したがって、グリーンで再生可能エネルギーに基づく電力供給が差し迫っているように見えても、電力グリッドがそれに対応できるようにすることが重要です。特に、最近のような電力グリッドの障害が実際に太陽光供給が原因であれば、太陽光エネルギーの導入が遅れ、結果的に二酸化炭素排出が長期間高止まりすることになります。

電力グリッドの仕組みと失敗の原因

電力グリッドの重要性と維持の難しさを理解する上で鍵となる要素は、電気の貯蔵が非常に困難であるということです。

理論的には、これはバッテリーが行っていることですが、国の電力グリッドは、最大のバッテリー施設が蓄えられる量をはるかに超える規模で電力を供給しています。

したがって、現時点では、電力は消費される量と全く同じ量でリアルタイムに生成されなければなりません。

この困難な課題に加えて、電力は適切な場所へ、適切なタイミングで供給される必要があります。例えば、ネバダで生成された太陽光電力は、十分な送電線でカンザスのグリッドに接続されなければ、カンザスの電力網を助けることはできません。スペインの場合、フランスの電力網との相互接続が十分に大きくなく、局所的な問題から救うことができませんでした。

出典: ResearchGate

最後に、電圧の変換が必要です。長距離の電力送電は高電圧でのみ効率的に行えるため、電圧を上げて送電線に電力を流す際に変圧器が必要です。消費側は低電圧で行われ、これも変圧器で実現されます。

出典: EIA

スペイン電力グリッドの障害：何が問題だったのか？

周波数の問題

イベリアグリッド崩壊の根本原因は今後数か月、数年にわたり激しく議論される可能性がありますが、何が起きたかを部分的に示すいくつかのデータポイントがあります。

まず、実際の障害点は発電過多や不足ではなく、電力グリッドの電気周波数に関するものでした。

ユーティリティ周波数は、交流電流の振動によって決まる電力網の技術的特性です。

出典: Wikipedia

異なる電力網は異なる標準周波数を持ち、互換性がありません。例えば、バルト三国は、ソ連時代から受け継いだ周波数を数十年維持した後、最近になって欧州の周波数へ切り替えました。

周波数が標準から大きく外れると、変圧器やその他の高電力機器、さらには一般ユーザーの機器さえも破壊する可能性があります。電力機器には、周波数が過度に変動した際に自動的に切断する多数の組み込みメカニズムがあります。

太陽光発電はスペインのグリッド障害の原因だったか？

かつては、グリッド周波数は主に化石燃料で駆動される巨大発電機の物理的回転によって生成・安定化されていましたが、水力や原子力発電所も含まれます。これによりグリッドは大きな慣性を持ち、周波数が意図されたレベルから大きく逸脱しにくくなっていました。しかし、太陽光発電はそのような慣性を生み出しません。

出典: SmartGrid

したがって、太陽光発電が事故を引き起こしたというよりも、慣性が欠如していたためにグリッド周波数の安定化に寄与できず、これが事故の重要因子となったのです。

再生可能エネルギーの統合が継続的に増加していることは、インドのように豊富な再生可能資源の活用を計画している多くの国で反映されていますが、グリッド慣性の低下は継続的な問題となり、従来の発電も含むグリッドの管理課題を提起しています。

それでも、なぜ周波数が最初に変動したのかは説明できません。慣性の欠如に加えて、いくつかの不適切な運用や古い設計が、グリッド運用者が「極めて稀な気象現象」と表現した事象に対して脆弱にしたことも、イベリアグリッド崩壊に寄与したようです。

再生可能エネルギー時代の電力グリッドのアップグレード

変圧器、送電線、その他インフラの旧設計が停電の最も一般的な原因であるため、電力グリッドを改善する最初のステップは設備のアップグレードであると言えます。

次のステップはいわゆるスマートグリッドで、電力グリッドの各レベルでリアルタイムに詳細な監視を行い、一般的な分析に留まらないものです。これには多数の個別自動システムも含まれます。

このように、例えば天候イベントによって特定地域で局所的に発生した周波数変動を、問題が拡大する前に即座にグリッドの他部分から切り離すことができます。

送電線の改善も有効です。より密な電力ネットワークは、ある地域から別の地域へ電力を迂回させることができ、単一障害点への感度を低減します。絶縁性の向上や地下化は、嵐、雪・霜、山火事などからも保護します。

