エネルギー需要管理

エネルギー需要管理は、需要側管理（DSM）または需要側応答（DSR）^[1]としても知られ、金銭的インセンティブ^[2]や教育による行動変容など、さまざまな方法を通じて消費者のエネルギー需要を修正することです。

通常、需要側管理の目標は、消費者がピーク時のエネルギー使用量を減らすように促したり、エネルギー使用時間を夜間や週末などのオフピーク時間に移動させることです。^{[3]ピーク需要管理は必ずしも総}エネルギー消費量を減らすわけではありませんが、ピーク需要を満たすためのネットワークや発電所への投資の必要性を減らすことが期待できます。一例として、オフピーク時にエネルギーを貯蔵し、ピーク時に放出するためのエネルギー貯蔵ユニットの使用が挙げられます。^[4]

DSMの新しい用途は、特にエネルギー需要のタイミングと規模が再生可能エネルギー発電と一致しない場合に、風力と太陽光発電ユニットからの変動発電のバランスをとるために送電網運営者を支援することです。需要のピーク時にオンラインにされる発電機は、多くの場合化石燃料ユニットです。それらの使用を最小限に抑えることで、二酸化炭素やその他の汚染物質の排出が削減されます。^{[5] [6]}

DSMという用語は、 1973年のエネルギー危機と1979年のエネルギー危機の後に造られました。^[7]多くの国の政府は、需要管理のためのさまざまなプログラムの実施を義務付けました。初期の例としては、米国の1978年の国家エネルギー節約政策法があり、これに先立ってカリフォルニア州とウィスコンシン州で同様の措置が取られました。需要側管理は、1980年代に電力研究所（EPRI）によって公的に導入されました。 ^{[8]今日では、}情報通信技術と電力システムの統合により、DSM技術はますます実現可能になり、統合需要側管理（IDSM）やスマートグリッドなどの新しい用語が生まれています。^{[9] [10]}

アメリカの電力業界は、もともと消費可能な電気であれ、発電に使用されていた化石燃料であれ、外国からのエネルギー輸入に大きく依存していた。1970年代のエネルギー危機の時期に、連邦政府は外国の石油への依存を減らし、エネルギー効率と代替エネルギー源を促進することを目指して、公益事業規制政策法（PURPA）を可決した。この法律により、電力会社は独立系発電会社から可能な限り安価な電力を入手することを義務付けられ、その結果、再生可能エネルギーが促進され、電力会社が必要とする電力量を減らすよう促され、エネルギー効率と需要管理の課題が前進した。^[11]

電力使用量は、現在の気象パターンに応じて、短期および中期の期間で大幅に変化する可能性があります。一般に、卸売電力システムは、発電量を追加または削減することで需要の変化に対応します。ただし、ピーク時には、追加の発電は通常、効率の低い (「ピーキング」) 電源によって供給されます。残念ながら、これらの「ピーキング」電源の使用に伴う瞬間的な財務コストと環境コストは、小売価格設定システムに必ずしも反映されるわけではありません。さらに、需要を変更することで価格シグナルに適応する電力消費者の能力または意欲 (需要の弾力性) は、特に短期的には低い可能性があります。多くの市場では、消費者 (特に小売顧客) はリアルタイムの価格設定に直面することはなく、平均年間コストまたはその他の構築された価格に基づいて料金を支払います。^{[引用が必要]}

エネルギー需要管理活動は、電力需要と供給を認識された最適値に近づけ、電力エンドユーザーが需要を減らすことで利益を得られるよう努める。現代のシステムでは、需要側管理への統合アプローチがますます一般的になりつつある。IDSM は、システム条件に応じて負荷を削減するために、エンドユーザーシステムに信号を自動的に送信する。これにより、需要を非常に正確に調整して常に供給と一致させ、電力会社の資本支出を削減できる。重要なシステム条件としては、ピーク時、または再生可能エネルギーのレベルが変動する地域で、過剰発電を避けるために需要を上げたり、需要の増加に対応するために需要を下げたりする必要があるときなどが挙げられる。^{[引用が必要]}

一般的に、需要の調整は、夜間と日中の恒久的な差別料金や時折の高価格使用日などの価格シグナルへの対応、ホームエリアネットワークによる行動の変化、遠隔操作エアコンなどの自動制御、エネルギー効率の高い機器による恒久的な負荷調整など、さまざまな方法で発生します。^[要出典]

あらゆる商品の需要は、市場参加者や政府の行動（規制や課税）によって変化する可能性があります。エネルギー需要管理とは、エネルギー需要に影響を与える行動を意味します。DSM はもともと電力に採用されていましたが、今日では水道やガスなどの公共事業にも広く適用されています。^[要出典]

エネルギー需要の削減は、近代産業史の大半でエネルギー供給者と政府が行ってきたことと相反する。産業時代の大部分で、規模の経済と技術の進歩により、さまざまなエネルギー形態の実質価格は低下してきたが、将来への期待は正反対である。以前は、将来的にはより豊富で安価なエネルギー源が期待できたり、供給者が消費の増加によって利益が上がる余剰能力を導入したりしていたため、エネルギーの使用を促進することは不合理ではなかった。^[要出典]

