地中の電気

1. 序論：進化する電気インフラの展望

現代社会において、電気インフラは単にエネルギーを供給するだけでなく、経済活動や日常生活を支える根幹となっています。近年、都市化の進展と産業の高度化に伴いエネルギー需要は増大の一途を辿っており、同時に地球温暖化対策として脱炭素化への取り組みが世界的に加速しています。このような背景から、エネルギー効率の向上と送電ロスの低減が喫緊の課題となっており、地震などの自然災害が多い日本では、より強靭で信頼性の高い電力網の構築が求められています。

この変革期において、電力ケーブルは依然としてエネルギー伝送の基盤技術でありながら、蓄電所は電力系統の安定化と再生可能エネルギーの導入促進に不可欠な要素としてその重要性を増しています。本稿では、これらの技術の現状と将来の展望について詳細に分析し、特に電気工事会社がこれらの進化にどのように対応していくべきか、その可能性と課題について考察します。

2. 電力ケーブルの基礎：構造、役割、材料

電力ケーブルは、発電所から消費地へ電気エネルギーを安全かつ効率的に輸送するための重要な構成要素です。その基本的な構造は、電気を流す導体、漏電を防ぐ絶縁体、外部からのノイズ干渉を抑制する遮蔽層、そして機械的損傷や環境要因からケーブルを保護するシース（外被）の4つの主要部分から構成されています。

導体は、電気抵抗が低く導電性に優れた銅やアルミニウムが一般的に用いられます。銅はアルミニウムよりも導電性が高い一方で、アルミニウムは軽量であるため、特に送電網においてはその利点が活かされています。また、ケーブルの柔軟性を高めるために、複数の細い導線を撚り合わせた構造（より線）が採用されることもあります。

絶縁体は、導体から外部への漏電を防ぐ役割を担い、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエチレン（PE、XLPE：架橋ポリエチレン）、ゴム、フッ素樹脂など、様々な種類の高分子材料が使用されます。これらの材料は、それぞれ耐熱性や電気的特性、機械的強度などが異なり、ケーブルの使用環境や電圧に応じて適切なものが選択されます。近年では、環境負荷の低減を目的として、ビニルに代わりポリエチレンなどの環境に優しい材料を用いたEM（Eco Material）ケーブルも普及しています。

遮蔽層は、主に電磁波ノイズの影響を低減するために設けられ、金属製の編組線や箔などが用いられます。特に、高電圧ケーブルや情報通信機器に近い場所で使用されるケーブルにおいては、信号の安定性を確保するために重要な役割を果たします。

シースは、ケーブルの最も外側の層であり、内部の絶縁体を水、油、薬品、外力などの外部環境要因から保護します。PVC、ポリエチレン、クロロプレンゴムなど、用途に応じた様々な材質が用いられ、ケーブルの耐久性や安全性を高めます。

電力ケーブルは、発電所で生成された電気エネルギーを、変電所、配電所を経由して最終的に需要家へと届けるという、電力輸送の各段階において不可欠な役割を果たしています。発電所から変電所への送電には、高電圧ケーブルが用いられ、長距離の効率的な電力輸送を可能にします。変電所から需要家への配電には、中電圧または低電圧のケーブルが使用され、工場、ビル、家庭など、それぞれの需要に応じた電圧で電力を供給します。

電力ケーブルの敷設方式には、主に架空方式と地中方式があります。架空方式は、電柱などを利用して空中にケーブルを敷設する方法で、建設コストが比較的安く、メンテナンスも容易であるというメリットがありますが、台風や地震などの自然災害や鳥害の影響を受けやすいというデメリットがあります。一方、地中方式は、地下にケーブルを埋設する方法で、景観を損なわず、自然災害の影響を受けにくいという利点がありますが、建設コストが高く、故障箇所の特定や復旧に時間がかかるという課題があります。都市部においては、安全性や景観の観点から地中化が進む傾向にあります。地中送電には、絶縁油を浸み込ませた紙で絶縁するOF（Oil-Filled）ケーブルや、架橋ポリエチレンで絶縁するCV（Cross-linked Polyethylene）ケーブルなどが用いられます。地下ケーブルの敷設方法には、直接埋設方式、管路方式、暗渠方式などがあり、それぞれ地盤条件やケーブルの種類、敷設距離などに応じて適切な方法が選択されます。

3. 蓄電所の台頭：定義、必要性、系統統合

蓄電所は、発電された電気エネルギーを一時的に貯蔵し、必要に応じて放電するシステムです。近年、その重要性が急速に高まっている背景には、再生可能エネルギーの導入拡大と電力系統の安定化という二つの大きな要因があります。

