エスコムの送電網崩壊懸念は行き過ぎ

Dec 07, 2023

Kela Securities の調査レポートによると、南アフリカで完全な送電網の崩壊や 2 週間以上続く全国的な停電が発生するリスクは非常に低いとのことです。 この国の電力周波数 50Hz は運営に不可欠であり、この周波数からの逸脱は停電を引き起こす可能性があります。 ただし、南アフリカでは、頻度を管理し、停電を防ぐために、自動負荷制限と代替措置を導入しています。 停電が発生した場合、水力発電所とガスタービンを使用して発電所を数分以内に再起動でき、国の大部分は数時間以内に復旧できます。 主な課題は、配電インフラを修復し、すべての地域に電力を復旧するための需要と供給を調整することにある。 現在の状況は、政治的介入とプラントのメンテナンスが不十分であることが原因であると考えられており、適切なメンテナンスと短期間の負荷軽減によってのみ解決できます。 以下に完全なレポートを掲載します。

Kela SecuritiesのLesedi Kelatwang氏とKudakwashe Kadungure氏によるもの

現場調査を実施し、エスコムの発電事業に関する技術的知識を持つ数名の経験豊富なエンジニアに相談した結果、私たち Kela は、送電網が完全に崩壊し、2 週間以上続く停電につながるリスクがあると考えています。極めて低いです。 実際、送電網が崩壊したとしても、国内の大規模な経済拠点のほとんどで数時間以内に電力が復旧し、稼働するであろうことを私たちは理解しています。

南アフリカで全国規模の停電が発生するということは、この国は基本的にまったく発電していない、あるいはエスコムの高度な技術を持った管理者が送電網の周波数50Hzを維持する方法を忘れているということだ。 今年の5月のピーク需要が約33GWであり、エスコムがそれを乗り越えるためにステージ6を実施したことを考えると、全国的な停電はエスコムがステージ6の上にさらに27段階の負荷遮断を実施したのと同じである。これは当然ながら、各ステージの負荷制限に基づいている。負荷制限の最大値は 1 ギガ ワット (GW) です。

以下では、基本的なレベルでこれがどのように潜在的に発生する可能性があるかを明らかにします。 したがって、それがまったく起こらないと考える理由についても概説します。 議論を、電気コンポーネントを介した単一の共通パラメータ、つまり周波数に限定します。

南アフリカの電気は 50Hz の周波数で生成されます。 例として、自転車のランプに電力を供給するダイナモを使用します。この場合、自転車は発電所と同じ速度 3000RPM (1 分あたりの回転数) で回転すると想定され、結果的に 50Hz で発電することになります。 1Hz は 1 秒あたり 1 サイクルに等しいと定義されているため、3000RPM で動作するダイナモは 1 秒あたり 50 サイクルに達することになります。

南アフリカ、そして実際には世界中のほぼすべての送電網にとって、周波数が常に 50Hz に維持されることは神聖なことです。 南アフリカ人として、私たちの電気機器/機器は、この周波数で生成された電気を使用して動作するように設計されています。 50Hz からの実質的な逸脱は、基本的に、グリッドに接続されているものが動作しなくなるか、より適切な言葉が見つからないが壊れることを意味します。

発電所は、家庭用電化製品と連携して、周波数変化のわずかな変化に何の反応も起こさずに対応できます。 ただし、これはほとんどの場合 1% の周波数偏差、つまり 0.5Hz に制限されます。 これは不感帯として知られており、プラント出力を変更することなく周波数の変化に対応できます。 周波数が 1% を超えて変化すると、プラントは周波数を元に戻すために多かれ少なかれ電力を生成します。 また、周波数を不感帯内に戻すことができない場合は、自動的にスイッチがオフになります。 これは、プラントの実際の設計に組み込まれている安全機能です。

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発電所や送電網が 50Hz を維持するのに苦労する原因は何でしょうか?

