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分散型発電、分散型エネルギー、オンサイト発電（OSG）[ 1 ] 、または地域/分散型エネルギーとは、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または配電システム接続デバイスによって行われる発電および蓄電のことである。[ 2 ]
石炭火力発電所、ガス火力発電所、原子力発電所などの従来の発電所、水力発電ダム、大規模太陽光発電所は集中型であり、多くの場合、長距離にわたって電力を送電する必要があります。対照的に、DERシステムは分散型でモジュール式で柔軟性の高い技術であり、供給する負荷の近くに設置されますが、容量はわずか10メガワット（MW）以下です。これらのシステムは複数の発電および蓄電コンポーネントで構成される場合があり、この場合、ハイブリッド電力システムと呼ばれます。[ 3 ]
DERシステムは一般的に、小水力、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、電力配電システムにおいて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）と呼ばれることがよくあります。[ 4 ]インターフェースを介して、DERシステムはスマートグリッド内で管理および調整できます。分散型発電と貯蔵により、多くの供給源からエネルギーを収集することが可能になり、環境への影響を低減し、供給の安全性を向上させることができます。[ 5 ]
太陽光発電や風力発電などの分散型エネルギー資源（DER）の統合における主要な課題の1つは、これらの電力資源の不確実性です。この不確実性は、配電システムにいくつかの問題を引き起こす可能性があります。(i) 需給関係が非常に複雑になり、ネットワークのバランスを取るために複雑な最適化ツールが必要になります。(ii) 送電ネットワークに大きな負荷がかかります[ 6 ]。(iii) 配電システムから送電システムへの逆潮流を引き起こす可能性があります[ 7 ] 。
マイクログリッドは、従来の集中型電力網（マクログリッド）とは対照的に、現代的で地域密着型の小規模グリッドです。 [ 8 ] [ 9 ]マイクログリッドは、集中型グリッドから切り離して自律的に動作し、グリッドの回復力を強化し、グリッドの障害を軽減するのに役立ちます。これらは通常、低電圧交流グリッドであり、多くの場合ディーゼル発電機を使用し、サービスを提供するコミュニティによって設置されます。マイクログリッドは、太陽光ハイブリッド発電システムなど、さまざまな分散型エネルギー資源を組み合わせて使用することが増えており、これにより二酸化炭素の排出量が大幅に削減されます。
歴史的に、中央発電所は電力網の不可欠な部分であり、大規模な発電施設は資源の近く、あるいは人口密集地から遠く離れた場所に設置されています。これらの発電所は、送配電網（T&D）に電力を供給し、送配電網は大量の電力を人口密集地に、そしてそこから消費者に分配します。中央発電所は、燃料輸送や発電技術の人口密集地への導入コストが、送配電設備の開発コストや料金体系をはるかに上回っていた時代に開発されました。中央発電所は通常、立地条件に応じた規模の経済性を活用するように設計され、特注の「一点もの」プロジェクトとして建設されます。
こうした規模の経済は1960年代後半に破綻し始め、21世紀初頭には、中央発電所はもはやグリッドを通じて遠隔地の顧客に競争力のある安価で信頼性の高い電力を供給することができなくなっていた。なぜなら、発電所のコストがグリッドよりも低くなり、信頼性が非常に高くなったため、ほぼすべての停電がグリッドに起因するようになったからである。そのため、グリッドは遠隔地の顧客の電力コストと電力品質問題の主な要因となり、デジタル機器が極めて信頼性の高い電力を必要とするようになるにつれて、この問題はさらに深刻化した。[ 10 ] [ 11 ]効率の向上はもはや発電容量の増加からではなく、需要地に近い場所に設置された小型ユニットからもたらされる。[ 12 ] [ 13 ]
例えば、石炭火力発電所は、大気汚染が住民に影響を与えないよう、都市部から離れた場所に建設される。さらに、石炭輸送コストを最小限に抑えるため、炭鉱の近くに建設されることが多い。水力発電所は、その性質上、十分な水量のある場所でしか稼働できない。
天然ガスを燃料とする複合サイクル発電所の重要な利点の一つは、汚染物質の排出量が少ないことである。汚染物質の排出量が少ないため、発電所を都市近郊に設置して地域冷暖房を提供することが可能となる。