再生可能エネルギーである太陽光発電や風力発電は、天候条件によって発電量が大きく変動するという特性を持っています。このため、これらの電源が電力系統に大量に導入されると、電力の需給バランスが不安定になる可能性があります。蓄電所は、発電量が需要を上回る時間帯に余剰電力を貯蔵し、発電量が低下する時間帯や需要が高まる時間帯に放電することで、電力系統の安定化に大きく貢献します。また、出力制御によって売電できなかった再生可能エネルギーを貯蔵し、有効活用することも可能になります。

蓄電所は、電力系統に接続されることで、周波数調整や電圧調整といった系統安定化サービスを提供することもできます。従来の火力発電所などに比べて応答速度が速いため、より迅速かつ高精度な系統制御が可能になります。さらに、電力需要がピークを迎える時間帯に蓄えていた電力を放電することで、電力系統全体の負荷を平準化し、高コストなピークロード発電所の稼働を抑制する効果も期待できます。

災害時における電力供給の維持という観点からも、蓄電所の重要性は増しています。大規模な停電が発生した場合でも、蓄電所に電力が貯蔵されていれば、非常用電源として活用することができ、避難所における照明、通信機器の充電、医療機器の稼働などを支援します。太陽光発電システムと連携させることで、日中は太陽光で発電した電力を蓄え、夜間や悪天候時には蓄電池から電力を供給するといった、自立型のエネルギー供給システムを構築することも可能です。

大規模な蓄電所は、送電網、配電網、再生可能エネルギー発電所などに接続されます。系統用蓄電池は、電力系統全体の安定化に寄与するだけでなく、再生可能エネルギーの導入量を増やすための重要な鍵となります。

4. 技術革新：超電導ケーブルの可能性

電力ケーブルの分野では、近年、超電導ケーブルという革新的な技術が注目を集めています。超電導とは、特定の物質を極低温まで冷却すると、電気抵抗がほぼゼロになる現象のことです。この原理を応用した超電導ケーブルは、従来の電力ケーブルと比較して、エネルギー損失の大幅な低減、大容量送電、ケーブルの小型化などの多くの利点を持つと考えられています。

超電導ケーブルに使用される材料には、極めて低い温度（液体ヘリウム温度：約-269℃）で超電導状態を示す低温超電導体と、比較的高い温度（液体窒素温度：約-196℃）で超電導状態を示す高温超電導体があります。医療機器などでは低温超電導技術が実用化されていますが、送電ケーブルへの応用においては、冷却コストの観点から高温超電導材料の研究開発が活発に進められています。ビスマス系やイットリウム系の高温超電導材料が有望視されており、ビスマス系は製造が比較的容易である一方、イットリウム系はより高い電流密度を実現できるという特徴があります。

超電導ケーブルの最大のメリットは、電気抵抗がほぼゼロになるため、送電時のエネルギー損失を大幅に削減できることです。従来の送電システムでは、送電ロスが数パーセント程度発生していますが、超電導ケーブルを用いることで、この損失を極めて小さく抑えることが可能になります。ある研究によれば、高温超電導ケーブルは従来の110kVケーブルと比較して、ライフサイクル全体でのエネルギー損失コストを15%削減できる可能性が示されています。また、同じサイズのケーブルで、従来の数倍の電流を流すことができるため、送電容量を大幅に向上させることができます。例えば、HTSケーブルは同じ外寸の従来のケーブルシステムの5倍の電流を流すことができると報告されています。これにより、より少ない本数のケーブルでより多くの電力を輸送することが可能となり、特に都市部などにおける地中化工事において、建設コストの削減やスペースの有効活用に貢献することが期待されます。超電導ケーブルは、電磁界の漏洩が少なく、リアクタンスも低いため、ケーブル線路の容量を増やすことも可能です。

しかしながら、超電導ケーブルの実用化にはいくつかの課題も存在します。最も大きな課題の一つが、超電導状態を維持するための冷却システムとそのコストです。液体窒素による冷却は液体ヘリウム冷却に比べてコストは低いものの、冷却装置の設置や運転には依然として高いコストがかかります。また、超電導ケーブル特有の現象であるクエンチ（超電導状態の急激な消失）が発生した場合、ケーブルが急激に発熱し、機器の損傷やシステム全体の故障につながる可能性があります。さらに、超電導材料の製造コストも依然として高く、普及の妨げとなっています。ある試算では、超電導ケーブルの1kmあたりのコストは、既存の送電線よりも高くなる可能性が指摘されています。加えて、超電導ケーブルの敷設やメンテナンスには、高度な専門知識と技術が必要となるため、人材育成も重要な課題となります。

