『グリッド』（2016年）は、アメリカ全土に電力を供給し続ける巨大インフラについての本です。電力網がいかにして誕生し、何世紀にもわたってどのように進化し、そして今日、どのような課題に直面しているのか、その物語を紐解きます。
この記事を読んでいるデバイスを動かす電気について、学んでみませんか？
グリッド（電力網）という言葉を聞いたことがありますか？ これはアメリカ全土、そしてメキシコやカナダ西部の一部にまで電力を供給する巨大なインフラです。発電所、電線、蓄電池、電柱、変圧器、継電器、発電機など、国を動かし続ける巨大なネットワークを構成する、数え切れないほどの要素が含まれます。想像がつくように、グリッドが機能するには途方もない量のエネルギーが必要です。
このエネルギーの大部分は、原子力、天然ガス、石炭、石油から来ています。長年にわたり、より多くの再生可能エネルギーや代替エネルギー源を組み合わせようとする試みが何度もありましたが、天候の変動や予測不可能性がこの移行を困難にしてきました。グリッドの現状と、それを最善の形で改善する方法を完全に理解するには、まずその歴史を調べなければなりません。
1870年代に始動した最初の電力網は、世界中に衝撃を与えました。
以下の要約では、
- グリッドの初期開発において、ある司祭が果たした重要な役割
- 省エネルギー運動がどのようにして生まれたか
- そして、なぜスマートグリッドが画期的なアイデアとなり得るのか
この大きな変革の火付け役となったのは、1871年、サンフランシスコのセント・イグナチウス大学の教授であったジョセフ・ネリ神父が、電池式の電気を使って自宅の窓の明かりを灯す方法を発見したことでした。彼の発明の噂は急速に広まり、1879年までにサンフランシスコには蒸気機関で動く2台の発電機からなる照明用グリッドができました。それはわずか20個のランプを照らすだけでしたが、それでもグリッドでした。そこから、カリフォルニアのシエラネバダ金山に水力発電機で動く電力網が設置され、何千もの電灯が稼働し始めました。しかし、さらなる変化はすぐに続きました。これらの初期のグリッドは、1880年代初頭にトーマス・エジソンによって発明された並列回路によって革命を起こしました。
エジソンの発明以前は、グリッドは直列に接続されていました。つまり、一つの電球が切れると、故障した電球を電気が通過できないため、システム全体がダウンしてしまったのです。エジソンの貢献は、たとえ一方が他方よりずっと長くても、電流は利用可能なすべての経路を流れることを発見したことでした。その結果、人々は突然、電球を並列に接続できるようになり、一つの電球の故障によるシステム全体の停電を回避できるようになりました。1892年までには、並列回路で配線された街灯が急増し始め、ニューヨーク・タイムズ紙もオフィス全体に数十個の並列接続された電球を吊るしました。
電灯によって地域電力網が乱立しましたが、交流の発明がより大規模なグリッドを可能にしました。
このように、並列回路の発明は状況を一変させましたが、接続すべき主要なグリッドはまだ存在しませんでした。多くの小規模事業体が独自の自家発電所を所有し、都市は果てしない電線の網に絡め取られていました。例えば、ニューヨーク市のような大都市圏では、屋上や電柱から電線が乱雑に編み込まれた網のように垂れ下がっていました。地域によっては、電線の絡まりがひどく、空がほとんど見えないほどでした。
しかし、これらの設備は実際には適切なグリッドを構成しておらず、むしろ、民間、企業、自治体が所有する一連の独立した電気システムでした。マンハッタンのダウンタウンを例にとってみましょう。1893年、この地域の電灯・電信事業者は合計20社に上り、それぞれが独自の電線を持っていました。より広範なグリッドが可能になったのは、1887年の交流（AC）の発見以降のことです。交流とは、直流とは対照的に、絶えず方向を変えながら電気を伝送する方式です。この電流を生み出す電磁発電機は回転する磁極を持っており、エネルギーはある瞬間には一方向に流れ、次の瞬間には逆方向に流れることができます。
交流の利点の一つは、変圧器を使って低電圧を高電圧に昇圧できるようになったことです。高電圧は低電圧よりも損失が少なく長距離を伝送できるため、この能力は重要でした。その結果、数マイル離れた都市に電力を供給する発電所を建設することが突然可能になりました。一例としては、1891年にナイアガラの滝に大規模な発電所の建設を開始したカタラクト建設会社が挙げられます。1896年に完成したこの施設は、20マイルも離れたバッファロー市に絶え間なく電力を供給しました。
電力は独占に適していましたが、その製品の性質が計画を複雑にしました。
