講演番号 3.2

JEMA「2050 CN実現へのロードマップ」セミナー
2022年7月25日（月）イイノホール

水力発電、火力発電と基幹系統

一般社団法人 日本電機工業会
電力・エネルギー部 香山 治彦

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0. 目次1．水力発電1.1 未利用水力ポテンシャルの活用
1.2 揚水発電による調整力の確保
2．火力発電2.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題
2.2 CO2分離・回収・貯留技術の展望
2.3 燃料の脱炭素トランジション
2.4 水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの整備
3．基幹電力系統
3.1 電力系統の課題と展望
3.2 大電力・長距離送電
3.3 系統用蓄電池による調整力確保
3.4 IoT・AI技術によるシステム運用の高度化
3.5 送変電機器のSF6ガス代替技術への移行

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1.1 未利用水力ポテンシャルの活用（１）
JEMAが考える2050年における水力発電の姿
水力発電は持続可能で出力の安定した再生可能エネルギー
2050年においても電源構成比率の約1割を担う電源として活用＜JEMA想定＞ 発電電力量
設備容量

2030年 980億kWh → 2050年 1,372億kWh
2030年 23.5GW→ 2050年 28.5GW

従来の枠組みにとらわれない水力エネルギー活用策で、kW・kWhの最大限化を目指す＜一般水力発電の設備容量・発電量＞
GW

JEMA想定

億kWh

30

1400

28

1,372

1200

24

1000
800
600
400
200

26

980

22
20

796

18

電源構成比1割を担うためには、更なるkWhの上積みが必要

0

16
14
12
10

2019

2030
発電電力量

2050
設備容量

水力発電の最大化に向けて水力の開発適地が小規模化・奥地化
既存権益との調整等に課題⇒開発長期化
FIT制度により、中小水力の新規開発・リプレースの機運は高まるが、未だ0.2GWの増加と限定的
水力発電電力量の最大化を図るためには、
1) 発電未利用の水力エネルギーの活用
2) 既存設備の有効活用
3) 水力エネルギーの有効利用を促進する法整備の側面での活動が重要

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1.1 未利用水力ポテンシャルの活用（２）<既存ダムの内訳>

1) 発電未利用の水力エネルギーの活用
未利用水力エネルギーの新規開発には、まずは、従来の規制や制度を前提としない、ポテンシャルの明確化が必要
多目的ダムの流量の発電未利用ポテンシャル
発電未利用ダムの発電利用ポテンシャル

出典) ダム便覧2019年度より作成＜ダム運用水位の引上げ＞導入拡大のターゲット（地点・容量帯）を踏まえた活用策を講じることが効果的＜想定される対応＞
発電未利用水の発電活用
・非洪水期における治水容量の弾力運用
・最新の気象予測技術、AIを活用したダム流量予測
効果的な容量帯に絞った、機器／設置工事の標準化によるコスト低減の可能性検討
出典) 第41回再エネ大量導入小委員会 資料4

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1.1 未利用水力ポテンシャルの活用（３）2) 既存設備の有効活用
水力発電設備は、50年を超える長期稼働が可能な設備
既存設備の有効活用により、kWhの最大化を目指す＜ダムの嵩上げ例＞

夕張シューパロダム(2014年)：• 堤体を嵩上げし定格出力を増加• 最大出力 28,470kW（←14,700kW）＜想定される対応＞
ダム嵩上げによる取水水量の引上げ
既存設備のリプレースによる出力増・発電電力量増出典) 第９回再エネに関する規制等の総点検タスクフォース資料4-1＜設備リプレースと合わせた出力増強例＞

最新の解析技術（CFD）を用い、水車・発電機を更新する
ことにより、最大出力アップ及び発電電力の最大化を実現
出典) METI 令和4年度水力発電の導入加速化補助金資料
写真引用) 北海道電力ウェブサイト
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1.2 揚水発電による調整力の確保（１）
揚水発電の現状
再エネの導入拡大を進めるためには、調整力の確保が不可欠。
世界第2位の設備容量（27.5GW）を有する揚水発電は、電力貯蔵設備としてだけではなく、同期化力・慣性力・電圧維持機能などの系統安定化機能を提供可能。
一方、海外主要国と比べても、設備利用率は低い。
太陽光発電の導入が進む地域では7％前後の利用率となっているが、全国平均では4.6％。
欧州では、現状でも月別平均利用率10％前後で活用※されている。

