Development of operation control strategy of BESS in the regional energy network which contains PV generations

早稲田大学大学院環境・エネルギー研究科

博士学位論文

太陽光発電導入時の地域電力ネットワークにおける

電力貯蔵装置の運用制御手法の開発

Development of operation control strategy

of BESS in the regional energy network

which contains PV generations

2013

年

2

月

早稲田大学大学院環境・エネルギー研究科

環境・電力システム研究

《目次》

3.3.1 需要予測手法のための需要変動要因分析 ... 58 3.3.2 事例ベース推論に基づいた翌日需要曲線予測 ... 64 3.3.3 重回帰分析を用いた当日需要曲線予測 ... 73 3.4 リスク回避を考慮した負荷追従型運用制御手法の開発 ... 84 3.4.1 電力貯蔵装置の運転モードの種類と特徴 ... 85 3.4.2 適正マージンを確保したシームレスな負荷追従型制御の技術開発 ... 89 3.4.3 リスク回避のためのマージン算出方法 ... 90 3.4.4 大学キャンパスへの負荷追従運転の適用結果と有効性評価 ... 93 3.5 多様種別の需要家に対する需要特性分析と負荷追従制御手法 ... 96 3.5.1 対象とする需要家の需要特性 ... 96 3.5.2 複数種別の需要家に対する需要予測 ... 98 3.5.3 需要家種別毎の負荷追従型制御結果と有効性評価 ... 99 3.6 太陽光発電導入時の電力貯蔵装置の運用制御 ...107 3.6.1 対象とする需要家と太陽光発電の出力特性 ...107 3.6.2 太陽光発電出力を考慮した蓄電池の負荷追従型運用制御 ...110 3.6.3 年間設備運用シミュレーション手順と諸条件 ...111 3.6.4 各需要家の太陽光発電及び蓄電池導入時の CO2排出量とコストの評価 ...111 3.8 まとめ ...116 参考文献 ...118 第 4章 太陽光発電大量導入時のネットワークにおける電力貯蔵装置の最適配置 .... 121 4.1 目的と概要 ...121 4.2 太陽光発電が大量導入された配電系統の課題 ...122 4.3 フラクタル理論を用いた配電系統構造の自動生成 ...123 4.3.1 実配電系統における負荷特性調査 ...123 4.3.2 フラクタル理論の概要 ...126 4.3.3 配電系統のフラクタル表現化と自動生成 ...128 4.4 電圧上昇対策における電力貯蔵装置の適正配置及び容量分析 ...130 4.4.1 従来系統モデルとフラクタル系統モデルの系統構成 ...130 4.4.2 電力潮流計算における目的関数と制約 ...133 4.4.3 電圧抑制のための蓄電池の運用制御 ...134 4.4.4 電力貯蔵装置の運用による電圧上昇抑制効果 ...136 4.5 まとめ ...138 参考文献 ...140

第 5章 地域電力ネットワーク運用における経済性と環境性の検証 ... 142 5.1 目的と概要 ...142 5.2 地域電力ネットワークの概念と研究課題 ...142 5.2.1 スマートグリッドの構造と特徴 ...143 5.2.2 マイクログリッドの構造と特徴 ...143 5.2.3 クラスター拡張型グリッドの構造と特徴 ...144 5.2.4 地域電力ネットワークが抱える課題 ...146 5.3 マイクログリッドにおける適正設備構成の算定 ...148 5.3.1 評価項目と目的 ...148 5.3.2 設備運用制御によるコストとCO2排出量の評価 ...149 5.3.3 提案手法による適正設備構成の算定 ...171 5.4 クラスター拡張型グリッドにおける適正規模の検証 ...177 5.4.1 適正規模算定のための諸条件と概要 ...177 5.4.2 検討課題と想定するケース ...177 5.4.3 検討に用いられる電力・給湯負荷の需要特性 ...180 5.4.4 導入する機器の仕様とデータの取り扱い ...188 5.4.5 導入設備運用制御方法 ...195 5.4.6 各ケースによる改善効果と適正電源構成結果 ...204 5.4.7 各ケースの比較による適正電源構成とクラスター規模の算定 ...225 5.5 まとめ ...230 参考文献 ...231 第 6章 結論 ... 235 6.1 本論文の成果 ...235 6.2 今後の研究課題 ...237 謝辞 ... 238 研究業績リスト ... 239

第 1 章 序論

1.1 研 究 の 背 景 と 目 的

1.1.1 我 が 国 の エ ネ ル ギ ー 動 向 と 地 域 電 力 ネ ッ ト ワ ー ク の 課 題 抽 出

図 1-1 我 が 国 の 発 電 電 力 量 の 推 移 と 発 電 構 成 比 出 典:EDMC/エ ネ ル ギ ー 経 済 統 計 要 覧 一 方 、地 球 温 暖 化 や 化 石 燃 料 資 源 の 枯 渇 な ど の 問 題 か ら 持 続 可 能 な 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー が 注 目 さ れ て い る 。特 に 、太 陽 光 発 電 や 風 力 発 電 、バ イ オ マ ス 発 電 は 世 界 中 で も 注 目 さ れ て お り 、 世 界 各 地 で 導 入 が 進 め ら れ て い る 。 日 本 で も 、2009 年 度 に は 太 陽 光 発 電 262.7 万 kW、風 力 発 電 218.6 万 kW[ 1 - 1 ]_{が 導 入 さ れ て お り 、今 後 の 大} 量 導 入 も 計 画 さ れ て い る 。ま た 、2011 年 3 月 11 日 に 発 生 し た 東 日 本 大 震 災 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ た 原 子 力 発 電 所 の 事 故 の 影 響 か ら 、脱 原 子 力 発 電 を 求 め る 声 が 高 ま っ て い る 。図 1-2 に 震 災 前 後 に お け る 発 電 電 力 構 成 比 を 示 す 。震 災 後 で は 原 子 力 発 電 比 率 は 低 下 し 、火 力 発 電 比 率 が 高 く な っ て い る 。現 在 は 原 子 力 発 電 分 の 電 力 を 火 力 発 電 で 代 替 し て い る が 、CO2排 出 量 の 観 点 か ら も 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 へ の 期 待 は 大 き く な っ て い る 。し か し 、再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 は 、太 陽 か ら の 日 射 や 風 況 な ど の 自 然 エ ネ ル ギ ー 源 に よ っ て 出 力 が 変 動 す る 。ま た 、エ ネ ル ギ ー 密 度 が 低 い た め 、設 備 が 大 型 に な り 高 コ ス ト に あ る 。そ の た め 、常 に 供 給 安 定 性 維 持 と コ ス ト 削 減 が 求 め ら れ て い る 電 力 会 社 が 、現 状 の 優 れ た 電 力 供 給 を 行 う こ と が で き る 電 力 系 統 に 対 し て 、CO2排 出 量 削 減 に 効 果 的 だ か ら と い っ て 積 極 的 に 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 を 導 入 す る こ と が で き な か っ た 実 態 も あ る 。そ こ で 近 年 で は 、情 報 通 信 や 先 端 エ ネ ル ギ ー 技 術 を 用 い て 需 要 家 の 電 力 需 給 状 況 を 把 握 し 、供 給 イ ン フ ラ 全 体 の 信

