風力・太陽光エネルギーの導入が進むにつれ、電力網の運用者は課題に直面しています。太陽や風の変動性に、どう対応すればよいのでしょうか。
カリフォルニア州は、道路の衝撃を和らげるショックアブソーバーのように、太陽光・風力発電の電力供給の変動を平準化するため、 数十億ドル を蓄電池に投じる計画です。しかし、その必要はあるのでしょうか。まったくありません！
私の 研究では、蓄電池を使わなくても、再生可能エネルギーで50％賄う電力網に対応できることが分かりました。
太陽光・風力の発電量の増減に対応できる柔軟なシステムは、何百万もの家庭や事業所の電力使用を、分単位、さらには秒単位で調整することで実現できます。この方法に必要なのは、新たなハードウェアではなく、制御ソフトウェアと消費者の少しの協力です。
大規模な需給調整
すでに、風力や太陽光から調達した電力によって、電力網に流れ込むエネルギーに大小の「変動」が生じています。
例えば、太平洋岸北西部の典型的な週では、電力供給量が1時間に10億ワットを超えて増減することがあります。これは、100万世帯に電力を供給できる巨大な原子力発電所1基分の出力に相当します。
緑の線を見てください。風力発電量は変動が大きく、実際の電力需要（青線より下の赤線）と必ずしも一致しません。
ボンネビル電力公社
この地域の電力網運用者にとって、これは非常に大きな課題です。電力の大幅な変動には、風が吹いているときに充電し、風が穏やかな時間帯に放電できる、同じく大規模な蓄電設備が必要になります。
現在、電力の需給バランスは、蓄電よりも発電量を増やすことで主に調整されています。
電力網の運用者は、利用可能な場合、化石燃料発電機や水力発電所から得られる「需給調整予備力」を活用します。これらの発電所は、電力網の需給調整機関からの信号に応じて出力を増減させます。これは、信頼性の高い電力網を維持するために必要な多くのアンシラリーサービスの一つです。
多くの州が新たなアンシラリーサービスの供給源を急いで探しており、連邦政府もインセンティブを模索しています。連邦エネルギー規制委員会（FERC）の命令745、755、784は、 電力網の需給調整に応答性の高い資源を活用するための金銭的インセンティブを設けるべく、政府機関が近年講じた対応策です。
蓄電池が解決策なのか？
蓄電はあらゆるところにありますが、電気以外にも目を向ける必要があります。
例えば、 大型オフィスビルを考えてみましょう。10分から15分の間、ファンの電力を10％減らしたり増やしたりしても、誰かが気づくでしょうか。建物の利用者の快適性を損なうことなく、電力のこうした調整によって、電力網の需要のかなりの部分を賄えます。建物は熱慣性、つまり熱を蓄える働きがあるため、仮想蓄電池と見なすことができます。
より長い時間についてはどうでしょうか。住宅用プールのポンプ（灌漑用ポンプも同様）は、フロリダ州とカリフォルニア州で大きな負荷となっており、各州で10億ワットを大幅に超えます。しかも、1日の異なる時間帯に運転できます。
機器ごとのチップや、複数の機器を制御する家庭用コンピューターによるローカルな知能を活用すれば、フロリダ州にある100万のプールを大規模な蓄電池として利用できます。一方向通信によって、各プールは電力網運用者から制御信号を受け取ります。各プールは、直近の清掃時間など自身の要件と電力網の必要性に基づき、稼働・停止を切り替えます。オフィスビルの場合と同様、消費者には望むサービスが確実に提供されます。
もちろん、プールは、電力を多く消費する一方で柔軟に調整できる負荷の一例にすぎません。
揚水ポンプ、冷蔵庫、給湯器などのオン・オフ負荷には、再生可能エネルギー発電による変動を正確に打ち消せるよう、特別な種類の知能が必要です。成功の鍵はランダム化です。同期を避けるため（すべてのプールが一斉に停止するのは望ましくありません）、ローカル制御には特別に設計された「コイントス」の仕組みが含まれます。各負荷は、自身の環境と電力網の状態に応じた確率で稼働または停止します。
各負荷が提供するサービスの品質に厳格な制限を設けながら、電力網に対して極めて信頼性の高いアンシラリーサービスを提供できます。例えば、スマートサーモスタットを使えば、希望する制約に応じて室温の変動を1度以内に抑えられます。冷蔵庫は冷たさと信頼性を保ち、プールには藻が発生しません。
ここから先、何をすべきでしょうか？
まず、今日の電力網が驚くほど堅牢であることを尊重しなければなりません。
これは、最初の人類を月へ送り、今日の航空機を高い信頼性で運航させている自動制御理論にも通じる、巧みな制御工学の成果です。電力網の複雑な動態を理解する制御・電力エンジニアと協力せずに、電力網を変革できると考えてはなりません。需給調整を急ぎすぎた場合にも、対応が遅すぎた場合にも、不安定化や停電が起こります。
今後数年のうちに、工学上の課題の大部分は解決されると確信しています。電力にとって、わくわくする時代です！
「インテリジェント」な負荷、つまり制御装置を備えた機器は、発電機や蓄電池とともに電力の需給を調整できます。
著者、著者提供
次の課題は、参加を促すことです。
現在、フロリダ州の約75万世帯が電力会社Florida Power & Lightと契約を結び、緊急時にプールのポンプや給湯器を停止できるようにしています。どうすればこうした契約を拡大し、何百万もの住宅所有者や 商業用ビルの運営者 に、必要な仮想蓄電を担ってもらえるでしょうか。電力網の需給調整に対するアンシラリーサービスの報酬を定めた最近のFERC規則は、インセンティブを提供するための貴重な第一歩です。
消費者の快適性を損なわないため、インセンティブはほとんど必要ない可能性もあります。柔軟性を提供するのはプールや冷蔵庫であり、住宅所有者ではないからです。
家電製品に少しの知能と柔軟性を持たせれば、持続可能なエネルギーの未来は実現可能で、費用もかかりません。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
アジェンダの最新情報を得るには、 週刊ニュースレターにご登録ください。
著者：Sean Meynは、 フロリダ大学
の電気・コンピューター工学教授です。
