オフグリッドはどのように実装されたのか――自律・分散・非同期エネルギーシステムの構成原理

Ⅰ．設計思想を、実際に動く構造へ

第1回で定義した「自在」、第2回で整理した制御構造を、ここでは実際に動くエネルギーシステムへ落とし込みます。
どの制約を設計条件として受け入れ、どこに自律性を持たせるか。その選択の積み重ねが、実装の形を決めていきます。

第1回では、オフグリッドをエネルギーの制御点を自分の意思が届く場所へ置く「自在」な設計として整理しました。
第2回では、マイクログリッド／スマートグリッド／オフグリッドを制御構造として比較し、協調・観測・局所自律をどの単位で組み合わせるかを整理しました。

本稿では、その設計原理が技術的制約を一つずつ設計条件へ変えながら、どのような構成として実装されたのかを整理します。
実装とは、部品を並べること以上に、現実の環境条件から「何を自律させ、何を分散し、どこまで非同期で動かすか」を決める設計行為です。

Ⅱ．技術の可能性が開き始めた時代から始める

パーソナルエナジーの原型となるオフグリッドシステムの検証を開始したのは2008年頃でした。
技術の選択肢が大きく広がり始めた時代であり、設計条件を自分たちで定義できる余地がありました。

たとえば、リチウムイオンバッテリーについては、

• 大容量化
• 大量生産
• 産業用途としての長期信頼性

といった条件は、実運用の世界ではこれから確立していく段階でした。
だからこそ「24時間365日、10年単位で動かす主体電源」を実現するには、性能値だけでなく寿命、交換、保守、制御まで一体で考える必要がありました。

同様に、大電流や高電圧をミリ秒単位で計測・制御する技術も、実装の自由度が大きく広がる直前でした。 太陽電池も、いわゆるメガソーラーが市場に現れる直前です。新しい技術が次々に実用域へ入る時代に、どの要素を組み合わせれば長期運用が成立するかを現場で確かめられる環境が整い始めていました。

そこで私たちは、部品単体の性能よりも、エネルギーシステム全体を一つの構造として長期運用できるかを先に置きました。
10年単位の運用を設計目標に置くと、必要な機能、制御の粒度、保守の考え方が一つずつ具体化していきます。

Ⅲ．制約を、設計条件へ変える

本システムでは、最初に現実に運用を成立させるための制約条件を置きました。
制約を先に明らかにすると、必要な機能の輪郭がはっきりし、設計は具体的な形へ収束していきます。

明示された制約条件は、次のとおりです。

• 系統状態に左右されず、局所で動作を継続できること
• ローカル制御で状態遷移を完結できること
• 無人でも継続運用できること
• 平時から非常時まで同じ構造で連続運用できること
• 24時間365日、10年単位の運用に耐えられること

これらは、現実に24時間365日、10年単位で動かすための設計条件です。
条件を一つずつ満たしていくことで、自律・分散・非同期という理念が、実装可能なアーキテクチャとして形になっていきました。

Ⅳ．自律分散システムとしての定義

自律分散システムには複数の定義がありますが、本稿では次の表現がもっとも簡潔だと考えています。

「システムを構成する各要素が個々に自律性を保ちながら行動し、相互に協調することで、システム全体として秩序を生成する構造」

この概念は1970年代後半から提唱され、1980年代以降、鉄道・鉄鋼・産業制御分野において実システムとして適用されてきました。
つまり自律分散システムは、当初からSystem of Systemsとして設計された先行事例を持つ、成熟した概念です。

これを電力エネルギーインフラに適用する場合、少なくとも次の3点が不可欠な実装要件になります。

• 主電源（Primary Power）を何によって得るのか
• 内外部から独立した自律動作とフェイルセーフが成立するか
• 24時間365日、10年単位の連続運用に耐えられるか

本システムは、これらの要件をすべて満たすことを前提に設計されています。
ここから、具体的な構成要素と制御方式が決まっていきました。

Ⅴ．システム全体構成

システム全体の構成は、次の抽象レベルで整理されています。

1. 主体電源（Primary Power Source）
2. 蓄電要素（Energy Buffer）
3. 負荷側制御（Load Priority / Load Control）
4. 制御系（Local Autonomous Control）

各要素にローカルな判断機能を持たせ、必要な情報だけを相互にやり取りします。
一つの大きな制御点に集める代わりに、自律する単位を積み上げることで、全体としてしなやかに動ける構造になります。

オフグリッド、自律分散、非同期をエネルギー分野で実装するうえで、この構造はかつて 「オフコンからパーソナルコンピュータへ」と移行した情報処理の歴史とよく似ています。
こうした発想から、開発コードは「パーソナルエナジー」と名付けられました。
一台一台が自分の役割を持ちながらつながる、パーソナルコンピュータのようなエネルギーシステムをめざしたことになります。

