進路のヒント ススメ!理系特集

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スマートグリッドで、電力、エネルギー・環境問題を解決しよう 早稲田大学 先進理工学部 電気・情報生命工学科 教授 林泰弘先生

日本にはかつて、水と安全はタダだという神話がありましたが、電気についてもつい最近まで、料金はかかるものの、"いつでもいくらでも使えるもの"という感覚が支配的でした。しかし温暖化対策や資源エネルギー問題への対応、加えて今春からは電力不足への懸念から、今や多くの人々の関心は消費電力の削減やエネルギー消費を抑えることに向かいつつあります。

そうした中、これまでの電力網(電力ネットワーク)に情報通信技術をさらに組み込み、発電、送電効率を高めるとともに、今後増加が期待される太陽光や風力などの再生可能エネルギー電源の大量の接続、および蓄電池などのエネルギー貯蔵システムにも対応した次世代電力ネットワーク、スマートグリッド[解説]に大きな期待が寄せられています。

世界有数のスマートグリッド模擬実験装置を有し、国内で数少ない研究チームを率いる早稲田大学先進理工学部の林泰弘先生に、スマートグリッド構築に欠かせない最適制御技術の研究開発などについてお聞きしました。

解説:グリッドは送電網を意味する。電力の供給側と需要側とを情報・通信ネットワークで結んで情報をやり取りし電力利用の効率化を図るとともに、新たにネットワーク内に組み込まれた再生可能エネルギー電源やエネルギー貯蔵システムを≪賢く≫使いこなすことで、CO2排出量を削減し、エネルギー消費を抑える。産業面ではこれまでの電力ネットワークを抜本的に見直すことから、新しい産業の起爆剤となることが期待されている。

なぜ、スマートグリッドか

東日本大震災以来、電力の安定供給が切実な問題になっていますが、電気の品質の安定、つまり電圧と周波数をいかに適正範囲内に保つか、その最適化も発電所の重要な役割です。意外に思われるかもしれませんが、電気の品質(電圧と周波数)はみなさんが思っている以上にナイーブなもので、発電所では使用量に応じて発電電力を調整するなどして、電圧と周波数を常に一定に保つのに多くのエネルギーを割いています※1

しかも近年は、温暖化対策や資源エネルギー問題から、送電システムの中へ風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギー電源からのクリーンではあるが天候によって発電電力が変動する不安定な電気が流れ込み、また蓄電池や、ヒートポンプのような熱電化設備を含むエネルギー貯蔵設備が組み込まれるようになりましたから、品質の安定を保つこと、中でも電圧の制御はこれまで以上に大きな課題となってきています。

一例をあげると、家庭に設置された太陽光パネルで発電される電気は、出力が天候に左右されるために一定ではなく、それが電線を通って電柱の方に流れてくる(逆潮流)と、電線につながっている家庭全体が95V~107Vの安定枠内に納まらないようなケースが出てきます(電圧逸脱)。従来のネットワークでは、この電圧逸脱を回避するために、再生可能エネルギー電源からの発電を止めるなり、送電側の電圧を低くすえるなどの調整しかできませんから、せっかく太陽パネルで発電した電気が売れないというような事態が起こったり、場合によっては停電につながったりします※2。しかし、スマートグリッドでは、送電側、再生可能エネルギー電源や蓄電池側それぞれの要所で周波数や電圧を測定し※3、その情報をもとに電気の品質(周波数や電圧)を維持しつつ、お互いが邪魔をしないような協調制御を行いますから、このような問題は起こりません。また近い将来、電気自動車の普及に合わせてその電池を家庭用の蓄電池としても使うことを考えると、供給電源に分散型電源やエネルギー貯蔵設備を加えた3つの機能を適合させる三位一体型のデザイン構築は、なくてはならないものになるのです。

※1 もともと日本は、世界一といわれる送電網に支えられ欧米に比べ停電が少なく、供給量は極めて安定していた。原発依存を減らさなければならない今も、安定した電力の送電技術の優位性は揺らいでいない。コンセントの電圧は、一口に100Vと言われているが、実際は95~107Vと幅がある。周波数も50ヘルツ(1秒間に50回振動する、60回振動するのが60ヘルツ)の場合は、49.8から50.2ヘルツの間に揃えられている。発電機のタービンの回転による発電電力を自転車漕ぎに例えると、周波数を一定に保つには、夜間、電力使用量が少ない時は漕ぐ力は少なくて済み、反対に昼間のピーク時などでは一生懸命漕がないといけない。

