米国カリフォルニア州の再エネ大量導入対応についての調査報告と

日本の未来

東京大学工学系研究科 客員研究員

国立研究開発法人科学技術振興機構低炭素社会戦略センター 特任研究員

高瀬香絵

1

訪問調査の概要 (2016.9.12-13)カリフォルニア独立系統運用者(CAISO) サクラメント電力公社(SMUD)

カリフォルニア州の広域系統運用を行う非営利企業。サクラメント市に65年間電力を供給している公社。垂直統合、ただし移入あり。

E3社

電力会社等の委託を受けて調査分析を行う企業。サンフランシスコ環境局(SF Environment)

市の環境局であるが、ほぼ独立採算であり、ごみリサイクルによる収入や委託事業が主収入。150名。

2

カリフォルニアの目標と日本の目標

• 2050年温室効果ガス8割減は共通。

再エネ

RPS（小売の○%)2020年 33%2030年 50%

カリフォルニア

FIT （価格を固定）

※カリフォルニア州と東電管内は、ピーク電力や設備容量の点で規模が同等である。

家庭の太陽光、20万kW以上の水力は含まれない。

長期エネ需給見通し 2030年15％程度（大規模水力を除く場合。）

日本

3

現時点での再エネ比率

石炭, 6%

石炭, 32%

石油, 8%

天然ガス, 44%

天然ガス, 44%

大規模水力, 5%

大規模水力, 10%

原子力, 9%

原子力, 1%

他・不明, 14%

4%

風力, 8%風力, 1%ソーラー, 6% ソーラー, 3%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

CA2015 日本2015FY

石炭 石油 天然ガス 大規模水力 原子力 他・不明

地熱 小水力 バイオマス 風力 ソーラー

経済産業省資源エネルギー庁「電力調査統計」電源別発受電量、http://energyalmanac.ca.gov/electricity/total_system_power.htmlをもとに作成。

供給量または発電量による比較

大規模水力を除いた再エネ比率

カリフォルニア州

2015年：約25％

日本

約5％

25%

5%

2020年: 33%2030年: 50% 2030年: 約15%

※大規模水力を除いた値

日本全体では小さいが、地域偏在性がある。4

あひるが問題？！太陽光の大量導入にて問題となること

課題１：日中、需要を供給が上回る。

課題２：急に出力を下げたりあげたりできるのか？

課題３：そもそも、バックアップ電源が足りるのか？貯蔵するのか？

課題４：需給のバランスが崩れた場合に周波数が不安定になる。

課題2：急に出力を上げ下げ

課題３：夜間これだけ供給できるの？課題４：周波数を

保てるのか？（速い応答）

http://www.caiso.com/Documents/FlexibleResourcesHelpRenewables_FastFacts.pdf

課題1：日中に需要＜供給発生！

5

CAISO(カリフォルニア独立系統運用機関)における課題への対応状況

既存の枠組み 新しい枠組み 将来の枠組み

出力抑制

時間帯別料金

ピークシフト促進

容量調達(長期・中期・短期)

短期変動即応電源(regulation)

広域運用

（短期）

蓄電設置義務

広域運用

（長期）

市場連動時間帯別料金

1日中の発電過剰 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○2急な出力の上げ下げ ○ ○ ○ ○ ○3容量 ○ ○ ○ ○ ○4周波数制御 ○ ○ ○

これまでの対応課題１・２：出力抑制や水力・揚水での調整課題3：長期・中期・短期の容量調達のための枠組み整備（義務等）課題４：短期変動即応電源（レギュレーション）市場

新たな取り組み①広域運用（州をこえたもの）②蓄電設備設置義務

ここが現在の課題である！

6

新たな取り組み① 短期の広域運用エネルギーインバランス市場• CAISOのリアルタイムと15分の市場に、他のエリアの発電源が

参加することで、より広い範囲の最適化を図ろうというもの。

• 参加した電源のみについて、コストの安い順に使うようにする。

• 太陽光は安いので、まず太陽光を使い、ガス火力は抑制する。

• 2014年11月～従来

ソーラー

ガス火力

量

需要B価格

4円/kWh

抑制

A社 B社

量

価格8円/kWh

広域運用

ソーラー

需要A+B

価格需要A

ガス火力

節約

A社＋B社

節約！経済メリット

ソーラー電力を捨てなくて

いい7

4.95.6 4.85.65.5

9.310.5

8.49.48.9 10.0

4.24.16.6

5.25.94.4

7.17.46.4

17.6

6.4 6.6

3.45.4

-10

-5

0

5

10

15

20

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

2018

2022

2040

天然ガス

CC(従来型)

天然ガス

CC(高効率)

天然ガス

タービン(従

来型)

天然ガス

タービン(高

効率)

