米国の電力網の仕組みについて知っておくべきことすべて

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米国の送電網は生活に完全な革命をもたらしましたが、継続的な注意、警戒、革新が必要です。

世界最大の機械は何ですか? 世界最大の掘削機​​であるリープヘル R9800 がその例でしょう。 NASA のクローラートランスポーター、ケープカナベラルでロケットの周りをカートで運ぶ戦車のような機械の怪物も、もう 1 つの有力な候補です。 世界最大の機械が玄関のすぐ外にあることがわかりました。 食料品店に行った際に目にすることがあるかもしれません。 実際、あなたもおそらく今それを使っているでしょう。

北米の送電網は、実際には 5 つの小さな相互接続のパッチワークですが、人類がこれまでに作成した最大の機械であると考える人もいます。 米国だけでも 60 万マイルの送電線と 550 万マイルの配電線 (家庭に電力を供給する黒い電線) が存在します。 誰から見ても、これは驚くべきエンジニアリングの成果ですが、真に完成することはありません。

自動車、家庭、企業が化石燃料を捨ててグリーンエネルギーを求める中、米国が増大する電力需要を満たすには、送電網が需要に追いつく必要がある。 これは、より多くの容量に投資しながら既存のインフラを更新するだけでなく、竜巻からテロリストに至るまで、この広大で脆弱な送電網をあらゆるものから守ることも意味します。

米国の電力網は過去の創意工夫の記念碑ではなく、私たち自身への挑戦です。 この機械がどのようにしてニューヨーク市の小さな発電所から大陸にまたがる巨大プロジェクトに成長したのかをご紹介します。 送電網がどのように機能し、家庭に電力を供給するのか。 そして、今後のエネルギー戦争に向けていかに必死に準備する必要があるか。

1882 年 9 月 4 日の午後 3 時、マンハッタンのダウンタウンにある発電所で働いていた技術者が遮断器を閉じたところ、数秒以内に石炭を燃料とする 27 トン、100 キロワットの発電機 6 台が轟音を立てて起動しました。 世界初の発電所であるトーマス エジソンのパール ストリート ステーションは、およそ 4 分の 1 マイル以内の住民に直流 (DC) 電力を供給し、初期顧客約 85 社の 400 個のランプに光を供給しました。

今では、400 個のランプは不吉なデビューのように思えますが、スイッチを押すだけで地球上の生活は永遠に変わりました。 この瞬間は、科学者が静電荷と電磁気を理解し始め、エンジニアがコンデンサー、バッテリー、そして最終的には発電所全体を構築した、何世紀にもわたる電気的進歩の頂点を表していました。 ニューヨーク市のこの特別な夏の午後は、米国の電力網の始まりを表しています。

わずか 140 年以内に、これら 400 個のランプは年間 4 兆 2,400 億 kWh の電力に変わりました。 このニューヨークの発電所は、どのようにして私たちの現代生活を可能にする驚異的な工学技術に変貌したのでしょうか?

パール ストリート駅は新しい時代を始めましたが、人工照明の明るい未来を実現するには、まず「電流戦争」を生き残る必要がありました。 その一角では、エジソンの DC 技術がすでにその価値を証明していましたが、当時の技術者は生成後に電圧を上げることができなかったため、長距離伝送することができませんでした。 この技術的な限界により、発電所は都市や町中の郵便ポストと同じくらい頻繁に設置される必要があります。 例えば、ニューヨークのダウンタウンは横梁と電線のジャングルとなり、当時ある目撃者は「ダウンタウンには電柱が林立していた…消防士たちははしごを上げるのに最も苦労した」と語った。

しかし、発明家で起業家のジョージ・ウェスティングハウスの支援を受けたニコラ・テスラという別の発明家で元エジソン従業員は、「交流」つまりACを使った誘導モーターを考案した。この誘導モーターは発電が容易で、電圧を増減できるためエネルギー損失が少ない。トランスフォーマーのおかげです。 戦争は 1880 年代の終わりまで激化し、公衆の感電死などの不愉快な出来事もあったが、AC はゆっくりと前進した。

1890 年代に、コロラド、オレゴン、カリフォルニアのいくつかの交流発電所が住民に長距離電力を供給し始めました。 1892 年、エジソン エレクトリックは交流電力の競合他社と提携してゼネラル エレクトリックを設立しました。 翌年、ウェスチングハウス社はコロンビア万国博覧会に交流電力を供給する承認を獲得しました。

海流戦争が沸騰から沸騰に転じると、発電量は国中で爆発的に増加しました。 米国中の都市には多くの発電所が点在し、トロリーなどの新しい発明に電力を供給していましたが、現代の電気システムの片鱗が形になり始めたのはシカゴでした。

