衛星ベースのグローバル太陽光ポテンシャル推定
(research.google)- エネルギー需要が急速に増加するなか、Googleは衛星画像ベースのMLによって、航空画像が不足しているGlobal South地域までSolar APIの建物屋根単位の太陽光評価範囲を拡大した
- 中核となる手法は、単一時点の衛星画像から**デジタル表層モデル（DSM）**と屋根分割マップを生成し、パネル配置と日陰解析に必要な屋根形状情報を推定することにある
- 今回の拡張により、23か国1億2,500万棟の建物にSolar APIデータが追加され、現在利用可能な衛星画像ベースの潜在カバレッジは世界全体で19億棟の建物まで拡大した
- モデルはRGBのみの入力でも安定した性能を示し、ステレオベースの入力DSMがない地域にも適用可能で、ChileとPhilippinesで見られた例外的な誤差はノイズを含む正解データの影響とみられる
- 入力ピクセル解像度、雲、遮蔽現象は依然として出力品質を制限しており、次の課題は障害物検出、屋根材検出、既存の太陽光パネル識別へと続く
Solar APIが狙う太陽光評価の障壁
- エネルギー需要は今後大きく増加すると予想されており、2035年には太陽光発電が世界で10.7k TWhを生産し、予想総需要のほぼ**28%**を占める見通しだ
- 住宅用太陽光は、需要増加に持続可能に対応できる中核的な手段の1つである
- Global Southの一部地域では、金融、技術、インフラへのアクセスが制限されており、太陽光導入の障壁が依然として残っている
- 建物単位の太陽光導入可能性評価では複数の変数を考慮する必要があり、住宅所有者と企業の双方にとって負担になりうる
- Google Maps Platform Solar APIは航空画像を活用して屋根ごとの重要情報を提供し、太陽光ポテンシャル評価とシステム設計を簡素化する
既存Solar APIのデータ基盤
- Solar APIは2023年にGoogle Maps PlatformのEnvironment APIsの一部として公開された
- 航空画像、気象、金融データを処理し、次の情報を提供する
- 2024年初頭には、処理パイプラインにML手法を適用し、米国、欧州、日本の数百万棟の追加建物に太陽光インサイトを提供した
- このデータは、企業がパーソナライズされた太陽光ポテンシャル情報、最適化されたパネル配置、リモート提案書や見積もり、データ駆動型インセンティブプログラムを作るために活用できる
衛星画像で広げたGlobal Southカバレッジ
- Global Southにおける太陽光データ需要に対応するため、Googleは衛星画像にML手法を適用した
- 衛星画像は航空画像より解像度が低く、いくつかの制約がある
- 正確な標高マップの不足
- 低い画像品質
- 斜めの観測角度によって生じる歪み
- その一方で、世界全体へカバレッジを拡大でき、米国や欧州のようにすでに詳細にマッピングされた地域でもデータをより頻繁に更新できる
- 実験データはSolar API Expanded Coverage Testing Programを通じて提供されており、一部の太陽光設置事業者はすでにこのデータ出力を利用している
- 今回の拡張により、23か国1億2,500万棟の建物にSolar APIデータが追加された
- 現在利用可能な衛星画像ベースの潜在カバレッジは、世界全体で19億棟の建物まで拡大している
- 衛星が新たな地域を継続的に撮影すれば、さらに多くの建物が追加される可能性がある
- 最新のカバレッジはSolar API coverage mapで確認できる
DSMと屋根分割を生成するMLパイプライン
- 太陽光データ生成パイプラインでは、パネル計算用の平面屋根セグメントを作るために高品質なDSMが必要となる
- 既存の衛星DSM生成方式には限界がある
- 高解像度で1m未満の衛星画像は撮影コストが高い
- 特定地域に対する撮影時点数が限られ、時間間隔が大きい場合がある