先進的原子

力地熱 バイオマス 風力 太陽光 太陽熱 水力

資本コスト 運転費（固定） 運転費(変動) 送電投資 免税 合計システムLCOE 合計（免税考慮)

参考：米国の発電コスト

8出典：米国エネルギー省、“Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2016 “(2016.8) より作成。 URL http://www.eia.gov/forecasts/aeo/pdf/electricity_generation.pdf

参考：カリフォルニア州発電コストの将来予測

9

2009年エネルギー委員会

統合エネルギー報告より

20015年エネルギー委員会

統合エネルギー報告より

Source: California Energy Commission, “Estimated Cost of New Renewables and Fossil Generation in California” (2015.3)http://www.energy.ca.gov/2014publications/CEC-200-2014-003/CEC-200-2014-003-SF.pdf

36％の必要容量減少（実績ベース）

エネルギーインバランス市場の効果実績

ソーラーの出力抑制回避1億5880万kWh(加州PVの1%)

発電回避メリット23億円/四半期

(2016年Q2)

地域を広げるだけで効率化が実現！

CO2排出削減

必要な瞬動容量が減少

出典：CAISO, “Benefits for Participating in EIM “, 2016 Q2 Report Quantifying EIM Benefits, 07/28/2016.http://www.caiso.com/Documents/ISO-EIMBenefitsReportQ2_2016.pdf 10

1125.5

44.770

6.7

15.7

27.2

42.5

2.3

5.8

11.6

20

0

20

40

60

80

100

120

140

2014 2016 2018 2020

累積

容量

(万kW

)

義務年送電 配電 顧客

20

47

83.5

132.5

新たな取り組み②蓄電設置義務

• 2014年に義務化。

• 2020年までに132.5万kWを3大私営電力会社に義務付け。

• 上記以外もピーク電力の1%を2020年までに義務付け。累積設置義務量(万kW)

蓄電設備の種類＜既存＞・揚水発電・蓄電池・TES(熱エネ貯蔵)システム（空調・冷蔵等）＜今後＞・デマンドレスポンス・電気自動車の蓄電池活用（投資ハードルあり）等

11

Permanent Load Shifting Program

• TES (Thermal Energy Storage)を中心とした補助プログラム

• 空調の負荷を蓄熱によりシフトさせる。（冷蔵庫も）

• 最大で875ドル/kWのインセンティブ。

• 最大で半額補助となる。

• 2015年1月～

https://www.sce.com/wps/wcm/connect/a4e1543d-1cc7-46b3-8cf2-920cf3aa66af/SCE_PLS_ProgramGuides_061215.pdf?MOD=AJPERES

12

CAISOが示したその他の方策（開発中）

• エネルギー効率化目標

• 蓄電とデマンドレスポンスの増進

• 再エネの経済負荷配分の実現（再エネは安い！）

• 輸送用燃料の脱炭素化

• 既存の発電所の修繕

• 時間帯別料金へのシステム状態の反映

• 資源ポートフォリオの多様化

• 地域間の連携の深化

*CAISOにおけるプレゼン資料より。13

課題は、蓄電と広域運用

蓄電

• 日本が技術的に優位。

• 一方、テスラ社等のビジネス構築に1歩遅れをとっている。

• 水素貯蔵については、九州を中心に今後実証を進める。

広域運用

• 日本は、電力広域的運用推進機関によって、日本全体の連系線の運用等が始まっている。

• 最適負荷配分についても、今後何らかの枠組みの設定がしやすい環境である。

(CAISOは先に運用の枠組みを作り、他社を取り込もうとしている。）

14

その他の興味深い試み自治体による電源選択の枠組みCommunity Choice Aggregation (CCA)

• 自治体が域内の顧客に電力を供給できる。

• 自治体の再エネ目標等達成の手段として活用。

• 申請をしない限り、エリア内顧客はCAAと契約。ただし、退出を選ぶことはできる。

• これまで通り私営電力会社が料金徴収等は実施するが、契約はCAAとすることになる。

デフォルト契約

退出オプション

平均的家庭月々+6ドル

私営電力より若干安く、再エネ率は高い。

15

なぜカリフォルニアはがんばるのか？

州の目標：CO2排出2050年までに80%減

再エネの目標：2030年までに電力の50%

安いソーラーパネル（3,4円/kWh)

