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わが国における スマートグリッドのかたち
総括報告 わが国における スマートグリッドのかたち 理 事 Copyright Copyright © © 2010 2010 CRIEPI by CRIEPI 加藤 有一 本日お話ししたいこと １． スマートグリッドと名付けられた電力 システムなどに、関係者はどんな期待を 持っているのか？ ２． 関係者それぞれに捉え方が異なる スマートグリッド。電中研はそれを どのように捉えているのか？ Copyright © 2010 CRIEPI 2 内容と要旨 １．スマートグリッドの現状 スマートグリッドの概念、期待される効果 各国のスマートグリッド ２．わが国の系統の現状と将来のニーズ わが国の系統の現状 低炭素社会の実現と高信頼度、高効率の維持 ３．電中研が考えるスマートグリッド スマートグリッドへの様々な期待 スマートグリッドのコアと4要件 Copyright © 2010 CRIEPI 3 内容 １．スマートグリッドの現状 ２．わが国の系統の現状と将来のニーズ ３．電中研が考えるスマートグリッド Copyright © 2010 CRIEPI 4 スマートグリッドの概念 • 定義は明確ではないが、共通する点として、 – 電気とＩＴとを融合（インテリジェント化） – 供給サイドと需要家サイドの相互連携 – 再生可能エネルギーの大量導入 – 電気の効率的利用（省エネ、CO2削減等） Copyright © 2010 CRIEPI 5 海外で言われているスマートグリッドへの期待 メリット Smart Grid is: 説明 Intelligent 高信頼度 電力系統の状態を常に監視し、系統を自動制御すること 停電リスクを最小化できる Efficient 高効率 追加の設備投資を回避しつつ、増大する電力需要に対応 できる Accommodating 新しい技術への 適応 再生可能エネルギーや電力貯蔵など新しい技術を 電力系統に接続・活用できる Motivating 多様な消費者 ニーズへの対応 消費者と電力会社の間の双方向通信を用いて、消費者が 個々の嗜好にあった電気の使い方を選択できる Opportunistic 新たなビジネス の創出 プラグアンドプレイ技術を活用して、新たなビジネスチャンス が生まれる環境を創出できる Quality-focused 高電力品質 デジタル社会に相応しい高品質の電力を供給できる Resilient 障害回復力に優 れる 電力インフラへの攻撃や自然災害によって生じる電力系統 の障害から速やかに回復できる Green 高い環境性能 環境負荷を低減し、地球温暖化防止に貢献できる 出所)DOE, The Smart Grid: an introduction, Feb., 2009 Copyright © 2010 CRIEPI 6 米国のスマートグリッド ・各種センサの活用による設備運用の改善 （有効活用）、保守管理の効率化 米国 ・PMU等の活用による、広域系統の 監視ならびに制御の高度化。系統 の自己回復力(self-healing)の強化 当面の狙い ・供給信頼度の向上 ・自動化、ピーク削減などに よる系統利用の効率向上、 インフラ整備コストの最適化 ・電力貯蔵等の活用や需給両サイドの 連携による再生可能エネルギーの 大量導入と有効活用 ・供給側と需要家との双方向通信（スマートメータ） ・デマンドレスポンス（電源投資抑制）、車載バッテリー 活用など、需給連携によるインフラ整備、運用の効率化 Copyright © 2010 CRIEPI 出典: http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm 7 中国のスマートグリッド 「強い系統」＋「スマート（インテリジェント）な系統」 UHVをベースとした 「強い系統」に 情報化 自動化 相互連携（電源、流通、 需要家） 当面の狙い ・インフラ整備をクリーン エネルギーの活用など と共に実現 出典: http://www.cera.com/aspx/cda/filedisplay/filedisplay.ashx?PK=39856 Copyright © 2010 CRIEPI 8 わが国のスマートグリッド 既に諸外国に比べスマートな（IT活用）電力系統が存在 低炭素社会の実現に向けて、再生可能エネルギー（特に太陽光発電） の大量導入を可能とするとともに、効率的電気利用を支える将来の 電力供給・利用インフラが必要 53GW 1.4GW 28GW 出典： 総合資源エネルギー調査会 新エネルギー部会資料をもとに作成 Copyright © 2010 CRIEPI 9 スマートグリッドの類型化 • 「既存系統課題」、「将来課題」に着目して類型化すると 既存系統の課題 類型 供給力 系統 高度化型 － 信頼度 自動化 品質 効率化 ○/△ ○/△ 将来展望時の課題 計量 精度 方式 △ 需要 増加 再生可能 エネ導入 ○/△ ○ 電気 高度 利用 ○ 当面の目標となる スマートグリッドの特徴 代表国 ○ 供給信頼度の向上、自動化に よる効率化、省エネ、ピーク削減 など多面的な系統高度化が 当面の主要課題となるタイプ 米国 現状系統はかなりの完成度。 再生可能エネルギー大量導入 への対応が当面の主要課題 となるタイプ 日本 まずは供給力確保、系統整備、 自動化や高精度な計量が当面の 課題となるタイプ 中国 など 省エネ CO2 削減 再生 可能エネ 導入型 － － △ △ － ○ ○ ○ 系統 整備型 ○ ○ ○ ○ ○ △/○ △/○ △/○ 注） ○：重要 △：ある程度重要 Copyright © 2010 CRIEPI 欧州 （一部） －：特に問題ではない 10 スマートグリッドのコスト • 次世代計量インフラ(スマートメーター)の整備 • 需要家までの通信インフラの整備 • 電力貯蔵システムの導入 • 各種エネルギーマネジメントシステムの導入 • 供給側と需要家側の協調のための制度構築 • ・・・ 中長期的に見て、費用対効果があるか 受益者は誰か。コストを負担すべきは誰か （消費者にとって）スマートグリッドの便益は実感しにくい これらについて適切な評価を行い、社会的合意を得て 進めることが重要 Copyright © 2010 CRIEPI 11 内容 １．スマートグリッドの現状 ２．わが国の系統の現状と将来のニーズ ３．電中研が考えるスマートグリッド Copyright © 2010 CRIEPI 12 わが国の電力システムの現状 ○ わが国の電力システムは、これまでの拡大する需要に対応する 電力供給インフラとして発展し、高いレベルの一つの世代を確立 高い供給信頼度、効率性の実現 自動化システム、高効率の発電システムなどの最新技術の導入 最大電力 28倍 最大電力：17,753万kW（9社計） 最大電力：636万kW（9社計） こう長：9.4万km（9社計） *H19年度末時点 こう長：4.4万km（9社計） Copyright © 2010 CRIEPI 出典)次世代送配電ネットワーク研究会報告書 http://www.meti.go.jp/report/data/g100426aj.html 13 高い供給信頼度、効率性の実現 送配電損失率(%) 事故停電時間（年間・1需要家当たり、分） 180 9.0 162 160 8.0 140 7.0 120 6.0 100 100 5.0 6.7 5.8 4.9 4.0 80 57 60 3.0 37 40 16 2.0 12 1.0 注) 2004，2006または2007年実績 米国 ドイツ イギリス 日本 フランス ドイツ フランス イギリス ドイツ イギリス 米国＊１：ニューヨーク 米国＊2：カリフォルニア フランス 米国＊１ 米国＊2 ドイツ アメリカ (カリフォルニア) アメリカ (ニューヨーク) 日本 日本 アメリカ 0.0 0 日本 20 7.8 7.4 フランス イギリス 注) 2007年 出典) 電気事業の現状 2009，電気事業便覧 平成21年版 を基に作成 Copyright © 2010 CRIEPI 14 新技術導入の推進 系統の安定化システム、配電自動化システムの導入 