- 解像度が低いため、既存の屋根分割手法も衛星データでは精度が低くなる
- 新しいMLモデルは、単一時点の衛星画像から高品質なnadir、すなわち真上視点のDSMと平面屋根セグメントのインスタンスを生成する
- 手法の詳細は論文“Satellite Sunroof: High-res Digital Surface Models and Roof Segmentation for Global Solar Mapping”にまとめられており、NeurIPS 2024のClimate Change and AIワークショップで発表された
2段階のモデル構造
- モデルはbase modelとrefinement modelの2段階でDSMと屋根セグメントを生成する
- 第1段階のbase modelは、off-nadir衛星RGB画像と衛星観測角度を入力として用いる
- 利用可能な場合には、写真測量ベースの低品質な相対高度マップであるDSM-DTMも任意で含める
- 初期入力DSMはカバレッジが限定的で、詳細な屋根計算に必要な解像度も不足している
- U-NetスタイルのアーキテクチャとSwin Transformerエンコーダを使用する
- off-nadir視点から改善された高さマップと屋根セグメントインスタンスを生成する
- その後、幾何学ベースの再投影によって結果をnadir viewへ変換する
- 第2段階のrefinement modelは、再投影過程で生じた欠損やアーティファクトを補い、nadir RGB、DSM、セグメントインスタンスを改善する
- DSM推定にはL1損失とSobel gradient損失を使用し、屋根分割にはaffinity mask損失を用いる
評価結果と入力条件
- モデルは複数の指標で定量評価された
- DSM平均絶対誤差（MAE）
- 屋根勾配誤差
- 屋根セグメントインスタンスIOU
- DSMと勾配の結果は高品質な航空DSMと比較された
- 屋根セグメントラベルは2つの方法で確保された
- DSMラベルにgraph-cutを適用して算出
- 人手によるアノテーション
- 入力チャネルに応じて結果を2グループに分けた
- RGB-only: 世界全体カバレッジに該当
- RGB+DSM: ステレオベースの入力DSMがある限定地域に該当
- 低品質DSMを追加すると、建物DSM MAEで捉えられる日陰予測は改善された
- しかし、低品質DSMの追加は、太陽光ポテンシャル推定でより重要な屋根分割や勾配精度を大きく向上させるわけではなかった
- RGBのみの入力でも性能は高く、衛星RGB画像がある地域であればモデルを適用できる
- 国別の誤差変動は小さく、ChileとPhilippinesにおける例外はノイズを含む正解データに起因する
- 結果として、このモデルは多様な建築様式、建物規模、複雑な屋根構造を持つ地域に適応できる
可視化結果と残る制約
- 複数地域での予測可視化では、nadir RGB、nadir DSM、nadir屋根セグメントインスタンスをあわせて示している
- Ayodhya, India
- Kuala Lumpur, Malaysia
- Adelaide, Australia
- 平坦な屋根が多い地域では、DSMは障害物と屋根表面を高い精度で捉える
- 傾斜屋根の地域では、モデルはパネル配置に重要な屋根の棟線を効果的に予測する
- DSMは個々の樹木の詳細な形状を捉えられない場合があるが、樹木の高さ情報は隣接屋根への日陰影響解析に利用される
- 衛星ベースのモデル出力は、Solar APIで現在利用可能な高品質航空データと比較されており、年間太陽フラックス予測は衛星RGB画像の上に重ねて可視化される
- 出力品質には依然として制約がある
- 入力ピクセル解像度
- 雲
- 遮蔽アーティファクト
- Googleは研究とユーザーフィードバックを通じて精度改善を進めている
- 今後の研究には障害物検出、屋根材検出、既存の太陽光パネル識別が含まれる
1件のコメント
Hacker News のコメント
