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スマートグリッドとは?IT技術と自然エネルギーが結びついた次世代電力網

スマートグリッドとは?IT技術と自然エネルギーが結びついた次世代電力網

スマートグリッドとは?IT技術と自然エネルギーが結びついた次世代電力網

スマートグリッドとは、通信端末やネットワークなどのIT技術を組み込んだ次世代型の電力網のことです。

スマートグリッドのもっとも身近な例が、「スマートメーター」を活用した電力ネットワークです。スマートグリッドは、北米を中心にヨーロッパで導入が進んでいますが、日本でも関連技術が盛んに研究され、大手電力会社が導入をはじめています。

スマートグリッドのスマート(smart)は「賢い」、グリッド(grid)は「電力網」を意味します。「賢い電力網」とは、従来の電力網とどのような点で違うのでしょうか。

ポイントとなるのは、「需要に合わせた発送電」と「再生可能エネルギー」です。この記事では、「スマートグリッドとはなにか」という疑問に答えつつ、スマートグリッドの課題や実社会への貢献について解説します。

スマートグリッドとはIT技術を活用した次世代電力網

スマートグリッド(smart grid)とは、情報通信技術(ICT)を活用した次世代の電力ネットワークのことです。

その特徴から、「賢い電力網」と呼ばれることもあります。スマートグリッドの代表的な例として、「HEMS(Home Energy Management System)」や「スマートメーター」が挙げられます。

スマートグリッドという考え方は、大規模な停電に悩むアメリカで生まれました。アメリカ全土には、およそ30万キロメートル以上にわたる電力網が敷設されていますが、深刻な老朽化が進んでおり、地域の特性やピークタイムに応じた電力需要の変動に対応できませんでした。実際に2003年には、アメリカ東部のほぼ全域に渡って、大停電が発生しました。

また、その3年後の2006年には、カリフォルニア州の多くの地域で162分間におよぶ停電が発生しました。こうした状況を打開し、リアルタイムな電力需要の変化に応じて効率よく送電を行うため、IT技術を取り入れたスマートな電力網の導入がはじまりました。

スマートグリッドの特徴は、大きくわけて2点あります。スマートグリッドでは、電力を供給する発電所と、住宅や事業所といった電力消費地がネットワークで結ばれ、双方向でデータをやりとりします。これにより、供給サイドはリアルタイムで電力需要を把握できます。

また、スマートグリッドを通じて、電気の発電量や供給量を遠方から調整できるため、必要な電力を必要なだけ送信できます。電力ピーク需要に合わせ、柔軟な電力供給を行うことで、停電などのリスクを回避できるのがスマートグリッドの特徴です。

スマートグリッドが考案されたのは、大規模停電を防ぐためでした。しかし、近年では再生可能エネルギーの利用を促進するための手段としてもスマートグリッドが注目されています。太陽光発電、風力発電、バイオマス発電といった自然エネルギーは、発電量が不安定なため、既存の電力網に組み込むのが困難でした。

スマートグリッドであれば、電力需要に応じ、複数の電源から電力を融通できるため、再生可能エネルギーのデメリットをカバーできます。

スマートグリッドの仕組みと使われている2つの技術

スマートグリッドにより、計画的な発送電を行うために欠かせないのが、各家庭や事業者に配備された「スマートメーター」です。また、発電所から送られてくる電気だけでなく、太陽光発電や風力発電を活用し、クリーンエネルギーの地産地消が進められています。

その場合は、「HEMS」のような電力コントロールシステムのほか、パワーコンディショナーや蓄電池が必要です。スマートグリッドは従来の電力ネットワークと異なり、多くの情報通信技術が使われています。

スマートメーターは、都市部を中心に導入が進みつつある次世代電力量計です。

従来の電力量計と異なり、メーターにはマイクロコンピューターや通信機器が内蔵されています。スマートメーターは従来の電気メーターと同様に、各家庭や事業所での電力使用量を計測するほか、電力の消費量データを検知する機能や、電力量を遠隔制御する機能を持っています。

スマートメーターで各家庭や事業所の電力消費量のデータを集め、ネットワークを通じて電力会社の監視制御装置に送信することで、電力の消費予想を立てられるようになりました。

従来のグリッドは、供給サイドから各家庭や事業所などの需要サイドへ一方的に送電を行う中央集中型のシステムでした。アナログ式の誘導型電力量計では、月間消費量や積算消費量しかわからなかったため、一定量の送電しか行なえませんでした。スマートメーターの普及により、時間単位や地域ごとの電力需要のピークにあわせ、柔軟に発送電を行えるようになりました。

