エネルギートランジションが電力網に与える影響
電気と電力網の簡単な歴史
一般的に電力システムは電力の物理特性により運用されています。
フランス人のヒポライト・ピクシーが1832年に交流発電機の原型となる最初の発電機を発明して以来
人々はこの現象を活用、緩和しようと試みてきました。
ピクシーは偶然に最初の交流発電機を開発しました。
彼のモデルは電流無しで電気のパルスを創造しました。
彼は電流を変える方法を知りませんでした。彼は無くす事に集中し整流機で交流を直流に変換しました。
基本的な事ですが、発電機は別の磁石の磁場の影響を受けながら磁石が回転する事です。
発電機は強力な磁場を形成する固定磁石（固定子）と回転する磁石（ローター）からなり、
磁束線を歪め、切断し電気を発生させます。
磁石の回転により、電流の方向は定期的に変わります。
これが交流であり、発電機の基本出力です。
この為、発電機は交流発電機とも呼ばれます。
図を参照ください。
曲げたワイヤーを磁石の極の間で回転させます。
ワイヤーのループが回転すると各サイドは上下に移動します。
上に移動すると電流は一方向に、下に移動すると逆方向に移動します。
ループが磁束線に対して垂直の時は電流はゼロで平行の時は最大になります。
これが電流と電圧の正弦波形の基です。
AC発電機は金属リングを変更する事により直流を発生させるように改良できます。
整流子式直流器はは中空金属シリンダーが互いに絶縁された二つ割でなっています。
コイルが磁場に対して垂直になった時に二つのブラシがシリンダーの各部に接触します。
回転時に一つのブラシがシリンダーの半分に接触し、他のブラシが残りの半分に接触します。
電流が逆の方向になるとブラシが入れ替わり残り半分に接触します。この電流の外部方向の逆回転
のサイクルは最初の半分と同じです。
これが機械エネルギーを電気エネルギーに変換するダイナモと呼ばれるものです。
1882年9月、トーマス・エジソンはマンハッタンのパールストリート発電所を開設した。
石炭を燃料とするこの発電所は6台の発電機から始まり、82軒の顧客の400個のランプに電力を供給しました。
1884年までには508人の顧客に10,164個のランプに電力を供給しました。
これはまた、世界で初めてのコジェネ（熱電併給）として廃蒸気を近隣に送ると同時に電力を組み合わせたものでした。
残念ながら、発電所は1890年に全焼しました。
エジソンが直流を好んだ理由は、彼が電気モーターと照明に電力を供給したかったためであり、当時は利用可能な優れたACモーターがありませんでした。
しかし、直流は、エネルギーの多くが熱として電線を通じて失われるため、長距離を輸送することができなかったため、制限がありました。
この為、発電所は消費者の近くに設置する必要があり、都市部ではある程度機能する一方で、他の場所では実現性が低かったのです。
直流に対して交流は電圧を上げ熱効果を下げることにより長距離を伝送できます。
これは昇圧変圧器で発電所の電圧を上げる事ができ各家庭に配電する際には逓降変圧器で再び下げる事ができます。
1883年、二コラ・テスラによって最初のテスラコイルと呼ばれる共振変圧器が発明されました。
翌年、テスラは交流を製造する最初の電気変圧器を発明しました。
1887年に彼は、発電機、変圧器、送電システム、電化製品で使用するモーター、照明を含む完全な電気システムの特許を取得しました。
この計画はセンセーションを巻き起こし、特許はジョージ・ウェスティングハウスにより買われました。
その後、電流の戦い、電流戦争として知られる様になります。
一方にはテスラとウェスティングハウスが、もう一方にはエジソンがいました。
投資金は高く、アメリカの都市の電化の権利と巨額な特許使用料を獲得する機会がありました。
ACの使用は急速に広まり、エジソンはこの技術に対する誤った情報キャンペーンを開始しました。
彼は、交流を輸送に使用される高電圧は危険であると主張しました。 そして、その設計は彼の直流システムよりも劣っており、その背後にある特許を侵害していました。
1888年の春、ポールに取りつけられた高圧ACラインによる死亡事故でメディアの抗議がありました。
これはアーク照明会社に起因していると言われています。
ニューヨークの技師であるハロルド・ブラウンは交流電力は直流電力より危険であると主張しました。
エジソンの援助の基、両方の方法で動物を実験台として証明しようとしました。
彼らは又、ウエスティングハウスの主要ACライバルであるトムソン・ヒューストン・エレクトリック・カンパニーとも契約しました。
最初の電気椅子はウエスティンハウス社のAC発電機からの物です。
お互いの醜い戦いは1893年のシカゴ万博まで続きました。
ここで、ACシステムで点灯され、両者の戦いは事実上終わりました。
近代の電力システムはほとんどすべてが交流です。
その後数十年で電力網が整備され発電と消費者を結び付けました。
消費者は電気や電化製品を導入始めました。
最初のガスタービンは1903年にフランスで建設されたものです。その後、1909年にスイスの水力発電所が建設されます。
20世紀初頭には電気掃除機や洗濯機、1911年にはエアコン、1913年には冷蔵庫などが開発されます。
1920年にテレビが開発され、現代の電力需要が整いました。
1920年の英国では6％の家庭が電気を持っており、生活様式は大きく変わりました。
当時のロンドンは24の電圧と10種類の周波数がありました。
1921年には、英国では480の電力会社がありました。各社が異なる電圧、周波数を供給していました。
他の国は、国が電力を管理した関係で値段も安く進んでいました。
この混乱を抑えるために英国では1926年に全国的な送電システムを促進する機構が整備されました。