図 1-2 震 災 前 後 の 発 電 電 力 量 と 発 電 構 成 比 出 典:中 央 環 境 審 議 会 地 球 環 境 部 会(第 93 回) 資 料 2[ 1 - 2 ] [ 1 - 3 ] 注 目 さ れ て い る 。次 世 代 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク に は 、マ イ ク ロ グ リ ッ ド や ク ラ ス タ ー グ リ ッ ド な ど 供 給 エ リ ア 規 模 や 導 入 設 備 に よ っ て さ ま ざ ま な 呼 名 が あ り 、国 毎 に 用 途 や 目 的 が 異 な る こ と も あ る が 、 我 が 国 の ネ ッ ト ワ ー ク は 「 災 害 に 強 い 」「 環 境 に 優 し い 」「 効 率 性 に 優 れ て い る 」 と い っ た 共 通 点 が あ る 。 そ の 理 由 と し て 、 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 に 加 え 、熱 エ ネ ル ギ ー を 有 効 活 用 し た コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム な ど の 分 散 型 電 源 が 導 入 さ れ て い る こ と が 挙 げ ら れ る 。地 産 地 消 の 概 念 や 一 次 エ ネ ル ギ ー の 最 大 限 利 用 に よ っ て 、 送 電 ロ ス や CO2 排 出 量 低 減 に 繋 げ る こ と が で き る 。 以 下 、 次 世 代 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク に つ い て 種 別 に 記 述 す る 。 (1) ス マ ー ト グ リ ッ ド 最 先 端 の 情 報 技 術 や エ ネ ル ギ ー 技 術 を 活 用 し て 、情 報・通 信 ネ ッ ト ワ ー ク か ら 電 力 供 給 イ ン フ ラ 構 造 の 信 頼 性 や 効 率 性 を 高 め る よ う に し た も の で あ る 。IT 技 術 の 導 入 に よ っ て 、電 力 供 給 者 は 給 電 情 報 を 容 易 に 把 握 す る こ と が で き 、遠 隔 地 の 故 障 地 特 定 や 復 旧 速 度 の 向 上 が 可 能 で あ る 。さ ら に 、需 要 地 に お け る 負 荷 管 理 に よ る 需 給 バ ラ ン ス 制 御 も 可 能 に な る 。 発電電力量 [ 億 kW h]

(2) マ イ ク ロ グ リ ッ ド マ イ ク ロ グ リ ッ ド と は 、一 定 の 規 模 で 複 数 の 分 散 型 電 源 と 負 荷 か ら な る 地 域 ネ ッ ト ワ ー ク で あ り 、 地 域 内 で 需 給 バ ラ ン ス を と る 自 律 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク で あ る 。 規 模 と し て 、電 力 需 要 が 数 百 kW ク ラ ス の 地 域 で あ り 、ガ ス タ ー ビ ン・燃 料 電 池 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム 、太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 、電 力 貯 蔵 用 シ ス テ ム な ど の 分 散 型 電 源 を 導 入 す る 。ま た 、緊 急 時 の 受 電 や 周 波 数 維 持 を 目 的 と し て 、電 力 会 社 の よ う な 一 般 電 気 事 業 者(巨 大 系 統)と 一 回 線 連 系 さ れ て い る 。マ イ ク ロ グ リ ッ ド と は 系 統 規 模 で の 定 義 で あ り 、 ス マ ー ト グ リ ッ ド と の 技 術 的 大 差 は な い 。 (3) ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド ク ラ ス タ ー 拡 張 型 グ リ ッ ド と は 、 マ イ ク ロ グ リ ッ ド よ り さ ら に 小 規 模 の 系 統(ク ラ ス タ ー)を 言 う 。概 念 と し て は ス マ ー ト グ リ ッ ド の よ う な IT 技 術 を 用 い ず 、機 器 が 持 つ 動 特 性 に よ り 自 律 的 に 運 用 を 行 う 。そ の グ リ ッ ド を 面 的 に 拡 大・拡 張 を 行 っ て い き エ ネ ル ギ ー を 融 通 す る こ と で 、緊 急 時 の 不 足 電 力 の 補 給 や 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー な ど の 出 力 変 動 抑 制 の 効 果 も 得 ら れ る 。ク ラ ス タ ー 拡 張 型 エ ネ ル ギ ー シ ス テ ム と は 、 ク ラ ス タ ー 系 統 内 外 に お け る エ ネ ル ギ ー 管 理 シ ス テ ム の こ と を 言 う 。 つ ま り 、 連 系 さ れ て い る 近 隣 の ク ラ ス タ ー 情 報 を や り 取 り す る こ と に よ っ て 各 設 備 の 運 用・制 御 を 行 い 、電 力 需 給 バ ラ ン ス を 総 合 的 に 安 定 さ せ る シ ス テ ム で あ る 。ク ラ ス タ ー 間 の エ ネ ル ギ ー 制 御 手 法 な ど 詳 細 は 第 5 章 で 述 べ る 。 こ こ で 、再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 導 入 時 の 課 題 と な っ て い る コ ス ト 高 と 出 力 不 安 定 性 が 、次 世 代 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク 構 築 に も 重 要 な 課 題 と な っ て く る 。そ の 対 策 の 一 つ と し て 、電 力 貯 蔵 装 置(BESS: Battery Energy Storage System)や 燃 料 電 池 、 ガ ス エ ン ジ ン 発 電 を ネ ッ ト ワ ー ク 内 に 併 設 さ せ る 方 法 が 取 ら れ て い る 。一 般 に CO2 排 出 量 と コ ス ト は ト レ ー ド オ フ 関 係 に あ り CO2 排 出 量 を 削 減 す る た め に コ ス ト は 必 要 に な る が 、再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 を 導 入 す る 場 合 に は 、出 力 不 安 定 性 を 解 消 す る た め に こ れ ら の 補 償 装 置 や 補 助 電 源 が 更 に 必 要 で あ る 。現 状 と し て 、こ れ ら の 設 備 は コ ス ト 高 で あ る た め 、安 定 な 電 力 供 給 が で き る 設 備 を 確 保 し た 結 果 、コ ス ト 高 に な っ て し ま っ て い る 。こ の こ と か ら 、い か に 小 容 量 の 補 助 設 備 で 運 用 で き る か が 重 要 な 課 題 と な っ て い る 。

1.1.2 地 域 電 力 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 電 力 貯 蔵 装 置 の 用 途

(1) 負 荷 率 の 低 下(負 荷 平 準 化) 我 が 国 の 電 力 需 要 は 昼 間 に 集 中 す る た め 、夏 季 や 冬 季 な ど 冷 暖 房 需 要 に よ っ て 電 力 需 要 が 増 加 す る と 昼 夜 間 で の 電 力 差 が 生 じ る 。電 力 供 給 者 は 、最 大 電 力 需 要 時 に も 電 力 供 給 を 行 わ な け れ ば な ら な い た め 、最 大 電 力 需 要 を 想 定 し て 電 力 供 給 設 備 を 用 意 し な け れ ば な ら な い 。そ の た め 、昼 夜 間 の 電 力 格 差 が 生 じ る と 電 力 需 要 の 低 い 夜 間 に 停 止 さ せ る 設 備 が 多 く な り 、 設 備 利 用 率 の 低 下 を 招 い て し ま う 。 そ の た め 、 昼 間 の ピ ー ク 時 間 帯 の 電 力 を 他 の 時 間 帯 に シ フ ト す る ピ ー ク シ フ ト 、電 力 ピ ー ク 時 間 帯 の 電 力 を 削 減 す る ピ ー ク カ ッ ト 、電 力 需 要 の 低 い 時 間 帯 の 電 力 を 増 加 さ せ る ボ ト ム ア ッ プ 、い わ ゆ る 負 荷 平 準 化 に よ っ て 負 荷 率 改 善 が 行 わ れ て い る 。負 荷 率 と は あ る 期 間 の 最 大 電 力 に 対 す る 平 均 電 力 の 割 合 で 定 義 さ れ る 。 特 に 、 単 位 期 間 を 1 年 と し た 場 合 の 負 荷 率 を 年 負 荷 率 と い う 。 我 が 国 で の 年 負 荷 率 は 1980 年 代 に は 50%ま で 落 ち 込 ん で い た が 、 近 年 の 負 荷 平 準 化 の 対 策 に よ っ て 61%(2008 年)ま で 改 善 さ れ て い る[ 1 - 1 ]。 (2) 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 の 短 周 期 出 力 変 動(周 波 数 維 持) 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 導 入 の 最 大 の 欠 点 と し て 、発 電 出 力 の 間 欠 性 が 挙 げ ら れ る 。特 に 、太 陽 光 発 電・風 力 発 電 は 変 動 が 激 し い 時 に は 数 秒 周 期 で 発 電 出 力 が 変 動 す る た め 、 需 給 バ ラ ン ス 調 整(周 波 数 維 持)が 困 難 に な る 。 東 北 電 力(株)で は 、 ウ ィ ン ド フ ァ ー ム(大 規 模 風 力 発 電 所)を 系 統 連 系 さ せ る た め の 技 術 要 件 と し て 、「 任 意 の 時 刻 か ら 始 ま る 20 分 間 に お い て 、 周 波 数 変 動 対 策 後 の 風 力 発 電 設 備 合 計 出 力(1 分 間 平 均 値)の[最 大 値-最 小 値]が 、 風 力 発 電 機 の 定 格 出 力 合 計 値 の 10%以 下 で あ る こ と 」 と 定 め て い る[ 1 - 5 ]。 短 周 期 の 発 電 出 力 変 動 を 補 償 す る に は 応 答 速 度 か ら 電 力 貯 蔵 装 置 で あ る こ と が 望 ま し い 。し か し 蓄 電 池 で 出 力 を 補 完 す る 場 合 、高 頻 度 の 充 放 電 を 繰 り 返 す こ と に な り 蓄 電 池 の 劣 化 に 繋 が る 。そ の た め 、複 数 の 電 力 貯 蔵 装 置 の 組 み 合 わ せ に よ っ て 劣 化 軽 減 を 図 る 必 要 が あ る 。 (3) 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 の 電 力 余 剰 ・ 不 足 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 、特 に 太 陽 光 発 電 は 我 が 国 に お い て 大 量 に 導 入 さ れ る 計 画 が 立 て ら れ て い る 。し か し 、年 末 年 始 や ゴ ー ル デ ン ウ ィ ー ク な ど 電 力 需 要 の 低 い 時 に 太 陽 光 発 電 が 発 電 し て し ま う と 電 力 余 剰 が 起 こ っ て し ま う 。一 方 で 、雨 天 時 に は 発 電 を ほ と ん ど 行 わ な い た め 、雨 期 な ど 長 期 的 に 電 力 供 給 が 行 え な い 可 能 性 が あ る 。そ の た め 、余 剰 電 力 は 損 失 と し て 捨 て て し ま う こ と が で き る が 、電 力 不 足 を 補 う た め に は 予 備 電 源 や 電 力 貯 蔵 装 置 を 用 意 す る 必 要 が あ る 。