分散型エネルギー資源は大量生産され、小型で、設置場所の制約が少ない。その開発は以下の理由から始まった。
資本市場は、個々の顧客、配電変電所、またはマイクログリッドに適した規模のリソースが、中央発電所に比べて重要だがあまり知られていない経済的利点を提供できることを認識するようになった。小規模ユニットは、大規模ユニットがその規模だけで得る利益よりも、大量生産によってより大きな経済的利益を得た。財務リスク、エンジニアリングの柔軟性、セキュリティ、および環境品質の改善によってもたらされるこれらのリソースの価値の増加は、多くの場合、その明らかなコスト上の不利を上回る。[ 14 ]分散型発電（DG）は、中央発電所と比較して、ライフサイクルベースで正当化されなければならない。[ 15 ]残念ながら、DGの直接的な利点の多く、そして間接的な利点のほぼすべては、従来の公益事業のキャッシュフロー会計では捉えられていない。[ 10 ]
分散型発電の均等化コストは、キロワット時ベースでは従来型の集中型電源よりも一般的に高価ですが、これは従来型燃料のマイナス面を考慮していません。需要の増加と技術の進歩に伴い、分散型発電の追加プレミアムは急速に低下しており、[ 16 ] [ 17 ]十分かつ安定した需要は、規模の経済、イノベーション、競争、より柔軟な資金調達をもたらし、分散型発電のクリーンエネルギーをより多様な未来の一部にする可能性があります。
分散型発電（DG）は、発電場所が電力使用場所のごく近く、場合によっては同じ建物内であるため、送電時のエネルギー損失を削減できます。これにより、建設が必要な送電線の規模と数も削減できます。
固定価格買取制度（FIT）における一般的な分散型エネルギー資源（DER）システムは、メンテナンスの手間が少なく、環境汚染も少なく、効率が高いという特徴があります。従来、これらの特性を実現するには、環境汚染を低減するために、専任の運転技術者と大規模で複雑な発電所が必要でした。しかし、最新の組み込みシステムは、自動運転と太陽光、風力、地熱などの再生可能エネルギーによって、これらの特性を提供できます。これにより、収益を上げられる発電所の規模を縮小することが可能になります。
特定の電源の数千の設置場所で使用されている単一ベンダーの制御システムの脆弱性により、単一の攻撃者によってハッキングされ、これらすべての電源が遠隔で無効化される可能性があり、分散型発電の利点が大幅に逆転する可能性がある。これは、太陽光発電インバーター[ 18 ] [ 19 ]や風力発電制御システム[ 20 ]の場合に実際に実証されている。2024年11月、インバーターメーカーのDeyeとSol-Arkは、地域販売方針の紛争が原因とされる理由で、一部の国で遠隔的に無効化された。両社は後に、ブロックは遠隔ではなく、インバーターに組み込まれたジオフェンシングメカニズムによるものだと主張した。 [ 21 ]
EU NIS2指令は、エネルギー発電市場にサイバーセキュリティ要件を拡大するもので、[ 22 ]再生可能エネルギーロビー団体からの反発に直面している。[ 23 ]
グリッドパリティとは、代替エネルギー源が、最終消費者の小売価格以下の均等化コスト（LCOE ）で発電できる状態を指します。グリッドパリティの達成は、補助金や政府の支援なしにエネルギー源が広く普及する可能性がある時点とみなされています。2010年代以降、オーストラリア、ヨーロッパのいくつかの国、米国のいくつかの州など、ますます多くの市場で太陽光発電と風力発電のグリッドパリティが現実のものとなっています[ 24 ]。
分散型エネルギー資源（DER ）システムは、従来の電力システムに代わるもの、またはそれを強化するものとして使用される小規模な発電または蓄電技術（通常 1kWから10,000kWの範囲 ）[ 25 ]です。DERシステムは通常、キロワットあたりの初期資本コストが高いことが特徴です。 [ 26 ] DERシステムは蓄電装置としても機能し、分散型エネルギー貯蔵システム（DESS）と呼ばれることもよくあります。 [ 27 ]
DERシステムには、以下のデバイス／技術が含まれる場合があります。
分散型コジェネレーション電源は、蒸気タービン、天然ガス燃焼燃料電池、マイクロタービン、または往復動エンジン[ 30 ]を使用して発電機を回転させます。高温の排気は、その後、空間または水の加熱、または吸収式チラー[ 31 ] [ 32 ]を駆動して空調などの冷却に使用されます。天然ガスベースのスキームに加えて、分散型エネルギープロジェクトには、バイオ燃料、バイオガス、埋立地ガス、下水ガス、炭層メタン、合成ガス、および関連石油ガスなどの他の再生可能または低炭素燃料も含まれる場合があります。[ 33 ]
