電力システムの課題と今後の方向性

電力システムの課題と今後の方向性

2020年1月23日（木）＠ 機械振興会館

愛知工業大学 工学部 エコ電力研究センター

客員教授 合田忠弘

1．需要家に電気が届くまで（電力システム）

創る（発電） 送る（送配電） 使う（需要）

発電設備 送電設備 配電設備 需要家設備

電力システムとは、送配電ネットワークを介して離れた場所にある顧客 の「電力需要」と「発電」をマッチングさせるプラットフォーム

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２． 世界初の電力システム

・中央ステーション（発電所）に火力発電機を設置[6台/出力540ｋＷ]

・100,000フィート（約30km）におよぶ配電網

・ウオール街の半径 1kmにある白熱電灯千個強に供給

図．ﾊﾟｰﾙｽﾄﾘｰﾄの中央ｽﾃｰｼｮﾝ 図．ｴｼﾞｿﾝの発電機ｼｽﾃﾑ

【事業内容】

 1882 年 9 月 4 日にトマス・エジソン [Edison Thomas Alva] (1847 ～ 1931)

がニューヨーク市のパールストリートに直流配電系統を構築

３．交流への転換（ニコラ・テスラによる交流システム）

交流発電機 交流モーター

変圧器、多相交流送電システム

（ 変圧が容易 ）

（ 遮断が容易 ）

（ 三相交流系統 ）

４. 交流による電力システムとパワープール

 交流でつながっている範囲では、巨大な貯水池のように水位（周波数）

はどこも同じ。

 需要側（取水口）に電気が流れていくが、供給側では同量を発電して、

水位を厳密に一定に保つ必要がある。（同時同量）

５．日本における電力システムの誕生

図．麹町の第一電燈局配電盤 図．麹町の第一電燈局に設置された ブラックシェアーク灯用発電機

 1887(明治20)年に東京電燈は電気の一般供給を開始

（ロンドン・ニューヨークでエジソンが電気事業をはじめて５年後）

・個人株主11名の出資により設立

・エジソンが開発した低圧直流方式を採用

・電燈局（発電所）から半径2km程度の送電

・低電圧により送電ロスが大きく，送電範囲も狭かったため複数の電燈局から送電

【事業内容】

６．日本の電気事業の変遷

・１８８３年 東京電燈設立（藤岡市助：東芝）。 １８８７年に電力供給開始。

エジソン式の直流発電機採用。

１８８７年 大阪電燈設立（岩垂邦彦）。 １８８９年に電力供給開始。

トムソン・ヒューストン社（後のＧＥ）の１２５Ｈｚ交流発電機採用。

・１８９１年 京都市が水力発電開始。蹴上発電所で１９台。交流と直流。

・１８９５年 東京電燈がドイツＡＥＧ製の５０Ｈｚ発電機を採用。

１８９７年 大阪電燈がＧＥ製６０Ｈｚ発電機を採用。

・明治初期 電気事業の開始

・明治末 電気事業者数：３２７社

・大正末頃 電気事業者数：６１１社 （電力乱立、過当競争時代）

（付記：ガス会社はＨ２３年１１月現在で２１１社）

・昭和初期 ５電力時代（電力戦国時代）

（東京電燈 宇治川電気 日本電力 大同電力 東邦電力）

・戦時体制 電力国家統制法による日本発送電（株）と９配電会社時代

・終戦後 １９４６年 「電気事業法」が改正

電力再編：発送配電一体の地域独占の９電力体制

電源地域と電力供給地域の完全一体ではない凧揚げ方式採用

（松永安佐ヱ門の尽力）

電源開発（発電量確保の為の発電会社を設立）

・１９９５年～ 規制緩和（発電の自由化→小売の自由化→水平分割）

ＩＰＰ ＰＰＳ 特定供給 特定電気事業 ／ 電力取引所 電力広域的推進機関

（水平分割：発電、送配電（グリッド）、小売り）

７．エネルギー事業の変革ドライバー（5D‘s)

Deregulation（自由化）

Decentralization（分散化）

De-carbonization（脱炭素化）

Digitalization（デジタル化）

De-population（人口減少）

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８．システム改革後の電力システムのイメージ

IT開閉器

ICT

送電

風力

Nuclear

隣接送配電 事業者との連系線

広域系統運用

卸電力市場(JEPX)

配電

ICT

スマートコミュニティ

太陽光

スマートハウス スマートメーター

EV 充電器

コジェネ スマートマンション

スマートビル

配電用 変電所

蓄電池

蓄電池

全面自由化や再エネ導入拡大・需要の能動化・スマートコミュニティなど分散化と 同時に広域化が進展。運輸部門などで電動化が進む一方、人口減少・省エネ進展に より、当面の電力需要は減少。

