情報と電力が融合するデジタルグリッド時代の到来

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1 情報と電力が融合する デジタルグリッドの提案 2009 年 11 月 13 日二次電池が作る社会システムイノベーション東京大学大学院工学系研究科技術経営戦略学専攻アドバンテッジパートナーズ社会戦略投資学寄付講座阿部力也

2 アドバンテッジパートナーズ 社会戦略投資学寄付講座 社会システムを 工学的に設計し 工学的に検証し ( 社会戦略工学 ) 社会に実装するための 投資メカニズムを研究する ( 社会戦略投資学 ) 研究分野 エネルギー問題 ( 石油 石炭 天然ガス ) 電力システム ( 自然エネルギー 分散電源 電力貯蔵 導入促進政策シミュレーション ) リアルオプション ( 投資判断 ) 農業問題 ( 野菜工場 天候デリバティブ ) 2

3 目次 1. Smart Grid 時代の到来 a. Smart Gridとはなにか b. 4つの社会的便益 c. 米国政府の動き d. IT 産業の動き e. 本当の狙い 2. 日本のSmart Grid a. 世界で最も進化した電力スキーム b. 日本におけるSmart Gridの可能性 c. 自然エネルギー導入がもたらす変化 3. Digital Grid 時代への移行 a. デジタルグリッド b. アナログ同期系統とデジタルグリッド c. 選択的電力融通 d. IPアドレスと電力線搬送による電力融通 e. 商取引にのっとった電力融通交渉 f. スマートグリッドとの違い g. Digital Gridのもたらす世界 3

4 目次 1. Smart Grid 時代の到来 a. Smart Gridとはなにか b. 4つの社会的便益 c. 米国政府の動き d. IT 産業の動き e. 本当の狙い 2. 日本のSmart Grid a. 世界で最も進化した電力スキーム b. 日本におけるSmart Gridの可能性 c. 自然エネルギー導入がもたらす変化 3. Digital Grid 時代への移行 a. デジタルグリッド b. アナログ同期系統とデジタルグリッド c. 選択的電力融通 d. IPアドレスと電力線搬送による電力融通 e. 商取引にのっとった電力融通交渉 f. スマートグリッドとの違い g. Digital Gridのもたらす世界 4

5 新たに登場した Smart Grid とは? 従来の電力系統 一方向電力 検針型電力量計 水力, 火力, 原子力発電 需要制御なし 熱貯蔵 自動車負荷なし 需要家への情報提供なし 周波数一定制御 双方向電力 Smart Grid 双方向通信電力量計 (AMI) +RES-E 発電, 分散電源 需要制御型 (+ 情報提供 ) 電力貯蔵 EV, Plug-in HEV タイムリーな情報提供 周波数制御 + 情報による需給バランス制御 5

6 4 つの社会的便益 経済性向上 ネットワーク効率を向上することで電力コストを低減する 信頼性向上 停電の機会を減尐する 環境性向上 温室効果ガスを削減する エネルギーセキュリティ向上 石油依存度を低減する 6

7 米国政府の動き 経済対策法 :Office of Electricity Delivery and Energy Reliability Program Specific Recovery Plan (June 3, 2009) - DOE The Recovery Act of 2009 indicates that the Office of Electricity Delivery and Energy Reliability (OE) shall receive $4,500,000,000 for expenses necessary for electricity delivery and energy reliability activities to modernize the electric grid to include demand responsive equipment, enhance security and reliability of the energy infrastructure, energy storage research, development, demonstration and deployment, and facilitate recovery from disruptions to the energy supply, and for the implementation of programs. 電力関係 : M$3,300 ( 電力を通じて smart grid 導入, 系統強化策 ) 実証 : M$700 ( 地域実証, 位相検出実証, 電力貯蔵実証,R&D) 標準化 : M$10 未定 : M$490 7

8 米国 DOE の進めるスマートグリッド 情報網 電力網 2009/11/13 第 NIST 4 回二次電池 Framework and Roadmap All for rights Smart reserved Grid Interoperability by AP's Socio-Strategic Standards Release 1.0 (Draft) page24 フォーラム 8

9 Smart Meter Advanced Meter Infrastructure (AMI) General Electric Google Hewlett Packard Ericsson ベンチャー含め多数 カリフォルニア テキサス フロリダ ペンシルベニア W バージニア ABIリサーチ ( 全世界 ) ,000,000 units ,000,000 units 9

10 Google Power Meter 10

11 スマートメータの市場 英国 2020 年までに各家庭に 2,600 万台設置する 米国スマートグリッドに 45 億ドル 各電力競争力維持のためにスマートメータ設置 北部カリフォルニア州 PG&E は, すでに 340 万台のスマートガス電気メータ設置済み 2012 年までに 1,000 万台追加 IDC Energy Insights の予想,2013 年までスマートグリッド技術で $175 億ドル 誰が投資し, どのようにして受益者になるのか? スマートメータ設置は, 新たなビジネスのプラットフォームづくり 本当の市場はその後に来る 11

