ミニグリッド

ミニグリッドは、主電力網から分離され、電気と場合によっては熱を供給する単一システムとして動作する電気負荷と1つ以上のエネルギー源の集合体である。現代のミニグリッドには、再生可能エネルギーと化石燃料ベースの発電、エネルギー貯蔵、負荷制御が含まれる場合がある。^{[2] [3]}ミニグリッドは、主電力網（広域同期グリッド）から完全に分離することも、相互接続することもできる。主電力網に相互接続される場合は、主電力網から分離（「孤立」）し、孤立モードまたは自律モードで動作しながら顧客にサービスを提供し続けることもできる必要がある。^[4]ミニグリッドは、送電とエンドユーザーの人口密度のコストの点でグリッド接続が困難な農村地域の電化のための費用対効果の高いソリューションとして使用され、^[5]ミニグリッドは、主電力網から10 km以上離れた100世帯以上の農村地域の電化によく使用される。^[6]

ミニグリッドとマイクログリッドは類似しており、同義語として使用されることもあります。マイクログリッドとミニグリッドはどちらも発電と配電を含み、一般的には電気化学電池の形での電力貯蔵が含まれます。停電やその他の障害が発生した場合、またはミニグリッドでよくあることですが、そもそもメイングリッドに接続されていない場合には、どちらも「孤立」する可能性があります。実際には、「ミニグリッド」という用語は、以前は電化されていなかったコミュニティに電力を供給する低所得国や中所得国で一般的な文脈で使用されます。または、国営のグリッドは存在するが電気が散発的な地域で信頼性の高い電力を供給するために使用されることもあります。サハラ以南アフリカでは、メイングリッドに接続されている世帯の半数以上が、電気を受け取っている時間は半分以下であると報告しています。^[7]アフリカミニグリッド開発者協会（AMDA）は、データが入手可能なメンバーのミニグリッドの稼働時間は、国全体で平均99％であると報告しています。^[8]対照的に、「マイクログリッド」という用語は、高所得国では、データセンター、病院、企業キャンパス、軍事基地などの重要な負荷に対して非常に高いレベルの信頼性（たとえば、「ファイブナイン」または99.999％）を提供するシステムを指すためによく使用されます。一般的に、世界基準ですでに高いレベルの信頼性（たとえば、「スリーナイン」または99.9％の信頼性）を備えたサービスエリア内にあります。^{[9] [10]}

多くの先進高所得国の電力網は、かつてはミニグリッドとして始まりました。これらの独立した電気システムは、その後、より大きなグリッドに接続され、統合されました。^[11]この第一世代のミニグリッドは、ブラジル、中国、デンマーク、イタリア、オランダ、スペイン、スウェーデン、英国、米国を含むほとんどの近代経済の初期の発展と工業化に極めて重要でした。^[12] 19世紀後半から20世紀初頭に導入されたミニグリッドシステムは、第一世代のミニグリッドと言えます。1980年代に始まり、1990年代から2000年代初頭にかけて増加し、数万に上る第二世代のミニグリッドが多くの低所得国で導入されました。^[11]これらのシステムは通常、小規模で孤立しており、ディーゼルまたは水力発電で稼働し、主に地方の世帯、特にメイングリッドがまだ整備されていない地域で電力へのアクセスを提供するために、地元のコミュニティまたは起業家によって構築されました。これらのシステムの多くは、国のグリッドに取って代わられました。現在でも存在するものの中には、燃料コストを削減するために太陽光発電 (PV) システムとハイブリッド化される主な候補となっているものもあります。

ここ数年で、第3世代のソーラーミニグリッドが登場しました。これらのミニグリッドは、ほとんどが太陽光発電ハイブリッドで、民間企業が所有・運営しており、変革的な技術と革新的な戦略を活用して、単発プロジェクトではなくミニグリッドのポートフォリオを構築しています。典型的な第3世代のミニグリッドは、メイングリッドとの相互接続が可能で、蓄電池を使用し、遠隔管理システムとプリペイドスマートメーターを採用しています。^[4] この第3世代のミニグリッドは、電気を生産的に使用するためのエネルギー効率の高い機器もビジネスモデルに取り入れています。これらのミニグリッドは、最新のミニグリッドコンポーネント技術によるコスト削減と、民間投資向けに特別に開発された規制を活用して、より有利なビジネス環境で運営されています。

