環境問題

再生可能エネルギー大量導入時代の電力システム～蓄電技術と分散型エネルギー源の活用～
株式会社Ｈ＆Ｓエナジー・コンサルタンツ パートナー

石丸 美奈
目 次

はじめに
１．エネルギー貯蔵技術
２．分散型エネルギー源（DER）
おわりにはじめにに影響が及ぶ可能性があり、最悪の場合は大地球レベルでの温暖化対策、国家レベルで規模停電につながる。のエネルギー自給自足・安全保障、地域レベ

系統安定化のための業務はアンシラリー

ルでのエネルギー自立や非常用電源の確保とサービスと呼ばれ、現在のところ、電力会いった様々な観点から、再生可能な資源を活社が水力や火力発電設備を使って行ってい用したエネルギー供給は今後ますます増大する 。ところが、間欠性のＲＥ由来の電力がる。2015年７月に閣議決定された日本のエネ大量に供給されると、系統安定化の必要性

ルギーミックス（電源構成）では、2013年度が増す反面、その調整役を担っている水力に10.7％であった再生可能エネルギー（ＲＥ）や火力による電力供給の割合が相対的に減の割合を2030年度には22－24％まで高める目

少してしまう。このような課題を解決し、標が掲げられており、7.0％を占める太陽光発

高効率・低コストかつ環境負荷が少ない形

電による発電量は749億kWh、1.7％の風力発電で安定した電力供給を維持してゆく鍵となでは182億kWhになると推計されている。合計

るのがエネルギー貯蔵技術と家庭やオフィした931億kWhは2013年度（141億kWh）の6.6

ス、工場などに分散して導入が進むエネル

2

１倍にもなる 。しかし、太陽光や風力のようギー源（Distributed Energy Resources、に気象条件に左右される不安定な電源には、DER）の活用である。

需要に合わせて発電量を制御することができ

１．エネルギー貯蔵技術ないという欠点がある。一方、安定した電力系統を維持するためには電力需給が常に均衡

蓄電の技術には様々なものがあるが、系統（同時同量）し、周波数の変動が適正範囲内に接続されて常時利用されているのは、電気に抑えられている必要がある。このバランス

エネルギーを物理・機械的なエネルギーに変が崩れると、家庭や産業で使用している機器

えて蓄える方法と、電気化学的なエネルギー

１ 電源構成の割合と発電量は資源エネルギー庁の資料に基づく。
２ 周波数の制御は回転系の発電機でなければできない。

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３・効率での対比（図表１）様々な蓄電技術 の比較－出力・放電時間（容量）４（出所）AECOM, “Energy Storage Study”, 13 July 2015の図 に筆者加筆として蓄える方法がほとんどだ。

汲み上げ、電力需要のピーク時に水力発電す５る。大容量（メガワット（MW ）級）のエネ
 物理・機械的エネルギー貯蔵技術

ルギーを長時間貯蔵するのに適しており、設① 揚水発電備寿命が長いため発電コストは安価だ。世界電力貯蔵で最も普及しているのは伝統的なの電力系統に連結されている大規模な蓄電設揚水発電で、高度に差のある二つの貯水池の備の合計出力の99％は、揚水の技術を使った水を、夜間の余剰電力を使い下池から上池にものになっている。

３ 本稿では取り上げないが、図表１の「最新の鉛蓄電池」では鉛蓄電池とスーパーキャパシタの組み合わせなどが想定されている。
「スーパーキャパシタ」は電気二重層という物理現象を利用して、電気エネルギーをそのまま貯める蓄電器（コンデンサ）。
４ オリジナルの出所はSchlumberger SBC Energy Institute, “Leading the Energy Transition, Electricity
Storage,” 2013。
５ １MWは1,000kW、１GW（ギガワット）は100万kW。

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環境問題（図表２）世界の電力系統に連結している蓄電設備の技術別出力割合（但し、99％を占める揚水発電を除く１％の内訳）（出所）IEA, “Technology Roadmap - Energy Storage”, 2014の図に基づき筆者作成② 圧縮空気貯蔵