(4) エ ネ ル ギ ー ネ ッ ト ワ ー ク 内 の 需 要 地 端 で の 電 圧 上 昇 (3)で も 既 述 し た が 、 太 陽 光 発 電 の 大 量 導 入 が 計 画 さ れ て い る が 、 そ の 太 陽 光 発 電 の 多 く は 配 電 系 統 内 の 一 般 住 宅 に 導 入 さ れ る 。従 来 の 電 力 系 統 で は 、配 電 変 電 所 か ら 送 電 損 失 に よ っ て 電 圧 が 低 下 し 、送 り 出 し 電 圧 よ り 需 要 地 端 の 電 圧 が 高 く な る こ と は な か っ た 。し か し 、需 要 地 に 太 陽 光 発 電 が 導 入 さ れ 電 力 需 要 よ り 発 電 電 力 が 大 き い と 、需 要 地 か ら 系 統 へ 向 か っ て 電 力(潮 流)が 流 れ る 。需 要 地 付 近 の 配 電 線 は 、 イ ン ピ ー ダ ン ス の R/L 比(リ ア ク タ ン ス に 対 す る 抵 抗 値 の 比 率)が 大 き い た め 、逆 潮 流 が 発 生 す る と 配 電 系 統 末 端 の 電 圧 が 上 昇 す る 現 象 が 生 じ る 。 現 状 の 配 電 系 統 は 、 発 電 所 か ら 需 要 家 へ 電 力 を 送 る こ と を 前 提 と し て い る た め 、逆 潮 流 に よ っ て 需 要 地 の 電 圧 が 上 昇 す る と 電 圧 管 理 が 複 雑 で 困 難 な 課 題 と な る 。 (5) コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム や 他 電 源 と の 協 調 運 用 近 年 で は 、省 エ ネ ル ギ ー や エ ネ ル ギ ー 有 効 活 用 の 観 点 か ら 分 散 型 電 源 に よ っ て 発 電 さ れ た 電 気 エ ネ ル ギ ー だ け を 用 い る の で は な く 、排 熱 の 熱 エ ネ ル ギ ー を 利 用 す る 取 り 組 み が さ れ て い る 。そ こ で 注 目 さ れ て い る の が 、ガ ス エ ン ジ ン や 燃 料 電 池 を 用 い た コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム で あ る 。 電 気 エ ネ ル ギ ー の み で は 40%程 度 の 効 率 を 、 排 熱 の 有 効 利 用 に よ っ て 総 合 効 率 80%を 実 現 し て い る 。 需 要 家 は 電 力 や 給 湯 や 冷 暖 房 な ど の 熱 エ ネ ル ギ ー を 使 用 す る 時 間 帯 に 偏 り が あ り 、一 般 的 に 負 荷 率 が 悪 い 現 状 が あ る 。そ の よ う な 需 要 家 に 対 し コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム を 導 入 し て も 最 大 限 に 効 率 の 良 さ を 生 か す こ と は 難 し い 。昨 今 で は 、需 要 家 種 別 に よ っ て エ ネ ル ギ ー を 使 う 時 間 帯 が 異 な る こ と を 生 か し て 、コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム を 中 心 に し た 地 域 電 力 供 給 ネ ッ ト ワ ー ク の 構 築 が 盛 ん に 行 わ れ て い る 。需 要 家 個 々 で は な く 地 域 単 位 で シ ス テ ム を 導 入 す る こ と で 、導 入 設 備 削 減 、設 備 利 用 率 の 向 上 、効 率 的 な エ ネ ル ギ ー 供 給 が 可 能 で あ る 。こ の ネ ッ ト ワ ー ク は 、分 散 型 電 源 が 発 電 の 中 心 に な っ て い る こ と が 特 長 で あ り 、規 模 や 運 用 方 法 な ど に よ っ て 呼 名 も さ ま ざ ま で あ る 。し か し 、上 記 で 既 述 し た 通 り コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム だ け で は 、需 給 バ ラ ン ス 調 整 や 設 備 制 御・運 用 が 困 難 に な る 。そ の た め 、電 力 貯 蔵 装 置 を 導 入 し 他 設 備 と の 協 調 運 転 を 行 う こ と が 望 ま し い 。 上 記(1)～(5)に 示 す 通 り 、 設 備 の 利 用 率 向 上 、 円 滑 な 系 統 運 用 、 ま た 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 や 分 散 型 電 源 の 補 助 な ど 、電 力 貯 蔵 装 置 の 適 用 は 広 範 囲 で 期 待 さ れ て い る 。ま た 、本 項 で は 定 置 型 の 電 力 貯 蔵 装 置 の み 取 り 上 げ た が 、電 気 自 動 車 の 普 及 な ど に よ っ て 移 動 体 型 の 電 力 貯 蔵 装 置 も 注 目 さ れ て い る 。

1.1.3 電 力 貯 蔵 装 置 の 特 徴 と 技 術 動 向

超 電 導 コ イ ル に よ っ て エ ネ ル ギ ー 貯 蔵(SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage)を 行 う も の で あ る 。イ ン ダ ク タ ン ス L[H]の コ イ ル に 直 流 電 流 I[A] を 流 す と 、磁 気 エ ネ ル ギ ー と し て LI2_{/2[J]の エ ネ ル ギ ー が 蓄 え ら れ る 。基 本 構 造 図} を 図 1-4 に 示 す 。超 電 導 電 力 貯 蔵 装 置 は 、エ ネ ル ギ ー を 貯 蔵 す る 超 電 導 コ イ ル 、こ れ を 低 温 に 維 持 す る た め の 断 熱 低 温 容 器 、超 電 導 コ イ ル を 冷 却 す る た め の 冷 凍 機 及 び 交 直 変 換 器 な ど に よ っ て 構 成 さ れ て い る 。特 長 と し て 電 磁 気 エ ネ ル ギ ー と し て エ ネ ル ギ ー 貯 蔵 を 行 う た め 、エ ネ ル ギ ー 形 態 変 化 が な く 高 効 率 で あ る 点 が 挙 げ ら れ る 。 ま た 、適 用 目 的 に 応 じ て 貯 蔵 エ ネ ル ギ ー 量 と 出 力 電 力 を 広 範 囲 で 設 計 で き る 。た と え ば 、 無 停 電 電 源 の 一 種 で あ る マ イ ク ロ SMES や 負 荷 平 準 化 を 目 的 と し た 中 規 模 SMES、 さ ら に は 揚 水 発 電 に 匹 敵 す る エ ネ ル ギ ー 容 量 で あ る 数 GWh の 大 規 模 SMES の 設 計 も さ れ て い る[ 1 - 6 ]_{。 こ の シ ス テ ム は 1970 年 に 米 国 ウ ィ ス コ ン シ ン 大} 学 や ロ ス ア ラ モ ス 国 立 研 究 所 で 最 初 に 考 案 さ れ た 。日 本 で も 新 エ ネ ル ギ ー・産 業 技 術 総 合 開 発 機 構(NEDO)と 電 気 事 業 を 中 心 に 詳 し い 概 念 設 計 の 検 討 が 行 わ れ た 。そ の 後 、 超 電 導 エ ネ ル ギ ー 貯 蔵 研 究 会 や(財)国 際 超 電 導 産 業 セ ン タ ー(ISTEC)を 設 立 し 、適 用 の 可 能 性 や 経 済 性 の 検 討 を 進 め た 。将 来 、実 用 化 し 普 及 す れ ば 、社 会 的 影 響 は 大 き く 、 電 力 電 子 ・ 輸 送 ・ 医 療 な ど 広 い 領 域 で 応 用 が 期 待 さ れ て い る 。 図 1-4 超 電 導 電 力 貯 蔵 装 置 の 基 本 構 造

