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1 2016 年 2 月 27 日シンビオ社会研究会 15:00 16:10 電力システム改革と 再生可能エネルギー大量導入 に対する電力システムのスマート化 東京大学 新領域創成科学研究科先端エネルギー工学専攻横山明彦

2 内容 電力系統を取り巻く環境の変化 電力システムのスマート化とは スマートグリッドの技術開発 実証 PV 出力制御デマンドレスポンス蓄電池制御次世代需給計画 制御需要家側機器の制御風力予測技術 系統運用シミュレーション 実証 多端子自励式 HVDC 送電ネットワーク

3 2005 年第 4 次電力自由化 制度改革 余剰電力等を市場に投入 卸電力取引市場の創設 任意取引市場 ( 法律外事項 ) として創設 余剰電力等を市場に投入 卸電気事業者等 電力 A 電力会社 B 電力会社 A 電力会社管内ネットワーク B 電力会社管内ネットワーク ネットワークの公平性確保電力会社のネットワーク部門の情報遮断 内部相互補助禁止等を法的に担保 新規参入者 (PPS) 自由料金 ( 競争 ) 規制料金 中立機関の創設 ネットワーク運用の監視 ネットワークルールの整備 運用等 ( 電力会社 PPS 学識経験者等で構成 ) 自由化部門 規制部門 大 中工場デパート オフィスビル 中小ビル 家庭小規模工場コンビニ 3

4 電力システム改革の工程表 現在 年 2 月電力システム改革専門委員会報告書より

5 電力広域的運営推進機関と送配電事業者 発電事業者等との関係 この4 月 1 日より運営開始広域系統運用機関 ( 全国で1 箇所 ) 日本全体の需給計画 系統計画のとりまとめ ( 将来の需要想定に対する供給予備力の管理 必要な送電インフラの増強を指導 勧告 ) 需給及び系統の広域的な運用 ( 再エネ導入拡大等にも対応した連系線 基幹系統の潮流管理等 ) 需給ひっ迫緊急時の措置 系統アクセス業務 ( 配電系統を除く接続検討の受付 検討結果の事業者への通知等 ) 系統情報の公開 系統計画 系統アクセス 系統運用等に係るルール策定 ( 小売全面自由化後において ) 長期的供給力不足が見込まれる場合の供給力確保措置 ( 容量市場の運営 電源入札等 ) 連系線 基幹系統の補修等に伴う電源の停止計画の調整連系線の管理値の指示等 送電線の補修等に伴う電源の停止計画の調整 需給ひっ迫緊急時の電源焚き増し指示等 各地の発電事業者 小売事業者 供給力確保義務に対応した供給力の確保 ( 小売事業者 ) 電源の建設 運転 保守 顧客への電力供給 エリアの計画の提出等 電源計画の提出 自社需給の計画提出 供給力確保状況の提出等 電源への給電指令等 送配電事業者 ( 各エリア ) エリアの系統計画の立案 エリアの需給運用 - 需給バランス調整 周波数調整 - 電力 新電力 再エネ等電源への給電指令 エリアの送配電系統の運用 - 送配電系統の指令 系統の監視 - 設備の建設 運転操作 保守 事故時等の復旧対応 - 託送料金の算定 資源エネルギー庁第 1 回制度設計ワーキンググループ資料

6 小売り全面自由化に向けた準備状況 10 月 27 日 2 月 9 日電力基本政策小委員会資料より作成

7 再生可能エネルギー導入量の推移

8 太陽光発電の大量導入に向けた課題 1. 配電系統における電圧上昇 電力系統に電気が逆流 配電系統の電圧上昇 連系点電圧が適正値逸脱 配電用変電所 107V 95V 電流 太陽光配電用変電所からの距離 太陽光太陽光発電あり太陽光発電なし 2. 周波数調整力の不足 大量の太陽光発電が出力変動 需要と供給のハ ランスが崩れる 周波数が適正値を逸脱 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 時 6 時 12 時 18 時 晴れ晴れ 曇り雨 3. 余剰電力の発生 太陽光発電の大量導入 軽負荷期に発電量が需要を上回る 余剰電力が発生 8 ベース供給力 : 一定量の電気を安定的に供給する電源 ( 水力 + 火力最低出力 + 原子力 )

