すべての電化への道のり

私たちの社会では、あらゆるものの電化を推進し、化石燃料から再生可能エネルギーへのシフトという広範な目標に向かう動きが見られます。電化は、バッテリー駆動の車からガスレンジを電気調理器に置き換えることまで多岐にわたっており、インフラやスマートグリッド技術の更新によって支えられています。特に注目すべきは、効率的なスイッチングを可能にする シリコンカーバイド(SiC)ベースのトランジスタ や、スマートエネルギーグリッドを実現する測定デバイスなどの機器です。

広く言えば、すべての電化は数十年前に始まりましたが、それは主に環境問題よりも本来の利点のためでした。例えば、芝生の手入れはかつて基本的にガス駆動または人力による作業でした。今日では、消費者は電動芝刈り機を購入することができ、それを燃料補給する必要がなく、内燃機関の同等品よりもはるかに静かです。この同じ技術により、電動工具をコードに接続せずに使用することができるだけでなく、さらに進んだロボット芝刈り機が芝生の手入れを自動で行うことも可能となっています。

スマートフォンの場合、あらゆるものの電化が、多くのものを統一することを可能にすると推測することができます。このオールインワンパッケージには、スチルカメラ、ビデオレコーダー、電卓、GPSロケーター、そしてこれまで世界が見たことのない図書館が含まれています。スマートフォンや小型化されたコンピューティング技術は、一般的に、私たちの電化された生活のほぼすべての側面に影響を与えています。

電化がその影響を拡大することが予想されるこれらの分野をご検討ください:

現在、米国では約400万台の電気自動車（EV）が走行しており、この数は2030年までに 3,300万台に達する見込みです。また、効率的な個人交通手段として多くの場合に利用できる電動自転車（e-bike）の普及も広がっています。米国エネルギー情報局（EIA）は、 2022年時点で、米国の一次エネルギー消費の27%が輸送のために使用されていると報告しています。この分野のさらなる電化は、化石燃料消費における大きな変化を象徴する可能性があります。

公共部門でも電化が進んでいるのは、電化バスや電気で走る高速鉄道などからも見受けられます。これに加えて、電動自転車の普及は、交通の混雑を緩和し、従来の自動車に比べて1人1マイルあたりの消費電力を少なくするのに役立つ可能性があります。現在の電化関連の成果として、テレコミューティングへの依存度が高まったことで、直接「そこにいる」必要性が減少しました。これを厳密に「電化された輸送」と分類することはできないかもしれませんが、個人の移動の必要性の多くを排除し、同じような効果をもたらしています。

建物管理は、今後数年間でより電化が進むと予測されており、特に建物の加熱が注目されています。従来、熱は現場で化石燃料を燃焼させて直接または間接的にエリアを加熱する形で供給されていました。これには、煙突と暖炉、天然ガスで動作する家庭用暖房システム、または蒸気を使用した全体的な建物向けのラジエーター構成が含まれます。

電気加熱入力は効率的な代替手段です。基本的な電気加熱プロセスは、抵抗体に電気を加え、その余分なエネルギーを熱として放散することです。通常は非効率的で迷惑となるもの（冷却を必要とするコンピューターのような電子機器内の熱）が、ここでは望まれる結果となります。一方で、直接抵抗加熱に電気を使用することは、ガスやその他の化石燃料を燃やすよりも通常は費用が高くなります。

詳細はこちらで議論されているように、より効率的な電気暖房の選択肢として、ヒートポンプを使用する方法があります。これは圧縮サイクルを通じて熱を間接的に家に供給し、エアコンとは逆の仕組みで動作します。この暖房方法は極端に低い屋外温度には理想的ではありませんが、ほとんどの気候で建物の暖房としてうまく機能します。

もちろん、温度管理は建物を最適な状態に保つための唯一の側面ではありません。消防およびセキュリティシステムも重要であり、全体的なメンテナンスは機械学習や予測技術によって支援される場合があります。ユーザーインターフェースの機能は、通常、標準的なコンピュータやスマートフォンでアクセス可能で、専用端末を使用するのではなく、多目的デバイスを効率的に活用できます。