ルギーを運動エネルギーに変えて貯蔵する。

図表２は揚水発電を除いた残りの１％に使電気が必要な場合はモーターが発電機となわれている技術の内訳だが、最も活用されてる。瞬時に大きな力を出すことができるので、いるのは圧縮空気貯蔵（45％）で、これも古短い周期での系統安定化に役立つ。基本構造

くからある手法だ。余剰電力を使い空気をコは単純で、機器の劣化や回転による摩擦でのンプレッサで圧縮し、地下の空洞やタンクにエネルギーロスを抑制できれば極めて長寿命貯めておく。電力が必要になった時にはそので効率が向上するため、回転機器を真空容器圧力を利用してタービンを回し発電する。こに格納し、超電導磁気軸受を採用するといっちらも大容量のエネルギーを長時間貯蔵できた試みが行われている 。

７る。近年はエネルギーの変換効率や利便性を現在のところ、技術的に確立し実績もある、高めるため、空気圧縮時の方法に工夫を加え大容量かつ安価な蓄電方法は揚水発電と圧縮６た技術の開発 が行われている。

空気貯蔵しかない。しかし、自然環境保護の観点から揚水発電に必要なダムを新規に建設③ フライホイールできる適地はなくなってきている。開発が可３％を占めるフライホイールは「はずみ車」

能な場合でも、計画から稼働までには長い年とも呼ばれる円盤型の機械部品で、連結され月がかかり、工事費が莫大なため、100MW（10たモーターを高速回転させることで電気エネ万kW）以上でなければコストに合わない。圧

６ たとえば米国のベンチャー企業Lightsail社（http://www.lightsail.com/）のプロジェクトや、NEDOの支援により神戸製鋼所、早稲田大学、エネルギー総合工学研究所が進めている「断熱圧縮空気蓄電システム」。
７ 山梨県で実施されているNEDOの「次世代フライホイール蓄電システム」プロジェクト。

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縮空気貯蔵にも立地や効率面での制約があ① ナトリウム・硫黄電池（NAS電池）る。そこで、これらに代わり電力貯蔵で重要蓄電池による貯蔵は図表２の半分以上な役割を担ってゆくと予想されるのが化学電（52％）を占めているが、そのおよそ６割で池だ。

ナトリウム・硫黄電池（NAS 電池）が利用９されている。伝統的な蓄電池である鉛蓄電池（ガソリン自動車などに用いられるいわゆる 電気化学的貯蔵技術10化学エネルギーを電気エネルギーに変換すバッテリー）に比べてエネルギー密度 が３る化学電池のうちで、充電して繰り返し使用倍と高いので小型化できるMW級の大容量蓄電

８11できる二次電池 は蓄電池と呼ばれる。物池 だ。およそ4,500回（約15年）の充放電が理・機械的な手法に比べてコストはかかるが、可能で長寿命、常温での自己放電がほとんどＲＥ増加に伴い必要となる系統安定化への迅ない、原材料に希少資源を用いないので量産速な対応から大容量の蓄電まで、幅広い用途による低コスト化が可能、十分なスペースさに対応できる。ここではナトリウム・硫黄電えあれば設置場所を選ばない、などメリット

池（NAS電池）、流動電池（フロー電池）、そは多い。しかし、高温下（300－350℃程度）してリチウムイオン電池を取り上げる。

で動作するため、外部の熱源が不可欠なのが（図表３）系統レベルでの蓄電に使用されている蓄電池セル価格の現状と今後（最低価格による比較）■流動電池■最新の鉛蓄電池■リチウムイオン■ナトリウム・硫黄

12■ナトリウム塩化ニッケル（出所）Jaffe, S. and Adamson, K.A., “Advanced Batteries for Utility - Scale Energy Storage”, 2014, Navigant
Consulting, Boulder, CO.の図に筆者加筆
８ 化学電池は使い切りの一次電池、二次電池（蓄電池）、外部から化学反応を起こす物質を供給されることで発電する燃料電池に大別される。
９ NAS電池は日本ガイシと東京電力の共同開発で2003年に世界で初めて量産化されたナトリウム・硫黄電池。
「NAS電池」は日本ガイシの登録商標。
10 単位当たりの電力容量。
11 標準システムは定格出力1,200kW（1.2MW）、定格容量8,640kWhと７時間相当のエネルギー利用が可能。
12 ゼブラ電池。