世界中の DSM の利用可能性を調べた立場からすると、Google の Solar API は最有力候補の一つです。
ほかの選択肢は政府による LiDAR 調査ですが、カバレッジ、ファイル形式、座標系などがどれもばらばらです。
地図コミュニティが、等高線や 3D 地形ビューに使われる地表標高タイルデータセットのように、世界規模の DSM 地図タイルデータセットを作ってくれるとよいと思います。
すでに誰かが取り組んでいるのかもしれませんが、記事に出てくる領域は DSM を生成できる潜在的な領域にすぎず、実際のデータがすでに存在する場所ではないので、その点は残念です。
この略語は非常に多くの意味で使われるので、一度くらいは正式名称を書いておくとよいと思います。
既存ツールを非常に印象的に改善しているのは確かですが、屋根の傾斜のような 高度な計算に今でも意味があるのかは疑問です。
数多くの個別屋根への太陽光設置は、許認可や設置が複雑で高価であり、運用効率が低く、修理・保険・アップグレード・電力網統合も難しいため、ほぼ最悪の方式だという結論になっているのではないかと思います。
分散型の重要インフラは気候レジリエンスを大きく高めるので、効率計算でこの点を見落としてはいけません。
一方で、一般により効率的な大規模太陽光発電施設は、電力網接続待ちや電力網容量不足といった問題に直面します。
もちろん分散型太陽光がエネルギーシステム全体の脱炭素化に向けた汎用的な解ではありませんが、意味のある役割はありますし、両方やらない理由もありません。
今日の昼ごろの時点で、全国電力網の発電量のほぼ 50% が屋根置き太陽光で、さらに約 10% がユーティリティ規模の太陽光でした。
電力会社が利用を積極的に妨害しさえしなければ、屋根置き太陽光は十分うまく機能します。
一例はこちらです: https://www.theguardian.com/environment/article/2024/sep/08/...
完璧は善の敵です。
ユーティリティ規模太陽光は安価な電力を供給しますが、消費者向けの屋根置き太陽光はそうではなく、今後もそうなる可能性は低いです。
屋根置き太陽光の価格はたいてい隠されています。屋根置き太陽光ほど多くの補助金を受けてきた電源はないからです。
直接補助金に加え、裕福な住宅所有者は電力網に売る電気を小売価格で補償されることが多く、屋根にパネルを載せる余裕のない人たちの電気料金が上がる、一種の逆ロビンフッド構造になっています。
statista.com のレポートでも、米国では住宅用屋根置き太陽光と原子力の補助金なし均等化発電原価が最も高く、補助金がなければ屋根置き太陽光は MWh あたり 117〜282 ドルかかるとしています: https://www.statista.com/statistics/493797/estimated-leveliz...
レポートは 1 年前の資料のようですが、パネル価格が下がっても人件費などはあまり下がっていないため、設置費が大きく減ったとは思えません。
本当にすばらしいです。
ここに地域の電気料金を入れて年間節約額の推定まで出せれば、住宅用太陽光を考えたことがなかった家主にとっても 会話のきっかけになりそうです。
記事に出てくる 画像処理はとても見事ですが、適用対象には疑問があります。
Google は約 10 年前からこのような太陽光ポテンシャル推定を行ってきたので、2010 年ごろから機能を開発してきたとすると、その間に太陽光パネルの費用は一桁倍の規模で下がりました。
そうなると、どこに太陽光を設置すべきかという答えは、すでに決まっているのではないでしょうか。今では答えは「どこでもイエス」だと思っていました。
市場参加者が簡単に得られる利益を逃しているのか、あるいは答えが単純に「どこでもイエス」ではないということです。
パネル費用は大きく下がりましたが、米国では 取り付け金具と設置費が依然としてかなり高いです。
屋根に太陽光パネルを載せることには懐疑的です。
面倒で、平地に設置するよりはるかに高くつくように見えます: https://en.wikipedia.org/wiki/Bhadla_Solar_Park
