電力業界

電力産業は、一般市民および産業に対する電力の発電、送電、配電、販売を網羅しています。電力の商業的配電は、電気照明用に電気が生産された 1882 年に始まりました。1880 年代および 1890 年代には、経済および安全に対する懸念が高まり、この産業は規制されました。かつては人口密度の高い地域に限定された高価な新製品でしたが、信頼性が高く経済的な電力は、先進経済のあらゆる要素の正常な運営に不可欠な要素になりました。

20 世紀半ばまでに、電力は「自然独占」と見なされ、限られた数の組織が市場に参加した場合にのみ効率的でした。一部の地域では、垂直統合された企業が発電から小売までのすべての段階を提供し、政府の監督のみが収益率とコスト構造を規制していました。

1990 年代以降、多くの地域で電力の発電と配電が分割されました^{[引用が必要]}。このような市場は乱用され、結果として消費者に価格と信頼性の悪影響を与える可能性がありますが、一般的に電気エネルギーの競争力のある生産は、効率性の向上につながります^{[引用が必要] 。ただし、}投資収益を得るのが容易ではない ため、送電と配電はより困難な問題です。

1800 年にアレッサンドロ ボルタがボルタ電池を開発して以来、電気は電解セルで起こる化学反応の結果として生成されることが知られていましたが、この方法による生産は当時も今も高価です。1831 年、マイケル ファラデーは回転運動で電気を生成する機械を考案しましたが、この技術が商業的に実現可能な段階に達するまでにはほぼ 50 年かかりました。1878 年、米国でトーマスエジソンが、現地で生成および配電される直流電気を使用して、ガス照明と暖房の商業的に実現可能な代替品を開発し、販売しました。

ロバート・ハモンドは、1881 年 12 月に、英国サセックス州のブライトンで新しい電灯の試験的導入を行いました。この導入が成功したことで、多くの店主がこの新しい電灯の使用を希望したため、ハモンドはこの事業を商業的かつ法的に確立することができました。こうしてハモンド電力供給会社が設立されました。

1882 年初頭、エジソンはロンドンのホルボーン高架橋に世界初の蒸気動力発電所を開設しました。そこで彼は、シティ コーポレーションと 3 か月間の契約を結び、街路照明を提供しました。やがて、彼は地元の多くの消費者に電灯を供給しました。供給方法は直流 (DC) でした。ゴダルミングと 1882 年のホルボーン高架橋計画は数年後に終了しましたが、ブライトン計画は継続され、1887 年には 1 日 24 時間の供給が可能になりました。

エジソンがニューヨーク市にパール ストリート発電所を開設したのは、その年の後半、1882 年 9 月のことでした。これも直流電源でした。エジソンには電圧変換の手段がなかったため、発電は消費者の敷地内またはその近くで行われました。電気システムで選択される電圧は妥協です。一定の電力を伝送する場合、電圧を上げると電流が減り、必要な電線の厚さも減ります。残念ながら、直接接触による危険も増し、必要な絶縁体の厚さも増します。さらに、負荷の種類によっては、高電圧で動作させることが困難または不可能でした。全体として、エジソンのシステムでは、発電所は消費者から 1 マイル以内に設置する必要がありました。これは市街地では機能しましたが、郊外に経済的に電力を供給することはできませんでした。^[1]

1880 年代半ばから後半にかけて、ヨーロッパと米国で交流(AC) システムが導入されました。AC 電力の利点は、発電所に設置された変圧器を使用して発電機からの電圧を昇圧し、地方の変電所の変圧器で電圧を下げて負荷に供給できることでした。電圧を上げると、送電線と配電線の電流が減り、導体のサイズと配電損失が減りました。これにより、長距離にわたる電力の配電がより経済的になりました。発電機 (水力発電所など) を負荷から離れた場所に配置できるようになりました。AC と DC は、電流戦争と呼ばれる時期にしばらく競合しました。DC システムの方がわずかに安全であると主張できましたが、この差は交流の膨大な技術的および経済的利点を圧倒するほど大きくはなく、最終的に交流が勝利しました。^[1]

