わが国におけるスマートグリッドのかたち　理事　加藤有一

総括報告 わが国における スマートグリッドのかたち 理事 加藤有一 by CRIEPI

本日お話ししたいこと 1. スマートグリッドと名付けられた電力 システムなどに 関係者はどんな期待を 持っているのか? 2. 関係者それぞれに捉え方が異なる スマートグリッド 電中研はそれを どのように捉えているのか? 2

1. スマートグリッドの現状 内容と要旨 スマートグリッドの概念 期待される効果 各国のスマートグリッド 2. わが国の系統の現状と将来のニーズ わが国の系統の現状 低炭素社会の実現と高信頼度 高効率の維持 3. 電中研が考えるスマートグリッド スマートグリッドへの様々な期待 スマートグリッドのコアと4 要件 3

1. スマートグリッドの現状 内容 2. わが国の系統の現状と将来のニーズ 3. 電中研が考えるスマートグリッド 4

スマートグリッドの概念 定義は明確ではないが 共通する点として 電気とITとを融合 ( インテリジェント化 ) 供給サイドと需要家サイドの相互連携 再生可能エネルギーの大量導入 電気の効率的利用 ( 省エネ CO2 削減等 ) 5

海外で言われているスマートグリッドへの期待 Smart Grid is: メリット説明 Intelligent Efficient Accommodating Motivating 高信頼度 高効率 新しい技術への適応 多様な消費者ニーズへの対応 電力系統の状態を常に監視し 系統を自動制御すること停電リスクを最小化できる 追加の設備投資を回避しつつ 増大する電力需要に対応できる 再生可能エネルギーや電力貯蔵など新しい技術を電力系統に接続 活用できる 消費者と電力会社の間の双方向通信を用いて 消費者が個々の嗜好にあった電気の使い方を選択できる Opportunistic 新たなビジネスの創出 プラグアンドプレイ技術を活用して 新たなビジネスチャンスが生まれる環境を創出できる Quality-focused 高電力品質デジタル社会に相応しい高品質の電力を供給できる Resilient 障害回復力に優れる 電力インフラへの攻撃や自然災害によって生じる電力系統の障害から速やかに回復できる Green 高い環境性能環境負荷を低減し 地球温暖化防止に貢献できる 出所 )DOE, The Smart Grid: an introduction, Feb., 2009 6

米国のスマートグリッド 米国 各種センサの活用による設備運用の改善 ( 有効活用 ) 保守管理の効率化 PMU 等の活用による 広域系統の監視ならびに制御の高度化 系統の自己回復力 (self-healing) の強化 当面の狙い 供給信頼度の向上 自動化 ピーク削減などによる系統利用の効率向上 インフラ整備コストの最適化 電力貯蔵等の活用や需給両サイドの連携による再生可能エネルギーの大量導入と有効活用 供給側と需要家との双方向通信 ( スマートメータ ) デマンドレスポンス ( 電源投資抑制 ) 車載バッテリー活用など 需給連携によるインフラ整備 運用の効率化 出典 : http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm 7

中国のスマートグリッド 強い系統 + スマート ( インテリジェント ) な系統 UHV をベースとした 強い系統 に 情報化 自動化 相互連携 ( 電源 流通 需要家 ) 当面の狙い インフラ整備をクリーンエネルギーの活用などと共に実現 出典 : http://www.cera.com/aspx/cda/filedisplay/filedisplay.ashx?pk=39856 8

わが国のスマートグリッド 既に諸外国に比べスマートな (IT 活用 ) 電力系統が存在 低炭素社会の実現に向けて 再生可能エネルギー ( 特に太陽光発電 ) の大量導入を可能とするとともに 効率的電気利用を支える将来の電力供給 利用インフラが必要 53GW 1.4GW 28GW 出典 : 総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会資料をもとに作成 9

スマートグリッドの類型化 既存系統課題 将来課題 に着目して類型化すると 類型 供給力 既存系統の課題 信頼度品質 自動化効率化 計量精度方式 需要増加 将来展望時の課題 再生可能エネ導入 電気高度利用 省エネ CO 2 削減 当面の目標となるスマートグリッドの特徴 代表国 系統高度化型 - / / / 供給信頼度の向上 自動化による効率化 省エネ ピーク削減など多面的な系統高度化が当面の主要課題となるタイプ 米国 再生可能エネ導入型 - - - 現状系統はかなりの完成度 再生可能エネルギー大量導入への対応が当面の主要課題となるタイプ 日本 欧州 ( 一部 ) 系統整備型 / / / まずは供給力確保 系統整備 自動化や高精度な計量が当面の課題となるタイプ 中国など 注 ) : 重要 : ある程度重要 -: 特に問題ではない 10