多くの農村地域は、地理的および経済的制約により、大規模な従来型の送電網から孤立したままである。^[5]世界中の送電網に接続されていない農村地域の電化は、多くの開発途上国および先進国にとって依然として大きな課題であり、国際エネルギー機関の 2013 年世界エネルギー展望によれば、ミニグリッドはこれらの人々に普遍的な電力アクセスを提供する最も費用対効果の高い方法である。^{[13] [5]}ミニグリッドとエネルギー発電源、具体的には太陽光発電と風力発電の両方のコストが下がった新技術革新により、ミニグリッドは、そうでなければ送電網接続の外側に残る遠隔地を電化する可能性を秘めている。^[14]ミニグリッドは、主送電網に接続できないより孤立した地域にとって費用対効果が高くタイムリーな解決策であり、サハラ以南アフリカ、南アジア、東アジア、小島嶼開発途上国のエネルギー需要を満たす実用的な選択肢である。^[14]

現在でも何百万人もの人々が電力にアクセスできず、国連の持続可能な開発目標は国際社会に解決策を提供することを約束しています。^[15]右の地図は、米国、中国、ヨーロッパなどの先進国間のエネルギー格差を示していますが、南米、アフリカ、東南アジアには、信頼性が高く、持続可能で、手頃な価格のエネルギーが不足しているコミュニティがまだ多くあります。ミニグリッドは現在、エネルギー需要が非常に高く、ナノグリッドなどの個別のスタンドアロンシステムが実用的ではないが、人口が多いため大規模なグリッドシステムが必要な農村部にエネルギーを供給する最も効果的なソリューションの1つと見なされています。^[3]グリッドはエネルギーの供給と需要のバランスをとる必要があるため、ミニグリッドの大規模で柔軟性の高いサイズにより、より安全で手頃な価格の電力が可能になります。^[16]

太陽光発電のコストが急速に低下したことで、ミニグリッドでの太陽光発電の利用が強力かつ加速している。世界銀行のESMAPによる2022年の調査によると、設置済みのミニグリッドの約51％が太陽光または太陽光ハイブリッド（一般的には太陽光+ディーゼル）であり、続いて水力のみ（35％）、化石燃料（10％）、風力などの他の発電技術（5％）となっている。この傾向は加速しており、2016年から2020年にかけて、化石燃料ミニグリッドの10倍以上の太陽光ミニグリッドが毎年建設された。計画されているミニグリッドのほぼ99％が太陽光または太陽光ハイブリッドである。^[4]太陽光ハイブリッドミニグリッドには、1つ以上の他の発電源（通常はディーゼル発電機、または時にはバイオマス燃料で稼働する発電機）が含まれており、曇天が続く期間が長くなった場合に給電可能な電源を提供する。ほとんどのソーラーミニグリッドは、曇りの日が続いた場合にバックアップ電力を供給するディーゼル発電機とハイブリッド化されています。^[17]ディーゼル発電機は通常、ミニグリッドの顧客が年間に消費するエネルギーの10％未満しか発電しません。もみ殻や動物の糞尿などの農業残渣が豊富な地域では、バイオマスまたはバイオガス発電機がディーゼルバックアップ発電の代わりとなります。^[18]

適切な場所であれば、小規模水力発電（マイクロ水力またはミニ水力発電）により、費用対効果の高い 24 時間発電が可能になります。風速が一貫して高い地域や季節的に日光が非常に限られている地域では、風力を利用してミニグリッドに電力を供給します。多くの場合、太陽光やディーゼル、またはその両方とのハイブリッド構成で電力を供給します。