今日使用されている交流電力システムは、ジョージ・ウェスティングハウス、ミハイル・ドリヴォ・ドブロヴォルスキー、ガリレオ・フェラリス、セバスチャン・ツィアーニ・デ・フェランティ、ルシアン・ゴラール、ジョン・ディクソン・ギブス、カール・ヴィルヘルム・シーメンス、ウィリアム・スタンレー・ジュニア、ニコラ・テスラなどの実業家の支援を受けて急速に発展し、他の人々もこの分野に貢献しました。

パワーエレクトロニクスは、固体電子工学を電力の制御と変換に応用することです。パワーエレクトロニクスは、1902年に交流を直流に変換する水銀アーク整流器の開発から始まりました。1920年代以降、サイラトロンとグリッド制御水銀アークバルブを電力伝送に適用する研究が続けられました。電極のグレーディングにより、高電圧直流(HVDC) 電力伝送に適したものになりました。1933年には、セレン整流器が発明されました。^[2] トランジスタ技術は、1947年にポイントコンタクトトランジスタが発明され、1948年にはバイポーラ接合トランジスタ(BJT)が続きました。1950年代までに、より高出力の半導体ダイオードが利用可能になり、真空管に取って代わり始めました。1956年には、シリコン制御整流器(SCR) が導入され、パワーエレクトロニクスの用途が広がりました。^[3]

パワーエレクトロニクスにおける画期的な進歩は、1959年のMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の発明によってもたらされました。MOSFETの世代が進むにつれて、電力設計者はバイポーラトランジスタでは不可能だった性能と密度のレベルを達成できるようになりました。 ^[4] 1969年に日立は最初の垂直パワーMOSFETを発表しました。^{[5]これは後に}VMOS（V溝MOSFET）として知られるようになります。 ^[6]パワーMOSFETはそれ以来、ゲート駆動電力が低い、スイッチング速度が速い、^[7]高度な並列処理が容易、^{[7] [8]}広い帯域幅、堅牢性、駆動のしやすさ、バイアスのしやすさ、アプリケーションのしやすさ、修理のしやすさにより、世界で最も一般的なパワーデバイスになりました。^[8]

HVDC は長距離にわたって大量の電力を送電したり、隣接する非同期電力システムを接続したりするためにますます使用されていますが、電力の発電、送電、配電、小売の大部分は交流を使用して行われます。

電力産業は、一般的に4つのプロセスに分かれています。発電所などの発電、送電、配電、小売です。多くの国では、発電所から送配電インフラまで、すべてのインフラを電力会社が所有しています。このため、電力は自然独占と見なされています。この業界は一般的に厳しく規制されており、価格統制が行われていることが多く、政府が所有・運営していることも少なくありません。しかし、最近の傾向では、少なくとも後者の2つのプロセスでは規制緩和が進んでいます。^[9]

電力市場の市場改革の性質と状況によって、電力会社がインフラ全体を所有することなくこれらのプロセスの一部にのみ関与できるかどうか、または国民がインフラのどの部分を利用するかを選択できるかどうかが決まることが多い。電力供給が規制緩和されている国では、電力の最終消費者はよりコストのかかるグリーン電力を選択する可能性がある。

発電とは、何らかの一次エネルギー源を、電力網での商用利用に適した電力に変換することです。ほとんどの商用電力は、電流を生成するために磁界を通して導体を動かす回転電気機械、つまり「発電機」によって生産されます。発電機は、他の原動機機械によって回転します。典型的な電力網接続発電機の場合、原動機機械は蒸気タービン、ガスタービン、または水力タービンです。これらの機械の一次エネルギー源は、化石燃料 (石炭、石油、天然ガス)、核分裂、地熱蒸気、または落水であることが多いです。風力や太陽エネルギーなどの再生可能エネルギー源は、商業的にますます重要になっています。