これは、プラント内で内部故障が発生した場合、または電力の生成と利用 (供給/需要) の間に物質的な不均衡が生じた場合に発生する可能性があります。 前者は非常に簡単に理解できるため、後者に注目します。 生成されるすべてのギガワット (GW) には、関連する消費者 (負荷) が必要です。

大まかに言うと、理論上の 5 つの発電所のグリッドで、それぞれの発電量が 1GW で 5GW を生成する場合、5GW 相当の需要が必要になります。 供給が 5GW にとどまる一方で需要が 3GW に低下した場合、これは送電網の周波数を増加させる効果があります。 前述したように、何があっても 50Hz を維持する必要があります。 電力会社は、供給量を2GW減らすために、5つの発電所すべてで生成される電力を3GWに等しくなるまで減らすか、2つの発電所を停止することで対応するだろう。 あるいは、電力会社は、南部アフリカ電力プール（SAPP）を通じて近隣諸国にさらに多くの電力を販売することで需要を増やす手段を模索することもできるだろう。

逆に、需要が供給を上回った場合には、送電網の周波数を下げる効果があります。 電力会社は、供給を増やすか需要を減らすことで対応できます。 前者は南アフリカにとってすぐには不可能であり、SAPP近隣諸国の南アフリカの輸入設備容量が比較的小さいことを考えると、ロードシェディングが唯一の選択肢となり、これは需要を減らす効果があります。

すべてのプラントが完璧な状態にあると仮定すると、停電の原因は何でしょうか?

供給が需要を上回る場合、電力会社は過剰な供給をオフにするか抑制するか、SAPP への輸出を増やす必要があります。 何らかの理由でこれが達成されない場合、周波数超過保護によりいくつかの発電所が送電網から外れることになり、その後ブラックアウトが発生することになります。

論理的には、Eskom が供給をオフにする制御を持っていることを考えると、これは非常にありそうもないことです。 供給を上回る需要の急増が発生した場合、停電が発生する唯一の方法は、エスコムが何らかの理由で需要をそれに応じて削減できなかった場合です。 これも同様にありそうもないことですが、アフリカの特定の国では実際に起こっています。 根本的な原因は、需要を時間内に遮断するのに苦労し、プラントがトリップし、設計上の周波数不足保護により自動的にスイッチをオフにしたことです。

これらのインシデントが発生した理由は、これらの国で負荷制限を実施するために高度な手動介入があったためです。 南アフリカの送電網は高度な自動化が行われているという点ではるかに洗練されています。 南アフリカでは、私たちが慣れ親しんでいる通常の手動による負荷制限に加えて、システムに組み込まれた自動負荷制限が行われています。これは、周波数に基づいて周波数の減衰を管理し、発電所の発電も集中制御して負荷を軽減または増加させることができます。それは純粋に周波数値に基づいています。

これに加えて、さまざまな代替措置が講じられています。 たとえば、Eskom は一部の大規模産業消費者の電源を数分間オフにすることができます。 これは契約ですでに考慮されており、周波数が急激に低下し、純粋に周波数に基づいてプラントの自動スイッチオフが発生すると、自動的に発生する可能性があります。 この数分間で、Eskom は、さらなるプラントのトリップを防ぎ、周波数を正常化できるようにするために、予備、つまりオープンサイクル ガス タービン (OCGT)、揚水発電計画を起動したり、負荷制限を実施したりすることができます。

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停電が発生した場合、送電網が復旧して稼働するまでにどれくらい時間がかかりますか?