(2) 圧 縮 空 気 貯 蔵 装 置(CAES)

圧 縮 空 気 貯 蔵 装 置(CAES: Compressed Energy Storage)は 、 需 要 の 低 い 時 間 帯 に 圧 縮 空 気 を 作 っ て 貯 蔵 し て お き 、高 需 要 時 に そ の 圧 縮 空 気 を 用 い て ガ ス タ ー ビ ン で 発 電 を 行 う も の で あ る 。図 1-5 に 圧 縮 空 気 貯 蔵 装 置 の 原 理 を 示 す 。低 需 要 時 に 貯 蔵 し 、高 需 要 時 に 用 い る た め 負 荷 平 準 化 の 効 果 が あ る 。従 来 の ガ ス タ ー ビ ン 発 電 機 と 比 べ て 、空 気 を 圧 縮 す る た め の 燃 焼 エ ネ ル ギ ー が 不 要 で あ り 、効 率 的 な 発 電 が 可 能 で あ る 。 ま た 、 熱 を 利 用 し た シ ス テ ム な の で 、 起 動 ・ 停 止 に い る 時 間 は 20~30 と 長 い が 信 頼 性 は 高 い 。海 外 で は す で に 実 用 化 さ れ て お り 、ド イ ツ で は 1978 年 に 290MW の 発 電 所 が 、 ア メ リ カ で は 1991 年 に 110MW の 発 電 所 が 運 転 を 開 始 し て い る[ 1 - 7 ]_{。我 が 国 で は 、1990 年 度 か ら 2001 年 度 に わ た っ て 通 商 産 業 省(現 経 済 産 業} 省)資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 が 「 新 型 負 荷 平 準 化 電 源 技 術 開 発 調 査 」 と し て CAES プ ロ ジ ェ ク ト を 財 団 法 人 新 エ ネ ル ギ ー 財 団 に 委 託 し て 実 施 し て き た[ 1 - 7 ]_{。ま た 、CAES-G/T} パ イ ロ ッ ト プ ラ ン ト を 北 海 道 空 知 郡 上 砂 川 町 に 建 設 し 、シ ス テ ム 実 証 運 転 を 通 し て 実 用 性 お よ び 安 定 性 を 確 認 し た[ 1 - 7 ]_。 図 1-5 圧 縮 空 気 貯 蔵 装 置 の 原 理 出 典:社 団 法 人 日 本 技 術 者 協 会/電 気 技 術 解 説 講 座/電 力 貯 蔵 用 電 池 (3) フ ラ イ ホ イ ー ル 図 1-6 に フ ラ イ ホ イ ー ル の 原 理 図 を 示 す 。フ ラ イ ホ イ ー ル は 、エ ネ ル ギ ー を 一 時 的 に 蓄 え る 手 段 と し て 古 く か ら 種 々 の 形 で 利 用 さ れ て お り 、電 力 貯 蔵 装 置 と し て も 核 融 合 実 験 パ ル ス 電 源 や コ ン ピ ュ ー タ 用 無 停 電 電 源 装 置 、電 力 系 統 の 周 波 数 調 整 用 な ど に す で に 実 用 化 さ れ て い る 。従 来 ま で は 機 械 式 軸 受 を 使 用 し て い る 関 係 で 摩 擦 に よ る 回 転 損 失 が 大 き い た め 、数 秒 オ ー ダ ー 程 度 の 短 時 間 電 力 貯 蔵 用 に 限 ら れ て い た 。と こ ろ が 、高 温 超 電 導 の 出 現 に よ っ て 軸 受 の 問 題 が 解 消 さ れ る よ う に な り 、ま た カ ー ボ ン 繊 維 を は じ め と す る 複 合 材 料 の 技 術 進 歩 に よ っ て 高 速 の フ ラ イ ホ イ ー ル が 製 作 で き る 可 能 性 が あ る こ と か ら 、長 時 間 電 力 貯 蔵 を 目 指 し た 高 温 超 電 導 フ ラ イ ホ イ ー ル の 研 究 開 発 が 進 め ら れ て い る 。

エ ネ ル ギ ー 発 電 対 応 電 源 な ど 、さ ま ざ ま な 応 用 へ の 検 討 が さ れ て い る 。ま た 、近 年 、 半 導 体 工 場 や デ ー タ セ ン タ ー な ど に 不 可 欠 な 無 停 電 電 源(UPS)へ の ニ ー ズ が 高 ま り 、1～5kWh 程 度 の 貯 蔵 容 量 を 持 つ 機 械 軸 受 や 磁 気 軸 受 を 使 用 し た フ ラ イ ホ イ ー ル UPS の 市 場 が 拡 大 し て い る 。 こ れ は 、 化 学 エ ネ ル ギ ー と し て 電 力 貯 蔵 を す る 二 次 電 池 と 比 べ 、寿 命 が 長 く メ ン テ ナ ン ス が 容 易 、高 速 繰 返 し 充 放 電 が 可 能 、環 境 に 優 し い と い っ た 利 点 を 有 す る た め で あ る 。 図 1-6 フ ラ イ ホ イ ー ル の 原 理 出 典:社 団 法 人 日 本 技 術 者 協 会/電 気 技 術 解 説 講 座/電 力 貯 蔵 用 電 池 (4) 揚 水 発 電 揚 水 発 電 は 水 力 発 電 の 一 種 で あ る 。図 1-7 に 揚 水 発 電 の 概 念 図 を 示 す 。揚 水 発 電 は 上 部 調 整 池 と 下 部 調 整 池 の 2 つ の 貯 水 池 と 、 そ の 間 に あ る ポ ン プ と 発 電 用 水 車 を 兼 用 し た 設 備 か ら な る 水 力 発 電 方 式 で あ る 。電 力 需 要 が ピ ー ク を 迎 え る 時 間 帯 に 、 予 め 汲 み 上 げ て お い た 上 池 の 水 を 落 下 さ せ 、そ の エ ネ ル ギ ー を 利 用 し て 発 電 を 行 う 。 低 需 要 時 に は 余 剰 電 力 を 利 用 し 、水 車 を 逆 回 転 さ せ ポ ン プ と し て 用 い る こ と で 下 部 調 整 池 に 溜 ま っ て い る 水 を 上 部 調 整 池 に 汲 み 上 げ る 。こ れ ら 一 連 の 動 作 を 行 う こ と に よ り 負 荷 平 準 化 を 実 現 す る シ ス テ ム に な る 。水 を 汲 み 上 げ る 時 に 電 力 を 消 費 し 損 失 が 発 生 す る た め 全 体 を 通 し て 約 70%の 効 率 で 決 し て 高 効 率 と は 言 え な い が 、 大 容 量 の エ ネ ル ギ ー 貯 蔵 が で き 、ピ ー ク 時 間 帯 の 電 力 需 要 を 賄 え な い と い う リ ス ク を 回 避 で き る た め 、 各 所 に 導 入 さ れ て い る 。1999 年 現 在 で は 、 日 本 全 国 42 か 所 の 揚 水 発 電 所 が 導 入 さ れ て お り 、出 力 総 計 2390 万 kW に 達 し て い る 。日 本 に お け る 代 表 的 な 揚 水 発 電 所 は 、東 京 電 力 の 葛 野 川 発 電 所(単 機 容 量 40 万 ×4 基 、合 計 出 力 160 万 kW)、 神 流 川 発 電 所(単 機 容 量 47 万 ×4 基 、 合 計 出 力 282 万 kW)で あ る 。

