スマートグリッド：全家庭に安全で信頼性の高い電力を

テキサス州の電力網をモデルとした過去最大規模のシミュレーションにより、消費者が電力会社と提携することで、年間電気料金を約15%節約できることが結論付けられました。このシステムでは、消費者が電力会社オペレーターと連携し、ヒートポンプ、給湯器、EV充電ステーションなどの大型エネルギー機器を動的に制御します。

トランザクティブエネルギーシステムの概念

エネルギー供給と使用パターンに対するこの種の柔軟な制御は、消費者と電力会社の合意に基づくため「トランザクティブ（取引的）」と呼ばれます。しかし、トランザクティブエネルギーシステムは大規模に導入されたことがなく、多くの未知数があります。そのため、エネルギー省電力局は、太平洋北西国立研究所（PNNL）のトランザクティブエネルギー専門家たちに、実際の運用でどう機能するかを研究するよう依頼しました。

PNNLのトランザクティブエネルギー専門家兼テクニカルアドバイザーのHayden Reeve氏が、エンジニア、エコノミスト、プログラマーのチームを率いて研究を設計・実行しました。

「テキサス州のグリッドは国家のエネルギーシステムをかなり代表しているため、トランザクティブ概念のモデリングとシミュレーションを可能にしただけでなく、結果と潜在的な経済的影響を、全米のグリッドと顧客へ確実に外挿できました」と同氏は述べています。

シミュレーション結果：ピーク負荷削減と巨大な経済効果

シミュレーションでは、トランザクティブエネルギーシステムをテキサス州電力信頼性協議会（ERCOT）グリッドに導入した場合、ピーク負荷が9〜15%削減されることが示されました。この節約は、テキサス州だけで年間最大50億ドル、全米大陸規模で導入すれば年間最大500億ドルの経済効果に相当します。この節約額は、全国で石炭火力発電所180基分の年間出力に匹敵します。

気候変動時代のグリッド脆弱性への対応

今や多くの人が、異常気象や自然災害が配電システムに大混乱をもたらすのを経験または目撃しています。その脆弱性は、少数の集中電源への依存と、需給バランスに苦慮するグリッドシステムによって増幅されています。さらに、電力グリッドの脱炭素化により、風力や太陽光などの多様な再生可能エネルギーからの電力が増加します。したがって、急激なスパイクやディップ（ブラウンアウトやブラックアウト）を回避することが最重要になります。

研究結果によると、トランザクティブエネルギーシステムは日負荷変動を20〜44%削減します。EVが普及するにつれ、スマート充電ステーションがスケジュール充電時間と消費電力の柔軟性を追加で提供するため、さらに大きなピーク負荷削減効果が得られます。

「スマートグリッドはショックアブソーバーとして機能し、需給のミスマッチを平準化できます」とReeve氏は述べています。

スマート家電と負荷制御が鍵

この戦略の重要な要素は、スマート家電と負荷制御の採用です。これらの動的リソースは、エネルギーをより効率的に消費するよう学習し、他のニーズのために電力を空けるために短期間使用を調整できます。例えば、エネルギー需要と価格が高い早夕方にEVを充電する代わりに、トランザクティブエネルギー参加者はスマート負荷制御を利用し、需要が低く電気が安い時間まで充電を遅らせます。このアプローチは既存グリッドインフラへのストレスを軽減するだけでなく、現在開発中の次世代エネルギー貯蔵・配電インフラの計画に、電力会社により多くの時間を与えます。

動的価格設定で需給を調整

トランザクティブエネルギーシステムでは、電力グリッド、住宅、商業ビル、電気機器、充電ステーションが常時通信します。スマートデバイスは一日のさまざまな時間帯のエネルギー価格予測を受け取り、消費者の嗜好を満たしながらコストと全体的な電力需要を削減する戦略を立てます。ローカル小売市場が全体的な需要をより大きな卸売市場と調整します。すべての当事者が、動的価格設定スキームでエネルギー調達と消費レベル、コスト、タイミング、供給を交渉します。

実証プロジェクトで実用化を検証

この概念は、スポケーン市のエコ地区での実証プロジェクトですでに導入されています。ここでは研究チームが、トランザクティブエネルギー調整スキームと小売マーケットプレイスの開発・テストを行っています。PNNL考案のトランザクティブソフトウェアエージェントも使用されています。

詳細なモデリングと複数シナリオシミュレーション

テキサス州の主要電力グリッド（ERCOT）がPNNLの広範な分析の基礎となりました。研究者たちは、100以上の発電源と送電システムで運用される40の異なる電力会社、60,000軒の住宅と企業、およびそれらのエネルギー消費機器を詳細にモデル化しました。

モデルを用いて、さまざまな再生可能エネルギー発電シナリオ下で複数のシミュレーションを実施。各シミュレーションで、風力や太陽光などの間欠的電源の追加量の違いに対してエネルギーシステムがどう反応するかを実証しました。また、オペレーターと顧客の年間コスト影響を理解するための詳細な経済モデルを開発し、労働・ソフトウェア費用、住宅・企業へのスマートデバイス購入・設置コストなどの初期費用も検討しました。

配電システムオペレーターという新たな仲介者

もう一つの重要な目標は、グリッド経済における新たな仲介者の影響評価でした。この主体は「配電システムオペレーター」と呼ばれ、異なる主体が所有・運営し、異なる時間と量でグリッドにエネルギーを供給する複数のエネルギー源を持つグリッドを管理するために必要とされます。さらに、この配電システムオペレーターは、柔軟な負荷制御を可能にする顧客との取引を交渉します。

全体として、PNNLの研究は、クリーン再生可能エネルギーがより大きな貢献者となり、輸送ニーズの多くが電力へのアクセスに依存する未来に対応するため、電力グリッドをどう再考できるかの明確な利益を示しました。