東京大学 ＣＯＩ-サテライト ワークショップ
エネルギーシステムにおけるイノベーション－世界的な潮流である脱炭素化への展望－
2019年12月3日（火）

再生可能電源による電気と水素のコプロダクションシステムの経済性評価
吉岡 剛
東京大学工学系研究科特任研究員

研究の概要■背景と目的 2012年から始まった固定価格買取制度により、とりわけ太陽光発電の導入が進んだ。しかし、系統制約問題から指定電気事業者の管内では、新規に導入される太陽光発電は無制限無保証出力抑制が実施される可能性がある。2018年度には九州本土で出力制御が実施された。
 電力自由化に伴い、新電力事業者が増加している。一方、今後増加が予想される卒FIT太陽光発電などの再生可能エネルギーを電源に持つ場合、インバランスリスクを抱える。2019年度の新制度からインバランス単価は上昇する見込みである。
 これまで水素製造、貯蔵、輸送など、個別技術の研究開発は多く行われているが、経済性を有する具体のエネルギー事業のシステム構築が行われている研究は少ない。

 これらの外部環境において、出力抑制やインバランスに伴う再エネ電力を用いて水素製造を行い、FCV等のモビリティ燃料などに活用することで、事業性を有する再生可能電源による電気と水素のコプロダクションシステムを構築することを目的とする。

1

目次

１

電力システムと課題

2

再エネの出力予測誤差３

電気・水素のコプロダクションシステム

2

目次

１

電力システムと課題
電力システムと課題

2

再エネの出力予測誤差３

電気・水素のコプロダクションシステム

3

出典：第35回制度設計専門会合～時間前市場の活性化について～H30年12月17日 電力・瓦斯取引監視等委員会
4

5
出典：「再生可能エネルギー出力制御量の低減に向けて」資源エネルギー庁、2019年8月

九州電力における出力制御（2019年3月2日）

6
出典：「九州本土における再生可能エネルギー発電設備の出力抑制を伴う運用実態について」電力広域的運営推進機関、2019年4月26日

九州電力における出力制御（2019年3月2日）

7
出典：「九州本土における再生可能エネルギー発電設備の出力抑制を伴う運用実態について」電力広域的運営推進機関、2019年4月26日

目次

１

電力システムと課題

１
２
22

再エネの出力予測誤差
電力システムと課題
自然エネルギーの動向
再生可能エネルギーとは再エネの出力予測誤差
再エネの出力予測誤差３

電気・水素のコプロダクションシステム

8再生可能電源出力の予測誤差と系統運用
 予測時間が長いほど誤差が大きくなる傾向がある。
 ある電力受け渡し時刻で誤差分布を整理すると、調整力必要量の分布と見なせる。
例えば前日予測誤差に対応した数時間前から1時間前通知の調整力分布。

再エネ
出力

再エネ
出力

10分前
（GF、LFC）

1時間前
10分前

1時間前

前日予測（サブアワリー調整力分布）

前日予測（数時間前～1時間前通知の調整力分布）

予測時間

発生確率(ある時刻h)

各時間断面の分布の予測平均値からの誤差・変位を調整力で賄う。

出典：高橋雅仁，再生可能電源大量連系に対応するデマンドレスポンスの導入可能性に関する研究，
東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 博士論文，2017.99電力系統計画・運用における需給調整
過去の電力系統の運用では、各時間帯での電力需要の不確実性に対応した需給調整を行ってきたが、再生可能電源大量導入と電力システム改革に伴い、従来とは異なる需給調整の技術・制度が必要となる。
50年

30年

長期電源計画長期設備計画

超長期的な経済構造の変化や技術革新による発電コストの変化

10年

年

週

日

運転補修計画 起動停止計画

運転補修
計画

長期的な天候の不確実性による太陽光、風力発電出力及び電力需要の変動

待機予備力

時間10分分10秒

経済負荷配分

周波数制御

運転予備力

瞬動予備力

天候予測の不確実性による太陽光、風力発電出力及び電力需要の予測誤差

秒

太陽光、風力発電出力及び電力需要の実時間変動

10電力系統計画・運用における需給調整
新たな需給調整の技術・制度は、特に周波数制御、経済負荷配分、起動停止計画において必要である。
ここでは、電気自動車等の需要側の機器を系統運用につなげる技術と制度の革新が求められている。
50年