⇒CNに向けては、まずは既存設備の利用率を向上させ、社会コストを最小化。
※オーストリア、フランス、ドイツ、イタリア、ポルトガル、スペイン、スイスの2019 年の利用率平均値（月別）
出典) IEA Hydropower Special Market Report＜世界の揚水発電設備 導入状況＞
その他
23%＜揚水発電設備容量と利用率＞

中国
19%

韓国
3% インド3%
オーストリア
4%
フラン…
アメリ
スペイ
ドイツ
イタリ
カ
ン 4%
ア
14%
4%
5%
出典)

日本
17%

International Hydropower Association（IHA）；2020
Hydropower Status Report,
https://www.hydropower.org/ publications/2020-hydropower-status/

出典) 資源エネルギー庁ホームページ統計表一覧2020年度データより作成

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1.2 揚水発電による調整力の確保（２）揚水発電の活用に向けた対応
アンシラリーサービス機能の価値評価
変動性再エネに対する調整力
地域間連系線を活用した広域運用

揚水発電設備の高機能化

高速起動・高速運転切替• 需給変動に対する機動性の向上
可変速化による調整力・即応性向上• 下げ調整力機能の獲得• 上げ調整力の幅拡大• 調整速度の高速化

揚水の可変速技術

500

500

固定子磁界回転数(出力周波数:50Hz)

500
525

可動子回転数
(発電力)

-25

定速

可変速

界磁回転数

揚水

500

+25

～

475

発電

電動発電機の直流界磁 ⇒交流界磁
界磁の周波数変化により出力調整

定速

可変速

LFC

〇

〇

ｶﾞﾊﾞﾅﾌﾘｰ(数秒～)〇〇

ｶﾞﾊﾞﾅﾌﾘｰ(～数秒)

×

〇

LFC

×

〇

ｶﾞﾊﾞﾅﾌﾘｰ(数秒～)×〇

ｶﾞﾊﾞﾅﾌﾘｰ(～数秒)×〇

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0. 目次1．水力発電1.1 未利用水力ポテンシャルの活用
1.2 揚水発電による調整力の確保
2．火力発電2.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題
2.2 CO2分離・回収・貯留技術の展望
2.3 燃料の脱炭素トランジション
2.4 水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの整備
3．基幹電力系統
3.1 電力系統の課題と展望
3.2 大電力・長距離送電
3.3 系統用蓄電池による調整力確保
3.4 IoT・AI技術によるシステム運用の高度化
3.5 送変電機器のSF6ガス代替技術への移行

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2.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題（１）
自然変動再エネの導入拡大とそれに応じた運用上の課題
国際エネルギー機関(IEA)によると、変動再エネの導入率や電力システムの進展により6つのフェーズがあり、それぞれの段階に応じた調整力が必要となる。
フェーズ▶ アクション
フェーズ6:長期燃料貯蔵▶ 合成燃料、水素等へ変換
フェーズ5:VRE発電量＞需要▶ 交通部門等の電化促進
フェーズ4:高度な技術▶ VRE前提の系統・発電機能
フェーズ3:出力制御▶柔軟な調整力, 大規模ｼｽﾃﾑ変更
フェーズ2:系統混雑▶需要とVREのバランス調整
フェーズ1:システム統合▶ ローカル系統調整

出典）IEA, World Energy Outlook 2018

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92.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題（２）
再エネ大量導入に伴う火力発電の運用(出力調整)＜2018年5月3日の九州の電力需給実績＞

火力発電の出力調整機能

出典）新エネルギー小委員会 第17回系統ワーキンググループ 資料3③EDC：中央給電指令
で需要予測に合わせ①GF：LFCで追従でき先行的に出力を制御
ない負荷変動(数秒か出力調整の種類出典）電力広域的運営推進機関
第19回需給調整市場検討小委員会 資料2-2

