変圧器不足が送電網をどのように脅かすか

バージニア州ロアノーク — 鉄道の有蓋車ほどの大きさの高圧送電網変圧器がここの工場の荷積みドックに設置されており、国の送電網の不可欠な部分として送電線に電力を供給する準備ができています。

バージニア変圧器社は今年これらの変圧器を 550 台出荷する予定で、来年はここの工場と他の北米 3 つの施設で 665 台を生産する予定です。しかし、同社は米国で国内最大の変圧器を製造できるわずか8社のうちの1社であり、新型コロナウイルス感染症のパンデミックの影響で納入が予定より大幅に遅れている。

実際、米国では、都市部のポールトップの小型ユニットからバージニア変圧器の巨大ユニットに至るまで、さまざまな変圧器が不足しています。その理由は機器によって異なります。これは、電力会社が、国のネットゼロ目標を達成するのに十分な量の新たな風力発電と太陽光発電を追加し、嵐により枯渇した変圧器の備蓄が損傷したときに照明を点灯し続けるのに苦労する可能性があることを意味します。

水曜日、公共電力会社と共同事業会社はジェニファー・グランホルム・エネルギー長官に書簡を送り、危機を強調し、新しい気候変動対策法による資金を米国の小型変圧器の生産拡大に活用するようエネルギー省に要請した。配電用変圧器の注文は現在、到着までに平均1年以上かかっているという。

「今日行動しなければ、明日の嵐から立ち直れなくなる危険がある」と米国公共電力協会と全米地方電力協同組合協会の指導者らは書いている。「長期的には、バイデン政権が描く電化目標を達成できなくなる可能性がある。その間、配電変圧器の受注残は増え続けている。」

DOEは水曜日にコメントの要請に応じなかった。

この問題は長年にわたって拡大しており、トランプ、バイデン両政権下で連邦当局が警鐘を鳴らしている。 2020年の商務省の報告書は米国の輸入依存を懸念しており、今年のDOEの報告書はゼロカーボングリッドを構築するための変圧器の必要性を強調した。

DOEの報告書は、国内の送電網を新たな風力発電、太陽光発電、EVの充電で満たすには、新しい変圧器の供給を劇的に増やす必要があると結論づけている。 DOEと商務省はまた、たとえクリーンエネルギーへの移行というさらなる圧力がなくても、変圧器の供給は国家安全保障の問題であると警告した。

現在米国で稼働しているほとんどの変圧器は、設計上の寿命に近づいているか、寿命を過ぎています。極度の嵐が送電網インフラをさらに激しく襲い、変圧器の予備が枯渇している。そして、新型コロナウイルスのパンデミックにより部品の供給ラインが混乱し、場合によっては納期が2倍になった（Energywire、8月22日）。

マルチステートネットワーク上で連携するように同期された大型変圧器は、化石燃料発電所や太陽光発電所、風力発電所からの最大 765 キロボルト、つまり 750,000 ボルトの出力を処理します。送電線の終点では、家庭に安全に届けるための 240 ボルトの基準に達するまで、変圧器が電力出力を下げます。

DOEの報告書に引用されたGlobal Market Insightsの分析によると、北米の電力会社は2020年に1,300台の変圧器を購入した。 2027 年の推定需要はその 2 倍以上となるでしょう。

DOEの報告によると、400万ドルの大型変圧器の需要は2019年の700台から2027年には900台に増加すると予想されている。

ほぼ2世紀前、英国の科学者マイケル・ファラデーは、鉄の棒の周りに絶縁ワイヤのループを巻き、最初の絶縁ワイヤの上に2番目の絶縁ワイヤを巻き付けることによって、変圧器のユニークな機能を実証しました。

その基本的な技術は、今日でも変圧器の動作原理として残っています。

最初のワイヤを介して送られる交流 (AC) は、電磁力のおかげで 2 番目のワイヤに電流を流し始めます。 2 番目のワイヤの電圧は、最初のワイヤの巻き付けよりも多くの回数鉄棒に巻き付けると増加します。ラッピングを 2 倍にすると電圧が 2 倍になります。

ピッツバーグの実業家ウィリアム・スタンレーは、これを「困難な問題に対する完全かつシンプルな解決策」と呼び、ファラデーの発見から半世紀後にこれを使って最初の商用変圧器を製造しました。

しかし、バージニア変圧器工場の最近のツアーで明らかなように、シンプルな解決策には、熟練した骨の折れる職人による厳しい精度が必要です。

他の変圧器工場と同様に、ロアノーク工場には、積層鋼の変圧器コアを製造するためのコンピューター制御の切断機など、高価で高度な設備が保管されています。

しかし、馬車の時代にスタンレーの変圧器が製造されてから 136 年が経った今でも、生産は依然として人に頼っています。組立業者は、変圧器の役割を果たす絶縁銅線の長いコイルを巻き付けて固定する際に、細心の注意を払う必要があります。

アラバマ州商務省労働力プログラム担当副長官エド・カスティール氏は、「肉体労働は多いが、繊細さは芸術に近い」と語る。彼の部門は、アラバマ州モンゴメリーにあるヒュンダイ変圧器工場を緊密にサポートしています。