30年

長期電源計画長期設備計画

10年

年

週

日

運転補修計画 起動停止計画

運転補修計画

超長期的な経済構造の変化や技術革新による発電コストの変化

長期的な天候の不確実性による太陽光、風力発電出力及び電力需要の変動

超長期的な電源投資計画の変更

火力、原子力の運転補修計画の変更

待機予備力時間10分分10秒

経済負荷配分

周波数制御

運転予備力

瞬動予備力

天候予測の不確実性による太陽光、風力発電出力及び電力需要の予測誤差

火力の部分負荷運転による並列運転数の増加、太陽光、風力の出力抑制、アンシラリーサービスの利用

秒

太陽光、風力発電
出力及び電力需要の実時間変動

火力のガバナフリー，LFC運転、太陽光、風力の出力抑制、アンシラリーサービスの利用 11予測誤差の現状（九州電力：2018年10月～）•

中出力帯、低出力帯での予測誤差量が大きい。
→曇天等の天気予報における出力予測が難しい。

出典：「再生可能エネルギー発電設備の出力抑制に関する検証結果」電力広域的運営推進機関HP

12予測誤差の現状（四国電力：2016年～2019年度）•

中出力帯、低出力帯での予測誤差量が大きい。
→曇天等の天気予報における出力予測が難しい。

出典：四国電力HP公開データより作成
13
https://www.yonden.co.jp/nw/renewable_energy/index.html

四国電力における再エネの予測誤差（月別）• 太陽光発電、風力発電ともに発電出力が大きい季節に予測誤差が大きくなる傾向

出典：四国電力HP公開データより作成
https://www.yonden.co.jp/nw/renewable_energy/index.html

14四国電力における再エネの予測誤差（分布）•太陽光発電、風力発電ともに予測誤差はラプラス分布の形状•

風力発電の方が分散が大きい

出典：四国電力HP公開データより作成
https://www.yonden.co.jp/nw/renewable_energy/index.html

15予測値と実績値の比較
1,400

1400
予測時刻=前日9時

1000
800

600
400

風力実
1,000
績値
PV実績
800
値

20000

時刻

5月13日

再エネ比率高い，2012年5月12-13日

PV実績値

風力予測値
600
PV予測値
400

200

5月12日

風力実
績値

風力予測値
PV予測値

1234567891011121314151617181920212223
24
123456789101112131415161718192021222324

再エネ発電出力(MWh/h)

1,2001234567891011121314151617181920212223
24
123456789101112131415161718192021222324

再エネ発電出力(MWh/h)

1200

予測時刻=前日9時

2月5日

時刻

2月6日

再エネ比率低い，2013年2月5-6日

高橋雅仁，再生可能電源大量連系に対応するデマンドレスポンスの導入可能性に関する研究，東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 博士論文，2017.916

予測誤差分布100.000%

100.000%R^2=0.93(ラプラス分布)=0.31(正規分布)

R^2=0.90(ラプラス分布)=0.57(正規分布)

予測誤差(16-39時間先平均)

ラプラス分布

風力発電

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0-0.1

-0.5

予測誤差(p.u.)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0-0.1

0.010%-0.2

0.010%-0.3

0.100%-0.4

0.100%-0.2

1.000%-0.3

1.000%-0.4

発生頻度(%)

10.000%-0.5

発生頻度(%)

10.000%

予測誤差(p.u.)
正規分布

予測誤差(16-39時間先平均)

ラプラス分布

正規分布

太陽光発電

ラプラス分布の方が正規分布よりも、決定係数R2の値が大きく、先行研
究と同様に、ラプラス分布の方が適合している 。
高橋雅仁，再生可能電源大量連系に対応するデマンドレスポンスの導入可能性に関する研究，東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 博士論文，2017.9

17太陽光、風力等の再生可能電源を利用したこれからの電気事業に求められるもの
高度な予測技術
太陽光、風力及び電力需要前日予測の高度化

予測技術の改善

相互に関連

インバランス補償システム
冷蔵庫、エアコン等
電気自動車等
水素と燃料電池車

ネットワーク接続による遠隔制御

高度な予測技術とインバランス補償システ
ムの確立により、電力システムの安定化に貢献しつつ、再生可能電源の普及を促進することが重要
18

目次

１

電力システムと課題

2

再エネの出力予測誤差３

電気・水素のコプロダクションシステム
電気・水素のコプロダクションシステム

19再生可能電源による電気と水素のコプロダクションシ
ステムの経済性検討
今後、新電力の市場環境が大きく変わる2020年以降を想定し、新電力事業者が再エネ電力のインバランス対策として水素製造事業を行う場合の経済性評価を行う。
■検討におけるポイント• 再エネインバランス調整電力を活用した水素製造における制度的枠組み→水素製造に用いる電力調達の考え方（需給予測、託送料金等）• 事業性に影響を与える主な要素→再エネ電力の種類・電源構成割合、卸電力単価、託送料金、インバラン
ス料金、水素製造システムコスト、水素販売単価、再エネ購入単価等• 卒FIT電源の発電予測→予測誤差に応じた水素製造設備の最適化
20