ら数分程度の周期)や ※その他調整力
需給ミスマッチ対応• 慣性力：回転機の慣性力により、周波②LFC：需要予測が困数低下を抑制する力
難な負荷変動(数分• 同期化力：供給電～十数分程度の周
力の周波数を系統周期)や需給ミスマッチ対応
波数に合わせる力

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102.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題（３）火力発電の課題
1. CO2排出量の多い火力発電は脱炭素化が求められる
CO2分離・回収・貯留(CCS)
非化石燃料(H2・NH3)に転換

コストミニマムな環境負荷低減への取組⇒ (次頁以降)

2. 変動性再エネを最大限活用するために柔軟な調整電源が必要
負荷変動大に伴う発電効率・設備利用率低下 ⇒ 経済性向上の取組が必要
発電効率・運用性向上への取組
電力システムにおける「調整力」への適切な評価

発電効率・運用性向上の取組
IGCC, IGFCで培ったガス化炉技術を活用し、既設火力と組み合わせ効率・調整力向上
蓄電池を組み合わせた調整力向上
排熱を活用した蓄熱発電などの新技術開発
IoT, AI技術を利用した燃焼効率向上、機器予防保全(故障診断)高度化
最低負荷運転調整、運用改善
遊休資産の活用(フライホイール利用) など
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2.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題（４）火力発電の課題

コストミニマムな環境負荷低減への取組

水素・アンモニア燃焼に関する技術開発は進み、2030年を前に開発完了見込み(燃焼器交換により既設活用しつつ効率を下げることなく低・脱炭素電源化が可能)
水素・アンモニアが発電に十分な量を供給するため、サプライチェーンの整備・構築が必要
S+3Eを堅持しながら容量および調整力を維持するには、化石燃料を使用しつつ、CO2を大気放出しないCCS技術も重要回収したCO2は貯留のみでなく、カーボンリサイクル等で活用で経済性を向上

出典）NEDO
CO2分離・回収技術の概要

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122.2 CO2分離・回収・貯留技術の技術展望（１）
代表的なCO2分離・回収技術

出典）第2回 次世代火力発電の早期実現に向けた協議会 資料2-3基づきJEMAにて作成

化学吸収法• 設備の大型化が容易であり大量の分離回収向き。
• 回収エネルギーが大きく新
規吸収剤の開発が必要。

物理吸着法• 回収エネルギーが小さくコンパクトな設計が可能。
• 水分による吸着阻害や寿命が短いことが課題。

膜分離法• CO2の選択分離が可能。
• 分離性能や不純物に対する安定性の向上が課題。
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出典）クリーンエネルギー戦略中間整理

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2.2 CO2分離・回収・貯留技術の技術展望（２）CO2貯留量推計とポテンシャル
IEA試算においては、シナリオ毎に年間36～72億ｔのCCSが必要。この試算に、日本のCO２排出割合（3.3%）をかけると、年間約1.2～2.4億ｔのCCSが必要と推計。
NZE：2050年ネットゼロのシナリオ
SDS：先進国2050年、中国2060年
他国2070年ネットゼロのシナリオ
APS：NDCや各国目標ベースのシナリオ
STEPS：分野別に精緻評価した
各国取組ベースのシナリオ出典）CCS長期ロードマップ検討会
中間とりまとめ

100～200年分相当の貯留ポテンシャルあり

出典）第2 回CCUS の早期社会実装会議
資料3-3

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2.2 CO2分離・回収・貯留技術の技術展望（３）CO2分離・回収設備

現在の最大設備容量
でも70-150基必要
240-480本もの圧入
井も必要
海外との協調が必要

出典）二酸化炭素地中貯留技術研究組合「CO2 地中貯留技術事例集」

出典）第8回エネルギー構造転換分野ワーキンググループ 資料3Copyright © 2022 The Japan Electrical Manufacturers' Association All Rights Reserved.

