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日本式は高い 欧米の「省・蓄電池型」再生エネ導入に注目

 ドイツや米国カリフォルニア州では、再生可能エネルギーを30%以上の高い比率で導入する目標を掲げている。風力発電や太陽光発電の大量導入には、出力変動を安定化するため、当初相当量の蓄電池が不可避と言われてきたが、実証研究の結果、電力市場と連動した需要側設備の自動制御によって蓄電池の必要量がかなり下げられることが分かってきた。(日経BPクリーンテック研究所)

欧米では、温暖化対策ばかりでなく、エネルギーセキュリティー、地域住民の雇用確保などの視点から、再生可能エネルギーを高い比率で活用しようとの機運が高まっている。すでに電力に占める再生可能エネルギーの比率が100%に近くまで増やした都市も出てきた。

日経BPクリーンテック研究所が2013年6月28日に発行する『次世代社会創造プロジェクト総覧』によると、スウエーデンのベクショー市(人口約8万人)やデンマークのロラン島(人口6万5000人)などは、電力消費のほぼ100%を再生可能エネルギーで賄うことを達成したと宣言している。ベクショーは林業の残材を利用したバイオマス発電、ロラン島は洋上も含めた風力発電だ。

このうちバイオマス発電は、従来の火力発電と同様、電力需要に合わせて電力を供給できるため、高い比率で利用しても電力品質に何ら問題はない。だが、天気による出力変動の大きい太陽光や風力を主体に、再生可能エネルギー比率(再エネ比率)で100%を達成することは容易でない。デンマークのロラン島は、年間を通じてみると島の需要以上の電力を風力で発電しているが、海底ケーブルによって欧州全体の電力系統網につながっており、風の多い時は電力を輸出し、少ない時は島外から輸入している。

米国で需要高まるエネルギーストレージ

電力の品質を安定的に保つには、電力の需要と供給を瞬時に一致させる必要がある。一般的に、系統電力網に流れる電力源に占める風力と太陽光発電の割合が20~30%にまで高まってくると、電力の品質に影響が出てくると言われる。ロラン島の電力需要に対する風力発電量の割合が瞬間的に100%を超えても電力品質を保てるのは、欧州全体として見れば再エネ比率が20%に満たない大きな電力系統に支えられているからとも言える。

だが、今後、欧米では風力と太陽光発電の導入がさらに進む。EU(欧州連合)は、2020年に再エネ比率再を20%にすることを各国に義務付けている。これは一次エネルギーを分母にした比率だ。自動車燃料の脱・化石燃料はかなり先になることから、電力部門の再エネ比率を50%前後まで高めることで、一次エネルギー全体で20%を達成することが各国政府の基本的な戦略になっている。

また米国では、複数の州政府が「RPS(Renewable Portfolio Standard)制度」を導入し、一定量の再生可能エネルギー由来の電力供給を電力会社に義務付けている。例えば、カリフォルニア州は、「2020年に33%」の再生可能エネルギー由来電力の供給を各電力会社に求めている。

EUと米カリフォルニア州では、電力供給に占める再生可能エネルギーの比率が30%以上になることを想定しており、その多くを開発余地の大きい風力と太陽光発電に期待している。出力変動の大きい風力と太陽光を大量に導入しながら需給をバランスさせるには、風力と太陽光の出力変動を補うバックアップ用の電源と、風力が需要以上に発電した場合に電力を貯めておく何らかの「エネルギーストレージ(蓄エネルギー設備)」が必要になる。

こうしたバックアップ用電源は、「アンシラリー電源」と呼ばれ、通常、短期間で出力を変動させやすいガス火力や水力が使われる。エネルギーストレージには、揚水や大型蓄電池が有望とされてきた。

カルデラ湖の利用で100%風力に

実はすでに、電力の輸出入なしで風力100%の達成に近い地域がある。アフリカ大陸の北西沿岸に近い大西洋上にあるエル・イエロ島だ。同島は標高1501mの火山島で山頂にカルデラ湖がある。海岸沿いに人工的に貯水池を建設し、風力の電力を使ってカルデラ湖に水を汲み上げ、下の貯水池との落差を利用して発電して約1万人の住民に電気を供給する。

貯水池の水量は15万立方メートル(m3)。風力発電の出力は11.5MWあり、この電力で揚水ポンプを回す。揚水発電の定格出力は11.3MWになる。風力の電力はすべて揚水に使い、電力供給は揚水発電で送電する計画で、既存のディーゼル発電設備は、例外的に活用する。