スマートグリッドのコスト 次世代計量インフラ ( スマートメーター ) の整備 需要家までの通信インフラの整備 電力貯蔵システムの導入 各種エネルギーマネジメントシステムの導入 供給側と需要家側の協調のための制度構築 中長期的に見て 費用対効果があるか 受益者は誰か コストを負担すべきは誰か ( 消費者にとって ) スマートグリッドの便益は実感しにくい これらについて適切な評価を行い 社会的合意を得て進めることが重要 11

1. スマートグリッドの現状 内容 2. わが国の系統の現状と将来のニーズ 3. 電中研が考えるスマートグリッド 12

わが国の電力システムの現状 わが国の電力システムは これまでの拡大する需要に対応する電力供給インフラとして発展し 高いレベルの一つの世代を確立 高い供給信頼度 効率性の実現 自動化システム 高効率の発電システムなどの最新技術の導入 最大電力 28 倍 最大電力 :17,753 万 kw(9 社計 ) 最大電力 :636 万 kw(9 社計 ) こう長 :4.4 万 km(9 社計 ) こう長 :9.4 万 km(9 社計 ) *H19 年度末時点 出典 ) 次世代送配電ネットワーク研究会報告書 http://www.meti.go.jp/report/data/g100426aj.html 13

日本 アメリカ ( ニューヨーク ) アメリカ ( カリフォルニア ) ドイツ フランス イギリス 日本 アメリカ ドイツ フランス イギリス 高い供給信頼度 効率性の実現 事故停電時間 ( 年間 1 需要家当たり 分 ) 送配電損失率 (%) 180 160 140 120 100 162 100 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.9 7.4 5.8 6.7 7.8 80 60 40 20 16 12 37 57 4.0 3.0 2.0 1.0 0 日本米国 *1 米国 *2 ドイツフランスイギリス 0.0 日本 米国 ドイツ フランス イギリス 米国 *1 : ニューヨーク米国 *2 : カリフォルニア 注 ) 2004,2006 または 2007 年実績 注 ) 2007 年 出典 ) 電気事業の現状 2009, 電気事業便覧平成 21 年版を基に作成 14

日本 アメリカ ドイツ フランス イギリス 新技術導入の推進 系統の安定化システム 配電自動化システムの導入 発電所 変電所の自動化の推進 高効率発電システムの導入による発電効率の改善 ICT の活用など 高い信頼度 効率性の実現に寄与 44.0 43.0 42.0 41.0 40.0 39.0 38.0 37.0 36.0 35.0 43.2 日本 火力発電所の熱効率 (%) 38.1 米国 39.4 ドイツ 42.3 フランス 42.9 イギリス http://www.ecofys.com/com/publications/brochures_newsletters/documents/ Ecofys-Internationalcomparisonfossilpowerefficiency_2009_final.pdf を基に作成 注 ) 2006 年 15

日本の電力系統での ICT 等の活用 電源設備 発電機 ( 原子力 火力等 ) 送電線 中央給電指令所 監視 指令 電力系統安定化制御 事故波及防止リレー 高速再閉路等 無線ネットワーク 発電機 ( 原子力 火力等 ) マイクロ波無線網光ファイバー網 中央通信所 監視 指令 流通設備 変電所 送電線 配電線 変電所 6kV 基幹給電所等制御所 系統電圧制御 配電線自動運用 等 光ネットワーク 変電所 光ファイバー網 光, メタル 配電まで自営網を形成 100/200V 需要家 電気 需要家 情報 16

1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2030 2050 将来の電力システムに向けて 地球温暖化問題への対応 そのための電気利用の高度化 一層の効率化 今後予想される設備高経年化などを考慮すると 次世代の電力システムに向けた取り組みが望まれる (9 電力計 ) 万 kw, 億 kwh 20000 1 つの世代として完成次世代の電力システム 18000 16000 14000 最大需要 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 需要量 需要増に対応 低炭素社会の実現 高い信頼度 効率性の維持 17