揚 水 発 電 は 、建 設 は ほ ぼ 土 木 工 事 で あ り 設 備 も 長 寿 命 で あ る こ と か ら 経 済 性 で は 優 れ て い る 。 し か し 、 エ ネ ル ギ ー 密 度 か ら 見 れ ば 蓄 電 池 の 100 分 の 1 と 小 さ く 、 広 大 な 土 地 を 必 要 と す る 。そ の た め 、規 模 を 考 え る と 立 地 点 が 電 力 需 要 地 か ら 遠 く な る こ と や 経 済 的 な 適 地 が 次 第 に 少 な く な っ て い く こ と が 課 題 と し て 挙 げ ら れ る 。 さ ら に 、昨 今 の 自 然 環 境 保 全 に 対 し て 配 慮 す る と 今 後 の 増 設 に は 限 界 が あ り 、揚 水 発 電 を 補 完 す る 他 の 電 力 貯 蔵 装 置 の 開 発 が 期 待 さ れ て い る 。 図 1-7 揚 水 発 電 の 原 理 出 典:土 木 学 会/土 木 ミ ニ 知 識/Vol.84, Dec, 1999 (5) 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ と は 、キ ャ パ シ タ の 静 電 容 量 を 用 い た 貯 蔵 装 置 で あ る 。キ ャ パ シ タ の 蓄 電 能 力 は 、そ の 電 力 間 距 離 に 反 比 例 し 電 極 表 面 積 に 正 比 例 し て 増 加 す る 。図 1-8 に 示 す よ う に 電 解 液 中 に 電 極 を 入 れ る と 、両 電 極 表 面 に 電 気 二 重 層 と 呼 ば れ る 電 解 液 の 分 子 が 並 ん だ 極 め て 薄 い 層 が 形 成 さ れ る 。電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ は 、 こ の 薄 い 層 を 電 極 間 の 絶 縁 物 し て 使 用 す る こ と で 電 極 間 距 離 を 数 十 nm と 極 め て 小 さ く し 、 さ ら に 電 極 に 多 孔 質 の 活 性 炭 を 用 い る こ と で 電 極 表 面 積 も 数 千 m2_{/g 以} 上 に 大 き く す る こ と に よ り 、従 来 の 電 解 コ ン デ ン サ に 比 べ て 飛 躍 的 に 電 気 エ ネ ル ギ ー を 蓄 え ら れ る よ う に し た も の で あ る 。電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ の 素 子 構 造 は 、積 層 形 と 巻 回 形 に 大 別 さ れ る 。積 層 形 は 薄 型 で 内 部 抵 抗 が 小 さ く 、巻 回 形 は 効 率 良 く 電 極 を 対 向 さ せ る こ と が で き 、安 定 し た 特 性 や 信 頼 性 が 得 ら れ る 。近 年 で は 大 電 流 向 き の 超 低 抵 抗 形 も 開 発 さ れ て い る 。

図 1-8 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ の 原 理 出 典:超 高 速 ・ 大 電 流 充 放 電 技 術 で 注 目 を 集 め る 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ, ULVAC 技 術 寄 稿 (6) Li-ion キ ャ パ シ タ(リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ) 二 重 層 キ ャ パ シ タ は 、正 極 負 極 共 に 電 極 に 活 性 炭 を 用 い て い る 。リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ は 正 極 に は 活 性 炭 な ど を 用 い る が 、負 極 に は リ チ ウ ム イ オ ン を 電 気 化 学 的 に ド ー プ さ れ た 黒 鉛 系 カ ー ボ ン な ど を 採 用 し た 新 し い 非 対 称 型 キ ャ パ シ タ で あ る[ 1 - 8 ]_{。 図 1-9 に リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ と 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ の 構 造 の 違 い} を 示 す 。負 極 に ド ー プ さ れ た リ チ ウ ム イ オ ン は 、キ ャ パ シ タ セ ル の 電 圧 と 負 極 の 静 電 容 量 を 増 加 さ せ る た め 、従 来 の 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ と 比 較 し て エ ネ ル ギ ー 密 度 を 高 く す る こ と が で き る[1 - 9 ]_{。 言 わ ば 、 キ ャ パ シ タ と リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ の} 中 間 特 性 を 持 っ た 貯 蔵 装 置 と 言 え る 。 図 1-9 リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ と 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ の 違 い 出 典:FDK 株 式 会 社 http://www.fdk.co.jp/cyber-j/enecapten/structure.html

(7) 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池(BESS)

電 池 は1799年 に イ タ リ ア の 物 理 学 者 ヴ ォ ル タ に よ っ て 初 め て 発 明 さ れ た も の で あ り 、化 学 反 応 に よ っ て エ ネ ル ギ ー を 直 流 電 力 に 変 換 す る こ と が で き る 。そ の 中 で も 充 電 に よ り 電 気 エ ネ ル ギ ー が 貯 蔵 で き る 大 容 量 二 次 電 池 を 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池 (BESS: Battery Energy Storage System)と 言 う 。 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池 は こ こ 十 数 年 の 間 に 性 能 が 急 速 に 良 く な っ て お り 、エ ネ ル ギ ー 密 度 ・ 寿 命 ・経 済 性・ 環 境 性 ・ 安 全 性・リ サ イ ク ル 性 の 観 点 か ら 適 用 範 囲 が 広 く 電 力 貯 蔵 装 置 の 中 で 最 も 注 目 さ れ て い る 。(7)で は 、 実 用 化 さ れ て い る 電 力 貯 蔵 用 蓄 電 池 の 特 徴 を 述 べ る 。 ① 鉛 蓄 電 池 鉛 蓄 電 池 は 、現 在 自 動 車 用 の バ ッ テ リ ー と し て 広 く 利 用 さ れ て い る 。ま た 、産 業 用 と し て 非 常 用 電 源 や 電 動 車 両 用 主 電 源 な ど に も 用 い ら れ て い る 。さ ら に 、小 型 飛 行 機 で も 利 用 さ れ る こ と も あ り 、 日 常 生 活 に 不 可 欠 な も の に な っ て い る 。 図 1-10 に 蓄 電 池 内 部 構 造 、表 1-1 に 充 放 動 作 時 の 化 学 反 応 式 を 示 す 。正 極 に 二 酸 化 鉛 、負 極 に 海 綿 状 鉛 、 電 解 液 に は 希 硫 酸 を 用 い る 。Pb(鉛)と PbO2(二 酸 化 鉛)と の 間 に 存 在 す る Pb の 酸 化 数 の 差 を 利 用 す る 電 池 で あ る 。Pb は 酸 化 数+2で あ る 状 態 が 最 も 安 定 し た 状 態 で あ る た め 、 酸 化 数+0 の Pb と 、+4 の PbO2と が Pb2 +に 変 化 し よ う と す る 性 質 か ら 起 電 力 が 生 じ る 。放 電 す る と 、正 極・負 極 共 に 硫 酸 鉛 が 生 成 さ れ る 。 電 池 の 起 電 力 は 2.1V 程 度 な の で 、こ の 値 よ り 大 き い 電 圧 を 外 部 か ら 加 え る こ と で 逆 反 応 が 起 こ る 。鉛 蓄 電 池 は 、二 次 電 池 の 中 で は 短 時 間 で 大 電 流 放 電 で き 、長 時 間 緩 や か な 放 電 を 行 っ て も 比 較 的 安 定 す る と い う 特 性 を 有 し て い る 。し か し 、硫 酸 を 使 用 す る た め 破 損 し た と き に 危 険 を 伴 い 、エ ネ ル ギ ー 密 度 が 小 さ い た め 他 の 蓄 電 池 と 比 べ て 大 型 で 重 た く な る と い っ た 欠 点 が あ る 。さ ら に 負 極 板 表 面 に 硫 酸 鉛 の 硬 い 結 晶 が 発 生 し や す く 、 劣 化 現 象 に は 注 意 が 必 要 で あ る 。 図 1-10 鉛 蓄 電 池 の 内 部 構 造 :電 気 の 歴 史 イ ラ ス ト 館

