分散型電源と電気料金制度
浅野浩志
1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111.の適切な費用分担を実現する機能をもっ.

はじめに

2. 分散型電源普及の標題

電力業界は，平成 4 年度より需要家サイドに設置する新エネルギーの開発・普及や電気料金による需要調整，いわゆるデマンドサイド・マネジメント(DSM) をめ

地球環境問題への対応や省エネルギーの観点から P

V ，燃料電池といった小規模分散型電源に大きな期待がざした料金制度の大幅な改革に動き始めた.この 4 月か寄せられている.しかし，このような目的に照らして全らは，太陽光発電 (PV) ，燃料電池など新エネルギーに体としてインパクトをもち得るには相当の普及努力が必よる自家発からの余剰電力を買上げるとし、う画期的な制要である.現在各方面で，分散型電源からの余剰電力の度を設けた.また，大口需要家を対象にした需給調整契購入や系統連系の技術要件など分散型電源の普及促進に約を拡充した.特に，東京電力は時間前までの要請向けた制度，技術面の課題が議論されている.

でピークカット可能な緊急時調整契約を新設し，即時対いわゆる自然、エネルギーによる分散型発電技術 (PV ，応能力を強化した.家庭用に対しては 6 月から時間帯別風力)の普及には技術的なブレークスルーのみならず，料金制を全家庭対象に拡大した.

ある程度の量産が可能な需要規模を確保し，経済性を向小論では電気事業者以外が保有する分散型電源の普及上させることが不可欠である [4 ].新エネルギ一発電技と電気料金制度をめぐる動きを解説するとともに今後の術よりコスト上有利なコージェネレーション・システム

課題を摘出しその解決に資する研究の一端を紹介する.

(CGS) で、は，単体の総合エネルギー効率は理論上約

まず電気事業が電力需給の安定を図るため，従来の供70-80% に達するが，実際には熱需要と電力需要の時間給サイド中心の対策から需要対策重視の姿勢に変わりつ的マッチングが難しく，その潜在的な性能を発揮し切れつある理由を探ってみよう.供給面においては電源立地ない.そこで，既存の電力系統に連系し，電力の双方向の確保が困難になったり，環境問題への対応から新規電取引を認めれば，運用効率の向上を図ることができる.

源の建設に制約がかかりつつある.一方，需要面では民これは CGS を保有する需要家の立場に立った話である

生用のみならず 3K 対策から産業用においても冷暖房需が，社会的に見れば，至Ij底分散型電源のみですべての需要が増加している.またさまざまな冷暖房機器の普及に要をまかなうのは不可能であり，商用系統との連系によ

よって夏季はもちろん冬季でさえ需給が逼迫している.

り複合的な供給体制を構成せざるを得ない.このとき，そこで，省エネルギー，環境保全，安定供給といった分散型電源を保有する需要家とその他の一般の需要家

電気事業が果たすべき目的を達成する手段として，電気の間の公平性に注意した取引条件を確立する必要があ

料金制度に対する期待が高まってきている.省エネノレギ

る.

ーとは合理的な電気利用を意味するわけだが，そのためには料金制度に供給原価をより厳密に反映させる必要がある.季時別料金制は，重負荷と軽負荷期，および昼間と夜間で料金差を設定する(ピークロードプライシング理論)ことにより，需要家の負荷移行を促進し，負荷平準化を図るものである.また，季時別料金制j は需要家間

3. 分散型電源に係わる電気料金問題
分散型電源、とそれに係わる電気料金制度の関係は，分散型電源普及の程度に応じて次の 3 段階に分けられる.

(1) 系統とは独立した分散型電源
分散型電源の経済性は，電気料金の構造とは無関係にその水準のみに依存する.