表1：従来型電力ケーブルと超電導ケーブルの比較

特徴	従来型電力ケーブル	超電導ケーブル
電気抵抗	比較的高い	ほぼゼロ
エネルギー損失	数パーセント	極めて低い
電流容量	比較的低い	非常に高い
ケーブルサイズ	比較的大きい	同等またはより小さい
冷却	不要（一部地中線で油冷）	極低温冷却が必要（液体窒素または液体ヘリウム）
初期コスト	比較的低い	非常に高い
技術的複雑性	比較的低い	非常に高い
主な用途	一般的な電力輸送	大容量送電、高効率送電が期待される

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5. 進化する蓄電技術：現状と将来展望

蓄電技術は、エネルギー貯蔵システムの性能とコストを左右する重要な要素であり、近年、その開発が急速に進んでいます。現在、最も広く利用されているのはリチウムイオン電池であり、その高いエネルギー密度、軽量性、長寿命などの特性から、携帯電子機器、電気自動車、電力系統用蓄電池など、幅広い用途で活用されています。

リチウムイオン電池の性能は、正極材、負極材、電解質、セパレータ、電池管理システム（BMS）などの要素によって決まります。現在、エネルギー密度を高めるために、ニッケルの割合を高めた正極材や、理論容量の高いシリコン系負極材などの研究開発が進められています。安全性向上のためには、不燃性の固体電解質を用いた全固体電池の開発が活発化しています。また、電池の寿命を延ばし、充電時間を短縮するための技術開発も重要な課題となっています。リチウムイオン電池のコストは、過去10年間で劇的に低下しており、今後も生産規模の拡大や技術革新によってさらに低下することが予測されています。

リチウムイオン電池以外にも、次世代の蓄電池技術として、リチウム硫黄電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、全固体電池など、様々な技術が研究開発されています。リチウム硫黄電池は、現在のリチウムイオン電池の5倍以上のエネルギー密度を持つ可能性があり、航空宇宙分野などでの応用が期待されていますが、サイクル寿命に課題があります。ナトリウムイオン電池は、資源が豊富で安全性の高いナトリウムを利用するため、コスト面で有利となる可能性がありますが、エネルギー密度はリチウムイオン電池に劣るとされています。全固体電池は、電解質を固体にすることで、安全性とエネルギー密度の両方を向上させることが期待されており、電気自動車への応用が有力視されています。

蓄電池市場は、電気自動車と電力系統用エネルギー貯蔵システムの需要拡大により、今後も急速な成長が見込まれています。2020年の全世界市場規模は約500億ドルでしたが、2030年には約1,500億ドルに達すると予測されています。特に、中国、欧州を中心に電気自動車の販売比率が急速に増加しており、これが蓄電池需要を牽引する大きな要因となっています。各国政府も、蓄電池の戦略的重要性の高まりを受け、政策支援を強化しており、市場の成長を後押ししています。

6. 広範な導入に向けた課題と考察

超電導ケーブルや大容量蓄電所の広範な導入には、コスト、技術的な複雑性、寿命、安全性など、いくつかの重要な課題を克服する必要があります。

超電導ケーブルの導入における最大の課題は、初期コストと冷却コストの高さです。超電導材料の製造コスト、極低温冷却システムの設置費用、運転維持費用などが、従来のケーブルと比較して高額になる傾向があります。また、超電導状態を維持するためには、常に冷却システムを稼働させる必要があり、そのための電力消費も無視できません。技術的な面では、極低温環境でのケーブルの接続技術、クエンチ現象への対策、長期的な信頼性の確保などが重要な課題となります。

大容量蓄電所の導入においても、バッテリー本体のコスト、電力変換システム（PCS）のコスト、設置工事費などが高額になることが課題となります。50MW/50MWhのシステムの場合、バッテリーコストだけで500万ドルから1500万ドルに達する可能性があります。また、バッテリーの寿命は一般的に10年から15年程度であり、定期的なメンテナンスや交換が必要となるため、長期的な運用コストも考慮する必要があります。リチウムイオン電池の場合、充放電サイクル数や使用環境によって寿命が左右され、過充電や過放電は性能劣化を早める原因となります。さらに、地震や台風などの自然災害が多い日本では、蓄電所の安全性確保が非常に重要です。熱暴走による火災や爆発のリスクを低減するための安全対策、地震による損傷を防ぐための耐震設計などが求められます。

7. 相乗効果：電力ケーブル、蓄電所、再生可能エネルギーの統合

超電導ケーブルと蓄電所は、それぞれ単独でもエネルギーシステムの効率化に貢献しますが、再生可能エネルギーと組み合わせることで、その相乗効果により、より持続可能で効率的なエネルギーシステムの構築に大きく貢献します。

超電導ケーブルは、地理的に離れた場所で発電された再生可能エネルギーを、エネルギー需要の高い都市部まで効率的に輸送することを可能にします。送電ロスが極めて少ないため、例えば、北海道で発電された風力エネルギーを、東京などの大都市圏まで、損失を最小限に抑えて届けることができます。ある試算では、超電導ケーブルを適用することで送電ロスを半分程度まで低減できるとされています。