米国の送電網を未来に導いたのは、起業家で実業家のサミュエル・インサル氏だ。 1892 年にインサルがシカゴに到着したとき、市内には 20 の異なる電力会社から電力が供給されていました。 シカゴ・エジソン社の社長に就任した後、インサルは負荷率を急速に高め、より効率の高い蒸気タービンを採用し、交流電力の支持者となり、すぐに他社を買収して競合他社の発電所を変電所に変えました。 15 年以内に、インサルは十数の電力会社を買収し、自分の会社を世界で最も進歩的で低コストの電力会社であるコモンウェルス エジソンと再命名しました。

すぐに多くの電力会社がインサルの成功を真似たが、これらの会社が成長するにつれて、手に負えない独占企業として恐れられるようになった。 しかし、実用化するには巨額の投資が必要であるため、経済学者たちは、成長を続けるこれらの巨人エネルギーを「自然独占」と見なし、巨大なタービンの力を活用するには大量の資本が必要でした。 政府は地方自治体または州が規制する電力会社を設立することで対応し、米国の電化が進むにつれ、フランクリン・ルーズベルト大統領は、電力会社が利益をほとんどまたはまったく見込んでいない地方に電力を拡大しながら競争を促進するための一連の規制を可決した。

ついに、第二次世界大戦前夜に、米国の近代的な電力網が形になり始めました。 停電や電力不足を避けるため、連邦政府は電力会社間の相互接続を要求し始めた。 これは、ボストンで電力不足が生じた場合、オハイオ州で発電された電力が不足分を補うことができることを意味した。 1960 年代までに、東部と西部の相互接続 (および小規模で政治的動機に基づくテキサス相互接続) が米国の電力の大部分を供給していました。 これら 2 つの主要な送電網は同期されていますが、それらの間の接続は限られています (米国の送電網が真に沿岸間であった 8 年間の短期間を除く)。

20 世紀を通じて、DC 電圧の昇降は大幅に進歩し、最終的に 1990 年に最初の主要な高電圧直流 (HVDC) システムがニューイングランドへの電力供給を開始しました。 HVDC システムは、発電所と地元の変電所の両方にコンバータが必要なため、より高価になる可能性がありますが、電気は高電圧 AC (HVAC) システムよりも効率的に長距離を移動できます。 現在、電気を 400 マイル程度より遠くまで送る必要がある場合には、HVDC が好まれています。これは、トーマス エジソンにとってはささやかな残念賞です。

📍ウィスコンシン州アップルトン

エジソンがパールストリート発電所のスイッチを入れてからわずか数週間後、ウィスコンシン州アップルトンで別の種類の発電機が稼働しました。 3 つの建物に 12 1/2 キロワットを供給するバルカン ストリート発電所は、世界で最も初期の近代的な水力発電の 1 つと考えられています。 この発電所はパール ストリートのような蒸気を生成する発電所よりも安価で、1882 年 9 月 30 日に初めて稼働してから 4 年後、同様の水力発電所が米国全土に約 50 基建設されました。

📍オハイオ州クリーブランド

直径 50 フィート、杉で作られた 144 枚の回転翼を備えた米国初の風力タービンは、まさに目を見張るものがありました。 1888 年の冬に発明家のチャールズ ブラッシュによって建てられたタービンは、クリーブランドの邸宅の裏に設置され、約 1,200 ワットの電力を生成しました。これはブラッシュの家の 100 個の電球に電力を供給するには十分以上です。 現在、米国全土には約 70,800 基のタービンが設置されています。

📍カリフォルニア州フォルサム

パール ストリート駅は直流電力の初期の時代を表していますが、交流電力に相当するものは 1895 年 7 月 13 日まで稼働しませんでした。フォルサム発電所は、三相 (60 Hz) の高電圧交流を送電した最初の発電所でした。サクラメントまでの長距離送電線（約34マイル）。 この発電所は他の企業とともに州議会議事堂を照らし、20 世紀初頭までの今日の電力網の驚くべき例として残っています。

📍 シッピングポート、ペンシルバニア州

1942 年、物理学者エンリコ フェルミはシカゴ パイル 1 で人工原子炉の作成が可能であることを証明しましたが、世界初の商業用原子力発電所が稼働するまでにはさらに 15 年かかりました。 アイゼンハワー大統領の「平和のための原子」計画の一環として、ピッツバーグから40マイル離れたオハイオ川沿いに位置するこの発電所は、1957年12月18日に最初の核分裂生成エネルギーを送電網に追加した。

📍カリフォルニア州サンルイスオビスポ

1983 年から 1994 年まで、カリソ平原には世界初の工業規模の太陽光発電所が設置されました。 世界ではないにしても、国内最大のこのアレイには、1×4 フィートのソーラー パネル 100,000 枚が設置され、ピーク時には 5.2 メガワットのエネルギーを生成しました。 現在、約 900 万枚のテルル化カドミウム太陽電池モジュールが、世界最大級の設備である Topaz Solar Farm の一部としてこの土地を占めています。

