電力の系統制約を解決する取り組み「コネクト＆マネージ」とは？

電気を発電所から消費者まで送る送電設備の容量には限界があります。送電線の容量が足りない場合には、送電設備を増強する必要がありますが、設備増強には多くのコストや時間がかかるため、系統制約の要因となっていました。

そこで近年では、既存の送電設備の空き容量を有効に活用する取り組みとして、コネクト＆マネージと呼ばれる制度が世界で注目を集めており、日本でも、イギリスなどの導入事例を参考にして、「日本版コネクト＆マネージ」の実現に向けた様々な取り組みが検討・実施されています。

コネクト＆マネージとはどのような制度なのでしょうか。また、「日本版コネクト＆マネージ」にはどのような特徴があるのでしょうか。詳しくご説明します。

電力系統における需給バランス維持の重要性

電力系統とは、「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」のことを言います[*1]。

電力系統においては、電力需要と供給量（発電量）のバランスを維持することが重要です。なぜなら、需給バランスが崩れてしまうと周波数乱れが生じ、発電所の発電機や工場の機器などに悪い影響を及ぼし、場合によっては大規模停電につながる恐れがあるためです[*1], (図1)。

図1: 電気の需給バランスの維持
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

系統制約とは

　　
太陽光や風力など再生可能エネルギーの導入が近年活発化していますが、発電量が天候に左右されやすい再生可能エネルギー由来の電気には、そのコントロールがとても難しいという課題があります[*1]。

また、電力系統を構成する送電線には電気を流せる容量に上限があり、容量に空きがない場合、増強工事などが必要となりますが、新たな系統を作るには、多くのコストと時間を要します[*2]。

このような系統に関係する問題を「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」の2つに大別されます[*1], (図2)。

図2: 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

また、「容量面での系統制約」はさらに2つに分類できます。まず、「エリア全体での需給バランス」とは、電力供給が電力需給を上回った場合に発生する制約のことです。この時、火力発電など電力調整が比較的容易な電源の発電量を減らしたり、揚水発電の動力として電力需要を増やしたりすることによって制約を緩和させることができます。

次に、「送電容量の制約」とは、既存の送電設備の容量に空きがなくなることによって再生可能エネルギーの発電量を増やすことができなくなる制約のことです。発電事業者から系統への新たな接続契約の申込みがあった場合には通常、その送電容量の中で申込み受付順に送電できる容量を確保していますが、空きがなくなった場合には新たに接続できません。

最後に、「変動面での系統制約」は、再生可能エネルギー由来の電力が持つ出力変動の大きさに起因する制約です。天候によって発電量が変動してしまうため、需給バランスを安定させるためには、その調整が必要となりますが、バランスが維持できないと停電につながってしまう場合があります。

送電容量の制約とは

＜日本における送電容量の現状＞

日本では現在、送電設備の容量に空きがない「送電容量の制約」が大きな問題となっています。実際、2016年9月から2017年8月までの東北地方の主要幹線における容量を見ると、空きがほとんどないことが分かります[*3], (表1)。

表1: 東北地方における主要幹線の空容量および利用率

出典: 京都大学「更に、系統空容量問題を考える」
https://www.econ.kyoto-u.ac.jp/renewable_energy/occasionalpapers/occasionalpapersno53

表1の平均設備利用率を見ると、全ての設備で20％を切っているため、空き容量がゼロなのはおかしいと思うかもしれません。しかしながら、発電は何十年にもわたり電気を作り続けるビジネスのため、新規に始める事業者が、何十年にもわたって確実に送電できるかどうかに配慮する必要があります[*4]。

例えば、いつも100万kWの電力を流している送電線が、落雷事故によって故障してしまい、電力をいつも通りに流せなくなってしまった場合、停電につながりかねません。

そこで、1本の送電線が故障した場合でも、ほかの送電線でカバーして停電を防げるよう「N-1基準」と呼ばれる制度が採用されています[*4], (図3)。

図3: N-1基準のイメージ
出典: 資源エネルギー庁「送電線『空き容量ゼロ』は本当に『ゼロ』なのか?～再エネ大量導入に向けた取り組み」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/akiyouryou.html

また、実際に使える容量である「運用容量」についても、いつも最大限に活用されているわけではありません。日本では、発電事業者が新たに発電ビジネスを開始する場合には、系統への接続契約の申込みが必要となります。接続契約において、公平性や透明性を保つため、系統の容量は申し込んだ順に確保されています[*4], (図4)。

図4: 接続契約のイメージ
出典: 資源エネルギー庁「送電線『空き容量ゼロ』は本当に『ゼロ』なのか?～再エネ大量導入に向けた取り組み」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/akiyouryou.html

