カテラ・モラン・エスコバルさんはずっとマイホームを持つことを夢見ていましたが、まさか初めての家がエネルギー実験場になるとは夢にも思っていませんでした。昨年7月、エスコバルさんと家族は、コロラド州アスペンのすぐ北にある小さな町バサルトにある、手頃な価格の新築住宅プロジェクト「バサルト・ビスタ」に引っ越しました。この開発は、ロアリングフォーク・バレーの住宅価格高騰への防波堤となるだけでなく、あらゆる住宅を分散型発電所の付属物に変えてしまう可能性のある、先進的な送電網技術を実験するための生きた実験室でもあります。
バサルト・ビスタは、消費する電力と発電する電力を同量ずつ供給するオール電化コミュニティとして設計されています。各住宅には、ガレージに電気自動車用充電器、地下室に大型バッテリーパック、そして屋根にソーラーパネルが設置されています。各住宅はマイクログリッドとして連携し、地域の電力網から独立して運用できる自立型配電網を形成しています。これらのエネルギーシステムは連携して、地域全体のエネルギー負荷を均衡させます。ソーラーパネルがエネルギーを集積し、接続されたEVが必要に応じて電力を蓄電し、大型バッテリーパックが日照不足の時に電力を供給します。
しかし、Basalt Vistaのマイクログリッドのユニークな点は、電力を自律的に配分することです。各家庭の地下には、インターネットに接続された制御ボックスが設置されており、実験的なソフトウェアが稼働しています。このソフトウェアは、マイクログリッド全体の電力配分と、より大規模な地域電力網との間の電力の流れを継続的に最適化します。ある家庭が必要以上の電力を発電した場合、その家庭は近隣の家庭に再分配するか、後で使うために蓄電するかを自律的に判断します。「私たちは機械の操作は一切必要ありません」とエスコバー氏は言います。「家全体が自動で動いているのです。」
Basalt Vistaは、いわゆる「仮想発電所」のテストベッドです。仮想発電所とは、集中型の公共事業を分離し、電力網全体に電力を分配する、自己最適化型のエネルギー資源ネットワークです。マイクログリッドと同様に、仮想発電所は屋上ソーラーパネル、EV充電器、バッテリーパックなどの分散型エネルギーシステムで構成されています。マイクログリッドとの違いは、仮想発電所は大規模な電力網から切り離して設計されているわけではないことです。むしろ、分散型エネルギー源を集約・制御することで、大規模な集中型発電所の機能（発電と蓄電）を、より広範な電力網のために実行します。
この仮想発電所は、広範囲に分散した電力生産者と消費者の間で需要と供給を効率的にマッチングさせることで、再生可能エネルギーシステムに内在する変動性に対する解毒剤となる可能性があります。今のところ、この技術はバサルト・ビスタのエスコバーさんと近隣住民の地下室で稼働しています。しかし、この実験が成功すれば、将来的には数百万世帯の電力を制御できるようになるかもしれません。
「従来、私たちは集中型の発電所から比較的受動的な消費者へ、一方通行の送配電網を通して電力サービスを提供してきました」と、コロラド州のバサルト、アスペン、その他の近隣地域に電力を供給する小規模な非営利公益事業会社、ホーリークロス・エナジーのCEO、ブライアン・ハネガン氏は語る。「この構造は劇的に変化しており、今では消費者も電力を生産しています。発電所はもはや大規模で集中型ではなく、無数に分散配置されています。」
コロラド州の全電化、ネットゼロ住宅開発、バサルト・ビスタの新しい住宅の一つの屋根に作業員が太陽光パネルを設置している。
ホーリークロスエナジー提供2018年にホーリークロス研究所の責任者に就任する前、ハンネガン氏はデンバー郊外にある国立再生可能エネルギー研究所のエネルギーシステム統合施設の初代所長を務めていました。この施設は「グリッド・イン・ア・ボックス」として構想され、研究者は太陽光パネル、電気自動車、蓄電システム、その他のいわゆる「分散型エネルギー資源」が電力網における電力の流れにどのような影響を与えるかを研究することができました。
家庭や企業が再生可能エネルギー発電・蓄電システムを導入するケースが増えるにつれ、中央集権型の電力会社にとって電力需給管理はますます困難になっています。必要な時に必要な顧客に電力を供給することは、石炭、天然ガス、原子力といった予測可能な燃料で稼働する少数の大規模発電所があればより容易です。しかし、分散型エネルギーシステムによって生産されるエネルギーは再生可能であり、したがって非常に変動が激しく、太陽が照っている時もあれば、照っていない時もあります。さらに、分散型システムは数多く存在します。電力会社は、少数の大規模発電所を管理する代わりに、数百万の小規模発電所を管理しなければならなくなります。
「電力会社は、エンドユーザーへの電力販売から、ネットワークと電力フローの管理へと移行しつつあります」と、非営利団体電力研究所の分散型エネルギー資源担当シニアプログラムマネージャー、ハレシュ・カマス氏は述べています。「これらのエネルギーシステムをエンドユーザーの近くに設置することには多くの利点があり、特に電力会社がそれらを統合・調整する手段を持っている場合はなおさらです。」
