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現在の電力供給状況

タンカー  2011年3月11日の東日本大地震後の原子力発電所の停止以来、日本の電力供給はひっぱくした状態が続いています。

その間は日本の電力各社は主として原油や天然ガスを燃料とする火力発電で電力需要に対応してきましたが、その原油・天然ガスの価格が2014年末ごろから大幅に下落し、2012年ごろの高値の半値ぐらいになりました。

これは、原油・天然ガスのほとんどを海外から輸入している日本にとって発電用原燃料費の大幅削減につながり、やがては電力料金が値下げされることになるでしょう。

また、九州電力の川内原子力発電所の再稼動がこの夏にも予定されるなど、これまで停止していた原子力発電所も少しづつ稼動する動きがあります。

このように電力ひっぱくがやや小康状態になってきた現在、今後5年くらいを視野に入れて、できるところから電力供給の改善策をとってゆく必要があると思います。

自然エネルギー発電

太陽光発電  政府は今後原子力発電所の再稼動を進める方針ですが、将来的には原子力発電は2011年の大震災前よりかなり低い規模に抑える予定だそうです。今後は太陽光発電、風力発電など自然エネルギーを利用した再生可能エネルギー発電をさらに推進することになります。

自然エネルギー発電の難点は、まず発電コストが火力発電より高いことです。原油・天然ガス価格下落により、自然エネルギー発電のコスト高がさらに問題になりそうです。
自然エネルギー発電のもう一つの問題は、発電量が時々刻々大きく変動することです。

たとえば太陽光発電の場合、夏の日中に大きな発電量が得られても急に雷雨が発生すると十分ぐらいのうちに発電量がほとんどゼロになることもあります。

2014年10月、大手電力5社が、再生可能エネルギー固定価格買い取り制度(FIT)に基づく再生エネ発電電力の新規受け入れを管内全域で停止すると発表しました。電力各社は、認定された電力をすべて受け入れると需給バランスが崩れて周波数や電圧が乱れ、大規模停電や発送電設備の故障などにつながる恐れがあると述べています。

発電量変動平準化策

 現在民間を中心に大規模太陽光発電所(メガソーラー)の設置が急ピッチで進行しています。さらにこれまでに固定価格買い取り制度で認定された大規模太陽光発電所の設置申請は既設の何倍もあり、それらがそのまま設置されれば莫大な太陽光発電量が各電力会社のネットワークに流入することになります。

各電力会社としては、そのような不安定な発電量をそのまま自社のネットワークに受け入れたら管内の電力安定供給の責任が果たせなくなると恐れているのでしょう。
私ども電力利用者側から見ても、各電力会社の言い分はもっともと思われ、メガソーラーなど事業として太陽光発電を行い、それを各電力会社のネットワークに接続する場合はなんらかの発電量変動平準化策を講じていただきたいと考えます。

現在メガソーラーによっては、発電量平準化のために真昼の時間帯に太陽光発電量の一部をカットするピークカットを行っているところがあるようですが、それではせっかくの発電量の一部を利用せず、捨てることになります。

売電事業用蓄電池

蓄電池  やはり、大規模太陽光発電所ではなんらかの蓄電池を設置することで真昼の時間帯などで過剰になった電力を一時貯蔵し、発電量が不足になったときに貯蔵した電力を放出する方式をとっていただきたいと思います。

そのためには太陽光発電量に見合ったかなりの容量の蓄電池(二次電池)が必要です。大規模太陽光発電所では価格の高い蓄電池設備を備えることになり、事業者の負担が大きくなります。
また、蓄電池設備のサイズはかなり大きくなるので、それを収容するのに相当なスペースや建屋が必要になります(左の写真)。

現在は電気自動車に使われて需要が伸びているリチウムイオン電池がかなり低価格になったので、それを利用して太陽光発電の発電量平準化を行う動きが出てきました。

電力会社や私ども利用者としては、そのようにバッファ(発電量平準化設備)をもった大規模太陽光発電所は電力網にリスクを与える恐れが少ないので望ましいわけです。
国はバッファをもつ太陽光発電所からの電力はバッファのない太陽光発電所からの電力より若干高く買い入れるべきだと思うのですが、いかがでしょうか。

