分散型電源普及拡大における電力供給システムの課題と対策

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1 2009 年 4 月 9 日 スマートグリッドについて 東京大学大学院 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 1

2 IEC (TC8) での用語定義 ( ) の動向 スマートグリッドの定義 ( 現在審議が始まったばかりの案 ) electric power network that utilizes two-way communication and control technologies, distributed computing and associated sensors, including equipment installed on the premises of network users * * network users: 発電事業者と需要家の双方を含む 上記定義への注記 Note: smart grids are intended to increase the quality of the electricity supply by providing functions such as: network automation power quality management distributed generation management demand response smart metering preventive maintenance outage management energy storage management 下記を用いるネットワーク (*) 双方向の通信 制御 分散的処理とセンサ (*) 発電事業者機器および需要家機器を含む スマートグリッドが備える機能の例 ( あくまでも例の扱い ) 系統の自動化 品質の管理 分散型電源の管理 デマンドレスポンス スマートメータリング 予防保全 停電時の管理 エネルギー貯蔵の管理 ホームページ より 2

3 欧州の背景 (1) スマートグリッド構築への動きは 風力など再生可能エネルギーによる分散型電源の大量導入を契機として始まり 2006 年の欧州広域停電により加速 (2) 各国 各地域のネットワークが複雑にメッシュ化しており 最近の自由化にともなう広域的な取引の増加と 予測困難な風力発電などの分散形電源の増加により ネットワーク内の電気の流れの調整が難しくなっており ネットワーク内の混雑も頻繁に発生 (3) 風況により出力が大きく変動する風力発電などが 供給システムの信頼性に与える悪影響が懸念されることから その対策として分散型電源の出力状態を把握 予測し 分散型電源の調整 ( 抑制 ) を行なう技術としてスマートグリッドへのニーズあり 3

4 欧州の再生可能エネルギー受け入れ動向 2009 年 3 月エネ庁欧州調査団の調査より 風力発電が大量に導入されている欧州では ネットワークでの問題 ( 需給バランス 送電網過負荷 ( 混雑という ) など ) が顕在化しつつあり 系統運用は綱渡り状態 推進側の政府 系統運用者 国民の間に実行可能性 建設期間 コスト負担等に係るコミュニケーションギャップが存在 ( 発電 送電 配電がアンバンドルされていることも一因 ) 試行錯誤しながら対応 ( 最適な方向に進んでいるかは疑問 ) 系統運用の多国間協調のための組織を設置 ドイツ再生可能エネルギーは100% 受け入れ義務あり 風力発電が偏在し その送電可能性の問題があるため 最終的な風力発電抑制も含めた様々な系統運用対策を規定スペイン推進側の政府と送電網の建設 監視 制御をおこなう系統運用者の間に認識ギャップあり 4 フランスとの国際連系線の通過量に依存した風力発電出力抑制を実施

5 欧州プラットフォームのスマートグリッド構想 新しいサービスエネルギーネットワーク移行への貢献 大容量の分散形電源 ( 風力発電 ) の連系への貢献 エネルギー貯蔵装置などのキーテクノロジーの開発 実証 GPS, 気象観測など Flexible Accessible Reliable Economical 大規模水力 風力 小水力 メガソーラー バイオマス 洋上風力 低炭素大容量発電所 住宅用太陽光 情報ネットワーク 分散型電源の制御 波力発電 貯蔵装置 蓄熱装置 SMES ヒートポンプ 燃料電池 デマンドマネージメント 水素ステーション 5 ホームページ より

6 スペイン REE 社の再生可能エネルギー中給 再生可能エネルギー中給 ( 風力中給 );1 万 Kw 以上の風力発電所 メガソーラー発電所の出力を制御するコントロールセンター 系統の中央給電指令所 ( 中給 ) 中給 制御通信回線 風力中給 従来型発電所制御所 最大可能出力値 計測データ 再生可能エネルギー制御所 風力中給 Control Center for Renewable Energies 6