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欠点だ。2010年と2011年に日本で起こった火

しかし、ハイブリッド車や電気自動車（Ｅ災事故の後、安全面での懸念から本格的な普Ｖ）用市場が急拡大し、大量生産による大幅及に課題が残り、価格面での競争力向上は今な価格低下（2020年には200米ドル／kWhとのところあまり期待できない（図表３）。

2014年比で60％以上の低下（図表３））が見込まれるようになり、より大容量の蓄電市場での可能性が開けてきた。昨年４月30日に米国② 流動電池（フロー電池）
流動電池はNAS電池同様にMW級の蓄電池のＥＶメーカー、テスラモーターズのCEOイで、日本では住友電気工業がレドックス・フーロイ・マークスが一般家庭向けの「パワーロー電池として製品化している。一般的な蓄ウォール（Powerwall）」と法人・電力会社

電池では固体の電極そのものが酸化還元反応向けの「パワーパック（Powerpack）」を発して変化するが、流動電池では電極に化学変表し、リチウムイオン蓄電池によるエネルギ化が起きないため劣化がほとんどない。電解ー貯蔵事業への参入を表明したのがそれを象

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液 にも劣化がないので、充放電を繰り返し徴する出来事だ。同社はパナソニックも事業ても寿命が短くならず、20年間程稼働する。

参画する形で、総額50億ドルを投じ、年間出力の増加は電池本体（セルスタック）を、55GWh（5,500万kWh）のリチウムイオン電池セ

蓄電容量の増加は電解液を入れたタンクをそルの生産を可能にする大規模な蓄電池工場

れぞれ増設すればよく、用途に応じた構成が（通称ギガファクトリー）をネバダ州リノ近可能だ。また、室温で動作するためNAS電池

郊に建設中だ（2017年稼働予定）。2015年の世と比べて運用時のエネルギーロスはないが、界の生産能力は100GWh（１億kWh）相当と推計

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装置の大きさが短所だ 。価格面では2014年されており、この工場が計画通り完成すれば、の680米ドル／kWh（2014年）から2020年にはそれだけで現在の生産能力の50％を超えるこ350米ドル／kWhへと50％近い値下がりが予測とになる 。

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されている（図表３）。
こうした蓄電池を活用する取り組みは日本各地で進んでいる。例えば、島根県の隠岐諸③ リチウムイオン電池
今、世界的に最も注目されているのは何と島では2015年９月から、太陽光発電の長時間言ってもリチウムイオン電池である。大規模の 大 き な 出 力 変 動 に は NAS 電 池 （ 出 力な定置用であるNAS電池や流動電池に対し4,200kW、容量25,200kWh）が、短時間の小さて、従来は民生用のとりわけモバイル機器をな変動にはリチウムイオン電池（同2,000kW、支える基本技術で、出力・エネルギー密度が同700kWh）が対応する「ハイブリッド蓄電池高い、充放電の効率がよい、自己放電が少なシステムによる技術実証事業」 が実施されい、などメリットは多いが高価格であり、高ており、2015年12月には北海道電力の北電南性能製品の生産には先進的な設備が必要な点早来変電所（北海道勇払郡安平町）でレドッ

1715が一番のネックになっていた 。
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クス・フロー電池（同15,000kW、同60,000kWh）

電解液は電解質（イオン）を含んでいる溶液で、電解質は水に溶けると電気を通す物質。
2016年度中にコンパクトでコストダウンしたコンテナタイプの発売を予定している。
有機溶媒を使用しているために発火の危険があるなどの欠点もある。
Sam Jaffe, “2015：A Turning Point for Batteries”, 30 Jan. 2015
環境省の補助事業。

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18の設置が完了し、実証実験 が始まっている。てきた需給調整の一端を需要家側に委ね、安定した電力供給を維持するために掛かる社会

