風力・太陽光電力の広域送電と電気自動車による2040年の電力需給，低炭素シナリオ

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K12356
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 竹濱 朝美 立命館大学, 産業社会学部, 教授 (60202157)
• 研究分担者: 歌川 学 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40356572)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 電力需給解析 / 石炭火力廃止 / IEA Net Zero / 風力発電 / 接続検討申込量 / 出力制御 / 原子力発電 / 再エネ電力60％

研究実績の概要

①IEA Net-Zeroシナリオに準拠して，西日本の電力需給について，2030年に，石炭火力の廃止と再生可能電力比率（RE比率）60%の達成可能性を検討した。発電機起動停止-経済運用(UC-EDC)の簡易モデルを改良した。各送電管区の在来電源を22種に区分し，1時間単位の平均燃料費の最小化を目的関数として，Matlab optimization tool box線形計画法により，各電源の発電量と需給を解析した。
②(a)西日本で，Highケース（PV65GW,風力31GW），TSO-Highケース（PV52GW，風力9GW）を比較した。Highケース導入量は，風力の接続検討申込量の50％を連系する。TSO-Highケース導入量は，系統ワーキング委員会における送電会社の「1.5倍ケース」である。(b)連系線運用容量は，2030年の長期運用容量から上積みして，九州-中国，中国-関西を5.5GW，四国-関西を2.8GWに拡張する。蓄電池は揚水発電定格出力*25％*4h*4日の容量とした。
③(a)九州地域のHighケース（原子力無し）では，風力を11GW導入した結果，RE比率70%で目標を達成した。TSO-Highケース（原子力有り）では，RE比率51%で目標に届かず，出力制御率は25%となった。(b)中国地域でも，Highケース（原子力無し）では，RE比率73％で目標を達成した。TSO-High（原子力有り）ケースでは，RE比率48％で目標に達せず，需給ひっ迫状態になった。(c)西日本でHighケースの規模で風力発電を導入すれば，石炭火力を廃止しても，RE比率60％達成の可能性がある。原子力稼働は柔軟性不足になり，出力制御率を数％ポイント悪化させる。西日本ではPV出力に規定された残余需要になるため，朝夕の需要ピーク時に，需要削減（下げデマンドレスポンス）が必要である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

概ね，順調に進展している。コロナ対策の関係で，海外調査には行けなかったが，反面，国内の再エネ電源の導入事例について，ヒアリング調査が実施できた。
需給解析モデルの改良については，残余需要の時間カーブについて，電力管区別，季節別の偏差の分析が進んだため，電気自動車の充電とヒートポンプ加温を柔軟性に活用する場合の時間プログラムの改良が進んだ。2022年度は主に西日本について作業したことで，太陽光発電による残余需要の地域別，季節偏差の理解が進んだ。この結果，蓄電池の充放電やデマンドレスポンス（DR)の投入について，時間プログラムの改良ができた。
部門別（家庭，業務，産業製造業）の電力需要のサンプルデータと，都道府県別エネルギー消費統計を活用して，部門別（家庭，業務，産業製造業）の電力需要の年間値から，月間値，日間値を推定する作業を進めた。これは，残余需要の水準に応じて，上げデマンドレスポンス，下げデマンドレスポンスの部門別の時間プログラムの基礎作業になった。2023年度は，この作業に基づき，DRの必要量の算定作業を行う。
本モデルは，1時間単位の燃料費最適化計算であるため，1時間単位の電力量MWhのバランスについて，エネルギー制度の制度改革を反映したセクターカップリングの視点を組み込んだ需給解析を行う点に特徴がある。この点で，部門別のDRの必要量，可能量，時間別プログラムのによる投入量の推計は，重要な作業となる。2023年度に，重点的に作業を行う。