あさのひろし紛電力中央研究所〒 100 千代田区大手町 1-6 ー 1436 (30)(2) 系統に連系するが逆潮流が認められない場合分散型電源は系統に連系することにより，周波数安定© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーションズ・リサーチ

化など電力の質向上と分散型電源が稼働しない場合のパ要家にとっての最適価格よりも低く設定される.これはックアップを受けられるという 2 つのメリットを享受す

競合関係にある場合，電気事業が自家発需要家に割引きる.この系統接続に伴なう料金はアクセス・チャージと料金を適用することは社会的にも(自家発を保有しない呼ばれる.分散型電源の普及を促進する意味から，分散需要家にとっても)望ましいことを意味する.電力市場型電源保有需要家サイドのメリットを過大に評価するこに本格的な競争が導入される場合には，競合相手の電力となく，一般需要家の料金が上昇しない範囲で，電力会供給コストを陽表的に意識した料金設定が必要になるこ

社サイドの費用増を基準にアクセス・チャージを決めるとを示すものといえる.のが望ましい.

上述のクリーム・スキミング現象は，均一料金制や昼今ひとつの論点は，とりこ需要家の発生をいかに回避

夜間格差の小さい季時別料金制の下で起りやすい.季時するかとし、う問題である.産業用や業務用需要家は，買別料金制を適切に設計することにより，分散型電源を年電からコージェネレーション等の自家発へシフト(系統間ベース運転させることなく，むしい電力系統の負荷平パイパス)しうる.このようなクリーム・スキミング現準化に寄与させることも可能である.このメカニズムに象よりベース需要が失われると，残された小規模のとりついては次節で紹介する.

こ需要家に大きな固定費負担が課される.これによる単位需要当たりの料金上昇はさらに自家発シフトを招き，需要家の系統離脱を促進する.

(3) 余剰電力販売可能な場合
電力業界は平成 4 年 4 月から太陽光発電等新エネルギ

一発電と在来の廃棄物発電，燃料電池，コージェネレー

この現象に対応する 1 つの方法は，系統バイパスを起ションの 2 種類の分散型電源、からの余剰電力購入価格メこす恐れのある需要家に反バイパス・インセンティブ料ニューを導入している.今回の余剰電力購入指針は，供金を適用することである.実際，米国の一部の電気事業給安定性，時間帯，環境負荷への影響等の条件に応じた者は共通費配分ルーノしを変更し，競争的な大口需要分野

価格メニューを初めて公開し，制度化されたものと評価への負担を相対的に軽減する料金設定を実施しつつあされる.ここで対象となる分散型電源は比較的小規模で，る.しかし，このような一種の差別料金は常に需要家聞

また，電力量も電力会社と比較すると無視できるほど小の公平性を脅かす危険をはらんでいる.そこで，需要家さい.特定供給の範闘がきわめて限定されているため，聞の公平性を確保しながら，社会にとって望ましい形で，第三者への小売供給は事実上不可能である.

競争条件の違いに応じた個別料金設定の理論的基礎を明

将来電力供給に関する規制緩和が進んで，電力会社にらかにする必要がある.文献[ 1]では，固定費回収に悪よる託送が自由化されれば，余剰電力販売は現在のよう影響をおよぼす自家発需要家の系統離脱を引止め，かっな買取のみでなく，小売託送方式との選択が伺題になる.

既存自家発の有効利用を図るため，自家発需要家向けの託送が自由化されれば自家発やコージェネレーション保料金設定問題をゲーム問題として定式化し，経済厚生上有者が設備規模および運用の適正化を行ないやすい.

望ましい料金設定を導出している.

電力供給市場に CGS をもっ企業が参入してきた場

自家発を保有する需要家は，それらの代替電源の使用合，余剰電力の販売システムとして買取システム(電気を介して価格形成過程に関与してくる可能性がある.複事業者が買取り，一括販売)と使用料システム(系統使数の主体が異なる目的関数を最適化する際，主体聞の相用料をコージェネレーターが負担，自由販売)のいずれ互依存関係を分析し，主体の行動を予測しようとするのが望ましいかを，ゲーム理論を応用して分析した.これがゲーム理論である.状況設定により均衡解は複数存在については第 5 節で詳述する.

するが，そのどれが現実的であるか考えるのが応用上重要である.電気事業者と自家発保有需要家とが協調して社会厚生を最大化する場合と，両者が競合する場合とを分析している.さらに競合する場合は決定権に順位のな

4.