エスコムにはさまざまな種類の発電所があり、それぞれ起動にかかる時間が異なります。 石炭火力発電所と原子力発電所は、起動に最も時間がかかります。 石炭は通常、起動に数時間かかりますが、原子力は最大負荷に達するまでに数日かかる場合があります。 オープンサイクルのガスタービンと水力発電所は負荷がかかるまでに数分かかるため、黒人が国を始めるのは当然のことです。

停電からの起動が水力発電所とガスタービンの組み合わせを使用して行われることを考えると、発電所を復旧させて主要な負荷の一部を稼働させるには文字通り最大で数分かかるでしょう。 より多くのプラントと負荷が接続されると、国内の残りの地域でも数時間以内にオンラインになる可能性があります。

課題は、送電網の周波数 50Hz を維持するために、起動時に需要と供給を調整することにあります。 これには、プラントを需要にリンクしながら、ゆっくりとスイッチを入れてプラントに負荷をかけるという慎重なプロセスが必要です。 最初の数時間で、大規模な負荷の大部分が再接続されます。 都市やその他の大規模なハブは最初の 12 時間以内に再接続されますが、意味のある負荷の大部分は 24 時間以内に発生します。 では、停電が数週間続く原因は何でしょうか?

負荷遮断の頻度の増加により、計画よりも長く続く停止の数も同様に増加するという観察された傾向に注目すると、その原因は主に配電インフラへの予期せぬ影響によるものです。 変圧器や変電所の故障の増加は、Eskom が技術者を派遣して現場で修理を行うために失われる時間が増えることを意味します。 ロードシェディングが国全体で一度に発生するシナリオでは、本質的に事実上停電が発生し、Eskom がオンラインに戻ったとしても、国の一定割合が依然として停電状態になることが考えられます。

厳密に言うと、発電用語では、さまざまな地域で電圧低下のことを指します。 確かに、優先順位の観点から、照明を再びオンにすると、経済的に重要性の高い地域がリストの上位に表示されます。 別の言い方をすれば、ヨハネスブルグやケープタウン、加工工場や鉱山などの重工業地帯（安全上の理由から）は数時間以内に復旧するだろう。 それらの人々にとって、それは通常の負荷軽減のように見えるでしょう。 一方、非常に田舎の貧しい男は、エスコムが最終的に彼に到着するまで数週間待たなければならないかもしれません。

ここで注意すべき重要なことは、送電網崩壊はいつでも世界中のどこでも起こり得るということです。 ステージ 1 からステージ 2 に移行し、現在ステージ 16 のロードシェディングの話が出ているからといって、送電網が崩壊しつつあることを意味するわけではありません。 系統崩壊を防ぐのは、電力の需給を積極的に管理することで50Hzを維持する機能です。 これは、発電所が 5 基であっても 100 基であっても当てはまります。 実際、発電所は需要と供給の間に不均衡が生じた場合に自己保存するように設計されているため、制御不能な自己修正を回避することが、まさに負荷制限が必要な理由です。

当然のことながら、送電網に発電所が増えれば増えるほど安定し、トリップやその他の問題のリスクをより多くの発電所で共有できるようになります。 南アフリカには、100 台程度の発電ユニットを備えた 25 か所以上の発電所が、この点においてはまずまずの地位にある。

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上記を踏まえると、仮想のステージ 20 のロードシェディングはどのようなものになるでしょうか?

ロードシェディングの段階が大幅に上がると、事態は指数関数的に悪化すると予想されます。 Eskom の定義は、現在需要がピークに達しているステージ 33 のロードシェディングが実際に可能であることを意味しています。 現在ステージ 6 であることを考えると、悪化要因はさらに 27 段階あります。 ほとんどの電気機器と同様、南アフリカの送電網は頻繁に電源をオフにしたりオンにしたりすることに耐えるように構築されていません。

これは、ステージ 20 では、変電所のオンとオフの切り替えがはるかに長い期間とより多くの頻度で行われることを直感的に示唆します。 ロードシェディングは数時間ではなく、一度に数日かかる場合があります。 サントンに住んでいる個人は、経済的により適切であるため、ソウェトに住んでいる個人よりも荷物の軽減を少なくすべきだと主張するため、負荷軽減の方法論は明らかに厳しい監視の対象となるでしょう。 まあ、政治の優先順位が経済よりも優先されるため、それが選挙に向けての争点になる可能性がある。

私たちはどのようにしてこの混乱に巻き込まれたのでしょうか?

