米国の電力網の改善: 脆弱性の軽減と運用の強化

May 17, 2023

米国の送電網には多くの脆弱性がありますが、電力会社は政府からの追加支援を受けてシステムに投資し、新しい革新的な技術を通じてその運用を強化しています。

電力網はおそらく米国に存在する唯一の最も重要なインフラストラクチャです。この国のほぼすべてのものは、適切に機能するために信頼性の高い電力が存在するかどうかに依存しています。 政府、産業、商業団体、緊急対応チーム、軍事作戦などはすべて、電気がなければ深刻な障害を負うことになります。

米国エネルギー省 (DOE) は、国内の送電線と変圧器の 70% 以上が使用後 25 年以上経過していると報告しています (図 1)。 機器は永久に使えるわけではないため、そこに最大の脆弱性の 1 つが存在します。 古いコンポーネントは故障する可能性が高くなります。

多くのグリッドコンポーネントは過酷な環境にさらされています。 時間の経過とともに、温度変化、湿度、天候への曝露などの環境要因、およびシステムに対するその他のストレスや負担が磨耗を引き起こし、故障につながる可能性があります。 絶縁が弱くなり、金属部品が腐食する可能性があり、どちらも故障しやすくなります。 変圧器、ブレーカー、およびケーブルの使用期間が長くなるほど、過熱や損傷を引き起こす可能性のある何らかの過負荷が発生する可能性が高くなります。 これも、特にコンポーネントが設計パラメータを超えて長期間動作する場合に、故障につながる可能性があります。

米国政府は、送電網に注意が必要であることを認識しています。 「ディキシー山火事、ハリケーン・アイダ、2021年のテキサス凍結などの異常気象により、米国の既存のエネルギーインフラが気候変動による異常気象の継続的な影響に耐えられないことが明らかになった」とエネルギー省は述べた。 古くなったコンポーネントは交換が必要です。

一方、電力会社は、予想される成長に対応してシステムを拡張する必要もあります。 DOEは独自の推計を引用し、米国の送電システムが2030年までに60％増加すると予想し、2050年までに送電網の規模を3倍にする必要があるかもしれないと述べた。成長の多くは、運輸部門を含む広範な電化によってもたらされるだろう。

「電力需要が増加し、信頼性の高い供給に依存する重要な機能が増加するにつれ、送電網は変化しており、以前よりもはるかに多くの電力を生成および配電できる必要があります。」と同社のシニアディレクター、クマール・チャンドラン氏は述べています。 S&C Electric Co.との商業戦略についてPOWERが語った。 「同時に、嵐やその他の気象現象の頻度と強度の増加は、送電網にとって大きな脅威となっています。自動化が最小限に抑えられている送電網の配電部分は、特に気象現象中やその後の重大な影響に対して脆弱です。損傷したインフラを再建するにはかなりの時間がかかる。」

数年前に全米工学アカデミーの出版物であるザ・ブリッジに掲載された記事の中で、マーストン・コンサルティングの校長セオドア・U・マーストンは次のように書いている。多様な所有者/経営者と資金調達メカニズム 技術の回転率が数か月単位で測定され、高い機敏性と潜在的に高い利益率を特徴とするハイテク部門とは対照的に、電力システムは資本ストックの回転率を特徴としています。 「数十年単位で測定されるレート、低い機敏性、そして規制された利益率が小さい。これらのまったく異なるセクターの連携を成功させるには、緊密な協力が必要である。」

マーストンの記事が出版されて以来、多くのことが達成されました。 米国のすべての投資家所有の電力会社を代表する団体であるエジソン電気協会（EEI）は、電力会社が過去10年間に重要なエネルギーインフラに1兆ドル以上を投資したと報告している。 EEIは電力会社が送電網を「より強力、よりスマート、よりクリーン、よりダイナミック、そしてより安全」にするために2022年だけで1,540億ドル以上を費やしたと主張している。 また、企業は国の送配電インフラを強化するため、2022年に「適応、強化、回復力（AHR）イニシアチブ」に300億ドル近くを投資したとも述べている。