発電は電力消費と密接に一致する必要があるため、ピーク需要を満たすのに十分な発電容量を設置する必要があります。同時に、生産された電気エネルギーのコストを最小限に抑えるために、一次エネルギー源を選択する必要があります。一般的に、増分コストが最も低い電気エネルギー源が、高まる需要を満たすために次に接続されるユニットになります。発電機には、電力伝送システムに供給される電力を調節する自動制御があり、発電機の出力を電力需要とバランスをとるために瞬間ごとに調整します。数十台または数百台の発電機が接続され、数千の負荷がある大規模なグリッドの場合、安定した発電機供給の管理は、経済、環境、信頼性の要件を満たすための大きな課題です。たとえば、原子力発電所などの増分コストの低い発電源は、接続されたシステムの平均的な「ベース負荷」を満たすために継続的に稼働しますが、天然ガスタービンなどのよりコストのかかるピーク発電所は、ピーク負荷を満たすために日中の短時間稼働する場合があります。または、負荷管理戦略により、電力需要をより均等にし、コストのかかるピークを削減できます。特定の電力網に指定された発電機ユニットは、需要の急激な増加や他の発電機ユニットの故障に備えて「回転予備力」を提供するために、部分的な出力でのみ稼働する場合があります。

発電ユニットは、電力生産に加えて、周波数制御、無効電力、崩壊した電力網のブラックスタートなど、電力網に他の補助サービスを提供する場合があります。これらの補助サービスは、発電、送電、配電の電力会社が別々の商業団体である場合に商業的に価値がある場合があります。

電力送電とは、発電所などの発電施設から変電所へ電気エネルギーを大量に移動させることです。この移動を容易にする相互接続された線路は、送電網と呼ばれます。これは、通常電力配電と呼ばれる高圧変電所と顧客間のローカル配線とは異なります。送電網と配電網を組み合わせたものは、北米では「電力網」、または単に「グリッド」と呼ばれています。英国、インド、マレーシア、ニュージーランドでは、このネットワークはナショナル グリッドと呼ばれています。

広域 同期グリッドは、北米では「相互接続」とも呼ばれ、多数の消費者に同じ相対周波数で交流電力を供給する多数の発電機を直接接続します。たとえば、北米には 4 つの主要な相互接続があります (西部相互接続、東部相互接続、ケベック相互接続、テキサス電力信頼性協議会(ERCOT) グリッド)。ヨーロッパでは、1 つの大規模なグリッドがヨーロッパ大陸のほとんどを接続しています。

歴史的には、送電線と配電線は同じ会社が所有していましたが、1990年代から多くの国で電力市場の規制が自由化され、送電事業と配電事業が分離されました。^[11]

配電は電力供給の最終段階であり、送電システムから個々の消費者に電気を運ぶ。配電用変電所は送電システムに接続し、変圧器を使用して送電電圧を2kVから35kVの 中電圧に下げる。^[12]一次配電線は、この中電圧電力を顧客の敷地近くにある配電用変圧器に運ぶ。配電用変圧器は再び、照明、産業機器、または家庭用電化製品で使用される利用電圧に電圧を下げる。多くの場合、複数の顧客には二次配電線を介して1つの変圧器から電力が供給される。商業および住宅の顧客は、サービスドロップを介して二次配電線に接続される。より大量の電力を要求する顧客は、一次配電レベルまたは二次送電レベルに直接接続されることがある。 [ ^13]

電力小売りとは、発電から最終消費者への 電力の最終販売です。

国や地域の電力部門の組織は、その国の経済システムによって異なります。場所によっては、すべての発電、送電、配電が政府管理の組織によって提供されています。他の地域では、民間または投資家所有の公益事業会社、市または自治体所有の会社、顧客が所有する協同組合会社、またはそれらの組み合わせがあります。発電、送電、配電は単一の会社によって提供される場合もあれば、システムのこれらの各部分を提供する異なる組織もあります。

誰もが電力網にアクセスできるわけではない。2017年には約8億4000万人（主にアフリカ）が電力網にアクセスできず、2010年の12億人から減少した。^[14]

電力会社のビジネスモデルは、発電、送電、配電から最終的な地域小売まで、長年にわたって変化し、電力業界を今日の姿に形作る上で重要な役割を果たしてきました。これは、1990 年にイングランドとウェールズで電力供給業界が改革されて以来、顕著に表れています。