電力系統構成の変化： ２０１１年震災前の疎結合➡２０１１年震災以降の密結合

デマンド・レスポンス

ヒートポンプ

ヒートポンプ

9．全面自由化後のパワープール

発電

小売

バランスグループ(BG)毎に 30分単位で一致

相対取引 / 卸取引所

送配電事業者

調整

調整

電力エリアのパワープール

プールの管理責任者

１０．発電所の役割（エネルギー変換）

発電所 _電気

一次エネ ルギー

化石燃料、

再生可能エネル ギー、原子力

①エネルギー(kWh)

②容量(capacity)（kW)

③フレクシビリティ（ΔkW)

（調整力）

（減価償却費、O&M費等） 固定費

③調整力市場 （瞬動予備力）

１１．再生可能エネルギー（分散化）：３つの課題

1. 風力・太陽光など自然変動電源の出力変動に対するフレキシビリ

（出力変動、発電と供給の時間的不一致、予測困難） ティ確保

２．送配電ネットワークの容量確保（供給と需要の地理的不一致）

３．再生可能エネルギーの経済性確保

風力大量導入 地域

高需要地域

太陽光発電の出力変化

太陽光発電出力

定格容量で割っ た出力[%]

[出所] Energy White Paper、METI

晴天

曇り 雨天

可変速揚水発電設備の外観

 揚水発電は，電気を貯蔵し，再エネ発電と電力消 費の時間的ミスマッチを解消することが可能

 揚水発電を活用することでフレキシビリティを拡 大でき，再エネの統合拡大に貢献

➡揚水発電設置の限界。蓄電池他の貯蔵の重要性

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１２．フレキシビリティ拡大のための取り組み例（揚水発電）

揚水による再エネ統合拡大のイメージ 揚水による柔軟性確保のイメージ

(出典)資源エネルギー庁 総合資源エネルギー調査会省エネルギー・

新エネルギー分科会 新エネルギー小委員会 系統 WG ベースロード電源

風力 太陽光

火力電源（最低出力）

揚水の活用による調整

再エネの出力抑制

火力の下げ代

（揚水発電）

需 要

（揚水動力）

（揚水動力）

再エネ導入量 抑制時間

揚水なし

当社揚水全台活用

揚水発電の活用により 再エネ統合拡大

１３．フレキシビリティ資源を広域的に活用する仕組み

再エネの立地が需要規模が小さく柔軟性に乏しい地域に偏りがちである ため，余力のある地域の火力・揚水発電などのフレキシビリティを広域 的に活用することで費用対効果の高い方法で統合を拡大することが重要

ΔPT

火力

揚水 火力

0 MAX

(i) 再エネの出力増

送配電事業者B

エリア A

連系線 揚水

風力

0 MAX

(ii) 指令(出力減)

調整

送配電事業者A

エリア B

火力

調整力の提供 対価の支払い

調整力のやりとり・対価の支払いをするための仕組み（市場等）が必要

(ii) 調整力の不足

0 MAX MIN

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１４．電力広域的運営推進機関の概要

１）創設の目的（設立当時）

現行制度では、送配電網の設備計画策定や需給管理は区域毎（電力会社 毎）に行う事が原則であるために、連系線の増強や他地域からの電力融通な どは事業者の判断に委ねられていた。これを改めて、電源の広域的活用を推 進する為の送配電網の整備や全国大での平常時・緊急時の需給調整機能を実 施する機関として電力広域的運営推進機関を設立する。