※2 日本では起きていないが、ヨーロッパでは2006年に風力発電が原因で広域停電が起きている。

※3 送電側は電柱に設けられたセンサー内蔵開閉器に情報機能を持たせている。

家庭では可視化からスタート

スマートグリッドの構築は全国、地域、各家庭や事業所といった階層構造ごとに考えていかなければなりません。この内、家庭は、消費電力の15%削減でも事業所と比べムダが多かったように、電力ネットワークの情報化の遅れが顕著です。そこでスマートメータ※4の設置を急ぎ、まずは電力の利用状況や発電状況を視覚的に把握できるようにすること(可視化)が必要です。

今夏の節電でみなさんも経験されたように、電力使用量の推移を目の当たりにすることは節電のための一つの有効な手段です※5。たしかにこれまでは、電力は発電所から一方的に送られてくるだけでしたから、使用量を知るのは毎月一回の検針で十分でした。しかし今後は、節電のためだけではなく、太陽光パネルで自家発電を行い、余った電力を電力会社に買い取ってもらうような場合にも、使用量や発電量が刻一刻と(例えば30分毎に)把握できなければ困ります。もちろんその際、料金体系もこれまでのように使用量に一律に比例するものから、使用する側や売る側にインセンティブを与えるような、時間単位で変動するものに移行していくことが必要でしょう。

スマートメータは、使用量や発電量を可視化するためだけのものではありません。家庭なら家庭という一つの単位の中で、電力の最適化をはじめ、電力エネルギー全体のマネジメントを行います。スマートグリッドでは、このようなマネジメントを階層毎に積み上げていくことで、システム全体で効率的な受送電が行えるようにするのです。

スマートグリッドそのものは発電するものではありません。しかし効率的に電力をコントロールすることで、これまでのような年に何回かしかない最大使用量を想定した大掛かりでコストのかかるシステム、設備は不要になります。発電所だけに頼った電力ネットワークによるムダを省き、設備投資のコストも大幅に削減できるのです。

もちろん課題もあります。例えば蓄電。コストが安く容量の大きな蓄電池の開発が急がれます。またシステム全体を一体的にコントロールするためには、それを構成する電気製品やメータの接続を一本化(パートナリング)する必要があります。しかし各メーカーとも接続部分では仕組みをお互いに公開しなければなりませんから、それに消極的なメーカーも当然出てくるわけです。だからこそ、その旗振り役として、中立的な立場である大学の役割が高まってくるともいえるのです。

※4 スマートグリッドでは、スマートメータ、スマートハウス、スマートシティなど、階層に応じた概念がある。なおEUでは、2020年までに家庭の80%にスマートメータを普及させたいとしている。

※5 林先生は、震災直後から早稲田大学の理工3学部(基幹理工・創造理工・先進理工)の電力使用量の可視化を提案し、現在ではHPからでも見ることができる。

スマートグリッドを学ぶ

スマートグリッドの図解

電力の制御にはコンピュータによるシミュレーション(デジタルシミュレーション)が不可欠ですが、一方で電気は生き物ですから、理論的な数字通りにはいかないこともたくさんあります。

私たちの研究室の最大の強みは、国内唯一の次世代スマートグリッド実験模擬装置(写真右)を使って模擬実証実験ができることです。実際の送電網と同じようにLRTやSVRといった段階的に電圧を制御する変圧器と、急激な変動に対応できるSVC(パワーエレクトロニクス電圧制御)の3つの変圧器も備え、刻々と変わる電圧を管理して一定に保つ(コントロール)実験を行っています※6。装置は私が考案したものですが、およそ2000件分の家庭や事業所がピース化してあります。またレゴブロックの要領で、目的に応じてつなぎ変えられるフリーデザイン型ですから、地域や全国規模での様々な状況を設定できます。これまで配電ネットワークについては、発電する側、ネットワーク側、使う側のいずれにおいても細かいデータがあまりありませんでしたから、多くの企業から、大掛かりな実証実験を行う前のアナログ的なシミュレーションに最適だと喜ばれています。