季時別料金制下のコージェネレーシ
ョンシステムの運用

分散型電源として普及がし、ちじるしい CGS を保有すいナッシュ・ゲームと，順位のあるスタッケルベルグ・

る業務用需要家(ホテル，事務所など)の季時別料金制ゲームを適用した.その結果，自家発の限界費用が電気による負荷シフトのメカニズムを解析することに焦点を事業の限界費用に近接する場合など，両者が競合関係に絞って，われわれが開発したモデルとその解析結果の概あるときは，自家発需要家にとっての最適価格は一般需要を紹介する [2 ].

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現行の料金制度には，業務用需要非線形計画問題

家を対象にした一般的な季時別料金制は含まれていない.しかし，鉄鋼業など産業用需要家と同じく，代替電源またはエネルギー貯蔵設備を保混合整数線形計画問題有する業務用需要家は，季時別料金制j によりエネルギーコストを削減できる可能性がある.

4.
1 モデルの概要
季時別料金制の下で，非線形計画法により CGS の最適機器容量を混合整数計画法により最適運用方策を求めるモデルを開発した.都市部で普及がいちじるしいガスエンジンを原動機とする CGS を解析の対象と

図 1

ベナルティ法による機器規模および機器運用方策の階層的決定法 [2J

する.同時に考慮すべき変数や制約条件を少なくし，ワークステーションで計算できるようおいては，デマンド料金が大きな効果をもつことが予想にするため，ベナルティ法を導入し，機器容量と運用方される.そこで，デマンド料金単価を 9 電力会社の中で策を階層的に決定する(図 1 ).

基本料金が最も高い場合(1 700 円 /(kW ・月))と最も下位レベルにある運用問題では，各代表日における購低 L 、場合 (1200 円 /(kW ・月))について最適容量の変入電力量，都市ガス量および各機器の運用を最適化する.

化を求めた.均一料金制下の場合の電力負荷パターンを目的関数は，電力と都市ガスの従量料金の和である.制変更しない場合には，年間の電力コストが等しくなるよ

約条件は，各機器の性能特性を表わす入出力関係( 1次うな条件(収入中立)をおいて従量料金を調節する.季式で近似される)および各エネルギー・フローに関する時別料金も収入中立的とし，従量料金の昼夜間比率を iエネルギー・パランスである.上位レベルにある構成機-10 に変化させた.

器容量の最適化に際しては，容量を表わす変数の上下限

現行の均一料金，高/低デマンド料金，および昼夜間制約と，仮想的なエネルギーを発生させないための制約

料金比 5 のときの各需要家毎の最適設備容量を求めた.

条件のみをもっ非線形計画問題として定式化する.年間

図 2 にピーク電力需要に対する発電機と買電の最適容量総経費(年開設備費と年間運用費の和)を目的関数とすの比率を示す.たとえば事務所ピルの発電機容量は，均る.電気料金単価.については業務用電力(東京電力)，ガ一料金下で最大電力需要の約 70% である.テ'マンド料金

ス料金単価については空調用夏期契約料金 (4 -10 月はを安く設定したケースでは，契約電力を 12%大き〈し，従量料金を一般料金の 46% に割引く)を基準とした.電逆にガスエンジン発電機容量を 9.5% 小さくする.事務気料金については夏季を 7-9 月，残りを冬季，また昼所ピルの場合，ホテルや病院と比べるとデマンド料金に間を 8:00-22:00 ，残りを夜間と時間帯を設定した.

対する設備調整の感度が大きく，低デマンド料金ケース

このモデルを用いて，業務用需要を代表するホテル，では発電機容量が大幅に縮小されるため，購入電力量を病院，事務所ピルの 3 種類の業務用需要家の季時別料金増やさざるを得ない.季時別料金下では発電機容量は 7に対する反応を解析した.対象建物の延べ床面積を 22 ， 0%増加し，契約電力量は 9%減少した.発電機容量は夏OOnf と仮定して電力・熱需要データを設定した.

季ピーク時間帯の需要にあわせて決まるため，料金比を4.
2 最適容量設計

上げて昼間電力を高価にすると発電機容量は増大する.