低炭素社会の実現のために 電力の供給サイド 利用サイド両方の技術を適切に組み合わせることがカギ 省エネルギー エネルギーの効率的利用 機器の効率化 性能向上 利用サイド 供給サイド 低炭素排出電源の利用 原子力発電の推進 再生可能エネルギ-の活用 火力効率向上 CO2 回収処理 (CCS) 再生可能エネルギーの大量導入に対応した電力システム 電化の推進 直接燃焼から電気へ 18

変電設備量 高い信頼度, 効率性の維持 人口減に伴う需要の飽和傾向 設備維持 管理コスト 更新コストの増大 系統の拡充による新技術導入 改良の機会減尐 電気利用高度化による電気エネルギーへの依存増大 将来にわたり 信頼度の高い電力システムを効率的に維持していくことが必要 停電リスク低減 信頼度維持への強いニーズ 経年設備の増大 0 10 20 30 40 50 60 経年 19

集中形電源 ( 低炭素排出 高効率 ) 高効率火力 電気 送電系統 情報 広域 高度監視制御 石炭ガス化 需要地系統 将来の電力システムの実現に向けた技術 ( 電中研 次世代グリッドのイメージ ) センサ / 制御 蓄電池 需給両サイドの連携 ( 需給一体化 ) 配電系統 ( 需要地系統 ) Charger EV 再生可能エネルギー ( 主に太陽光 ) の導入 センサ / 制御 需要家情報端末 分散形電源 ( 太陽光 風力 ) 新型配電機器 電気利用 ( 高効率 電力シフト ) 20

1. スマートグリッドの現状 内容 2. わが国の系統の現状と将来のニーズ 3. 電中研が考えるスマートグリッド 21

将来ニーズに対する電中研の取り組み (~2007) 2001 2003 2005 2007 新型機器 (LPC, 需給インターフェイス ) 開発 需要地系統の運用 制御技術 需要地系統 実証試験研究 基幹系統の解析 制御技術 通信ネットワーク技術 分散形電源普及影響評価 アセットマネジメント DSM の評価 22

分散形電源大量導入時の課題への対応 < 電圧問題 > 電圧の逸脱 逸脱 < 対策 > LPC による DG 電力融通 + DG 無効電力注入 ( 協調制御 ) 配電用変電所 配電用変電所 無効電力 LPC < 保護保安問題 > 配電線停止時の単独運転 < 対策 > 事故区間のみの分離と DG 遮断 (IT 利用 ) 配電用変電所 Copyright 2010 by CRIEPI 需給 IF 23

電中研の主な取り組み : 需要地系統研究 将来の分散形電源の大量導入に対応した配電系統の技術開発を 2001 年より実施 分散形電源大量導入時の系統課題対応と分散形電源の有効活用 既存配電設備の有効活用 配電線をループ化 広域ネットワーク化 ( ループコントローラ (LPC) の適用 ) 需給インターフェイスによる分散形電源 負荷の自律分散制御 24

電中研の主な取り組み : 需要地系統研究 赤城試験センターでの実証試験研究 (2003-) 実配電設備を用いた実験設備構築 試作 LPC による有効性の実証 各種運用 制御方式の実証 25

需要地系統から次世代グリッドへ PV 導入の高い目標 2008.6 2030 年までに 53GW 2009.8 2020 年までに 28GW 配電系統での対応のみならず 上位系 需要家端での対応も含めた需給全体での対応技術開発の必要性 需要地系統の検討だけでなく 検討範囲を大幅に拡大して 次世代グリッド研究へ 26

スマートグリッドへの様々な期待 新成長戦略 新成長戦略 : グリーンイノベーションとして 輸出も含めて 50 兆円の市場創出 140 万人の雇用創出を目標 (2020 年 ) スマートグリッドはグリーンイノベーションの中核技術 エネルギー地産地消 地域のエネルギー自立 ( 地域で作ったエネルギーを地域で使うライフスタイル ) 地域活性化 町おこし グリーンジョブ 緑の分権改革 環境未来都市 次世代エネルギー 社会システム実証事業 ( 横浜 豊田 けいはんな 北九州 ) 先進的情報通信 エネルギー 交通システム + 自然との共生が日本流 海外へ発信 第二のインターネット 全ての機器 ( 家電 自動車等 ) がインターネットに繋がり 情報を発信 ライフログ ( 生活履歴 ) の分析 活用を通じた新たな価値 ( サービス ) の創出 見守り 安全 安心 27