ミニグリッド電気システムの重要な要素は、現場での信頼性の高いエネルギー生成源です。遠隔地向けの従来のミニグリッド発電はディーゼルエンジンオルタネーターから来ていましたが、これはランニングコストが高く、効率が低く、メンテナンスに手間がかかりました。化石燃料を動力源とするグリッドの信頼性と持続可能性を高めるために、ディーゼル発電機、バッテリー、インバーターと再生可能エネルギー技術を統合したハイブリッドエネルギーシステムを使用できます。^[19]発電に関する主な懸念は、発電システムにさまざまな電力要件を課す負荷需要の変動です。^[20]これらの変動は、1日を通して、日ごとに、または数週間から数か月の規模で変化する可能性があるため、柔軟なミニグリッド発電が必要です。エネルギー貯蔵源のない限られた発電の場合、ピーク負荷はミニグリッド発電が供給できる以上の電力を要求する可能性があり、その結果、電圧低下または停電が発生します。^[21]

再生可能エネルギーのミニグリッドでは、太陽光や風力などの電源の間欠性をバランスさせ、特に発電量が少ないときや需要が高いときに、安定した信頼性の高い電力供給を確保することで、蓄電が重要な役割を果たします。第3世代のミニグリッドの電力は電気化学電池に蓄えられます。2018年以前は、ほとんどのミニグリッドに鉛蓄電池が設置されていましたが、急速なコスト低下とリチウムイオン電池の優れた寿命と性能により、ほとんどの新しいミニグリッドでリチウムイオン電池が使用されるようになりました。2020年と2021年に稼働中の211のミニグリッドを対象とした世界銀行ESMAP調査では、69％がリチウムイオン電池を使用し、31％が鉛蓄電池を使用していました。^[4]

ほとんどのミニグリッドでは、インバーターがバッテリーに蓄えられた直流 (DC) 電力とソーラーパネルで生成された直流 (DC) 電力を、家庭や企業で使用される電化製品に電力を供給する交流 (AC) 電力に変換します。

負荷の少ない特に小さなコミュニティでは、DC メッシュ ミニ グリッドが使用されています。メッシュ グリッド (または「スキニー グリッド」) は、照明、電子機器、扇風機、さらには効率的な冷蔵庫や電動人力車などの小型家電製品に DC 電力を供給します。これは、顧客の敷地に取り付けられ、メッシュ ネットワークに接続されたソーラー パネルで構成されるソーラー ホーム システムのクラスターの形をとります。専用のコントローラーにより余剰電力を共有でき、家庭ではインバータを購入することで AC 家電製品にアップグレードできます。

エネルギー管理システム (EMS) は、予想される負荷と近い将来の太陽光充電の機会を考慮しながら、ディーゼル発電機のディスパッチとエネルギー貯蔵の活用のバランスを最適化します。多くのミニグリッドは、遠隔地であっても、携帯電話キャリアベースのリモート監視機能を備えており、電力生産と消費、バッテリーの充電状態、電圧レベルを監視し、1 時間に数回インターネットに情報をアップロードします。リモート監視により、オペレーターは小さな問題が連鎖して大きな問題になる前に、早期に問題を特定して対処することができます。

ミニグリッド配電システムは、発電源で生産されたエネルギーをエンドユーザーに届けます。これは、安全で効果的なエネルギー配電を可能にするために必要な電柱と低電圧（<1000 V）配電線、および保護装置で構成されています。配電システムのフィーダーの距離が約1 kmを超える場合は、通常、 抵抗損失を減らすために変圧器を使用して電力を中電圧（35 kV以下）に昇圧する必要があります。負荷要件に応じて、配電システムはAC 単相または三相電力、またはDCになります。^[22]

将来的にメイン グリッドが確立される可能性がある場合、ミニ グリッド配電網は、配電網を国のグリッドに簡単に統合できるように、公共事業の基準に合わせて構築されることがよくあります。ミニ グリッドがメイン グリッドから切り離されたままになることが確実な場合 (たとえば、海岸から離れた島にある場合)、配電網は国のグリッドよりも低い基準に合わせて構築されることがあります。ただし、それでも安全性と効率性は確保されます。