中央計画経済においては、エネルギーへの補助金支給は経済発展の主要な手段の一つであった。エネルギー供給産業への補助金支給は、今でも一部の国では一般的である。^[要出典]

歴史的状況とは逆に、エネルギー価格と供給は悪化すると予想されています。エネルギー供給者自身ではないにしても、政府やその他の公的機関は、エネルギー消費の効率を高めるエネルギー需要対策を採用する傾向にあります。^[要出典]

• エネルギー効率：同じ作業を実行するのに必要な電力が少なくなる。これは、給湯器、冷蔵庫、洗濯機などのより効率的な負荷集中型機器を使用することで、需要を恒久的に削減することを意味します。^{[12] [検証失敗]}
• 需要応答: 需要を削減、平準化、またはシフトするための反応的または予防的な方法。歴史的に、需要応答プログラムは、発電容量の構築にかかる高額な費用を先送りするためにピーク削減に重点を置いてきました。しかし、需要応答プログラムは現在、変動性のある再生可能エネルギーの統合を支援するために、太陽光発電と風力発電を差し引いた負荷の純負荷形状の変更にも役立つことが期待されています。^[13]需要応答には、瞬間需要のタイミング、レベル、または総電力消費量を変更することを目的とした、エンドユーザー顧客の電力消費パターンに対する意図的な変更が含まれます。 ^[14]需要応答とは、前述のIDSMを含む、電力システム内の特定の状況（ピーク時のネットワーク混雑や高価格など）に応じて、電力メーターの顧客側で実行できるさまざまなアクションを指します。^[15]
• 動的需要: 機器の動作サイクルを数秒早めたり遅らせたりして、負荷セットの多様性係数を高めます。概念は、電力網の力率とそれ自身の制御パラメータを監視することで、個々の断続的な負荷が最適なタイミングでオンまたはオフになり、システム全体の負荷と発電のバランスが取れ、重大な電力の不一致が軽減されるというものです。この切り替えによって機器の動作サイクルが数秒早められたり遅らせられたりするだけなので、エンドユーザーには気付かれません。米国では、1982 年にこのアイデアの特許が電力システム エンジニアの Fred Schweppe に発行されました (現在は失効)。^[16]このタイプの動的需要制御は、エアコンでよく使用されます。その一例は、カリフォルニアの SmartAC プログラムです。^[17]
• 分散型エネルギー資源: ^[要出典]分散型発電、分散エネルギー、オンサイト発電 (OSG)、または地域/分散型エネルギーは、分散型エネルギー資源 (DER) と呼ばれるさまざまな小型のグリッド接続デバイスによって実行される発電および貯蔵です。石炭火力発電所、ガス発電所、原子力発電所、水力発電ダム、大規模太陽光発電所などの従来の発電所は集中型であり、多くの場合、電気エネルギーを長距離伝送する必要があります。対照的に、DER システムは、容量が 10 メガワット (MW) 以下であるにもかかわらず、負荷の近くに配置される分散型でモジュール化されたより柔軟なテクノロジーです。これらのシステムは、複数の発電および貯蔵コンポーネントで構成できます。この場合は、ハイブリッド電力システムと呼ばれます。DER システムは通常、小規模水力、バイオマス、バイオガス、太陽光発電、風力発電、地熱発電などの再生可能エネルギー源を使用し、電力配電システムでますます重要な役割を果たしています。電力貯蔵用のグリッド接続デバイスも DER システムに分類され、分散型エネルギー貯蔵システム (DESS) と呼ばれることもあります。インターフェースを使用することで、DER システムをスマート グリッド内で管理および調整できます。分散型発電および貯蔵により、さまざまなソースからエネルギーを収集できるようになり、環境への影響を軽減し、供給の安全性を向上させることができます。

大まかに言えば、需要側管理は、国家規模、公益事業規模、コミュニティ規模、個々の世帯規模の 4 つのカテゴリに分類できます。

エネルギー効率の改善は、最も重要な需要側管理戦略の一つです。^[18]効率改善は、住宅、建物、家電製品、輸送、機械などの法律や基準を通じて全国的に実施することができます 。

オーストラリアやスイスでは、需要ピーク時に電力会社は広い地域で貯湯式給湯器、プールポンプ、エアコンを制御してピーク需要を削減できる。一般的な技術の1つはリップル制御で、高周波信号（例：1000 Hz）を通常の電力（50 Hzまたは60 Hz）に重ねて、デバイスのオン/オフを切り替える。^[19] オーストラリアなどのよりサービスベースの経済では、電力ネットワークのピーク需要は午後遅くから夕方早い時間（午後4時から午後8時）に発生することが多い。住宅と商業の需要は、これらのタイプのピーク需要の最も重要な部分である。^[20]したがって、電力会社（電力ネットワークディストリビューター）が住宅の貯湯式給湯器、プールポンプ、エアコンを管理することは非常に理にかなっている。

