地域連携を考慮した再生可能エネルギーを活用した
脱炭素型エネルギーシステムの実現可能性検討
Feasibility study on decarbonization of energy system with
regional cooperation of renewable energy
芦名 秀一

＊

Shuichi ASHINA＊

国立研究開発法人 国立環境研究所 社会システム領域 地域計画研究室
Regional Planning Section, Social System Division, National Institute for Environmental Studies

摘要本研究では，地方自治体スケールを対象に，広域的な融通ネットワークや時間変動を考慮した需給バランス評価を踏まえた再生可能エネルギーを中心とした脱炭素型エ
ネルギーシステムの実現可能性検討を行った。2015 年度の電力需要と導入ポテンシャ
ルをもとに再生可能エネルギーの地域間融通ネットワークを試設計した結果，東日本
では北海道から東北を経由して関東へ向かう流れとなり，西日本では導入ポテンシャ
ルの大きい地域と近傍の電力需要が超過している地域がグループを形成することがわかった。つぎにこの結果をもとに設定した一群の地域において，毎時単位でのバランスを確保しつつ再生可能エネルギー導入量を拡大した電力需給の姿を検討した結果，地域間融通を想定することで再生可能エネルギー利用量は増加するが，さらなる導入にはディマンドレスポンスなど電力需要を供給に合わせて変化させる技術等との組み合わせが必要であることが示唆された。

キーワード：再生可能エネルギー，地域脱炭素，地域連携，電源計画モデル
Key words：renewable energy, local decarbonization, regional energy cooperation,
optimal generation planning model

1．はじめにわが国のエネルギー供給は，石炭，石油，天然ガスなど化石燃料に大きく依存しており，2019 年度ではこれら化石燃料が一次エネルギー供給量の 88.4％を占めている（EDMC, 2021a）。同年のわが国の温室効果ガス排出量のうち，エネルギー起源二酸化炭素が 84.9％（GIO, 2021）
であることも勘案
排出量（CO2）すると，脱炭素社会実現のためには，エネルギーシ
ステムのあり方を化石燃料中心から使用時に CO2 を排出しない脱炭素型エネルギー源中心へと転換することが肝要である。
脱炭素型エネルギー源は，太陽光や風力などの再生可能エネルギーや原子力発電など多様である。長期的に脱炭素社会を目指した際の脱炭素型エネル
ギー源それぞれの役割は，これまで様々に検討が進められてきている。気候変動に関する政府間パネル（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）の 1.5℃特別報告書では，地球温暖化を工業化以前
から 1.5℃に抑制するための温室効果ガス排出量削減対策に関する複数のモデル・シナリオ分析をレビューし，2050 年には世界全体の一次エネルギー
消費量に対して再生可能エネルギーが 60.80％（中央値，以降同じ），原子力発電が 4.22％，発電に限ると再生可能エネルギーが 77.52％，原子力発電が8.87％を占めると報告している（Rogelj et al., 2018）。
わが国では，Oshiro and Fujimori（2021），Kato andKurosawa（2021）や Silva Herran and Fujimori（2021）などが CO2 排出量の大幅削減を達成するためのシナリオとそのマクロ経済への影響や設備の座礁資産化への示唆，ネガティブエミッション技術の役割について議論を行っている。また，Shiraki et al.（2021）
は，電力部門に着目して複数のモデル分析の結果を比較し，2050 年 80％削減を達成するシナリオでは，再生可能エネルギーからの電力供給量が 40％を超
え，90％以上の削減を達成するシナリオでは共通してバイオマス CCS（Bioenergy with Carbon Captureand Storage, BECCS）などのネガティブエミッション
技術の導入が想定されていることを明らかにしている。加えて，2020 年 10 月 26 日に菅総理より「2050

受付：2021 年 11 月 30 日，受理：2022 年 5 月 25 日＊
〒 305 - 8506 茨城県つくば市小野川 16 - 2，E-mail：ashina.shuichi@nies.go.jp
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芦名：地域連携による脱炭素型システムの検討