12 豪州ヴィクトリアの試み - 本当の狙い - スマートメータは誰でも入手可能 料金は電気代に上乗せ 所有は配電事業者 配電事業者は地域ごとに決まっていて選択できないが, 電力小売り会社は選択自由 グリーン電力に特化した会社も選べる 電力小売り会社を変えても, メーターも電気配線も変更不要 ( 私見 ) 電力小売り競争のプラットフォームづくり

13 スマートグリッドの本当の狙い 送電インフラ, 配電インフラを政府主導で整備 インフラ上で発電事業者 小売事業者を競争させる 政府の望む方向にインセンティブをつけて誘導する その結果, 石油依存を脱却する 13

14 目次 1. Smart Grid 時代の到来 a. Smart Gridとはなにか b. 4つの社会的便益 c. 米国政府の動き d. IT 産業の動き e. 本当の狙い 2. 日本のSmart Grid a. 世界で最も進化した電力スキーム b. 日本におけるSmart Gridの可能性 c. 自然エネルギー導入がもたらす変化 3. Digital Grid 時代への移行 a. デジタルグリッド b. アナログ同期系統とデジタルグリッド c. 選択的電力融通 d. IPアドレスと電力線搬送による電力融通 e. 商取引にのっとった電力融通交渉 f. スマートグリッドとの違い g. Digital Gridのもたらす世界 14

15 日本における Smart Grid の可能性 ( 日本と海外の電力の違い ) 欧米は水平統合 < 欧米 > 日本は垂直統合 < 日本 > 自由競争の結果, インフラ投資がおろそかになった もう一度インフラ整備して, 自由競争させる ユニバーサルサービスを義務付け 着実なインフラ投資 世界に稀に見る信頼度を達成 ただし, 方向性は脱石油 スマートグリッドもスマートメータも計画的インフラ投資の中で実施 15

16 低 周波数 その結果, 日本の電力系統は信頼度の高いシステムとなった 高 消費 発電 発電電圧 G 電圧 線路インダクタンス 受電電圧 線路キャパシタンス 16

17 日本の電力の停電頻度と停電時間の尐なさは世界トップクラス 電気事業連合会ホームページより 17

18 しかし, 自然エネルギーが大量導入されるとそのインパクトは大きい 2030 年には 5,300 万 kw ( 現在の需要の約 1/4) 麻生政権 1990 年比 CO2 削減 8% 政権交代! 1990 年比 CO2 削減 25% H METI 新エネ部会資料 18

19 変動の大きい自然エネルギーが入ると動揺が大きくなり, 電力潮流や出力制限による補正が必要になる 周波数 低高 発電消費 電力潮流 低 消費 周波数 高 発電 発電電圧 G 電圧電力潮流 線路インダクタンス受電電圧 発電電圧 G 電圧 線路インダクタンス 受電電圧 太陽光発電 線路キャパシタンス 線路キャパシタンス 19

20 PV 大量導入時に気象変動がもたらす電力潮流変動は大きくなる 20

21 目次 1. Smart Grid 時代の到来 a. Smart Gridとはなにか b. 4つの社会的便益 c. 米国政府の動き d. IT 産業の動き e. 本当の狙い 2. 日本のSmart Grid a. 世界で最も進化した電力スキーム b. 日本におけるSmart Gridの可能性 c. 自然エネルギー導入がもたらす変化 3. Digital Grid 時代への移行 a. デジタルグリッド b. アナログ同期系統とデジタルグリッド c. 選択的電力融通 d. IPアドレスと電力線搬送による電力融通 e. 商取引にのっとった電力融通交渉 f. スマートグリッドとの違い g. Digital Gridのもたらす世界 21

22 アナログ同期系統とデジタルグリッド 従来型アナログ同期系統 発電 発電 デジタルグリッド 周波数変動は許容範囲内 周波数 周波数 周波数 周波数 周波数 周波数 消費 潮流 消費 潮流 消費 消費 消費 消費 22

23 N:N 非同期連系ネットワーク #1 電力系統 #2 電力系統 デジタルパワールーター #3 電力系統 #4 電力系統 各電力系統内には, 電池, 太陽光, 風力, 分散電源などがある #5 電力系統 23

24 デジタルグリッド 周波数 許容変動範囲内で異なる周波数をもつマイクログリッド #1 #2 #3 #4 #5 デジタルパワールーター 太い幹と豊かな葉 基幹系統 #4 #5 #1 #2 #3 #6 #7 異なる周波数のマイクログリッド 24

25 選択的電力融通 (A) デジタルパワールーター (B) V e jωt V e jωt V e jωat V e jω bt a b マイクログリッド Iac Ibc Iac jωl d c V e jωt Idc V e j(ωt+θ) V e jω dt V e jω ct a,b,d のノードは同電圧 同位相 c のノードの位相を θ だけ遅らす. の電力変換は停止状態の電力変換は運転状態 25

