グリッドで理解する電力システム

岡本浩

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「2050年・カーボンニュートラル社会」実現には、再生可能エネルギー・蓄電池の最大限の活用をはじめとするエネルギーの“フルモデルチェンジ”が必要となります。そのために「電力グリッド」は今後ますます大きな役割を担うことになり、また電力グリッドへの正確な理解も一層、重要性を増しています。
本書では一般にはなじみがなく分かりにくいとされる「電力グリッド」の過去・現在・将来の姿を、できるだけ平易に、基礎から解説しました。再生可能エネルギー導入拡大に伴う系統制約、激甚災害に対する電力レジリエンス向上への要請など、個別のテーマ解説も充実。脱炭素化を実現する電力グリッドの将来像も盛り込んだ、電気事業に携わる人、これからのエネルギーシステムを創るすべての人に手に取っていただきたい一冊です。
ベストセラー『シン・ニホン AI×データ時代における日本の再生と人材育成』（NewsPicksパブリッシング、2020年2月）著者、安宅和人氏（慶應義塾大学環境情報学部教授／ヤフー㈱CSO）との特別対談も採録！

• カテゴリ: ビジネス・実用
• ジャンル: ビジネス・経済 / 経済
• 出版社: 日本電気協会新聞部
• タイトル: グリッドで理解する電力システム
• タイトルID: 1030390
• ページ数: 242ページ
• 電子版発売日: 2021年10月29日
• コンテンツ形式: EPUB
• サイズ(目安): 66MB

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電力システムについて初心者であったため、入門書として読んだ。池や水路などのアナロジーを多く用いて説明されていたのでイメージが湧きやすかった。

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現在の電力システムについて図解を用いて説明されており、非常に分かりやすく、理解に役立った。また、今後の電力システムのあり方が、数々のデータ予測に基いて書かれており、将来の世界を予測する上で大いに役立った。

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知りたかったことがわかりやすく解説されている。

・電力系統：発電、流通、消費の３つの要素から構成される電力システム

・周波数を10秒程度で一定に保つ必要性
パワープールに蓄えられている慣性エネルギー（タービンの回転力として蓄えられているエネルギー）が放出される時間に相当

・系統全体の需給バランスが10％崩れると、周波数は２％（50Hz系統なら１Hz）変動、周波数が４％変動すると多くの発電機は運転停止
→常時の変動の範囲を±0.2Hz（0.4%）以内に収めるよう運用

・ロードカーブ（日負荷曲線）
　夏の昼間、冬の夕方（最近は省エネ浸透、太陽光発電の普及で冬の夕方の方がピークが立つケースが多くなっている）

・蓄電池と電力量の関係例
テスラモデル３：75kWh
日本の乗用車6,000万台以上、半分で22.５億kWh
平均家庭１日電力量10kWh、日本全体の１日の電力量25億kWh

・連系：発電所や変電所を送電ルートで結ぶこと
・放射状（１ルート）とループ・メッシュ（複数ルート・迂回あり）が基本
・放射状は、ループフローが生じにくく潮流の管理がしやすい一方、安定度の問題が生じやすい（ループは逆）

地域間連系
・直流設備：周波数変換所、直流海底ケーブル等
　→電圧が一定で送電線の絶縁設計が有利
　→系統の独立性を保ったまま連携ができる
・交流設備

電気の３つの価値
・kWh価値：実際に発電される電気：卸電力市場（スポット市場、ベースロード市場など）
・kW価値：発電することができる能力：容量市場
・ΔkW価値：短時間で需給調整できる能力：調整力公募→需給調整市場

→電力自由化で電力システムへの参加者が増える中、それぞれの取引における認識の違いで市場に混乱が生じないよう、「電気の価値」ごとに３つの市場を設置
＋非化石価値：非化石価値取引市場

・発電事業者、小売電気事業者（バランシンググループ）：発電計画、受容計画を前日に提出、当日30分単位での実需給開始１時間前（ゲートクローズGC）までに当日計画を提出
・系統運用者：瞬時の需給のズレの調整→発電設備の所有者、アグリゲーターなどからの公募、契約によって調整力確保

・限界費用：メリットオーダーで並べて需要を満たす発電設備の中で最も高い燃料費単価

・需給調整市場の商品
　一次調整力：系統運用者からの指令を待たず自端で発動できるもの、応答時間10秒以内、継続時間5分以上、可変速揚水発電、変電所設置の大型蓄電池など
　二次調整力①（系統への並列必須）：専用線での監視、5分以内応答、30分以上継続
　二次調整力②（系統への並列任意）：〃
　三次調整力①（15分以内応答）：３時間以上継続
　三次調整力②（45分以内応答）：〃