IT技術の進展

蓄電池価格低下見込み（産業育成）

再エネは安い国産安定エネ

貯蔵も安くできそう（産業育成も）

運用技術の発展、広域へ（先に仕組みを作ったもの勝ち）

脱炭素・経済合理的・産業育成の両立16

日本の状況

国の目標：CO2排出2050年までに80%減

再エネの目標：2030年までに電力の15%

ソーラーはまだ高い

IT技術の進展

蓄電池価格低下見込み（産業育成）水素技術

日本の技術！

日本全体の広域運用機関設立！

技術はあり、これからも育成可能。必要なのは同じ方向に向かう気持ちと、効率性のセンスか？ 17

まとめ

• 日本もカリフォルニアも、温室効果ガス削減目標は同等である。

• 再エネについては、カリフォルニアの目標は2030年50％とかなり高い。（日本は同じ定義では15％程度）

• ソーラーパネルは安くなり、蓄電池も安くできる見込みがついている。IT技術や系統制御技術によって、広域で複雑なアルゴリズムをリアルタイムに実施することができるようになった。

• これによって、大幅なコスト削減と、CO2削減が同時に行え、かつ産業も育成できる。これがカリフォルニアの狙いであろう。

• このような技術は、そもそも日本が育成してきたものも多く、水素技術も含め、日本でしかできないきめ細やかな運用システムを実現し、要素技術も含めてアジア等に輸出することが期待できる。

• また、電力広域的運用推進機関が設立され、日本全体を対象とした経済負荷配分が実現すれば、そのメリットは大きいことが予想される。

18

Mark RothlederVice President, Market Quality and Renewable Integration

“最初はみんな、20％だって無理って言っていたんだ。今は50％だってなんとかしようって頑張っている。

大変じゃないかって？仕事は大変なほうが楽しいじゃないか。”

More difficult, more fun to overcome!

19

参考資料

20

2015年カリフォルニア州の電力供給

石炭

6%

石油

0%

天然ガス

44%

大規模水力

5%

原子力

9%

他・不明

14%

ソーラー

6%

風力

8%

小水力

1%

地熱

4%

バイオマス

3%

2954億kWh

http://energyalmanac.ca.gov/electricity/total_system_power.htmlをもとに作成。

石炭

0%

石油

0%

天然ガス

60%

大規模水力

6%

原子力

10%

他・不明

0%

ソーラー

8%

風力

6%

小水力

1%

地熱

6%

バイオマス

3%

66%州内(1962億kWh)

34%移入(992億kWh)

石炭

18% 石油

0%

天然ガス

13%

大規模水力

2%原子力

9%

他・不明

41%

ソーラー

3%風力

12%

小水力

0%

地熱

1%

バイオマス

1%

6割南西、4割北西より

21

将来シナリオ• E3によるカリフォルニアの将来シナリオ。

• 再エネが50～60％、残りの多くが移入とガス火力。

https://ethree.com/documents/E3_PATHWAYS_GHG_Scenarios_Updated_April2015.pdf 22

参考 日本・東電・九電との比較

米国 CAISO 日本 東電管内 九電管内

ピーク電力 4600万kW 15,274万kW（2014,発受電端）

4980万kW（2014,発受電端）

1522万kW（2014,発受電端）

設備容量 10億6,842万kW 7,141万kW 2億3403万kW 6605万kW 2014万kW

電力供給/発電量（年）

4兆936億kWh 2412億kWh 7123億kWh(発電量)

2224億kWh(発電量)

644億kWh(発電量)

送電網運用費 0.08円/kWh

稼働率（合計）

電力平均小売価格

10 cents/kWh 15 cents/kWh(California州)

27.55円/kWh(10社総合単価2014)

出典：電気事業便覧,最大電力の推移（一般電気事業者）, 米国エネルギー省、EDMCエネルギー経済統計要覧等より

CAISOのカバー範囲については、東電と同等程度である。

*カリフォルニアISOのピーク需要は、2006年に最大の5,027万kWを記録後、更新していない。23

カリフォルニア州の電力供給体制

発電

送電

配電

小売

発電部門(IOUs)

送電部門(IOUs)

配電部門(IOUs)

小売部門(IOUs)

独立発電事業者IPPs

移入

CAISOによる系統運用

SUMDなどの公営電力会社

CAAs

カリフォルニア公益事業委員会(C

PU

C)

カリフォルニアエネルギー委員会(C

EC

)

連邦エネルギー規制委員会(F

ER

C)

出典：米国エネルギー省資料等を参考に高瀬作成 24

小売り業者(LSEs)の内訳

• 投資家所有の電力会社 6社• Pacific Gas and Electric Company (PG&E), PacifiCorp, San Diego Gas &

Electric (SDG&E), Southern California Edison (SCE) 等

• 電力サービスプロバイダ 22社• Commerce Energy, Inc., EDF Industrial Power Services (CA), LLC, Liberty Power

Holdings LLC, Shell Energy North America, Tiger Natural Gas, Inc.等

• 公的所有の電力会社 46社• Alameda Municipal Power, Silicon Valley Power (SVP), Sacramento Municipal

Utility District (SMUD) 等

• 地方の電力組合 4社• Anza Electric Cooperative, Inc., Plumas-Sierra Rural Electric Cooperative, Surprise

Valley Electrification Corporation, Valley Electric Association, Inc.