Delta-ee コンサルタントは 2013 年に、燃料電池マイクロ熱電併給システムが世界販売の 64% を占め、2012 年に従来型システムを販売で上回ったと述べた。 [ 34 ] 2012 年に Ene Farm プロジェクト全体で日本国内で 20,000 台が販売された。夜間に停止するPEM 燃料電池ユニットの寿命は約 60,000 時間であり、これは推定寿命が 10 ～ 15 年である。 [ 35 ]設置前の価格は 22,600 ドルである。[ 36 ] 2013 年に 50,000 台分の国からの補助金が実施されている。[ 35 ]
さらに、FuelCell EnergyやBloom Energy Serverなどの溶融炭酸塩燃料電池や天然ガスを使用する固体酸化物燃料電池、あるいはGate 5 Energy Systemのような廃棄物発電プロセスが分散型エネルギー源として利用されている。
太陽光発電は、太陽電池を組み立てたソーラーパネルを用いて太陽光を電気に変換する技術です。世界的な設置容量が数年ごとに倍増するなど、急速に成長している技術です。太陽光発電システムは、分散型、住宅用、商業施設の屋上設置型や建物一体型から、大規模な集中型太陽光発電所まで多岐にわたります。
太陽光発電技術の主流は結晶シリコンだが、薄膜太陽電池技術は世界の太陽光発電設備の約10％を占めている。[ 37 ]近年、太陽光発電技術は太陽光から電力への変換効率を向上させ、ワットあたりの設置コスト、エネルギー回収期間（EPBT）、均等化発電原価（LCOE）を削減し、 2014年には少なくとも19の異なる市場でグリッドパリティを達成した。[ 38 ]
ほとんどの再生可能エネルギー源と同様に、石炭や原子力とは異なり、太陽光発電は変動性があり、調整できませんが、燃料費や運転時の汚染がなく、採掘安全や運転安全の問題も大幅に軽減されます。毎日正午頃にピーク電力を生成し、設備利用率は約20パーセントです。[ 39 ]
風力タービンは分散型エネルギー資源にもなり得るし、大規模に建設することもできる。これらはメンテナンスが少なく、汚染も少ないが、分散型風力発電は大規模風力発電とは異なり、他のエネルギー源よりもコストがはるかに高い。[ 40 ]太陽光発電と同様に、風力エネルギーは変動的で、制御できない。風力タワーと発電機は強風による相当な保険責任を伴うが、運転安全性は高い。風力ハイブリッド発電システムからの分散型発電は、風力発電と他のDERシステムを組み合わせたものである。その一例として、風力タービンを太陽光ハイブリッド発電システムに統合することが挙げられる。これは、各システムのピーク運転時間が1日と1年で異なる時間帯に発生するため、風力発電は太陽光を補完する傾向があるためである。
水力発電は最も広く利用されている再生可能エネルギーですが、その潜在能力は既に大部分が開発されているか、あるいは漁業への環境影響やレクリエーション利用の需要増加といった問題によって制約を受けています。しかし、波力発電などの21世紀の最新技術を用いることで、環境への影響を最小限に抑えつつ、大量の新たな水力発電容量を確保することが可能になります。
モジュール式で拡張可能な次世代運動エネルギータービンは、住宅、商業、産業、自治体、さらには地域規模のニーズに対応するためにアレイ状に展開できます。マイクロ水力運動発電機は、波や流れなどの水の動きの運動エネルギーを利用するため、ダムや貯水池を必要としません。海岸線や海底での建設は不要で、生息地への環境影響を最小限に抑え、許可プロセスを簡素化します。このような発電は環境への影響も最小限で、非従来型のマイクロ水力アプリケーションは、ドック、桟橋、橋台、または同様の構造物などの既存の構造物にテザーすることができます。[ 41 ]
都市ごみ（MSW）や、下水汚泥、食品廃棄物、家畜糞尿などの自然廃棄物は分解され、メタンガスを放出します。このメタンガスは回収され、ガスタービンやマイクロタービンの燃料として利用することで、分散型エネルギー源として発電に利用できます。さらに、カリフォルニア州に拠点を置くGate 5 Energy Partners社は、下水汚泥などの自然廃棄物をバイオ燃料に変換するプロセスを開発しました。このバイオ燃料は燃焼させて蒸気タービンを駆動し、発電に利用できます。この発電された電力は、廃棄物発生源（処理場、農場、酪農場など）で送電網からの電力の代わりに利用できます。
分散型エネルギー資源は、発電に限らず、分散型エネルギー（DE）を貯蔵する装置も含まれる場合がある。[ 27 ]分散型エネルギー貯蔵システム（DESS）の用途には、数種類のバッテリー、揚水発電、圧縮空気、熱エネルギー貯蔵が含まれる。[ 42 ] : 42商用用途向けのエネルギー貯蔵へのアクセスは、サービスとしてのエネルギー貯蔵（ESaaS）などのプログラムを通じて容易にアクセスできる。