再生可能エネルギーを利用場所の近くで発電・貯蔵することで、たとえ山火事などの災害によって送電網の他の部分が被害を受けたとしても、電力が利用者に供給され続けることを保証し、送電網のレジリエンス（回復力）を高めることができます。しかし、レジリエンスには効率性という代償が伴います。分散型で変動性の高いエネルギー資源の急増は、電力需要の不確実性を生み出し、電力会社は過剰に生産するか、不足するかのどちらかになります。NRELのエネルギーシステム統合施設に所属するハンネガン氏と彼の同僚たちは、クリーンでレジリエントかつ効率的な電力供給を実現するためには、将来の送電網は大部分を自己管理する必要があることは明らかだと考えていました。
2016年、米国エネルギー省は国立再生可能エネルギー研究所（NREL）に対し、ネットワーク最適化分散型エネルギーシステム（NODES）プログラムの一環として、自律型グリッド制御ソフトウェアの開発のため、420万ドルの助成金を交付しました。NODESプロジェクトリーダーのアンドレイ・バーンスタイン氏によると、この構想は、個々の家庭レベルとグリッド全体レベルの両方で電力供給を最適化するアルゴリズムを開発することだったという。
「問題は、現在の技術では膨大な量の分散型エネルギー資源を統合できないことです」とバーンスタイン氏は語る。「NODESが実現するのは、太陽光パネル、バッテリー、電気自動車など、システムのエッジで制御可能な数百万台のデバイスを統合できるプラグアンドプレイ・プラットフォームです。」
バーンスタイン氏とその同僚が開発したアルゴリズムは、電力網を双方向の交通路へと変貌させます。中央集権的な電力会社がエンドユーザーに電力を供給するトップダウン方式ではなく、自律制御ソフトウェアによって分散型エネルギーシステムが余剰電力を可能な限り効率的に大規模な電力網へと送り返すことを可能にします。晴れた日に屋上のソーラーパネルが所有者の必要量をはるかに超える電力を発電している場合、電力会社が石炭や天然ガスを大量に燃やす理由はありません。しかし、分散型発電を監視する自律制御ネットワークがなければ、電力会社は盲点を抱え、余剰のクリーンエネルギーを活用できません。
NRELで開発された自律グリッド制御ソフトウェアは、数万のエネルギーシステムを制御できるように設計されました。しかし、実験室でうまく動作するものが、必ずしも現実世界の混沌とした状況に対応できるとは限りません。そこで、NRELのグリッド・イン・ア・ボックス・ラボで3年間アルゴリズムをテストした後、NODESチームは現場でのテスト準備が整いました。自律ソフトウェアはまず、カリフォルニア州の小さなブドウ園のマイクログリッドでテストされ、その後、バサルト・ビスタに最初に建設された4軒の住宅の地下室に設置された小型の制御ボックスにインストールされました。
ホーリークロスが自律型グリッド制御ソフトウェアを採用したことは、分散型再生可能エネルギーシステムの普及が必ずしも電力会社にとって致命的な脅威ではないことを示しています。電力会社の観点から見ると、屋上ソーラーパネル、蓄電池、その他の分散型エネルギーシステムの普及は、効率的かつ信頼性の高い電力供給を困難にしていました。バサルト・ビスタの実験は小規模かもしれませんが、分散型再生可能エネルギーシステムを自律的に制御し、グリッドの信頼性を高めることが可能であることを証明しています。
「多くの地域では、電力会社にとって、分散型リソースを大規模に活用する方法を見つけるのは依然として課題です」と、独立系サステナビリティ研究機関であるロッキーマウンテン研究所の電力実務マネージャー、チャズ・テプリン氏は語る。「ホーリークロスの取り組みは実に素晴らしいと思います。彼らは協力的なアプローチを採用しており、それぞれの持ち寄ったリソースから誰もが恩恵を受けられるからです。」
エスコバー氏は、エネルギー実験住宅に住むことにはメリットがあると言う。消費する電力と発電する電力が同じだけの住宅に住むことで環境面でのメリットがあるだけでなく、家計にも優しいと彼女は言う。夏の間、電気代は月々わずか12ドルだったという。冬は暖房に電力を多く使うため電気代は高くなるが、年間平均で電気代は大幅に節約できるとエスコバー氏は期待している。「手頃な価格でネットゼロエネルギー住宅に住むことは、環境にも家計にも素晴らしいことです」とエスコバー氏は言う。「このモデルが他の場所でも再現されることを願っています。」
Basalt Vista社は再生可能エネルギーシステムの自律制御の先駆者ですが、仮想発電所（VPP）を研究している電力会社は同社だけではありません。ユタ州では、600戸の新築アパートに太陽光発電パネルと蓄電池が設置され、地元の電力会社Rocky Mountain Power社にバックアップ電源と需要応答を提供しています。また、バーモント州のGreen Mountain Power社は、夏季のピーク電力需要を相殺するため、テスラのPowerwallバッテリーシステムを一般家庭に設置するための補助金を出しています。
これまでのところ、仮想発電所の実証実験の結果は有望です。電力会社とその顧客のコスト削減、系統における再生可能エネルギーシステムの導入量の増加、そして地域電力網のレジリエンス強化に貢献しています。これらの実証実験はそれぞれ比較的小規模ですが、自律的な系統制御技術の登場は、誰もが自分の家が発電所となる未来を示唆しています。
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