A16Z：分散型電源グリッド

著者：Ryan McEnrush、A16Zのパートナー：0xjs@Bitchain Vision

パワーグリッドは、ワイヤーと発電所で構成される巨大で複雑なシステムであり、私たちの経済と産業力の基盤にとって重要です。現在、米国は深刻な課題に直面しています。人工知能コンピューティング、リフロー、「電化」などの要因により、米国の電力需要は2040年までに増加すると予想されています。ほぼ2倍になりましたが、グリッドインフラストラクチャと操作を維持するのは困難です。

エネルギーが豊富な未来をつかむには、電力の生産、伝送、消費を簡素化する必要があります。分散型電源グリッド。大規模な発電所と長距離伝達線の建設は非常に面倒ですが、太陽エネルギー、バッテリー、高度な原子炉などの技術は新しい可能性をもたらしました。高価な長距離ケーブルングを避け、現場で直接展開することができるのは、これらおよび他の「ローカル」なテクノロジーです。これは、今後数十年にわたる負荷の大幅な成長をサポートするのに役立ちます。

歴史的産業の拡大は大規模な集中型発電所に依存していますが、21世紀は「中央放射」モデルから分散ネットワークまで、分散型の断続的なエネルギーへの移行を示しています。もちろん、この進化は新しい課題をもたらし、ギャップを埋めるためにイノベーションが必要です。

成長の問題

米国のグリッドは、3つの主要なインターネットネットワークで構成されています。17のNERCコーディネーターと、ISO（独立システムオペレーター）とRTO（地域伝送オペレーター）が管理しています。ただし、実際の発電と送信は、地元の公益事業会社または協同組合によって処理されます。この構造は、低負荷の成長の時代に役割を果たしてきましたが、今日の要求を満たすためにグリッドインフラストラクチャを拡大していますますます挑戦的で高価です。

アクセスの問題

Power Gridオペレーターが使用しますアクセスキュー新しい資産アクセスを管理するには、グリッドが不均衡なしに場所の新しい電力をサポートできるかどうかを評価し、必要なアップグレードのコストを決定します。今日、それ以上2000 GWグリッドへのアクセスを待っているため、2022年だけで700 GW以上のプロジェクトがキューに登場します。これはです1つ大きな数：米国の電力グリッド全体の設置容量はわずか1200 GWです。

しかし、実際には、グリッドに接続するコストのために多くのプロジェクトが撤回されました。歴史的には、キューに登録されたプロジェクトの10〜20％のみが達成されており、多くの場合、最終的に接続するために5年以上後に必要です。そして、それらの時間はより長くしか増えません。電子ジェネレーターは、多くの場合、最も安いアクセスポイントを特定して、コストがわかった後に不利な提案を撤回するために複数の投機的提案を提出するため、実現可能性調査を複雑にします。カリフォルニアグリッドオペレーターのCaisoは、2022年に新しいリクエストの受け入れを停止することを余儀なくされ、2024年にアプリケーションが急増したため、再びそうすることを計画していました。

これは、エネルギー移行における重要なレート制限要因とコストドライバーです。最近の米国エネルギー省の報告書は、2035年までに高い負荷成長を満たすために、新しい資産を統合する内部地域の伝達を128％増加させ、地域間の伝送が412％増加する必要があることを発見しました。より楽観的な予測は、それぞれ64％と34％で成長すると予想されます。

提案された改革は、この開発のバックログを軽減するのに役立ちます。連邦エネルギー管理委員会（FERC）は、提案をフィルタリングし、料金を増やすことでレビューをスピードアップする「最初の準備ができた、最初のサービス」ポリシーを実装しています。テキサス電力信頼性委員会（ERCOT）は、より高速なアクセスを可能にする「アクセスと管理」アプローチを採用していますが、グリッドの信頼性を脅かす場合、プロジェクトを切断します。これらのポリシーは進捗状況を示していますが、NEPAなどの他の規制を簡素化することも、建設を高速化するために重要です。