表 1-1 鉛 蓄 電 池 の 充 放 電 動 作 時 の 化 学 反 応 式 放 電 時 充 電 時 負 極 -4 -2 4

PbSO

2

e

SO

Pb









PbSO



2

e





Pb



SO

e

2

SO

H

4

PbO

O

H

2

PbSO













Charge)を 容 易 に 把 握 す る こ と が で き る 。  電 解 液 が 正 負 極 の タ ン ク に 分 離 貯 蔵 さ れ て い る た め 、 セ ル 部 分 を 除 き 、 待 機 ・ 停 止 時 の 自 己 放 電 が な い 。  ミ リ 秒 オ ー ダ ー の 瞬 時 応 答 性 を 有 し 、短 時 間 で あ れ ば 設 計 定 格 の 数 倍 の 高 出 力 で の 充 放 電 が 可 能 で あ る 。  電 解 液 は 、通 常 の 使 用 状 態 に お い て は イ オ ン の 価 数 変 化 意 外 に は ほ と ん ど 変 化 す る こ と が な い た め 、 半 永 久 的 に 再 利 用 可 能 で あ り 環 境 に 優 し い 。  水 溶 液 中 の 金 属 イ オ ン 溶 解 度 に 制 限 が あ り 、タ ン ク 部 の 占 め る 体 積 が 大 き く な り 、 他 の 二 次 電 池 と 比 較 し て 、 エ ネ ル ギ ー 密 度 が 小 さ い 。  電 解 液 を セ ル へ 循 環 さ せ る た め の ポ ン プ 動 力 が 必 要 で あ る 。  電 解 液 を 通 じ て の 電 流 損 失 が あ る 。 ③NAS 電 池(ナ ト リ ウ ム 硫 黄)

NAS 電 池 の 基 本 原 理 は 、1967 年 に 米 国 の Ford Motor 社 か ら 当 時 の 電 気 自 動 車 向 け に 発 表 さ れ た の が 最 初 で あ る 。日 本 で は 1992 年 に 基 本 モ デ ル が 完 成 し 、現 在 日 本 ガ イ シ 株 式 会 社 と 東 京 電 力 株 式 会 社 が 共 同 で 、商 用 ベ ー ス で 生 産 を 行 っ て い る 。 NAS 電 池 は 、 正 極 に 硫 黄 、 負 極 に ナ ト リ ウ ム 、 さ ら に そ れ ら を 個 体 電 解 質 に ベ ー タ ア ル ミ ナ 管 で 隔 離 す る と い う 構 造 に な っ て い る 。ベ ー タ ア ル ミ ナ は 、ナ ト リ ウ ム イ オ ン に 対 し て 伝 導 性 を 持 つ 機 能 性 材 料 で あ る 。NAS 電 池 は 、 高 温 に よ り 硫 黄 と ナ ト リ ウ ム が 液 化 し て い る 状 態 で 運 転 を 行 う 。図 1-12 に NAS 電 池 の 動 作 原 理 、 図 1-13 に NAS 電 池 の 単 電 池 構 成 図 を 示 す 。 ナ ト リ ウ ム を 収 め て い る ナ ト リ ウ ム カ ー ト リ ッ ジ の 底 面 に は 小 さ な 穴 が 設 け ら れ て お り 、液 体 の ナ ト リ ウ ム は こ の 穴 を 通 じ て カ ー ト リ ッ ジ の 外 部 へ 移 動 が 可 能 と な っ て い る 。単 電 池 内 部 に お け る 正 極 側 の 空 洞 部 に は 窒 素 、負 極 側 の 空 洞 部 に は ア ル ゴ ン が 封 入 さ れ て お り 、正 負 極 に お け る 内 部 の ガ ス 圧 力 の 変 化 に よ り ナ ト リ ウ ム が 移 動 し 、こ れ に よ り 電 池 の 充 放 電 を 行 っ て い る 。

図 1-12 NAS 電 池 の 動 作 原 理 出 典: NEDO/蓄 電 池 に 関 す る ワ ー ク シ ョ ッ プ 発 表 資 料 図 1-13 単 電 池 の 内 部 構 造 出 典: NEDO/蓄 電 池 に 関 す る ワ ー ク シ ョ ッ プ 発 表 資 料 製 品 化 さ れ て い る NAS電 池 は モ ジ ュ ー ル 単 位 で 構 成 さ れ て い る 。図 1-14にNAS 電 池 モ ジ ュ ー ル 構 造 を 示 す 。 モ ジ ュ ー ル 内 部 に は 、 上 記 し た 単 電 池 が 350 本 程 度 装 填 さ れ て お り 、 そ の 周 囲 を 充 填 砂 と 呼 ば れ る 砂 が 覆 う 構 造 に な っ て い る 。 ま た 、 NAS 電 池 は 280～360℃ の 動 作 温 度 を 保 つ た め に 、底 面 と 側 面 に ヒ ー タ が 設 け ら れ て い る 。充 填 砂 は 、単 電 池 相 互 の 隔 離 や 固 定 、さ ら に 単 電 池 内 の ナ ト リ ウ ム や 硫 黄 な ど の 危 険 物 が 何 ら か の 理 由 に よ り 流 出 し た 場 合 、そ の 流 出 範 囲 を 最 小 限 に 止 め る

働 き を す る 。ま た 、各 単 電 池 の 間 に は ヒ ュ ー ズ が 設 け ら れ て お り 、事 故 に よ り 過 電 流 が 流 れ た 場 合 に お け る 対 策 も 施 さ れ て い る 。さ ら に ヒ ー タ に よ る 熱 を 外 部 へ 放 出 さ せ な い た め の 工 夫 と し て 、 筺 体 に は 真 空 断 熱 処 理 が 施 さ れ て い る 。 一 方 で 、2011 年 9 月 21 日 に そ の 安 全 対 策 も 虚 し く 工 場 で 火 災 事 故 が 発 生 し た 。 製 造 し た 日 本 ガ イ シ 株 式 会 社 は 、一 時 的 に 全 販 売 NAS 電 池 を 停 止 す る 処 置 を 取 っ た が 、6 月 に 工 場 の 操 業 を 再 開 し た 。NAS 電 池 は 爆 発 の 危 険 性 が あ る ナ ト リ ウ ム を 使 用 し て い る こ と か ら 、安 全 対 策 を し て い て も 大 事 故 に 繋 が る 可 能 性 が あ る た め 、 十 分 な 保 守 ・ メ ン テ ナ ン ス が 必 要 で あ る 。 図 1-14 NAS 電 池 の モ ジ ュ ー ル 構 造 出 典: 株 式 会 社 NTT フ ァ シ リ テ ィ ー ズ 総 合 研 究 所/研 究 報 告 2004 ④Li-ion 電 池(リ チ ウ ム イ オ ン) 正 極 に は リ チ ウ ム イ オ ン を 挿 入・脱 離 す る こ と が で き る 金 属 酸 化 物 、リ チ ウ ム コ バ ル ト 系 複 合 酸 化 物(LiCO2)・ リ チ ウ ム ニ ッ ケ ル 系 複 合 酸 化 物(LiNiO2)・ リ チ ウ ム マ ン ガ ン 系 複 合 酸 化 物(LiMn2O4)・ リ チ ウ ム 鉄 系 複 合 酸 化 物(LiFePO4)な ど を 用 い る 。負 極 に は 、黒 鉛 や 黒 鉛 炭 素 質 な ど を 用 い る 。水 溶 液 を 用 い る と 水 が 電 気 分 解 さ れ て し ま う た め 、リ チ ウ ム 塩 を 溶 質 と し た 水 を 含 ま な い 液 体 電 解 質 が 使 用 さ れ て い る 。ま た 、正 極 と 負 極 を 隔 離 し 、か つ 電 解 液 を 保 持 し イ オ ン 電 導 性 を 確 保 す る た め に セ パ レ ー タ が 用 い ら れ る 。電 池 を 充 電 す る と 正 極 の リ チ ウ ム イ オ ン が 電 解 液 中 を 移 動 し て 負 極 に 吸 収 さ れ る 。逆 に 電 池 を 放 電 す る と 、負 極 か ら リ チ ウ ム イ オ ン が 放 出 さ れ 、正 極 に 入 る 。正 負 極 と も に 、層 状 物 質 の 層 間 を リ チ ウ ム イ オ ン が 出 入 り す る だ け で 、そ れ ぞ れ の 物 質 の 基 本 的 な 構 造 は 変 化 し な い[ 1 - 11 ]_{。リ チ ウ ム イ オ ン 電 池} の 動 作 原 理 を 図 1-15 に 示 す 。