２）組織の概要

・電気事業法で定められる「認可法人」である。

・全ての電気事業者に参加が義務つけられる。

全ての電気事業者：一般電気事業者、卸電気事業者、特定電気事業者、

特定規模電気事業者〔新電力〕

３）業務内容

・計画業務：需要想定、長期の供給計画策定と供給信頼度評価、設備形成、

電源入札、系統アクセス

・運用業務：中短期の需給バランスの計画取り纏めと監視・管理、

作業停止計画の調整、広域的周波数調整、連系線管理

・一般業務：苦情処理、紛争処理、相談対応

４）広域機関と電気事業者との関係

電力広域的運営推進機関

・日本全体の供給計画の策定

・需給及び系統の広域的な運用

・需給ひっ迫時の緊急措置

・系統アクセス業務（接続検討の受付や検討結果の通知）

・送配電に関わる業務指針の策定（計画、アクセス、運用）

・供給力確保の為の措置

各地の発電事業者・小売事業者

・電源の建設、運転、保守

・供給力の確保（小売事業者）

・顧客への電力供給（小売事業者）

送配電事業者

・供給エリア内の供給計画の策定

・供給エリアの需給運用

需給バランス調整

電力、新電力、再エネ電源への給電指令

・供給エリアの送配電系統の運用

（託送料金の設定を含む）

電源停止計画の調整

電源炊き増し指示 供給計画の提出 電源停止計画の調整

潮流監視 供給計画提出

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

05～07年の平均 09～10年の平均

 再エネ統合拡大によりフレキシビリティ提供源である火力発電等の 稼働率が低下するため設備の維持が困難化。

 ドイツではフレキシビリティ確保のため容量リザーブ制度を導入予定。

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１５．再エネ統合拡大による火力発電の稼働率低 下

スペインにおける２０１０年３月３日の電力供給 の状況

オフピーク時には１基 のガス火力のみ稼動

ピーク時には２７基のガス 火力が稼動

（出典）EURELECTRIC, “Flexible generation: Backing up renewables

-30%

スペインにおけるガス火力の稼働率の低 下状況

火力発電等の 稼働率低下

受給のアンバランスと周波数変化

図 Increase in frequency changes

in Electricity Reliability Council of Texas (ERCOT)

この対応策として、模擬慣性力を電力系統に追加する方策が検討されている。

模擬慣性力の追加により、有効電力を電力系統に注入すると、周波数変動が抑制 される事がシミュレーションにより明らかになっている。

周波数安定化対策としての模擬慣性制御

電力系統内で発電電力量と負荷量の間に差異は周波数変動となって表れるが、発電機はその 出力制御によって周波数を定常値に戻す。

この制御を応動時間の早い順に並べると下図に示す。

①発電機の慣性力、②ガバナー制御、③AFC 制御（もしくはLFC 制御）と④ELD 制御

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1６．2050年の人口増減状況

【出典】国土交通省：新たな「国土のグ ランドデザイン」報告書(2014)

減収

値上げの 必要性

顧客による評価

（独占➡競争）

分散型電源 省エネ

分散型電源 の更なる普及

行動変化

（省エネ）

人口減少

経年設備増加

環境政策 自由化 産業構造変化

１７．在来型電気事業のデス・スパイラル

電力

非電力

１８．脱炭素化への道筋：Power-to-Xシナリオ（ex. X=Gas）

最終エネルギー消費

電力 非電力

電気

水素

化石燃料

（+CCS) バイオマス燃料

1次エネルギー

（脱炭素化）

再エネ（バイオ 以外）/原子力

（X: 運輸、熱） （X: 水素）

２次エネルギー

電力化による 省エネルギー

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運輸・熱需要

の電力化

現状

2050年のわが国におけるエネルギーバランス試算例

最終エネルギー消費と電力消費 CO2排出量（ｴﾈﾙｷﾞｰ起源）

(10¹⁸J) (億ﾄﾝ-CO2)

2013年度 ^{電化率維持 最大電化} 2013年度

非電力

電力

非電力

電力

CO2排出量 74％減

人口減少、経済成長（GDP)、

省エネ進展等による1/4減少

電化による省エネ

13.44

10.25

7.02

12.35

6.10

3.22

（9.39）

2050年度

2050年度

低炭素電源ケース(※）

電源構成維持

電化率維持 最大電化 需要：

供給：

※電力消費には自家発を含む。

※低炭素電源ケース：CO2フリー電源推進シナリオ。発電量構成：再エネ＋原子力（68%），火力（32%）。火力燃料：LNG100%（熱効率50%）。

※2013年度の最終エネルギー消費はｴﾈﾙｷﾞｰ・経済統計要覧(2015）、CO2排出量は環境省公表値を引用。

（0.98兆kWh） （0.75兆kWh） （1.29兆kWh）

東京電力ＨＤ経営技術戦略研究所試算

• 今世紀中葉（2050年）までに、需要サイド（運輸部門：EV化、産業熱需要（ボ イラー等）、家庭・業務用の給湯・厨房需要）の電力化を最大限進めると、

CO2排出量は約1/4程度まで減少。

• その際に電力需要は約1.3兆kWhまで増加する可能性。

原子力 15%

火力 32%

再エネ

（分散型）

51%

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今世紀中葉までの需給推移のシナリオ（Power-to-X）

