揚水発電の活用法と
電力貯蔵の価値評価について
2017年7月14日
東京電力ホールディングス株式会社 経営技術戦略研究所 経営戦略調査室
菅沼 敏幸
内容
１．揚水発電とは ２．揚水発電の活用
３．電力貯蔵の価値評価 ４．まとめ
５．揚水発電の供給能力（参考）
上部ダム （上日川ダム）
地下発電所
下部ダム （葛野川ダム）
１．揚水発電とは
1-1 電力貯蔵技術の種類
水 力
火 力
ピーク時<昼間>（揚発）
上部ダム
発電所 下部ダム
水 力
火 力
夜間（揚水）
上部ダム
発電所 下部ダム
揚水発電は，他の発電機の余力で水を汲み上げ（揚水），余力の無い時 間帯に水を落として発電（揚発）する。
揚発は、ロスにより揚水した電力量の
70
％になる。100 70
1-2 揚水発電とは
Power Plant Name
Output [MW]
Number of total units
Number of AS-PSH units
Commissioning (AS-PSHPs)
Yagisawa 240(80 × 3) 3 1 （ #2 ） 1990
Shiobara 900(300 × 3) 3 1 （ #3 ） 1995
Kazunogawa 1,200(400 × 3) 3 1 （ #4 ） 2014
pondage, 1,446,730
reservoir, 338,700
Pumped Strage, 7,678,000 run-of-
river, 392,620
run-of- river, 82 Pumped Strage, 9 reservoir,
9
pondage, 64
AS-PSHPs
Output 9,856[MW]
Shiobara Yagisawa
Kazunogawa
FS-PSHPs
※ASPS：Adjustable-Speed Pumped Storage power plant
※CSPS：Constant-Speed Pumped Storage power plant
164 plants
Location of PSHPs
PSHPs (77.9%) 155 Conventional HPPs
Mt. Fuji
Tokyo
1-3 東京電力の揚水発電所
164
か所ある東京電力の水力発電所の総容量は、9,856MW
。 その内、9
か所の揚水発電所は、総容量の78
％を占める。東京電力の可変速揚水
Nuclear Coal Gas C/C Oil Hydro
Power Source
3-5 minutes
3 hours
1 hour
4 hours 5 days Nuclear
Coal Gas C/C Oil Hydro
Power Source
3-5 minutes
3 hours
1 hour
4 hours 5 days
起動時間（※
8
時間停止後） 出力変化速度50-60%/min 3-5%/min
5%/min 1-3%/min Not available Hydro
Oil Gas C/C
Coal Nuclear
4-5 min
3hrs 1hr
4hrs 5days
1-4 揚水発電の特徴（１）
揚水発電は、停止状態から
4
～5
分で起動でき、出力変化速度も速い。火力 揚水発電
最大出力
最大出力
Instructed output
Wider Range
1,000MW LFC range
±
5% =
±50MW 400MW
LFC range
±
30% =
±120MW
最低出力1-5 揚水発電の特徴（２）
揚水発電は、
LFC
の変化幅が広く、最低出力から高速に連続的に出力変 化が可能。※LFC：Load Frequency Control
Adjustable Speed System Constant Speed System
Reversible pump-turbine Generator-Motor
（Salient-pole machine）
Thyristor excitation equipment
DC Exciter
Main
Transformer Transformer
for exciter
Reversible pump-turbine
For Power System AC Exciter
Generator-Motor