7 米国の背景 (1) スマートグリッド構築への動きは 2001 年のカリフォルニア危機や 2003 年の北米大停電などを契機として始まり 再生可能エネルギー促進や電気の利用効率化へのニーズにより加速 (2) 需要増に対して 発電所 送電設備などのインフラ整備が不十分であるため 需要の大きい時期に 以下のような手段で需要家の使用量を抑制するなどにより 供給インフラの不足をスマート化で補うことが主目的 価格と電気の使用量を表示するメーターに需要家が反応して 価格が高くなる高需要期に 需要を抑制する方策 電気の周波数 ( 供給力不足時に低下 ) の低下に応じて 家電 ( 冷蔵庫 エアコンなど ) 製品の消費を抑制する技術など (3) グリーン ニューディール政策 温暖化ガス排出削減 再生可能エネルギーの比率の向上 (2025 年までに 25%) プラグインハイブリッドカーの普及促進 スマートグリッドの構築送電網増強 スマートメーターの設置 (4000 万個 ) 7

8 米国エネルギー省 (DOE) スマートグリッド構想 太陽光発電, 風力発電, プラグインハイブリッド電気自動車, アドバン ストメーターなどを統合制御アドバンストメーター ( 電気利用の効率化, 価格情報の伝送など ), 系統 状態の可視化技術 (Google Earthでの表示など ),GPSを用いた広域監視 装置などの要素技術開発 適用を支援 ホームページ より 8

9 米国 Boulder 市 ( コロラド州 ) での実証試験 ( スマートグリッドシティ, スマートハウス ) 停電管理 顧客情報システム, 双方向通信, スマート変電所 2008 年末までに 1.3 万軒 2009 年半ばまでに更に 1 万軒にスマートメータを設置 1000 台の分散型電源など ( 太陽光発電, 風力発電, 蓄電池, プラグイン ハイブリッド自動車 ) の統合制御 プラグインハイブリッド 高速データ通信 スマート家電 スマートメーター スマートサーモスタット エネルギー種類選択 ホームページ より 9

10 Grid-Friendly Appliance プロジェクト 冷蔵庫洗濯機乾燥機エアコン電気温水器 Grid Friendly Appliance Field Demonstration より 増負加荷需要量変化分Kw 減少0 周波数 f 基準周波数 60Hz 10

11 わが国の状況 供給信頼度は世界最高水準 情報通信ネットワークを活用した送電網の事故時の監視 制御システム技術 配電網の事故時の停電範囲極小化のための自動化技術を導入済み新しい監視 制御システムの構築には長期間 (10 年程度 ) 必要 近年の大規模停電例 送配電網への再生可能エネルギー電源の大量連系 今後大量導入される太陽光発電 ( 需要家側 ) 風力発電 蓄電池と火力発電 水力発電 揚水発電と協調した需給バランス制御 周波数制御 電圧制御が課題 需要家との双方向通信 その結果として.. 太陽光発電 蓄電池 ヒートポンプ給湯器 プラグインハイブリッドカー 電気自動車等が連系された多数の需要家との双方向通信によるこれら機器の電気エネルギーネットワーク全体への貢献 活用方法が課題 11

12 日本型先進 スマートグリッド の定義 ( 私案 ) 目 的 地球温暖化防止 (CO 2 排出削減 ) 再生可能エネルギー利用 省エネルギー 社会的便益 ( 事業者 消費者双方 ) 系統機器以外で対象とする電源 機器 太陽光発電 ( 主として住宅 ) 風力発電 電気自動車 ヒートポンプ給湯器 今後の研究の方向性 を形成する主な 3 要素 系統の課題 分散形機器 対象とする範囲 蓄電池 負荷機器 燃料電池 手段 分散形電源, 電気自動車等の積極活用 不確定性に対応できるシステム構築 大規模ネットワークとの万全な協調 ICT 技術の強力活用系統技術上での課題 需給バランス 周波数調整, 経済負荷配分 配電線電圧制御 蓄電池容量, 電源予備力の適正化ほか対象とするネットワーク範囲 電柱 ( 柱上変圧器 ) 以下の需要家 配電線 ( フィーダー ) レベル 配電用変電所以下のローカルエリア 一次変電所以下の系統 12