2013 2020 2030 2050

1.29

0.98

BER（在来型電源：原子力・火力）

D(ER+S) （分散電源＋電力貯蔵）

DER（ノンカーボン・分散電源）

大規模水力2%

国内電力需要（兆ｋＷｈ）

Power-to-X

0.75

0.65

（「供給側」の例）

※再エネ導入量は、環境省資料に基づく。

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１9．脱炭素化に向けて必要となる技術オプ ション

2013年度

温室効果ガス総排出量：

14億800万t-CO2

80%削減

（政府長期目標）

2030年度

2013年度比26%削減

（政府目標）

次世代自動車（EV,FCV）

高効率ヒートポンプ

エネルギーマネジメント 省エネ住宅・ビル

水素還元製鉄

高効率航空機,船舶等

超電導送電

高度道路交通システム 太陽光発電

風力発電(洋上) 地熱発電

太陽熱発電 海洋エネルギー バイオマス発電

高効率火力発電

原子力発電 CCUS

現在 2050

温室効果ガス排出量

ゼロエミッ ション社会へ

＜短中期技術＞

＜中長期技術＞

需要側（省ｴﾈ等）技術

＜超長期技術＞

2030

次世代原子力 バイオマス（微細藻類等）

マイクロ水力

農業電化

燃料電池

高性能電力貯蔵

革新的デバイス

人工光合成

核融合

宇宙太陽光発電 水素製造・輸送・貯蔵

大規模系統電源 分散型電源 エネルギー貯蔵

その他の低炭素技術 次世代グリッド技術

蓄熱技術

２０．エネルギーバリューチェーンの変化

発電 送配電

分散電源 お客さま

運用・保守最適化 資産スリム化

廃炉・原子力安全

低炭素電源拡大

上流などの統合・

海外展開

エネルギーマネジメント 設備運用最適化・保守サービス

需要家の意識改革 エネルギー利用の効率化 IoTなど新サービスの創出

需要と供給の変動を調整する「フレクシビリティ」の拡大 分散型電源や EV など

様々な電源・需要家 設備を「つなぐ」

プラットフォーム

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２１．デジタライゼーションの取り組み

需要家 設備 社員・協力会 社社員

在来型 事業

・新メニューの 開発

・スマートO&M

（運転・保守）

・設備仕様合理

化・スリム化 ・モチベーショ ン向上

・生産性向上

・働き方変革

非在来型 事業

・新サービスの 提供

・オープン・

データ

・分散電源・省エ ネ（O&M・ファ イナンス）

・当社設備の新 サービス活用

・海外展開

ハード ソフト マーケット・制度

ハード ソフト マーケット・制度

熱流体解析

廃炉・汚染水

ＩｏＴ

ｱｾｯﾄﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄ 超電導

洋上風力

直流送電 ^{補強が必要な領域}

ヒートポンプ

材料評価 高電圧・絶縁

PGC FPC CSC

スマートハウス 行動分析

センシング・診断 ロボット

共通基盤

画像処理 地震動評価 ﾋﾞｯｸﾞﾃﾞｰﾀ解析

容量メカニズム 電力市場 託送制度

新料金メニュー 需給最適化

（例）設備スリム化

スマート（例）

O&M

イノベーションオープン

稼働率向上 燃料評価

ﾃﾞﾏﾝﾄﾞﾚｽﾎﾟﾝｽ 保有技術

の融合

相乗効果 内と外の直結

蓄電池・EV

運用最適化 リスク評価

デジタライゼーションへの取り組み例（設備関連）

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デジタライゼーションへの取り組み例（家庭向け）

電気スマート メーター

ガススマート メーター

水道スマート メーター

バッテリー大容量

太陽光発電

追加センサー カメラ等

データ管理 新たなエネル

ギーサービス

電力会社独自 料金メニュー

セキュリティ・見守り

・消防

不在再配達 削減 広告配信・家電

送客

スマートフォン

エネルギーサービス 向け指示

料金通知

安否通知

制御・提案等 サービス提供

「エナジー ゲートウェイ」

家電制御 高速電力線通信

自動検針専用無線

電力 電力

エネルギー（電気・ガス）・通信・物流のネットワーク融合

通信

ｶﾞｽ 物流

 IoTをはじめとするデジタル技術の発達を受け、電力化・自動化が進展。

 電力システムは、ガス・通信・物流等のネットワークと融合へ。

運輸・熱・産業部門の電力化・自動化

人口減少・少子高齢化・・・

２２．統合型ライフラインへの進化

２３．終りに：未来を予想する最良の方法はそれを発明することである

 電気学会第一回通常総会記念演説 (1888年5月）で、無線通信、長距 離送電、電気鉄道、国際通話、映 像・音声記録、遠隔画像伝送、地 震予知・気象観測等の実現を予言 我国日光山華厳の滝の勢力を東京に 移しあるいは東京市街に電燈を点し あるいは馬車人力車等を運転せしむ るの奇観を呈するもまさに遠きにあ らざるべし

志田林三郎

（ 1856 ～ 1892 ）

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