米国には電力網の拡張と近代化に向けた複数の計画がある。太陽光・風力発電所の追加建設、石炭火力・天然ガス火力発電所の新設、人工知能（AI）の処理を行うデータセンターへの電力供給などである。

こうした取り組みはいずれも、基本設計が19世紀後半にさかのぼる設備──大型電力変圧器──に依存している。この単一の設備カテゴリーがなぜ隘路となったのかを理解することは、現在これらの計画を遅らせている長い納期とコスト上昇を説明する鍵となる。

これらの巨大な金属構造物は、2階建て住宅ほどの大きさで、重量は最大400トン、積載重量時のボーイング747にほぼ相当する。長距離送電に用いられる高電圧を、家庭や事業所で利用可能な低電圧に変換する。約150年前に発明された設備でありながら、大型電力変圧器は今でもほぼ同じ基本的な方法で製造されている。

米国および世界各地で稼働する変圧器の多くは、想定使用寿命を超えて老朽化している。同時に、世界の需要を満たすだけの代替品は存在しない。発注から納品までには3年以上かかることがある。

変圧器は電力を効率的に運ぶ

大型電力変圧器は、電力の長距離輸送に不可欠である。石炭火力・ガス火力発電所、水力発電ダム、太陽光・風力発電所といった発電施設は、多くの場合、発電した電力を利用する顧客から離れた場所に位置している。

送電線を通じて電力を送ると熱が発生する。長距離では、この熱によって目的地に届くエネルギー量が大幅に減少する。そのため電力会社は大型変圧器を使って電圧を上げ、送電損失を抑えている。この仕組みは、貨物を大型トラックに積み、州間高速道路で輸送するのに例えられる。大型トラックは、小さな道路を走る小型車よりも効率的に多くのエネルギーを運べる。

しかし、高電圧の電力は家庭や事業所でそのまま使用することはできない。まさに高速道路を走る半トレーラーが住宅の私道に直接入ってはいけないのと同じである。電力が顧客の近くまで届くと、別の大型変圧器が電圧を使用可能な水準まで下げる。その後、低電圧の配電線が残りの距離を担い、電力を家庭や事業所へ届ける。

2019年から2025年にかけて、発電所と送電網を結ぶ発電所用昇圧変圧器の需要はほぼ3倍になった。同じ期間に、低電圧側の「ランプオフ」役を果たす変圧器の需要は2倍以上に増加し、コストは80%上昇した。実際のところ、電力網拡張計画の中心にある発電所──原子力、化石燃料、太陽光、風力のすべて──が、同じ限られた特注設備の供給に依存しているのである。

これらの設備は完全自動化された組立ラインで大量生産されているものではない。それぞれ設置先の要件に合わせて個別に設計される。特殊な変圧器が激烈な嵐や熱波で故障した場合、倉庫に代替品が待機しているとは限らない。

特殊材料が生産を制約

変圧器の遅延の大きな原因は、使用される材料にある。重要な構成要素の一つが「方向性電磁鋼板」と呼ばれる特殊な鋼材で、普通の鋼とはまったく異なるものである。

メーカーは精密な熱処理・機械処理を用いて、鋼の磁性結晶を一方向に整列させる。この結晶配列により、磁場がエネルギー損失を比較的少なく材料中を通過できるようになり、大量の電力を扱ううえで重要な特性となる。この材料を製造できる特殊鋼メーカーは世界でもごくわずかで、そのうち米国内にあるのはわずか1工場である。その結果、米国の変圧器生産は、製品の核心である材料について国内単一の工場に依存している。

銅もまた供給不足である。銅は線材に加工され、通常鋼で作られる変圧器の鉄心に巻き付けられ、必要な電圧調整を実現する。

代替策が新たな隘路を生む

変圧器不足のため、電力会社や発電事業者は、新しい発電所を送電網に接続するための設備を入手するのに2年以上待つことがある。この遅延は、原子力、化石燃料、太陽光、風力のいずれの発電所にも当てはまる。

この遅延を回避するため、AIシステム用データセンターを運営する企業は、送電網を経由せず、敷地内に専用の天然ガス発電所を設置する道を模索してきた。

しかしこの回避策が、別のサプライチェーン問題を引き起こした。ガスタービンは華氏2,000度（摂氏1,100度）を超える温度で燃焼し、普通の鋼を溶かすほどの熱である。タービンブレードは、極めて特殊な金属の組み合わせを用いた複雑な工程で製造され、セラミックの遮熱コーティングが施されている。

テック企業がより多く、より大規模な発注を行うにつれ、ガスタービンの発注から納品までの期間は3年から7年にまで伸びている。2027年のタービン価格は、需要増加と特殊材料の希少性が続くことにより、2019年水準のほぼ3倍になると予想されている。この納期は、敷地内発電所が回避しようとした送電網接続の待ち時間より長い。

考えられる対応策

19世紀に築かれたサプライチェーンは、21世紀の経済に安定的に電力を供給するのに苦戦している。大型電力変圧器は、既存の送電網のアップグレードや、大規模な嵐や長時間停電への脆弱性の低減にも不可欠である。

解決策は具体的だが複雑である。米国サイバーセキュリティ・インフラセキュリティ庁（CISA）は、各設備を個別に製造するのではなく、変圧器の設計を標準化することを勧告している。標準化により、メーカーは組立ライン型の工程でより迅速により多くの台数を生産できるようになる可能性がある。また、電力会社間で緊急用の予備変圧器を共有しやすくなる。同庁の報告書はCISAで閲覧できる。

米エネルギー省は、「送電網増強技術」と総称される技術の導入を勧告している。これには、長距離送電線を流れることができる電力量をリアルタイムで測定するセンサーや、発電所から顧客へ電力を配分する代替経路を特定し顧客が利用可能な電力を最大化する高度なソフトウェアが含まれる。同省によれば、こうしたシステムにより、導入しない場合に比べて15%〜20%多くの電力を送電でき、新しい変圧器の納入を待つ間の隘路を緩和できるという。同省の情報はDOEで閲覧できる。

より長期的には、米国は方向性電磁鋼板の増産、銅の加工量増加、大型電力変圧器の国内製造能力拡大を進めることができる。設計の標準化が採用されるか、送電網増強技術が既存の送電線に導入されるか、新たな国内能力が構築されるかが、この設備の待ち時間の長さを左右するだろう。

電力網を適応させ、改善し、拡張し、近代化しようとするあらゆる取り組みが、この設備に依存している。大型電力変圧器がなければ、これらの取り組みは大きな制約に直面する。したがって、政策担当者や業界指導者は選択を迫られている。ハードウェア不足に取り組むか、それに伴う送電網の混雑、プロジェクトの遅延、コスト上昇を受け入れるかである。

変圧器のボトルネックを解消することは、これらの制約を、既定の結果から、意図的な意思決定によって対処可能な問題へと転換するだろう。

ジャスミン・ガーランド（Jasmine Garland）はコロラド大学ボルダー校土木・環境・建築工学専攻の大学院研究員（Chancellors Postdoctoral Fellow）である。

本記事は、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversationから転載したものである。原文はThe Conversationで閲覧できる。

本記事は originally Fortune.comで掲載された。