グリッドの電圧は132ｋVで国内最大でした。
4000マイルに及ぶのケーブル設置は1930年代半ばに完成し、100,000人の労働者と多くの馬によってなされました。
地下ケーブルより架空ケーブルの方がコスト的にメリットがあり鉄塔で支持されました。
1920年代のReginald Blomfield のデザインは今でも見られます。
1928年に最初の鉄塔がエディンバラに立てられました。
132ｋVグリッドが幾つかの地域での運用が計画されていました。
近隣のグリッドに接続も可能でしたが、個々に運用されました。
第二次世界大戦に対して爆弾にも強い国立グリッド制御センターをロンドンに建設する事も含まれていました。
1938年後半には絶縁スイッチは閉じられ地域グリッドは全て接続されました。
不具合は何も発生せず、1939年の春に緊急時を除き、閉鎖の継続が決定されました。
そこから、英国の送電網と他の先進国も同様な発展をしました。
大きな発電所がAC電気を高圧で送電し低圧にして最終ユーザーに提供。
所有構造は国によって異なり、主要な発電源も異なります。
ほとんどの国は石炭や石油、そして後にはガスを燃料として依存していましたが、原子力発電も市場ではある程度で採用されました。
また、条件があう国では、水力発電や地熱発電などの技術が開発されました。
この基本構造は20世紀後半から問題になってきた気候変動や二酸化炭素の問題が議論されるまで継続しました。
「エネルギートランジション」とはどういう意味か
「エネルギートランジション」とは、各国が既存のエネルギーである石油燃料優位のモデルから、
再生可能エネルギーに基づく低炭素またはゼロカーボンエネルギーシステムへの移行です。
英国のネットゼロへの道のりは、2008年から2012年の間に温室効果ガス排出量を1990年比で12.5%削減するという京都議定書の採択から始まりました。
その後、英国政府は、2010年までにCO2を20%削減するという大きな目標を設定しました。当初はさまざまな燃料に関連する炭素排出に関連するエネルギー税
(2001年に導入された気候変動税)と、2002年に導入された再生可能エネルギーの大規模発電に対する補助金制度(再生可能エネルギー義務)によって支えられました。
2011年に開始された電力市場改革(EMR)では、より広範なアプローチが実施されました。
その結果、英国の炭素排出量は1990年から2019年の間に44%減少し、再生可能エネルギーによる発電容量は2000年の全体の3.1%から2020年には29.5%に増加し、
再生可能エネルギー源からの発電量は同期間に2.8%から43.1%に増加しました。
英国市場は今、トランジションの重要なポイントにあります。
再生可能エネルギーの進展は電力ネットワークを進化させる必要があるほど成長しております。
熱と輸送もゼロ目標の脱炭素化の法的拘束力で進展しております。
再生エネルギーの割合が少ない時は問題になりませんでしが、現在はコストと各種課題が重要な段階に来ております。
バックアップ用の予備の投資は莫大であります。
風力レベルが高い場合、低い稼働率と安い卸売価格により経済性は悪くなります。
再生可能エネルギーは発電がゼロに近い時期があります。（例えば、冬場は日が落ちる時間が早く、異常気象など）
その時はかなりの量のバックアップが必要になります。
この容量は支払わねばなりません。
これは英国のみでなく、脱炭素化を目指す他の国も同じ課題であります。
世界的には技術や市場のメカニズムは違いがありますが、火力発電による発電方式から再生可能エネルギーへの移行は同じ課題であります。
エネルギートランジションが電力網に与える影響
世界中でエネルギートランジションによる再生可能エネルギーの導入がなされております。
一般的に風力発電や太陽光発電は直流に変換されます。風力タービンは回転しますが一定ではありません。
その為、パワーエレクトロニクス無では安定した波形で交流電気を発電できません。
太陽光発電は回転するものではありません。
先進国では重工業の機械から家庭用の機器まで電力網のインフラは基本原則に基づいて構成されています。
この特性は国によって若干異なる為にアダプターを使用する必要がありますが基本概念は同じです。
50 Hzまたは60 Hz(国によって異なります)の交流電流で、その周波数は非常に狭い許容範囲内で供給されます。
その帯域外では、機器は狭い周波数範囲で動作するように設計されているため、故障する可能性があります。
再生可能エネルギーは安定したAC電流を供給しないだけでなく、特に太陽光発電は分散型になる傾向があります。
これは、高電圧ネットワークに接続された大規模な発電ユニットに基づくグリッドの代わりに、配電ネットワークに接続された多くの小規模な電源があり、さらにはビハインド・ザ・メーター(電気メーターの後ろに設置される蓄電池）、つまり技術的にはグリッド上にまったくないことを意味します。
これは、物理的および経済的な課題であります。
物理的な課題は消費者が求める安定した電力の維持に関連して同程度に電力が供給されなくなった時や
経済的に自家発電の成長に共ない採算が取れるかという事です。
グリッド・オペレーターはネットワーク管理に対して新しい方法を開発する必要があります。
素早く動的周波数応答するアンシラリーサービス、予備電源、無効電力製品、短絡レベル、慣性サポートなどの新しい市場です。
これらのサービスの一部では、化学電池などの新しい技術が使用されており、同期コンデンサーなどの古い技術は、変化するグリッドのニーズをサポートするために新しい方法で使用されています。
無効電力と機械慣性などの重要な要素の対策としてSSSクラッチは、これらの変化に対応する最前線の主要な提供者です。