・ネッティング：広域エリアでまとめて調整することで必要となる調整力を減らす

◯再生可能エネルギー

３つの課題
①発電と需要の時間ギャップをどう埋めるか→フレキシビリティ

・短い時間でのフレキシビリティ
→揚水発電等
　再エネ側に出力制御機能や擬似慣性力を付加
　蓄電池やEVによるデマンドレスポンス
　ERAB（エネルギー・リソース・アグリゲーション・ビジネス）
短周期変動問題：１日〜数時間・数秒単位
北海道ー本州間の連系線を通じて東電PGの調整力を提供

・長い時間でのフレキシビリティ
→現時点では他の発電技術によるバックアップが必要
長周期変動問題：年間・月間〜１日単位
再エネにも周波数調整機能を

◯日本の系統連系規程
・電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン
・系統連系規程
・系統連系技術要件（託送供給等約款別冊）
・系統アクセスルール

②発電と需要の空間ギャップをどう埋めるか
→日本版コネクト&マネージ
・想定潮流の合理化：全電源がフル稼働した前提ではなく実際の利用に近い想定で算定する方法
・N-1電源制限：緊急時用に空けておいた送電容量の一部を、事故時には瞬時に遮断する条件で平常時に活用する方法
・ノンファーム型接続：送電線の混雑時には出力を制御する条件で、新規電源の接続を認める方法
N-1電源制限により全国で4,000万kW以上の接続可能量が拡大

③発電コストをどう下げるか

◯レジリエンス
・ブラックスタート電源：電圧調整機能も必要

・N-1基準：（発電、送電、変圧等の）設備総数N個のうち、１個欠けたとしても残りの設備で電力供給を継続できる

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電力グリッドの理解をするのに相応しい一冊。電力に限らず、将来的なエネルギーのあり方にまで言及している。また今後ホットワードになりうる５つの要素をあげた上で、独自に将来予測をしている。その算出根拠自体がとても勉強になる。

[ブクログ · ★★★★☆]

著者の岡本氏は東電PGの役員であり、電気システムの権威である。

ニュースで太陽光発電がじゃぶじゃぶに入っていて、出力抑制されることが多いということをたまーに聞くけれど、それってどうゆうこと？と思った人は本書をオススメしたい。

電気って当たり前に使えるけれど、実は安定して（＝高品質な）電気を供給するって非常に難しいことなのです。

ガソリンなんかはタンクに貯めておくことができるけれど、電気は作ったら光の速さで進み、それをちょうど同じ分だけ消費する必要があるのです。
今、スマホの充電を開始したら、どこかの発電所はその分だけ今すぐに発電をさせないといけない。

とは言え、タイムラグってあるよね、と思うけれど、それは同期発電機の慣性力で補っているのです。
太陽光発電（や風力発電）のように直流から交流に変換する機器（パワーコンディショナーという）はこの慣性力を持たない。つまり、太陽光発電がじゃぶじゃぶに入ってくると系統が不安定になるのです。

電気って目に見えないモノ（現象）だけれど、本書は（よくあるように）水路とのアナロジーで解説している。
電流が水で慣性力は池、水路が電線みたいな。

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電力システムがどういう仕組みで運用されているか分かった
周波数を合わせる必要がある
法規関係の部分は難しかった

[ブクログ · ★★★★☆]

図を用いて、文章に偏っておらず、理解しやすい内容となっていた。これからの電力業界におけるシステム変化の展望などについてもヒントが散りばめられていると思った。また海外の現状についても述べられており、日本と海外どう違いのか、そういった観点からも比較することができる良い本だと思った。また読み返して勉強してみたいと思う。

[ブクログ · ★★★★★]

電力システムという難しい領域を簡易な表現で読みやすくまとめてくれています。周波数の維持を池のプールに例えて解説してくれているのはとても分かりやすかったです。
Utility3.0の時代に向けて様々な角度からの取り組みが必要になることも理解しました。
5つのDとして、脱炭素化、分散化、デジタル化、人口減少、自由化規制緩和があり、それぞれを網羅的に進めていくためにも尖った人材を集める必要があるということもよくよく分かります。