年カーボンニュートラル，脱炭素社会の実現を目指す」ことが宣言されて以降，その実現のための対策やシナリオの研究も進められてきた。資源エネル
ギー庁の総合資源エネルギー調査会基本政策部会第44 回会合（2021 年 6 月 30 日開催）では，2050 年カー
ボンニュートラルの実現に向けた検討として国内 7
研究機関から分析結果の報告がなされ，研究機関によって，またそれぞれの想定によって結果は異なる
ものの，脱炭素型エネルギー源が一次エネルギー消費量の 30％以上，発電に限ると 60％以上に達し，その半数以上が再生可能エネルギーによることが示されている（資源エネルギー庁, 2021a）。
このように，再生可能エネルギーの導入は脱炭素
社会実現において中心的な役割を演じると期待されているものの，自然条件の違いや法令，土地利用の制約などにより，地域ごとに利用できる量は大きく異なる。再生可能エネルギーのうち太陽光，風力，
中小水力，地熱，地中熱，太陽熱について，エネル
ギーの採取・利用に関する種々の制約要因による設置の可否を考慮したエネルギー資源量である導入ポ
テンシャルや経済性を考慮した導入ポテンシャルをとりまとめている再生可能エネルギー情報提供シス
テム（REPOS）（環境省, 2021a）に基づくと，例えば市
区町村ごとの住宅用等太陽光発電の導入ポテンシャ
ルは，数十 MWh から 3,000 GWh を超えるまで幅広
く，また，隣接する自治体間でも導入ポテンシャル
量には差がある。そのため，どのような再生可能エ
ネルギーを導入するかは地域のポテンシャル量に応じて異なり，特に地方自治体や街区スケールなどの地域スケールに着目した検討が重要となる。
また，再生可能エネルギーのもう一つの特徴として，出力が時間によって変動し，エネルギー需要とは必ずしも連動しないことが挙げられる。一例として，図 1 に東北電力（2021）の需給実績より，冬季（1
月）
と夏季
（8 月）
について毎時の電力需要量と太陽光発電，風力発電，地熱発電の発電量を示す。電力需図1

要量は，概ね平日が高く休日や正月・お盆などの長期休暇の時期には低下する傾向があり，1 日単位で見ると，日中が高く夜間が低いほか，昼食の時間帯（12 時～13 時）にはやや低下する。また夏季は，日中の冷房用電力使用の影響もあり，冬季と比較して昼夜の変動幅が大きい。いっぽう再生可能エネル
ギー発電について見ると，太陽光発電は，電力需要と同様に日中に発電量は増加するものの，週単位や平休日別に発電量が異なる傾向はない。風力発電
は，一度発電すると数時間～数日にわたって発電量が持続する傾向があるが，その発電のタイミングや
出力変動パターンに電力需要との明確な関係性は見られない。なお，地熱発電は，対象期間を通じてほぼ一定の出力を維持している。このことから，再生可能エネルギーの導入によっても安定的なエネル
ギー供給を確保するためには，毎時単位など詳細な
時間スケールでのエネルギー需要と再生可能エネル
ギー出力のバランスに関する検討が求められると言える。
以上を踏まえると，地域スケールで再生可能エネ
ルギーを活用した脱炭素型エネルギーシステムを設計し，実現していくためには，その計画段階で，地域ごとに賦存量が異なり，また自然条件により変動する特徴を考慮して，他の地域との間での再生可能エネルギーの融通量の評価や，それぞれの地域ごとの毎時単位でのエネルギー需給バランスの分析・検討を行うことが重要となる。そこで本研究では，（1）わが国の全ての地方自治体を対象に，電力需要量と再生可能エネルギー導入ポテンシャル量をもとにして再生可能エネルギーを最大限利用するための地域間エネルギー融通ネットワークを試設計し，さらに，（2）その結果を踏まえた一群の地域と融通
ネットワークを対象に，電力需要量と再生可能エネ
ルギー出力の時間変動を考慮したエネルギー需給バ
ランスの分析に基づく脱炭素型エネルギーシステムの実現可能性を評価した。

電力需要量と太陽光・風力・地熱発電の発電量実績値の例（東北電力, 2021）．

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2．全国を対象とした再生可能エネルギーの
地域間融通ネットワークの分析
地域をまたぐ再生可能エネルギーの融通は，特定の自治体間で協定等に基づいて実施されているものがある。例えば，神奈川県横浜市は，東北の 12 市
町村
（青森県横浜町，岩手県久慈市・二戸市・葛巻町・普代村・軽米町・野田村・九戸村・洋野町・一戸町，福島県会津若松市・郡山市）と連携協定を締結し，これら市町村の再生可能エネルギー発電を横浜市へ供給し，再生可能エネルギーの創出・導入・利用拡大や脱炭素化の推進を通じた住民・地域企業
主体の相互の地域活力の創出を行うこととしている（神奈川県横浜市, 2021）。このほか，東京都世田谷区における群馬県川場村，青森県弘前市，長野県，新潟県十日町市・津南町と連携した再生可能エネル
ギーの利用拡大（東京都世田谷区, 2021）など，地域の再生可能エネルギー利活用のための自治体間連携は広がりつつある。しかし，わが国全体が脱炭素社会に向かうためには，特定の自治体間での融通に留まることなく，都道府県全域での融通や国全体での融通など，より広域的な再生可能エネルギーの融通を進めていくことが重要となる。
第五次環境基本計画に掲げられた地域循環共生圏の理念も踏まえると，地域の再生可能エネルギー
は，まずそれぞれの地域内で地産地消し，さらに，地域間で融通することが望ましいと考えられる。そこで再生可能エネルギーの地域間融通ネットワークの試設計では，自治体別の年間のエネルギー需要量と再生可能エネルギー導入ポテンシャル量をもとに再生可能エネルギーの地産地消量を求め，余剰分を他の自治体に融通するとして全国大での融通ネット
ワークを試設計した。なお，再生可能エネルギーには，太陽熱や地中熱，バイオマス熱供給など，熱供給ができるエネルギー源も含まれるが，現時点で熱を長距離輸送する技術・手段は限られることから，試設計では再生可能エネルギー発電に着目することとし，エネルギー需要についても電力需要を主に対

