「再エネ100％」実現戦略を分析

　「過剰な設置と出力抑制でクリーン電力100％を達成する」という、何ともショッキングなタイトルのウエビナー（WEB 上でのセミナー）が今月中に15日間、開催された。主催者は、クリーン・エネルギーを推進する非営利連合である米クリーン・エネルギー・ステイツ・アライアンス（CESA）である。

　電力会社では、必要以上の「過剰な発電所」は無駄な投資であり、太陽光を含む発電事業者にとって「出力抑制」は収入の減少を意味する。「過剰な設備と出力抑制」を推奨するようなセミナータイトルには、誰しも違和感を持つだろう。

　この発表は、電力需要を100％再生可能エネルギーで賄うための研究活動の一環になる。具体的には、クリーン・エネルギーに関するリサーチを行う米クリーン・パワー・リサーチ（Clean Power Research）が、米中西部の地域送電機関（RTO）であるミッドコンティネント独立システムオペレーター（MISO）のサービス地域全体で再エネ100％を模索する研究・調査分析の一部である。

　この分析の結果としてMISO地域において、太陽光と風力発電の「過剰な建設と出力抑制」が最も費用対効果の高い「再エネ100％」実現戦略であることを示した。

　「再エネの拡大と迅速な送電」を効果的に実現することを目指し、発電設備のテクノロジーと最適な導入量、そして需給バランスを調整するテクノロジーを見出すため、シナリオ分析が行われた。クリーン・パワー・リサーチでリード・アナリストを務めるマーク・ペレズ氏がそれぞれのシナリオと分析結果を発表した。

なぜ「暗黙のストレージ」なのか？

　まず、(1) 発電設備のテクノロジーには、太陽光と風力発電、(2) 需給バランスを調整するテクノロジーには、リチウムイオン蓄電池などの電力貯蔵、そして「暗黙のストレージ（貯蔵）」との位置づけで「過剰な発電設備」とその「出力抑制」を考慮した。どうして「暗黙」と呼ぶのかという質問にペレズ氏は、「過剰な発電設備と出力抑制は、事実上、需給バランスを調整する機能を持っているから」と答えた。

　シナリオでは、太陽光と風力発電、さらに電力貯蔵のコストを大きく左右するテクノロジーの発展度合いを、2025年に「高いケース」「低いケース」、そして2050年に「高いケース」「低いケース」の4つのシナリオも加えた。

　ちなみに、シナリオ別の発電事業用太陽光発電の資本的経費（Capex）は以下のようになっている（図1）。

図1●シナリオ別のCapex（資本的経費）

（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

風力適地ミシガン州の分析結果

　「2050年・テクノロジー発展度・高い」シナリオでは、2050年には太陽光発電の開発が大きく進展し、資本的経費が大幅に低くなる。その結果、2050年には太陽光発電が「テクノロジーのチョイス」となり、さらに、風力発電の開発が浸透している地域でも、太陽光を導入する方がコスト面で利点があると、ペレズ氏は説明した。

　さらに、MISO全体、3つの地域に分けたもの、さらに、10のゾーンに分けて分析した。これら条件・要因をもとに分析し、再エネ100％を達成するための「最適化」は、均等化発電コスト（LCOE）を使って比較した。

　ここでは、分析結果を簡単に説明するために、MISOの10ゾーンの一部に当たるミシガン州を例に挙げる。ミシガン州は、米中西部に位置し、五大湖に隣接している。緯度は日本の北海道とほぼ同じで、太陽光よりも風力発電の方が、潜在的な資源量がはるかに大きい（図2）。

図2●シナリオの設定と均等化発電コスト（LCOE）

（＊出力抑制率については具体的な数値が発表されていないので、筆者がグラフを元に推定）（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

「太陽光のみ」では大規模な貯蔵が必要

　まず、最初のシナリオの前提は、2025年にテクノロジーの発展は低く、再エネ100％を太陽光発電のみで達成するケース。100％を満たすためには、出力66GWの太陽光発電が導入される。

　当たり前だが、日没後に発電しない太陽光のみで100％の電力を賄うためには、電力貯蔵が必須となる。夏季の7月第4週目のある1日を例にとって見てみると、日中の余剰を蓄えるために出力41GW、そして夕方以降に放電するためには出力17GWの電力貯蔵が必要となる。

　ペレズ氏によると、この規模で充電できるストレージは水力発電になるという。その週の電力供給の日内変動を緩和するためには、4時間分（容量230GWh）の電力貯蔵設備が必要になるという（図3）。