1996年から1999年にかけて、連邦エネルギー規制委員会（FERC）は、競争を促進することで消費者が年間40億ドルから50億ドルを節約し、業界の技術革新を促進するという期待のもと、米国の卸売電力市場を新規参入者に開放することを目的とした一連の決定を下した。^[15]すべての市場参加者に既存の州間送電線へのオープンアクセスを提供する措置が講じられた。

• 命令第888号は、垂直統合型電力会社に対し、自己取引を防止するために送電、発電、販売の各事業を機能的に分離するよう命じた。^[16]
• 命令第889号は、利用可能な送電容量と価格に関する情報にすべての参加者がタイムリーにアクセスできるようにするシステムを構築した。^[17]
• FERCはまた、電力網を管理するために独立系統運用者（ISO）を任命するという概念を承認した。これは伝統的に垂直統合型電力会社が担っていた機能である。^[18]独立系統運用者の概念は、地域送電組織（RTO）の概念へと発展した。FERCの意図は、州間送電線を所有するすべての米国企業がそれらの施設をRTOの管理下に置くことだった。^[19] FERCは、1999年に発行された命令第2000号（地域送電組織）で、RTOが持つべき最低限の能力を規定した。^[20]

これらの決定は、完全に相互接続された送電網と統合された国家電力市場を創設することを意図したもので、米国の電力業界の再編につながった。そのプロセスはすぐに2つの挫折に見舞われた。2000年のカリフォルニアエネルギー危機とエンロンのスキャンダルと破綻である。業界の再編は進んだが、これらの出来事により、競争市場は操作される可能性があり、適切に設計および監視する必要があることが明らかになった。さらに、2003年の北東部停電は、競争力のある価格設定と強力な信頼性基準の両方に焦点を当てる必要があることを浮き彫りにした。^[21]

一部の国では、卸電力市場が運営されており、発電業者と小売業者が株式や通貨と同様の方法で電力を取引している。規制緩和がさらに進むと、エネルギー市場がガス市場に合わせて先物市場やスポット市場、その他の金融取引を利用するようになるため、公益事業会社は資産を売却せざるを得なくなる。外国による買収によるグローバル化も起こっている。そのような買収の1つは、世界最大の民間電力会社である英国のナショナル・グリッドがニューイングランドの複数の電力会社を32億ドルで買収したときだった。^[22] 1995年から1997年の間に、イングランドとウェールズの12の地域電力会社（REC）のうち7つが米国のエネルギー会社に買収された。^[23]国内では、地元の電力会社とガス会社が、共同提携、特に共同メータリングのコスト削減の利点を認識して、事業を合併した。競争の激しい卸電力市場では技術の進歩が起こり、そのような例としては、宇宙飛行で使用される燃料電池、ジェット機で使用される航空転用型ガスタービンなどが既に利用されている。太陽光発電システム、洋上風力発電所、そしてデジタル世界がもたらした通信の進歩、特に監視とディスパッチングに役立つマイクロプロセッシングなど。[ ^24]

電力は将来的に需要が増加すると予想されています。情報革命は電力に大きく依存しています。その他の成長分野には、電気のみを必要とする新しい技術の出現、空間調節、産業プロセス、輸送（ ハイブリッド車、機関車など）の開発などがあります。^[24]

• P. ストレンジ、「英国における初期の電力供給: チェスターフィールドとゴダルミング」、 IEEE Proceedings (1979)。
• DG タッカー、「英国における公共供給のための水力発電」、Industrial Archaeology Review、(1977 年)。
• B. Bowers, A History of Electric Light & Power , Peregrinus (1982) より。
• TPヒューズ『権力のネットワーク』、ジョンズ・ホプキンス・プレス・ロンドン（1983年）。
• IRENA、「再生可能エネルギーによる未来に向けたイノベーションの展望：変動性再生可能エネルギーを統合するためのソリューション」Wayback Machineに 2021 年 1 月 24 日にアーカイブ、(2019)。