しかし、承認があっても、グリッド構造は、12か月以上の配達時間、大規模なパワートランスの価格の400％の高騰、特殊鋼の不足など、サプライチェーンの障害に依然として直面しています。変圧器の製造の開発という連邦政府の目標を達成することは、電気鋼産業、特に今後の2027年のエネルギー効率基準のサポートにも依存しています。これはすべて、グリッドブラックアウト（主に気象関連）が20年で最高レベルに達し、ハードウェアの交換が必要なときに発生します。

これには配送は含まれません

最終的に、建物の電力グリッドインフラストラクチャのコスト改革は、消費者価格の上昇に現れます。消費者が支払う「小売価格」は、卸売価格（電力の発生コスト）と配送料（必要なインフラストラクチャに電力を供給するコスト）の組み合わせです。重要なことは、安価な再生可能エネルギーと天然ガスの発電価格は低下していますが、送電の価格は急激に上昇しています。

この事件は多くの理由によって引き起こされます。ユーティリティは、顧客の発電からの損失を相殺するために配布請求書を使用して、固定されたリターンインフラストラクチャ投資からの収益を確保することを目指しています（コストプラス防衛契約と同様）。再生可能エネルギーの開発には、断続性のためにあまり使用されていない遠隔領域への送電線の拡張が必要です。さらに、電化と自己生成の増加に伴い、負荷はより不安定になり、ピーク需要のために設計されたインフラストラクチャは非効率的で費用がかかります。

政策と市場の調整は、これらの輸送コストの上昇に対処しており、屋上ソーラーなどの分散型電力システムの大規模な採用は顕著な例です。

カリフォルニアのネットエネルギーメータリング（NEM）プログラムにより、住宅所有者は、ユーティリティの流通コストを無視して、小売価格で過剰なソーラーをグリッドに戻すことができました。現在、最近の変化は本質的に卸売価格で電力を買い戻し、ピーク生成期間中のソーラーパネルの所有者の収益を減らし、これはしばしば最低の電力価格と一致しています。調整により、太陽光発電の回収期間が延長され、住宅所有者や企業が電力貯蔵に投資して、より収益性の高いときにエネルギーを販売するようになります。

また、カリフォルニア州のユーティリティは、固定料金が収入レベルに依存し、使用料が消費に依存する請求モデルを提案しました。この動きの目的は、裕福な顧客がより多くのグリッドインフラストラクチャコストを負担し、低所得者が小売電力価格の上昇から保護できるようにすることを目的としています。この特定のポリシーは、同様の極端ではないバージョンのために最近保留されていますが、このようなアイデアは、裕福なユーザーが完全にグリッドから外れていることにつながる可能性があります。裏切りにより、残りのユーザーはより高いコストを支払い、「死のスパイラル」を引き起こす可能性があります。一部の人々は、ハワイの電力市場で起こったと信じており、一部の地域では電気ヒートポンプに急速に回転しています。

点灯してください

電気は魔法ではありません。いつでも、生成された電力は、電力需要に関連している必要がありますまたは「ロード」マッチ。より高いレベルでは、グリッドの安定性は、米国では60 Hzの一定の周波数を維持することに依存しています。

過度の電力線容量（グリッドへの電力の投棄）によって引き起こされる輻輳は、電力制限と現地の価格の違いにつながる可能性があります。周波数偏差は、発電機とモーター機器に損傷を引き起こす可能性もあります。風力、太陽光、バッテリー – 慣性を欠くリソースのリソース – 増殖する際の周波数の安定性。極端な場合、逸脱は停電やグリッド接続機器の損傷さえもつながる可能性があります。

グリッドの固有の脆弱性により、それに関連する資産は、信頼できる供給を予測される需要に合わせるために慎重に考慮する必要があります。「電化」（需要の急増）の増加と組み合わされた断続的な電源（信頼性の低い供給）の成長がもたらします厳しい挑戦。

いつ十分ですか？

負荷の約3分の2は、数日前に（ほとんど）卸売市場によってバランスが取れており、価格は必要な最後の電力単位のコストによって決定されます。再生可能エネルギーには限界コストがなく、通常、アクティブな場合、他のエネルギー源よりも高く入札され、価格の変動をもたらします。再生可能エネルギーが需要を満たす場合、価格は非常に低く、価格はより高価なエネルギーが必要な場合に高くなります（注：入札は異なります。エネルギーコストの平準化lcoe。））