２．分散型エネルギー源（DER）

19的コストの最適化を図る取り組み が進んで技術やハードウェアと並んで、今後、重要いる。

性を増してくるのが、家庭やオフィス、工場電力需給の逼迫に呼応して、需要家サイドなど需要家側に分散しているエネルギー源のが空調や照明機器などの電力消費を抑制する活用である。従来の電力システムでは、供給ことをデマンドレスポンス（ＤＲ）といい、サイドが発電や蓄電能力の増強などを通じて削減された電力量をネガワットと呼ぶが、見供給量をコントロールし、需給バランスを一方を変えればこれは需要家による電力供給に致させてきた。しかし、電力自由化の進む先他ならない。現在、需要家側にはこのような進諸国では発送電の分離が進み、垂直統合型

ネガワットに加えて自家発電装置や蓄電池の電力会社の内部で行われていた系統運用が（ＥＶを含む）などのエネルギー源がある。

独立した事業者の責務となっている。そのたアグリゲーターと呼ばれる事業者がこうしため、系統運用事業者には既存のDERを有効活DERを束ねて（アグリゲートして）需給を制用し、系統安定化のコストを最小限に抑えよ御できれば、仮想発電所（Virtual Powerうとするインセンティブが働く。市場メカニ

Plant、VPP）が生まれ、何らかの対価と引ズムの利用を通じて、これまで供給側が担っき替えに、ＤＲによるピークカット を含む

20（図表４）需要家側のエネルギー・リソース・アグリゲーションの概念図（出所）経済産業省「第１回エネルギー・リソース・アグリゲーション・ビジネス検討会」資料３、2016年１月29日の図を筆者が加工
18 経済産業省の補助事業。
19 経済産業省「第１回エネルギー・リソース・アグリゲーション・ビジネス検討会」資料４、2016年１月29日に米国、ドイツ、カナダの例が紹介されている。
20 夏の冷房や冬の暖房、炊事などによる電力需要のピークを低く抑えるように電力消費を制御すること。

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アンシラリーサービスの提供などが可能にな

済合理性を持つためには、機器を制御する情る（図表４）。供給側としては、燃料費や環境報通信技術（ICT）の確立のみならず、自由負荷の高い火力発電の代替や、多額の投資をな電力取引市場の存在と電力取引に関するリ必要とする新規の発電・蓄電設備導入の抑制

アルタイムかつ詳細な情報の公開などが不可ができることになり、結果として系統維持の欠である。日本でも、一連の電力システム改ためのコストが削減される。

革 の最終段階となる発送電分離は2020年４22月１日から実施されることが決定しており、経済産業省は2030年における主な需要家サ制度や環境の整備が急がれる。

イドのエネルギー・リソースの規模を、創エネ設備（ＰＶ（太陽光発電）、エネファーム（家おわりに庭用燃料電池）、コジェネ（熱電併給））で出力2,450万kW（大規模火力約24基分）、ＤＲ及蓄電技術やICTの発達で、これまではエネび蓄エネ設備（HEMS、BEMS、FEMS、Ｅルギーの消費者だった需要者も、意図的に発21Ｖ／PHV ）では全体の10％のコントロール電事業を手掛けるか否かに関わらず「プロシが可能とした場合1,320万kW（同13基分）と推ューマー（生産消費者）」となり、電力の創出定しており（図表５）、そのポテンシャルは大や安定供給に貢献できる時代が来ている。

きい。

需要家サイドの意識改革と電力リテラシー向

しかし、このようなアグリゲーションが経上がますます必要となろう。

（図表５）需要家側エネルギー・リソースの規模感（出所）経済産業省「第１回エネルギー・リソース・アグリゲーション・ビジネス検討会」資料４、2016年１月29日

21 順に住宅向け、商用ビル向け、工場向けエネルギー管理システム、電気自動車／プラグインハイブリッド車（コンセントから差込プラグを用いて直接バッテリーに充電できる電気自動車）。
22 電力システム改革は３段階で進行しており、第１段階は2015年４月の「広域的運営推進機関の設立」、第２段階がこの４月に始まった「小売の全面自由化」、第３段階が2020年４月の「発送電分離」。

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