そのため、既に接続契約を行った事業者Aが発電を開始しておらず、実際の運用容量に空きがあったとしても、接続契約時点で容量が埋まっている場合には、空き容量がゼロとされ、新たな事業者Bは電気を系統に流せないことになります。

また、接続契約申込みで基準となる容量は発電量の平均値ではなく、最大量で評価されます。そのため、平均的な送電線の設備利用率は低いにもかかわらず、空き容量はゼロになってしまうことがあります。

＜系統増強や新設のコスト＞

そのため、再生可能エネルギーを促進していくためには、系統の容量を増やす増強や新設が必要となりますが、新たな送電設備を作るには、多くのコストや時間がかかります[*1]。

そもそも、系統接続に要する工事費は、発電所から一次変電所までが系統連系希望者の全額負担となっており、変電所以降は連系希望者とエリア内の電気の消費者によって賄われています[*2], (図5)。

図5: 系統設備設置における費用負担
出典: 資源エネルギー庁「系統接続について」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/grid/01_setsuzoku.html

系統連系希望者の全額負担となる電源線の平均的な設備コストは、電圧によって異なりますが、風力や小水力など電圧階級が6～7kWの1kmあたりの建設コストが0.12億円、火力など500kWとなると1kmあたり3億円と高額です。また、新たに増設するとなると工事の時間もかかるため、完成までのリードタイムの短い太陽光などの推進の足かせとなっています[*2, *5]。

コネクト＆マネージとは

以上のように、新たな送電設備の建設には多くの時間とコストがかかるため、必要な系統増強は進めながらも、既存の設備を効率的に活用できるような取り組みを進めていくことが求められています[*4]。

現在、上記の課題を解決する方法として、「コネクト＆マネージ」と呼ばれる制度が注目を集めています。コネクト＆マネージとは、イギリスやアイルランドなどで導入されている制度で、既存の設備における緊急時用に空けておいた容量や、容量を確保している電源が発電していない時間などの「すきま」をうまく活用して、より多くの電気を流せるようにしようとするものです[*4], (図6)。

図6: コネクト＆マネージのイメージ
出典: 資源エネルギー庁「送電線『空き容量ゼロ』は本当に『ゼロ』なのか?～再エネ大量導入に向けた取り組み」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/akiyouryou.html

イギリスにおけるコネクト＆マネージ導入事例

　　
イギリスやアイルランドのような一部の国では、系統の増強工事が完了する前に、一定の条件下で系統への接続を認めるコネクト＆マネージを導入しています[*6]。

制度導入以前のイギリスでは、北部エリアにおける送電容量が不十分であったため、風力発電を中心とした再生可能エネルギー事業者が計画していた1,200万kWもの容量が一時接続待ちの状況となっていました。そこで電力ネットワークの規制と監視を行う政府機関であるOfgemは、2011年から系統増強が完成するまでの間にコネクト＆マネージを認める制度を開始しました[*6], (表2)。

表2: イギリスにおけるコネクト＆マネージの接続状況(2015年)

出典: 特定非営利活動法人 国際環境経済研究所「コネクト＆マネージ」
https://ieei.or.jp/2018/02/special201608023/

コネクト＆マネージはすべての電源が接続対象となりますが、2015年には再生可能エネルギーの割合が将来の接続予定を含め84％を占めるようになるなど、再生可能エネルギー普及の一助となっています。

一方、イギリスでは、コネクト＆マネージの導入による課題も顕在化しています。例えば、2013年以降はコネクト＆マネージによる接続電源の急増により、系統混雑とそれに伴う出力制御が頻発するようになりました。意図的に混雑状況を作り、故意に補償金を受け取ろうとする事業者も現れたことなどにより、出力制御による補償額は2014年に1億ポンド（約154億円）と、国民負担が増大しました。

Ofgemは、監視を強めるなど出力制御のコスト削減を図っていますが、日本でもコネクト＆マネージを導入する際には、このような課題があることに留意する必要があります。

日本版コネクト＆マネージの実現化

先述したような系統制約に対処するため、日本政府は近年、イギリスのコネクト＆マネージを参考に「日本版コネクト＆マネージ」の仕組みを実現化していく方針を打ち出しました[*6]。

日本版コネクト＆マネージではまず、実際の利用状況を想定した際の空き容量を算定し、算定された空き容量に新規容量を連系する「想定潮流の合理化」を行うとしています[*6], (図7)。

図7: 日本版コネクト＆マネージの方向性
出典: 特定非営利活動法人 国際環境経済研究所「コネクト＆マネージ」
https://ieei.or.jp/2018/02/special201608023/

また、事故時に瞬時遮断する装置を新規の発電設備に設置することにより、緊急時用に確保している枠を解放することで運用容量を拡大する「N-1電制」や、系統に空がある時間帯のすきまを利用する「ノンファーム型接続」を実施するとしています。