1902年までに、アメリカ全土で815の公営電力会社が出現し、1907年までにその数は1,000以上にまで成長しました。しかし、歴史的に見て、それは独占の時代でした。例えば、1882年に設立されたジョン・D・ロックフェラーのスタンダード・オイル・トラストは、わずか25年後には世界の石油生産の90パーセントを支配するに至りました。また、USスチール、アメリカン・タバコ、AT&Tも、それぞれの業界で独占を確立していました。
実業家サミュエル・インサルは、電気でも同じことを成し遂げたいと考え、1892年にシカゴに到着し、トーマス・エジソン自身が設立した地元の電力会社、シカゴ・エジソンの経営を任されました。しかし、すぐにインサルは、自分の計画を実行することが当初考えていたほど単純ではないことに気づきました。主な障害は、電気そのものの性質でした。問題は、石油や鉄鋼とは異なり、電気を大量に貯蔵することが不可能だということです。この決定的な違いは、インサルが単純に大量の電気を発電し、消費がピークに達した時のために予備を蓄えておく、ということができないことを意味しました。そうではなく、彼の発電所は、たとえその需要レベルが一日のうちの特定の時間帯にしか達せられなくても、常に最大消費量を供給するのに十分なエネルギーを生産する必要がありました。
例えば、シカゴ・エジソンが市内の一般家庭に電力を供給しなければならないとします。人々は日中は仕事に出かけ、この時間帯にはあまり電気を使いません。そして、夜に帰宅すると、家族のために夕食を作り、一緒に時間を過ごすために皆が家に明かりを灯すため、消費はピークに達します。これでは、日中の時間帯は発電所が十分に活用されないことになります。しかし、インサルは諦めませんでした。彼は解決策を考案しました。それについては、次の要約で詳しく学びます。
インサルは障害を乗り越えて会社を繁栄させ、その後、他社と連携しました。
さて、インサルには貯蔵の問題がありました。これを克服するために、彼は、発電所が生成する全ての電力が有効に使われるように、24時間を通じて電気を集合的に使用する顧客基盤を構築する必要があることに気づきました。製造業者、住宅所有者、交通機関など、多様な顧客を惹きつけるために、インサルは価格を大幅に引き下げました。その結果、顧客数は劇的に増加し、彼はすぐに数十万人に電力を販売するようになりました。
1892年に彼が抱えていた5,000人の顧客と比較すると、これは独占という彼の夢に向けた大きな飛躍でした。そこから、彼はさらに事業を多様化し、オフピーク電力を産業用顧客に販売しました。この電力はいずれにせよ生産しなければならず、産業用販売によって規模の経済を達成することができました。結局のところ、顧客を増やすコストはほとんどかからず、電気はすでに生産されていたのです。したがって、より多くの顧客が加わるにつれて販売単価あたりの平均価格は下がりましたが、インサルは余剰電力を販売できたおかげで、全体の収益を増加させることができました。このようにして、電気を貯蔵できないという問題が、インサルに大規模で多様な顧客基盤を構築する着想を与えたのです。
すぐに多くの企業が、それぞれの州や都市でインサルの戦略をうまく模倣し始めました。しかし、これらの巨大企業は競争しませんでした。代わりに、彼らは国を自分たちの間で分割することで結束しました。この方法で、彼らは様々な集中型グリッドからなる電力帝国を築くことができました。その結果、1920年代が終わりに近づく頃には、わずか10の持株会社がアメリカの電力業界全体の実に75パーセントを運営し、インサルの独占の夢が実現しました。しかし、それは長くは続きませんでした。
効率性と石油供給の問題は、アメリカの電力業界に大きな影響を与えました。
石炭火力発電所が、燃やす石炭のエネルギーの100パーセントを電気に変換すると思いますか？ 全く違います。1892年の平均的な発電所の効率は、わずか2パーセントでした。この効率は1940年までに徐々に40パーセントまで上昇し、当時の石炭王たちは、これからも上昇し続けるだろうと考えていました。
しかし、1960年代までに、これは見込み違いであることが明らかになりました。いかなる技術進歩も、石炭火力発電所の効率をこれ以上大幅に高めることはできなかったのです。物理法則により、このプロセスで使用される発電用熱機関は、50パーセントの効率を超えることができません。それだけでなく、この効率でさえ、単なる理論上の値です。現実は今も昔も変わりません。これほど効率的な機械を建設するには、必要なメンテナンスと注意のために、法外な費用がかかるでしょう。したがって、信頼性とコストの問題が絡むため、ほとんどの発電所の効率は今でも約30パーセントで稼働しています。さらに悪いことに、燃料価格や大型発電所の建設費の急騰により、電力会社は電気料金の値上げを余儀なくされ、消費者に節電を促すことになりました。