一方、蓄電所は、太陽光発電や風力発電のように出力が変動しやすい再生可能エネルギーの電力を貯蔵し、必要な時に供給することで、電力系統への接続を容易にし、その利用率を向上させます。これにより、再生可能エネルギーの出力変動を吸収し、電力系統の安定性を高めることができます。蓄電所は、余剰な再生可能エネルギーを貯蔵することで、発電事業者の経済性を向上させるとともに、電力系統全体のCO2排出量削減にも貢献します。NEDOの試算によれば、大規模電力利用プラントに超電導ケーブルを適用した場合、電力送電時の損失を95%以上削減でき、年間で110kLの原油換算エネルギーと554tのCO2排出量を削減できる可能性があります。

このように、超電導ケーブルと蓄電所を組み合わせることで、再生可能エネルギーの導入を最大限に促進し、エネルギー効率を飛躍的に向上させ、地球温暖化の原因となるCO2排出量の削減に大きく貢献することが期待されます。

8. 電気工事会社への実務的影響と提言

超電導ケーブルと蓄電所の進化は、電気工事会社にとって新たな市場機会と技術的な挑戦をもたらします。

超電導ケーブルの分野では、将来的にその導入が進むにつれて、極低温冷却システムの設置、ケーブルの敷設、接続、メンテナンスといった新たな工事需要が生まれる可能性があります。これらの作業には、高度な専門知識と特殊な技術が必要となるため、従業員のスキルアップや新たな技術習得が不可欠となります。特に、液体窒素などの極低温環境下での作業に関する知識や、超電導ケーブル特有の接続技術、故障時の対応などが重要になります。

蓄電所の分野では、住宅用から産業用、系統用まで、様々な規模の蓄電システムの導入が増加しており、これに伴い、設置工事、電気配線工事、系統連系工事などの需要が拡大しています。特に、再生可能エネルギー発電設備との連携や、災害対策としての蓄電池導入は、今後ますます重要になると考えられます。電気工事会社は、これらのシステムに関する設計、施工、保守の知識と技術を習得し、新たなビジネスチャンスに対応していく必要があります。

今後のプロジェクトにおいては、以下のような戦略的考慮事項が重要となります。

• 従業員のスキル開発: 超電導技術、蓄電技術、再生可能エネルギーに関する研修プログラムを導入し、従業員の専門知識と技術力を向上させる。
• 技術パートナーシップ: 超電導ケーブルメーカーや蓄電池メーカー、再生可能エネルギーシステムインテグレーターとの連携を強化し、最新技術に関する情報を共有し、共同でプロジェクトに取り組む体制を構築する。
• 技術動向の注視: 超電導ケーブルや蓄電池の技術開発動向、コスト動向、市場動向を継続的に注視し、将来的な事業展開の方向性を検討する。
• ニッチ市場への参入: 地中高容量送電や産業用・系統用大規模蓄電システムの導入など、高度な技術力を必要とするニッチ市場への参入を検討する。
• 防災対策への貢献: 日本の特性を踏まえ、災害に強いエネルギーインフラ構築に貢献するため、蓄電池を活用した防災ソリューションの提供を検討する。病院、避難所、重要インフラ施設などにおける非常用電源としての蓄電池システムの設計・施工に関する専門性を高める。

9. 結論：持続可能で強靭なエネルギー未来の創造

本稿では、電力ケーブルと蓄電所の現状と将来展望について、技術的な側面、課題、そして再生可能エネルギーとの連携による相乗効果を中心に分析してきました。超電導ケーブルは、エネルギー効率の飛躍的な向上を可能にする革新的な技術ですが、現時点ではコストや技術的な課題が多く、広範な普及には時間を要すると考えられます。一方、蓄電技術は急速に進歩しており、特にリチウムイオン電池を中心に、性能向上とコスト低減が進んでいます。蓄電所は、再生可能エネルギーの導入を促進し、電力系統の安定性を高める上で不可欠な役割を果たしており、その重要性は今後ますます増していくでしょう。

これらの技術は、それぞれ単独でもエネルギーシステムの効率化に貢献しますが、超電導ケーブルによる高効率な長距離送電と、蓄電所による電力の貯蔵と需給調整を組み合わせることで、再生可能エネルギーを最大限に活用し、持続可能で強靭なエネルギーインフラを構築することが可能になります。

電気工事会社は、これらの技術革新の動向を的確に捉え、新たな知識と技術を習得することで、将来のエネルギーインフラ構築において重要な役割を果たすことができるでしょう。積極的に技術開発に取り組み、新たなビジネスチャンスを創出していくことが、持続可能な社会の実現に貢献する鍵となります。参照されたもののレポートには使用されていないソース