図 1-15 リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 動 作 原 理 出 典: 株 式 会 社 エ ジ ソ ン パ ワ ーHP「7.リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 原 理 と し く み 」 リ チ ウ ム イ オ ン の 特 徴[ 1 -11 ]_{を 以 下 に 示 す 。} ① 高 エ ネ ル ギ ー 密 度 ② 高 い エ ネ ル ギ ー 容 量 ③ 高 い 充 放 電 特 性 ④ 高 い 動 作 電 圧 ⑤ 高 い 安 全 性 ⑥ 保 存 特 性 の 良 さ ⑦ 優 れ た サ イ ク ル 特 性 ⑧ メ モ リ ー 効 果 が な い し か し 、欠 点 と し て 過 充 電・過 放 電 に 弱 い 、破 壊 し た 時 の 危 険 が 大 き い な ど が 挙 げ ら れ る 。こ れ ら の 対 策 と し て 、電 解 質 を 液 体 の 有 機 溶 媒 か ら ゲ ル 状 や 固 体 ポ リ マ ー 電 解 質 に 変 更 し た リ チ ウ ム ポ リ マ ー 二 次 電 池 な ど が 開 発 さ れ て い る[ 1 - 11]_{。 現 在 、} 最 も 適 用 範 囲 が 広 く 注 目 さ れ て い る 電 池 で あ る 。 ⑤Ni-MH 電 池(ニ ッ ケ ル 水 素) ニ ッ ケ ル 水 素 電 池 は 、リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 と 同 様 に 電 極 、セ パ レ ー タ 、電 解 質 で 構 成 さ れ て い る 。正 極 に は 水 酸 化 ニ ッ ケ ル 、負 極 に は 水 素 吸 蔵 合 金 、セ パ レ ー タ に は ポ リ プ ロ ピ レ ン 系 の 不 織 布 、電 解 液 に は 水 酸 化 カ リ ウ ム KOH を 主 体 と す る ア ル カ リ 性 水 溶 液 が 使 用 さ れ て い る[ 1 - 1 2 ]_{。大 電 流 に よ る 高 速 充 放 電 が 可 能 で あ る こ と や 、} サ イ ク ル 寿 命 が 長 い こ と か ら 適 用 範 囲 が 広 く 注 目 さ れ て い る 蓄 電 池 の 一 つ で あ る [ 1 - 1 2 ]_{。 ニ ッ ケ ル 水 素 電 池(ギ ガ セ ル}* 1_{)の 動 作 原 理 を 図 1-16 に 示 す 。 放 電 時 に は 、}

図 1-16 ニ ッ ケ ル 水 素 電 池 の 動 作 原 理(左 図:放 電 時 、 右 図:充 電 時) 出 典: 川 崎 重 工 業 株 式 会 社 車 両 カ ン パ ニ ー 「 ギ ガ セ ル 」 MH の 水 素 原 子 が 正 極 へ 移 動 し NiOOH は Ni(OH)2に な る 。一 方 、充 電 時 に は 正 極 の 水 素 原 子 が 負 極 へ 移 動 し 、M が MH と 変 化 す る 。 上 記 の よ う に 現 在 ま で 多 く の 電 力 貯 蔵 装 置 が 開 発 さ れ 、一 部 は 実 用 化 さ れ 広 く 使 わ れ て い る 。 表 1-2 に 各 電 力 貯 蔵 装 置 の 特 徴 、 表 1-3 に 各 新 型 電 池 の 特 徴 を 示 す 。 特 に 近 年 は 、電 池 技 術 開 発 が 急 速 に 進 展 し て い る こ と か ら 、蓄 電 池 シ ス テ ム を 駆 使 し た 社 会 像 が 描 か れ て い る[ 1 - 1 3 ]_。 表 1-2 各 電 力 貯 蔵 装 置 の 特 徴 出 典:電 気 協 同 研 究 Vol.56, No.4, 2001 よ り 作 成 SMES CAES フライホイール 揚水発電 キャパシタ 新型電池 特徴 長寿命 高速応答 大容量 長寿命 長寿命 高速応答 大容量 長寿命 高速応答 長寿命 分散適合 高密度 分散適合 貯蔵効率 % 70 70 80 70 90 90 応答速度 ～1秒 ～数分 ～m秒 ～数分 ～m秒 ～数秒 寿命 30年 毎日フル充放電時 30年 毎日フル充放電時 30年 毎日フル充放電時 30年 毎日フル充放電時 20年 毎日フル充放電時 5～15年 毎日フル充放電時 開発状況 要素技術開発 パイロット機開発段階 要素技術開発 実用化済み 一部実用化 一部実用化 課題 低コスト化 高超電導技術開発 低コスト化 大型化 高速回転化 環境調和 用地確保 高密度化 低コスト化 低コスト 高効率化

表 1-3 各 新 型 電 池 の 特 徴 出 典: 川 崎 重 工 業 株 式 会 社 車 両 カ ン パ ニ ー 「 各 種 蓄 電 池 の 性 能 比 較 表 」、 参 考 資 料 2-2「 蓄 電 池 戦 略 」[ 1 - 1 3 ]_{,経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 国 家 戦 略 室 よ り 作 成} 具 体 的 に は 、 以 下 の 通 り[ 1 - 1 3 ]_{で あ る 。}  エ ネ ル ギ ー 供 給 面 に お い て 、非 常 時 で も 安 定 し た 電 力 を 供 給 で き 、安 心 し た 社 会 を 作 る た め に 住 宅 や ビ ル 等 に 建 設 段 階 か ら 蓄 電 池 が 備 わ っ た 社 会  病 院 な ど の 施 設 に は 蓄 電 池 配 置 を 原 則 と し 、再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー と の 組 み 合 わ せ か ら 非 常 時 で 給 電 が 停 止 し て も 、一 定 期 間 は 一 部 地 域 へ の 自 律 的 な 電 力 供 給 を 可 能 に す る 社 会  需 要 家 側 の 蓄 電 池 を 中 心 と し た 社 会 イ ン フ ラ の 中 で 、ピ ー ク 対 策 や 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 変 動 対 策 を 系 統 と 相 互 補 完 で き る 効 率 的 な 分 散 型 エ ネ ル ギ ー シ ス テ ム が 実 現 す る 社 会  産 業 が 蓄 電 池 を 活 用 し て 新 た な ビ ジ ネ ス を 展 開 し 、蓄 電 池 を 活 用 し た 効 率 的 な 電 力 供 給 シ ス テ ム を 普 及 さ せ て い く 社 会 現 在 は 経 済 性 の 観 点 か ら 低 コ ス ト 化 が 課 題 に な っ て お り 導 入 拡 大 を 妨 げ て い る が 、現 時 点 か ら 蓄 電 池 の 導 入 を 促 進 し 蓄 電 池 設 備 網 を 構 築 す る こ と で 新 事 業 が 創 造 さ れ る こ と に な り 、蓄 電 池 の コ ス ト 低 減 化 を 進 め る こ と が で き る 。こ れ が 将 来 的 に 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 の 円 滑 な 活 用 に 繋 が り 、CO2排 出 量 削 減 を 行 う こ と が 可 能 で あ る 。