現行の電気料金は，使用電力量 (kWh) に応じて徴収

三需要家の反応を比較すると，ホテルのようなフラッする従量料金と契約電力 (kW) に応じて徴収する基本料

トな需要パターンを示す需要家に対しては従量料金比よ金(契約電力ではなく実デマンドに課すデマンド料金もりデマンド料金の方が設備容量決定に影響を与える.一ある)とから成る 2 部料金制である.設備規模の決定に方，病院のような電力需要の比率が小さい需要家はホテ

438 (32)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

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発電畿の最適容量(対ピーク需要)

IL-と逆の傾向をもっ.電力需要および冷房需要のウェイトが大きい事務所ピんで1土，従量料金比とデマンド料金のいずれに対しでもかなり敏感に反応する.

4.
3 最適運用ρノ70

前節において求めた均一料金の下で CGS 構成
機器の最適設備容量を固定して，季時別料金の昼夜間比を変化させ，発電機稼働と買電パターンへの影響を検討する.図 3 に昼夜間料金比を変えた

事務所

病院

ホテノレ

ときの年間の賀電夜間率(夜間買電量/総買電量)の変化を示す.いずれの需要家についても年聞を買電の契約容量(対ピーク需要)

通じて料金比 5 で夜間率の上昇は飽和する.また，ガス料金に空調用夏期契約料金が適用される夏季ピーク日では料金比が 3-5 になってはじめて買電が増える.この範囲の夜間料金は，家庭用時間帯別料金や業務用蓄熱調整契約の夜間単価に近い水準である.事務所ピルの場合，夜間率の向上は他の 2 つの需要家(ホテル，病院)に比べて低い.

ホテノL-，病院の反応はかなり似通っており，冬

ホテル

季ピーク日の場合，均一料金下では熱需要が大き

図 2

いためガス料金単価が高くてもエンジン排熱も有効に使われるため，発電機が稼働する.しかし季時別料金制下では料金比1. 2-2で夜間電力が大幅に増加する.これは夜間電力単価が少しでも安くなると，電力需要は買電でまか病院

事務所

各種料金制に対する CGS 需要家の反応[2JC%)

100

高砂ホテル
70

E2

なわれ，熱需要はガス吸収冷温水機とガスボ

1U・ :;L f~:ijﾌイラーでまかなう方が発電機を運転するより

半 30 r.，，o恒___'X.-ーー

40 1/ク病院-"ーーヴー __x____x____x____x120(.日，~~)<~-

経済的であることを意味する.一方料金比が/1~1 “

事務所ビルi大きくなっても元来低い昼間料金下で設備の従量料金:H: 夜間 j 七

最適設計が行なわれているため昼間の買電は減少しない.

図 3

事務所ピルの場合，冬季でも冷熱需要があ4
昼間: 8:00‑22:00
夜間: 2
2:00‑8:00ird

従量料金の昼夜間比と年間買電夜間率 [2Jるため温水吸収式冷凍機を稼働させて，エンジン排熱を有効に使う.温熱はガス吸収式冷吋UO

内υとガスの従量料金の和)への影響をみる.昼夜間料金比を 1 ‑ 5 に変化させたときの電気F、UAHVFhd

次に季時別料金のエネルギーコスト(買電nun

比が上昇しでも，買電はあまり増加しない.

年間総山旭川品目

温水機によってまかなわれる.このため料金

ホテ lレ

およびガスの従量料金(年間)を図 4 に示す.

従量料金昼夜間比

料金比を上げると安価な夜間電力が発電機の燃料であるガスと代替するため，総エ不ルギ
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ホテル，病院の反応はかなり似通っており，

図 44
昼間

58 ・ 00-22:00

夜間: 22:00‑8:00

従量料金の昼夜間比と年間総運用費[2J© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

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ーコストは低減していく.ただし，夏季政府による販売システムの選択、システム

ピーク日はガスの夏季料金の影響で料金比が 2 になるまで代替が起きない.冬
季ピーク日においては夜間寅電が急激
ι川M悶μコージェネの参入の|リ断、;人e

用されているので代替が起きない.