（Cylindrical machine）
Secondary Excitation equipment
Converter
Inverter
IEGT
For Power System
Main
Transformer Transformer
for exciter
1-6 可変速揚水の概要
可変速揚水は、定速機に対し「揚水運転時の入力調整」「発電運転時の回 転速度制御による効率向上」「水車振動低減による最低出力低下」などの 特徴を有す。
２．揚水発電の活用
2-1 一般的な揚水発電の活用（供給力揚水）
火力等の発電機出力を超えるピーク需要に対応。
2-2 一般的な揚水発電の活用（余剰揚水）
火力出力下げ限界でも需要を上回る供給力となる場合、揚水にて余剰供給力 を吸収する。
2-3 一般的な揚水発電の活用（経済揚水）
火力出力が低下している時間帯に揚水し、ピーク時の上積み火力を抑制する ことで燃料費削減を目的に実施。
揚水発電は、「３割ロスがあるため極力使わないのが経済的」と言わ れるが・・・
2-4 経済揚水を超える燃料費削減への活用（１）
2-5 経済揚水を超える燃料費削減への活用（２）
揚水発電を活用し、火力を解列することで、燃料費を大きく削減※。
※本特性は、火力の機動性、需給バランス等で変化する。
2-6 経済揚水を超える燃料費削減への活用（３）
燃料費最小では、上積み火力の抑制・解列に揚水発電を活用。
2-7 経済揚水を超える燃料費削減への活用（４）
燃料費最小は、経済揚水以上に揚水・揚発を活用。
2-8 経済揚水を超える燃料費削減への活用（５）
揚水発電のロスと火力解列による効率向上を最適化（ユニットコミットメ ント）することで燃料費削減を最大化。
Case 1: ACC
のみでLFC
上げ調整力を600MW
確保50 MW
Ａ Ｃ Ｃ ①
ACC rated capacity
Ａ Ｃ Ｃ ⑩
・・・
Ａ Ｃ Ｃ ⑪
Ａ Ｃ Ｃ ⑫
Total reserves: 600[MW]
・・・
Ａ Ｃ Ｃ ⑨
50 MW
50 MW
50 MW
50 MW
Conventional
Conventional
Conventional
Conventional
FS -PSH Ps
Non-reserve
rese rve
rese rve
rese rve
rese rve
50 MW
Ａ Ｃ Ｃ ①
ACC rated capacit
Ａ Ｃ Ｃ ⑩
・・・
Ａ Ｃ Ｃ ⑪
Ａ Ｃ
Ｃ ⑫
・・・Ａ Ｃ Ｃ ⑨
50
MW Total reserves: 600[MW]
Convention Convention Convention Convention
150 MW
FS -PSH Ps
AS- PSHPs
Case 2: ACC
＋可変速機でLFC
上げ調整力を600MW
確保（可変速機分ACC
焚上げ）rese rve
rese rve
rese rve
rese rve 50
MW
50 MW
50 MW
50 MW
50 MW
50 MW
2-9 可変速揚水活用による燃料費削減（１）
火力低出力時間帯では、安価な
ACC
の出力を下げ、周波数調整力を確保。可変速機の調整力分、
ACC
を焚上げ燃料費を削減。0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
［GW］
Hydro, others Coal LNG
Oil PV Generation of PSHP
Pumping-up of PSHP Load Curve
PV
LNG
Coal
Hydro, others
Load Curve and Power Source [28/Feb/2016]
※ 期間：2015.3.1～2016.2.29
※ 対象機：3台
※ 太陽光設備量：
700
万kW
2 億 6 千万円 / 年
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
［GW］
Hydro,Nuclear Coal LNG
Oil PV Generation of PSHP
Pumping-up of PSHP Load Curve
Nuclear, Hydro, others Coal
LNG PV
Load Curve and Power Source [Simulation]
