社会経済研究№58 2010.615

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析-つくば市におけるケーススタディAnalysis of Local Power Load and Economy by Spread of Photovoltaic Power Generation-Case study in Tsukuba cityキーワード: 太陽光発電システム、電力負荷率、ピークカット、固定買い取り制度、つくば市
田村聡

内山洋司岡島敬一

電力部門の CO2 削減対策の１つとして、電力系統内への太陽光発電の大規模導入が検討されている。しかし、太陽光発電を大規模に導入する場合、太陽光発電を導入するにあたって必要な高いコストを誰がどのように負担していくかという課題が発生する。したがって、太陽光発電の普及に必要なコストを定量的に明らかにする必要があるが、太陽光発電量・余剰電力量は地域により異なる日射量・電力需要が影響する。そこで、地域性を考慮して電力負荷の変化や余剰電力の発生量を推計し、それらをふまえた上で経済性の分析を行う必要があり、本研究では、地理情報をもとに太陽光発電量・余剰電力量を推計する手法を作成し、茨城県つくば市を対象にして、民生部門の建物の屋根に太陽光発電パネルが設置された場合の電力負荷曲線を算出した。そして、余剰電力買い取り制度に着目し、電力需要のピークカット効果・余剰電力を考慮した場合の経済性を、PV を設置する需要家と PV を設置しない需要家それぞれの場合において分析した。その結果、地区の需要家分布の違いにより負荷特性の異なること、現状の PV 価格のままでは今後の普及において手厚い導入促進政策が必要になること、PV 導入により需要家に最大で 1kWh あたり 0.5 円程度の負担増の発生することが確認された。
１．はじめに
２．分析手法
３．データの設定

４．結果
５．まとめ

1．はじめに

欧州におけるPV導入促進政策にかかる追加費用の分析を田頭ら（2008）が行っているが、日現在、CO2排出抑制策の一つとして、太陽光発電（以下PVと略して記す）の大規模な導入が本を対象にした分析はまだ十分に検討されていない。

検討されており、国際的にPVの導入促進を目的

そこで、我が国のPVの普及に必要なコストをとした政策が進められている。欧州で採用され明らかにすることを本研究の目的にする。そのているPVの導入促進政策に関してはためには、設置費用、発電量、および余剰電力

Campoccia et al.（ 2009）にまとめられており、量を推計する必要があるが、これらの値は地域我が国でも家庭などで昼間に発生した余剰電力により異なる。そこで、地域性を考慮して電力を、電力会社が電気料金の二倍の価格で買い取負荷の変化や余剰電力の発生量を分析する必要ることを義務づける、余剰電力買い取り制度のがある。余剰電力量を分析するためには、地域導入が進められている（資源エネルギー庁の電力負荷曲線を知る必要があるが、地域の（2009））。しかし、PVを導入するにあたり必熱・電力需要の推計手法に関してはLinda et al.

要な費用負担を、どのように公平に負担してい（2008）によって研究されている。また、PVくかという問題がある。この問題に関しては、を含めた分散型電源の賦存量を、地域メッシュ

16

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析を用いて統計的に算定している加藤ら（2006）の研究がある。しかし、地域の電力需要、およびPV発電量を推計し、それらを考慮した上で経済性を分析する例は十分に検討されていない。
そこで本研究では、加藤らの統計的手法を応用し、地域メッシュに需要家分布等の地理情報を組み込む。次に、Linda et al.の研究を参考に、地理情報から、メッシュ毎のPV発電量および電力需要を推計する。そして、PVの導入によるメッシュ毎の電力負荷曲線を算出し、その結果をGIS1上に表すことで、地域に与える影響を調べる手法を示す。また、PVの普及促進政策として余剰電力買い取り制度に着目し、需要家と電気事業者それぞれの場合について経済性を分析する手法を示す。それを、つくば市をモデルケー
スとして適応した。
図1 選択地域における電力負荷特性の分析手法概要

2．分析手法（2）PV導入による電力負荷の分析
本研究は、メッシュ内のPVの導入による電力電力負荷特性を示すために必要なPV導入に負荷曲線の推計を行い、後に定義する「年負荷よる電力負荷を、以下のように算出する。