26 IP アドレスと電力線搬送通信を 使った電力融通 #1 電力系統 IP 004 DTE CPU IP 003 DTE 電力線搬送通信端局 IP 002 DTE #2 電力系統 WAN LAN LAN 連系電線路 7 電力制御 IP 005 DTE IP 001 DTE 電力制御 電力機器 1 電力機器制御端末装置 電力機器制御端末装置 電力機器 2 26

27 電力の融通問い合わせと交渉 一斉問い合わせ 応信段階 電力融通可能な電力系統 希望取引条件 可能取引条件 電力系統 3 電力貯蔵装置 62 多端子型非同期各種発電機 61 連系装置 1 27

28 電力の融通予約と確定 予約問い合わせ 電力融通可能な電力系統 確定応信段階 電力融通可能な電力系統 予約取引条件 予約確定条件 電力系統 3 電力貯蔵装置 62 多端子型非同期各種発電機 61 連系装置 1 28

29 デジタル電力の融通 電力融通可能な電力系統 電力系統 3 多端子型非同期連系装置 1 複数ルートによる送電 電力貯蔵装置 62 発電装置 61 フッター情報 融通電力 ヘッダー情報 29

30 デジタルグリッドとは何か ( 新概念 ) < 従来の電力系統 > 全国一律の 同期電力系統 < デジタルグリッド > 同期基幹系統 + 非同期分散マイクログリッド 相互にパワエレ素子で接続 分離した情報系と電力系 同じ CPU で情報も電力も作り出す 同じ電力連系線に情報も電力ものせる 常に需要と供給が一致 電力貯蔵と周波数で需給バランスを維持 貯蔵量調整を, 問い合わせ, 交渉, 予約, 確定, 融通といった市場メカニズムで実施 電気に色はつけられない パワエレ素子が作った電気の前後にヘッダー情報, フッター情報をつける デジタルパワールーターが情報に基づいて電気を振り分ける 30

31 デジタルグリッドの目的と効果 再生可能エネルギーの大量導入 マイクログリッド内で電力貯蔵と周波数で変動吸収 電力系統の冗長性と堅牢性 マイクログリッド数の 2 乗に比例した電力融通ルートによる停電機会減尐 系統負担の共同化 再生可能エネルギーの負担設備を共同化, 余剰設備削減 デジタル電力取引 IP アドレッシブル, 電力にタグを付けて識別, 市場取引プロセス導入, 電力取引プラットフォーム構築 31

32 スマートグリッドとの違い Smart Grid 電力系統は従来のアナログを強化 Digital Grid 電力系統を分割マイクログリッド化 潮流制御を位相測定と連系切替で実施 非同期連系し, デジタル電力融通 発電と消費を, 情報側で突き合わせ 発電と消費をデジタル電力で一元管理 電力識別を情報で 電力そのものに識別タグをつける アナログ電力 + デジタル情報 ( 電力 + 情報 ) ともにデジタル 32

33 デジタルグリッド単線結線図 ( 例 ) 基幹電力系統 デジタルパワールーター #2 電力系統 #1 電力系統 G4 B G1 B1 G3 B3 #4 電力系統 #3 電力系統 自励式電力変換器 10 遮断器 8 多端子型非同期連系装置 1 電力線搬送通信バイパス付き変圧器 11 デジタルパワーコントローラー G2 B #5 電力機器 B5 Or G3 #6 電力系統 Gn 断路器 9 発電装置 61 電力貯蔵 Bn 装置 電力線搬送通信端局 13 連系電線路 7 および電力母線 6 兼電力線搬送通信路 IP アドレス 14 33

34 IP アドレスとルーティングテーブル #1 電力系統の多端子型非同期連系装置 Network Subnet mask Gateway #4 電力系統の多端子型非同期連系装置 Network Subnet mask Gateway #2 電力系統の多端子型非同期連系装置 Network Subnet mask Gateway #5 電力機器 Network Subnet mask Gateway #3 電力系統の多端子型非同期連系装置 #6 電力系統の多端子型非同期連系装置 Network Subnet mask Gateway Network Subnet mask Gateway

35 Digital Grid のもたらす世界 電力にタグをつけ, 識別し, 自在に遠方に送る具体的手段の提供 家庭からでもデジタル電力の送受可能 CO2 価値,RPS 価値など多様な付加価値を電力に付加することが可能 自然エネルギー中心の電力の世界の構築 世界電化の具体的アプローチ 35

36 ご静聴ありがとうございました 東京大学大学院工学系研究科技術経営戦略学専攻社会戦略投資学寄付講座 ( アドバンテッジパートナーズ ) 特任教授阿部力也 Abe-r@tmi.t.u-tokyo.ac.jp

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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