出力が変動しやすい再生可能エネルギー管理に求められる「系統柔軟性」とは？

太陽光や風力などの再生可能エネルギー由来の電気は、発電量が天候によって変動してしまうため、そのコントロールがとても難しいという特徴を持っています[*1]。

再生可能エネルギーの更なる普及に向けては、この変動性を如何にして管理するかがカギとなります。そこで重要になるのが、電力系統の柔軟性です。

発電や送電、あるいは変電や配電のために使う電力設備を構成するシステムのことを、「電力系統」と呼びます。電力系統の柔軟性は、電力需給のバランスを保ち、電力の安定供給に欠かせません。

電力系統の柔軟性を高める手段を検討する際のポイントは、大きく4つあります。

それでは、ポイントとなる4つの構成要素とはどのような内容なのでしょうか。詳しくご説明します。

電力系統の仕組み

電力系統（電力ネットワーク）とは、「発電や送電、あるいは変電や配電のために使う電力設備がつながって構成するシステム全体」を指します。人間の血液のように全国各地にネットワークが張り巡らされており、発電所で作られた電気を効率よく日本全体に運んでいます[*1, *2], (図1)。

図1: 全国に張り巡らされた電力系統（電力ネットワーク）
出典: 電力広域的運営推進機関「電力ネットワークの仕組み」
https://www.occto.or.jp/grid/public/shikumi.html

電力系統は効率的に電気を運ぶため、大容量の電力を送る基幹系統から、地域内の発電所等をつなぐローカル系統、消費者をつなぐ配電系統まで、電圧を変えながら電源（発電所）と需要（消費者）を結んでいます。送電線は他地域のローカル系統ともつながっているため、電気の発電量が需要量より多い場合には、他地域に電気が送られることもあります[*2], (図2)。

図2: 電力系統のイメージ
出典: 電力広域的運営推進機関「電力ネットワークの仕組み」
https://www.occto.or.jp/grid/public/shikumi.html

再生可能エネルギー導入にかかる系統制約の問題

電気は、その需給バランスが崩れてしまうと周波数に乱れが生じ、発電所の発電機や工場の機器等へ悪影響を与え、場合によっては大規模停電につながる恐れがあります[*1]。

そのため、需給のバランスを常にコントロールすることが求められていますが、太陽光や風力は発電量が天候によって左右されてしまうため、需給バランスのコントロールが難しいという課題があります。

また、系統を構成する各送電線には電気を流せる容量に上限があります。この容量に空きがない場合、増強工事を行う必要がありますが、新たな系統を作るためには多くのコストや時間を要します。このような系統に関わる制約を「系統制約」と言い、「系統制約」は「容量面での系統制約」と、「変動面での系統制約」に分けられます[*1, *3], (図3)。

図3: 系統制約とは
出典: 資源エネルギー庁「再エネの大量導入に向けて ～『系統制約』問題と対策」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/tokushu/saiene/keitouseiyaku.html

容量面での系統制約

  
容量面での系統制約は、さらに（1）エリア全体の需給バランスと（2）送電容量の制約に分けられます[*1]。

（1）のエリア全体の需給バランスとは、エリア内で電力供給が電力需要より多い場合に発生する系統制約のことです。例えば、太陽光は発電量が天候に左右されるため、晴天に恵まれた場合には、電力需要と比較して発電量が多くなることがあります[*4]。

この時、火力発電やバイオマス発電など出力調整が容易な発電を止めて供給量を調整することもできますが、それでも電力供給量が超過するケースでは、太陽光発電事業者に対して出力抑制を依頼することになります。