信頼性の観点から、分散型発電リソースは中央発電所と同じ送電網に相互接続されます。これらのリソースをグリッドに統合する際には、さまざまな技術的および経済的な問題が発生します。電力品質、電圧安定性、高調波、信頼性、保護、および制御の分野で技術的な問題が発生します。[ 47 ] [ 48 ]グリッド上の保護装置の動作は、分散型発電と中央発電所のすべての組み合わせについて検討する必要があります。[ 49 ]分散型発電の大規模な展開は、周波数制御や予備力の割り当てなどのグリッド全体の機能に影響を与える可能性があります。[ 50 ]その結果、スマートグリッド機能、仮想発電所[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]、およびガスステーションへの電力供給などのグリッドエネルギー貯蔵がグリッドに追加されます。電力会社とリソース管理組織の間で対立が発生します。[ 54 ]
分散型発電リソースはそれぞれ独自の統合上の問題を抱えています。太陽光発電と風力発電はどちらも断続的で予測不可能な発電を行うため、電圧と周波数の安定性に多くの問題が生じます。これらの電圧の問題は、負荷タップチェンジャーなどの機械的なグリッド機器に影響を与え、電力会社が想定していたよりも頻繁に反応し、はるかに早く摩耗します。[ 55 ]また、太陽光発電量が多い時間帯に何らかのエネルギー貯蔵がない場合、企業は日没時に太陽光発電量の減少を補うために発電量を急速に増加させる必要があります。この急激な増加率は、業界でダックカーブと呼ばれる現象を引き起こし、将来のグリッドオペレーターにとって大きな懸念事項となっています。[ 56 ]貯蔵が実装できれば、これらの問題を解決できます。フライホイールは優れた周波数調整を提供することが実証されています。[ 57 ]また、フライホイールはバッテリーと比較してサイクル寿命が非常に長く、かなりのサイクル数（約10,000サイクル）の後でも同じエネルギーと電力を維持します。[ 58 ]短期使用バッテリーは、十分な規模で使用すれば、ダックカーブを平坦化し、発電機の使用変動を防ぎ、電圧プロファイルを維持するのに役立ちます。[ 59 ]しかし、コストはエネルギー貯蔵の主要な制限要因であり、各技術は大規模生産するには法外に高価であり、液体化石燃料と比較してエネルギー密度が低い。最後に、統合を支援するもう1つの方法は、エネルギー生産量が消費量よりも多い場合にエネルギーを貯蔵する機能も備えたインテリジェントインバータを使用することです。[ 60 ]
分散型電源（DG）の導入増加に伴う電圧および周波数の問題を軽減するための取り組みがいくつか行われてきました。特に、IEEE 1547は分散型エネルギー資源の相互接続と相互運用性の標準を定めています。IEEE 1547は、障害発生後の時間と電圧不規則性または周波数不規則性の大きさに応じて、障害を解消するタイミングを示す特定の曲線を設定しています。[ 61 ]電圧の問題は、既存の機器に新しい動作を実行する機会も与えます。特に、インバータはDGの電圧出力を調整できます。インバータのインピーダンスを変更することでDGの電圧変動を変更できるため、インバータはDGの電圧出力を制御できます。[ 62 ] DG統合が機械的なグリッド機器に与える影響を軽減するために、変圧器と負荷タップチェンジャーは、DGによる電圧不規則性の影響を軽減する特定のタップ動作対電圧動作曲線を実装する可能性があります。つまり、負荷タップチェンジャーは、DG機器によって発生する電圧変動よりも長い期間続く電圧変動に対応します。[ 63 ]
太陽光発電、バッテリー、コジェネレーションなどの技術を組み合わせて、独立型の分散型発電システムを構築することが可能になった。[ 64 ]
最近の研究では、このようなシステムは均等化発電コストが低いことが示されている。[ 65 ]
現在、多くの著者は、消費者が主に太陽光発電技術で構成されたオフグリッドシステムを使用して電力を生産できるため、これらの技術によって大規模なグリッド離脱が可能になる可能性があると考えている。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]例えば、ロッキーマウンテン研究所は、大規模なグリッド離脱が起こる可能性があると提唱している。[ 69 ]これは中西部での研究によって裏付けられている。[ 70 ]