電力網は 19 世紀後半の起源に比べてその規模と複雑さが増大していますが、その全体的な機能は（より効率的で強力なコンポーネントが導入されているにもかかわらず）ほとんど変わっていません。 エネルギーを貯蔵する機能は複雑で高価であるため、電気はオンデマンドで生成されます。つまり、家の電球に電力を供給するボルトは、電磁波が電線に沿って光の速度で伝播するときに、おそらく数百マイル離れた発電所でマイクロ秒前に生成されたものであることを意味します。 。 発電所から家庭に届くまで、送電網は発電、送電、配電の 3 つの段階で動作します。

発電所は二次エネルギー源を使用します。元々は石炭でしたが、天然ガスや核分裂が使用されることが多くなりました。、蒸気を発生させてタービンを回転させ、電磁誘導を利用して発電します。 米国の二酸化炭素排出量の 31% は発電によるものであり（国内最大の発生源）、グリーン エネルギー政策により、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を太陽光、風力、水力、原子力などのクリーンな代替燃料に置き換えることが推進されています。

これらの電気タービンは、いわゆる三相 AC 電力を生成します。 通常、1 秒間に 60 回 (ヘルツ) 振動する交流の正弦波により、エネルギーには山と谷が生じます。 これは家庭やほとんどの単純な機器には問題ありませんが、電力を大量に消費する機械には三相 AC 電源が必要です。 正弦波を 120 度オフセットすることにより、電力はいつでも常にピークに近づくことが保証されます。

次に、発電所はこの三相交流電力を発電所自体の変圧器に中継し、送電用の電圧を 155,000 ボルトから最大 500,000 ボルト以上の範囲に昇圧します。 電圧が高くなるほど電流は小さくなり、導体を通るエネルギー抵抗が小さくなります。

変圧器でエネルギーを昇圧すると、送電線はその高電圧エネルギーを数百マイル（エジソンの当初の 4 分の 1 マイルよりもはるかに優れた距離）に広がる変電所に運びます。 これらの送電塔には 4 本 (または 7 本) のワイヤが設置されていることが多く、3 本のワイヤの各セットが 3 つの AC 相のうちの 1 つを伝送し、7 番目のワイヤは落雷保護用の接地線です。 これらの電線に加えて、送電塔には導線を鉄塔に接続するための大きな磁器またはセラミックのディスク絶縁体もあります。

これらの巨大な塔はしばしば見苦しいと考えられていますが (いくつかの国では、塔を少し分類しようとさえしています)、その大きなサイズは多くの安全上の利点をもたらします。 最も明白なのは、人やドライバーが電線に近づきすぎて電気アークが発生する可能性を防ぐことです。 結果として生じるアークフラッシュは、火災や死亡事故を引き起こす可能性があります。 同様に、ワイヤの間隔が広いため、空気が導体を絶縁できるため、アークフラッシュも防止されます。 これらの導体を瓦礫から遠ざけることが重要であるため、送電線は多くの場合、開けた野原に設置されるか、森林の伐採された区画に十分なスペースが与えられます。

これらの高電圧送電線を通過した後、電気は地元の変電所に到着します。 あなたもおそらく、マッドサイエンティストの研究室にぴったりの無鉄砲な鉄塔のコレクションのように見える、フェンスで囲まれたエリアを見たことがあるでしょう。 これらの変電所には、送電網や特定の配電線から遮断するためのサーキットブレーカーなど、多くの複雑な機能が備わっていますが、最終的には高圧電力が 10,000 ボルト未満 (通常は約 7,200 ボルト) に降圧されて、家庭に送られます。配電バスに接続し、その後別の配電線に接続します。 これらの電線は、電柱や地中に埋設されていても、最終的には家の外に到達します。

最後に、単相電線が家の外に流れ、配電変圧器が電圧を数千ボルトから家庭が必要とする一般的な 240 ボルトまで最後に降圧します。 そこから、家の回路ブレーカーが電気をコンセントに送り、家を過負荷から保護します。 家の外にあるスマート メーターは、使用したエネルギー量を追跡し、それに応じて毎月請求します。

ワイヤー上の鳥 | 送電線や配電線には非常に多くのボルトが流れているのに、なぜ電柱や電線に止まった鳥を定期的に焼かないのでしょうか? 簡単に言えば、電気は、ある電位から別の電位に流れる電子の動きです。 鳥は電線と同じ電位にあるため、電気が電線に留まっても羽の生えた友人たちはひどいショックを受けることはありません。 しかし、鳥が一日中電線に止まっているからといって、完全に安全であるというわけではありません。 時々、鳥が電柱に座りながら同時に電線に触れることもあります。 ポールは地球に接地されているため、電気は鳥を通って地面に伝わります。 2014年の調査では、米国では年間1,160万羽の鳥が感電により死亡していると推定されている。導体をより離して配置し、絶縁体を設置し、より安全に止まるためのポールトップの延長部分を構築することは、鳥を感電から守ると同時に送電網の信頼性も向上させることができる。 2022 年、ニューオーリンズでは一羽の鳥により 10,000 の顧客が停電しました。これは、鳥に優しい送電網が人間に優しい送電網であることのさらなる証拠です。