次に、（2）の送電容量の制約とは、発電所を接続する送電線の容量がいっぱいであるときに起きる系統制約のことです。事業者は、あらかじめ出力制御の可能性があることに同意した上で事業を開始しますが、太陽光発電や風力発電を行うにあたっては、あらかじめ年間の出力制御に上限を設けることにより事業予見性が高まります。FIT法導入時には、再生可能エネルギー事業者は年間30日を上限として無補償で出力制御に応じることが義務付けられました。また、その後導入された「指定電気事業者制度」では、再生可能エネルギーの導入が拡大している北海道や九州など制御枠を超えるエリアの発電事業者に対して、無制限・無補償での出力制抑を前提に系統への接続が認められていました。[*1, *4]。

なお、「指定電気事業者制度」は2021年4月に廃止されました。現在は、東京や中部、関西エリアを含む全エリアにおいて、無制限・無補償ルールが適用されています[*5]。

変動面での系統制約

  
再生可能エネルギーの出力の変動の大きさも、系統制約が発生する要因の一つです。電力会社は通常、前日に供給エリア全体の需給バランス調整を行うことで、電力需給をコントロールしています[*1, *4]。

しかしながら、太陽光や風力などによる発電は、短期的な出力変動を予測するのが難しく、短期的な需給のアンバランスが発生すると、周波数変動となって電力品質に悪影響を及ぼす可能性があります[*4]。

政府は2021年10月に発表した「第6次エネルギー基本計画」において、2030年度の電源構成の36～38％を再生可能エネルギーで賄うとする目標を設定しました[*6], (図4)。

図4: 2030年度の発電電力量・電源構成
出典: 資源エネルギー庁「2030年度におけるエネルギー需給の見通し(関連資料)」
https://www.meti.go.jp/press/2021/10/20211022005/20211022005-3.pdf, p.73

政府は、天候によって変動しやすい太陽光の割合を14～16％、風力の割合を5％まで引き上げるとするとしています。今後、これらの再生可能エネルギーをさらに促進していくためには、変動面での系統制約の克服が不可欠と言えるでしょう。

系統制約を克服する「柔軟性」

 以上のような変動面における系統制約を克服する手段を検討する際には、出力変動を管理し、電力系統の安定度や信頼度を維持する能力である「系統柔軟性」を高めることが求められています[*7]。

国際エネルギー機関の定義によると、系統柔軟性を供給する構成要素は以下の4つに分類できるとされます。

1. 制御可能な電源
2. エネルギー貯蔵
3. 連系線
4. デマンドサイド（需要側）

それぞれ具体的にどのような内容なのでしょうか。

（1）制御可能な電源とは

  
制御可能な電源とは、火力発電のように、電力需給バランスに配慮して柔軟に出力調整が可能な電源を指します。制御可能な電源は、火力発電だけでなく、貯水池式水力発電や小形ガスタービンによる分散型コージェネレーションなども含まれます[*8]。

例えば、貯水池式水力発電は、河川をダムでせき止め、ダムに溜まった水を活用する発電方式です[*9], (図5)。

図5: 貯水池式水力発電のイメージ
出典: 電気事業連合会「貯水池式水力発電」
https://www.fepc.or.jp/enterprise/hatsuden/water/chosuichi/index.html

河川の水を完全にせき止め、人の手によって水の流れを自在にコントロールできるため、貯水池式水力発電は制御可能な電源と言えます。

次に、コージェネレーションとは、天然ガスや石油等を燃料として、燃料電池やタービン等の方式により発電を行うとともに、その際に生じる廃熱を同時に回収するシステムのことです。国内では、「熱源併給」とも呼ばれます[*10], (図6)。

図6: コージェネレーションの基本形態
出典: コージェネ財団「コージェネの基本形態」
https://www.ace.or.jp/web/chp/chp_0010.html

国内では主に、エンジンやタービンのような内燃機関による方法が用いられ、一部木質バイオマスなど再生可能エネルギーを使ったコージェネレーションシステムも見受けられます。コージェネレーションも貯水池式水力発電と同様、燃料注入のタイミングを自在にコントロールできるため、柔軟性を持った電源と言えます。