電気は、プリペイドまたはポストペイドメーターを使用して顧客に販売されます。プリペイドメーターはより一般的で、プリペイド電話プランのように機能し、購入した電気量が消費されると、顧客との接続を自動的に切断します。日照時間に消費される電気は、バッテリーに蓄えたりディーゼル発電機で発電したりする電気よりも生産コストが低いため、ミニグリッドメーターシステムは、日中の消費に対してより低い料金を提供したり、エネルギー不足の際に優先順位の低い顧客の電力を削減したりすることがあります。

いくつかの照明スイッチとコンセントを備えた既製の配電盤（レディボードと呼ばれることもあります）を使用すると、家庭内の配線にかかるコストを削減できます。

ミニグリッドには、技術的、環境的利点から社会的、経済的利点まで、多くの潜在的な利点があります。ミニグリッドは農村部で使用でき、他のタイプの電力システムよりも効率的で費用対効果が高いことがよくあります。また、環境への影響を抑えながらコミュニティを強化することもできます。^[23]

ミニグリッドで使用される技術には、さまざまな利点があります。ミニグリッドは、電気のない地域では比較的迅速かつ簡単に実装できます。また、追加の電力を供給したり、完全に置き換えたりすることで、非効率的または信頼性の低い既存の電力網を改善するためにも使用できます。^[23]ミニグリッドは、夜間に電力の必要量が少ないときに低負荷を提供できるため、より効率的です。^[24]従来のエネルギー生成とは異なり、ミニグリッドは、コミュニティでエネルギーの必要量が少ない夜間に失われるエネルギーを削減します。ディーゼル発電機などの大規模な電気システムでは、低負荷では効率が悪く、ほとんどの場合、必要な電力量に関係なく高負荷で動作し続けるため、これを実現できません。ミニグリッドを使用すると、発電機が低負荷で稼働する時間も短縮されるため、システム全体の効率が向上します。^[23]

ミニグリッドのもうひとつの利点は、多くの大規模電力網のように従来の燃料源を必要としないことです。つまり、ディーゼル燃料やその他の化石燃料が利用できない地域でも簡単に導入できます。^[24]これにより、運用コストが削減され、頻繁に変動する燃料価格への依存が軽減されます。^[23]ミニグリッドは、大規模電力網よりもメンテナンスの必要性が低くなります。ディーゼル発電機が低負荷で使用される時間が短縮されるため、発電機の寿命が長くなり、交換頻度も少なくなります。ミニグリッドが一般的に使用される農村地域では、システムのメンテナンスが必要な場合でも、供給品や技術者へのアクセスがほとんどありません。^[23]

ミニグリッドは、開発途上国における農村電化の取り組みに大きな経済的利益をもたらす可能性がある。第一に、農村の未電化地域にミニグリッドを展開することで、これらの地域に国家送電網インフラを拡張することに伴う高コストと物流上の課題を回避できる。これにより、電化が経済的に実現可能になるだけでなく、農村電化のペースが加速し、より広範な経済開発目標に貢献する。第二に、太陽光などの再生可能エネルギー源の使用は、化石燃料への依存と変動する世界的なエネルギー価格を減らしながら、電力の均等化原価を下げることができる。第三に、信頼性の高い電力を供給することで、ミニグリッドは農村地域の経済成長を刺激し、中小企業や産業を育成し、ひいては地元の所得水準を向上させることができる。 ^[23]たとえば、ケニアとナイジェリアのソーラーミニグリッドに関する研究では、生産性と経済活動が大幅に増加したことが示された。ケニアの農村コミュニティのメンバーの平均所得は4倍になり、企業では稼働時間の増加、製品とサービスの拡大、従業員の雇用増加が報告されている。さらに、ミニグリッドは灯油ランプのような危険なエネルギー源からより安全で信頼性の高い電気への移行を導き、これらのコミュニティの経済的安定と健康をさらに高めました。^[1]ミニグリッドは多くのユーザーに電気の貯蔵と発電を分散させることもできるため、余剰電力や発電、貯蔵電力を近隣の家と共有できない太陽光発電システムに比べてコストを削減できます。^[23]