9 Smart Grid ( スマートグリッド ) 従来からの集中型電源と送電系統との一体運用に加え, 情報通信技術の活用により 太陽光発電等の分散型電源や需要家の情報を統合 活用して 高効率 高品質 高信頼度の電力供給システムの実現を目指すもの Electricity Market Nuclear Plant Hydro Plant Thermal Plant Transmission network Residential Area Buildings Power Flow New Demand & Supply Control Area by Dispatching Control Center Wind Power Plant House PV Power Plant Residential Area 需要家サイドも巻き込む グリッドマイクログリッドスマートグリッド 系統に迷惑をかけない 系統に積極的に貢献する スマートマイクログリッド

10 スマートコミュニティ 1 エネルギー供給の効率化デマンドレスポンス等によりピークカットやピークシフトを促すことで 火力発電の焚き増し等によらず需給バランスを調整 2 省エネルギー需給の状況に応じて 快適さを損ねないように 創エネ 蓄エネ 省エネ機器を制御 3 エネルギー供給の確保災害時等には 再生可能エネルギーやコジェネ等の分散型電源によって コミュニティ内でエネルギーを供給 1 エネルギー供給の効率化デマンドレスポンス等によりピーク時の節電等を促すことで 火力発電の焚き増し等によらず 需給を調整可能 出所 : 経済産業省次世代エネルギー 社会システム協議会第 16 回資料

11 需要家機器の統合制御 太陽光発電量にあわせて家庭内の負荷を制御 太陽光発電 制御 スマートメーター 系統の状況に合わせて太陽光発電量 ヒートポンプ負荷量 電気自動車の充電制御 ヒートポンプ給湯機 100% 100% 100% 90% 90% 90% 80% 80% 80% 電気自動車プラグインハイブリッド車 オール電化ハウス Power consumption Power consumption Power consumption Type (a) Type (b) Type (c)

12 太陽光発電の出力制御 特異日 土日など太陽光発電出力が余剰となる場合 出力抑制する 必要蓄電池容量削減効果 資源エネ庁 低炭素電力供給システム研究会系統安定化対策コスト負担検討小委員会 太陽光発電協会佐賀達男氏プレゼン資料

13 デマンドレスポンスの活用 デマンドレスポンス (DR: 需要反応 ) とは 〇高電力需要時に需要家が積極的に節電に取り組むようなメカニズムを導入することで 電力需給をバランスさせる考え方 〇価格機能によって 需要の見える化とピークに合わせた需要家による自発的な節電を可能にすることで より負担の少ない効率的なピークカット対策を実施することが可能 価格機能 電力需要の見える化 ( 節電方法 ) スメートメーター HEMS ( 需要家 ) 自発的な節電 ( 経済産業省資料をもとに作成 )

14 スマートメーターの導入 第 6 回制度設計ワーキンググループ事務局提出資料 ~ スマートメーター制度検討会における検討結果と今後の対応 ~ より

15 インセンティブ型 DR 実証事業 〇海外では ピークカットやピークシフトを目的とした料金連動型のDRだけでなく 予備力調達や周 波数調整といった系統運用に欠かせないアンシラリーサービスの分野にも適用 〇この事業では 次のような項目について調査 評価を実施 ピーク時供給力調達のためのDR 運転予備力調達のためのDR 周波数調整のためのDR 経済的な電力調達のためのDR 他 インセンティブ型デマンドレスポンスのイメージ デマンド監視装置 デマンド表示 出所 : 経済産業省ホームページ

16 再生可能エネルギー電源の送電による周波数調整 連系線に変動電力を流す

17 電力系統に連系される蓄電池 〇電力系統につながる蓄電池は 1 分散電源併設型蓄電池 2 系統用蓄電池 3 需要側蓄電池に大別される 分散電源併設型 経済産業省 蓄電池システム産業戦略研究会報告書 をもとに作成

18 新エネルギー導入促進協議会大型蓄電システム緊急実証事業 事業者設置場所実証設備事業期間検証項目 東北電力 西仙台変電所 ( 仙台市太白区秋保町 ) リチウムイオン電池 20,000kWh 平成 25 年度 ~ 平成 29 年度 蓄電池システムと火力発電機を組み合わせた周波数制御ロジック 実機による周波数調整力拡大の効果 影響 再生可能エネルギー導入拡大への効果 蓄電池の充電レベル 充放電ロス 寿命等 北海道電力住友電気工業 南早来 ( みなみはやきた ) 変電所 ( 北海道勇払郡安平町 ) レドックスフロー電池 60,000kWh 平成 25 年度 ~ 平成 29 年度 蓄電池を周波数調整用電源とみなした周波数変動抑制制御手法の開発 蓄電池による余剰電力 ( 下げ代 ) 対策運転手法の開発 レドックスフロー電池の性能評価等 西仙台変電所蓄電池完成図東北電力 HP より 南早来変電所蓄電池完成イメージ図北海道電力 HP より