そこに余分に使うお金があれば、太陽光や蓄電池をもっと多く設置する助けになったはずです。
都市環境では多くの家の敷地が限られているため、屋根が唯一の設置場所かもしれません。
十分なスペースがあるなら、ほぼあらゆる観点で屋根は地面より悪い場所です。
ドイツはすでに長距離送電の問題が大きいです。
今では太陽光と蓄電池が非常に安くなっているので、独立性と実質的な自由が標準で付いてきます。
地上の価値あるスペースを使えなくしたいなら地上設置も可能でしょうが、そうした損失のない屋根を私は好みます。
高速道路沿いや賢い場所であれば、地上設置もよいです。
ただし、自分の家に投資するときに他人の太陽光を支援したいとは思いません。
サンフランシスコの一般的な屋根と一般的な電気料金の家を基準にした推定値
初期費用が2万ドル、20年間の節約額が4千ドルなら、年利回りは0.9%ということになる
遠慮しておく
実際の出力を容量の10%と見れば、1日14〜19kWh、年間5,000〜7,000kWhになる
サンフランシスコの現在の住宅用電気料金は1kWhあたり38.9セント[1]なので、年間2,000〜2,700ドルの節約、20年なら4万〜5万4千ドルになる
実際の節約額はピーク時間帯の消費量によって変わるだろうが、10倍も間違っているとは思えない
だから2万ドルは実質1万2千ドルになり、計算は少しましになる
それに、20年間の電気料金の上昇率も反映しているのか？電気が安くなるとは思えない
私が経験した米国北東部では、長期停電で数千ドル相当の食品が傷み、地下室の浸水で数万ドルの損失が出て、冬には氷点下になって配管が凍り、建物全体にさらに大きな被害が生じる
保険業界が地域エネルギー貯蔵の利点を理解するようになれば、最終的には地域エネルギー貯蔵装置のある家の保険料を引き下げることになるだろう
スイッチを入れても電気がつかないとき、生活にどんな影響が出るのかという大局を見ずに、純粋な財務計算だけをしているのを見ると笑ってしまう
高可用性ソフトウェアシステムも数多く設計してきたが、どんなシステムでも基礎となる出発点は常にエネルギーだった
社会の大半は、スイッチを入れればいつでも明かりがつくと仮定しているが、そうでないときになって初めて「集中型電力網」が実際には何なのかを理解し始める
カリフォルニアが2026年以降の新築住宅に太陽光と蓄電設備を義務化すると最近発表したように、電力網の分散化はすでに進んでいる
今は個人がエネルギー問題を見て見ぬふりできるが、問題が積み重なれば結局は全員が関わらざるを得なくなる
事前対応か事後対応かの違いで、本当に必要になる時点ではもう遅い
ただ、パネルの寿命がそのモデルを成り立たせるほど長いのかはよく分からない
関連記事: Global Solar Power Potential Map - https://news.ycombinator.com/item?id=40303570 - 2024年5月
今後の衛星の興味深い活用先は、近い将来、たとえば次の1時間の太陽光出力を正確に推定し、電力網の運用者が蓄電設備と需要を調整してバランスを取ることになるだろう
現在は、通過する雲に対して太陽光パネルがどこにあるのか分からないため、こうした予測はできない
それが無理なら、Google Mapsの画像をスクレイピングしてAIモデルを学習させればよい
すでにやっているところがなければ、むしろ驚く
各個人が太陽光パネルを持つ方式は、いくつもの問題を生む
電気料金のおよそ1/4〜1/3は配電コストだが、屋根上太陽光のせいで電力網から取る量が少なくなるほど、その比率はますます大きくなる
同時に電力会社は、利用者が電気をあまり使わないので収益が減り、配電に投資する資金も減る
そうなると運営を続けるには配電料金をさらに上げる必要がある
そこにNIMBY、許認可コスト、この国では特に理由もなく何も建てられない問題まで加わり、配電コストは全般的に膨らんでいる
皆が屋根上太陽光を持つ家庭では、実質的に電力網事業者には汚い電力やオフピーク時間帯の電力についてだけ料金を払うことになる