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2.3 燃料の脱炭素トランジション
代表的な水素・アンモニア燃焼技術
ドライ水素専焼燃焼器の概要

最小限の設備投資でCO2を減らす
水素・アンモニアとも燃焼器の開発が課題
技術課題はほぼクリアし、小型は実証中
2030年までに大型含め専焼GT開発完了し、商用運転見込み
ガスタービンは燃焼器交換で既設活用可
石炭焚きに、アンモニアを混焼する事で、CO2排出量低減を実現

既存設備の有効活用が可能

アンモニア混焼石炭火力の概要

出典）第27 回水素・燃料電池協議会
資料1

混焼バーナー(イメージ)
出典）第3回 エネルギー構造転換分野
ワーキンググループ 資料4より抜粋

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サプライチェーンの早期整備が重要2050年に向け、水素・アン
モニアとも大幅に消費量増大
混焼技術の早期実装で、需要量増大⇒コスト低減の好循環に創出→ 特に水素は高純度のものは不要
16

2.4 水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの整備（１）
水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの重要性
現状の流通量に対し10倍となる年間2000万tonという大量の水
素需要を想定ディマンドレスポンス、エネルギー貯蔵、エネルギー輸送の各観点で電力システムとして有用回収したCO2についても貯留、資源活用の両面で安定した流通システムが不可欠＜再エネ由来水素製造例＞

水素製造、CO2回収装置の効率向上により社会実装を加速＜水素サプライチェーンの整備＞

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＜水素・アンモニア需要例＞

出典）第3回 省エネルギー・新エネルギー分科会 水素政策小委員会/資源・燃料分科会 アンモニア等脱炭
素燃料政策小委員会 合同会議 資料317

2.4 水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの整備（２）
水素・アンモニア・CCS適地を含めた海外との協調
脱炭素火力の導入拡大に向けた水素・アンモニアサプライチェーン、およびCCSネットワークの構
築では、これらを新資源として安定的・経済的に導入・確保できる国との関係構築は不可欠
至近の非化石燃料化が困難な国々に対し、我が国の脱炭素電源設備を輸出促進することで、相手国のカーボンニュートラルへ貢献し、Win-Winの互恵関係構築に資する

出典）IEA, The Future of Hydrogen

出典）第15回石油天然ガス小委員会 資料3に基づきJEMAにて編集

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0. 目次1．水力発電1.1 未利用水力ポテンシャルの活用
1.2 揚水発電による調整力の確保
2．火力発電2.1 電力システムにおける火力発電の必要性と課題
2.2 CO2分離・回収・貯留技術の展望
2.3 燃料の脱炭素トランジション
2.4 水素・アンモニア・CO2サプライチェーンの整備
3．基幹電力系統
3.1 電力系統の課題と展望
3.2 大電力・長距離送電
3.3 系統用蓄電池による調整力確保
3.4 IoT・AI技術によるシステム運用の高度化
3.5 送変電機器のSF6ガス代替技術への移行

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3.1 電力系統の課題と展望（１）
2050年カーボンニュートラルに向けた電力・エネルギー分野の目指す絵姿
2050年の電力系統は、自律･分散で運用される需要地系統(地域分散グリッド)および大規模電源などのエネルギーユニット群を有機的に結合してより広域化する基幹系統で構成される。
基幹系統

絵姿Ⅰ

再生可能エネルギーの適地から大規模な電力輸送を可能とするHVDC等で構成され、大規模電源、分散グリッド、揚水発電設備等の自律運転可能なエネルギーユ
ニットが相補的に連携し、電力供給の安定化を実現する。

需要地系統(地域分散グリッド)

絵姿Ⅱ

再生可能エネルギーの主力電源化に伴い、地域毎に電力系統の分散化が加速。
需要家がもつ分散電源(PCS/蓄電池等)を活用し、DRやDERMSで域内の需給調整を実現すると同時に、災害などにおける地域のエネルギー供給の継続によるレジリエンスを確保し、需給一体と基幹系統との接続を実現する。
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3.1 電力系統の課題と展望（２）2050年カーボンニュートラルに向けた電力・エネルギー分野の目指す絵姿
絵姿Ⅰ