太陽と風力の予測不可能性、および老化した化石燃料発電所の閉鎖は、グリッドの安定性に圧力をかけます。これにより、2022年のカリフォルニアの2400 GWH廃棄物など、停電（過小生産）と電力制限（過剰生産）につながる可能性があります。この問題に対処するには、エネルギー貯蔵と伝送の改善への投資が必要です（以下で説明）。

さらに、電力供給がより予測不可能になるにつれて、その費用対効果と柔軟性のために、天然ガスはますます重要な役割を果たします。天然ガスは通常、必要なときにのみ開始される「ピーク発電所」を通じて再生可能エネルギーをサポートします。一般的に言えば、太陽光と風力エネルギーの断続的な性質により、ガス発電所やその他の種類の発電所は断続的に収益性が高くなり、技術的な理由により継続的な損失で走ることさえあります。したがって、「ピーク発電所」が再生可能エネルギーの停止がより高いコストにつながるときに卸売価格を設定する場合、消費者にボラティリティを引き起こします。

電気の需要も変化しています。ヒートポンプなどの技術は省エネですが、再生可能エネルギーの生成が低い冬にはピーク荷重につながる可能性があります。これには、グリッドオペレーターが特定の電力資産を保持する必要があり、多くの場合、リソースの妥当性計画における再生可能エネルギーを無視します。グリッドオペレーターは通常、「10分の1」ルールに従い、10年ごとに電力不足を受け入れますが、実際の計算はより複雑です。Ercotでは、価格上昇のインセンティブを置き換える従来の能力市場が不足しているため、再生可能エネルギーがグリッドに入るにつれて「緊急埋蔵量」が増え続けています。

カリフォルニアのようなエリアは、昼光の浸水と需要が増加するにつれて、グリッドオペレーターが20 GW以上の電力を急速に増加させる必要がある「アヒル曲線」にも直面しています。これは、生産量を維持することを目的とした工場にとって、技術的かつ経済的に挑戦的です。

再生可能エネルギーの断続的な性質により、隠れたコストが発生し、グリッドオペレーターにリスクを取るか、新しい資産に投資することが強制されます。エネルギーレベリングコストはプロジェクトの経済的実行可能性を評価しますが、より広いグリッドに対する資産の真の価値を単純化しすぎています。ただし、LCOEは、原子力発電所などの新しい資産の建設に直面している経済的課題を強調しています。原子力は今日の天然ガスよりも高価ですが、電気を脱炭素化するための説得力のある信頼できる経路を提供します。原子炉構造の規模を拡大するだけです。

しかし、私たちは原子力エネルギーだけに頼ることはできません。単一のエネルギー源だけに依存することは、ロシアのエネルギー制裁中にフランスが直面している核の課題と、米国南部の寒い気候でのガス問題によって示されるように、商品価格の変動は言うまでもありません。カリフォルニアなど、大量の再生可能エネルギーのある地域も、輸入への日々の依存により不確実性に直面しています。ほぼ100％のクリーンエネルギーを使用するアイスランドやスカンジナビアのような場所でさえ、危機の間に信頼できるバックアップまたは輸入オプションを維持します。

スマートになります

電気需要が高まるにつれて、グリッドは、分散型で断続的な再生可能エネルギー源により、ますます複雑な状況に対処するのに苦労しています。私たちはこの変革を強制的に強制することはできません。私たちは本当に賢くする必要があります。

現在のグリッドは老化しており、「愚か」であり、発電所に依存して予測需要に基づいて生産を調整し、安定性を確保するために小さなリアルタイム調整を行います。グリッドはもともと大規模な発電所の一元配置流のために設計されていましたが、隣人の電気自動車を充電する屋上ソーラーなど、あらゆる方向に電力を提供する複数の小型電源の概念によって挑戦されました。さらに、リアルタイムのトレンドへの実際の可視性の欠如は、特に分布レベルで差し迫った問題を引き起こします。

住宅用ソーラー、バッテリー、高度な核、および（おそらく）地熱エネルギーは分散した電気を提供し、インフラストラクチャの建設の必要性を減らします。ただし、変化する不安定なグリッドを統合するには、革新的なソリューションが依然として必要です。此外，通过本地存储和需求侧响应（例如在电网紧张时关闭恒温器），甚至可以显著提高公用事业规模电力系统的有效使用，从而减少构建仅短暂在线的未充分利用资产的需要高峰期。