産業用加熱は、電化が建物管理のシナリオと同様の基本的な課題に直面する顕著なアプリケーションです。業界向けに特化した新技術が開発されており、例えばガスバーナーを効率的に電気ヒーティング要素に交換できるレトロフィットキットなどがあります。化石燃料から電気加熱への切り替えと共に、既存の加熱設備をより効率的にする取り組みも進行中で、これによりエネルギー需要を完全に緩和できる可能性があります。

暖房以外にも、産業界は圧縮空気の使用を削減することや、効率の低い白熱電球からLED照明に切り替えることなど、他のプロセスエネルギーの非効率性を見直すことができます。このようなプロジェクトは、即時かつ容易に測定可能な投資収益率をもたらし、企業にとっても全体的な環境にとっても利益となります。

すべての電化が高尚な目標のように思える一方で、見過ごされがちな問題は、現在のインフラが今日のニーズに合わせて構築されているという事実です。さらなる電化は電力需要の増加を意味し、供給の頑強性と柔軟性が必要となります。一つの革新的な概念として、「仮想発電所」があります。これは再生可能エネルギー資源とグリッドストレージ事業体を統合し、きちんと管理することで異なる電源を適切に活用するというアイデアです。この概念を実現するには、双方向検針や洗練された制御構造などの機能が必要であり、スマートエネルギーグリッドのコンセプトを最適に機能させることが求められます。

スマートグリッドコンポーネントとして、SiCトランジスタ、高品質なIGBT、およびより従来型のシリコンMOSFETなどが挙げられます。これらはエネルギー供給源とエネルギー消費者の間での損失を最小限に抑えた電力管理を可能にします（状況に応じてこれらが役割を変更する場合があります）。スマートパワーグリッドにおいて、リソースに対して電力を供給するタイミングやリソースから電力を消費するタイミング、そしてこれらの変化する状況に基づく請求方法を知るためには、電流センサー技術が不可欠となります。

プロセス加熱は明らかに電気を使用するものですが、多くの電化された「もの」は携帯可能であり、そのため自己完結型の電源（バッテリー）が必要です。比較的最近のバッテリー技術の進展、特にリチウムイオン（Li-ion）およびリチウムポリマー（Li-Po）技術により、電気自動車やスマートフォンのような携帯型デバイスが可能となっています。

ポータブルデバイスの観点から見ると、さらなるリチウムポリマー（Li-Po）/リチウムイオン（Li-ion）電池技術の開発と、それに伴う製造インフラの整備によって、より多くのセル生産が可能になることが期待されています。同時に、現在の電池技術には限界があります。それほど遠くない未来に、根本的に新しい電池のパラダイムが登場する可能性があります。 こちらで探求されているように、研究者たちは電気エネルギーの蓄積のためにグラフェンを用いた実験を行っており、これにより現在可能な範囲を超えた、より高速な充放電が可能になるかもしれません。

電化の進展速度やその手法にはまだ未知の部分があります。大きな予期せぬ事態が発生しない限り、間違いなく電化の傾向は強まっています。IoTデバイスを介したエッジおよびクラウドでのさらなるコンピューティング能力が、インフラの観点からこれを推進し、さらにSiCやその他の関連技術の進歩がそれを後押しするでしょう。

しかし、今後数十年にわたって電化がどのように進展していくにしても、それはスマートフォンの普及のように、意識的に考慮しなければ気付かれないかもしれません。ある時点で、これらの電気自動車や電動バイク、その他新たに電化された技術が私たちの目の前に現れ、何気なく受け入れられ、そして（願わくば）私たちの世界をより良い場所にするでしょう。一方で、これらの技術を実現可能にし、さらに電化された世界を支えるスマートグリッドインフラのアップグレードを実施するためには、さらなる作業が必要です。