AC対DC：電力系統にまつわる大論争をわかりやすく解説

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2024.5.27

電気は、現代文明における血液のような存在であり、日常的に使用する機器や各種産業に至るまで、あらゆるものに動力を供給している。この電気化された世界の中心には、根本的な論争が存在する。「交流（AC）」対「直流（DC）」という2つの電力系統だ。電気エネルギーにおけるこれら2つの違いを理解することは、技術者、政策立案者、消費者のいずれにとっても極めて重要だ。この記事では、AC電力系統とDC電力系統を取り巻く歴史的背景、基本概念、用途、長所短所、今も続く論争、今後の動向について掘り下げていきたい。

歴史的背景

AC対DCというライバル関係の起源は、19世紀後半までさかのぼる。「電流戦争（War of the currents）」として知られる、ニコラ・テスラ（Nikola Tesla）の交流系統と、トーマス・エジソン（Thomas Edison）の直流系統との間の闘いだ。エジソンがDC電力を支持し、その安全性と信頼性を主張する一方で、テスラとその支持者たちはACの優位性を主張した。その理由は、効率的な長距離送電を行うための高電圧への変換が容易であることだ。最終的にはACの勝利となったが、これは主に、テスラがACを使う誘導電動機（ACモーター）を開発したことと、実業家ジョージ・ウェスティングハウス（George Westinghouse）の支援によるものだった。

基本概念

ACとDCは、電流の2つの異なる種類を表している。交流（AC）は、1つの方向に流れたあと逆の方向に流れ、正弦波形の形で往復する。これに対して直流（DC）は、単一の方向に向かう電子の一定した流れを維持する。重要な違いは、それぞれの電圧、周波数、波形の特徴にある。AC系統は一般に、DC系統よりも高い電圧と周波数で稼働し、DC系統は安定した電流レベルを維持する。

用途

総体的な状況はAC電流系統が支配しており、世界中の家庭や企業、産業の圧倒的多数に動力を供給している。AC電流は発電所で発電された後、高圧送電線を経由して長距離送電され、地元のグリッド（電力網）を通じてエンドユーザーに配電される。用途が多く、効率的で、広範にわたる機器や電化製品に対応している。

DC電力系統は、これまでの歴史においてAC電力系統ほど一般的ではないが、再生可能エネルギーや電子機器の進歩を受けて、近年復活しつつある。DCには、太陽光発電システムやバッテリー貯蔵、電気自動車といった特定の用途で、ACよりも効率が良いという性質がある。さらにDCは、スマートフォンからコンピューターまで、電子機器で使われる電気の基本形態でもある。

AC電力系統の長所

効率的な長距離送電
AC電力系統は、最小限の電力損失で電気を長距離送電することに優れている。このような効率をもたらす主な要因は、変圧器を使って電圧を上げられる能力だ。電流の流れを減らすことによって、送電線で発生する抵抗損失が最小限になる。

既存インフラとの適合性
AC電力グリッドは、何年もかけて確立され、広範に発展してきた。大陸間を超えて広がり、どこにでも存在するインフラを形成している。このように広く展開されていることにより、既存の電気グリッドとのシームレスな統合が可能になり、各家庭や企業、産業への配電が容易になっている。

多用途と互換性
AC電流は用途が多く、居住、商用、産業の各環境で一般に利用される広範な機器や電化製品に対応している。照明や暖房システムからモーターや機械に至るまで、AC電力系統は、多様な電気的負荷に効率的に適応することができる。

AC電力系統の短所

送電損失
AC電力系統は、長距離送電の効率は高いものの、送電線の抵抗やリアクタンス（誘導抵抗）による損失の影響を受ける。これらの損失は、送電距離とともに増加し、システムの全体的な効率に影響を与える。軽減のためには、定期的なメンテナンスが必要になる。

電圧変換による複雑性
AC電力系統では、送電や配電のために電圧を上げたり下げたりする変圧器の使用が必要だ。電圧変換のために変圧器を入れると、システムに追加の構成要素が加わり、システムが複雑になるため、入念な設計と管理が必要になる。

グリッドの不安定さに影響を受ける
ACグリッドは、負荷や発電の急激な変化によって生じる電圧変動、周波数の逸脱、不安定なグリッドの影響を受けやすい。変化する状況下でグリッドの安定性を維持するには、相互に接続されたグリッド間での高度な制御システムと調整が必要になる。

DC電力系統の長所

特定用途での高効率性
DC電力系統は、太陽光発電システムやバッテリー貯蔵、電気自動車の充電といった特定用途において、ACと比べて高い効率性をもたらす。AC-DC変換の必要性がないことにより、DC系統は、エネルギー損失を最小限にして、全体的なシステム効率を向上させる。

送電損失が少ない
DC電力送電では、長距離における抵抗損失が、ACと比べて低くなる。この長所は、大量の電気を数千キロメートルにわたって最小の電力損失で送ることができる高圧直流（HVDC）送電システムで特に重要だ。

電子機器とのシームレスな統合
DCは、スマートフォンやノートパソコン、LED照明、電気自動車といった電子機器で使われる、電気の基本形態だ。現代の電子機器と直接対応していることで、AC-DC変換の必要がなくなり、エネルギーの損失が減り、システムの信頼性が高まる。

DC電力系統の短所

電圧変換の問題
DC電力系統の主な問題のひとつに、電圧の変換と配電がある。変圧器を使って容易に変圧できるACと異なり、DC電圧の変換には、複雑で高価なパワーエレクトロニクス機器が必要になるため、システムがより複雑になる。

インフラの制約
ACグリッドと比較すると、DCインフラは、発展や普及が進んでいない。DC電力系統を大規模に展開するには、送電線や変電所、配電網をはじめとする新しいインフラへの巨額の投資が必要になる。

複雑な制御と保護
DC電力系統には、グリッドの安定性、障害検出、システムの信頼性を確実にするための高度な制御と保護の仕組みが必要だ。DC網における電圧、電流、電力潮流を効果的に管理するには、高度なパワーエレクトロニクス機器と制御アルゴリズムの導入が不可欠だ。

今も続く論争と、今後の動向

ACとDCを巡る論争は、新しい技術が登場し、社会のニーズが変化するなかで展開を続けている。世界中のほとんどの電力系統においてACが引き続き支配的である一方、DCは、その長所が最も顕著である特定の用途で勢いを増しつつある。高圧直流送電（HVDC）や、半導体を使ったパワーエレクトロニクス、DCマイクログリッドのような新しい技術は、今後数十年にわたるエネルギーの総体的な状況を作り変える可能性を秘めている。

結論

AC電力系統とDC電力系統のあいだの論争は、決着には程遠い。両者に強みと弱みがあり、最適な選択は、用途に特有の要件に応じて異なる。将来に目を向ける際には、急速に進化する世界で高まる需要を満たせるよう、ACとDC両方の技術を探求し発展させ続けることが不可欠だ。最終的にACとDCのどちらが勝つにしても、確かなことがひとつある。電気は今後何世代にもわたり、人類の進歩の裏にある原動力であり続けるだろうということだ。

この記事は、TechBullionのUsman Ghaniが執筆し、Industry DiveのDiveMarketplaceを通じてライセンスされたものです。ライセンスに関するお問い合わせはlegal@industrydive.comまでお願いいたします。