発電所、変電所の自動化の推進 高効率発電システムの導入による発電効率の改善 ICTの活用 など 火力発電所の熱効率(%) 43.2 42.3 http://www.ecofys.com/com/publications/brochures_newsletters/documents/ Ecofys-Internationalcomparisonfossilpowerefficiency_2009_final.pdf を基に作成 イギリス ドイツ フランス 米国 ドイツ 38.1 日本 Copyright © 2010 CRIEPI 42.9 39.4 アメリカ 高い信頼度、効率性 の実現に寄与 44.0 43.0 42.0 41.0 40.0 39.0 38.0 37.0 36.0 35.0 日本 • • • • フランス イギリス 注) 2006年 15 日本の電力系統でのICT等の活用 発電機 (原子力､火力等) 電 源 設 備 中央給電指令所 監視・指令 ・電力系統安定化制御 ・事故波及防止リレー 送電線 ・高速再閉路 無 線 ネ ッ ト ワ ー ク 基幹給電所等 変電所 流 通 設 備 等 光 ネ ッ ト ワ ー ク 制御所 ・系統電圧制御 配電線 ６ｋV ・配電線自動運用 中央通信所 監視・指令 マイクロ波無線網 光ファイバー網 変電所 送電線 変電所 発電機 (原子力､火力等) 等 光ファイバー網 光，メタル 配電まで 自営網を 形成 １００/２００V 需要家 Copyright © 2010 CRIEPI 電気 情報 需要家 16 将来の電力システムに向けて 地球温暖化問題への対応、そのための電気利用の高度化、 一層の効率化、今後予想される設備高経年化などを考慮すると、 次世代の電力システムに向けた取り組みが望まれる （９電力計） 万kW, 億kWh １つの世代として完成 次世代の電力システム 20000 18000 16000 最大需要 14000 12000 10000 8000 需要量 6000 4000 低炭素社会の実現、 高い信頼度、効率性の維持 需要増に対応 2000 Copyright © 2010 CRIEPI 2050 2030 2010 2008 2006 2004 2002 2000 1998 1996 1994 1992 1990 1988 1986 1984 1982 0 17 低炭素社会の実現のために 電力の供給サイド、 利用サイド両方の 技術を適切に組み合 わせることがカギ エネルギーの効率的利用 機器の効率化、性能向上 省エネルギー 利用サイド 供給サイド 低炭素排出 電源の利用 原子力発電の推進 再生可能エネルギ－の活用 火力効率向上、CO2回収処理(CCS) 再生可能エネルギーの大量導入に 対応した電力システム Copyright © 2010 CRIEPI 電化の推進 直接燃焼から電気へ 18 高い信頼度，効率性の維持 人口減に伴う需要 の飽和傾向 将来にわた り、信頼度の 高い電力シス テムを効率的 に維持してい くことが必要 電気利用高度化による 電気エネルギー への依存増大 0 ・停電リスク低減、 信頼度維持 への強いニーズ Copyright © 2010 CRIEPI 経年設備の増大 変電設備量 ・系統の拡充による 新技術導入、 改良の機会減尐 ・設備維持・管理コスト、 更新コストの増大 10 20 30 経年 40 50 60 19 集中形電源 （低炭素排出、高効率） 高効率火力 電気 送電系統 情報 広域・高度監視制御 センサ/制御 石炭ガス化 再生可能エネルギー （主に太陽光）の導入 需要地系統 蓄電池 需給両サイドの連携 （需給一体化） Copyright © 2010 CRIEPI 新型 配電機器 センサ/制御 Charger 将来の電力システムの 実現に向けた技術 (電中研・次世代 グリッドのイメージ) 配電系統 （需要地系統） 分散形電源 （太陽光、風力） 需要家 情報端末 EV 電気利用 （高効率、電力シフト） 20 内容 １．スマートグリッドの現状 ２．わが国の系統の現状と将来のニーズ ３．