鉛 Redox Flow NAS Li-ion NiMH

理論エネルギー密度 [Wh/kg] 167 103 780 360 275 実効エネルギー密度 [Wh/kg] 35 評価中 130 200 60 活物質 Pb V4+, V3+等 Na, S Li MH, Ni(OH)₂ 電解質 H2SO4 バナジウム 硫酸溶液等 固体電解質 (βアルミナ) 有機電解液 KOH セル回路電圧 [V] 2.1 1.1 2.1 3.7 1.2 作動温度 [℃] 0～40 常温 280～350 常温 常温 運用に必要な補機 なし 電解液循環ポンプ ヒータ なし なし セル電圧均等化機 能の必要性 なし(リフレッシュ充 電で対応可) 不要 なし(リフレッシュ 充電で対応可) 必須 (BMS) なし(リフレッシュ充 電で対応可) サイクル寿命 [回] 3150 サイクル数に依存せず (セパレータに依存5～10年) 4500 3500 評価中 運用に伴う損失 リフレッシュ充放電 電解液循環ポンプロス ヒータロス なし リフレッシュ充放電 大容量化 ～MW級 MW級以上 MW級以上 ～1MW級 ～MW級 大電流放電特性 ○ ○ △ ◎ ○ コスト [円/kW] 3～5万 39万 20万 20～30万 10万 コスト [円/kWh] 5万 評価中 4万 20万 10万 自己放電 あり なし(セル部を除く) なし あり あり 資源 ○ △ ◎ ○ △ 安全性 ○ ◎ △ △ ○

蓄 電 池 が 期 待 さ れ る 中 、各 適 用 事 例 に お け る 適 正 な 蓄 電 池 容 量 や 制 御 手 法 の 開 発 研 究 が さ れ て き た[ 1 - 1 4 ]～[ 1 - 2 3 ]。 し か し 、 今 ま で の 検 討 は 、 事 例 そ れ ぞ れ に 対 し て 技 術 を 開 発 で あ り 、複 合 問 題 や 詳 細 な 蓄 電 池 容 量 の 分 析 は 行 わ れ て い な か っ た 。上 記 で も 述 べ た が 、蓄 電 池 を 駆 使 し た 効 率 的 な 電 力 供 給 シ ス テ ム の 構 築 に は 、各 適 用 範 囲 に 配 置 さ れ た 蓄 電 池 や 電 力 貯 蔵 装 置 、分 散 型 電 源 の 互 い の 情 報 共 有 を 行 い 、互 い の 長 所 を 生 か す 運 用・制 御 が 望 ま し い 。ま た 、そ れ を 踏 ま え た 詳 細 な 設 備 計 画 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 、適 正 容 量 試 算 が 必 要 で あ る 。つ ま り 、計 画 と 運 用 制 御 を 一 貫 し て 考 え 、 各 適 用 範 囲 に お け る 蓄 電 池 容 量 ・ 配 置 ・ 運 用 制 御 手 法 を 検 討 す る 必 要 が あ る 。

1.2 本 論 文 で 取 り 組 む 課 題 と 論 文 構 成

1.2.1 不 安 定 電 源 の 発 電 出 力 変 動 対 策

1.2.2 負 荷 平 準 化 に 向 け た 取 り 組 み

置 を 設 置 し て 、負 荷 平 準 化 に 取 り 組 む 需 要 家 が 増 え て き て い る 。需 要 家 に 設 置 さ れ た 電 力 貯 蔵 装 置 は 、 最 大 受 電 電 力 （ ピ ー ク 電 力 ） を 抑 制 し 、 契 約 電 力 （ 基 本 料 金 ） を 適 正 に 維 持 す る と と も に 、導 入 し た 設 備 容 量 を 効 率 的 に 活 用 し て 安 価 な 夜 間 電 力 を 充 放 電 す る こ と で 従 量 料 金 を 削 減 す る こ と を 目 的 に 運 用 さ れ る 。特 に 、夏 季 の 電 気 料 金 単 価 の 高 い ピ ー ク 帯 に 放 電 す る こ と で 、需 要 家 は 電 気 料 金 を 大 き く 削 減 で き る 。ま た 、需 要 家 に と っ て は 煩 雑 な 負 荷 制 御 を 電 力 貯 蔵 装 置 の 柔 軟 な 制 御 で 対 応 さ せ た い と い う 要 望 も あ る 。そ こ で 負 荷 追 従 の 適 正 な 制 御 の 導 入 が 期 待 さ れ る が 、需 要 予 測 の 誤 差 等 に よ る 電 池 の 枯 渇 や 放 電 未 了 な ど の 難 し い 問 題 が あ り 、十 分 な 対 策 が 必 要 で あ る 。 第 3 章 で は 、 太 陽 光 発 電 が 導 入 さ れ た 需 要 家 に お け る 電 力 貯 蔵 装 置 の 負 荷 追 従 型 制 御 手 法 を 提 案 す る 。 従 来 ま で の 電 力 貯 蔵 装 置 の 運 用 方 式 は 需 要 予 測 を 用 い ず 、 予 め 定 め た 充 放 電 パ タ ン で 運 用 を 行 う パ タ ン 運 転 方 式 を 採 用 し て い た た め 、ピ ー ク 電 力 需 要 削 減 が 達 成 で き な い と い う 課 題 が あ っ た 。負 荷 平 準 化 に よ る コ ス ト メ リ ッ ト を 最 大 限 に 得 る た め に は 、精 度 の 高 い 需 要 予 測 と そ の 予 測 手 法 に 基 づ い た 電 力 貯 蔵 装 置 の 運 用(負 荷 追 従 型 運 転 方 式)が 必 要 で あ る 。そ こ で 、多 様 な 需 要 家 の 過 去 デ ー タ を 基 に 、気 温 や 曜 日 パ タ ン な ど 電 力 需 要 に 影 響 を 与 え る 要 因 を 分 析 し 、重 回 帰 分 析 に よ る 需 要 予 測 手 法 を 提 案 す る 。こ こ で は こ の 手 法 を 用 い 、ど の 需 要 家 で も 同 一 の 説 明 変 数 で 予 測 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し 、太 陽 光 発 電 が 導 入 さ れ た 需 要 家 に お け る 電 力 貯 蔵 装 置 の 負 荷 追 従 型 制 御 手 法 を 開 発 す る 。

1.2.3 電 圧 上 昇 対 策

ラ ク タ ル 理 論 に 基 づ き 、 面 的 な 広 が り を 持 つ ネ ッ ト ワ ー ク 自 動 生 成 手 法 を 提 案 し 、 そ の ネ ッ ト ワ ー ク に 対 し て 系 統 解 析 を 行 う 。自 動 生 成 さ れ た 数 百 母 線 の ネ ッ ト ワ ー ク に 用 い る こ と で 、ネ ッ ト ワ ー ク の 面 的 な 広 が り と 運 用 制 御 を 考 慮 し た 電 力 貯 蔵 装 置 の 適 正 配 置 や 容 量 を 決 定 で き る こ と を 示 し 、 提 案 手 法 の 有 効 性 を 検 証 す る 。

1.2.4 エ ネ ル ギ ー 需 給 調 整

参 考 文 献

備 容 量 に 関 す る 検 討 」,電 学 論 B, 128 巻 1 号, 2008 [1-17] 香 田 潤,矢 部 邦 明,雨 宮 琢 磨,田 中 晃 司,伊 庭 健 二:「 予 測 需 要 の 不 確 実 性 を 考 慮 し た 需 要 家 設 置 NAS 電 池 の 最 適 放 電 運 用 」、平 成 20 年 電 気 学 会 電 力・エ ネ ル ギ ー 部 門 大 会, 195, pp17-7, 17-8, (2008) [1-18] 赤 塚 元 軌 ・ 原 亮 一 ・ 北 裕 幸 ・ 伊 藤 孝 充 ・ 植 田 喜 延 ・ 三 輪 修 也 ・ 松 野 直 也 ・ 滝 谷 克 幸・斉 藤 正 美：「NAS 電 池 を 用 い た 大 規 模 太 陽 光 発 電 所 の 出 力 変 動 抑 制 」， 電 学 論 B，130, 2, pp.223-231(2010) [1-19] 赤 塚 元 軌 ・ 原 亮 一 ・ 北 裕 幸 ・ 伊 藤 孝 充 ・ 植 田 喜 延 ・ 斉 藤 裕 ：「 大 規 模 太 陽 光 発 電 所 の 出 力 変 動 抑 制 用 蓄 電 池 容 量 の 試 算 」， 電 学 論 B， 131, 1, pp.87-93(2011) [1-20] 今 吉 忠 利,高 野 浩 二,下 河 義 秀,林 秀 美,山 田 俊 一：「 小 規 模 離 島 へ の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 導