• コミュニティ選択アグリゲータ 3社• Marin Clean Energy (MCE), Lancaster Power Authority, Sonoma Clean Power

25

カリフォルニア州の容量調達のための方策

１．10年前

・長期調達計画：3大電力会社が2年ごとに、10年先までの電力調達計画をCPUC(カリフォルニア州公益事業委員会)に提出。相対のみでありオークションはない。ガス火力が中心であり、ガス価格の低下と容量過剰により、価格は下落（10年前は180ドル/kW、現在は10～30ドル/kW * ）。

２．1年前

・供給力評価(Resource Adequacy, RA)：小売事業者に対し、予備力を加えた供給力を確保することを求める。CPUCは毎年RA報告書を発行。

３．短期

・容量調達メカニズム(Capacity Procurement Mechanism, CPM)CAISOが短期的な電源調達を行う。調達電源は契約期間中支払いを受ける。

*3EのArne Olson氏へのヒアリングによる。

http://criepi.denken.or.jp/jp/serc/denki/world_book/010.pdf

26

各アンシラリーサービスの反応速度

時間（分）

偶発事象対応

通常対応

電圧制御

レギュレーション

負荷追従エネルギーインバランス

代替容量

補助容量

周波数反応運転予備力

http://www.ferc.gov/EventCalendar/Files/20100526085937-Kirby,%20Frequency%20Regulation%20Basics%20and%20Trends.pdf

Brendan J. Kirby, “Frequency Regulation Basics and Trends” ORNL to DOE, (2004.12)27

反応速度 維持時間 サイクル 市場サイクル 価格幅(平均/最大)$/MW-hr

平常状態

レギュレーション(Regulation)

系統に接続し、自動発電制御ができ、システムオペレータの増減要求に速く答えられる電源。分単位の変動に対応。

～1分 数分 数分 1時間ごと 35-40/200-400

負荷追従/ファストエネルギー市場

レギュレーションに類似しているが、若干遅い。レギュレーションと1時間ごとのエネルギー市場の間をつなぐ。

～10分 10分～数時間 10分～数時間 1時間ごと

事故時

瞬動予備力(spinning reserve)

系統に接続し、連動しており、主要な発電期や送電線の停止によって、10分いないにフル稼働できる電源。

数秒から10分以内 10～120分 数時間～数日 1時間ごと 6-17/100-300

運転予備力(non-spinning reserve)

運転予備力と類似だが、すぐに反応する必要はない。オフラインでもいいが、10分以内にフル出力にできる電源。

10分以内 10～120分 数時間～数日 1時間ごと 3-6/100-400

代替容量(Replacement or supplemental reserve)

運転予備力容量と類似しているが、30分以内の反応時間の電源。

30分以内 2時間 数時間～数日 1時間ごと 0.4-2/2-36

その他

電圧制御(Voltage control)

無効電力の注入や吸収によって、送電網の電圧を保つ。

数秒 数秒 常に 1年～数年 $1-4/kvar-yr

ブラックスタート(Black start)

系統からの補助がなく適した場所にて発電を開始でき、送電システムの一部として他の発電システムを起動する役割を担うことができるもの。

数分 数時間 数月～数年 数年

Brendan J. Kirby, “Ancillary Services: Technical and Commercial Insights” (2007.7)

アンシラリーサービスの定義と特徴・価格

28

アンシラリーサービス提供による経済性向上の試算• エネルギーのみを販売する場合と比べて、17～250％の利益向

上があり得るとの試算もある。（2007年の試算）

Brendan J. Kirby, “Ancillary Services: Technical and Commercial Insights” (2007.7)29

アンシラリーサービスの価格

• レギュレーションについては、CAISOでは7～12ドル/MW-h、PJMでは16ドル、ERCOTでは9～23ドルと幅がある。

• 10分瞬動予備力については、ERCOTにおいて高く、NYISO(West)、MISOで安い。

Jason MacDonald, Peter Cappers, Duncan Callaway, Sila Kiliccote, “Demand Response Providing Ancillary Services: A

Comparison of Opportunities and Challenges in the US Wholesale Market” Grid-Interop Forum 2011. 30

米国のソーラーの約半分がカリフォルニアに

31出典：米国エネルギー省 http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=24852

カリフォルニア州の電力供給構造の推移

32

Gas

Nuclear

Hydro(L)

GeothermalWind

Coal Imports

Other Imports

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Coal Oil Gas Nuclear Hydro(L) Hydro(S) Geothermal

Biomass Wind PV Solar Thermal Others Coal Imports Other Imports

http://www.energy.ca.gov/almanac/electricity_data/electricity_generation.html より作成。