遠隔地域間の接続を増やすことで、晴天地域と別の地域間で発電変動を平均化することも可能です。これは通常、超長距離送電の専用インフラが必要であり、中国は超高電圧（UHV）AC・DC送電線を用いた「スーパーネットワーク」で世界をリードしています。既に30,000km（18,600マイル）のUHV送電線があります。

出典: IEEE

同様の大陸横断接続は、ヨーロッパや北米でも構築が必要になるでしょう。例えば、スペインと北欧、あるいは米国の東西間など、まだ十分に接続されていない独立したグリッドが多数存在します。

この点で、過去数年で最悪のグリッド障害がテキサスとスペインで発生したのは、どちらも比較的小規模で孤立したグリッドであることは偶然ではないでしょう。

出典: ASME

最後に、輸送、暖房、産業プロセスにおける電化が主流となるにつれ、石炭、石油、ガスからの転換に伴う需要増加に対応するため、全体的に送電容量の増強が必要です。これは設計変更や新技術を必要とせず、送電線の建設への投資増が求められます。

再生可能エネルギーシステムにおけるグリッド周波数の安定化

電力グリッドにおけるバッテリー蓄電とバーチャル慣性

スマートグリッドは解決策の一部ですが、主に環境影響への曝露を減らし、全国規模の崩壊よりも小規模で管理しやすい領域での障害を抑制します。

特に慣性のない太陽光が電力の主要供給源になる中で、最初から崩壊を防ぐためには他の解決策が必要です。

大規模バッテリー蓄電（LSBS）は一定の支援が期待できます。これらのバッテリーは、主に再生可能エネルギーに基づくシステムで必要不可欠です。太陽光パネルは夕方のピーク消費時にエネルギーを供給しないためです。

また、従来の大型回転発電機とは異なる形で周波数慣性を提供できます。バッテリーからの慣性はバーチャル慣性、あるいは合成・シミュレート・デジタル慣性と呼ばれます。

通常の周波数外の乱れが検出されると、FFRは電力を迅速に注入または引き出すことで、グリッド周波数を正常な運転範囲に戻します。

バーチャル慣性は、周波数の不安定性に対して従来の発電機よりも速く、2秒未満で応答できます。

このサービスは、2022年にテスラが建設したバッテリー施設によって商業的に初めて提供されました (TSLA )。

ビッグバッテリーは、約2,000メガワット秒（MWs）の慣性相当量を提供し、グリッドの安定化に寄与します。これはテスラのバーチャルマシンモードサービスを通じて実現され、南オーストラリアの慣性不足の約15％を補うことができます。

太陽光パネルはグリッド周波数の安定化に役立つか？

太陽光パネル単体では慣性を提供できません。回転や運動エネルギーがないためです。しかし、グリッドを支援する形で利用することは可能です。

例えば、太陽光プロジェクトは従来、常に生産を最大化するよう設計・インセンティブが与えられてきました。しかし、余剰発電能力を維持すれば、周波数低下時にそれを提供できるでしょう。

これは技術的に非常に容易で、太陽光発電所が電力会社やグリッド運用者からどのように補償されるかに関係しています。

太陽光発電所レベルでの小規模エネルギー蓄電も、電力の小さなスパイクや周波数上昇を吸収するために同様に利用できます。グリッド運用者は、周波数低下時に即座に供給できるよう、一定量の発電を蓄電用に割り当てることができます。

同様の手法は、太陽光パネルに接続されたインバータでも使用できます。プラントコントローラは、短時間インバータ制御を理論的に上書きし、周波数低下を食い止めることができ、インバータが物理的に損傷するレベル以下で「高出力」運転させることが可能です。

このシナリオでは、すべての太陽光パネルインバータがミニスタビライザとして機能し、追加のバーチャル慣性を提供します。

機械的回転ソリューションでグリッド慣性を回復する

慣性が必要で、従来は高速で数百トンの金属を回転させて提供されてきました。慣性不足の解決策は、まさにそれを行うことかもしれません。

回転型の装置やエネルギー蓄電形態として、同期コンデンサやフライホイールがあります。

同期コンデンサ：電力グリッドに慣性を追加する

同期コンデンサは、何にも接続されていない軸が自由に回転する直流モーターです。電力を生成・消費するわけではなく、電力送電網の条件を調整します。

実際、グリッドに慣性を追加する非常に有効な選択肢ですが、他のサービスはほとんど提供しません。そのため、多数導入する場合は追加コストがかかり、再生可能エネルギー価格低減の進展を部分的に相殺します。

コンデンサは、グリッドがクラッシュした際の再起動にも重要で、電力が少ない状態で必要な慣性を提供します。また、数秒間ネットワークの過充電を吸収し、短絡リスクを低減します。