他には、近隣地域、管区、地区などと呼ばれることもあります。コミュニティセントラルヒーティングシステムは、冬の寒い地域では何十年も前から存在しています。同様に、夏のピーク地域ではピーク需要を管理する必要があります。たとえば、米国のテキサス州とフロリダ州、オーストラリアのクイーンズランド州とニューサウスウェールズ州などです。需要側管理は、暖房や冷房のピーク需要を削減するためにコミュニティ規模で実装できます。^{[21] [22]もう一つの側面は、ネット}ゼロエネルギーの建物またはコミュニティを実現することです。^[23]

エネルギー、ピーク需要、請求書をコミュニティレベルで管理することは、集団的な購買力、交渉力、エネルギー効率や貯蔵のより多くの選択肢、^[24]異なる時間にエネルギーを生成および消費する際の柔軟性と多様性（例えば、日中の消費を補うため、またはエネルギー貯蔵のためにPVを使用する）により、より実現可能で実行可能になる可能性があります。

オーストラリアの地域では、30%以上の世帯（2016年）が屋上に太陽光発電システムを設置しています。太陽からの無料エネルギーを利用して、電力網からのエネルギー輸入を削減することは有益です。さらに、太陽光発電、エアコン、バッテリーエネルギー貯蔵システム、貯湯式給湯器、建物の性能、エネルギー効率対策の運用など、体系的なアプローチを考慮すると、需要側管理が役立ちます。^[25]

オーストラリアのクイーンズランド州の電力会社は、エアコンなどの特定の家電製品や家庭用メーターに装置を取り付け、給湯器やプールポンプなどを制御し、電力会社はこれらの装置により、ピーク時にこれらの機器の使用を遠隔で制御できるようになる。また、彼らの計画には、エネルギー使用機器の効率を改善し、電力会社にとって生産コストが安いオフピーク時に電気を使用する消費者に金銭的インセンティブを与えることも含まれている。^[26]

もう一つの例として、需要側管理により、南東クイーンズランド州の家庭では屋上の太陽光発電システムからの電力を使って水を温めることができる。^[27]

2008年、オンタリオ州の独占エネルギー供給会社トロント・ハイドロは、需要の急増を相殺するためにエネルギー会社が使用するエアコンに遠隔装置を取り付けるために4万人以上の登録者を獲得した。広報担当のタニヤ・ブルックミュラーは、このプログラムにより緊急事態の際に需要を40メガワット削減できると述べている。^[28]

アルコア・ウォーリック・オペレーションは、MISOに適格な需要応答リソースとして参加しており、エネルギー、回転予備力、調整サービスの観点から需要応答を提供している。^{[29] [30]}

需要側管理は、火力発電所をベースとした電力システム、または水力発電などの再生可能エネルギーが主流だが、補完的な火力発電を備えたシステム（ブラジルなど）に適用できます。

ブラジルの場合、水力発電が全体の80%以上を占めているにもかかわらず、発電システムの実質的なバランスを実現するために、水力発電所で発電されたエネルギーは、ピーク需要以下の消費を供給しています。ピーク時の発電は、化石燃料発電所の使用によって供給されています。2008年、ブラジルの消費者は、以前に計画されていなかった補完的な熱電発電に 10億ドル以上を支払いました^{[31] 。}

ブラジルでは、たとえ発電所が休止状態であっても、消費者はエネルギー供給のための投資のすべてを支払います。ほとんどの化石燃料火力発電所では、消費者はこれらの発電所がエネルギーを生産するときのみ「燃料」やその他の運用コストを支払います。単位生産あたりのエネルギーは、火力発電所の方が水力発電所よりも高価です。ブラジルの火力発電所のうち、天然ガスを使用しているのはごくわずかで、そのため水力発電所よりも汚染が著しく多くなります。ピーク需要を満たすために発電される電力は、投資コストと運用コストの両方でコストが高く、汚染は環境コストに大きく影響し、その使用には金銭的および社会的責任が生じる可能性があります。したがって、現在のシステムの拡張と運用は、需要側管理を使用した場合ほど効率的ではありません。この非効率の結果、エネルギー料金が上昇し、消費者に転嫁されます。^{[引用が必要]}

さらに、電気エネルギーはほぼ瞬時に生成され消費されるため、送電線や配電網などのすべての設備はピーク消費に合わせて構築されます。ピーク時以外は、それらの全容量は利用されません。^[要出典]

ピーク時の消費量を削減することで、ブラジルのシステムと同様に、配電網や送電網への新たな投資を延期したり、ピーク時の補完的な火力発電の必要性を減らしたりすることで、ピーク時のみに供給する新しい発電所への投資費用と温室効果ガス排出に伴う環境への影響の両方を軽減できるなど、さまざまな方法で電力システムの効率化に寄与することができる。^[要出典]

需要側管理は、消費者の公共料金の上昇と公益事業会社の利益の減少につながることが多いため、効果的ではないと主張する人もいます。^[32]

需要側管理の主な目標の 1 つは、その時点の公共料金の実際の価格に基づいて消費者に請求できるようにすることです。消費者がオフピーク時に電気料金を安くし、ピーク時に電気料金を高く設定できれば、理論的には需要と供給によって消費者はピーク時に電気をあまり使用しなくなり、需要側管理の主な目標が達成されます。^[要出典]

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