※
2018年度断面の電源構成を模擬
※ 対象機：3台
※ 太陽光設備量：1,800万kW
7 億円 / 年
2-10 可変速揚水活用による燃料費削減（２）
昼間余剰で可変速機を活用した調整力確保の経済メリット。
３．電力貯蔵の価値評価
電力貯蔵に揚水発電より充放電効率の高い蓄電池を加えることで燃料費削 減効果が向上。
※蓄電池の計算条件：効率
80％、充電容量 定格の5倍、運転パターン 毎日容量分を充放電
3-1 電力貯蔵による燃料費最小化（１）
3-2 電力貯蔵による燃料費最小化（２）
蓄電池との併用では、揚水発電の使用量は減少。
3-3 電力貯蔵の価値評価
今回のシミュレーションケースでは、蓄電池が揚水発電より充放電効 率が高いことで燃料費削減効果が向上したが、揚水発電に加えて得ら れる効果は、総燃料費の0.3
％程度であった。※（電力貯蔵の燃料費削減価値）≫（揚水発電に置換る価値）
揚水発電は、容量が大きいことで発電可能量の高低差を大きく取れる ことも有り、蓄電池との効果差を縮小している面もある。最大燃料費削減効果量
・揚水発電のみ
1
億2700
万円・揚水発電＋蓄電池
1
億4000
万円※仮に蓄電池容量制限無しの場合
1
億4800
万円。
電力貯蔵の価値は、充電容量、充放電効率、運用条件等を加味した経 済効果（可変費）に加え、導入コスト（固定費）も含めた長期的な視 点で評価していく必要がある。蓄電池
(
系統)
火力発電所
集配信 変電所
集配信 システム システム
蓄電池(お客さま)
蓄電池 SCADA
水力発電所
実証センター 蓄電池
SCADA
の機能周波数制御
日間運用
瞬動予備力
中央給電指令所
送電系統
シャープ・
ソニーEDの 蓄電池と連携
■蓄電池 SCADA:
分散配置の蓄電池を仮想的な一つの巨大な蓄電池として制御仮想電力貯蔵装置
3-4 蓄電池活用への取り組み＿実証事業（参考）
４．まとめ
まとめ
揚水発電は、大容量を生かした電力貯蔵システムとして、ユニットコ ミットメントによりロス（経済揚水）を超える燃料費削減効果が期待 できる。
蓄電池等、効率の高い電力貯蔵の導入に伴い、揚水発電の価値は低下 していくものと考えられるが、揚水発電に加えて得られる経済効果の 価値は検証が必要。
なお、揚水発電には、燃料費削減、供給力確保の他、優れたアンシラ リー機能を有しており、再エネの導入拡大を支える重要な電源である ことから、他の電力貯蔵システムと共存していくことが望ましい。
そのためにも将来の有るべき電源構造を定量化することが重要であり、ユニットコミットメントを含む需給シミュレーションによる検証が 有用である。
５．揚水発電の供給能力（参考）
揚水発電の発電能力は，最大出力の合計より小さくなる。
最大出力合計 最大出力合計 発電能力
（発電可能分）
１，１００万kW
１，０１０万kW
８５０万kW
補修中 (90万kW)
１６０万kW減少するのはなぜ？
１６０万kW
？
5-1 揚水発電の供給能力（１）
揚水発電所の最大出力やダムの大きさは，それぞれ異なる。
中には，最大出力で発電できる時間が短いところがある。
5-2 揚水発電の供給能力（２）
発電時間の短いところは，出力を抑えて必要な発電時間を確保する。
3500 4000 4500 5000 5500 6000
電気の使用量〔万kW〕
ピーク時全て最大出力で発電
3500 4000 4500 5000 5500 6000
電気の使用量〔万kW〕
上手く組合せて満遍なく発電
ピーク以外でも電気を安定してお届けするためには
ぎゅうぅぅぅっ
１，０１０万kW ８５０万kW
うりゃぁ！
アップ
し か
ら ば
隙間が 埋まった 電気が不足
ピークの短時間であれば 全て最大出力にできるけど
出力を抑えて不足を無くし，
その分火力発電などを底上げ
火力発電などの 最大発電能力を 火力発電などの
最大発電能力 揚水発電 受持ち分
5-3 揚水発電の供給能力（３）
揚水発電は，発電能力を全て最大出力で見込めない。
全ての揚水発電を最大出力で発電 すると
一部で発電時間が不足 ゆえに
電気が不足しない大きさに発電能力を制限
揚水発電は，上部ダムの水の分しか発電でき ないのがネックだね。
夜の電気が足りなくて満杯に汲めないと，もっ と発電能力が減っちゃうってこと？
そういうこと！