スマートグリッドにクリーンエネルギーを取り込む場合は、それぞれの発電設備の発電量をコントロールするHEMSが必要です。太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、またはエネファームのような小型コージェネレーションシステムを導入する場合、電源が分散されます。

HEMSのような電力コントローラーが、住宅・事業所全体をネットワーク化することで、分散された電源と家電・住宅設備を効率的に結びつけられます。そのほか、自然エネルギーを取り入れたスマートグリッドを実現するには、自家発電による直流の電力を交流に変換するパワーコンディショナーや、発電量の不安定さを補うメガワット単位の蓄電池が必要です。



スマートグリッドが果たす3つの役割・メリット

スマートグリッドを導入すると、3つのメリットが得られます。スマートグリッドは各家庭や事業所での電力使用量を「見える化」するだけでなく、電力の需給バランスをきめ細かく調整できます。

また、自然エネルギーをスマートグリッドに組み込めば、電源を分散させて電力網をより安定させられます。ここでは、スマートグリッドが実社会に果たす役割について、具体例を交えながら解説します。

  • スマートメーターで電気の使用量を「見える化」できる

スマートグリッドを推進されれば、各家庭や事業所にスマートメーターが設置されます。

スマートメーターは、電力消費量をほぼリアルタイムで計測し、モニターを通じてわかりやすく表示できるため、電気の使用量を「見える化」できます。実際、現在導入されているタイプのスマートメーターは、30分ごとに電力使用量を計測することが可能です。

電力使用量をもとにして、家庭内や事業所内で電気製品がどのように使われているかがわかるため、電気の使い方を工夫できます。また、電力使用量のデータは供給サイドの電力会社にも送信されるため、リアルタイムに電力需要を把握し、必用な時に必用なだけ発送電を行えます。電気を作る側も利用する側も、賢く電気を扱えるのが、スマートグリッドの利点です。

  • 電力の需要・供給のバランスを効率的に調整できる

スマートグリッドは、スマートメーターを通じて電力需要を把握し、必要なだけ電力供給することを可能にします。電力消費は1日の時間帯によって大きく変動します。とくに電力需要が大きい日中の時間帯に発送電を行い、需要が小さい夜間に発送電を押さえて蓄電することで、エネルギーを効率的に運用できます。このことを「ピークシフト」と呼びます。

大規模停電が起こりやすいアメリカと比べ、電力網が整った日本は停電が発生しづらい傾向にありますが、より安定した電力供給のためにはスマートグリッドが欠かせません。

また、ピークシフトを行うことには、送電途中の電力ロスを防ぐ効果もあります。従来の中央集中型のグリッドでは、発電所から家庭・事業所へ電気が届くまでの間、およそ5%強の電力が失われます。

電力需要に見合わない量の送電を行えば、使われない電気だけでなく、送電ロスで失われる電気も無駄になります。電気の無駄を減らし、エネルギーを効率的に利用できるのがスマートグリッドです。

  • 自然エネルギーを活用して電力網を安定させられる

スマートグリッドの導入が進めば、従来の「集合型電源」と「分散型電源」の融合が進み、電力網がより安定します。集合型電源の具体例は、火力発電所や原子力発電所です。分散型電源とは、各家庭や事業所に小型の発電設備を設け、電力の地産地消を行うことです。

次世代型の電力ネットワークが構築されれば、集合型電源と分散型電源で互いに電気を融通しあい、電力供給のリスクヘッジができます。実際、すでに一部の電力会社は売電制度を導入し、太陽光発電システムの電気を買い付け、双方向的なグリッドを構築しています。たとえば、発電所が災害や事故に遭った場合でも、分散型電源から電力を借りることで、被害を軽減できます。緊急事態に強い電力網を構築できるのが、スマートグリッドの強みです。

スマートグリッドの導入にあたって解決すべき2つの課題

スマートグリッドをメリットばかりではなく、2つの課題を抱えています。ここでは、スマートグリッドのコスト面の問題や、セキュリティ対策の必要性について解説します。スマートグリッドの導入にあたっては、メリットとデメリットの両面を検討し、課題解決にあたることが大切です。

  • スマートグリッドは少なくない導入コストがかかる

スマートグリッドを実現するには、従来の電力網ではなく、情報通信技術と組み合わせた次世代型の電力網が必要です。そのため、設備投資が進んでいない地域では、多額の導入コストがかかる可能性があります。とくに電力網が老朽化しているアメリカの場合、供給サイドと需要サイトを結ぶ通信ネットワークの部分だけでも、10兆円規模の巨額な投資が必要という試算がなされています。

