第 5 章 地域電力ネットワーク運用における経済性と環境性の検証
5.2 地域電力ネットワークの概念と研究課題
第 5 章 地 域 電 力 ネ ッ ト ワ ー ク 運 用 に お け
5.2.1 ス マ ー ト グ リ ッ ド の 構 造 と 特 徴
現 在 話 題 に な っ て い る ス マ ー ト グ リ ッ ド と は 、情 報 技 術(IT)や 先 端 エ ネ ル ギ ー 技 術 を 活 用 し 、情 報・通 信 ネ ッ ト ワ ー ク か ら 電 力 供 給 イ ン フ ラ 構 造 の 信 頼 性 や 効 率 を 高 め よ う と し た も の で あ る 。 主 な IT 技 術 と し て 、 ス マ ー ト メ ー タ の 利 用 が 考 え ら れ て い る 。 こ の 技 術 に よ っ て 電 力 供 給 者 は 給 電 情 報 を 容 易 に 把 握 す る こ と が で き 、 遠 隔 地 の 故 障 の 特 定 や 復 旧 速 度 の 向 上 が 可 能 で あ る 。 さ ら に 、IT 技 術 に よ っ て 需 要 地 に お け る 負 荷 管 理(Demand Response)に よ る 需 給 バ ラ ン ス 制 御 も 可 能 と な る 。 主 な ス マ ー ト グ リ ッ ト の 分 類 を 表 5-1 に 示 す 。
表 5-1 ス マ ー ト グ リ ッ ド の 分 類
出 典 ： 独 立 行 政 法 人 新 エ ネ ル ギ ー ・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構[ 5 - 1 ]
5.2.2 マ イ ク ロ グ リ ッ ド の 構 造 と 特 徴
マ イ ク ロ グ リ ッ ド と は 、一 定 の 規 模 で 複 数 の 分 散 型 電 源 と 負 荷 か ら な る 地 域 ネ ッ ト ワ ー ク で あ り 、 地 域 内 で 需 給 バ ラ ン ス を と る 自 律 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク で あ る 。 規 模 と し て 、電 力 需 要 が 数 百 kW ク ラ ス の 地 域 で あ り 、ガ ス タ ー ビ ン・燃 料 電 池 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム 、太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 、電 力 貯 蔵 用 シ ス テ ム な ど の 分 散 型 電 源 を 導 入 す る 。ま た 、緊 急 時 の 受 電 や 周 波 数 維 持 を 目 的 と し て 、電 力 会 社 の よ う な 一 般 電 気 事 業 者(巨 大 系 統)と 一 回 線 連 系 さ れ て い る 。マ イ ク ロ グ リ ッ ド と は 系 統 規 模 で の 定 義 で あ り 、 ス マ ー ト グ リ ッ ド と の 技 術 的 大 差 は な い 。 つ ま り 、IT を 用 い て い る 、再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー が 導 入 さ れ て い る 、電 気 自 動 車 が 普 及 し て い る な ど の 項 目 が あ れ ば 、規 模 に 関 わ ら ず ス マ ー ト グ リ ッ ド で あ り 、小 規 模 系 統 で あ れ ば マ イ ク ロ グ リ ッ ド と 言 え る 。
タイプ 目的 該当地域 機能・能力
供給信頼度 強化型
・老朽化した電力網を更新
・保全コストを抑制しつつ、供 給信頼度を向上
・米国(東北部 など)
・新たな送電・配電網設備
・停電監視。障害解析
・系統安定化技術など 再生可能エ
ネルギー大 量導入時型
・太陽光発電などの再生可能 エネルギーを積極的に導入
・低炭素型の街づくりを視野に
・欧州
・日本
・太陽光発電などの分散型電源
・蓄電技術
・PHEV 急速需要充
足型
・急成長する新興国のエネル ギー需要を充足
・盗電を含むロスを削減
・インド
・ブラジル
・新規電源(クリーンコール)
・新たな送電・配電網
・遠隔監視、遠隔操作 ゼロベース
都市開発型
・低炭素型の新都市をゼロ ベースで構築
・社会システム一式の輸出も