率」「ピークカット割合」「年間余剰電力量」（1）式に、時間毎電力需要量 Dm（t）[kWh] を（これらをまとめて「電力負荷特性」とする）示す。

を抽出し、その上で経済性分析を行う。分析手法を以下に示す。

D m (t)   ( EDi, j (t)  FA mj )j（1）i

2.1 メッシュ別地域負荷モデルの作成・評価手法
ここで m はメッシュ番号、 i は用途別のエネル（1）概要
地域の電力負荷曲線を推計する方法の概要を
図 1 に示す。

ギー需要で、1:動力、2:冷房、3:暖房、4:給湯の各需要に区分した。j は需要家の種類、t（=1,2,3,…,8760）は 1 月 1 日 0 時から 12 月
31 日 23 時までの時間を表す。EDi,j（t）[kWh/m2]
は、1 時間毎単位延床面積あたりの需要家・用途別電力需要量であり、年間需要負荷量、需要負荷パターンおよび電力比率から求められる。

FAmj [m2] は、メッシュ m にある j 需要家の延床面積である。
（2）式に、時間毎 PV 発電量 Gm（t）[kWh]GIS（地理情報システム）：コンピュータ上に地図情報やさまざまな付加情報を持たせ、作成・保存・利用・管理し、地理情報を参照できるように表示・検索機能をもったシステムのことを表す。
1を示す。

G m (t)  PG m (t)  PV m   /100（2）社会経済研究№58 2010.6

17

PGm [kWh/kW] はメッシュ m における単位設max(Lm (t))
100max(Dm (t))

PC m 

備量あたりの PV 発電量であり、日射量とシステム効率の積で求められる。PVm [kW] はメッ（6）シュ m における PV 最大導入設備量、α [%] はPV 最大導入設備量に対する導入比率である。
（3）式に、メッシュ m の単位時間におけるPV 導入による電力負荷 Lm（t） [kWh]PC を示す。

max( Lm (t))
mmax( Dm (t))

100（7）m

Lm (t)  Dm (t)  G m (t)（3）
電力需要量と PV 発電量の差が負の時に余剰電力が発生していると考え、（8）式のようにメ（3）電力負荷特性
電力負荷特性を表す指標として、年負荷率、ピークカット割合、および余剰電力量を、以下

ッシュ m における年間余剰電力量 SEm [kWh]を算出する。
8760のように算出する。



メッシュ毎の年負荷率 LFm [%]SE   Lm (t) Lm (t)  0m

は、PV 導入（8）t1による電力負荷の総和を、最大 PV 導入によるまた、地域内の年間余剰電力量 SE [kWh]とし最大電力負荷に 8760 時間を掛け合わせた量でて、1km2 のメッシュ内のみで余剰電力を融通割ることにより、（4）式のように算出される。

した場合（式（9））と、全域で余剰電力を融通した場合（式（10））を考慮する。配電区域を8760

越えて余剰電力の逆潮流を行うことが困難を伴 Lm (t) Lm (t)  0

LF m  t1
100max(Lm (t))  8760

う可能性のあること、および加藤ら（2006）の
1 km2 メッシュが配電区域程度であるという記（4）述から、本研究では 1km2 のメッシュ内のみで余剰電力を融通した場合も含めて考慮する。

また、地域全体の年負荷率 LF [%] は、メッシSE   SE m

ュ毎の年負荷率を合成し、（5）式のように算出される。

m8760

8760
SE    Lm (t) Lm (t)  0
t 1  m

L (t) L (t)  0
LF 
100max( L (t))  8760（5）mmt1 mm（9）

（10）m

2.2

PV 導入による経済性分析手法

メッシュ毎のピークカット割合 PCm [%] は、本来は電力で分析する必要がある。しかし本研

PV の経済性分析には、制度の視点、電気事究では、時間毎に電力が一定という仮定を行っ業者、需要家などの視点等が考えられる。本研ているため、（6）式のようにピークカット割合