図2

19 – 29（2022）

象とすることとした。
2.1 地域別のエネルギー需要・再生可能エネルギー
ポテンシャル量の分析
わが国では，国全体及び都道府県別のエネルギー需給については，それぞれ総合エネルギー統計，都
道府県別エネルギー消費統計として資源エネルギー庁が作成，公表しているが，地方自治体別での整備は行われていない。そこで，地方自治体別のエネル
ギー需要を都道府県別のエネルギー消費データから求めることとし，産業部門と業務部門については「地方公共団体実行計画（区域施策編）策定・実施マ
ニュアル：算定手法編 Ver.1.1」（環境省, 2021b）を参考に，産業部門については農林水産業，鉱業，建設業と，製造業については食品飲料製造業等 10 業種，
業務部門については事務所，小売店等 6 業種に集約
し，それぞれ各年の製造品出荷額や従業者数等の部
門別・業種別に設定した指標により都道府県別エネ
ルギー消費統計を按分することで推計する。また，家庭部門は，都道府県別の用途別・エネルギー種別
エネルギー消費原単位をもとに自治体別に世帯数を乗じて推計した。これら推計に際しては，自治体ごとに気温や都市ガス配管等のエネルギーインフラは異なり，エネルギーの使い方にも差があることは推察されるものの，本研究では同じ都道府県に属する市区町村は按分指標や原単位以外の条件は一様であるとの仮定を置いている。なお，運輸部門について
は，都道府県別エネルギー消費統計においては家庭乗用車のみが計上されていること，またその電力消費量が産業部門，家庭部門，業務部門，運輸部門全体の 2％程度（2019 年度）
（EDMC, 2021b）にとどまる
ことから，分析では対象外とした。
自治体別のエネルギー需要量・電力需要量とその部門別割合の推計について，2015 年度の結果を図 2に示す。図中の円の中心が自治体ごとの部門別割合を示し，円の面積は消費量に比例している。
図2（a）を見ると，エネルギー需要量の大きな自治体の多くは，産業部門の割合が高く，業務部門の割合が高い自治体はエネルギー消費量が少ない傾向がエネルギー需要量・電力需要量の部門別構成（2015 年度）．

