[再生可能エネルギーと電力システム技術]

再生可能エネルギーと電力システム技術

─第3回 再生可能エネルギーの出力変動をどう解決するか─
2013/05/01
(水)

太陽光発電や風力発電の出力変動によって、電力の需要と供給にアンバランスが生じた場合に、現状の電力系統(電力システム)の運用指針に従うと、各電力会社はそれぞれ自らの地域内のアンバランス分だけを補償するように供給力の調整を行うことが想定される。しかし、将来的には、各電力会社のそれぞれの地域内だけに限らず、各電力会社が広域的に連系した系統(電力システム)内で、お互いに助け合いながら需給調整するほうが効率化を推進できると考えられる。今回は、このような考え方の仕組みや、スマートグリッドに期待される役割について、その一端を解説しよう。

再生可能エネルギー電源の出力変動に対する解決策

〔1〕2つの系統で考えてみる

特定の地域で生じた再生可能エネルギー電源の出力変動に対して、当該地域の供給力を調整するだけではなく、地域間連系線注1を活用して、他の地域でも変動補償の制御を実施し、電力会社全体を連携させた電力システム(連系する広域系統全体)で需給バランスを一致させるような制御も考えられる。

例えば、同じ電力供給容量の2つの系統(電力システム)A、Bがあり、その両者において、太陽光発電の出力変動が同程度生じた場合を考えてみよう。

図1(a)の下図(実線と点線)に示すように、A、B両地域でまったく同じタイミングで変動が生じた場合は、A、Bを合計した出力変動の大きさは、各地域の変動の大きさをそのまま合算したものとなる。したがって、A、B両地域を通じて必要となる供給力の調整量の合計は不変である。

しかし先に述べた通り、両地域の変動は時間がずれて生じると考えられるため、両地域を取りまとめて仮想的に1つの地域として考えれば、「ならし効果」注2の影響によって、図1(b)に示すように、相対的に合計の変動量は図1(a)より小さく見える効果が期待できる。また、地域間連系線を通じて両地域全体で電力の需給バランスを維持する場合は、両地域での「ならし効果」を十分に発揮させるための方策と考えられる。

図1 地域間連系線の活用とならし効果

図1  地域間連系線の活用とならし効果

〔2〕A地域(容量大)とB地域(容量小+再生可能エネルギー)の場合

広域的に連系した系統の全体で需給調整を試みることは、各系統の容量や再生可能エネルギーの導入比率が異なる場合には、特に効率化を推進できる可能性がある。

ここで、図2に示すように、

  1. A地域の系統容量注3が非常に大きく
  2. B地域は系統容量が小さいものの再生可能エネルギーの導入比率が大きい

場合を考えてみよう。このようなケースは、とくに導入量の偏在化(片寄って導入されること)が考えられる風力発電に関して生じやすい。

図2に示すB地域は系統容量が小さいため、風力発電の出力変動を補償するための大きな調整余力電力の確保は厳しい環境となる。しかしその一方で、A地域は、B地域の調整力(図2の右下)に比べて系統容量が非常に大きく調整力も大きいため(図2の左下)、B地域の変動量は相対的に小さい変動に見える。このため、調整余力確保の負担は比較的小さいものとなる。

図2 両地域の容量や再生可能エネルギーの導入量に差異がある場合

図2  両地域の容量や再生可能エネルギーの導入量に差異がある場合

したがってA地域の大規模電源群が、B地域の風力発電の出力変動を補償するように制御を実施することによって、B地域に大きな負担をかけずに風力発電の導入推進が実現できると考えられる。ただしこの場合、図2の上部の波に示すように地域間連系線に不確実な変動成分が流れることになる。

なお、現状の地域間連系線の運用方法では、このような変動成分を流すことは許容されていないことに注意していただきたい。

〔3〕電力システム改革専門委員会の提言

上記のように、地域間連系線を活用して、より広域の地域内で電力の需給変動を維持することによって、変動補償に要する各電力会社の負担を低減できるため、全体として経済性の向上が見込めることになる。

電力システム改革専門委員会が2013年2月15日に発表した最終報告書注4では、現在の連系線利用の管理を担う電力系統利用協議会(ESCJ)注5と比較して、より大きな権限をもつような広域系統運用機関の設置を提言している。

その趣旨に従えば、従来の電力会社間の垣根を越えた運用の実現によって、全体としての運用の効率性が向上できると考えられる注6

より広域的な地域での運用を実現する場合、調整力の確保に要するコストを電力会社間で配分することが必要となる(例えばB地域で生じた変動をA地域が補償した場合、B地域はその変動補償の実施に対して、A地域の系統運用者に対価を支払う必要があると考えられる)。しかし、電力の発生と消費はエネルギーという形で明確であるが、このような変動補償に要するコストは、エネルギー以外の価値であり、価格付けが容易でないことが問題となる。

いわゆる“アンシラリーサービス”注7と呼ばれる、エネルギーとしての電力の授受以外の(系統運用の安定化に役立つ)取引(上記の事例では“予備力注8もしくは調整力”の取引)については、費用や利益を透明・公平なルールのもとに適切に算定することの困難さは、以前からよく知られている。海外では“予備力市場”など、市場取引をベースとした方法によってアンシラリーサービスが確保されている事例もあるが、我が国では議論の途上である。


▼ 注1
地域間連系線:電力会社間で電力を相互に融通し合うために敷設された送電線。

▼ 注2
ならし効果:電力変動が平準化される効果。本連載第2回(2013年3月号)を参照。

▼ 注3
系統容量:その系統に含まれる電力需要の大きさ。

▼ 注4
「電力システム改革専門委員会報告書」について(経済産業省)、2013年2月15日
http://www.meti.go.jp/committee/sougouenergy/sougou/denryoku_system_kaikaku/report_002.html

▼ 注5
ESCJ:Electric Power System Council of Japan、一般社団法人電力系統利用協議会。2004年6月、日本における唯一の「送配電等業務の中立機関」として、経済産業大臣の指定を受けて創設された。その主要な業務は、行政のチェックの下で電力系統(電力システム)に関するさまざまなルールの策定・監視、給電連絡業務、系統情報を提供すること。

▼ 注6
なお本件に関しては、これまでにも着実な検討の実績があり、例えば「北海道−東北−東京」の3地域で、「電力システム改革専門委員会報告書」と同様の趣旨の実証試験が行われてきた経緯がある。

▼ 注7
アンシラリーサービス:Ancillary Service、電力品質の管理を行う付加的なサービス。電力会社の送電網や配電網には電気を送る機能とともに、電圧や周波数を安定的に管理するなど電力の品質維持機能や、故障時に対処するための予備電力の確保などがあるが、これをアンシラリーサービスと呼ぶ。

▼ 注8
予備力:予想される最大の電力需要に対して、さらにどれくらい発電能力の余力があるかを表すもの。

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