また、老朽化した送電線の補強には、アメリカ政府が設定した4,500億円を上回るコストが必要です。[1]日本には高度な電力網が存在し、アメリカよりもコストはかかりませんが、スマートグリッドは大きな投資となる可能性があります。

また、再生可能エネルギーをスマートグリッドに組み入れる場合、さらに大きなコストがかかります。経済産業省の試算によれば、再生可能エネルギーを大々的に導入し、電力供給の安定化のためにすべての家庭や事業所へ蓄電池を設置する場合、およそ50兆円の予算が必要です。

導入コストをすべて国や電力会社が負担するのか、一部を消費者が負担するのか、十分な議論が必要です。

もちろん、電力事業によって将来的なコスト回収が期待できます。また、電力供給が不安定になり、停電が起きた場合、1回あたりの損失は年間800億から1000億という試算があります。

発電所が災害や事故に遭うという安全保障上のコストも考慮すれば、再生可能エネルギーを導入し、スマートグリッドで電源を分散化することには大きなメリットがあります。

  • 電力供給システムへのサイバー攻撃が起きるリスク

スマートグリッドでは、電力網にネットワークやコンピューターを活用します。そのため、電力供給システムがサイバー攻撃の標的となり、大きな被害を招くリスクがあります。実際にウクライナでは、マルウェアの一種である「インダストロイヤー(Industroyer)」が電力会社のコントロールセンターに入り込み、大規模な停電が発生しました。

この事件で使用されたのは、たった数十バイトのコマンドであり、いかにマルウェアが脅威となりうるかを示しています。こうした状況に対し、グルーバルな電力事業の経営者を対象としたアンケート調査では、サイバー攻撃への対策が万全であると応えた企業は、全体の48%にすぎません。

スマートグリッドの障害が長期化すればするほど、壊滅的な被害が生じます。サイバーセキュリティ機能を持つシステムを構築するとともに、サイバー攻撃が起きた場合に速やかな状況分析と対応を行う体制作りが必要です。



日本におけるスマートグリッドの導入事例3つ

欧米だけでなく、スマートグリッドは日本でも導入事例が増えてきています。ここでは、そのうちの3つの事例を取り上げ、日本でスマートグリッドがどのような現状にあるか解説します。

  • 約2,900万台のスマートメーターの設置を目指す東京電力

東京電力は積極的にスマートメーターの設置に取り組んでおり、2014年4月から2017年2月末までの間で、すでに1,000万台を突破しています。2020年までには、東京電力の全サービスエリアで約2,700万台のスマートメーター設置を見込んでいます。

スマートメーターから収集したデータをMDMS(メーターデータマネジメントシステム)に接続し、さらに各小売電気事業者へとつなぐことで、首都圏を中心に広範囲なスマートグリッドを築いています。

  • 高品質な蓄電システムの実証実験を行うNEC

NECはイタリア大手電力会社と連携し、スマートグリッドに欠かせないリチウムイオン蓄電システムを開発し、実証実験を行っています。太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギーを電力網に組み込む場合、高性能な蓄電システムは欠かせません。気象条件の影響を受けやすく、発電量が不均衡なため、電力需要に対して安定的に供給するためには蓄電が必要です。

蓄電システムを用いた分散型電源については、東北の被災地3県でも実証実験を行っています。2011年7月には、家庭用蓄電システムの商品化に成功しており、以後はクラウド環境を組み込んだリモート管理可能な蓄電システムの開発に取り組んでいます。

  • スマートグリッドで10%のエネルギー使用量を削減した富士通

富士通は福島県伊達市において、計45施設にクラウド型EMSサービスを提供しています。EMSサービスとは、さまざまな電源の電気使用量を統合的に監視し、電気の「見える化」ができるエネルギーマネジメントシステムのことです。クラウド型のサービスのため、遠隔地からの監視制御も可能です。

福島県伊達市は震災以降、空調設備を増強した影響により、電気代が高騰していました。電気の使用量を「見える化」し、運用改善を行った結果、伊達市の事業所全体では約10%のエネルギー使用量カットに成功しています。一部の施設では、例年比50%の省エネ効果が得られました。スマートグリッド通信インタフェースの導入により、無駄な電力消費の削減に成功した事例の1つです。



スマートグリッドで柔軟な電力供給と再生可能エネルギーの利用促進

今回は、スマートグリッドの特徴や仕組みについて解説しました。スマートグリッドは需給バランスに応じた電力供給を可能にします。再生可能エネルギーの利用促進にもなり、日本社会に大きな役割を果たしています。

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