仮想発電所がその瞬間を迎える

ドイツの電力会社 RWE は 2008 年に、9 つの小規模水力発電所を集約して総容量 8.6 メガワットとする、既知の最初の仮想発電所 (VPP) を導入しました。一般に、VPP は、屋根上の太陽光発電、家庭用バッテリー、スマート サーモスタットなどの多くの小型コンポーネントを 1 つの調整された電力システムにまとめます。このシステムは、蓄積されたエネルギーを利用可能にしたり、ピーク時のスマート デバイスによるエネルギー消費を削減したりすることで、オンデマンドでグリッドのニーズに対応します。

VPP は 2010 年代半ばに一時は注目を集めましたが、市場の状況とテクノロジーがうまく軌道に乗っていませんでした。電力需要は十分に高くなかったが、石炭、天然ガス、原子力、再生可能エネルギーなどの既存の電源が需要を満たし、価格を安定させた。さらに、ソーラーパネルやバッテリーなどのハードウェアのコストが下がっているにもかかわらず、これらのリソースをリンクして管理するソフトウェアの開発が遅れており、追いつくための経済的インセンティブがあまりありませんでした。

しかし時代は変わり、それから 10 年も経たないうちに、スターたちは VPP に有利に揃うようになりました。これらは導入の変曲点に達しており、他のソリューションよりも速く、安価で環境に優しい方法で、今後 5 ～ 10 年間のエネルギー需要を満たす上で重要な役割を果たす可能性があります。

米国の電力需要は拡大している

技術コンサルタントのICFインターナショナルの推計によると、米国の電力需要は、データセンターの増設、電気自動車、製造、電化により2030年までに25％増加すると予想されている。

同時に、多くのボトルネックがグリッドの拡張を困難にしています。新しいガスタービンの開発には少なくとも 3 ～ 5 年の受注待ちがあります。数百ギガワットの再生可能エネルギーが相互接続のキューに滞留しており、最大 5 年間の未処理も存在します。配送面では、解決までに最大5年かかる可能性がある変圧器不足と送電線の不足がある。これらはすべて、発電容量と配送容量を追加するための長くて遅いプロセスとなり、すぐには高速化されません。

「従来のアプローチだけで電気自動車、電熱、データセンターに燃料を供給すると、すでに高すぎる料金が上昇するでしょう」とカリフォルニア太陽光発電・蓄電協会のエグゼクティブディレクター、ブラッド・ヘブナー氏は言う。

すでにアクティブでグリッドに接続されているリソースの広大なネットワークに参入してください。そして、今こそそれらを拡張する時期を作る要因の完璧な嵐にさらされています。サウスカロライナ大学の電気工学教授であるアデル・ナシリ氏は、データセンターや電気自動車からの負荷の変動が増大し、グリッドスケールのバッテリーやストレージの導入も増加していると述べています。以前よりも多くの分散型エネルギー リソースが利用可能になり、過去 10 年間で自律制御を使用した送電網管理が進歩しました。

しかし、その中心となるのは、オンデマンドで電力を蓄え、配電するテクノロジー、つまりバッテリーです。

バッテリー技術の進歩

過去10年間でバッテリー価格は急落し、リチウムイオンバッテリーパックの平均価格は2014年の1キロワット時当たり715ドルから2024年には1キロワット時当たり115ドルに下落した。材料の進歩、バッテリーセルの設計最適化、バッテリーシステムのパッケージングの改善の組み合わせのおかげでエネルギー密度も同時に上昇した、と自動車メーカーステランティスのエネルギー貯蔵と電動化の上級研究員であるオリバー・グロス氏は語る。

最大の改善は電池の正極と電解液にあり、約10年前にニッケルベースの正極が使用され始めた。 「多くの点で、正極は電池の容量を制限します。そのため、より高容量の正極材料を開発することで、負極材料が本来持つより高い容量を活用することができました」とミシガン大学電池研究所所長のグレッグ・レス氏は述べています。

カソード内のニッケルの割合（他の金属と比較して）を増やすと、ニッケルはコバルトやマンガンなどの材料よりもグラムあたりより多くのリチウムを保持できるため、エネルギー密度が増加し、より多くの電子を交換し、リチウムを電池の内外に移動させる酸化還元反応により完全に参加できます。アノードでより一般的になっているシリコンについても同様です。ただし、トレードオフもあります。これらの材料は、バッテリーのサイクル中に構造の不安定性をさらに高めます。

アノードとカソードは液体電解質で囲まれています。熱暴走や火災、急速な劣化などの安全上の危険を避けるために、電解質はアノードとカソードにさらされたときに電気的および化学的に安定している必要があります。 「本当の革命は、エネルギー密度を高めるために、より反応性の高い正極材料に対して電解質を安定させる化学の進歩です」とグロス氏は言います。電解質用の化合物添加剤 (その多くは硫黄やホウ素の化学に基づいています) は、電解質とアノードおよびカソード材料の間に安定した層を形成するのに役立ちます。 「製造プロセスの非常に早い段階でこれらの保護層が形成されるため、電池は寿命を通じて安定した状態を保ちます。」