13 日本型先進 スマートグリッド の概念図 ( 私案 ) G 水力 G 原子力 ユビキタスパワーネットワーク G 火力 小規模 ローカル ローカル 大規模 給電指令所 小規模 ローカル 蓄電池 (BESS) 風力 熱 負荷機器 ヒートポンプ 小規模ネットワークマイクログリッドインテリグリッドスマートグリッド G 風力発電 小規模発電機 ガスエンジンガスタービン 熱 負荷機器 H 2 貯湯槽 電気自動車 (EV) 可逆式 太陽光発電 (PV) 水素ローカル H 2 13

14 ユビキタスパワーネットワークの提案コンセプト ( 私案 ) なんでも 電源や蓄電 蓄熱装置の種類と量を問わないこと 既存の大規模電源 ( 火力, 水力, 原子力 ) 分散形電源 ( 太陽光発電, 風力発電, 燃料電池ほか ) 電気自動車, 定置形蓄電池, ヒートポンプ式給湯器ほか どこでも ネットワークのどこにでも電源や蓄積装置を接続できること ネットワークの中央 / 末端の違いや, 電圧階級などを選ばすに, 分散形電源や, 蓄電 蓄熱機器を接続できる いつでも 自然現象や使用状態の不確定性の影響を受けにくいこと 日射量や風量の変動の影響を受けにくい 電気自動車の充放電状態や, 給湯使用状態にも対応, プラグ & プレイ インテリジェント & インタラクティブ 系統へ ICT 技術を一層活用すること 大規模ネットワークと, 分散形電源 蓄電装置との, 万全な協調 事業者 ~ 消費者の電源 機器を含む双方向情報通信ネットワーク 14

15 蓄電池を用いた需給バランス制御 周波数制御 総需要と発電出力を瞬時瞬時に一致させる制御が必要 余剰を吸収したり 放出することのできる揚水発電 蓄電池を利用する 太陽光なしの場合の需給運用太陽光大量導入後 ( 晴天日 ) 揚水動力 揚水発電 揚水動力 蓄電池を充放電 揚水発電 総需要 充電 太陽光太陽光 放電 総需要 ベース供給力 火力 (*) ( 最低出力 ) + 水力 + 原子力他 ベース供給力 火力 (*) ( 最低出力 ) + 水力 + 原子力他 (*)LFC 運転ができるなど運用上の最低出力 15 資源エネ庁 低炭素供給システム研究会資料より 15

16 風力発電の出力制御 風車ブレードのピッチ角制御 出力目標値をより低くすることで 風力発電出力をより平滑化でき 変動を小さくする 周波数変動抑制効果 周波数変動の許容ラインを維持するために必要な蓄電池の容量を減少させる 必要蓄電池容量削減効果 Rated Capacity Wind Power Output [W] (1) 風 Cut-in (2) (3) Stretching Region(3) Rated Wind Velocity [m/s] 系統側から最大出力を制御 (4) Cut-off 16

17 負荷機器 ( ヒートポンプ給湯器 ) 制御 HP 給湯器とは? ヒートポンプユニットと貯湯ユニットから構成 冷凍サイクルを利用し 大気から熱を取り込む 省エネルギー機器 貯湯槽にお湯を蓄えることが可能 湯はいつ沸き上がってもよく 消費はフレキシブルに変化させることができる 負荷を切るなどのマネジメント手法ではなく需要家に不便をかけないようにして系統運用に貢献させることができる 20 Thermal Energy Evaporator Power Compressor Condenser 60 Thermal Energy Valve HP 給湯器と蓄電池との協調制御によって 風力発電大容量導入時の系統の周波数変動抑制 もしくは併設蓄電池の必要容量の削減が可能となる 17