システムの検討イメージ
 事業主体：新電力事業者
 事業エリア：兵庫県淡路島内（関西電力管内だが、島の南側は四国電力の系統制約を受ける）
 調達電力：卸電力（JEPX)、太陽光発電、風力発電

 インバランス対策：インバランス電力を用いて水素製造を行う。
 水素製造：電力の託送により、水素ステーションに併設した水素製造設備により行う。

 経済性評価：新電力事業者が、「水素製造システムを保有しない」場合と「水素製造システムを保有する」場合の２つの事業価値を比較
21

新電力事業のビジネスモデル（水素製造システムなし）
電力

お金

調整電力

電力調達
電力販売

電力需要家

新電力

売電収入
(a1)

電力調達費
(b1)

•不安定
•出力予測誤差

電力調達費
(b2)

一般送配電
事業者

電力供給

卸電力取引所
JEPX

太陽光発電
風力発電

Cash flow = 売電収入(a1) － 卸電力調達費 (b1) － 太陽光電力調達費 (b2)
－ 託送料金(b3) － インバランスコスト(b4)22新電力事業のビジネスモデル（水素製造システム保有）
電力お金

調整電力設備費(b5)

水素水電解装置
水素販売収入(a2)

卸電力取引所
JEPX

電力調達

託送電力販売

新電力

電力需要家
電力調達費
(b2)

電力供給

電力調達費(b1)

一般送配電事業者

水素ステーション

売電収入
(a1)

太陽光発電
風力発電

インバランスペナルティの削減

Cash flow = 売電収入(a1) + 水素販売収入(a2)－ 卸電力調達費 (b1) － 太陽光電力調達費 (b2)
－ 託送料金(b3) － インバランスコスト(b4) － 水素製造装置費(b5)23太陽光発電の予測誤差を考慮した電気・水素製造システムの最適化評価（先行研究）••

太陽光発電の予測誤差σ（10%）はラプラス分布に従うとし、誤差の分布を6つに分割し、電気・水素製造システムの最適化を混合整数計画を用いて評価（松橋ら，2018）
水素製造を行う場合、新電力が調達する電力は、S（6)の下限値に設定し、余剰分は水素製造に用いることで、CFを最大化し、インバランスペナルティを回避• P dx =2 𝑑𝑥
1− 𝜎
⋅e2𝜎

S 1 = {dx| − 4.1σ ≤ dx ≤ −2.1σ}

S 2 = {dx| − 2.1σ ≤ dx ≤ −0.8σ}
S 3 = {dx| − 0.8σ ≤ dx ≤ 0}
S 4 = dx

0 ≤ dx ≤ 0.8σ}

S 5 = dx0.8σ ≤ dx ≤ 2.1σ}

S 6 = dx2.1σ ≤ dx ≤ 4.1σ}

Baseline
4Baseline
5Baseline
6

太陽光発電の予測誤差の分布イメージ
出典：Matsuhashi Ryuji and Yoshioka Tsuyoshi, “Optimal design of a coproduction system of electricity and hydrogen to
manage imbalances resulting from forecast errors in photovoltaic outputs”, E3S Web Conf. Volume 64, 2018, 2018
3rd International Conference on Power and Renewable Energy, 27 November 201824

前提条件１：新電力事業（事業概要）
表 新電力事業概要
項目

内容

事業者

既に新電力事業を行っている新電力事業者

エリア

関西電力管内事業規模

30,000kW（高圧需要家のみ）

負荷率

20%

電力需要負荷パターン

関西電力の電力需要（2018年度）と同じと想定

電力需要

52,560,000kWh/年
表 買取再エネ電源概要

項目

太陽光発電

風力発電

買取対象

卒FIT太陽光発電

卒FIT風力光発電

対象規模

5,000kW（高圧）2,500kW（高圧）

設備利用率

10.4%

20.7

4,558,332kWh

4,543,583kWh

年間発電電力量
発電パターン

2018年度四国電力実績値を元に算定

25前提条件１：新電力事業（収支内訳）
費目
電力小売単価売
上 余剰
インバランス（年間平均値）
電力仕入れ（JEPX)

経費

設定値
関西電力高圧電力AS（6,000V）と同値
基本：1765.5円/kW
従量：13.94円/kWh（夏季）、12.87円/kWh（その他季）

出典
関西電力
料金メニューJEPX（2018年度）スポット市場取引結果（エリアプライス関西の1時間値）に対して、一定単価（5、10、15、20円/kWh）をマイナスする単価を設定
JEPX（2018年度）スポット市場取引結果（エリアプライス関西の1時間値）
年間平均値：8.88円/kWh