ミニグリッドは他のタイプのグリッドよりもはるかに環境に優しい。ディーゼル発電機の必要性が減るため、温室効果ガスの排出が大幅に削減される。また、ミニグリッドが使用されている地域の大気汚染や騒音公害も改善される。^[23]世界銀行は、2030年までに5億人に電力を供給するために217,000のミニグリッドを大規模に展開すれば、12億トンのCO2排出が回避されると推定している。 ^[4] UNFCCCは、ミニグリッドの顧客に供給される1メガワット時の電力ごとに、大気中に放出される二酸化炭素換算で0.8〜2.72トンが削減されると推定している。 ^[25]

ミニグリッドは、技術的および経済的な利点に加えて、サービスを受ける人々やコミュニティにも利益をもたらします。多くの企業や組織が機能するには、機能的で効率的な電気が必要です。ミニグリッドは、発展途上地域で企業が成功するために必要なサービスを提供します。^[23]これにより、より多くの雇用が創出され、コミュニティの収入が増加します。電力の改善は、地域の医療技術や機関にも利益をもたらし、生活水準の向上につながります。^[23]たとえば、ケニアとナイジェリアの調査では、ミニグリッドに接続された地元の医療クリニックでは、ワクチンや医薬品の冷蔵機能が向上し、営業時間が延長されてより多くの患者を治療できるなど、サービス提供が大幅に改善されたことが報告されています。これにより、医療へのアクセスが改善されただけでなく、健康リスクをもたらす灯油ランプなどの危険なエネルギー源への依存が軽減されました。ミニグリッドの導入は教育にもプラスの影響を与え、信頼性の高い照明によって勉強時間が長くなったため、就学率が向上し、学業成績が向上しました。^[1]

さらに、ミニグリッドが提供する電力は、社交の集まりやイベントの機会を増やし、コミュニティを強化します。電力の改善は、より多くの建物を建設し、コミュニティを拡大する機会も生み出します。^[23]さらに、ミニグリッドは、水汲みや調理用の燃料などの家事に費やす時間を削減することが示されており、教育やその他の生産活動に時間を割くことができるため、女性と女児に特に大きな利益をもたらします。この変化は、男女平等の向上に貢献し、女性が地域社会で経済活動に参加し、意思決定を行う機会を増やすことに貢献します。^[1]

ミニグリッドには多くの利点がありますが、欠点もあります。技術や組織に関連するリスクや、ミニグリッドが導入されるコミュニティに対するリスクもあります。

ミニグリッドに関連する主な技術的リスクの 1 つは、負荷の不確実性です。負荷のサイズ、増加、スケジュールを予測することが難しい場合が多く、システムの効率が低下し、コストが高くなります。また、ミニグリッドを使用する場合によくあるように、時間の経過とともに常に変化する負荷をサポートすることも困難です。^[23]ミニグリッドを使用すると、電力品質にリスクもあります。太陽光発電デバイスとバッテリーを統合すると、既存のグリッドに混乱が生じ、不安定になる可能性があります。^[23]ミニグリッドを使用するもう 1 つの技術的な欠点は、グリッドの一部のハードウェアに障害が発生すると、システム全体に影響が及ぶ可能性があることです。グリッドの 1 つのセクションが損傷すると、グリッドの残りの部分も機能しなくなる可能性があります。これは、どのタイプのグリッドにも存在するリスクですが、ミニグリッドが通常使用される地域は、保守サービスへのアクセスが少ない貧しい農村地域であるため、影響は悪化します。^[23]ミニグリッドで使用されるバッテリーは、エネルギー貯蔵に役立ちますが、それ自体のリスクもあります。これらは通常高価であり、経年劣化するにつれて送電網に供給されるエネルギーに大きな影響を与えます。バッテリーが適切な時期に交換されない場合、送電網全体から供給されるエネルギーが減少する可能性があります。^[23]

ミニグリッドは複雑な性質を持つため、その使用には組織的なリスクがいくつか伴う。ミニグリッドが効果を発揮するには、その運営を支える効果的なビジネスモデルがなければならない。事業を継続し、顧客に電力を供給し続けるためには、安定した収入の流れが必要である。^[23]ミニグリッドが一般的に導入される場所は遠隔地や未開発地域であるため、必要な地域に物資や熟練した人員を輸送することは困難である。特に、システムを設置するときや修理が必要なときには困難である。^[23]