そこで、この問題を克服し効率を高めるために、電力会社は1950年代から60年代にかけて、石炭から石油への移行を始めました。問題は、このプロセスがまだ進行中だった1973年に、アラブ諸国の産油国が、アラブ・イスラエル戦争におけるアメリカのイスラエル支援への対抗措置として、アメリカへの石油輸出を停止したことでした。この歴史的出来事は現在石油禁輸として知られており、石油価格を約70パーセントも急騰させました！ これらのコストに直面して支払い能力を維持するために、電力会社は料金を値上げせざるを得ず、それはもちろん顧客の不満を招きました。そして、状況がすぐに楽になることはありませんでした。
1970年代までに、省エネルギーへの意識の高まりが立法措置と電力独占の崩壊につながりました。
石油禁輸は電気料金の急騰を引き起こしたかもしれませんが、それはまた、省エネルギーに対する一般の意識を劇的に高めました。これは大きな転換点となりました。というのも、電力会社は常に、生産量の増加、低価格、より大きな発電所を可能にするために、さらなる消費拡大を推進してきたからです。この点における彼らの影響力は家庭にも大きな影響を与え、冷蔵庫からエアコンに至るまで、あらゆる種類の家電製品で家庭は満たされていました。しかし、石油禁輸のおかげで、人々はこれらの家庭用便利機器がどれだけのエネルギーを消費するかに気づき始め、急速に節約方法を学んでいきました。
学童でさえ省エネルギーについて教育を受け、部屋を出るときは電気を消し、必要な時だけ暖房を使い、寒い天候では厚手のセーターを着るように言われました。この意識の高まりは、最終的に、エネルギー改革を選挙運動の中心的な公約に掲げたジミー・カーターが1976年に大統領に選出される上で重要な役割を果たしました。そこから、カーター政権下での立法措置により、電力独占企業の手から統制が奪われました。例えば、1977年にカーターは、より強固な国家エネルギー監視体制を構築するためにエネルギー省を設立し、1978年には、当時のエネルギー危機に対応して国家エネルギー法を可決しました。
この法案には、省エネルギーとエネルギー供給を目的としたプログラムに関する規定が含まれていました。この法律の主要な影響の一つは、電力会社が消費者にエネルギー使用量を減らすよう奨励することを義務付けられたことでした。それだけでなく、この法律は人々に建物の断熱や、太陽光、風力、水力といった代替エネルギー源の選択を促しました。
グリッドの小さな問題でさえ大災害を引き起こす可能性があり、電力会社は重圧にさらされています。
過去については十分でしょう。現代もまた、差し迫った問題を抱えています。20世紀に指数関数的に拡大したグリッドは老朽化しているからです。その老朽化して扱いにくいインフラは、たとえ小さな誤作動でさえ、迅速かつ広範囲に及ぶ結果をもたらす可能性を意味します。停電は良い例であり、潜在的に重大な影響を及ぼす可能性があります。オハイオ州のデービス・ベッセ原子力発電所を例にとってみましょう。
2003年、ある誤作動が引き金となり、アメリカ東部の半分とカナダの一部に影響を及ぼす停電が発生しました。この危機により5,000万人が電力を失い、それはわずか2日間続いただけでしたが、GDPを下落させ、事業収入の損失額は60億ドルに上りました。では、このような大惨事はどのようにして起こるのでしょうか。大きな原因の一つは、1992年に可決されながらも、実施が数年後に延期されたエネルギー政策法の結果として電力会社が直面する負担です。この法律は、連邦エネルギー規制委員会に対し、単一の企業が両方を支配するのを防ぐために発電と配電を分離し、それによって販売者間の競争を義務付けることを求めています。これは電力会社にとって、組織面でも財務面でも困難であることが判明しました。
デービス・ベッセを管理していたオハイオ州の電力会社ファーストエナジーは良い例です。新法のせいで、同社は財務的にどん底に陥りました。大規模な人員削減の後、ファーストエナジーは発電所を適切に維持することができず、2000年に発見された錆びた部分は何年も処理されないままでした。2002年には、発電所内の冷却装置が正常に機能しておらず、発電所のスタッフは、薄いライナーだけが冷却材タンクの破裂を防いでいることを発見しました。もし破裂していれば、原子力災害を引き起こしていたでしょう。
新技術はグリッドのアップグレードに使用できますが、消費者には懸念があります。