「スマートグリッド」は、これらすべてを達成することを目指しており、3つの主要な技術グループに分けることができます。

• メーターのフロントエンド

• 动态线路额定值、固态变压器、电压管理和潮流系统、更好的导体、基础设施监控、电网规模发电、电网规模存储等。

• メーターバックエンド

• 热泵、电器、住宅太阳能、家庭储能、电动汽车充电器、智能恒温器、智能电表、微反应器和小型模块化反应器、微电网等。

• グリッドソフトウェア

• 仮想発電所、より良い予測、機器管理、エネルギーデータインフラストラクチャ、サイバーセキュリティ、ADMS、相互接続計画、電源金融ツール、二国間プロトコルオートメーションなど。

具体的には、「スマートグリッド」の将来にとって重要な2つの主要な傾向があります。

まず、ローカルのピーク荷重を滑らかにし、電力網全体への断続的な電源を安定させるために、多数のエネルギー貯蔵施設を構築する必要があります。エネルギー貯蔵バッテリーは、すでに小規模な電力発生に不可欠であり、価格が低下し続けるにつれてより長くカバーすることさえできます。しかし、数百GWHのバッテリーサイズを拡張するには、サプライチェーンを拡大する必要があります。幸いなことに、強力な経済状況は展開を加速し続ける可能性があります。

2つ目は、分散エネルギー資産ネットワークの展開と統合を加速することです。電力を供給するために使用できるものはすべて電力を供給されます。これらのシステムが自宅やグリッドスケールのエネルギーシステムと対話できるようにするには、さまざまな新しいソリューションが必要です。電気自動車やサーモスタットなどの「スマート」デバイスのコレクションは、より大きなエネルギー資産の動作を模倣する仮想発電所を形成することさえできます。

未来は何ですか？

グリッド拡張の中心的な課題は、経済的および信頼性の問題を考慮しながら、集中型システムと分散型システムの移行のバランスを慎重にバランスさせることです。中心化电网虽然简单且（通常）可靠、但也面临着复杂的需求波动和高固定成本的问题 – 例如、全球大多数大型核电站都是由政府资助的、去中心化电网虽然仍处于部署的インドの一部の農村コミュニティの好みが示唆しているように、初期段階ですが、安価ですが、自動的に信頼できる電力を確保していません。

今日の集中型グリッドが確かに消えないことは明らかです。実際、拡張する必要がありますが、周りの分散資産の成長ネットワークによって消費されます。納税者は、自己生成と保管をますます採用し、伝統的な電力独占に挑戦し、規制と市場の改革を促進します。この自己生成傾向は、信頼性に特に重点を置くエネルギー集約型産業のピークに達するでしょう。AmazonとMicrosoftは原子力データセンターの追求、新しい原子炉の開発と展開を加速するためにあらゆる努力をする必要があります。

より広く言えば、納税者は、通常この順序で、信頼性が高く、手頃な価格できれいな電力を必要としています。ERCOT拥有得天独厚的地理位置、易于创新的“纯能源”市场以及宽松的互联政策，将成为关注的关键，以便了解是否、何时以及如何通过去中心化电网实现这一点。この変革をうまくナビゲートすることで、大幅な経済成長につながることは間違いありません。

重要なことに、この分散型グリッドを構築するには、最も才能のある起業家とエンジニアが必要です。ユーザーの前、ユーザー、グリッドソフトウェアテクノロジーの前で真剣に革新し、グリッドソフトウェアテクノロジーの観点から深刻な革新を実施する「スマートグリッド」が必要です。。政策和经济趋势将加速这一电力发展，但确保这种去中心化电网比旧电网运行得更好的责任将落在私营部门身上。

美国电网的未来在于利用新技术和拥抱自由市场来克服我们国家的挑战，为更高效、更有活力的能源格局铺平道路。これは21世紀の大きな原因の1つですが、課題に直面しなければなりません。

世界は急速に変化しており、それに応じてパワーグリッドは変化する必要があります。