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芦名：地域連携による脱炭素型システムの検討ある。特に，エネルギー需要量の大きい上位 10 自い。また，送電に際しては国全体の電源計画分析
モデルでの設定（Shiraki et al., 2016）を参考に，1％/
治体の半数は産業部門の割合が 90％を超える。いっ100 km の送電損失を考慮した。
ぽう，神奈川県横浜市や大阪府大阪市など，商業活
図 3 に，再生可能エネルギー電力の地域間融通フ動が活発で人口も多い自治体では，エネルギー需要
ローと，他地域からの送電も含めた地方自治体別の量は大きいものの，産業部門の割合はそれほど高く電力需要に対する再生可能エネルギーによる電力供なく，業務部門や家庭部門の割合が大きい。いっぽ
給の割合（需要充足率）を示す。図中の矢印の向き
う，電力需要のみに着目した図 2（b）では，産業部門
は，電力の流れの方向を示し，幅は電力融通フローの割合が高い自治体は多くなく，多くの自治体が産量を表す（ただし，10 TWh/年以下のフローについ業部門の割合が 20％以下で業務部門と家庭部門の割ては作図の都合により等幅とした）。
合がいずれも 40％を超えるエリア（図の左下部）に位国全体としての電力のフローに着目すると，東日置している。これは，産業部門では熱需要が主であ本では北海道から東北を経由して関東へ向かう流れるのに対して，業務部門や家庭部門では電力が需要ができることがわかる。主には奥羽山脈に沿った流の多くを占めることを示唆している。
れとなるが，一部は日本海側に分岐し，長野県や岐自治体ごとの再生可能エネルギーによる電力供給
阜県を経由して愛知県まで到達する。いっぽう西日
量は，REPOS（環境省, 2021a）を参照して設定した。
本では，再生可能エネルギー導入ポテンシャルの大REPOS では，理論的に算出されるエネルギー資源
きい地域と近傍の電力需要が超過している地域がグ量である賦存量や経済性を考慮した導入ポテンシャ
ループを形成し，それぞれのグループ内での電力融ル（シナリオ別導入可能量）も推計，公表されている通は行われるものの，東日本のように広域的な融通が，本研究では導入ポテンシャルを用いた。なお，は生じない。
導入ポテンシャルは賦存量よりも小さく，シナリオ
東日本のフローを詳細に見ると，いくつかの地域別導入可能量よりも大きい。また，対象とする再生が電力フローの集約や分岐のハブとなって広域的な可能エネルギー種は，住宅用等太陽光発電，陸上風
流れを形成していることがわかる。北海道では，札力発電，中小水力発電（河川），地熱発電とし，公共系等太陽光発電と洋上風力（着床式，浮体式ともに） 幌市で宗谷総合振興局から日本海沿岸を経由するフローとオホーツク海沿岸から内陸を経由するフローは除いた。公共系等太陽光発電は，導入ポテンシャ
が合流し，根室振興局や釧路総合振興局からの流れ
ルは大きいものの，太陽光パネルの設置可能面積のは苫小牧市と千歳市が隣接する白老町で合流する。
想定によるが 95％以上が農地（田，その他農用地とこれら二つのフローは豊浦町で合流し，渡島半島を耕作放棄地）への設置によるものであり，実際にど経由して青森県に到達する。青森県では，津軽半島
こまで設置が可能かは食糧需給とのバランスも踏まで奥羽山脈に沿うフローと日本海沿岸を経由するフえての検討が必要とされると判断したことから除く
ローに分岐する。奥羽山脈沿いのフローは，秋田こととした。また，洋上風力発電も高い導入ポテン
県，山形県，福島県会津地方を経由して関東地方にシャルを有しているが，設置海域と個別自治体との流れる。関東地方では，北海道や東北地方からのフ対応関係が明確ではないため除いた。
ローが栃木県栃木市付近から徐々に分岐して導入ポ
2.2 再
 生可能エネルギーの地域間融通ネットワーク
テンシャルが不足する自治体へ到達する。いっぽの試設計
う，日本海沿岸を経由するフローは，青森県から秋地域間融通ネットワークの試設計にあたっては，田県，山形県，新潟県へ向かい，新潟県中越地方かそれぞれの自治体が有する再生可能エネルギー導入
ら内陸の長野県，岐阜県を経由して，関東地方と同ポテンシャルで最大限その自治体の電力需要を満た様に導入ポテンシャルが不足する愛知県内自治体へし（地産地消），余剰が生じた場合には他の自治体へ供給される。これらに加えて，東日本には青森県下送電できるとして，国全体として再生可能エネル
北半島から岩手県内陸部，宮城県，福島県中通りを
ギー導入ポテンシャルにより賄える電力需要が最大経由して茨城県や千葉県へと流れるフローもある化されるように地産地消量や他地域への送電量を決が，奥羽山脈沿いや日本海沿岸を経由するフローと定した。電力需要は，省エネルギー機器の導入や電比較すると融通量は大きくない。
化の促進などの脱炭素化対策により変化しうるが，再生可能エネルギーによる電力需要の充足率を見
総合資源エネルギー調査会基本政策部会（資源エネ
ると，本研究で対象とした 1,741 自治体のうち 78％
ルギー庁, 2021a）で報告された結果において概ね電（1,360 自治体）が，他地域からの融通も含めて再生力需要は横ばいか増加傾向と報告されていることを可能エネルギーのみで電力需要を全て賄うことがで踏まえ，本研究では現状（2.1 節に示した 2015 年度
きることがわかった。いっぽう，需要充足率が 50％の推計値）の地方自治体別の電力需要を分析の前提に満たないのは 303 自治体であり，島しょ部を除くとして用いた。なお，送電は，物理的に隣接した自と多くは瀬戸内海沿岸や九州北部に位置している。
治体間で行われるものとし，例えば青森県横浜町か
本試設計の結果より，北海道や東北の再生可能エら神奈川県横浜市に直接送電することは想定しな
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図3

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地域間での電力融通フロー量と自治体別電力需要充足率．

ネルギー資源を関東地方や中部地方に融通することにより，80％近い自治体がその電力需要を再生可能
エネルギーのみで供給できることがわかった。しかし，特に西日本も含めた国全体のフローの中では北海道と青森県の間の流れが 320 TWh/年と最も融通量が大きく，仮に年間を通じて常に一定の電力が送電されると仮定した場合必要となる設備容量は36.5 GW と，現在の北海道と青森県の間の連系容量である 900 MW（北海道電力, 2021）と比較すると 40
倍もの容量が必要である。また，電力広域的運営推進機関（OCCTO）のマスタープラン検討に係る中間整理（OCCTO, 2021）
では，北海道・東北地域の再生
可能エネルギーの利用拡大のための系統増強案をコ
ストも考慮したケーススタディとして検討した結果をまとめているが，発電電力に占める再生可能エネ
ルギーの割合が 5～6 割としたシナリオでの費用便益が最も高い案は北海道と東京の間に容量 4 GW の高圧直流送電（High Voltage Direct Current, HVDC）の増強であることも踏まえると，本分析の融通フローを実現するためには，特に北海道道央から北関東までの送電容量の確保が大きな課題である。