・ポルトガル
・中国(沿岸部)
・シンガポール
・エネルギーインフラだけでなく、生 活、ビジネス、交通なども含む社会 システム一式
5.2.3 ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド の 構 造 と 特 徴
ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド と は 、 マ イ ク ロ グ リ ッ ド よ り さ ら に 小 規 模 の 系 統(ク ラ ス タ ー)を 言 う 。特 徴 と し て は ス マ ー ト グ リ ッ ド の よ う な IT 技 術 を 用 い ず 、機 器 が 持 つ 動 特 性 に よ り 自 律 的 に 運 用 を 行 う 。そ の グ リ ッ ド を 面 的 に 拡 大・拡 張 を 行 っ て い き エ ネ ル ギ ー を 融 通 す る こ と で 、緊 急 時 の 不 足 電 力 の 補 給 や 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー な ど の 出 力 変 動 抑 制 の 効 果 も 得 ら れ る[ 5 - 2 ]。 ク ラ ス タ ー 拡 張 型 エ ネ ル ギ ー シ ス テ ム と は 、ク ラ ス タ ー 系 統 内 外 に お け る エ ネ ル ギ ー 管 理 シ ス テ ム の こ と を 言 う 。つ ま り 、連 系 さ れ て い る 近 隣 の ク ラ ス タ ー 情 報 を や り 取 り す る こ と に よ っ て 各 設 備 の 運 用 ・ 制 御 を 行 い 、 電 力 需 給 バ ラ ン ス を 総 合 的 に 安 定 さ せ る シ ス テ ム で あ る 。 図 5-1 に ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド の 概 念 図 を 示 す 。ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド は 、基 本 的 に 自 立 し た 交 流 系 統 シ ス テ ム を 前 提 と し て い る 。交 流 系 統 シ ス テ ム で は 、 電 圧 と 周 波 数 の 維 持 が 課 題 と な る が 、導 入 す る 分 散 型 電 源 の 無 効 電 力 供 給 能 力 に 応 じ て 電 圧 制 御 を 行 う 。一 般 的 に 、需 要 家 に 設 置 さ れ る 蓄 電 シ ス テ ム や 太 陽 光 発 電 な ど に 併 設 さ れ て い る 電 力 変 換 装 置 は 力 率 100%で 運 用 さ れ る た め 、無 効 電 力 供 給 能 力 を 有 し て い な い が 、自 立 し た 交 流 系 統 シ ス テ ム で は 、こ れ ら の 電 源 の 電 力 変 換 装 置 に 電 圧 制 御 能 力 を 持 た せ る こ と が 望 ま し い[ 5 - 2 ]。 図 5-1 に お い て 、 ク ラ ス タ ー 間 に 設 置 さ れ て い る 電 力 貯 蔵 装 置 は 、ク ラ ス タ ーI の 電 圧 ・ 周 波 数 調 整 用 と ク ラ ス タ ーII の 不 足 エ ネ ル ギ ー 供 給 用 の 2 つ の 役 割 を 担 っ て い る 。ク ラ ス タ ーI に 連 系 さ れ る イ ン バ ー タ は CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)モ ー ド で 、 ク ラ ス タ ー II に 連 系 さ れ る イ ン バ ー タ は PQ(VVVF: Variable Voltage Variable Frequency)モ ー ド で 運 用 さ れ る 。 連 系 線 潮 流 は 以 下 の よ う に 制 御 さ れ る[ 5 - 2 ]。
・連 系 線 潮 流 の 制 御 は 、ク ラ ス タ ーII に 連 系 さ れ て い る PQ モ ー ド の イ ン バ ー タ が 制 御 す る 。
・ 連 系 線 潮 流 は 、 電 力 貯 蔵 装 置 の SOC(State of Charge)の 多 い 方 か ら 少 な い 方 に 流 れ る よ う に 制 御 す る 。