新成長戦略 7つの戦略分野の21ヶの国家戦略プロジェクトを通じて 新たな需要と雇用を創造し デフレ傾向を脱却 2020 年までに名目成長率 3% 実質成長率 2% を上回る経済成長を達成する 7つの戦略分野 :(1) グリーンイノベーション (2) ライフイノベーション (3) アジア展開 (4) 観光立国 地域活性化 (5) 科学 技術 情報通信 (6) 雇用 人材 (7) 金融 グリーンイノベーションの主な目標 (2020 年 ) 環境分野で 50 兆円の市場と 140 万人の雇用を新規創出 ゼロエミ電源比率 50% 以上 再生可能エネ比率 10%( 一次エネ供給 ) 28

( 参考 ) 新成長戦略より抜粋 グリーン イノベーションにおける国家戦略プロジェクト 1. 固定価格買取制度 の導入などによる再生可能エネルギー急拡大 再生可能エネルギーの普及拡大のため ( 略 ) 全量買取方式の固定価格買取制度の導入を軸とする 以下の政策パッケージを導入する 第一に スマートグリッド導入 系統運用ルール策定 系統連系量の拡大施策等を通じて電力システムの高度化を図る ( 以下略 ) 29

( 参考 ) 新成長戦略より抜粋 グリーン イノベーションにおける国家戦略プロジェクト 2. 環境未来都市 構想 未来に向けた技術 仕組み サービス まちづくりで世界トップクラスの成功事例を生み出し 国内外への普及展開を図る 環境未来都市 を創設する 具体的には 内外に誇れる 緑豊かな 人の温もりの感じられる まちづくりのもとで 事業性 他の都市への波及効果 を十分に勘案し スマートグリッド 再生可能エネルギー 次世代自動車を組み合わせた都市のエネルギーマネジメントシステムの構築 事業再編や関連産業の育成 再生可能エネルギーの総合的な利用拡大等の施策を 環境モデル都市等から厳選された戦略的都市 地域に集中投入する 30

環境未来都市 ( スマートコミュニティ ) 新成長戦略の中で 世界トップクラスの成功事例を生み出し 国内外への普及展開を図る べきものとの位置づけ その先導役となる実証地域を公募 選定し 重点的に支援 エネルギーのみならず 通信 都市開発 交通システム ライフスタイルを含め 様々な実証を都市で行う 応募要件 ; 大幅な省エネ目標 CO 2 削減目標 大規模な再エネ導入 地域エネルギーマネジメントと大規模ネットワークとの相互補完の構築 交通システムのエネ効率利用など 4 都市 横浜 豊田 けいはんな 北九州 選定 (2010.4) 31

エネルギー地産地消 地域で生産されるエネルギーを地域で使うこと 具体的には以下の 2 つの文脈で語られている ; 地域に存在する再生可能エネルギー電源の出力変動を 地域単位のエネルギーマネジメントによって吸収する 地域で生産される再生可能エネルギーを地域で大切に使う 環境に優しいライフスタイルを確立し 地域の魅力を高める 次世代エネルギー 社会システム協議会中間とりまとめ (2010 年 1 月 ) では 前者により 電力ネットワークの負荷が軽減されるとしている 後者による地域の活性化を期待する自治体等もある 32

第二のインターネット パソコン 携帯電話だけでなく 全ての機器 ( 家電 自動車等 ) がインターネットに繋がる ( モノのインターネット ) 消費者の生活履歴 ( ライフログあるいは Point of Use) を分析 活用した新たなサービスの創出を期待 例えば : エネルギー管理 見守り ホームセキュリティ 家電機器の使用実態把握 ( 家電メーカーに利用価値 ) 遠隔操作による家電修理 機能追加 個人の行動ハ ターン 嗜好に応じたフ ッシュ広告 消費者 出所 ) http://www.jipdec.or.jp/archives/ecom/smarthouse /pdf/smarthouse2010.3.pdf 33

電中研にとってのスマートグリッドのコア 海外インフラ輸出 国際標準化戦略 新成長戦略 環境未来都市 スマートハウス ビル スマートコミュニティ 第二のインターネット 1 再生可能エネルギー大量導入への対応 2 大規模停電リスクの極小化 3 設備の高経年化への対応 4 需給両サイドの連携によるエネルギー利用の高効率化 マイクログリッド グリーンジョブ 新サービス創出 ライフスタイル変革 エネルギー地産地消 地域活性化 町おこし 34