事 61111V冬季ピーク日は機器がすでに有効に利判の料金分が減少する.事務所ピルの場合，入参エ日ンの、不分は増加するが，その増分以上にガスコに増加する料金比 1- 1. 5 で，電気料金取引料交渉~;/.'-ぃ._cヲ

Hllfl' ""，.I: 11 刷

I~J :if:菜 L よ也ノζ括的判附(交渉の場 1 )

従来，業務用需要は料金制度による需要の誘導は難しいとされてきた.ま複占/!
<. /カ J レアノレ

決裂た現状では CGS を設続した需要家には季時別料金制は適用されないため C

取引料交渉

GS がベース運転され，電気事業者の(交渉の場 3 )

負荷平準化には悪影響をおよぼす恐れ

決裂

.
‑‑‑
¥¥

\成立が再三指摘されてきた.以上の需要家反応解析により，CGS を設置した要

需家は季時別料金制にかなり弾力的に独占(サンクコストあり)

屯力の独占販売(状態1)状態 2 )反応することがわかった.大口需要，

図 5

電灯需要のみならず業務用需要にも季後， 'i(状態 3 )

カ 1レテ lレ

(状態 4 )

ゲームの木 [3 ]時別料金制が選択制で導入されることが望ましいといえよう.その際，季時7J1j料金の従量料金ーターの費用関数を仮定する.各プレイヤーの戦略変数比は 3 程度で十分である.と目的関数を次のように定義する.

5. 競争的電力市場のゲーム論的分析
規制緩和が進めば，これからの電気事業者は潜在的市場参入者の存在を意識して，価格設定を行なうようになろう.また規制当局も電気事業者に効率的運営を追求するインセンティプを与える必要がある.既存企業に対する規制を緩め，市場を競争的に変えていくため価格メカニズムをできるだけ有効に活用する必要がある.そのとき供給者・消費者双方の電力市場参加者に電力市場のマクロな状態変数である価格シグナんを正しく伝えること(1)

政府: {買取りシステム使用料システム}の選択

目的関数=社会厚生→最大化(社会厚生=消費者余剰+既存企業の利得+参入企業の利得)(2) 電力会社: {複占行動，カルテル行動}の選択
目的関数=生産者余罪判→最大化(3) コージェネレーター: {参入，非参入}および{複占行動，カルテノL 行動}の選択

目的関数=生産者余剰+エネルギー消費余剰l→最大化とする.

が今以上に重要になる.適切な料金制度を設定すれば市政府は，一般需要家の代理人としてその電力消費の効場が備えている自動調整効果，すなわち市場参加者の自用，すなわち消費者余剰と両企業の利得をあわせた社会律的な行動の統合により社会的な便益を最大化するシナ的な純便益(社会厚生)を最大化する.コージェネレー

ジー効果を実現することが期待されるからである.
電力供給市場に CGS をもっ企業(コージェネレータターの利得は，余剰電力販売による利潤と熱および電力消費の効用の和となる.

ー)が参入してきた場合，政府がどのような販売システ

コージェネレーターと電力会社は取引料(買取り価格ムを設定すべきかを，ゲームとして分析を行なった [3 ].

または使用料)を交渉する.交渉解の概念としてここではこのゲームのプレイヤーは{政府，既存企業(電力会社)，LP 的解およびナッシュ交渉解を採用する.

参入企業(コージェネレーター) }である(図 5 ).電力

両プレイヤーの基準点からの効用の増分の和を，またナおよび熱需要の需要関数，電力会社およびコージェネレ

ツシュ交渉解はその効用の増分の積を最大化する解とし440 (34)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

LP 的解はオベレーションズ・リサーチ

て定義される.参入企業が電力市場に参入するか否かのは使用料の設定により幅をもっ.最終的に状態 2 と 4 を意思決定を行ない参入したならばその時の販売システム比較した場合，政府の目的である社会厚生は，カルテルの形態に従って互いに利得を最大化するためにそれぞれ行動と独占販売のいずれについても等しくなる.したがの生産量を決定しその上で電力の取引料を決定する.って，政府は買取りシステム，使用料システムどちらをこのようにゲームを定義すると最終的な政府，企業の最適行動は，それぞれの行動の結果得られた目的関数の比較によって判断できる.ここでは独占供給，独占販売，複占，カルテルの各状態に至ったと仮定し，そこからそ選択しても無差別となる.このゲームでは 2 つの均衡点が存在する.