電力会社の買電力量
 メガソーラー(大規模太陽光発電所)など再生可能エネルギーを利用した発電サイトは、地価の安い北海道で盛んに設置申請が出されているそうです。
北海道電力は、電力各社の中で比較的に系統規模が小さいので、大型太陽光発電設備が多くなると電力の変動により系統周波数が大きく影響を受ける恐れがあります。

そこで、北海道電力はこのたび接続申し込みが40万kWを超えた分の大型太陽光発電設備(2MW以上)については、連系の条件として、発電設備に蓄電池を併設して急峻な出力変動を発生させないことを売電事業者に要請しました。
具体的には、メガソーラー出力の変動幅を、蓄電池の充放電制御と連携した合成出力で、1分間にPCS定格出力の1%以内に収めるというスペックを提示しています。

太陽光発電業者が申請した蓄電池容量では上記発電量変動平準化スペックをクリアすることができない場合には、北海道電力は、売電事業者に蓄電池容量を申請した容量より少なくして再度申請するように求めています。

このように太陽光発電業者サイドで発電量変動を平準化することにより、北海道電力は再生可能エネルギーを利用した電力をより多く受け入れられるようになると述べています。
この北海道電力の方式は、他の電力会社でも次第に採用されて行くと思われます。

揚水発電

揚水発電  数年前までは国中に多数の原子力発電所があり、莫大な発電量を供給していました。
その原子力発電所は、一般に稼働中に発電量の大幅な増減をするのは難しいとされます。
そこで、電力需要の少ない夜間にも原子力発電所は高水準の発電をすることになります。

その電力をより有効に利用するために、各地に大規模な「揚水発電所」が建設されました。
これは夜間の余剰電力を使って低所の水を高所に設けた貯水池にくみ上げ、日中電力需要が増加したころに高所の水を発電所の水車に落下させることで発電を行うものです(左の写真)。

揚水発電は余剰電力の有効利用の観点から大変有効であり、原子力発電所とのコンビで日本の高度成長に必要なエネルギーを担ってきました。

今後原子力発電の比重が低下するとされますが、揚水発電所は上記夜間余剰電力の有効利用のほかに太陽光発電、風力発電など自然エネルギーを利用した発電の発電量変動をするバッファとしての役割が期待されます。

しかし、残念ながら日本には揚水発電所を建設する適地がもうほとんどないということです。揚水発電を行うには、上池、下池を設ける場所、その間の高低差、東京など大電力消費地に遠くないことなど、さまざまな条件を満たす必要があるそうです。

NAS電池

NAS電池  上記のように揚水発電所の新規建設が困難なこともあり、電力会社サイドでは電力を安定的に供給するためにさまざまな大規模蓄電設備を開発し、電力網の中で実際に運用するようになりました。

2011年3月の東日本大震災発生直後の6月、東北電力(株)は太平洋側の火力発電所が甚大な設備被害を受けたことから、冬の供給力対策として能代火力発電所構内に大容量のNAS電池(ナトリウム・硫黄電池)を設置するとアナウンスしました。

NAS電池とは、負極にナトリウム、正極に硫黄を利用し、それらの間にファインセラミックスの電解質を置いて充放電を行う蓄電池(二次電池)です。

ナトリウム・硫黄電池は日本では日本ガイシ(株)と東京電力(株)により開発が進められ、2002年にNAS電池として事業化されました。NAS電池は大容量、高エネルギー密度、長寿命が特長で、鉛蓄電池の約 1/3 のコンパクトサイズで長期にわたって安定した電力供給を行うことができるとされます。

東北電力(株)が設置したNAS電池の出力は合計で8万kW(2000kW×40台)で、NAS電池の利用では国内最大規模となりました。8万kWという出力は、中規模の水力発電所と同等です。東北電力(株)は、NAS電池は電気需要の低い深夜などに蓄電を行い、電気需要の高い時間帯に放電する運用をしているそうです。