スマートグリッドについて聞いたことがありますか？ このアップグレードされたインフラは、過去の電力網ができたことすべてを実行しますが、例えば消費状況をより良く監視することによって効率を向上させるためにデジタル技術を活用します。素晴らしい話に聞こえますが、残念なことに、多くのアメリカ人は、それが監視の一形態のように思えるため、このアイデアに不安を抱いています。2011年のドイツの研究では、デジタルメーター、つまりスマートメーターが電気の使用パターンを研究することにより、現在どの家電製品が使用されているかを示すことができることが判明しました。
さらに、ワシントン大学で行われた研究では、そのようなメーターが、特定の瞬間に家の中でどのテレビチャンネルが見られているかさえ識別できることを発見しました。しかし、これらの事実は消費者の懸念を正当化するように思えますが、電力会社にとって、スマートメーターは収入の流れに対するコントロールをいくらか取り戻す手段です。例えば、デジタルメーターは多くの有用で正確な情報を提供します。停電のような場合、誰が影響を受けていて誰がそうでないかを簡単に特定できます。その結果、この技術により、企業はより迅速かつ正確に行動し、時間と労力を節約できます。それ以上に、多くの場所で、デジタルメーターは、多くの人々が同時に電気を使用しているピーク時の消費を電力会社が制御するのに役立ちます。
ピーク需要は定常的に使用されている発電所の能力を超える傾向があるため、電力会社は通常停止している発電所を起動しなければならないことがよくあります。問題は、これらの発電所が古く老朽化している傾向があることです。起動と維持に費用がかかり、ましてや公衆衛生上の危険をもたらすことは言うまでもありません。これが、電力会社が、例えば価格を引き上げることによって、これらのピーク時に人々がより少ないエネルギーを消費するように促すことを好む理由です。スマートグリッドは、これを正確にいつ行うべきかを特定するのに役立ちます。
悪天候がより強固なグリッドへの欲求を引き起こし、より小規模にすることが答えになるかもしれません。
2012年にハリケーン・サンディがアメリカ東海岸を壊滅させたのを覚えていますか？ この巨大な嵐は5,000万人近くに影響を与え、清潔な水、公共交通機関、電力へのアクセスを制限または遮断しました。多くの人々にとって、それは今日のエネルギー生産のあり方を再考する必要があるという警鐘でした。その結果、今では政治家を含め、レジリエンス（強靭性）を提唱する人々がはるかに増えています。
これらの人々は、単に時折起こる災害を生き延びたいだけでなく、グリッドそのものを強化したいと考えています。「Economic Benefits of Increasing Electric Grid Resilience to Weather Outages（気象による停電に対する電力網の強靭性向上による経済的利益）」と題された最近のホワイトハウス報告書は、そのようなグリッドを、停電がより少ない人々に、より短い期間しか影響を与えないものと定義しています。この問題への良いアプローチは、マイクログリッド、あるいは「島」の創出です。これらは、大規模なグリッド、つまりマクログリッドから基本的に切り離し、電力を供給するために独立して運営できる、より小さなグリッドです。しかし、効果的であるためには、そのようなマイクログリッドは適応性があり、様々なエネルギー源で稼働できる必要があります。言い換えれば、ディーゼル燃料と太陽光発電だけで稼働するグリッドを設計すべきではありません。
より良いアイデアは、これら二つの供給源に加えて風力と天然ガスも使えるものを構築することです。このように、マイクログリッドの管理は投資ポートフォリオの管理と全く同じであり、多様化が鍵となります。アメリカ全土で、こうした小規模グリッドの例をすでに見ることができ、悪天候をすでに経験している地域では特に一般的です。実際、2015年には国内に300のマイクログリッドが存在し、現在さらに多くのものが建設中です。
最終的なまとめ
この本の中心的なメッセージ：電力網は、その歴史を通じてかなり進化してきたアメリカの産物です。 それでもなお、現代生活の需要は新たな課題を突きつけており、私たちはエネルギーの供給方法を再考する必要に迫られています。 結局のところ、電気は私たちの生活様式の基本的な側面であり、エネルギーの強靭性は、私たちの継続的な安全と安心にとって急速に不可欠なものになりつつあります。
次に読むべきおすすめの本: マーガレット・チェイニー著『テスラ』 『テスラ』（1981年）は、歴史上最も示唆に富み革新的な発明家の一人の生涯と業績について、啓発的で親密な記録を提供します。この本の要約では、ニコラ・テスラのキャリアを、トーマス・エジソンとの初期の戦いから、無線通信の発明をめぐる物議を醸した議論まで、辿っていきます。