図 5-1 ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド の 概 念 図
・ 電 力 貯 蔵 装 置 の SOC は 、CVCF モ ー ド の イ ン バ ー タ の 発 生 電 圧 の 周 波 数 制 御 に 反 映 さ れ る 。 そ の た め 、SOC が 多 い 場 合 は ク ラ ス タ ー 周 波 数 を 高 め に 設 定 し 、 逆 に SOC の 少 な い 場 合 は ク ラ ス タ ー 周 波 数 を 低 め に 設 定 す る 。 周 波 数 は 万 国 共 通 の 特 性 量 で あ る た め 、 こ れ を 検 出 ・ 比 較 す れ ば IT の よ う な 情 報 網 な し で 、 制 御 す る こ と が 可 能 で あ る 。
ま た 、ク ラ ス タ ー 系 統 の 大 き な 特 徴 と し て 、排 熱 の 有 効 利 用 が 考 え ら れ る 。既 存 の 大 系 統 や マ イ ク ロ グ リ ッ ド 級 の 系 統 の 場 合 、熱 供 給 の た め に 熱 導 管 を 張 り 巡 ら せ な け れ ば な ら な い 。し か し 、熱 は 電 気 と は 異 な り 融 通 損 失 が 大 き い た め 、大 規 模 な 熱 の 融 通 は で き な い 。一 方 で 、ク ラ ス タ ー 系 統 は 、一 般 住 宅 や 商 業 ビ ル な ど 熱 需 要 地 付 近 で 排 熱 が 発 生 す る た め 、排 熱 の 有 効 利 用 が 可 能 で あ る 。系 統 の 小 規 模 化 は 設 備 分 散 よ る コ ス ト 増 加 が 懸 念 さ れ て い る が 、排 熱 の 有 効 利 用 を 可 能 と す れ ば 省 エ ネ ル ギ ー ・ 運 用 コ ス ト 削 減 に も 寄 与 す る 。
ク ラ ス タ ー 規 模 と し て 、 マ イ ク ロ グ リ ッ ド 1 系 統 が 数 百 kW 程 度 に 対 し 、 ク ラ ス タ ー は 数 十 kW 程 度 の 規 模 で あ る 。 ク ラ ス タ ー の 最 小 規 模 は 一 般 住 宅 1 軒 で あ る が 、構 成 に よ っ て 経 済 性 効 果 や 環 境 性 効 果 が 異 な る た め 、最 も 効 率 的 か つ 効 果 的 な 規 模 に す る こ と が 非 常 に 重 要 に な る 。
大系統
PV PV PV
PV PV PV
蓄電池
蓄電池
クラスターI
クラスターII
蓄電池 FC 蓄電池 FC INV
INV
INV CVCF
CVCF PQ
INV PQ INV PQ
5.2.4 地 域 電 力 ネ ッ ト ワ ー ク が 抱 え る 課 題
図 5.2 に 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク の 位 置 付 け と 特 徴 を 示 す 。 既 存 の 電 力 大 系 統 は 、 経 済 性 や 安 定 性 の 観 点 か ら み る と 優 れ て い る が 、2011 年 の 大 震 災 に 対 応 で き な い リ ス ク 持 ち 合 わ せ て い る た め 系 統 を 小 規 模 系 統 と し て 分 散 さ せ る 思 想 が 浮 上 し て い る 。し か し 、環 境 性・経 済 性 を 考 慮 し た 時 に 、『 ど の 規 模 の 系 統 に 』『 ど の 電 源 を 』
『 ど の く ら い の 容 量 を 導 入 す れ ば 良 い か 』と い う 適 正 容 量 計 画 に 関 す る 課 題 は 未 だ 検 討 さ れ て い な い 。