（2）エネルギー貯蔵とは

  
エネルギーを貯蔵し、使いたいときに使えるようにすることで、火力発電のような化石燃料に頼ることなく、再生可能エネルギー由来の発電量と需要量を調整することができます。エネルギー貯蔵の手段として、揚水発電や蓄電池、熱貯蔵などがあります[*11]。

例えば、揚水発電とは、発電所の上部と下部に貯水池を作り、電力需要が低い時には上部の貯水池に水を汲み上げて貯めておき、電力需要が高い時に下部の貯水池に水を落とすことでタービンを回転させて電力を生み出す発電方式のことです[*12], (図7)。

図7: 揚水発電のイメージ
出典: 電気事業連合会「揚水式水力発電」
https://www.fepc.or.jp/enterprise/hatsuden/water/yousuishiki/

電力需要の低い夜間に電気を使って水の位置エネルギーを蓄え、電力需要の高い昼間に水の位置エネルギーを使って電気を起こすことから、大きな意味での蓄電施設と考えることができます。

次に、蓄電池とは、1回限りではなく、充電を行うことで電気を蓄え、繰り返し使用することができる電池（二次電池）のことです[*13]。

日本では、北海道電力が道管内の風力発電事業者に対して発電所ごとに蓄電池を設置するよう要件を定めているなど、再生可能エネルギー推進に伴う蓄電池の導入を促進しています。また、発電所ごとに蓄電池を置くだけでなく、送配電設備など電力系統につなげる蓄電池を複数の風力発電事業者が共同で設置する取り組みも始まっています[*1]。

最後に、熱貯蔵とは、再生可能エネルギー源からの余剰エネルギーや廃熱などを貯蔵して冷暖房や発電に再利用する方法のことです。熱貯蔵の身近な例としては、建物に設置されている貯水槽を使った方法があります。水槽に冷水や温水を蓄えることで、再生可能エネルギーを貯蔵して冷暖房や発電に再利用することができます[*14]。

（3）連系線とは

  
連系線とは、電力系統同士をつなぐ送電線のことで、日本であれば電力会社同士の会社間

（地域間）連系線、欧州であれば国際連系線などがあります[*14]。

地域間で電力を融通し合うことで、太陽光や風力など天候によって変動しやすい再生可能エネルギーを効率的に活用できるようになるため、連系線が柔軟性の構成要素の一つとなっています[*16]。

現在、他国間で送電が積極的に行われている欧州では、海底ケーブルなどの送電網を通じて国家間での電力貿易が行われています[*16], (図8)。

図8: 欧州の送電網(2017 年)
出典: 公益財団法人 自然エネルギー財団「国際送電網｜よくある質問」
https://www.renewable-ei.org/activities/qa/ASG.php

日本では、各エリアは隣のエリアと連系線でつながっているものの、融通できる電気の量は限られているため、エリア間で大容量の電気を融通することが難しいとされています[*1], (図9)。

図9: 日本における系統構成
出典: 資源エネルギー庁「再エネの大量導入に向けて ～『系統制約』問題と対策」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/tokushu/saiene/keitouseiyaku.html

再生可能エネルギーを拡大していくためには、欧州のように地域間連携を強め、系統柔軟性を高めていくことが求められています。

（4）デマンドサイド（需要側）とは

  
デマンドサイドマネジメントとは、電気の消費者への働きかけを通じて需要量をコントロールすることによって、効率的に望ましい需給関係を形成しようとすることを意味します[*17]。

消費者が賢く電力使用量を制御することで、電力需要パターンを変化させることをデマンド・リスポンス（DR）と言います。再生可能エネルギーが過剰に出力されている場合には、機器の稼働や、蓄電池の充電を行うなどの「上げDR」を実施することで需給バランスを調整します[*18], (図10)。

図10: 上げDRと下げDR
出典: 資源エネルギー庁「ディマンド・リスポンスってなに?」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electricity_measures/dr/dr.html