ミニグリッドをコミュニティに導入するには、綿密な計画と、その地域に住む人々と機器を設置する技術者の協力が必要です。また、割り当てられたエネルギー割り当てに関してコミュニティ内でコミュニケーションをとる必要があります。通常、各ユーザーには、一定期間に使用するエネルギー割り当てが割り当てられます。^[23]一部のユーザーが電気を過剰に消費すると、他のユーザーに不足が生じ、システム全体に混乱が生じる可能性があります。ミニグリッドをうまく機能させるには、コミュニティが協力して取り組む必要があります。^[23]

ミニグリッドは、コミュニティに信頼できるエネルギー源を提供するだけでなく、経済にも多くの利益をもたらします。政府の電力会社が未開発地域に電力を供給しようとすると、費用がかかりすぎることが多く、経済的に貧しい地域では利益の可能性が低くなります。^[26]ミニグリッドは、より大きな国の電力網とは別に運営できるため、民間企業がミニグリッドを導入し、国営企業よりも迅速に農村地域に電力を供給することができます。^[26]

国連の持続可能な開発目標7 ^[27]は、2030年までにすべての人々が手頃な価格で信頼性が高く、持続可能で近代的なエネルギーを利用できるようにすることです。2022年現在、ミニグリッドは世界中で約4,800万人に電力を供給しています。現在計画されているミニグリッドは、主にサハラ以南のアフリカでさらに3,500万人に電力を供給すると予想されています。2030年までに普遍的な電力アクセスを達成するには、4億9,000万人に217,000のミニグリッドによって最低限のコストで電力を供給する必要があり、これには1,270億ドルの投資が必要です。世界銀行は、規模の経済の拡大、太陽光パネルやバッテリーなどの主要部品のコスト低下、昼間の電力使用増加による負荷率上昇により、ミニグリッドの電力コストは、現在クラス最高のハイブリッドソーラーミニグリッドの補助金なしの均等化発電コストである1kWhあたり0.38ドルから、2030年までに1kWhあたり約0.20ドルまで低下すると予測しています。 ^[4]ミニグリッド開発者のHusk Powerは、ミニグリッド業界がコスト、サービス品質、需要形成プロジェクトの展開により、サイトおよびポートフォリオレベルで持続可能なビジネスモデルを採用できれば、LCOEも同様に低下し、2030年までに1kWhあたり0.20ドルまで低下すると予測しています。^[28]

ミニグリッドの規模拡大には、複数の分野での多大な取り組みが必要となる。世界銀行は、次の10の課題を特定した。(1) ソーラーミニグリッドのコスト削減と設計およびイノベーションの最適化、(2) 地理空間分析とデジタルプラットフォームを用いた国家戦略および開発者ポートフォリオの計画、(3) 生産的な生計の変革と事業実行可能性の向上、(4) 地域社会を大切な顧客として関与させること、(5) 国内外の企業や公益事業会社を通じたサービスの提供、(6) ソーラーミニグリッドポートフォリオおよびエンドユーザー機器への資金提供、(7) 優れた人材の誘致とスキル開発の拡大、(8) 機会を創出する機関、提供モデル、推進者への支援、(9) ミニグリッド企業と顧客の権限を強化する規制と政策の制定、(10) ダイナミックなビジネス環境のための官僚主義の削減。^[4]

インドのレー県で行われたケーススタディは、ミニグリッドが経済に与える影響を実証している。ミニグリッドの運用コストはディーゼルや水力発電機よりも低いため、それを運営する企業はより多くの収益を上げることができる。^[29]この収益の増加は、企業が従業員の給与を増やすことができることを意味する。その結果、従業員は地元の企業でより多くのお金を使うことができ、経済が成長する。^[29]さらに、ミニグリッドは地域経済の成長と改善の機会を提供する。企業は改善された電力でより多くのより良いサービスを提供し、組織を拡大することができる。^[29]