フライホイールエネルギー蓄電：グリッド安定性のために

フライホイールは別の興味深い選択肢です。これらの回転ディスクは実質的に回転バッテリーで、エネルギーを化学形態ではなく機械的形態で蓄えます。

真空中で磁気ベアリング上を回転し、1分間に20,000〜50,000回転という高速で回転します。システムはフライホイールの加速または減速によりエネルギーを蓄えたり放出したりします。

出典: Stornetic

バーチャル慣性ではなく「実際の」慣性を自然に提供することで、フライホイールはグリーングリッドに必要な「バッテリー」ミックスに加える有力な選択肢となり、周波数慣性とエネルギー蓄電を同時に提供します。エネルギーの蓄積と放出ができないシンプルな同期コンデンサよりも優れています。

代替回転エネルギー蓄電ソリューション

回転するエネルギー蓄電はすべてグリッドシステムに慣性を付加できます。したがって、フライホイール以外にも他の選択肢が可能です。

例えば、スタートアップのCheesecake Energyは、圧縮空気エネルギー蓄電のモジュール化・コンテナ化パッケージを提供しています。圧縮時に発生する熱は安価な砂利に熱バッテリーとして蓄え、圧縮は再利用された古いトラックエンジンで行われます。電力の蓄積と再生も、従来の発電機に似た回転金属軸を伴います。

他にも、重力バッテリー、揚水発電、コンクリート蓄電、熱バッテリー、熱太陽エネルギーなど、化学的でないエネルギー蓄電が存在し、これらは専用記事「エネルギー転換のための非化学的バッテリー代替策」で取り上げました。

グリッド慣性と周波数制御の市場創出

これまで、慣性は回転発電機を持つ発電所の運転者が提供する「無料サービス」のようなものでした。より正確には、ユーティリティがメガワットを購入する際に支払われるサービスの一部とみなされていました。

エネルギー生成の変化に伴い、慣性供給をインセンティブ化するために、周波数安定化のためのより明示的な市場を創出すべきです。

これはバルト三国のような小規模で孤立したグリッドを持つ国が先駆けているものです.

リトグリッド（リトアニア）、オーグストスプリエグマ・ティークルス（ラトビア）、エレリング（エストニア）による周波数市場の開始により、電力生産者は翌日の予備エネルギー量を示す入札を毎朝行うことができます。価格はkWhあたり約0.5セントで、家庭用消費者では月額約1ユーロに相当します。

世界的な電力グリッドアップグレードを遅らせる主要課題

変圧器不足がグリッド近代化を脅かす

現在、グリッド改善における最も顕著な課題の一つは変圧器不足です。数十年にわたるインフラ投資の不足により、消費増に対応する新設備だけでなく、老朽化した変圧器の交換も必要な状況が生じました。

出典: Utility Dive

ハリケーンや山火事による損害の増加も助けにはなりませんでした。

追加需要は供給問題にも直面しています。変圧器の損失低減に不可欠な特殊電気鋼は依然として高価で入手が困難です。

「本日注文された新しい変圧器の納期は最大で3年かかる可能性があります。5年前は、納期は4〜6週間でした。」 – ピーター・フェレル、全米電気製造業者協会（NEMA）政府関係担当ディレクター

銅不足が再生可能エネルギーグリッドを阻害する可能性

グリッドのアップグレードを遅らせる別の問題は、天然資源の不足です。リチウムやバッテリー用の他の鉱物は十分に供給されている可能性がありますが、特に電化に重要なEVなどの技術が消費を増やす中で、世界の銅生産が十分かどうかは不透明です。

銅供給の方向転換は非常に遅く、欠乏は数年続くと予想されます。

需要は、今後29年間、年間30万トンの生産能力を持つ「ティアワン」鉱山を年3つ開くことで満たすことができ、これは業界にとって史上最大規模の拡大となり、コストは5,000億ドルを超えます。

新銅鉱山の規制承認は下降傾向にあり、過去15年で最も低いレベルに落ち込んでいます。鉱山の承認と開発には10〜20年かかることを考えると、特に懸念されます。

出典: International Energy Forum

グリッド部品への関税が米国のアップグレードを遅らせる可能性

米国に特化すれば、貿易戦争や関税が必要な機器の供給を妨げる可能性があります。

2024年、中国は電気変圧器を465億ドル輸出し、中国の輸出品目（1,211件中）で第9位となり、米国が主要な宛先（46.6億ドル相当）でした。

同様に、バッテリーやその他の電子・電力部品も中国企業から部分的に供給されており、代替サプライヤーが必要になるでしょう。

最後に、長距離送電線の多くはアルミニウムを使用しており、今年は特別な25％関税の対象となりました。これによりプロジェクトコストが上昇し、国内の電力インフラの必要なアップグレードが遅れる可能性があります。