EEI は、AHR には異常気象から回復する能力だけではない、と説明しています。 また、「異常気象、山火事、地震、サイバー攻撃や物理的セキュリティ攻撃など、さまざまな脅威を予測し、耐え、回復し、適応することで、動的で潜在的に影響を与える可能性のあるリスクに対処することも含まれます。」

マーストン氏は分析の中で、脅威を「自然または環境の脅威」と「人間関連の脅威」に分類した。 同氏は、ハリケーン/極風、竜巻、干ばつ、冬の嵐/氷/雪、極度の暑さ/熱波、山火事などの自然や環境の脅威の多くが気候変動とともに増大すると示唆した。 マーストン氏は、他の自然や環境の脅威として、水圧破砕などの局所的な活動により一部の地域で地震が増加する可能性があるが、磁気嵐や野生生物、植生による脅威が増加する理由は見当たらないと述べた。 マーストン氏は、人間関連の脅威のうち、サイバー攻撃、電磁妨害行為、経年劣化による機器の故障はいずれも将来的に増加する可能性があると予測したが、物理的攻撃の頻度の変化については根拠がないと述べた。

米国土木学会 (ASCE) は、2021 年のアメリカのインフラに関するレポート カードを発行しました。その報告書では、ASCE は、橋、ダム、道路などの項目に加え、エネルギーを含む 17 のカテゴリーのインフラストラクチャを A- ランクで評価しました。 Fスクールスタイルの評価システム。 ASCE による送配電およびパイプライン投資を含むエネルギーインフラの包括的な評価では、当時 C– の評価が得られました。 特に、このグレードは、エネルギーインフラが D+ のグレードを獲得した 2017 年に完了した ASCE の前回の報告書と比較して改善されました。

ASCEの報告書は、「電力会社は、強靱化対策を通じて送電網を強化するために積極的な措置を講じている。しかし、天候は依然として脅威を増大させている」と述べている。 「配電インフラは信頼性の面で苦労しており、すべての停電の 92% がこれらのセグメントで発生しています。今後数年間で、エネルギー情勢の変化に対応するために、送配電インフラの追加、スマートな計画、信頼性の向上が必要になります。分散型で再生可能エネルギーが成長します。」

「今日の送電網は、明日の需要を満たすために進化する必要があります。幸いなことに、積極的な投資と慎重な計画があれば、再生可能エネルギー源を組み込んだ、より信頼性が高く、回復力があり、強化された送電網は実際に可能です」とS&C Electricのチャンドラン氏は述べています。

チャンドラン氏は、米国の配電システムは今後数年で大きく変化すると予測している。 「今から数年後、2023 年を振り返ると、送電網の配電部分の使用法が劇的に変化したことに気づくでしょう。それは、一方向の電力潮流供給システムから、できるだけ多くの電力を維持する電力システムに進化しました」 「重大な気象現象の際に接続されているため、その後の修理がより迅速かつ的を絞って行われます。すべての消費者が電力に非常に依存しているため、この信頼性と回復力は非常に重要です」と同氏は述べた。

チャンドラン氏は、脆弱性を軽減するには、システム全体のアプローチと配電のための革新的な技術への投資が必要であると述べた。 彼が推奨したソリューションの中には、PulseClosing テクノロジー (図 1)、横方向の自動化、地下の障害の検出と修復などがありました。

「Florida Power and Light (FPL)、Oncor、その他多くの顧客は、送電網を強化する技術に多額の投資を行っており、その結果、嵐の復旧時間の大幅な短縮が見られています」とチャンドラン氏は述べています。 「これらのソリューションは、横方向の自動化により、変電所から地下または架空の最終顧客までの『フィーダ』を大幅にセグメント化します。」