究では、日本における PV の普及促進政策としを算出する。また、地域全体のピークカット割て考えられている余剰電力買い取り制度に着目

合 PC [%] は、（7）式のように算出される。

し、現行制度および将来の制度として、余剰電力を 2 倍の価格で買い取る方法を想定した。そ18

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析

して、PV を設置する需要家、PV を設置しない示す。

需要家の経済性を分析する。PV を設置しない需要家の経済性分析に関しては、電気事業者のCPV  (q  h)  PV

（12）

負担増分が電気料金に転嫁されると考えて推計
ここで、q [円/kW] は PV 設置単価、h [円/kW]する。その手法の概要を図 2 に示す。

は PV 導入補助金になる。また、PV [kW] はPV 導入設備量になる。
（11）式と（12）式から、コスト回収にかかる期間 Y [年] を（13）式によって算出することができる。

Y  CPV /BPV

（13）（2）PV を設置しない需要家の経済性分析手法
PV 導入促進により発生する電気事業者の負担増分が電気料金に転嫁されることにより、PVを設置しない需要家に経済負担が発生する。そ

図 2 経済性分析概要

こで、電気事業者の経済性分析を行い、その結（1）PV を設置する需要家の経済性分析手法
需要家に PV を設置した場合の設置費の回収年数について分析する。回収年数は需要家側の果をもとに負担増分を算出することで、PV を設置しない需要家の経済性分析を行う。以下に電気事業者の経済性分析の手法を示す。

経済効果を表す指標であり、固定買い取り制度

本研究では、電気事業者にとって逆潮電力分の導入により買い取り価格が引き上げられるとの発電燃料の節約および、ピークカット効果に経済負担が減少し、需要家にとっては PV 導入よるピーク負荷用設備の削減が利点となると考のインセンティブとなる。

える。その一方で、PV 設置者から買い取った需要家にとって PV 導入から得られる利益

BPV [円] は、PV 導入による電気料金支払いの減少分と余剰電力の売電価格の和である（（11）

余剰電力を他の需要家へ売却したときの価格差がコストになると考える。
逆潮電力分の発電燃料の節約として、燃料削減費 Fcut [円] を（14）式によって求めた。

式）。
8760

BPV  {Ce  G(t)  (Ce  Cb )L(t) L(t)  0}t1

Fcut   SE m  Cheatm(14)（11）
ここで Cheat [円/kWh] は単位電力量あたりのここで G（ t）[kWh] は単位時間あたりの PV燃料コストを表す。

発電量、L（t）[kWh] は単位時間における PV

ピークカット効果によるピーク負荷用設備の導入による電力負荷、 Ce [円/kWh] は従量電気削減費 Pcut [円]を、本研究ではピークカット効料金、 Cb [円/kWh] は余剰電力の電気事業者に果を需要家側に転嫁し、需要家の契約電力の低よる固定買い取り単価である。

減効果として（15）式のように求めた。

PV 設置にかかる費用 CPV [円] を（12）式に

社会経済研究№58 2010.6

Pcut  12  EP  PFres19(15)ここで、 EP [円/kW] は kW あたり低圧電力契する。

3．データの設定

約の月額基本料金、PFres [kW] はピーク負荷削減量を表す。本研究ではこの値が結果的に電気事業者のメリットになると仮定する。

本研究では、2 章に示された地域電力負荷の統計的手法および経済性分析手法をつくば市にPV 設置者から買い取った余剰電力を他の需適用する。

要家へ売却したときの価格差 Cc [円] は、売電単価から電気事業者の余剰電力買い取り単価を3.1

地区別負荷モデルの作成に用いるデータ引き、余剰電力量をかけあわせることで（16）式によって表される。

日射量は、836 地点（1990～2003 年）の気象官署・アメダスにおける標準気象・日射がデCc   SE m  (Cb  Ccom )(16)

ータベース化されている METPV-3 をもとに算出した。データベースにはつくば市が含まれてmいないため、本研究ではつくば市に最も近い土ここで、 Ccom [円/kWh] は売電単価である。

浦の気象データを全域に用いた。分析に用いた以上から、電気事業者の余剰電力買い取りにデータは、南方位で傾斜角 30 度における時間よるコスト Celect [円] は（17）式で表される。

平均値である。システム効率は、JIS C 8907
（2005）をもとに、アレイ面入射量補正係数、Celect  Cc  Fcut  Pcut

(17)