エル・イエロ島が風力だけで電力を経済的に自活できる可能性が高いのは、天然のカルデラ湖という相対的に低コストのエネルギーストレージを活用できるからだ。だが、地形的に揚水を使えない地域では、風力の増設に伴い、出力変動を補うための新たなアンシラリー電源やエネルギーストレージが必要になる。

検証進む「需要の柔軟化」

米ウエストバージニア州ローレルマウンテンには、尾根伝いに、約20kmにわたって61基の風力発電設備が並ぶ。2011年10月に稼働を始めた98MWのウインドファームだ。このウインドファームには、電力系統用としては米国で最大級となる32MWのLi(リチウム)イオン電池を併設している。この蓄電池を設置し、運用しているのはAES Energy Storageだ。風の状況によって時時刻刻と変動する風力発電の出力を、蓄電池への充放電と連携することで瞬時に調整し、電力会社の要求する電力の品質を維持しつつ、系統網に流している。

同社は2007年に創業して以来、米国の5つの送電運用管内などで、建設中を含め76MWもの系統用蓄電池を設置・運営している。こうした需要は大きく、現在、さらに500MW分の蓄電池システムを開発中という。

米国では風力発電と太陽光発電の増加に伴い、その変動を補うアンシラリー用のガス発電所とエネルギーストレージ需要の増大がすでに顕在化している。AES Energy Storageの事業が拡大しているの、その一例だ。蓄電池のほか、より低コストのフライホイールや圧縮空気をエネルギー貯蔵手段に使う試みもある。

だが、アンシラリー電源とエネルギーストレージの増設は、稼働率の低い設備が電力系統網に必要なことになる。このため、電力システム全体の運営コストが上がり、最終的には電力料金の上昇につながる。そこで、欧米のスマートグリッド実証で優先的に試されてきたのが、電力供給に合わせた「需要の柔軟化」、つまり需要家の持つ電気設備を制御する技術的・制度的な検証だ。

高速ADRに期待

北米ではもともと、電力需給の逼迫が予想される日時の1日前に、大口需要家などに通知して需要を抑制してもらい、対価を支払うという「デマンドレスポンス(DR:需要応答)」が普及している。

こうした仕組みを風力や太陽光発電の連系可能量の増加にも活用する試みが出てきた。1日前に需要抑制を要請するのではなく、天気の変化に機敏に対応して、分レベルの事前要請で需要抑制を依頼する。こうなるとマニュアルで電気設備を操作していては間に合わないので、需要調整にはDRの自動化が必要になる。DR指令を受け取ると、あらかじめ設定したプログラムに従ってコンピューターが電気設備を自動的に制御し、迅速に電力需要を削減する。これを「高速ADR(Automated DR:自動DR)」と呼ぶ。

カナダのEnbala Power Networksは、廃水処理施設のポンプを高速ADRで制御する仕組みを「Grid balance」というサービス名で電力会社に提供している。出力変動を受け入れることで廃水処理施設にも対価が支払われるので、経済メリットがある。

米ローレンスバークレー国立研究所は2012年7月に、「高速ADRと再生可能エネルギーの統合」と題した報告書を公表した。同報告書によると、カリフォルニア州全体の商業と産業施設にある出力調整可能な電気設備を対象に高速ADRを実施した場合、0.18G~0.9GWの需要を抑制できると試算した(表1)。

高速ADRのために多少の投資をすれば、調整できる需要は0.42G~2.07GWまで増える。高速ADRを想定した設備は空調、照明や冷凍・冷蔵庫などだ。高速ADRによる需要調整コストは、蓄電池を使った場合の10分の1に過ぎないという。ただ、カリフォルニア州の再生可能エネルギー導入目標である「電源構成の33%」を達成するには、3G~5GW分の需給調整が必要とされる。高速ADRを補う天然ガス火力とエネルギーストレージによるアンシラリーサービスも必要になる。

「仮想発電所」が需給を調整

再生可能エネルギーによる化石燃料の代替を急ぐドイツでも、「Eエナジー」という大規模な実証プロジェクトを実施し、風力と太陽光の出力変動に合わせた需要制御に取り組んできた。ドイツはすでに2012年に電力需要の約17%を再生可能エネルギーで賄っている。同国政府は、この比率を2020年に35%、2050年に80%にする目標を掲げる。すでにあと10年で40%に高めることは可能との調査結果がある。

Eエナジー・プロジェクトは、高い比率の再生可能エネルギーの利用と低コストで安定的な電力供給を実現させるための技術や制度を検証するのが目的だ。6地域で延べ約5000の住宅と事業所が参加した。