電中研が考えるスマートグリッド Copyright © 2010 CRIEPI 21 将来ニーズに対する電中研の取り組み(～2007) 2001 2003 2005 2007 新型機器(LPC,需給インターフェイス)開発 需要地系統の運用・制御技術 需要地系統 実証試験研究 基幹系統の解析・制御技術 通信ネットワーク技術 アセット マネジメント 分散形電源普及影響評価 DSMの評価 Copyright © 2010 CRIEPI 22 分散形電源大量導入時の課題への対応 <電圧問題>電圧の逸脱 逸 脱 <対策> LPCによるDG電力融通 + DG無効電力注入 （協調制御） LPC 配電用 変電所 配電用 変電所 <保護保安問題>配電線停止時の 単独運転 無効 電力 <対策>事故区間のみの分離とDG遮断 (IT利用) 配電用 変電所 需給IF Copyright © 2010 by CRIEPI 23 電中研の主な取り組み:需要地系統研究 • 将来の分散形電源の大量導入に対応した配電 系統の技術開発を2001年より実施 • 分散形電源大量導入時の系統課題対応と分散形 電源の有効活用、既存配電設備の有効活用 – 配電線をループ化、広域ネットワーク化(ループ コントローラ (LPC)の適用) – 需給インターフェイスによる分散形電源・負荷の 自律分散制御 Copyright © 2010 CRIEPI 24 電中研の主な取り組み:需要地系統研究 • 赤城試験センターでの実証試験研究(2003-) • 実配電設備を用いた 実験設備構築 • 試作LPCによる有効性 の実証 • 各種運用、制御方式 の実証 Copyright © 2010 CRIEPI 25 需要地系統から次世代グリッドへ • PV導入の高い目標 – 2008.6 2030年までに53GW – 2009.8 2020年までに28GW • 配電系統での対応のみならず、上位系、 需要家端での対応も含めた需給全体での 対応技術開発の必要性 – 需要地系統の検討だけでなく、検討範囲を大幅 に拡大して、次世代グリッド研究へ Copyright © 2010 CRIEPI 26 スマートグリッドへの様々な期待 新成長戦略 新成長戦略：グリーンイノベーションとし て、輸出も含めて50兆円の市場創出、 140万人の雇用創出を目標(2020年) スマートグリッドはグリーンイノベーション の中核技術 環境未来都市 次世代エネルギー・社会システム 実証事業 （横浜、豊田、けいはんな、 北九州） 先進的情報通信・エネルギー・交通 システム＋自然との共生 が日本流・・海外へ発信 Copyright © 2010 CRIEPI エネルギー地産地消 地域のエネルギー自立 （地域で作ったエネルギーを地域で使う ライフスタイル） 地域活性化・町おこし・グリーンジョブ 緑の分権改革 第二のインターネット 全ての機器（家電、自動車等）が インターネットに繋がり、情報を発信 ライフログ(生活履歴)の分析・活用を 通じた新たな価値（サービス）の創出 見守り、安全、安心・・・ 27 新成長戦略 • 7つの戦略分野の21ヶの国家戦略プロジェクトを通じて、 新たな需要と雇用を創造し、デフレ傾向を脱却、2020年までに 名目成長率3%、実質成長率2%を上回る経済成長を達成する – 7つの戦略分野：(1)グリーンイノベーション、(2)ライフイノベーション、 (3)アジア展開、(4)観光立国・地域活性化、(5)科学・技術・情報通信、 (6)雇用・人材、(7)金融 • グリーンイノベーションの主な目標(2020年) – 環境分野で50兆円の市場と140万人の雇用を新規創出 – ゼロエミ電源比率50%以上、再生可能エネ比率10%(一次エネ供給) Copyright © 2010 CRIEPI 28 (参考)新成長戦略より抜粋 グリーン・イノベーションにおける国家戦略プロジェクト 1．「固定価格買取制度」の導入などによる再生可能 エネルギー急拡大 • 再生可能エネルギーの普及拡大のため、・・(略)・・ 全量買取方式の固定価格買取制度の導入を軸とする、 以下の政策 パッケージを導入する • 第一に、スマートグリッド導入、系統運用ルール策定、 系統連系量の拡大施策等を通じて電力システムの 高度化を図る・・・ (以下略) Copyright © 2010 CRIEPI 29 (参考)新成長戦略より抜粋 グリーン・イノベーションにおける国家戦略プロジェクト 2．