太陽電池変換効率補正係数、蓄電池回路補正係数、パワーコンディショナ回路補正係数、外気そして、本コストを対象地域の全電力消費量温から推計されるモジュール温度の要素を含む[kWh]で割ることにより、PV を設置しない需要温度補正係数の積により算出した。

家の kWh あたりの経済負担を算出することに

図 3

業務部門延床面積（左）、家庭部門延床面積（中）、および PV 最大導入可能量（右）20

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析

表 1 PV 導入可能量と延床面積の設定た、比較としてつくば市全域を一つの選択地域とする場合も考慮する。

PV 導入可能量

延床面積

[kW]

[m2]

大 100

大 10000式とした。空き地に大規模な PV を設置する計

小 50

小 5000画もみられるが、架台や用地のコストが高価で大 100

大 10000あるという理由から、今回は評価対象に入れて

小3

小 300いない。

公共施設大 50

公共施設大 5000

公共施設小 10

公共施設小 1000

民間 3

民間 600

商業3300

住宅

一戸建 4

統計 GIS

集合住宅 0.5

実データ

需要家

導入の対象となった PV 施設は、業務・家庭部門の建物の屋上に太陽光パネルを設置する方

宿泊

医療

本推計により算出された、つくば市における事業所業務部門（宿泊、医療、事業所、商業）と家庭部門（住宅）の延床面積、および PV 導入可能量を図 3 に示す。
本推計を用いると、PV 導入比率α=100 の場
合、つくば市内に約 19 万 [kW] の PV が導入されることになる。目安として、政府の PV 導入目標である、2030 年に 2005 年度の 40 倍を達成するために必要な導入量は、α=40 程度に需要家の種類 j は、1:宿泊施設、2:医療機関、なる。

3:事業所、4:商業施設、5:住宅の 5 種類を分析の対象とした。需要家・用途別エネルギー需要

3.2

PV 導入による経済性分析に用いたデータ量は実測データが得られなかったため、本研究では日本エネルギー学会（2008）の文献値を元に推計した。電力比率は、日本エネルギー経済研究所計量分析ユニット（2006）の文献値を元にした。

本節では、経済性分析に用いたデータをまとめている。
一戸建住宅に PV 設備を導入した場合の設備投資回収年の分析に必要となる PV 設置単価 q

PV 導入比率 αは、0, 20, 40, 60, 80, 100 の場は、将来の習熟効果を含めて分析する必要があ合について感度分析を行った。また、PV 導入る。そこで、総合資源エネルギー調査会需給部可能量および、延床面積を表 1 のように設定し会（2008）で報告された 3 種類の価格ケースをた。

引用した。PV 導入補助金 h は、政府が提示し宿泊施設、医療機関、公共施設の事業所に関ている 7 [万円/kW] とし、PV パネルの発電出しては大規模な建物と小規模な建物に二分して力 PV は 2 [kW] と 4 [kW] の場合を考えた。

いる。具体的に、宿泊施設は50室以上の宿を大、価格ケース別に見た PV の設置単価をまとめた

医療機関は広域病院を大、公共施設は、小中高ものを表 2 に示す。

等学校、市役所、会議場、図書館、美術館を大としている。
本研究ではつくば市をモデルケースとし、配表2価格ケース別にみた PV 設置単価[万円/kW]

補助金

無有電区域程度の大きさであることから、1 [km2]価格ケース A

6659

メッシュに市内を区分した（合計335メッシュ）。

価格ケース B

2720

そして、各メッシュにそれぞれの需要家が何軒

価格ケース C158あるか調べ、PVm および、Fjm を推計した。ま社会経済研究№58 2010.621

電気料金 Ce は、つくば市における家庭の電灯

図 4 より、メッシュおよび、PV 導入比率に従量料金の値を用い、余剰電力の買い取り価格より年負荷率に差の出ることが確認された。業Cb は、現行制度として、家庭の現行電気料金ケ

務部門が多く家庭部門が少ない地区の年負荷率ース（21.04 [円]）と、2009 年から導入されるは、PV 導入比率が上昇することで若干上昇す制度として現行電気料金の 2 倍のケースを考える一方、業務部門が少なく家庭部門が多い地区ることにする。の年負荷率は PV 導入比率が上昇することで悪電気事業者側の経済性分析で必要になる単位化するという傾向が見られた。また、つくば市