ロアノーク工場では最近の日、組立業者らがワイヤの間にスペーサーを手作業で設置し、釣り人がルアーを取り付けるように、ワイヤの一部をナイロン紐で慎重に結んでいた。

「設計は非常に専門的です」と、前職でドミニオン・バージニア・パワー用変圧器を調達したバージニア工科大学非常勤教授のデビッド・ループ氏は言う。

ループ氏は、変圧器の配線は、障害が発生した場合でも所定の位置に留まるように十分に安全でなければならないと述べた。たとえば、木が送電線にぶつかると、電力の流れが中断され、巻線に極度の磁力が発生します。位置がずれると、破壊的な過熱を防ぐ冷却オイルの流れが妨げられる可能性があります。

したがって、配線には専門家のエンジニアリング設計と、厳密な仕様に合わせて構築できる組立業者が必要です。その結果、ループ氏は「まさに職人技だ」と語った。

国立再生可能エネルギー研究所の最近の報告書によると、2035年までにゼロカーボングリッドというバイデン政権の目標を達成するには、米国の発電能力が2020年のレベルと比較して3倍に増加する必要がある。全国の送電線容量は 2 倍か 3 倍にする必要があります。

その導入には、より多くの変圧器を導入する必要があり、そのためには、部門の現在の従業員約 15,000 人の 3 倍にする必要があります。

しかし、米国のメーカーはそれが大きな課題だと主張する。企業は、2020年の報告書に引用されている商務省の調査への回答の中で問題を明らかにした：高校では学生に必要な溶接、コイル巻線、変圧器試験の訓練をしておらず、パワーエレクトロニクスや電気設計のエンジニア向けプログラムを提供している大学はほとんどないそして品質保証。

バージニア州やアラバマ州などは州が支援する研修プログラムで格差を縮めようとしているほか、製造業組合が見習い制度を提供している。アラバマ州カスティーリャ商務省は、求職者が変圧器での作業をシミュレーションできる仮想現実ソフトウェアの開発会社と提携した。

しかし、エネルギー部門全体で製造施設に人員を補充するのは困難だ。

バージニア・トランスフォーマーは来月、ロアノークから数十マイル北にあるトラウトビルに新しい生産ラインを開設し、電気自動車用の大容量充電ステーションを製造する予定だ。運営マネージャーのバリー・リンク氏は、この夏、新しい事業のために従業員を採用するために奮闘したことを語った。

リンクと彼のチームは、トラウトビル周辺のヤードやファミリーダラーの店舗、ガソリンスタンド、コンビニエンスストアの掲示板に看板を貼り、3年以内に年収6万ドルに到達するチャンスを宣伝した。同社は、軽食を積んだバンで郡内の数カ所の集会所に新入社員を毎日迎えに行くと約束した。

同氏は、18歳から71歳までの20人の新入社員を入社させたが、これは来月最初のシフトを開くのに十分な人数だという。

変圧器製造については、十分な雇用を確保するために政府に賃金引き上げを求める声もある。米国公共電力協会と全国地方電力協同組合協会の会長らは、グランホルム氏への水曜書簡の中で、DOEに2億2000万ドルの賃金補助金プログラムを設立するよう要請した。そうすれば「製造業者はより多くの労働者を引きつけて維持することができ、24時間365日の操業に移行できるようになる」とAPPA会長のジョイ・ディットー氏とNRECA会長ジム・マシソン氏は書いている。

彼らはまた、エネルギー省に対し、インフレ抑制法からの資金を利用して、より大規模な変圧器労働力の訓練を支援するよう求めた。

現時点でも、カスティーリャ氏は、新入社員に対する最良のトレーニングは、今でも仕事をしている人たちから得られるものであると述べた。ロアノーク工場では、品質監督者のレザー・エスマイリ氏もこれに同意した。新入社員は 3 か月間、組立てに導入されます。「その後も、学び、学び、学ぶのです」と彼は言いました。

バージニア・トランスフォーマーは、労働力に課題があるにもかかわらず、アイダホ州ポカテロに所有する工場での生産量を増やしている。ジョージア州リンコン。そしてメキシコのチワワ。日立エナジーは今月、再生可能エネルギーサイト、クラウドコンピューティング、ビットコインマイニング、データセンター運営からの電力需要に対応するため、バージニア州サウスボストンにある変電所工場を拡張するために3,700万ドルを投じると発表した。

しかし、2020年のコマース報告書によると、当時の米国の変圧器メーカーは人件費が高いこともあり、価格で世界のメーカーと競争できなかった。

「問題はコストだ」とバージニア・トランスフォーマー社のオーナー兼最高経営責任者兼最高技術責任者のプラバート・ジェイン氏は語る。材料や労働力の面で「世界と競争できなければならない」。

今年のエネルギー省の報告書によると、バージニア変圧器やその他の米国に本拠を置くメーカーは、変圧器の年間需要の20％未満を供給している。近年、中国、インド、台湾、韓国は変圧器をはるかに安価に製造しています。 2020年のコマースレポートによると、カナダ、メキシコ、ヨーロッパにもコスト面での優位性がある。

2つの業界団体はDOEに対し、より大規模な変圧器労働力の採用と訓練を支援するためにインフレ抑制法の資金を活用するよう求めた。

「敷物を引っ張られないようにするためには政府の支援が必要だ」とジェインさんは語った。「それが挑戦になるだろう。」