3．電力需給の時間変動を考慮した
脱炭素型エネルギーシステムの分析
本章では，2 章にて試設計した地域間融通ネット
ワークをもとに設定した一群の地域を対象に，毎時単位での電力需要と再生可能エネルギー出力の需給バランスを評価できるモデルを適用して，再生可能エネルギーを活用した脱炭素型エネルギーシステムの実現可能性を分析した。
対象地域は，電力融通ネットワークが地域完結する九州中部の 7 自治体（福岡県うきは市・朝倉市・東峰村・添田町，熊本県南小国町・小国町，大分県日田市）とした。図 4 に，対象地域のエネルギーネッ
トワークの電力需要量の結果と，再生可能エネル
ギー導入ポテンシャルをまとめて示す。
エネルギー種別の再生可能エネルギー導入ポテン
シャルを見ると，熊本県小国町は対象地域内で最も大きな導入ポテンシャル（1,300 GWh/年）を持ち，うち地熱発電の導入ポテンシャルが 1,040 GWh/年と全体の 80％を占めている。いっぽう，大分県日田市
や熊本県南小国町を見ると，地熱発電の導入ポテン
シャルは熊本県小国町と比較して大分県日田市では
1/5 であるが，熊本県南小国町では 3％と，福岡県
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図4

対象地域の電力需要量・再生可能エネルギー導入ポテンシャルとエネルギー融通フローの分析結果．

小国町に隣接しているものの導入ポテンシャル量は圧倒的に少ない。また，大分県日田市よりも北に位置する福岡県の 4 市町村は，地熱発電の導入ポテン
シャルは有していない。陸上風力発電について見ると，大分県日田市が 320 GWh/年と対象地域の中では最も大きな導入ポテンシャルを有しており，その南に位置する熊本県小国町と南小国町もそれぞれ200 GWh/年，130 GWh/年 で あ る。 し か し， 北 に隣接する福岡県 4 市町村では，福岡県うきは市と東峰村の導入ポテンシャル量は数 GWh/年と小さく，福岡県朝倉市と添田町もそれぞれ 50 GWh/年，
35 GWh/ 年と他の 2 市村よりは大きいものの，大分県日田市と比較すると 10％～15％の水準にとどまる。住宅用等太陽光発電は，福岡県うきは市や朝倉市，大分県日田市が 100～200 GWh/年程度の導入ポテンシャルを有しているが，他 4 町村は，人口（住民基本台帳人口）が 2019 年調査でいずれも 1 万人以下と少ないこともあり，それほど導入ポテン
シャルは大きくない。
電力需要量と融通フローについては，福岡県うきは市・朝倉市・東峰村・添田町は，再生可能エネル
ギー導入ポテンシャルが電力需要に満たず，いっぽう熊本県南小国町・小国町と大分県日田市は電力需要よりも導入ポテンシャルが大きいことがわかる。
融通ネットワークの試設計結果においても，導入ポテンシャルの大きな自治体（後者）から電力需要の大きな自治体（前者）に向けた流れとなり，大分県日田市がハブとなって熊本県南小国町・小国町からの余
剰ポテンシャル量を熊本県 4 市町村に融通していることが確認できる。しかし地域内の需要を全て賄うことはできず，需要充足率に着目すると，対象地域のほとんどの自治体では 100％であるが福岡県添田町は 70％であり，地域全体の電力需要に対する再生可能エネルギー導入ポテンシャルによる供給割合は96％となる。
3.1 毎 時電力需要及び再生可能エネルギー出力の推計
地方自治体別の電力需要の毎時値は，2 章で推計した年間需要をもとに設定する。産業部門のうち化学工業や鉄鋼業等の大規模産業は 24 時間操業を仮定し，毎時需要は年間需要を 8,760 時間（24 時間×
365 日）
で除して設定する。その他産業部門と業務部
門，家庭部門は時別活動データや気温に基づいて推計，設定した。具体的には，その他産業部門については，本研究で対象としている 2015 年の直近で実施された平成 28 年社会生活基本調査結果（総務省統計局, 2017）の曜日・都市圏・都市階級別の時刻区分
活動率より，行動の種類が仕事に対応する行動者率に比例するとして推計した。業務部門は，本研究にて推計した業種別の年間需要量をもとに，施設の月別・時刻別負荷変動（都市環境エネルギー協会,
2013）の需要パターンを考慮して推計した。家庭部
門の冷暖房需要は，暖房は気温 18 度以下，冷房は
気温 24 度以上（基準温度）で使用されるとし，その需要量は基準温度との差に線形で比例すると想定して，市区町村ごとに特定した最寄りの地上気象観測
地点の毎時気温と，平成 28 年社会生活基本調査結果の身の回りの用事や食事，家事，育児などの在宅で実施する活動の割合に睡眠時の冷暖房機器使用率を乗じた睡眠の割合を加えた活動率を考慮して毎時需要を推計した。給湯需要は，総務省社会生活基本
調査の身の回りの用事，食事，家事の行動者率に比例するとして推計した。
再生可能エネルギーのうち，太陽光発電は，地方
自治体ごとに特定した最寄りの地上気象観測点の毎時日射量・日射時間，気温，風速をもとに，Okaet al.（2020）の手法を用いて斜面日射量や単位設備（1 kW）
あたりの毎時発電量を算出する。陸上風力発