以上のように電気の小売価格を自由化し，コージェネレーションをもっ独立発電事業者の参入を認めた場合，れぞれの企業の最適反応を導きだし，最適行動，均衡取買取り独占とカルテルとが電力供給市場の最適な市場形引料を導く.またプレイヤーは，需要関数やお互いの費態になることがわかった.

用関数などの情報はすべて把握しており，また常に最適な行動をとる完全情報を仮定している.

ただしこの場合，たとえ独立発電事業者の参入があっても電気の一般需要家である消費者は何の利益を享受す

コージェネレーターが市場参入をしなければ電力会社ることはできない.使用料システムの下での複占市場(状の独占供給状態(状態。)になる.状態 1 は，コージェ態 3 )のとき，消費者余剰は最も大きく，電力会社にとネレーターが参入を決心し，系統連系設備を設置したにってもカルテルより利得が大きくなる場合があるので大もかかわらず参入に失敗した場合である.状態。に比し多数の者にとって好ましい.しかしコージェネレーターて，このサンタコストの分だけコージェネレーターの利は，託送料金の負担が大きく状態 1 の独占よりも利得を得は減少する.

減らしてしまうので決してそのような市場は形成されるもし，政府が買取りシステムを選択すると電力会社，コージェネレーターはともに自身の利得が増大する状態ことがない.

6.

結語

2 ，つまりコージェネレーターが余剰電力を売り，電力会社が独占的に販売する形態が両企業の合意で選択される.買取価格は電気事業者の限界費用に等しく定めることが導出された (LP 的交渉解).これは，米国の公益事業規制政策法 (PURPA ，1978年制定)による買取価格

電気料金は，電気事業経営の根幹にかかわる重要な問題であり，従来から公益事業論の中で論じられてきた.

一方，分散型電源は電源計画など技術評価の領域やエネルギー経済論で重要なトピックとなってきた.しかし，分散型電源にかかわる料金問題は，現在進行中の規制緩の設定と同じ思想である.
この場合コージェネレーターは独占時に廃棄していた余剰電力を販売できることにより利得を増加させる.総電力供給量および電力会社の利得は独占状態と変らずコージェネレーターの増分利得だけ社会厚生は増大する.

一方，政府が使用料システムを選択すると，電力会社和の流れを背景に検討する必要があり，理論の確立にはなお相当の努力を要する.従来この分野では OR 手法の適用が十分なされてきたとは言い難い.小論を通じて数理計画法やゲーム理論の有効性が示されたのであれば筆者の望外の喜びである.

は複占行動を選択しようとするが，その場合，コージェ

参芳文献

ネレーターは，状態 1 の電力会社の独占生産，独占販売[1J 浅野浩志:自家発保有需要家向け料金のゲーム論の場合と比較して利得が低下してしまうので，カルテノレ行動を選択しようとする.電力会社がこれを拒否して状的分析，電中研研究報告 Y91004 (1991)[2J 浅野浩志，今村栄一，佐賀井重雄:コージェネレ態 l の独占に陥ってしまうと電力会社自体の利得がカルーション設置需要家の季時別料金制に対する反応解テルを選択した場合よりも低下してしまう.よって電力

析，電中研研究報告 Y91001

会社，コージェネレーターともに状態 4 のカルテル行動を選択する.

(1991)[3J 浅野浩志，桑畑暁生:コージェネレーターの電力市場参入に関するゲーム論的考察，第 8 回エネルギー

カルテル状態の総電力供給量は独占時と等しく，消費システム経済コンファレンス講演論文集(1 992)

者余剰jは変化しない.さらに電力会社とコージェネレー[4J 山地憲治:長期的視点からみた新エネルギーの意

クーの電力生産の、ンェアも買取り独占の場合と同じで生義一自然エネルギーとリサイクルエネルギ一一，原子産者余剰も同じ大きさになるが，それぞれ利得の大きさ

力工業，

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Vo 1.38, No.5(1992)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

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