計画値に対して、JEPX（2018年度）スポット市場取引結果（エ電力仕入れ
リアプライス関西）の年間平均値：8.88円/kWhで固定買取（太陽光・風力）（計画値をはずれた発電量分の購入はみていない）

託送料金

関西電力託送料金（高圧：標準接続送電サービス）と同値
基本：517円/kW
従量：2.59円/kWh

不足
インバランス（年間平均値）関西エリアのインバランス料金(2018年度）に対して、一定単価（5、10、15、20円/kWh）をプラスする単価を設定

関西電力
料金メニュー26

前提条件２：水素製造事業（事業概要）
項目

表 水素製造設備概要
内容

事業者

新電力事業者エリア

関西電力管内水素製造設備容量

300Nm3/h（PVの余剰電力規模に準じる）をベースにNPVを最大化する容量を推計

水電解消費電力単位

5.0kWh/Nm3

水電解消費上水量0.0010t/Nm3

表 水素製造設備コスト（設備容量300Nm3/hの場合の2020～2030における目標値）
項目
内容
備考
水電解装置設備

70,000千円

純水製造装置設備費

1,200千円

受変電設備

12,000千円上記設備費の25%

工事費20,800千円

合計

104,000千円＊水素製造設備容量を変更する際は、コストは設備容量に比例すると設定27

前提条件２：水素製造事業（収支内訳）
費目

設定値

出典

電力仕入れ（再エネ電源）

0円/kWh

託送料金

関西電力託送料金（高圧：標準接続送電サービス）と同値
基本：448.2円/kW、従量：2.6円/kWh

関西電力料金メニュー

ユーティリティー費

水道使用量

売
上 水素小売単価

経費 人件費

50円/Nm3

水素ステーションの人員が運転管理する想定のため費用計上しない

土地代

水素ステーションの土地に設備設置する想定のため費用計上しない

保険料

設備費の0.8%

修繕費

設備費の3%
28経済性評価（評価方法）■評価方法• 対象事業において，これまでの設定条件をもとに1年間（1時間毎8760時間分）の電力需給モデルを作成し，各要素の時間別単価を用いて，事業の損益計算書，キャッシュフロー計算書を作成• この計算書をもとにDCF（Discounted Cash Flow）法により各事業のNPV（Net PresentValue:現在事業価値，事業期間：15年，割引率：4%）を算出■制約条件• 水素製造設備ありの事業において、NPVが最大化される水素製造設備の容量を算出＊水素製造設備の処理能力を超えた再エネの余剰電力は，ダミーロードにより消費と想定■計算結果•

各ケースにおいて、新電力事業者が、「水素製造システムを保有しない」場合と「水素製造システムを保有する」場合の２つの事業について、NPV、水素設備容量・設備利用率（水素製造あり）を計算し、各結果の差額（水素製造あり－ 水素製造なし）を算出
29

経済性評価（試算ケース）■試算ケース ケース１
新電力の買取電源を太陽光発電（5000kW、σ：7.1%）のみ、風力発電（2,500kW、σ：10.0%）のみ、太陽光発電・風力発電の両方の3ケースで試算
 ケース２
新電力の買取電源を太陽光発電（5000kW）、風力発電（2,500kW）の両方とし、予測誤差σを5%、10%、15%、20%の4ケースで試算•

インバランスコストは、関電エリアのJEPX料金(2018年度1時間値）に対して、一定単価（0、5、10、15、20円/kWh）を余剰時にマイナス、不足時にマイナスする単価の5パターンで感度分析

30

試算結果（ケース１）•

太陽光発電より、風力発電を電源としたシステムの方が、水素製造システムの設備利用率が高くなり、事業性も高い。

31

試算結果（ケース２）•予測誤差、インバランスペナル
ティが大きくなるほど、水素製造ありの事業価値の優位性が高くなる。

32

まとめ
 再生可能電源の大量導入と共に、その出力の予測誤差の現状と定量化が電力システムの運用において極めて重要であることを示した。
 予測誤差によって生じるインバランスを解消するためのシステムとして、電気と水素のコプロダクションシステムの提案した。
 再エネ電源の出力予測誤差に起因する新電力事業者が抱えるインバランスリス
クについて，リスクヘッジの手法として，インバランス電力を用いた水素製造を行うことに対して事業性評価を行った。

 今回設定した水素製造の条件のもとでは，新電力事業者は，水素製造を行うことで，インバランスリスクを回避し、事業価値を高めるシステムであることを示すことができた。
 ただし、新電力事業の規模・需要家の負荷パターン、再エネ電源の種類・予測誤差、インバランスペナルティの単価、水素製造システム等の条件によって、結果は大きく異なるため、実際においては各新電力事業者の状況に応じたシステムの構築・評価が必要である。

33