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電は，同様に最寄りの地上気象観測点の風速と風向をもとに，導入ポテンシャルを有しているとされた地域の風速区分も考慮して，地上高さ 80 m，ロータ
径 80 m と想定して単位設備あたりの毎時発電量を算出した。なお，中小水力発電（河川）は，九州電力
管内における自流式水力発電の出力パターンを用いることとし，地熱発電は年間を通じて一定の出力を想定した。
3.2 需 給の時間変動を考慮した対象地域における再生可能エネルギー導入による脱炭素化効果
電力需要と再生可能エネルギー出力の時間変動を 考 慮 し た 電 力 需 給 バ ラ ン ス は， ア ジ ア 太 平 洋
統合評価モデル（The Asia-Pacific Integrated Model,
AIM）の多地域電源計画モデル（Multiregional Optimal
Generation Planning Model, AIM/MOGPM）（Gao andAshina, 2022）
を用いて分析した。AIM/MOGPM は，毎時単位（8,760 時間分）の電力需要と再生可能エネ
ルギー設備の単位出力（設備 1 kW あたりの出力）を所与として，設備の導入費用（設備費），固定費，運転維持費と燃料費の年間合計を最小化する最適化計
算により，設備容量やエネルギー種別ごとの毎時出力，エネルギー消費量，CO2 排出量や毎時単位での地域間の電力融通量を求めるモデルである。制約条
件には，毎時の需給一致制約，設備容量やエネル
ギー消費量，CO2 排出量の上下限制約などがある。
また，モデルには，蓄電池など電力貯蔵設備も含むことができ，解析期間のはじめ（1 月 1 日 0 時）と終
わり
（12 月 31 日 24 時）の蓄電量が等しいとの制約のもとで充放電時のロスも考慮して毎時の充電量，放電量と蓄電量の変化が最適化計算により決定さ

図5

19 – 29（2022）れる。なお，再生可能エネルギーについては，需要を超過し，また，電力貯蔵や他地域への融通も困難な場合には出力の一部を抑制できる（解列，Curtailment）とした。
本研究では，電力供給として再生可能エネルギー（太陽光発電，陸上風力発電，中小水力発電，地熱発電）と系統電力，蓄電池を想定した。系統電力は，設備費はゼロとして燃料費のみ九州電力の料金プランを参照して設定した。いっぽう，再生可能エネル
ギーは，燃料費はゼロとして，設備費や運転維持費
は資源エネルギー庁総合資源エネルギー調査会発電コスト検証ワーキンググループ（資源エネルギー庁,
2021b）の値を参照して設定した。また，蓄電池の設備費等は，Cole et al.（2021）に基づいて設定した。
分析として，地域間融通の有無による違いを見るために，融通ネットワークを考慮するケース（融通ケース）と，各地方自治体に賦存する再生可能エネ
ルギーはその地方自治体内のみで利用するケース（個別ケース）の 2 ケースを置き，対象地域の CO2 排出量の合計を可能な限り削減するとの制約条件下で費用が最小となる解を求めた。
図 5 に，それぞれのケースにおける地方自治体別の再生可能エネルギー利用量を示す。再生可能エネ
ルギー導入ポテンシャルが電力需要を下回る福岡県の 4 市町村は，融通ケースと個別ケースで再生可能エネルギー利用量は変化しないが，熊本県南小国
町・小国町と大分県日田市は，再生可能エネルギー
発電の地域間融通を可能としたケース（融通ケース）で再生可能エネルギー利用量が増加する。特に熊本
県小国町は，個別ケースの再生可能エネルギー利用