基幹系統

注釈
：サービス・システム：能力(機能)：新技術開発、
社会実装推進が必要な項目100%

100%：総発電電力量に占める割合注釈：総発電電力量に占める割合：新技術開発、
社会実装推進が必要な項目21

3.1 電力系統の課題と展望（３）2050年カーボンニュートラルに向けた電力・エネルギー分野の目指す絵姿
絵姿Ⅱ

地域分散グリッド

注釈：サービス・システム
：発電分野
：配電分野
：需要分野
：新技術開発、
社会実装推進が必要な項目22

3.2 大電力・長距離送電（１）
広域機関におけるHVDC導入検討例

再生可能エネルギーの導入ポテンシャルは電力の大消費地に対し遠隔地において高い
長距離・大電力輸送には
HVDCが効率面で優経済合理性のある
送電システムが必要

出典）電力広域的運営機関(OCCTO)「マスタープラン検討に係る中間整理」

HVDC送電システムの構成例

出典）第1回 長距離海底直流送電の整備に向けた検討会 資料8

費用便益比(B/C)

出力抑制率

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3.2 大電力・長距離送電（２）多端子送電網(グリッド)の構成には、系統保護のため遮断器が不可欠

DC遮断器の電流遮断原理
小規模・コスト

大＝

遮断器のコスト抑制
送電システムの経済合理向上

限流式

自励転流式

強制転流式

半導体式

HVDC遮断器の具体的構造例

機械式
投入ｽｲｯﾁを採用

500kV級 機械式HVDC-CB構想
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3.3 系統用蓄電池による調整力確保（１）A) ピーク電力の一時ストレージ(需給調整)

電力システムにおける大型蓄電池の活用形態
A) ピーク電力の一時ストレージ(需給調整)
B)〃(系統混雑緩和)C) レジリエンス電源
D) 調整力(⊿kW)

変動性再エネの出力平準化
他電源調整不可分(経済的/技術的)を蓄電池・揚水等で吸収B) ピーク電力の一時ストレージ(系統混雑緩和)

地域内系統混雑時
域間送電容量不足時

系統閑散時に送電送変電設備容量の合理化にも寄与(ピーク負荷対応 ＞ 平均負荷対応)

再エネ電力の偏在・大量接続
大消費地への効率的な大量送電が必要C) レジリエンス電源
基幹系統故障時の自立電源
域内再エネ電源の不足分への対応
再エネ電力の平準化

第1回持続可能な電力ｼｽﾃﾑ構
築小委員会 資料1より抜粋

第17回系統ﾜｰｷﾝｸﾞｸﾞﾙｰﾌﾟ資料3より(2018年5月3日の九州内需給状況)

周波数(Hz)
蓄電池出力(MW)-20
2 49.95 50 50.05

系統混雑に伴う接続不可時の再エネ電力を一時的に蓄積

D) 調整力(⊿kW)
周波数

必要な電池特性
瞬発力に富む充放電特性
多数回の充放電が可能

ごく短周期の周波数変動に対し充放電が追随

蓄電池出力

0

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10

20
時間(分)

30

高度な制御技術と組合わ
せ、基幹電力システムにおける調整力としての価値を創出｢ﾚﾄﾞｯｸｽﾌﾛｰ電池の開発及び実証状況｣
SEIﾃｸﾆｶﾙﾚﾋﾞｭｰ(2017年1月)より抜粋

25

3.3 系統用蓄電池による調整力確保（２）カーボンニュートラルに向けた電力システムの課題
調整力の確保
太陽光発電設備容量を300GW、風力発電設備容量を42GWと想定
太陽光発電出力の10%および風力発電設備容量の15%に相当する
LFC調整力が必要 (300×10％＋42×15%＝約36GW)
火力発電が3GW(設備容量の5%相当)、揚水発電が6GW(設備容量の20%相当)がLFC調整力を供給可能 (36GW-9GW＝約27GW)
蓄電池容量の20%をLFC調整力として活用と想定必要となる蓄電池容量は概算で135GW（27×100%/20%＝135GW)

電力系統の地域特性に応じた大型蓄電池と、分散配置される
小規模蓄電池の統合制御により必要な調整力を確保

EMSの高度化
発電量の変動に対応するエネルギーリソースの最適運用
a.短周期/長周期の系統安定化制御および電圧制御
b.指令値最適配分/再エネ出力抑制
c.需要予測/発電量予測とスケジュール運転
d.蓄電池SOC(State of Charge)目標値管理とSOC保護
e.デマンドレスポンスによるネガワット確保
f.設備モニタリングと警報発報
g.卸/調整力/容量等の各電力市場との有機的連携
EMS(Energy Management System)：エネルギーリソースの統合管理・制御システム