コジェネレーションは、ほとんどの建物が既に燃料を燃焼させており、燃料からより多くの価値を引き出すことができるため、好まれています。ローカル生産では、長距離送電線での送電損失や、変圧器でのジュール効果によるエネルギー損失（一般的に8～15%のエネルギーが失われる）がありません[ 71 ] （電源別の電力コストも参照）。一部の大規模設備では、複合サイクル発電が利用されています。通常、これはガスタービンで構成され、その排気でランキンサイクルの蒸気タービン用の水を沸騰させます。蒸気サイクルの凝縮器は、暖房または吸収式チラー用の熱を供給します。コジェネレーションを備えた複合サイクル発電所は、既知の中で最も高い熱効率を持ち、多くの場合85%を超えます。高圧ガス供給のある国では、小型タービンを使用して、有用なエネルギーを抽出しながらガス圧を家庭用レベルまで下げることができます。英国がこれを全国的に実施すれば、さらに2～4GWeの電力が利用可能になります。（高い初期ガス圧を供給するために、エネルギーは既に他の場所で生成されていることに注意してください。この方法は、単に別の経路でエネルギーを分配するだけです。）
マイクログリッドは、発電、エネルギー貯蔵、負荷の局所的なグループであり、通常は従来の中央集中型グリッド（マクログリッド）に接続して動作します。マクログリッドとのこの単一の共通接続点は切断できます。その後、マイクログリッドは自律的に機能できます。[ 72 ]マイクログリッド内の発電と負荷は通常低電圧で相互接続されており、DC、AC、またはその両方の組み合わせで動作できます。グリッドオペレーターの観点からは、接続されたマイクログリッドは、あたかも1つのエンティティであるかのように制御できます。
マイクログリッドの発電設備には、定置型バッテリー、燃料電池、太陽光、風力、その他のエネルギー源が含まれます。複数の分散型発電設備と、マイクログリッドを大規模ネットワークから独立させる能力により、非常に信頼性の高い電力供給が可能になります。マイクロタービンなどの発電設備から発生する熱は、局所的なプロセス加熱や暖房に利用でき、熱と電力の需要を柔軟に調整できます。
マイクログリッドは、2012年7月のインド大停電を受けて提案された。[ 73 ]
マイクログリッドは世界中の多くのコミュニティで導入されています。たとえば、テスラはサモアのタウ島に太陽光マイクログリッドを導入し、島全体を太陽エネルギーで賄っています。[ 74 ]この地域生産システムは、380立方メートル（10万米ガロン）以上のディーゼル燃料の節約に役立っています。また、その期間中に太陽が全く照らさなかったとしても、3日間島を稼働させることができます。[ 75 ]これは、再生可能資源の利用と地域生産を促進するために、コミュニティでマイクログリッドシステムを導入できる方法の素晴らしい例です。
マイクログリッドを正しく計画および設置するには、エンジニアリングモデリングが必要です。マイクログリッドの経済的および電気的な影響をモデル化するためのシミュレーションツールと最適化ツールが複数存在します。広く使用されている経済最適化ツールは、ローレンス・バークレー国立研究所の分散型エネルギー資源顧客採用モデル（DER-CAM）です。もう1つのよく使用される商用経済モデリングツールは、もともと国立再生可能エネルギー研究所によって設計されたHomer Energyです。マイクログリッド開発者を支援する電力潮流および電気設計ツールもいくつかあります。パシフィック・ノースウエスト国立研究所は、一般公開されているGridLAB-Dツールを設計し、電力研究所（EPRI）は、配電システム（マイクログリッド用）をシミュレートするためのOpenDSSを設計しました。プロフェッショナルな統合DER-CAMおよびOpenDSSバージョンは、BankableEnergyから入手できます（2018年7月11日にWayback Machineにアーカイブ） 。電気、冷房、暖房、およびプロセス熱需要のシミュレーションに使用できるヨーロッパのツールは、デンマークのオールボー大学のEnergyPLANです。
2010年、コロラド州は、2020年までにコロラド州で発電される電力の3%を何らかの分散型発電で賄うことを義務付ける法律を制定した。[ 78 ] [ 79 ]
2017年10月11日、カリフォルニア州知事ジェリー・ブラウンは、電力会社にピーク需要に対応するため「ガス発電に代わる炭素排出のない代替手段」を計画することを義務付ける法案SB 338に署名し、これを法律として成立させた。この法律は、電力会社に対し、エネルギー貯蔵、効率性、分散型エネルギー資源などの問題を評価することを義務付けている。[ 80 ]
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