ケース別・地方自治体別再生可能エネルギー利用量．

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芦名：地域連携による脱炭素型システムの検討

量は地熱発電のみ，電力需要と等しい 165 GWh であるが，融通ケースでは地熱発電とともに太陽光発
電や陸上風力，中小水力発電の利用も進み，利用量は合計で 1,105 GWh と大幅な増加となる。熊本県南小国町と大分県日田市では，融通ケースでは主に陸上風力発電と地熱発電が増加する。
つぎに，毎時電力需給バランスの解析結果について，福岡県うきは市と熊本県の南小国町，小国町，
大分県日田市の 1 月 1 日から 31 日までを図 6 に示す。個別ケースの結果を見ると，福岡県うきは市では日中に太陽光発電からの電力供給が行われる。その他の時間帯は主に系統電力からの供給により電力需要は賄われるが，総時間（8,760 時間）の 1％程度と一年間で見た時には一部ではあるが，朝や夕方などで再生可能エネルギー発電からの出力が需要を超過する時間が生じ，蓄電池への充電と放電が行われる。この傾向は，福岡県朝倉市・東峰村・添田町でも同様である。なお，再生可能エネルギーからの出力が需要を超過する時間帯は，福岡県東峰村はゼロであるが，福岡県添田町では総時間の 1％程
度，福岡県朝倉市はやや大きいものの同 5％と少ない。いっぽう，その他 3 自治体では総時間に対して58％～69％の時間帯で再生可能エネルギー出力が需要を超過しており，熊本県南小国町や大分県日田市
では，蓄電池を導入して日中の太陽光発電と陸上発電の発電量が豊富な時間帯に充電し，供給力が不足する時間帯に放電する運用が行われ，熊本県小国町
では夜間の電力需要の低い時間帯に充電し，日中に放電する運用が行われる。また，これら 3 自治体では，蓄電池に充電してもなお再生可能エネルギー出力が需要を超過する場合には解列が行われる。
融通ケースについて見ると，福岡県うきは市では個別ケースの系統電力供給分の一部が再生可能エネ
ルギーが豊富な地域からの融通電力に代替され，また短時間ではあるが蓄電池も利用される。いっぽう，熊本県南小国町・小国町と大分県日田市では，各地域の電力需要を超えた再生可能エネルギー出力
は，多くが福岡県 4 市町村へ融通され，個別ケースと比較して蓄電池への充電量や放電量は大きく低下する。
必要となる蓄電池の定格出力（放電量）で見ると，熊本県小国町では個別ケースの 27 MW から融通
ケースではゼロに，大分県日田市では 90 MW から
27 MW と 1/3 以下に減少していることからもわかる。なお，福岡県 4 市町村では，他地域からの再生
可能エネルギー電力の融通量が増加するに伴い，必要となる蓄電池の定格出力は個別ケースよりも増加
し，福岡県朝倉市では個別ケースの 44 MW から融通ケースでは 167 MW と 3.8 倍に増加する。また，
福岡県うきは市・東峰村・添田町は，個別ケースでは 2～3 MW であるが，融通ケースではいずれも120 MW と 40 倍以上が必要となる。

地域間の電力融通ネットワークは，再生可能エ
ネルギーの余剰（解列）量の抑制にも大きく寄与する。融通ケースでの対象地域全体での年間の解列量
6 GWh と比較すると，個別ケースでは 375 GWh であり，地域全体の電力需要量の 13％にのぼる。再生可能エネルギーのうち，陸上風力発電の解列量が250 GWh ともっとも大きく，地熱発電が 115 GWhと続く。導入ポテンシャル量と比較すると太陽光発電の解列量は 10 GWh と小さいが，これは太陽光発
電は日中の電力需要の高い時間帯に発電することが多いためであると考えられる。
図 5 及び図 6 で示したように，地域間での電力融通により地域全体としての再生可能エネルギー利用
量は増加するが，特に導入ポテンシャルよりも電力需要が大きい福岡県 4 市町村においては，電力需要に対する再生可能エネルギー導入ポテンシャルによる供給割合は 2 章で示した水準（福岡県添田町が70％，その他自治体は 100％）とは乖離がある。図 7に示す電力需要の全てを系統電力で供給する場合と比較した CO2 排出量で見ても，融通ケースでは，
熊本県南小国町・小国町と大分県日田市ではゼロ（100％削減）となるが，福岡県 4 市町村の削減率は75％～85％にとどまる。
このように年間値での分析結果と差が生じた理由
は，蓄電池利用に伴う充放電ロスのほか，充電してもなお再生可能エネルギーからの供給力が余剰となる時間帯が生じてしまい，それを回避するために一部の再生可能エネルギーについて導入が抑制されてしまうことによると考えられる。融通ケースでの再生可能エネルギー導入量を導入ポテンシャルと比較すると，太陽光発電や陸上風力，中小水力発電は全ての自治体でポテンシャル上限まで導入されているのに対して，地熱発電は熊本県小国町や大分県日田市で導入ポテンシャル量の 80％程度にとどまっている。本分析では地熱発電の発電量は一定と想定しており，1 単位（1 kW 等）の追加設備導入時の余剰電力の増分は，出力が間欠的である太陽光発電や風力発
電よりも大きい。その結果，地熱発電の導入量は導入ポテンシャルよりも低い水準にとどまり，2 章で