電中研が考えるわが国の スマートグリッドの要件 1 再生可能エネルギー ( 主として太陽光発電 ) の有効活用を可能とすること 2 安定運用を確保し大規模停電のリスクは極力小さいこと擾乱 停電回復力に優れていること 3 設備維持管理の高度化, リプレース等を通じて設備面で時代ニーズに対応すること 4 省エネ エネルギー有効利用を需要家と一体的に実現可能とすること 35

技術開発のロードマップ 太陽光発電 2800 万 kw 5300 万 kw 設備集中高経年化 第 1 次リプレース 第 2 次リプレース 省エネ 電化エネルギー利用見える化 HEMS/BEMS PHEV/EV 2010 2020 2030 1PV 大量導入対応 2 停電リスク極小化 3 設備維持 管理高度化 PV 出力特性把握 出力予測 系統電源と協調した需給運用 安定度面からの課題解明 設備診断技術高度化 アセットマネジメント 配電系電圧管理の高度化 単独運転防止 /FRT 安定化方策 新型配電機器 センサネットワーク 需要家側との連携を考慮した運用 デマンドレスポンス 次世代電力機器 4 需給一体でのエネルギー有効利用 需要家を含む情報通信インフラ エネルギーマネジメント (EMS) の高度化 EV/PHEV 充電インフラ高度化 by CRIEPI 36

技術開発のロードマップ 太陽光発電 2800 万 kw 5300 万 kw 設備集中高経年化 第 1 次リプレース 第 2 次リプレース 2 停電リスク極小化 Copyright 2010 by CRIEPI 省エネ 電化エネルギー利用見える化 HEMS/BEMS PHEV/EV 2020 年代までに必要となる技術 1PV 大量導入対応 PV 出力特性把握 供給サイドでの対応技術出力予測 需要地系統 系統電源と協調した需給運用 再生可能エネルギー導入対応 経年設備のマネジメント技術 3 設備維持 管理高度化 4 需給一体でのエネルギー有効利用 安定度面からの課題解明 2030 年代以降に向けた技術 2010 2020 2030 設備診断技術高度化 配電系電圧管理の高度化 単独運転防止 /FRT 需要家サイド連携による対応技術 アセットマネジメント 需給一体化 エネルギーマネジメント 需要家を含む情報 通信インフラ 次世代機器 安定化方策 供給サイド対応 新型配電機器 センサネットワーク 需要家を含む情報通信インフラ エネルギーマネジメント (EMS) の高度化 需要家側との連携を考慮した運用 需要家サイド連 EV/PHEV 充電インフラ高度化 デマンドレスポンス 次世代電力機器 携 37

電中研の取り組み : 次世代グリッド研究 将来の電力供給インフラに必要となる技術開発を 2008 年より実施 以下の観点を踏まえて供給サイドの技術を中心に研究を推進 再生可能エネルギーの活用 高い供給信頼度の効率的な維持 将来の需要家サイドとの連携のための技術開発への取り組みも実施 需給一体化 デマンドレスポンス 38

次世代グリッド研究の実施状況 PV 大量導入下での高効率 安定供給技術 PV 余剰対応 系統事故時安定性 PV 大量導入の需給面への影響評価 新型配電機器 次世代通信ネットワーク技術 需要地系セキュア通信ネットワーク 広域 高速制御ネットワーク 設備監視用センサーネットワーク サイバーセキュリティ技術 需要家サイド連携技術 費用便益評価 デマンドレスポンス 技術報告 1 でご紹介 技術報告 2 でご紹介 39

まとめ スマートグリッドに関する取り組みは端緒に就いたばかり 費用対効果も不透明な部分があるものの 様々な期待が寄せられている 電中研が考えるスマートグリッドのコアは 低炭素社会の実現に寄与する高効率 高品質高信頼度な電力システム 以下の 4 要件を満たすことが不可欠であり 電中研は 4 要件実現のための技術開発を進める 40

電中研が考えるわが国の スマートグリッドの要件 1 再生可能エネルギー ( 主として太陽光発電 ) の有効活用を可能とすること 2 安定運用を確保し大規模停電のリスクは極力小さいこと擾乱 停電回復力に優れていること 3 設備維持管理の高度化, リプレース等を通じて設備面で時代ニーズに対応すること 4 省エネ エネルギー有効利用を需要家と一体的に実現可能とすること 41