予算が限られている企業が最大限の効果を得るには、まず横方向自動化テクノロジーの導入から始める必要があります。 「電力サービスの中断の92%は送電網の配電部分で発生しており、その大半はヒューズで保護されている側線、つまり近隣の線路で発生している」とチャンドラン氏は説明した。 「新しいテクノロジーにより、こうした中断は大幅に軽減されます。ヒューズを自動化に置き換えることで、停電の頻度と期間を短縮できます。南部のある電力会社では、このテクノロジーを導入した場所で継続的な中断が 74% 減少したことがわかりました。」

チャンドラン氏は、FPLは数十年にわたり、より強力でよりスマートな送電網の構築に多額の投資を行っており、そのメリットがコストをはるかに上回っていると信じていると語った。 ハリケーンに耐えられる電力網はありませんが、詳細な評価により、FPL の嵐に耐えたエネルギー網の回復力が確認されています。 「昨秋のハリケーン・イアンの後、FPLはわずか丸1日で顧客の3分の2に電力を復旧させた」とチャンドラン氏は語った。 「ハイエンド嵐が州を抜け出してからわずか8日後、FPLはイアンの影響を受けた210万を超えるすべての顧客に基本的に電力を復旧させることができた。」

4月、信頼性と効率を向上させるために米国の送電システムに技術ソリューションを導入することに関心のある企業の連合であるWATT Coalition (Working for Advanced Transmission Technologies)は、The Brattle Groupによる「Building a Better Grid」というタイトルの30ページの論文を発表した。 : グリッド強化テクノロジーが送電設備の増強をどのように補完するか。 この研究では、動的線路定格 (DLR)、フレキシブル交流送電システム (FACTS)、送電トポロジー制御という 3 つの系統強化技術 (GET) が検討されました。

この論文では、DLR が個々の回線の転送能力に適切に対応しようとする代表的なアプリケーションであると説明されています。 一方、FACTS (伝送システムの柔軟かつ動的な制御を可能にするパワー エレクトロニクス ベースのデバイスの一般的なカテゴリ) は、流れの制御に焦点を当てたハードウェア ソリューションの例であり、機能的には移相変圧器 (位相変圧器とも呼ばれます) に似ています。角度調整器。 最後に、伝送トポロジ制御は、「これらのフロー制御ハードウェアに代わるエレガントなソフトウェアです。システム トポロジを調整する (たとえば、回路ブレーカーを開閉する) ことによってフローを制御し、キルヒホッフの法則によって定義されるフロー分布を変更します。作戦目標を達成する。」

この論文は、「これらの技術は、既存の送電システムの追加容量を解放することでグリッドインフラストラクチャを増強するための新しいモデルを表しており、従来の送電プロジェクトの数分の1のコストで、より迅速に、最も後悔の少ないモジュール方式で開発できる」と述べています。さらに、送電インフラを廃止したり置き換えたりするのではなく、その有用性を高めることで送電の増強を補完します。」

この研究では、GET がどのようにコストを削減し、伝送開発のすべての段階で伝送システムの計画と運用を改善するかを定量化しました。 ワット連合は、GET によって建設プロジェクトが始まる前に渋滞を 40% 以上削減できると述べた。 建設中の停電は「同様に渋滞コストが40％以上削減され、回避または改善できる」としている。 建設後は、新しいラインの利用率が 16% 増加し、新しいラインの費用対効果の比率が向上します。

「送電容量の不足がエネルギー転換への主な障害だ」とWATT連合のエグゼクティブディレクター、ジュリア・セルカー氏はPOWER宛ての声明で述べた。 「最速かつ低コストで必要なシステム拡張を達成するには、送電網強化技術と新しい送電線を一緒に導入する必要がある。米国がより早く、より戦略的に送電容量を増やすことができればできるほど、地球と料金支払者のコストが下がる。」 。」

—アーロン・ラーソンはPOWERの編集長です。

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