レドックスフロー電池

レドックスフロー電池  レドックスフロー電池とは、2種類のイオン溶液を陽イオン交換膜で隔てておき、両方の溶液中に設けた電極上で酸化反応と還元反応を同時に進めることによって充放電を行うタイプの二次電池です。原理はアメリカNASAによって開発されました。

レドックスフロー電池は、2種類のイオン溶液を入れる電極槽と溶液を循環させるためのポンプを必要とするので、設備の重量、体積あたりのエネルギー密度は低くなるのが難点です。しかし、充放電のサイクル数が1万回以上まで使用できる長寿命があり、またバナジウムなど燃焼性の低い物質を使うため安全性にも優れています。

同電池は原理的にシステムのサイズは大きくなりますが、電池の構造が簡単なので容易に大出力システムを構築できます。そこで、電力網での使用などMWクラスの大型システム用途が中心となります。日本国内では住友電気工業(株)が製品化しています。

住友電気工業(株)と北海道電力の共同事業として2016年末までに北海道電力の基幹系統変電所に蓄電容量60MWhのレドックスフロー電池を設置し、風力発電や太陽光発電の出力変動に対する調整性能の実証を行う予定だそうです。

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池  現在、ノートパソコンや携帯電話機には高エネルギー密度のリチウムイオン電池が広く使われています。そのリチウムイオン電池の価格は最近かなり低下したので、前記のように売電事業としての太陽光発電や風力発電の発電量平準化設備として盛んにつかわれるようになりました。

リチウムイオン電池は設備の重量、体積あたりのエネルギー密度が非常に高いので、電力網用の大型蓄電システムとして利用すれば設備の軽量小型化が実現できます。
しかし、現時点までは電力網用蓄電設備としてリチウムイオン電池を採用した例は多くありません。

その主たる理由はまず現在のリチウムイオン電池の価格がなおかなり高いからだと思われます。電力網用蓄電設備は通常発電所や大型変電所の敷地の一角に設置されます。設備が軽量小型であることは、それほど要求されるわけではないのです。

今回調査しているうちに東北電力(株)が仙台の変電所にリチウムイオン電池の大型蓄電池システムを設置し、営業運転を開始したのを知りました。蓄電池システムの容量は20,000kWhで、電力系統にこの規模のリチウムイオン電池をを設置するのは国内で初めてということです(上の写真)。

今後再生可能エネルギーの導入が拡大する状況の中で、気象条件で出力が変動する風力発電や太陽光発電により発生する周波数変動への対策としてこの蓄電池システムを設置し、平成29年度まで実証試験を行うとのことです。

鉛蓄電池の利用

鉛蓄電池  今回の調査をしていると、鉛蓄電池に関する記事、レポートをいくつか目にしました。
実は、私はこれまで鉛蓄電池はすでに成熟した技術であり、電力網用蓄電のような先端的アプリケーションには関係がないと思っていました。

実際には鉛蓄電池の技術は現在でも日進月歩で、蓄電容量も瞬間的な放電電流の大きさも着実に向上しているということです。
鉛蓄電池の最大のメリットはコストが低いことで、ある記事によると電力網用蓄電に利用した場合、同じ容量のリチウムイオン電池に比べて価格が 1/5 ですむということです。


 また現在の鉛蓄電池は完全な密閉構造で20年近い寿命があるとされ、NAS電池やリチウムイオン電池のように発火する危険性もありません。

鉛蓄電池は蓄えられるエネルギー密度が低いので、電力網用蓄電に利用する場合には大きな設置スペースが必要になります。しかし、電力網用蓄電設備が置かれることが多い発電所、変電所などは通常かなり遊休地があり、設置スペースの大きさはそれほど問題にならないということです。

鉛蓄電池を利用した電力網用蓄電設備については現在鉛蓄電池メーカーと重電機メーカーなどがタイアップして開発に当たっており、将来的には数百メガワット級蓄電設備の開発を目指しているそうです。

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