電力量あたり燃料コスト Cheat は、平成 20 年度

全域を考えた時は、PV の導入が進むことで最版電気事業便覧（資源エネルギー庁（2008））

初は負荷率の若干の改善が見られたが、α=60に掲載されている電力会社別収支実績の燃料費を境に減少に転じることが確認された。のデータから、5.27 [円/kWh]とした。また、kW

次に、PV 導入量別にみた年負荷率の頻度分あたり低圧電力契約の月額基本料金 EP は、つ布を作成したものを図 5 に、つくば市全域を選

くば市における業務向けの値である 1071 [円]、択地域にした場合の負荷持続曲線を図 6 に示す。

売却時の電気料金 Ccom は業務用電気料金（低圧）である 11.38 [円/kWh] を用いた。 PFres[kW] は、地区別負荷モデルにより推計されたピークカット割合から、削減されたピーク負荷を求めた。なお、価格は 2006 年度のものを使用している。

4．結果
4.1

選択地域別負荷特性分析の結果（1）年負荷率の結果

図 5 負荷率頻度分布

各メッシュおよび、つくば市全域の PV 導入比率別年負荷率を算出し、メッシュ別年負荷率の最大値、最小値、つくば市全域に関してまとめたものを図 4 に示す。

図 6 PV 導入量別負荷持続曲線（全域）

図 4 PV 導入比率別年負荷率

22

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析

図 5 より、太陽光発電導入割合が少ない場合する昼間に電力需要の方もピークに達することは負荷率 25%〜26%の範囲に集中しているが、から、PV の導入比率が向上することでピーク導入割合が増えることで頻度が分散し、メッシがカットされたと考えられる。

ュごとに地域格差の出てくることが確認された。
図 6 の全域の負荷持続曲線を見ると、ピーク（3）余剰電力量の結果負荷が削減されていることが確認できる。しかメッシュ別に年間余剰電力量を算出し合計しし、PV の導入比率が向上するにつれて、2000たものおよび、全域の年間余剰電力を PV 導入時間から 6000 時間にかけてのミドル負荷の低比率別に算出したものを図 8 に、GIS を用いて減も大きい。これらの要因から、α=60 まではPV 導入比率α=100 の場合に発生する年間余剰負荷率が改善されるが、α=80 以降では負荷率電力量を 1km2 メッシュ別に表示したものを図が低下したと考えられる。また、 α =100 にお9 に示す。

いて若干の余剰電力が発生した。
本推計を用いることで、地域の負荷特性を理解することができ、その需要に合わせた経済性、環境性に優れた地域エネルギーシステムの構築に役立てることが可能になる。
（2）ピークカット割合の結果
各メッシュおよび、つくば市全域の PV 導入比率別ピークカット割合を算出し、最大値、最小値、つくば市全域に関してまとめたものを図図 8 PV 導入比率別年間余剰電力量7 に示す。
図 7 より、PV の導入比率が向上するとピー

図 8 より、余剰電力量を 1km2 メッシュごとクカット割合が上昇するという傾向のある一方に推計し合計すると、α=20 から発生し始め、で、ピークカットの全くない地区もあることがα=100 導入時につくば市全域で年間約 2500 万確認できる。家庭のピーク負荷は夕方に発生す[kWh] 発生することが確認された。それに対しることが原因で、家庭部門の割合の多い地区はて、余剰電力を市内で融通した場合はα=100ピークがカットされなかったと考えられる。まの時に若干余剰電力が発生するのみになり、なた、家庭部門の多い地区以外では、PV が発電らし効果のあることが確認された。
また、図 3 と図 9 を比較することにより、家庭部門が多く、業務部門の少ない地区で多くの余剰電力量が発生していることが確認された。
以上の結果から、PV 導入が進むことで、業務部門の多い地区では負荷率が改善し、ピークがカットされる一方で、家庭部門の多い地域では、負荷率が悪化し、また、余剰電力の発生することが確認された。