想定潮流の合理化とは

　　
想定潮流の合理化とは、実際の利用状況に近い考え方で想定した潮流（電力の流れ）に基づき空き容量を算定する手法を言います[*7]。

これまで送電線の容量は、運用容量を超えないように接続されている電源が全てフル稼働する前提で確保されていました。また、太陽光や風力については全てが同時にフル稼働することはまれであるため、実際の発電量と使用できる発電量に差がありました。

そこで、実態に基づいて空き容量を算定する取り組みとして、2018年4月から想定潮流の合理化が開始されました [*8], (表3)。

表3: 接続検討等で想定潮流の合理化による効果があったケース

出典: 電力広域的運営推進機関「広域機関における『日本版コネクト＆マネージ』の検討について」
https://www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/saisei_kano/pdf/011_02_00.pdf, p.6

例えば、1,200MWの運用容量を有するある送電施設では、当初の想定潮流が1,142MWであったのに対し、実際の利用状況に即して想定潮流を算出した結果、当初より312MWも低い830MWまで抑えられることが確認されました。

以上のように全国で合理化適用による効果を取りまとめた結果、約590万kWの空き容量拡大の効果があることが確認されており、今後はこれらの空き容量の活用が期待されています。

N-1電制とは

　　
送電線が事故などによって1本故障した場合でも途切れなく電気を流すため、送電線の容量の一部は緊急時用として確保されており、これを先述したように「N-1基準」と呼びます[*7]。

しかしながら、いつ起こるか分からない事故のために、常に流せる電気の容量を制限していることは必ずしも効率的とは言えません。そこで、緊急時用に空けておいた容量の一部を事故が起こった際には瞬時に発電を遮断することで、平常時にも活用できるようにする仕組みとして「N-1電制」が2018年10月から先行適用されています[*7, *9], (図8)。

図8: N-1電制適用前と適用後のイメージ
出典: 電力広域的運営推進機関「通設備の整備計画の策定(送配電等業務指針 第55条関連)におけるＮ-1電制の考え方について(補足説明資料)」
https://www.occto.or.jp/access/oshirase/2018/files/20220705_n-1densei_hosoku.pdf, p.3

全国での調査の結果、約4,040万kWの接続可能容量が確認されており、2021年11月時点で既に約650万kW分の容量が活用されています。また、2022年7月から本格的なN-1電制が開始しており、2023年4月からは費用負担を含めた運用が開始予定など、取り組みが前進しています。

 ノンファーム型接続とは

　　
系統に接続している電源であれば、平常時は確保された容量の範囲内で自由に発電することができます。このように、系統に確保した容量を確実に発電できる接続は「ファーム型接続」と呼ばれます[*7]。

一方で、系統は常に容量いっぱいまで電気が流れているわけではないため、時間帯によっては容量にすきまが生まれます。このような系統が空いている時間帯のみ電気を流す前提で新規の電源接続を認める方法を「ノンファーム型接続」と言い、導入が進められています[*7, *10], (図9)。

図9: ノンファーム型接続による送電線利用イメージ
出典: 資源エネルギー庁「再エネをもっと増やすため、『系統』へのつなぎ方を変える」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/non_firm.html

実際に、ノンファーム型接続は2019年に東京電力パワーグリッド株式会社の千葉・鹿島エリアで試験的に開始され、2021年1月13日から全国への展開がスタートしました。ノンファーム型接続が可能かどうかは、一般送配電事業者が公開する「空き容量マップ」などで確認することができるため、新規で発電所建設を計画する場合にはまず、「空き容量マップ」を確認するのが良いでしょう[*10]。

日本版コネクト＆マネージの今後の展望

現状の電力系統に大幅な投資をしないで再生可能エネルギーの導入を促進する手法であるコネクト＆マネージ。既にノンファーム型接続は全国的な展開がスタートし、N-1電制についても2023年4月には制度変更が予定されるなど、更なる普及が期待されています。

しかしながら、日本版コネクト＆マネージを推進する上で、課題も山積しています。例えば、ノンファーム型接続での売電事業を行う際、「系統混雑時の出力抑制が、年間でどの程度の量になるのか、わからない」といった懸念があります[*11]。

また、接続を開始した半年から1年程度であれば出力抑制量を大まかに推定できますが、10～20年後には新たな再生可能エネルギーが接続されたり、系統設備が増強されたりする可能性があるため、投資判断が難しくなるといった課題もあります。

将来的な新規電源の接続量などデータの正確性を高め、潮流予測のノウハウとしてより多くの事業者が活用できるようにすることが、ノンファーム型接続のようなコネクト＆マネージ成功のカギと言えるでしょう。

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