図3●100％太陽光で需要に賄うケースにおける電力貯蔵の週を通じた充放電サイクル

（注：緑色＝充電、オレンジ色＝放電、単位・GW）（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

　太陽光発電は日内変動よりも大きな問題がある。それは季節的なインバランス（需給の不一致）だ。ペレズ氏によると、この季節的インバランスを緩和するためには、なんと205時間（容量13.5TWh）分の電力貯蔵設備が必要になるという。

　この大容量の電力貯蔵の必要性により、このシナリオのLCOEは、「177セント/kWh」と大変に高コストとなっている。ただ、このシナリオでは全ての発電量を電力貯蔵に充電するので、出力抑制率は「0％」である（図4）。

図4●100％太陽光で需要に賄うケースにおける電力貯蔵の1年を通じた充放電サイクル（GWh）

（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

過剰設置で蓄電池は削減

　この同じシナリオ下で、太陽光発電を「オプティマル（最上・最適）」レベルで「設置し過ぎる」ことでコストを低減できるだろうか？　前のシナリオで導入した66GWの2.6倍となる174GWを過剰に設置し、大規模な出力抑制をかけると、電力貯蔵の必要容量が大幅に減少できる。実際、蓄電池の容量は4時間分（容量719GWh）まで小さくなっている。

　このシナリオのLCOEは「26.9セント/kWh」と、大幅に発電コストが下がっている。つまり、全ての太陽光発電を電力貯蔵に充放電するより、太陽光発電を過剰に設置し、出力抑制をオプティマルレベルで実施するほうが、 もっともコスト的に効率がよいという結果になる。ちなみに、総発電量に対する出力抑制率は約60％にもなる（図5）。

図5●「太陽光を過剰設置シナリオ」における電力貯蔵の1年間を通じた充放電サイクル（GWh）

（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

　次は、前回のシナリオ（太陽光のみで過剰・2025年テクノロジー低い）で、テクノロジー発展度を、「2050年に高い」に変えてみると、LCOEが70％削減され、「7.9セント/kWh」になる。

　今度は、このシナリオ（太陽光のみで過剰・2050年テクノロジー高い）のうち、発電設備を「太陽光」から「風力」に変えたケースを見てみよう。分析データによると風力発電は太陽光と全く反対の季節性を示していて、冬季には発電量が「過剰」となるが、夏季には大きな不足が生じる。

　風力に変えたシナリオ（風力のみで過剰・2050年テクノロジー高い）だと、風力の過剰設置によって夏季の長期供給不足を回避できる。このシナリオで導入する風力発電は73GWで、大容量蓄電池によって出力抑制をなくした「風力のみ」ケース（図2の表になし）に比べて2.7倍の設置量となる。過剰設置に出力抑制を付け加えることで、LCOEは、太陽光発電の設置過剰シナリオに比べ86％低い「6.2セント/kWh」になる。このシナリオで必要な電力貯蔵は3時間（容量239GWh)となっている。

「太陽光＋風力」の過剰設置が最安

　最後に、太陽光と風力発電のハイブリッドシナリオ（太陽光と風力で過剰・2050年テクノロジー高い）を見てみる。このケースでは、オプティマルレベルの過剰設置量に加え、太陽光と風力のオプティマルなハイブリッド比率も分析している。

　結果は、太陽光と風力の発電量が37％対63％。設備出力でみると、太陽光42GWと風力28GWとなっている。このシナリオで必要な電力貯蔵は6時間分（容量419GWh）で、LCOEは、太陽光の設置過剰シナリオに比べ52％低く、風力の設置過剰シナリオに比べ24％低い「4.7セント/kWh」になる。さらに、出力抑制率も太陽光発電のみよりも低い40％となっている。

図6●太陽光と風力の過剰設置ハイブリッドシナリオ

（注：縦軸＝LCOE、横軸＝出力抑制率、赤色＝エネルギー貯蔵、黄土色＝太陽光発電、青色＝風力、緑＝暗黙の貯蔵・過剰設置による出力抑制）（出所：Clean Power Research）

クリックすると拡大した画像が開きます

　太陽光のみ、風力のみではなく、これら2つを併用し、過剰建設と出力抑制を「暗黙のストレージ」として機能させ、相対的に小規模な貯蔵設備を使うことで、100％準備万端な電力を24時間365日確実に提供できる、ということになる。

　これは従来のイメージからは「発見」にも思える。日本では、蓄電池を含め需要を超える過剰な再エネ設備や、出力抑制される再エネ電力を「もったいない」として「回避すべき状態」とする認識が強いが、今回の分析からは、LCOEを抑える費用対効果の点で、推奨されるべき状態ということになる。