すると事業者は見かけ上悪者に見え、利用者は「少ししか電気を使っていないのに、なぜ電気料金がこんなに高いのか」と怒り、政治はクリーンな電力を使えと圧力をかける
しかし事業者は、利益上限、オフピーク時間帯の高価なクリーン電力の発電、半分の時間は遊んでいる高価な発電所、不足する現金の間に挟まれながら、24時間電力を供給しなければならない
住宅用太陽光は24時間すべてをカバーできないので、人々には24時間の電気が必要であり、多くの地域では電力網につながっていない家を売ることも違法だ
したがって消費者は、オフピーク時間帯の電気を使えるという選択肢に対して費用を払わなければならず、誰もが不満を持つことになる
利点は電力網のレジリエンスが高まる可能性があることだが、他の人たちが言うように、地域配電に大きな投資をしなければ実現できない
家から電力網へ、非常に動的かつきめ細かく電力を戻せる必要があり、これは電力網事業者にとって負担の重い大規模な資本投資だ
結局、あちこちに小さな太陽光パネルをばらまくと、設置・清掃・保守・交換を安くできず、極めて非効率だという事実から派生した問題である
砂漠の安い土地の一か所に多数のパネルを敷き、既存の配電網に送るほうが、1ワットあたりではるかに安い
いずれにせよ、全員がそのレジリエンスコストを電気料金として払うことになる
電力網の電気が「はるかに安くて」、設置する価値がないはずだから
したがって、その話が事実ではないか、電力会社が暴利をむさぼるのに忙しく、自分たちで皆から嫌われる不可能な立場を作り出したかのどちらかだ
今は高すぎるとしても、既知の解決策はあるのだろうか？
地域の電力会社が大型バッテリーバックアップとともに全面的に太陽光へ移行するのは理にかなうのか？それともバッテリーが高すぎる、あるいは寿命が短すぎてまだ実現不可能なのか？
風力+太陽光の組み合わせはどうだろう？両方が同時に止まる可能性は低い
風力と太陽光のコストは毎年急速に下がっており、バッテリー技術も同様だという記事を見た
都市が再生可能エネルギーで構成された、独自の信頼性ある電力網を持つのに十分なほどコストが下がるまで、あとどれくらいだろうか？
人々がより安価なエネルギーを得る助けになればいいと思う
些細な指摘だけをすると、「世界全体で 10.7k TWh」という表現は、昔「thousand kilometres」を「kkm」と略そうとしてやめた記憶を思い出させる
また Google への批判ではないが、その文言の IEA リンクを見ると、IEA が 2025〜2035年の太陽光普及をいまだに線形で予測しているように見えて怪しい
少なくとも10年にわたり、人々は歴史的には指数関数的に増えてきたと指摘し、なぜ指数関数が続くと仮定しないのかと問い続けてきたにもかかわらずだ
トレンドが続くなら、2035年の太陽光は IEA の数値のおよそ2倍程度を期待する
参考資料: https://www.economist.com/interactive/essay/2024/06/20/solar...
https://www.exponentialview.co/p/the-forecasters-gap
7年前の記事: https://xwpxpfefwalgifkr.quora.com/A-modest-proposal-to-the-...
見落としている曖昧さがあるのか？
現在は年 26% 成長で、毎年2ポイントずつ下がって来年は24%になると仮定すると、10年後の年間設置量は昨年の4.25倍になり、今後10年の累積設置量は線形推定の2.8倍になる
個人的には、そのくらいが合理的な概算に見える
ただし、電力網向け蓄電設備がどれだけ普及するかによって、設備利用率は大きく低下する可能性も、かなり安定して維持される可能性もあり、未知数だ
私たちはその規模の数字に頻繁に触れているわけではない
正しい解決策が何なのかはよく分からない
単位接頭語は良いアイデアではなかった
小数点を動かしたのか、それとも単に「Mm」に変えただけなのか？