南アフリカがこのような状況に陥っているのは主に不必要な政治的干渉が原因です。 より具体的に言えば、政治家らによるエスコムに対する要請は、当時問題に対処するために実施していたエスコムのプラント保守プログラムを著しく損なうものであった。 もう 1 つの理由は、1990 年代にエスコムが電力容量の拡大に関与しないという政府の決定でした。

5GW の理論上のグリッドが 7GW のピーク需要に直面している一方で、これらの 1GW プラントのうち 2 基がオフラインでメンテナンス中である例を見てみましょう。 これらの発電所のメンテナンスが「優先」される、つまり稼働状態にするために「最も必要なメンテナンスのみを行う」場合、発電量はそれぞれ 300MW と 400MW 減少します。 干渉は次のようになります。

1. 発電容量が不足しているため、第 2 段階の負荷軽減が必要な状況にある

2. 2 つのプラントがメンテナンスのために停止しているため、さらに 2 GW の需要を除去する必要があり、これにより初期ステージ 2 がステージ 4 に進みます。

3. しかし、政治的圧力により、何が何でも負荷遮断をたとえばステージ 3 で続けるように指示が出されます。 したがって、電力会社はメンテナンス中の発電所を調べて、次のように反応します。現在、それぞれ 300MW と 400MW を発電できる 2 つの発電所が、何らかの方法でそれぞれ少なくとも 500MW を発電できれば、負荷制限がステージ 3 で上限に達することを確認できます。そうは言っても、各発電所の管理者に連絡があり、「少なくとも500MWにするために必要なことをする」ように言われることになる。 するとマネージャーは、「ここにバンドエイドを貼って、そこにもう一枚バンドエイドを貼ったら、500MW に達するでしょう」と答えました。

4. 段階 3 で負荷制限を制限するという目標は達成されるでしょう。 ただし、メンテナンスが不十分なため、すぐに予期せぬ故障が発生するため、これは短命です。 発電所の故障がさらに進むと、この問題は最終的に再び表面化するだろう。 最新の故障を考慮すると、発電所 1 の発電能力は 500 MW から 200 MW になり、以前よりも悪化します。

5. その後、状況が繰り返されます。 政治的圧力により、電力会社は現在、何があっても負荷制限をステージ 4 に制限するように言われています。

これが負ける戦略であることは明らかです。 問題は時間の経過とともに悪化する可能性があります。 車が耐用年数にわたって十分に稼働するためには整備が必要であるのと同様、発電所にも同じことが当てはまります。 したがって、計画的なダウンタイムが必要です。 グリッド上に 10 のプラントがある状況では、1 つのプラントは需要に関係なくメンテナンスを受け、もう 1 つのプラントは計画外のメンテナンスが必要になった場合に備えているため、おそらく常に最大 8 つのプラントを稼働させる必要があります。 これがエスコムの 80:10:10 戦略の背後にある戦略でした。

需要が 12GW に急増した場合でも、バックグラウンドでより多くの発電所を建設しながら適切なメンテナンスを確保するために、供給を 8GW に維持する必要があります。 負荷軽減が政府歳入に波及し、ひいてはエスコムへの資金提供を考慮すると、メンテナンスの手抜きは滑りやすい坂になります。 政治的圧力に応えるためにこれを行うことは、政策の重大な誤りです。 最近では、この方針は「メンテナンスの優先順位付け」と呼ばれています。

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この混乱からどうやって抜け出すのでしょうか？

この問題を解決するには、植物を適切に修正する必要があります。 そうすることは、修復するために複数のユニットをオフラインにする必要があるため、当然、大幅な負荷軽減を意味します。 したがって、はるかに高いレベルの負荷遮断が現実になる可能性があります。 潜在的に数か月続くであろう現実。 しかし、その数か月が経過すれば、極端で予測不可能な負荷軽減は過去のものとなるでしょう。 実際、ロードシェディングは完全になくなる可能性があります。