Ⅵ．主体電源と負荷制御の考え方

主電源には、地球上のどこでも入手可能で、地政学的リスクの影響を受けにくい太陽電池を選択しました。
天候や季節による不安定性は、設計段階から織り込み済みであり、スマートメーターによって全国規模で取得してきた発電量の一次データが活用されています。

この不均衡を均す要素として、バッテリーをエネルギーバッファとして配置し、 化学特性に応じて High / Middle / Low の階層構成を採用しました。 いわば「時間軸の違うバッファ」を組み合わせることで、日変動から季節変動までを吸収する構造です。

負荷制御には、「足るを知る」制御を実装しています。
現時点の状態を正確に把握し、その瞬間に使えるエネルギーの範囲へ負荷を収束させる。予測と実測を使い分けながら、いま持っているエネルギーを最も有効に使う制御です。

負荷側のプロトコル差異はオフグリッド側で吸収します。
これにより、接続する機器が増えても、オフグリッド側の共通ルールでエネルギーを扱える構造を保てます。

Ⅶ．制御思想：自律・分散・非同期

本システムにおける制御思想は、次の3点に集約されます。

自律

状態遷移をシステム内部の条件で完結させ、許された範囲で自ら判断して動くことを意味します。
人が常時介在しなくても、各単位が自分の状態を見て次の動作を選べます。

分散

各要素が独立した判断軸を持ち、障害を局所に閉じ込められる単位として動くことを意味します。
一部が停止しても、残る単位が自分の役割を継続できるため、全体の機能を段階的に維持できます。

非同期

各単位が自分の時間軸で状態を判断し、許容範囲内で動くことを意味します。
局所の判断を積み重ねることで、全体として安定し、変化にも追従できる構造になります。

自律・分散・非同期は、制御理論および分散システム論に基づく設計原理です。
オフグリッドは、この原理をエネルギーへ適用し、各拠点が自分で判断できる自由度を持たせた構造です。

Ⅷ．長期運用に耐える理由

本構成が長期運用に耐える理由は、実は非常に単純です。

• 制御ロジックが単純であること
• 外部変数が少ないこと
• 障害が局所化する構造になっていること
• 保守点検の対象が限定されること

本システムは、無人を前提に10年単位で連続運用できることを設計目標にしています。
2011年のパーソナルエナジー運用開始から2026年まで15年が経過し、長期運用を前提とする考え方は各地の実装と保守の経験へつながっています。

部品交換や点検も、構造として想定したメンテナンスサイクルの中へ組み込みます。
保守まで設計に含めることで、制御ロジックとハードウェアを必要十分な構成に保ち、長く使い続けられる状態をつくります。

Ⅸ．スマートメーター／スマートグリッドとの関係

本システムにおいて、スマートメーターとスマートグリッドは次のように位置づけられます。

• スマートメーター：観測装置（Observation Layer）
• スマートグリッド：補助的制御概念（Auxiliary Control Concept）
• オフグリッド：基盤構造（Foundational Architecture）

当社は2010年から2015年にかけてスマートメーターを自社開発・展開し、その過程で取得した一次データは、
その過程で、需要・発電・電源品質を時間軸で追える大規模な一次データが蓄積されました。

2018年以降の機械学習技術と計算資源の進展により、これらのデータはオフグリッドシステムの最適設計を支える資産として活用しやすくなりました。
観測で状態を知り、局所制御で行動へ変える。この循環を持てることが、オフグリッド設計の強みです。

Ⅹ．製品としてのパーソナルエナジー

2011年に発売された BMS576 を起点として、本システムは段階的に進化してきました。
現行機種である「JIZAI」は、工場や物流拠点、さらには小規模な町全体をオフグリッド化することに成功しています。

可搬型UPSは、これらオフグリッドシステムの派生形・簡易実装です。
用途や規模に合わせて、自律・分散・非同期という設計原理を持ち運べる形へ変換した実装の一つです。

「JIZAI」や可搬型UPSには、共通して自律・分散・非同期という構造が流れています。
この構造を用途ごとに実装することで、「止まらない工場」「止まらない物流拠点」「止まらない町」という構想を、具体的な設備へ変えていけます。

Ⅺ．結論――すべてのエネルギー消費者が、生産者になる

オフグリッドは、制約条件から長期にわたり安定して動く構造を組み上げていく設計です。
条件を正確に置くほど、何を自律させ、何を分散し、どの時間軸で動かすかが明確になります。

その結果として、必要十分で長く使える構造が残ります。
その実装形の一つが、私たちが「パーソナルエナジー」と呼んでいる装置群です。

パーソナルエナジーは、「すべてのエネルギー消費者がエネルギー生産者になる」という主客転倒を実現する変換装置です。
集中型のインフラに「接続される側」だった私たちが、自らエネルギーを生み、制御し、分かち合う側へと移る――。
その構造変化を、私たちはオフグリッドという言葉で表現しています。