ま た 、前 項 で 既 述 し た ク ラ ス タ ー 適 正 規 模 選 定 は 、環 境 性・経 済 性 を 考 慮 し 系 統 を 拡 張 す る た め に 検 討 し な け れ ば な ら な い 項 目 の 一 つ と な る 。図 5-2 に ク ラ ス タ ー 規 模 を 一 般 住 宅 1 軒 に す る ケ ー ス(a)と 数 軒 に す る ケ ー ス(b)を 示 す 。ク ラ ス タ ー 規 模 が 住 宅 1 軒 の 場 合 、 各 設 備 は そ れ ぞ れ の 住 宅 に 設 置 さ れ 、 基 本 的 に ク ラ ス タ ー 内 で 電 熱 協 調 運 用 が 行 わ れ る 。余 剰 電 力 の 発 生 や 緊 急 時 に は 電 力 の み 他 の ク ラ ス タ ー に 送 ら れ る 。ク ラ ス タ ー 規 模 が 数 軒 の 場 合 も 同 様 に 、ク ラ ス タ ー 内 で 電 熱 協 調 運 用 が 行 わ れ る 。数 軒 を 纏 め る こ と で 設 備 の ス ケ ー ル メ リ ッ ト を 生 す こ と が で き 、か つ 電 気・熱 の 供 給 が 効 率 的 に 行 え る よ う に 一 ヵ 所 に 置 く か 複 数 カ 所 に 点 在 す る よ う に 配 置 さ れ る 。熱 の 融 通 を 考 慮 す る と 一 般 住 宅 10～50 軒 程 度 の 規 模 と 想 定 で き る が 、構 成 に よ っ て も 適 正 導 入 設 備 量 や ク ラ ス タ ー 系 統 導 入 の 効 果 が 異 な る た め 、最 も 有 効 な 導 入 効 果 を 得 る た め に は 、 需 要 特 性 を 分 析 し 、 ど の 『 規 模 ・ 設 備 ・ 容 量 』 に す る か を 検 討 す る 必 要 が あ る 。
図 5-2 各 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク の 位 置 付 け と 特 徴
電 力 系 統
マイクログリッド
クラスター拡張型グリッド
自立/自律 (地産地消) 系統連系
(大型発電機による発電) 小規模
大規模
安定性や経済性に 優れている。
局所的な事故が広 範囲に広がる。
事故を特定の範囲 に抑えられる。
需要制御による省 エネが可能である。
安定性や経済性の
課題が残っている。
(a) ク ラ ス タ ー 規 模 を 住 宅 1 軒 と す る ケ ー ス
(b) ク ラ ス タ ー 規 模 を 住 宅 数 軒 と す る ケ ー ス 図 5-3 ク ラ ス タ ー 規 模 に よ る 設 備 構 成 の 違 い
本 研 究 で は 、マ イ ク ロ グ リ ッ ド と ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド の 系 統 規 模 で 適 正 導 入 設 備 や 適 正 設 備 容 量 を 評 価 す る 。 各 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 特 徴 を 以 下 に 示 す 。
I. マ イ ク ロ グ リ ッ ド シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 目 的 ： 設 備 構 成 、 導 入 設 備 容 量 評 価 項 目 ： CO2排 出 量 、 コ ス ト
導 入 設 備 ： 太 陽 光 発 電 、 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム 、 電 気 自 動 車(EV)、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 器(以 下 ヒ ー ト ポ ン プ)、 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池
II. ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
目 的 ： 設 備 構 成 、 導 入 設 備 容 量 、 電 源 制 御 手 法 、 系 統 規 模 評 価 項 目 ： CO2排 出 量 、 コ ス ト 、 買 電 ・ ガ ス 量
導 入 設 備 ： 太 陽 光 発 電 、 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム 、 ヒ ー ト ポ ン プ 、 高 効 率 給 湯 器 、 給 湯 器 、 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池
クラスターI
他クラスターへ
PV
蓄電池FC
PV
蓄電池FC クラスターIII PV
蓄電池FC
クラスターII
※クラスター間蓄電池、インバータ省略 電気
電気
PV PV PV
クラスターI
蓄電池 FC 他クラスターへ
電気
熱
※クラスター間蓄電池、インバータ省略