クックスハーフェン市では、風力発電による電力の変動に対応し、産業用の冷凍冷蔵倉庫、市営プールなどの大型コンプレッサー(圧縮機)を活用して需要を調整する試みを実証した。冷凍冷蔵倉庫などと電力取引市場を連動させ、風力発電の発電量が多く電力価格が安い時間にコンプレッサーを稼働して庫内を十分に冷やしておき、電力単価が上がった場合に買電を止めて自動的にコンプレッサーを停めるなどの仕組みを試した。

この結果、風力の出力変動を吸収するための従来型火力発電所の利用を15%減らしても地域の需給バランスを維持できると同時に、冷凍冷蔵倉庫の事業者は6~8%の電気代の削減を達成した。また、参加した工場にはコージェネレーション(熱電併給)システムがあり、風力発電の稼働状況と電力市場価格を考慮しながら、コージェネシステムの稼働を最適に制御したことで、光熱費を16%削減することができた(図1)。

また、ハルツ地域では、家電の自動制御を実証した。同地域では、すでに系統電力に占める再生可能エネルギー由来電力の割合が風力を主体に30%に達しているが、まだ風力の潜在的な開発余地は大きく、太陽光発電も伸びる見込みだ。

同地域のプロジェクトでは、「仮想発電所ハルツ」と名付けた、再生可能エネルギーの監視・制御と電力取引市場を連携させる機関を創設することで、変動の大きい風力の系統連系量を増やすことを目指した。「仮想発電所」は風力・太陽光の発電量と電力・熱需要の負荷を事前に予測し、そのギャップを埋めるため、バイオガス発電所やコージェネ施設など分散型エネルギー事業者に供給調整を依頼するとともに、電力取引所と連携して電力需要の調整に適切な料金を決める。

住宅では、住宅エネルギー管理システムが、電力価格に基づいて一部の家電を自動制御して消費量を調整する。実証の結果、今後、風力発電を増やしつつ、需給を一致させる方法としては、風力の発電量予測をもとに、電力の市場価格を適切に変動させ需要を調整する手法が、アンシラリー用火力発電の増設やエネルギーストレージ設備の導入に比べ、大幅に低コストになることが分かった(図2)。

「リアルタイム電力市場」が実証開始

こうした成果を踏まえ、デンマークのボーンヘルム島では、欧州10カ国で構成するEcoGrid EU コンソーシアムが行う「EcoGrid EUプロジェクト」が始まった。すでに供給電力に占める再生可能エネルギーの割合が50%を超えている電源構成を利用し、変動する需要と供給をバランスさせる手法として「リアルタイム電力市場」を創設。需給によって電力価格を変動させて売買を活発化することで、電力市場をベースに需給バランスを保つ仕組みを実証する。分単位に変化する市場価格の情報を住宅内のスマートゲートウエイとコントローラーを通じてリアルタイムで収集・判断し、価格に応じで家電(ヒートポンプと電気ヒート設備)の稼働状態をコントローラーが自動的に制御する。

この仕組みは、北米の高速ADRと近い概念と言える。北米のADRの場合、電力会社や電力会社からDRを請け負ったアグリゲーターからのDR指令に基づいて家電を制御する。これに対し、EcoGrid EUプロジェクトではアグリゲータ―を介したシステムのほか、ドイツのハルツ地域の実証を参考に市場価格の情報で各家庭のコントローラーが自律的に家電制御を判断・指令する。こうした2つの方式を実証する予定だ。

需要家機器の自動制御に関しては、米国では「OpenADR」と「SEP」、欧州では「EEBus」と「KNX」が標準規格として決まっている。OpenADRとEEBusは電力供給者から住宅への通信規格、SEPとKNXは家電通信の規格だ。こうした通信規格を使った需要制御の技術的な実証と電力市場と連携した制度づくりが着々と進んでいる。

日本では、風力発電や太陽光発電の増大に備え、蓄電池の設置を前提にコストの議論をしてきたが、欧米では蓄電池とアンシラリー電源を増設せずに、いかに大量の風力発電と太陽光発電を導入するかという視点で実証が進み、成果をあげつつある。

このまま日本が「蓄電池併設型の再エネ導入」、欧米が「需要制御型の再エネ導入」を進めれば、電力システムの稼働率で大きな差が付き、電力インフラの資産効率の悪い日本では、高い電力料金を需要家が背負い続けることになる。ようやく発送電分離の決まった日本では、電力市場と連携した自動的な需要制御の本格的な実証は検討さえされていない。彼我の差はあまりにも大きい。

(日経BPクリーンテック研究所 金子憲治)

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