夏が近づくと、アメリカのほとんどの地域でエアコンが使われ始めます。でも、私と同じように、ついつい少し罪悪感を感じてしまう人もいるかもしれません。過去の世代はエアコンなしで生活していたのに、私には本当に必要なのだろうか？ それに、温暖化が進む世界で、冷房にこれだけの電力を使うのは、一体どれほど悪いことなのだろうか？
エアコンを消したままにしておくと、暑くなりすぎます。しかし、皆が同時にエアコンをつけると、電力需要が急増し、電力網運営者は最も高価で、最も汚染度の高い発電所を稼働させざるを得なくなります。こうした需要の急増は、電力網に過度の負担をかけ、電圧低下や停電につながることもあります。
しかし、最近、学者チームと共同で発表した研究によって、少し安心しました。多数の家庭用エアコンの運転を調整し、電力網の需給バランスをとることが可能だということが分かりました。しかも、家の中で高温に耐える必要もありません。
エアコンの遠隔制御を用いて電力系統をサポートするという研究では、長年にわたり理論的な可能性が検討されてきました。しかし、実際に実証されたアプローチはほとんどなく、これほど高価値なアプリケーションで、かつこの規模で実証された例はありませんでした。私たちが開発したシステムは、数秒単位で電力系統のバランスをとる能力を実証しただけでなく、居住者の快適性に影響を与えることなくそれを実現することが可能であることも証明しました。
メリットとしては、電力網の信頼性向上が挙げられ、これにより再生可能エネルギーの受け入れが容易になります。私たちの目標は、エアコンを電力網にとっての課題から資産へと転換し、化石燃料からよりクリーンなエネルギーへの移行を支援することです。
調整可能な機器
私の研究は、さまざまな時間に応じてさまざまな量のエネルギーを消費するように自動的に調整できるバッテリー、ソーラーパネル、電気自動車、給湯器、エアコン、ヒートポンプなどの電気機器に焦点を当てています。
もともと、米国の電力網は大規模な発電所から顧客の家庭や事業所へ電力を送るために構築されました。そして、もともと発電所は石炭や天然ガスを燃焼させたり、核反応からエネルギーを採取したりする、大規模で集中化された事業体でした。これらの発電所は通常、常時稼働しており、顧客の需要に応じて発電量を調整することで、電力網は発電事業者からの電力供給と消費者による電力消費のバランスを保つことができました。
しかし、電力網は変化しました。夜間の太陽光パネルや風力タービンなど、常に電力が利用できるわけではない再生可能エネルギー源が増えています。そして、私が研究している機器や設備もあります。「分散型エネルギー源」と呼ばれるこれらの新しい選択肢は、消費者が必要とする場所の近くでエネルギーを生成または貯蔵したり、あるいはリアルタイムでエネルギー使用量を調整したりします。
しかし、電力網の一つの側面は変わっていません。それは、システムに組み込まれた蓄電容量がほとんどないことです。そのため、照明を点灯するたびに、一瞬、その瞬間に電力を必要とするすべてのものに供給するのに十分な電力が足りなくなります。電力網は発電事業者にもう少し電力を供給してもらう必要があります。そして、照明を消すと、発電量が少し多すぎるため、発電事業者は発電量を減らす必要があります。
発電所は、リアルタイムで必要な電力調整を把握するために、系統周波数を綿密に監視しています。目標は、常に一定の周波数（60ヘルツ）で電力を供給することです。発電量よりも多くの電力が必要な場合は、周波数を下げ、発電所は出力を上げます。一方、発電量が多すぎる場合は、周波数を上げ、発電所は発電量を少し落とします。これらの動作は「周波数調整」と呼ばれ、系統のバランスを保つために数秒で実行されます。
主に発電所からのこの出力柔軟性は、すべての人々に電気を供給し続けるための鍵となります。
新たな選択肢を見つける
分散型エネルギー資源が電力系統の柔軟性をいかに向上させるかに興味があります。分散型エネルギー資源は、変動する供給や需要に応じて、より多くのエネルギーを放出したり、消費を抑えたりすることで、電力系統のバランスを保ち、周波数を60ヘルツ付近に保つことができます。
そうすることで、家の外にいる誰かがバッテリーやエアコンを操作できるようになるため、侵入行為になるのではないかと懸念する人もいます。そこで私たちは、発電所ではなく家庭用エアコンを使って周波数調整を行い、住民の家電製品の使い方や家庭での快適さに影響を与えることなく、電力系統の均衡を保つことができるかどうかを検討したいと考えました。
2019年から2023年にかけて、ミシガン大学の私のグループは、米国エネルギー省高等研究計画局の資金提供を受けて、ピーカンストリート社、ロスアラモス国立研究所、カリフォルニア大学バークレー校の研究者と共同でこのアプローチを試しました。
テキサス州オースティンの住宅所有者100名に、システムの実地テストを実施してもらいました。すべての住宅には全館強制空冷システムが設置されており、これを、所有者の許可を得て設置した特注の制御盤とセンサーに接続しました。この装置により、電力系統の周波数に基づいてエアコンユニットに指示を送ることができました。
システムの仕組みを説明する前に、まずサーモスタットの仕組みを説明する必要があります。サーモスタットを設定する際、温度を設定すると、サーモスタットはエアコンのコンプレッサーのオン/オフを切り替え、設定温度を中心とした狭い範囲内で室温を維持します。温度が68度に設定されている場合、サーモスタットは例えば気温が70度になるとエアコンをオンにし、66度まで下がるとオフにします。
システムは数秒ごとに、100台のエアコンのうち一部のエアコンコンプレッサーのスイッチングタイミングをわずかに変更し、エアコン全体の消費電力量を変化させました。このように、私たちの家庭用エアコンの小さなグループは、発電所のように電力系統の変動に反応しました。つまり、電力系統のバランスを取り、周波数を60ヘルツ付近に保つために、エネルギーを多かれ少なかれ消費したのです。
さらに、私たちのシステムは、家の温度を設定温度付近の同じ狭い温度範囲内に保つように設計されています。
アプローチのテスト
私たちはシステムを4つのテスト（それぞれ1時間）で実行しました。その結果、2つの有望な結果が得られました。
まず、エアコンは従来の発電所と同等以上の精度で周波数調整を行うことができました。つまり、エアコンが電力系統の柔軟性向上に重要な役割を果たす可能性があることを示しました。しかし、おそらくもっと重要なのは、少なくとも人々がこの種のシステムに参加することを促すという点において、家庭内の快適性に影響を与えることなく、エアコンの導入が可能だったことです。
住宅の温度は設定温度から華氏1.6度（摂氏約1.6度）以上変動しないことが分かりました。住宅所有者は不快に感じた場合、温度制御を無効にすることも許可されていましたが、ほとんどの住宅はそうしませんでした。ほとんどのテストでは、制御を無効にするリクエストはゼロでした。最悪のケースでは、テスト対象となった100軒のうち2軒から制御を無効にするリクエストがありました。
実際には、この種の技術は市販のインターネット接続型サーモスタットに搭載される可能性があります。ユーザーは、光熱費の割引と引き換えに、サーモスタットメーカー、電力会社、またはその他の第三者が運営するサービスに加入することができます。
そうすれば、人々は夏の暑さの中で罪悪感を感じることなくエアコンをつけることができるようになる。その過程で自分たちの快適さを犠牲にすることなく、電力網の信頼性を高め、再生可能エネルギー源をより受け入れやすくすることに貢献しているのだと理解できるからだ。
ジョアンナ・マシュー、ミシガン大学電気工学・コンピュータサイエンス准教授。この記事はクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversationから転載されました。原文はこちら。