これらの進歩は主に電気自動車のバッテリーに関して行われており、電気自動車は駐車されたりアイドル状態になったりすることが多いのに対し、グリッドバッテリーは常に接続されており、エネルギーを転送する準備ができている必要があるという点でグリッドスケールのバッテリーとは異なります。しかし、グロス氏は、「EVのエネルギー密度を高めたのと同じアプローチが、グリッドストレージの最適化にも適用できます。材料は少し異なるかもしれませんが、方法論は同じです。」と述べています。現在、グリッド蓄電池用の最も人気のある正極材料はリン酸鉄リチウム (LFP) です。

これらの技術的進歩とコスト削減のおかげで、ドミノ効果が始まっています。つまり、配備されるバッテリーの数が増えるほどコストが安くなり、より多くのバッテリーの配備が促進され、正のフィードバック ループが生まれます。

テキサス州、カリフォルニア州、プエルトリコの一部など、頻繁に停電が発生している地域は、家庭用蓄電池の主要市場となっている。 10月にシリーズC資金で10億ドルを調達したテキサスに本拠を置くベース・パワーは、顧客の自宅にバッテリーを設置して小売電力プロバイダーとなり、風力発電や太陽光発電の余剰で価格が安くなったときにバッテリーを充電し、需要が急増したときにそのエネルギーを送電網に売り戻す。

ただし、まだ改善の余地があります。より広く採用するには、「大規模な VPP 展開では、設置されるバッテリーのコストを kWh あたり 100 ドル未満にする必要があります。」と Nasiri 氏は言います。

VPP ソフトウェアの改善

かつては VPP をパイロット プロジェクトに限定していたソフトウェア インフラストラクチャが堅牢なデジタル バックボーンに成熟し、グリッド スケールで VPP を運用できるようになりました。 AI の進歩が鍵です。多くの VPP は現在、機械学習アルゴリズムを使用して、負荷の柔軟性、太陽光発電とバッテリーの出力、顧客の行動、系統ストレス イベントを予測しています。これにより、これまでグリッド事業者にとって大きな懸案事項であった VPP の容量の信頼性が向上します。

ソーラーパネルは進歩しましたが、VPP は必要なソフトウェアが同様に進歩していないために、最近まで進歩を妨げられてきました。サンラン

サイバーセキュリティと相互運用性の標準は依然として進化しています。多くの領域で相互接続プロセスとデータの可視性が一貫していないため、分散リソースを効果的に監視および調整することが困難になっています。つまり、VPP のテクノロジーと経済性はしっかりと確立されていますが、規制、インフラストラクチャ、市場設計を調整するためにはまだやるべき作業が残っています。

VPP は技術的およびコスト上の制約に加え、従来の発電機のようにエネルギー市場に参加することを妨げる規制によって長い間抑制されてきました。 SolarEdge は最近、VPP プログラムに 500 メガワット時を超える住宅用蓄電池を登録すると発表しました。同社のグリッドサービス担当シニアマネージャーのタマラ・シネンスキー氏は、このマイルストーンを達成するための最大のハードルは技術的なものではなく、規制プログラムの設計だったと語る。

2022年半ばに開始されたカリフォルニア州のデマンドサイドグリッドサポート（DSGS）プログラムは、電力使用量の削減や送電網の緊急時のエネルギー放電に対して家庭、企業、VPPに支払いを行う。 「主に DSGS プログラムによって VPP 登録が大幅に増加しました」と Sinensky 氏は言います。同様に、Sunrun の北カリフォルニア VPP は、7 月に家庭用蓄電池から送電網に 535 メガワットの電力を供給し、VPP 参加者数は昨年より 400% 増加しました。

2020年に発行されたFERC命令2222は、地域の送電事業者に対し、VPPが電力を販売したり、負荷を軽減したり、卸売市場運営者に送電網サービスを直接提供したりすることを許可し、それらのサービスに対して従来の発電所と同じ市場価格の支払いを受けることを義務付けている。しかし、多くの州や送電網地域では、FERC の命令に従うためのプロセスがまだ整備されていません。また、電力会社は VPP の導入ではなく送電網の拡張から利益を得ているため、VPP を自社の運営に統合する動機にはなりません。電力会社は「顧客のバッテリーを競争相手とみなしている」とヘブナー氏は言う。

ナシリ氏によると、VPP が市場のピーク電力の 2% の普及率を達成できれば、送電網に大きな影響を与えるでしょう。 「送電網の計画と運用に意味のある容量効果をもたらすには、最大 4 時間で最大 5% というより大きな普及率が必要です」と彼は言います。

言い換えれば、VPP 事業者は、家庭、企業、EV の柔軟な容量を解放し続けるために、労力を割かれています。さらなる技術的および政策的進歩により、VPP はニッチな信頼性ツールから、今後のエネルギー混乱における主要な電源および送電網安定化装置へと移行する可能性があります。