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現時点で150(+240)MW程度の導入に留まる
調整力の価値化が進む英国、
米・加州等はGW超を導入済
電池技術

調整力の提供に適した蓄電池特性
ｼｽﾃﾑ技術×

豊富な経験に基づく
高いEMS技術
電力システムのカーボン
ニュートラル化に貢献
26

3.4 IoT・AI技術によるシステム運用の高度化
系統混雑を前提とした混雑管理の方向性
OCCTO「地域系統の混雑管理に関する勉強会」より

更新計画の合理化・保守業務の省人化
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設備状況に応じた送電容量の決定OCCTO「高経年化設備更新ガイドライン」より

ダ(イナミック・レーティン グ )

設備更新計画の検討に用いる指標

IoT/AI技術を応用した機器
状態監視による運用管理の高度化
27

3.5 送変電機器のSF6ガス代替技術への移行（１）
変電機器におけるSF6ガスの位置付け
絶縁、消弧媒体として卓越した性能

ガス絶縁開閉装置：小形化、信頼性向上
ガス絶縁変圧器：不燃化
1950年代から代替ガス研究が始まるも、現時点で比肩するものなし

大きな温暖化係数(CO2の25,200倍)

温暖化ガスとして京都会議でリストアップ
代替技術なくCIGRE他で使用継続の活動
日本ではクローズドサイクル化/厳格な排出量管理「2050年 カーボン・ニュートラル（CN）」目標へ向
け、世界的な取組みが急加速

欧州および北米を中心として、電力用SF6ガスの環境規制が具体化
欧州メーカを中心としたSF6代替ガス機器の開発が加速、各種パイロットPJが急速に進展

国内においても議論が進展「SF6代替ガス検討会」の発足と基礎データの評価
社会実装に向けた「7つの要件」の設定(ton/年) 我が国における電力用SF6ガスの使用量と実排出率の推移

12000
8000

4000
0

‘95

‘00

‘05

‘10

‘15

100

(%)

50

使用量(ton)
廃棄時(%)
点検時(%)

0

7つの要件【視点】
1. 環境・労働安全衛生
2. 使用環境条件
3. 供給安定性
4. 取扱い性
5. トータルコスト
6. 体格(大きさ)7. 適用範囲
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3.5 送変電機器のSF6ガス代替技術への移行（２）SF6ガス代替技術への移行に向けたJEMAロードマップ※製品リリース＝形式試験完了・販売開始時期（製造リードタイムは不含）
年度(4月始まり）

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

2031

2032

72/84kV 製品リリース
120/168/204kV 製品リリース

遮断器

240/300kV 製品リリース
550kV 製品リリース
72/84kV 製品リリース
120/168/204kV 製品リリース

GIS

240/300kV 製品リリース
550kV 製品リリース※注1

国内 84～204kV 更新需要立上り見込み
国内
国内
300～550kV
300～550kV
更新需要立上り見込み
更新需要立上り※注2※欧州 52<Um≦145kV 製品拡大・パイロット評価期間

機器の導入禁止★ 新規SF(EU517改定ドラフト)
6※欧州 145<Um≦420kV 製品拡大・パイロット評価期間★

新規SF6機器の導入禁止(EU517改定ドラフト)※注1： 経年40年を想定した既設機器の更新時期見込み、JEMA調べ。下記文献を参考とした。
・塚尾, 「SF6ガス代替技術の動向と要件」, 電気評論 (2020年)
・武田, 「国際的なSF6ガス代替技術の動向を踏まえた国内の状況と対応について」, 電気学会全国大会シンポジウム (2021年)）※注2： 下記共同ポジションペーパ、および Regulation (EU) No 517/2014改定ドラフトによる。Umは定格電圧。
・ ENTSO-E and T&D Europe “Transition Times from SF6 to alternative technologies for HV and EHV applications”(2021年10月)
・ Proposal for Repealing Regulation (EU) No 517/2014 (2022年4月5日)

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ご清聴ありがとうございました。

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