18 バーチャルパワープラント ( 仮想的発電所 ) 会社以外の様々な発電設備 (IPP,PPS, コージェネ, マイクログリッドなど ) をあたかも一つの大きな会社の発電所のようにコントロールして系統貢献する MGT コージェネ燃料電池 蓄電池 非常用発電機 MGT コージェネ燃料電池 蓄電池 指令 RTU 監視 制御通信線非常用発電機コージェネ 指令 燃料電池 蓄電池 指令 監視 制御通信線 RTU 発電指令 RTU インターネット 監視 制御通信線 発電指令 コントロールセンター 18

19 プラグインハイブリッドカー 電気自動車と系統との協調制御 火力 G 水力 G 原子力 G 蓄電池スーパーキャパシタ 大規模ネットワーク 風力 風力 制御信号 小規模ネットワーク 制御信号 G 負荷 太陽光 マイクロガスエンジンガスタービン 蓄電池 夜だけに充電なのか 昼に充電も? 放電制御も? V2G 19 料金体系は?

20 風力発電の余剰の水素貯蔵 現在はかなりコスト高 将来にローカルシステムとして活用 新しい風力発電 水 酸素 需要家 電気分解装置 水素貯蔵 水素発電 酸素 既存の風力発電 ディーゼル発電 制御システム CIGRE パリ大会シンポPPT 資料から

21 日本型先進スマートグリッド ユビキタスパワーグリッド の設計 系統火力 蓄電池と協調した需要家ヒートポンプ給湯器の制御方式の開発 oad [MW] L % 90% 80% Power consumption Type (a) 100% 90% 80% Power consumption Type (b) 100% 90% 80% Power consumption Type (c) 需要家ヒートポンプ給湯器容量の周波数制御貢献部分 HP BESS 需要家ヒートポンプ給湯器 蓄電池 系統火力の周波数制御信号の割り当て (Type (b)) Time [s] Load Wind Output [MW] 最大負荷需要 600 の20% の大容量風力発電が導入と仮定 周波数は維持されている かなり蓄電池の使用容量が削減されている HP Wt Water Heater LFC Generator z] Frequency [Hz BESS Output [MW] B w/o HP HP (b) Time [s] Frequency w/o HP HP (b) Time [s] BESS Output Type(b) の制御は 周波数変動の抑制とともに蓄電池必要容量を大幅に削減できることを示している Time [s] Wind Power Generation ation Freque ency Fluctua x rms [Hz] Thermal Output [M MW] w/o HP HP (b) Time [s] Thermal Power Plant Output ump Consumption [MW] Heat Pu w/o HP HP (b) Time [s] Heat Pump Water Heater Demand ヒートポンプ給湯器の需要を定格の 90% を中心にうまく制御されている 0.08 without HP Control 0.07 with HP Control (a) with HP Control (b) 0.05 with HP Control (c) BESS Capacity [MW]

22 今後の方向性 ICT 技術を活用した日本型先進 スマートグリッド 配電系統 需要家の各種電気量のセンシング 分散形電源の出力制御 様々な需要家 配電系統を含めたネットワーク全体の系統制御 需給制御による究極の系統安定運用技術 メータリング( 自動検針 ) DSM HEMS BEMS ネットワーク全体のエネルギー利用効率向上 各種情報サービス 計画的 段階的な取り組み国際標準化の動きへの素早い対応 (IEC) 21

NISSIN REPORT 2015 17 18 19 20 21 22 23 1 2 3 5 7 9 10 11 12 13 15 1,500 1,000 500 0 1,033 2012 1,099 1,071 2013 2014 150 100 50 0 71 2012 95 90 2013 2014 44.2% 18.3% 22.4% 15.1% 49.5% 1.1% 28.4% 17.5%

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