今後の研究の推進方策

①西日本，東日本の広域エリアについて，前日段階での供給計画の概算を行うモデルの改良を行う。蓄電池容量とデマンドレスポンスについて，広域エリアでの必要量の概算，各電力管区への送電量の概算を行う。
②風力発電について，各送電会社には，相当量の接続検討申し込み量が提出されている。これを考慮して，再生可能電源の接続検討申込量の50％が系統連系するものとして，広域エリアでのHighケースの導入目標量の見直しを行う。電気自動車（EV）の導入量を見直す。乗用車に加えて小型トラックについても，EV導入量を算定する。
③部門別のデマンドレスポンスの時間プログラムを作成する。西日本，東日本エリアについて，Highケース，TSO-Highケースの再生可能電源導入量について，残余需要の時間別曲線を分析し，上げDR，下げDRの投入時間プログラムを作成する。
④(a)産業（製造業，農林水産産鉱建設），(b)業務サービス，(c)家庭の部門別に，電力消費量MWhの年間値，月間値，日間値を推計する。さらに，家庭部門，および業務部門の時間別電力消費量サンプルデータに基づき，部門別に，時間別需要曲線のモデルケースを作成する。家庭，業務，産業の各部門のデマンドレスポンス（上げＤＲ，下げＤＲ）の時間プログラムの簡易モデルを作成し，デマンドレスポンスを投入する場合の需給バランス効果を概算する。蓄電池容量の一定割合について，上げDR，下げDRを投入する場合の柔軟性の効果を分析する。
⑤石炭火力廃止，原子力発電停止の場合の2030年の電力需給について，西日本，東日本の広域エリアについて，再生可能電源比率60％の達成可能性，再生可能電力の出力制御率，発電量１kWhあたり平均燃料費と炭素税額，蓄電池とデマンドレスポンスの必要量を推計する。研究のまとめを行う。

次年度使用額が生じた理由

①ドイツおよびデンマークの電力需給対策，再生可能エネルギー拡大計画について，現地調査を予定していた。しかし，海外研究者との研究会は，ZOOM経由の実施となり，外国出張がなくなった。かつ，新型コロナ感染防止対策と家族の健康上の理由により，国内に滞在していなければならなかったため，2022年後期も，外国出張の予定が困難になった。データ解析や解析モデルの作成については，ZOOMによる研究会で質疑応答したため，特段の問題は無く，作業は順調に進んでいる。
②国内学会も，エネルギー資源学会，環境学会は，いずれも，ZOOM開催（対面開催中止）になったため，国内旅費の執行額は少なかった。国際学術会議のGrand　Renewable 2022も，ZOOM開催の会議となった。このため，予定していた国内出張，外国出張がなくなり，予算執行額が少なくなった。Matlabモデルの改良やデータ解析の作業は，支障なく，データ分析や解析モデルの改良は，順調に進んでいる。
③来年度は，デンマーク，オーストリーにおける風力発電の送電網連系対策の事例調査，系統用蓄電池事業，需要家側の需要調整デマンドレスポンス，バイオマスCHPによる柔軟運転，鉄道会社の炭素排出量計算システム等について，現地調査を予定している。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS, Lille University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS, Lille University
• [雑誌論文] 2030年に石炭火力を廃止する場合，西日本の電力需給への影響，再エネ電力60%の可能性検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹濱朝美，歌川学
  • 雑誌名: 第39回 エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集 39, (エネルギー資源学会) 巻: 39 ページ: 193～198
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 2030年，石炭火力廃止の場合の西日本の電力需給，再エネ電力60％目標の可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹濱朝美，歌川学
  • 雑誌名: 第44回 風力エネルギー利用シンポジウム (発表原稿集) (日本風力エネルギー学会) 巻: 44 ページ: 266～269
  • オープンアクセス
• [学会発表] 2030年に石炭火力を廃止する場合，西日本の電力需給への影響，再エネ電力60%の可能性検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹濱朝美，歌川学
  • 学会等名: 第39回 エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス (エネルギー資源学会)
• [学会発表] 自然変動電源による2030年の西日本の電力需給，原発ゼロの場合のデマンドレスポンス必要量 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹濱朝美，歌川学
  • 学会等名: 日本環境学会 第48回研究発表会
• [学会発表] Feasibility of 60% Renewable Electricity Target and Electricity Supply-Demand Balance of Western Japan Grids in 2030 Under the Phasing-Out of Coal-Fired Power Plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Asami Takehama, Manabu Utagawa
  • 学会等名: Grand Renewable Energy 2022 International Conference (GRE2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 2030年，石炭火力廃止の場合の西日本の電力需給，再エネ電力60％目標の可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹濱朝美，歌川学
  • 学会等名: 第44回 風力エネルギー利用シンポジウム (日本風力エネルギー学会)
• [図書] Local Energy Governance: Opportunities and Challenges for Renewable and Decentralised Energy in France and Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Magali Dreyfus, Aki Suwa, Asami TAKEHAMA, Manabu UTAGAWA, Luis Roman Arciniega Gil, Laure Dobigny, Kenji INAGAKI, Takuo Nakayama, Blanche Lormeteau, Guillaume Dezobry, Masayoshi Iyoda, Raphael Languillon, Francois-Mathieu Poupeau, Bomi Kim, Marie-Anne Vanneaux,
  • 総ページ数: 274
  • 出版者: Routledge
  • ISBN: 978-0-367-45891-1