スマートグリッドは、分散型電源という伝統的な学問を土台に、近年のICT や変電技術を組み合わせた極めて学際的な研究分野です。

電気を学んでいた私は30歳の頃に、当時アメリカやヨーロッパで提唱され始めた自然エネルギー、再生可能エネルギーに興味を持ったことからこの研究に入りました。もちろんみなさんは、電気(回路)だけでなく、情報・通信やネットワーク、エネルギー制御や計算機科学などの方向からアプローチしてもらっても構いません。大事なことは、環境問題やエネルギー問題に興味があるかどうかなのです。

研究室のモットーは「楽しく頑張る」。決して強制はしませんが、一人ひとりが自分の課題を持って自主的に頑張ることとしています。3年後期で配属された後、修士2年までの3年間で、一人一テーマで企業と共同研究ができるのも大きな特徴です。

現在、わが国においては3つのEが重要だと言われています。エネルギーの安定供給、環境保全(environmental preservation)、それに経済成長(economic growth)です。スマートグリッドは、まさにそれを支える有力なプロジェクトです。しかも全国、地域、各家庭の各階層で必要とされますから、送電システムを中心に、半世紀に一度の一大イノベーションを起こす可能性も秘めています。また、太陽光パネルと電気自動車(EV) を組み合わせた技術、システムを開発して発展途上国の非電化地域に貢献するなど、グローバルな展開を視野に入れることもできます。この壮大な国家的プロジェクトに、若い力の結集を期待しています。

※6 東京電力の実際の配電線は6600Vを基準としているが、この実験設備では200Vを基準としている。

高校生へのメッセージ

授業の後、学生からよく、「教科書はありませんか」という質問を受けることがあります。しかしこれまで誰もやったことのない研究には教科書などありません。教科書を学んで100点を取るよりも、自分が作ったものが評価されることに喜びを感じることが、大学で学ぶこと、研究することの意味なのです。

ところで大学へ入ると、周りには頭がいい人が高校時代以上にたくさんいると思います。そこで競っていくには、自分の中に根っことなる何かがあるといいと思います。それはスポーツや趣味などを通じてでも得られるものですから、勉強以外にも熱中できるものを持っておくと強いと思います。

もう一点、これは大学へ入ってからも当てはまりますが、何事もまずやってみること。頭がいい人に限って、新しいことを前にして、先に結論を考えて立ち止まりやすい。しかし、物事には、やってみないとわからないことがたくさんあります。日頃、私は「経験が人を育てる」と言っていますが、やってみるとそれまで想定していなかったことにたくさんぶつかります。大切なのはまずそれに気づくこと。それを知っているだけでも将来はずいぶん変わってくると思います。

教科の勉強では、実際に使うということもありますが、論理的思考を育てるという意味からも、やはり数学は大事です。何かうまくいかなかった時には、わかっているところまで遡り、そこからもう一度考えを組み立て直すのです。もちろん電気を扱うわけですから、回路を理解するための物理も欠かせません。また、研究室ではコンピュータでプログラムを作ったりしますから、コンピュータの扱いには慣れておいてほしいと思います。

受験には直結しない教科でも気を抜かず幅広く学ぶことも大事です。その際、知識をできるだけ覚えるにこしたことはありませんが、人間はスーパーマンではありません。私は、≪学んだことがある≫という経験を積むだけでも、将来、役に立つと思っています。一度学んだことがあれば、たとえその中身を忘れていても、必要な時にどこをどう調べればいいかがわかるからです。

Profile
林 泰弘先生の写真

早稲田大学 先進理工学部
電気・情報生命工学科 教授

林 泰弘 先生

1989年早稲田大学理工学部電気工学科卒業。94年同大学大学院理工学研究科博士課程修了、博士(工学)。早稲田大学理工学部助手、茨城大学工学部講師、福井大学大学院工学研究科准教授を経て、2009年より現職。福井県立藤島高等学校出身。

※この記事は、大学ジャーナル2011年11月号(Vol.96)に掲載された当時のものです。