結論：グリーンな未来のためにレジリエントなグリッドを構築する

再生可能エネルギーへの切り替えに対応できるよう電力グリッドを再構築することは、かなり困難な課題です。ガスタービンやその他の化石燃料発電所の重要性を低減することで、エネルギー転換は周波数安定性の重要な供給源も失っていますが、同時に発電はより間欠的になります。

並行して、電化は輸送、暖房、産業活動への需要が常に増加し、電力グリッドにかつてない負荷をかけています。

グリーンエネルギーは、その問題への解決策となる可能性が高いです。生産の間欠性を調整するために既に大規模なバッテリーパックが必要であり、これらが周波数安定性の主要供給者になるでしょう。太陽光発電所のインバータもこの任務に活用される見込みです。

同時に、圧縮空気、フライホイール、同期コンデンサなどの他技術も支援する可能性があります。

短期的には、変圧器の生産不足と必要な特殊鋼の供給がグリッド改善を妨げます。長期的には、周波数安定性提供者への適切な報酬、電力グリッド改善への政治的意志、エネルギー蓄電ソリューションの安定供給が、エネルギー転換成功の鍵となります。

電力グリッドへの投資

GE Vernova

GE Vernovaは、2024年に巨大コングロマリットGEがGE Aerospace (GE ) 、GE HealthCare、そしてエネルギー部門のGE Vernovaに分割された結果です。

この点で、GE Vernovaは130年の歴史を持つゼネラル・エレクトリック社の元々の中核部門の直接的な後継者となります。

現在、100か国以上で75,000人の従業員を抱える同社は、55,000基の風力タービンと7,000基のガスタービンを製造し、世界の電力の約25％の発電に貢献しています。

同社は電力の生産・配電のすべてのレベルに関与しており、特に風力、水力、原子力などタービン関連分野だけでなく、電力グリッドでも、バックログに160億ドル相当のプロジェクトを抱えています。

出典: GE Vernova [securities_stock_price_tag symbol="GEV" exchange="NYSE"]

同社は、2040年までに電力需要が2倍に拡大し、石炭火力発電所の置換に4兆ドルが必要になると見込んでおり、電気機器メーカーにとって大きな機会となります。

出典: GE Vernova

GEは、フランスのEngie、米国のDuke Energy (DUK )、Southern Company (SOT.DE ) (SO )、ドイツのRWE、スペインのIberdrola、台湾電力会社など、世界最大手の多くのユーティリティ企業と緊密なパートナーシップを築いています。

グリッドソリューションと電化に関して、GE Vernovaはバッテリーエネルギー蓄電システム、同期コンデンサ、揚水発電所（PSPP）、炉の電化、熱蓄熱、太陽光インバータ、水素圧縮機などを提供しています。

出典: GE Vernova

GE Vernovaはエネルギー関連の研究開発（年間10億ドルのR&D支出）でも大きな力を持ち、特に炭素隔離、HVDCケーブル、水素ガスタービン、そして日立と提携した小型モジュラー炉（SMR）設計に注力しています。

出典: GE Vernova

米国における供給問題と産業機器の不足は、同社にとって機会となり得ます。2028年までに新しい生産施設に向けた総額90億ドルのグローバル設備投資とR&D投資計画があり、次世代核燃料設計に5,000万ドル、ガス電力とLNG輸出に3億ドル、2026年までに米国内工場に6億ドルなどが含まれます。

GE Vernovaの事業範囲が広いため、同社株式の投資家は、次の5〜10年でどの技術がエネルギー転換で勝つかを正確に予測する必要はありません。

• 天然ガスが重要であり続けるなら、GE Vernovaはすでにこの分野の主要プレーヤーです。
• 原子力が本当に復活すれば、原子力タービンとSMRが成功します。
• 水素、風力、揚水、炭素回収・隔離が急成長すれば、GE Vernovaもこれらの市場の一部を獲得できるでしょう。

したがって、電力需要の増加、より良いグリッドの必要性を認識し、GEが水力、風力、原子力、あるいはほぼすべてのエネルギー形態で解答の一部になると確信している投資家にとって、GE Vernovaは検討に値する優良株です。

GE Vernovaの最新情報