たとえば、Eskom が今日、次のような通知を送信したとします。2023 年 9 月から 2023 年 12 月までステージ 10 のロードシェディングを実施します。 病院、警察署、学校は免除される。 彼らは2024年以降にロードシェディングを完全に根絶するためにこれを行っているが、平均的な南アフリカ人はこの計画に反乱を起こすだろうか？

ただし、これは綿密に計画する必要があります。 プラントのメンテナンスには大量の予備部品が必要ですが、そのほとんどは輸入品です。 長期的に負荷軽減に効果を発揮するには、プラントを完全にメンテナンスする必要があることが改めて強調されます。 政治家が自らのニーズに対応するように、経済も機能する必要があることを私たちは念頭に置いていますが、長期的な利益のためには短期的な痛みを伴うことが必要な対応であると考えています。 しかし問題は、バランスシートと政治的意欲があるかどうかだ。

これは次の質問につながります。

Eskom の CEO にはどのような人が適任ですか?

基本的な基準は 2 つあります。 個人は、1) 政治的圧力に耐え、管理できること、2) 実績のある実行者であることが必要です。 私たちが最も必要としないのは、負荷軽減を強化するというこの積極的な戦略の変更が実行され、2024 年になってもプラントはまだ修正されておらず、まったく同じ問題を抱えていることです。

エスコムのすべての発電所が同時に故障…本当に!?

停電の原因に関する最初の議論に戻りますが、もう 1 つの可能性はありますが、可能性は非常に低い原因は、すべての発電所が故障して発電能力がゼロになることです。 もしそんな事になったら絶対に許せない事です。 一体どうやってすべての植物が同時に枯れるのでしょうか？ リスクは明らかです。 解決策も同様に明白です。 プラントを修復して完全な崩壊を回避できるように、負荷制限をステージ 10 にエスカレートする必要がある場合は、そうしてください。 もし実際に直接的な妨害行為があったとしたら、なぜこれに対処するのがこれほど難しいのでしょうか? 新型コロナウイルス感染症の流行中、南アフリカ政府は国民にとって非常に不都合な措置を指示することを意図しており、これらの変更の一部を遵守しなかったために命を落とす人々さえ見られました。 しかし、同じ政府が経済全体を破壊する少数の犯罪者に対処することはできません。 別の言い方をすれば、このリスクは管理するのが明らかに簡単です。

全体として、全国的な停電のシナリオは非常に不可解だと考えています。 これは、エスコム社のこれまでに見たことのない無能さによって、すべてのプラントの同時故障と SAPP からの輸入の損失が何らかの形で調整されている、非常に特殊な状況です。 このシナリオの下では、南アフリカの大部分は数十年とは言わないまでも、何年も停電することになるだろう。なぜなら、現在発電所を維持できない国家は、国の資源が極度に悪化した状態にあるときに発電所を効果的に置き換えるのに明らかに苦労するからである。

最後に、Karpowership についての私たちの見解は何ですか?

20年間で2,000億ランドのコストで1.2GWを調達するというコンセプトは、年間100億ランドの金利、または20年ランドの債券利回りを使用した場合約720億ランドの現在価値を意味し、4.8GWのメデュピを考慮すると非常に非論理的であることがわかります。費用は推定800億ランドと報告されている。 新しい容量の設置と運用に時間がかかるのはありがたいことですが、この価格差はよく言っても非常に疑問です。 ケラとして、私たちは、平均的な南アフリカ人が、国として 2,000 億ランドを節約するには、毎日数分間余分に負荷を軽減するのが安い代償であることに同意するだろうと確信しています。

同じ資金を適切なメンテナンスの実施と新たな恒久的な発電容量の構築に使用してはいかがでしょうか。 Karpowership は、太陽光発電システムを購入するよりも高いコストで家の発電機をリースするようなものであるため、これは国にとって限りなく良いことになります。

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ナレーション：アレック・ホッグ