一方で、電力需要量が供給量を上回る場合は、需要機器の出力を落とし需要量を下げる「下げDR」を実施することによって、需給バランスを調整します。

需要制御の方法としては、（1）電気料金設定により電力需要を制御する電気料金型と、（2）需要家が電力会社などの要請に応じて電力需要の抑制等をすることによって対価を得るインセンティブ型の2つがあります。

（1）の電気料金型とは、電力需要のピーク時に電気料金を値上げするなど比較的容易に多くの消費者に適用可能な一方で、必ずしも全ての消費者が節電してくれるというわけではないため、効果が不確実というデメリットがあります。（2）のインセンティブ型は、あらかじめ契約を結んだ上で節電を行ってもらう仕組みのため、効果が確実であるという一方で、契約等に手間がかかるというデメリットがあります。

柔軟性向上に向けた分散型電源の推進

  
分散型電源とは、需要家エリアに隣接して分散配置される小規模な発電設備全般の総称であり、住宅に設置された太陽光発電や小水力発電、地域の森林資源を活用した木質バイオマス発電などを指します[*19, *20], (図11)。

図11: 分散型エネルギーモデルの構成要素
出典: 分散型エネルギープラットフォーム 事務局「令和3年度 分散型エネルギープラットフォーム ー結果報告 ー」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/bunsan_plat/03FY/pdf/03_001.pdf, p.1

また、既に紹介した蓄電池やコージェネレーション、熱貯蔵設備も分散型電源の一種です。さらに、電気自動車など次世代自動車も分散型電源と言えます。

電気自動車には蓄電池が搭載されていますが、蓄電池は運転のみならず、余った電力を蓄積しておくことで、電力不足や災害の時に利用したり、電気自動車の所有者が需給バランスを調整するデマンド・リスポンスに活用できます[*21]。

電気自動車や住宅用太陽光パネルなど分散型電源には、私たち消費者でも利用可能なものが多くあります。分散型電源の導入は、私たち一人ひとりが実践できる系統柔軟性の取り組みの一つと言えるでしょう。

日本における変動性再生可能エネルギーの導入段階

太陽光や風力など出力が天候に左右される再生可能エネルギーを、変動性再生可能エネルギー（VRE：Variable Renewable Energy）と言います[*22]。

系統の柔軟性を高めることで、VREを効率的に導入することができますが、VREの導入段階によって、エリア内でのVREの導入が電力システムにどのような影響を及ぼすかが異なります。そのため、段階に応じた課題への対処が重要です[*11], (図12)。

図12: VRE統合の6段階(2019年)
出典: 安田 陽「再エネ超大量導入時代の系統柔軟性」
https://www.jspu-koeki.jp/sinpo/docs/202109_topic3_yasuda.pdf, p.3

国際エネルギー機関によると、VREの導入段階は大きく6つに分けられ、日本はまだ第2段階（VREは電力システムの運用に僅かなもしくは中程度の影響を及ぼす）にとどまるとされています。第2段階から第3段階へとVRE導入率を高めていく際には、電力供給の変動が大きく発生することが懸念されるため、系統柔軟性を高めることがより重要です。

そこで、まずは、電力需給のリアルタイム市場の出力予測精度向上に向けた取り組みや、コストの比較的低い貯水池式水力発電、揚水発電、コージェネレーションなどを組み合わせて導入することによって、柔軟性向上に努めながらVREを効果的に促進することが可能となります[*11], (図13)。

図13: 柔軟性供給の優先順位
出典: 安田 陽「再エネ超大量導入時代の系統柔軟性」
https://www.jspu-koeki.jp/sinpo/docs/202109_topic3_yasuda.pdf, p.11

まとめ

系統柔軟性を高める手段は数多くありますが、VREの導入状況や既に設置されている連系線の状況等によって取りうる手段は異なります。

段階に応じた系統柔軟性向上の取り組みが、太陽光発電、風力発電など再生可能エネルギーの更なる導入のカギとなるでしょう。

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