「環境未来都市」構想 • 未来に向けた技術、仕組み、サービス、まちづくりで世界 トップクラスの成功事例を生み出し、国内外への普及展開 を図る「環境未来都市」を創設する • 具体的には、内外に誇れる「緑豊かな、人の温もりの感じら れる」まちづくりのもとで、「事業性、他の都市への波及効果」 を十分に勘案し、スマートグリッド、再生可能エネルギー、 次世代自動車を組み合わせた都市のエネルギーマネジメント システムの構築、事業再編や関連産業の育成、再生可能 エネルギーの総合的な利用拡大等の施策を、環境モデル 都市等から厳選された戦略的都市・地域に集中投入する Copyright © 2010 CRIEPI 30 環境未来都市(スマートコミュニティ) • 新成長戦略の中で、「世界トップクラスの成功事例を生み 出し、国内外への普及展開を図る」べきものとの位置づけ • その先導役となる実証地域を公募、選定し、重点的に支援 • エネルギーのみならず、通信、都市開発、交通システム、 ライフスタイルを含め、様々な実証を都市で行う • 応募要件; 大幅な省エネ目標・CO2削減目標、大規模な 再エネ導入、地域エネルギーマネジメントと大規模ネットワーク との相互補完の構築、交通システムのエネ効率利用など • 4都市「横浜、豊田、けいはんな、北九州」選定（2010.4） Copyright © 2010 CRIEPI 31 エネルギー地産地消 • 地域で生産されるエネルギーを地域で使うこと。具体的には 以下の2つの文脈で語られている； – 地域に存在する再生可能エネルギー電源の出力変動を、地域単位の エネルギーマネジメントによって吸収する – 地域で生産される再生可能エネルギーを地域で大切に使う、環境に 優しいライフスタイルを確立し、地域の魅力を高める 「次世代エネルギー・社会 システム協議会中間とりまとめ (2010年1月)」では、 前者により、電力ネットワーク の負荷が軽減されるとしている 後者による地域の活性化を 期待する自治体等もある Copyright © 2010 CRIEPI 32 第二のインターネット • パソコン・携帯電話だけでなく、全ての機器(家電、自動車等) がインターネットに繋がる(モノのインターネット) • 消費者の生活履歴(ライフログあるいはPoint of Use)を 分析・活用した新たなサービスの創出を期待 • 例えば： – エネルギー管理 – 見守り・ﾎｰﾑｾｷｭﾘﾃｨ – 家電機器の使用実態 把握 (家電ﾒｰｶｰに利用価値) – 遠隔操作による家電修理・機能追加 – 個人の行動ﾊﾟﾀｰﾝ・嗜好に応じたﾌﾟｯｼｭ広告 消費者 出所) http://www.jipdec.or.jp/archives/ecom/smarthouse /pdf/smarthouse2010.3.pdf Copyright © 2010 CRIEPI 33 電中研にとってのスマートグリッドのコア 新成長戦略 環境未来都市 スマートハウス・ ビル 海外インフラ 輸出 スマート コミュニティ 国際標準化 戦略 ①再生可能エネルギー大量導入への対応 ②大規模停電リスクの極小化 ③設備の高経年化への対応 ④需給両サイドの連携によるエネルギー 利用の高効率化 第二の インターネット 新サービス 創出 ライフスタイル 変革 Copyright © 2010 CRIEPI エネルギー 地産地消 マイクロ グリッド グリーンジョブ 地域活性化・ 町おこし 34 電中研が考えるわが国の スマートグリッドの要件 1 再生可能エネルギー（主として太陽光発電）の有効活用を 可能とすること 2 安定運用を確保し大規模停電のリスクは極力小さいこと 擾乱・停電回復力に優れていること 3 設備維持管理の高度化，リプレース等を通じて設備面で 時代ニーズに対応すること 4 省エネ・エネルギー有効利用を需要家と一体的に実現 可能とすること Copyright © 2010 CRIEPI 35 技術開発のロードマップ 