図7

ケース別・地域別 CO2 排出量の結果．

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地球環境 Vol.27 No.1

電力需給バランス［GWh］（a）-2 熊本県南小国町

電力需給バランス［GWh］（a）-1 福岡県うきは市

19 – 29（2022）

地熱発電
他地域への融通

中小水力発電蓄電池（放電）

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

地熱発電
他地域への融通（a）-3 熊本県小国町

中小水力発電蓄電池（放電）

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

電力需給バランス［GWh］

電力需給バランス［GWh］（a）-4 大分県日田市

地熱発電
他地域への融通

中小水力発電蓄電池（放電）

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

地熱発電
他地域への融通

電力需給バランス［GWh］（b）-2 熊本県南小国町

電力需給バランス［GWh］（b）-1 福岡県うきは市

中小水力発電蓄電池（放電）

地熱発電
他地域への融通

中小水力発電蓄電池（放電）

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

系統電力
電力需要

他地域からの融通

地熱発電
他地域への融通（b）-3 熊本県小国町

中小水力発電蓄電池（放電）

電力需給バランス［GWh］

電力需給バランス［GWh］（b）-4 大分県日田市

地熱発電
他地域への融通

中小水力発電蓄電池（放電）

太陽光発電
解列量

陸上風力発電蓄電池（充電）

図6

系統電力
電力需要

他地域からの融通

地熱発電
他地域への融通

中小水力発電蓄電池（放電）

毎時電力需給バランスの解析結果（1 月 1 日〜31 日）．

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芦名：地域連携による脱炭素型システムの検討の分析結果との差に繋がったものと考えられる。本
研究では，毎時の電力需要は所与として分析したが，ディマンドレスポンスなど電力需要を柔軟に変化させる技術と組み合わせることで，より再生可能
エネルギー導入量の拡大が期待される。
4．おわりに
本研究では，太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー発電に着目して，わが国全体で再生可
能エネルギー利用を最大化するための地域間融通
ネットワークを試設計するとともに，複数の自治体を結ぶ融通ネットワーク実現による再生可能エネル
ギー導入拡大効果を電力需要と再生可能エネルギー
出力の時間変動を考慮した需給バランス分析により検討した。
わが国では，再生可能エネルギーの導入ポテン
シャルはエネルギー種ごとに偏在しており，国全体として有効に活用するためのネットワークとして，
東日本では北海道から東北を経由して関東や東海まで連系する大規模な送電ネットワーク，西日本では導入ポテンシャルの大きな地域から周辺に融通する
複数の比較的小規模なネットワーククラスタが適していることがわかった。しかし，特に東日本においては大容量の送電設備を長距離にわたって敷設する必要があり，このようなネットワークの実現には大きな困難が伴う。そのため，長距離送電ネットワー
クの構築とあわせて，電力需要の大きな産業部門や業務部門を導入ポテンシャルの高い地域に誘導するなどの国全体での産業・経済活動の再配置や，大都市近傍の農地や耕作放棄地等を活用した太陽光発電（公共系等太陽光発電）や洋上風力発電の開発など，需要と供給それぞれに再生可能エネルギーを活用す
るための国土利用への移行も重要となる。
また，電力需要と再生可能エネルギー出力それぞれの時間変化を考慮した需給バランスの分析からも，再生可能エネルギーの活用のためには複数の地域が連携することが重要であることが示された。分
析では，毎時の電力需要パターンを所与としたが，蓄電池の利用を考慮してもなお再生可能エネルギー
からの電力供給が需要を超過する時間帯が生じ，結果として再生可能エネルギー導入量がそれぞれの導入ポテンシャルを下回る場合があり得ることがわかった。これについては，曇天や無風が予想される際には電力機器の利用を控えて好天や風況のよい時期にまとめて利用する，利用時間帯をピーク時からずらすといったディマンドレスポンスなど，供給に合わせて需要を変化させる取り組みと組み合わせることによって，再生可能エネルギーの余剰の抑制や導入量拡大を促すことが可能となると考えられる。
また，本研究では電力需要として産業部門・業務部
門・家庭部門のみを対象としたが，電気自動車による充電・放電など運輸部門での取組との組み合わせや水素や熱，ガスなど燃料製造への利用（Powerto-X）など，新たな電力需要を生み出すことも重要な取組となると言える。
今回の分析では，対象を電力需要に限り，また地
方自治体ごとの需要量や再生可能エネルギー導入ポ
テンシャルは現状に基づく推計値を用いたが，今後は 2050 年など長期の国土利用の変化やライフスタ
イルや行動も含めた需要の変化，また電気自動車など新たな技術普及を考慮することで，より再生可能
エネルギーを活用するための望ましい地域エネル
ギーシステムの姿の検討が望まれるものである。
謝

辞

本研究は，（独）環境再生保全機構・環境省の環境研究総合推進費（1-2003/JPMEERF20201003），国立研究開発法人国立環境研究所の持続可能地域共創研
究プログラム，文部科学省の「大学の力を結集した，地域の脱炭素化加速のための基盤研究開発」により実施された。関係各位に感謝申し上げる。
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地球環境 Vol.27 No.1

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芦名秀一／Shuichi ASHINA

2006 年東北大学大学院工学研究科修
了，博士
（工学）
。2006 年より国立環境研究所にて勤務し，主任研究員，国際室長
を経て，2021 年 4 月より社会システム領域地域計画研究室主席研究員。専門は機械・システム工学。アジア太平洋統合評価モデル（AIM）チームの一員として日本及びアジアでの国・都市脱炭素社会の姿及びその実現のための道筋研究に取り組
むとともに，政府審議会等での脱炭素計画・政策策定の議論にも貢献。近年は ICT・IoT や AI 的なアプローチを活用したモニタリングとその気候変動緩和研究への応用についても取り組んでいる。

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