デジタルグリッドでバランスをとる

東京大学の阿部力也教授は、数年前からデジタルグリッド構想という需要変動に強い電力網(グリッド) を提案している。ここで用いられる電力は、原子力では危険すぎ、化石燃料の使用はできる限り減らしたい。そのため、再生可能エネルギーこそ持続可能な国作りに必要ではないだろうか。発電量の変動が大きい太陽光や風力、水力などの再生可能エネルギーの比率を上げることは、これまでは避けられてきた。しかしデジタルグリッド構想は、再生可能エネルギーを導入しても、変動に柔軟に対応できるのである。

図3は、その概念図だ。電力網には太陽光、風力、水力などに加え、人工的に制御しやすい火力や天然ガスも残しておく。ここでは、電気自動車のバッテリも電源として使う。そして、家庭や企業で電力を消費するのだ。電力は常に、発電と消費のバランスがとれていなければならない。発電量を増やすなら、その分消費する必要がある。逆に大量に消費するのなら、大量に発電しなければならない。一つの地域で、発電量と消費量を常に監視し、バランスがとれるように域内で電力を融通しあうのである。快晴の地域と大雨の地域では太陽光による発電量が全く異なるため、消費量が二つの地域で同じなら快晴の地域から大雨の地域へ電力を供給することでバランスをとる。そして全体的に発電量が足りなくなれば、バッテリから電気を供給する。

[図3] デジタルグリッドのコンセプト
再生可能エネルギーの変動波及や連鎖停電を抑制できる
出典：東京大学 阿部力也教授

このデジタルグリッドを導入した地域では、図2で示したように、電力量をモニターするための半導体、電力を他の地域へと送り出すための半導体など、多くの半導体が使われる。半導体はシステムの頭脳であり、手足でもあるからだ。

電力の需給バランスが崩れると、どちらかの地域で電圧が高くなり、一方から他方へ電力がどっと流れてしまい(逆潮流という)、一方は電力不足で停電になり、他方は過剰な電力を雷のように放電せざるをえなくなり、とても危険な状態になる。また、電力は常に50Hzあるいは60Hzの交流電力で、プラスとマイナスの位相を規則正しく制御しなければならない。位相がずれたり電圧が高まったりすると、逆潮流が起きやすくなる。このため電力は、電圧と位相を正確に制御されなければならない。

また、送電網の効率を上げるため、直流送電が提案されている。これまでの交流送電は電線の周囲に磁力線を発し、それが損失になるため、電力が発電所から手元に届く間の損失が大きくなる。このため、交流を直流に変換して、高い直流電圧で送電する検討がなされているのだ。すでに直流送電は、洋上風力発電所から海中を経て上陸する送電に使われている例がある。直流送電には、高電圧のスイッチング用パワー半導体やそのドライバ、制御マイコンなど、半導体の出番は多い。

テクノロジーの視点から国内での電力融通できれば、大災害でも対処しやすく、再生可能エネルギーの比率も上げられるようになる。電力融通、バッテリ開発、デジタルグリッド推進などを多角的に進めることで、エネルギーはもっと効率を高められるだろう。