米国の送電網は現代工学の驚異ですが、米国の他のメガプロジェクトと同様に、システムも老朽化が進んでいます。 バイデン政権は、送電網の70パーセントが設置されてから25年以上経過していると推定しており、エネルギー需要に対応するには送電網の現在の容量も2050年までに増やす必要がある。 重要なことは、米国は、日当たりが良く風の強い内陸部から海岸沿いの地域社会に、ますます大量のクリーン エネルギーを供給するために、送電線を少なくとも 60% 追加する必要があるということです。 クリーン エネルギーの生成は好きなだけ構築できますが、そのエネルギーを伝達する十分なインフラがなければ役に立ちません。

容量は電力網が直面する課題の 1 つにすぎません。もう 1 つは、電力会社がサイバー攻撃の標的になりやすいという事実です。 送電網は、その巨大な規模と日常生活にとっての重要性から、米国に大混乱をもたらしたいと考えるどの国にとっても最も魅力的な標的である。 この問題は、「スマート グリッド」と「産業用モノのインターネット」の導入によってさらに悪化しています。これにより、産業用制御システムとインターネットを組み合わせながら効率と信頼性が向上し、グリッドが多数の潜在的な脆弱性にさらされることになります。

2015年にウクライナの電力会社に対するサイバー攻撃で人々が停電し、2020年には別の攻撃がイスラエルの水道事業に影響を与えた。翌年、米国エネルギー長官は、米国の敵が米国の送電網を停止する能力を持っている可能性が高いことを認めた。 2021年の報告書では、公益企業は脅威の検出を実施し、サイバー攻撃への対応と復旧に関して政府機関と連携し、エネルギーシステムの回復力を強化する必要があると詳述している。

しかし、電力網に対する最大の差し迫った脅威は、おそらく電力網の他の課題をさらに悪化させる可能性が高く、気候変動です。 2021年にテキサス州を危機に陥れたような山火事、ハリケーン、極寒などの異常気象（テキサス州の相互接続はそれ自体が混乱しているが）が常態化し、電力網を安定させるには電力網を強化する必要があるだろうこれらの環境パンチを使って。

では、将来の電力網はどのようなものになるのでしょうか? 現在の計画では、2035 年までに 100% クリーン エネルギー システムを構築することになっており、その野心的な目標を達成するには、米国はおそらく新しいクリーン エネルギー システムを構築し、次世代の核分裂技術に投資し、国際社会に貢献し続ける必要があるでしょう。クリーン エネルギー システムの聖杯である核融合を開発するための協力。 一方で、ハッカーや激しさを増す気候に対抗するために、米国の送電網の容量と回復力を高めることも不可欠です。

しかし、送電網を完全に将来に備えたものにするためには、他のイノベーションも必要になります。 大きな投資分野の 1 つは、太陽が照っていないときや風が吹いていないときに送電網の応答性を高めるために、エネルギーを貯蔵する効率的な方法を開発することです。 これには、従来のリチウムイオン電池や、酸化（別名錆）によるエネルギー貯蔵の可能性を利用する重力電池や鉄空気電池などのより斬新なアイデアが含まれる可能性があります。

米国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所も、米国の 3 つの異なる相互接続を結び付けることを推奨しています。 ますます手頃な価格になりつつある HVDC 送電線の電力を活用する真の全国送電システムは、太陽が降り注ぐカリフォルニアから雪に覆われたニューイングランドまで太陽光発電を輸送し、送電網の自然災害に対する回復力をさらに高めることができます。 逆に、病院などの重要なインフラに電力を供給するマイクログリッドを追加すれば、停電が重要な医療サービスに影響を与えないようにすることができます。

しかし最大の課題は、米国が自動車、コンロ、電気炉、その他基本的にあらゆるものの電化を開始する中で、すでに老朽化したエネルギーインフラを更新しながら容量を増やすことだろう。

140 年間にわたり、米国の送電網は生活に完全な革命をもたらしてきましたが、それは一度作ったら終わりというものではありません。 そのエネルギーを使用する人々の生活と、私たち全員が故郷と呼ぶ地球を確実に改善し続けるためには、絶え間ない配慮、警戒、革新が必要です。

ダレンはポートランドに住んでおり、猫を飼っています。SF と私たちの世界の仕組みについて執筆/編集しています。 よく探せば、Gizmodo and Paste で彼の以前の記事を見つけることができます。

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