太陽光発電 2800万kW 設備集中高経年化 エネルギー利用見える化 2010 ②停電リスク 極小化 ③設備維持・ 管理高度化 第2次リプレース 第1次リプレース 省エネ・電化 ①PV大量導入 対応 5300万kW HEMS/BEMS PHEV/EV 2020 2030 配電系電圧管理の高度化 PV出力特性把握・ 出力予測 需要家側との連携を考慮 した運用 系統電源と協調した 需給運用 新型配電機器 デマンドレスポンス 単独運転防止/FRT 安定度面からの 課題解明 設備診断技術高度化 安定化方策 センサネットワーク 次世代電力 機器 アセットマネジメント ④需給一体での エネルギー 有効利用 Copyright © 2010 by CRIEPI CRIEPI 需要家を含む情報通信インフラ EV/PHEV充電インフラ高度化 エネルギーマネジメント(EMS)の高度化 36 技術開発のロードマップ 太陽光発電 2800万kW 設備集中高経年化 5300万kW 第2次リプレース 第1次リプレース 省エネ・電化 エネルギー利用見える化 2010 2020年代までに必要となる技術 HEMS/BEMS PHEV/EV 2020 2030 配電系電圧管理の高度化 PV出力特性把握・ ①PV大量導入 供給サイドでの対応技術 出力予測 対応 需要地系統 系統電源と協調した 需給運用 再生可能エネルギー導入対応 単独運転防止/FRT 経年設備のマネジメント技術 ②停電リスク 極小化 安定度面からの 課題解明 2030年代以降に向けた技術 安定化方策 設備診断技術高度化 ③設備維持・ 需要家サイド連携による対応技術 管理高度化 アセットマネジメント 供 給 サ イ ド 対 応 需要家側との連携を考慮 した運用 新型配電機器 センサネットワーク デマンドレスポンス 需 要 家 サ イ ド 次世代電力 連 機器 携 需給一体化 需要家を含む情報通信インフラ ④需給一体での エネルギーマネジメント EV/PHEV充電インフラ高度化 需要家を含む情報・通信インフラ エネルギー エネルギーマネジメント(EMS)の高度化 次世代機器 有効利用 Copyright © 2010 by CRIEPI 37 電中研の取り組み:次世代グリッド研究 • 将来の電力供給インフラに必要となる技術 開発を2008年より実施 • 以下の観点を踏まえて供給サイドの技術を 中心に研究を推進 – 再生可能エネルギーの活用 – 高い供給信頼度の効率的な維持 • 将来の需要家サイドとの連携のための技術 開発への取り組みも実施 – 需給一体化、デマンドレスポンス Copyright © 2010 CRIEPI 38 次世代グリッド研究の実施状況 ●ＰＶ大量導入下での高効率・安定供給技術 ・PV余剰対応 ・系統事故時安定性 ・PV大量導入の需給面への影響評価 ・新型配電機器 ●次世代通信ネットワーク技術 技術報告1 でご紹介 ・需要地系セキュア通信ネットワーク ・広域・高速制御ネットワーク ・設備監視用センサーネットワーク ●サイバーセキュリティ技術 ●需要家サイド連携技術 ・費用便益評価 ・デマンドレスポンス Copyright © 2010 CRIEPI 技術報告2 でご紹介 39 まとめ • スマートグリッドに関する取り組みは端緒に 就いたばかり、費用対効果も不透明な部分が あるものの、様々な期待が寄せられている • 電中研が考えるスマートグリッドのコアは、 低炭素社会の実現に寄与する高効率、高品質 高信頼度な電力システム • 以下の４要件を満たすことが不可欠であり、 電中研は４要件実現のための技術開発を進める Copyright © 2010 CRIEPI 40 電中研が考えるわが国の スマートグリッドの要件 1 再生可能エネルギー（主として太陽光発電）の有効活用を 可能とすること 2 安定運用を確保し大規模停電のリスクは極力小さいこと 擾乱・停電回復力に優れていること 3 設備維持管理の高度化，リプレース等を通じて設備面で 時代ニーズに対応すること 4 省エネ・エネルギー有効利用を需要家と一体的に実現 可能とすること Copyright © 2010 CRIEPI 41