図 7 PV 導入量別ピークカット割合推移

社会経済研究№58 2010.623

図 10 PV を設置する需要家側の経済性分析結果インセンティブが働くことが明らかになった。
また、2kW と比較し、4kW の方が導入促進政策による効果の大きいことが確認された。
（2）PV を設置しない需要家の経済性分析結果
表 3 に、つくば市全体で分析した電気事業者の経済性分析結果を示す。そして図 11 に、PV導入比率・PV 導入促進政策別の PV を設置しない需要家の経済負担額を示す。

図 9 年間余剰電力量（α=100）

4.2. PV 導入による経済性・環境性分析の結果（1）PV を設置する需要家側の経済性分析結果
本節では一戸建住宅に 2kW および 4kW のPV パネルを設置した場合における、設置コス
トと年間利益を考慮した、普及促進政策別の経図 11

PV 導入比率・PV 導入促進政策別負担額済性分析を行った。その結果を図 10 に示す。
分析により、売電も補助金もない場合は、現分析により、PV の導入が進むことで負担額状（価格ケース A）では回収年収は 80 年以上は上昇し、α=100 まで導入されると、買電あになる一方で、4kW のパネルを設置し、補助金りの場合はつくば市全域で 3 億円、2 倍の買電と 2 倍の価格で売電できる制度を併用した場合のある場合は 14 億円ほどの負担になることがでは 15 年弱にまで短縮することが確認された。

確認された。それをつくば市の全需要家で均等

また、価格ケース B まで価格が下がると、家庭に負担した場合は、1kWh あたり買電ありの場部門の電力料金と同価格の売電で、価格ケース合で最大約 0.1 円、買電 2 倍の場合は最大 0.5

C まで下がれば導入促進政策なしで PV 導入の円ほどの負担増になることが示された。

24

太陽光発電の普及による地域電力負荷および経済性の分析

表 3 電気事業者側の経済性分析結果[億円]
PV 導入

燃料費

設備費比率削減

削減

買電有買電 2 倍買電有買電 2 倍α=200.25

0.00

0.46

0.91

0.210.66

α=40

1.31

0.00

2.40

4.79

1.09

3.49

α=60

2.69

0.00

4.93

9.87

2.24

7.18

α=80

4.28

1.147.85

15.70

2.43

10.28

α=100

5.98

1.81

10.96

21.91

3.17

14.12

余剰電力の売買価格差

5．まとめ

余剰電力買い取りによる経済負担し、地域分析の精度を向上させること、そしてそれらの結果を用いて、蓄電池導入のような具本研究では、一般的に適用可能な地区別電力体的な系統安定化策、および地域エネルギーシ負荷モデルを作成し、つくば市をモデルに、PVステムの構築について経済性・信頼性を含めたの導入比率による電力負荷特性の変化を考慮に分析を行っていくことがあげられる。

入れて、需要家、および電気事業者それぞれの経済性を分析した。主要な結果として、以下の原稿受付日

２００９年７月３１日

三点があげられる。
一点目は、地区の需要家分布の違いにより、負荷特性の異なることが確認された。特に、住宅に設置した PV から大量の余剰電力が発生することおよび、住宅の割合の多いメッシュの年負荷率が悪いことが確認された。今後本推計を用いることで、地域の需要に合わせた経済性および、環境性に優れるエネルギーシステムの構築に役立てることが可能になると考えられる。
二点目は、現状の PV 価格のままでは今後の普及において手厚い導入促進政策が必要になる。
しかし、PV の普及による習熟効果で将来的にPV パネルが半額以下になれば、現行の電気事業者の買い取り価格で普及していくことが確認された。
三点目は、PV 導入により、需要家に最大で1kWh あたり 0.5 円程度の負担増の発生することが確認された。ただし、本分析では系統安定化に関わるコスト負担を考慮に入れておらず、全体的には PV の導入により負担が増加すると考えられる。
今後の課題としては、本研究で採用した仮定や利用データをより地域に合わせたものに修正

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http://www.nedo.go.jp/library/index.html
たむら

さとし
筑波大学

うちやまようじ
筑波大学

おかじま

システム情報工学研究科

システム情報工学研究科

けいいち
筑波大学

システム情報工学研究科

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