19 次世代送配電系統最適制御技術実証事業系統全体での需給計画 制御技術の開発 PV 予測を考慮した最適需給計画 制御手法の開発 ( 燃料費最小化 ) スマートインターフェースへの PV 抑制信号の作成 シミュレータで太陽光発電の導入量の影響や各種余剰電力対策を評価 需要予測 PV 出力予測 需要予測 需要予測 運用計画 PV 出力抑制需要シフト 運用計画 需給制御 運転計画 発電指令 需要 気象 日射量データ SIF 指令 需給制御 発電指令 全体統括 電力系統 電力系統 電気 電気 需要家 ( 負荷 ) PV 需要家 ( 負荷 ) 蓄電池 ( 新 ) 機能 開発した需給制御手法

20 揚水発電 蓄電池の最適需給運用計画 制御 大量の再生可能エネルギー電源導入の中で 系統を最適に運用することが必要 ( 揚水発電 蓄電池の最適運用 ) そのなかで 家庭のPVの抑制制御などを最適に行うことも求められる 料金にも関わる ( 経済運用 )

21 次世代送配電系統最適制御技術実証事業系統状況に応じた需要側機器の制御技術の開発 スマートインタフェースの機能としては次を想定 余剰電力発生予測日時の情報受信 ( 携帯 FM 多重放送などを利用 ) および PV 発電抑制制御 家庭内機器 ( ヒートポンプ給湯機 EV 等 ) による需要創出制御 (PV 抑制量を減らすよう動作 ) さらに その他の場合における系統との協調動作 通信は需要家が膨大であるという量的問題を考慮し 現実的機能を検証 系統から需要側個別機器の制御は行わない 通信仕様は世界標準に準拠 電力系統需要予測,PV 発電予測 PV 発電抑制スケジュール作成 給電所 変電所供給上位系統 スケジュールの送信 配電用 携帯 FM 多重放送など PV 抑制時の動作 スマートインターフェース PV 発電量抑制制御信号送信 需要家 家庭内機器需要創出信号送信 PV 負荷 負荷 需要PV 抑制 PV 抑制 + 電化機器シフト 検証 PV 負荷 需要シフト + 蓄電池出力 需要シフト 系統との協調による多様な動作 需要 蓄電池出力 発電 < 需要 PV 抑制発電 発電 = 需要需要創出 PV 抑制 + 需要創出 発電 > 需要 21

22 PV 出力制御のイメージ 太陽光パネル ( 屋上 ) PCS, 制御指令機器 ( 地下 1 階実験室 ) HP 式給湯器 ( 地下 1 階ドライエリア ) 東京大学柏キャンパスの実証設備 電気自動車 (EV) (1 階東側 ) 緩和後の抑制制限値 緩和後の抑制量 抑制制限値定格の 70% HP 運転による抑制量緩和 抑制なしの PV 出力 2.5 電力 EV 充電 EV 充電による抑制量緩和 HP 運転 :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 時刻

23 北海道と東北の風力発電とメガ PV に対する流通設備の増強 拡張計画 23

24 多端子自励式 HVDC 送電ネットワーク WT << AREA Ⅲ 多端子自励式 HVDC 送電システムの例 << AREA Ⅱ >> Multi-terminal HVDC Transmission Systems AREA Ⅰ NEDO 次世代洋上直流送電システム開発事業 (2015 年 ~2019 年 )

25 おわりに スマート化の地に足のついた推進 ( 技術開発 実証 サイバーセキュリティ 費用負担問題等 ) 2050 年の電力システムのグランドデザイン 供給信頼性 安定性 経済性

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電力レジリエンス ワーキンググループの目的及び概要設置の経緯 目的 座長大山力 〇委員市村拓斗大橋弘小野透 金子祥三熊田亜紀子崎田裕子首藤由紀曽我美紀子松村敏弘山田真澄 平成 30 年北海道胆振東部地震を始めとした一連の災害によって 大規模停電等 電力供給に大きな被害が発生 様々な課題が明らかになる 資料 4 電力レジリエンス ワーキンググループ 中間取りまとめ概要 ( 案 ) 2018 年 11 月 14 日 経済産業省 電力レジリエンス ワーキンググループの目的及び概要設置の経緯 目的 座長大山力 〇委員市村拓斗大橋弘小野透 金子祥三熊田亜紀子崎田裕子首藤由紀曽我美紀子松村敏弘山田真澄 平成 30 年北海道胆振東部地震を始めとした一連の災害によって 大規模停電等 電力供給に大きな被害が発生

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