変動型再生可能エネルギー

電力系統運用者は、翌日にどの電源を使用するかを決定するために翌日予測を使用し、利用可能な風力発電と太陽光発電の出力を予測するために気象予報を使用します。風力発電予測は数十年にわたり運用に使用されてきましたが、2019年現在IEAは精度をさらに向上させるために国際協力を組織している。^{[ 19 ]}

風力発電は変動資源であり、特定の発電所が特定の時点で発電する電力量は、風速、空気密度、タービンの特性など、さまざまな要因によって決まります。風速が低すぎると風力タービンは発電できず、風速が高すぎると損傷を防ぐためにタービンを停止する必要があります。単一のタービンの出力は、局所的な風速の変化に応じて大きく急速に変動する可能性がありますが、より多くのタービンがより広い範囲に接続されると、平均出力の変動は小さくなります。^{[ 10 ]}

• 断続性:平均的な国の大きさである約 1000 km 未満の長さの総観規模よりも小さい地域 では、局地的な条件が特別な風を好まない限り、ほとんど同じ天候となり、したがってほぼ同じ風力となります。いくつかの研究では、地理的に多様な地域に分散した風力発電所は全体として発電を完全に停止することはめったにないことが示されています。^{[ 20 ] [ 21 ]これは、アイルランド[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}スコットランド^{[ 25 ]}やデンマークのように、地理的に均一な小さな地域ではめったに当てはまりません。これらの地域では、年間数日、風力発電がほとんどない日があります。^{[ 26 ]}
• 設備利用率：風力発電の年間設備利用率は通常25～50％で、洋上風力発電は陸上風力発電よりも優れている。^{[ 27 ]}
• 調整可能性：風力発電はそれ自体では調整できないため、風力発電所は蓄電設備を備えて建設されることがある。^{[ 28 ] [ 29 ]}
• 容量クレジット:普及率が低い場合、風力発電の容量クレジットは設備利用率とほぼ同じです。グリッド上の風力発電の集中度が上がると、容量クレジットの割合は低下します。^{[ 30 ] [ 31 ]}
• 変動性：場所によって異なる。^{[ 32 ]} 海風は陸風よりもはるかに安定している。^{[ 10 ]}季節変動により生産量が50%減少する可能性がある。^{[ 33 ]}
• 信頼性：風力発電所は、風が吹いているときは高い技術的信頼性を備えています。つまり、風速の低下や嵐によって、任意の時点での出力は徐々に変化するだけであり、後者の場合は停止が必要になります。典型的な風力発電所は、極端な場合でも30分以内に停止する必要が生じる可能性は低いですが、同規模の発電所は、警告なしに瞬時に完全に停止する可能性があります。風力タービンの完全な停止は、天気予報によって予測可能です。風力タービンの平均稼働率は98%であり、タービンが故障したりメンテナンスのために停止されたりしても、大規模な風力発電所の出力のごく一部にしか影響しません。 ^{[ 34 ]}
• 予測可能性：風は変動するものの、短期的には予測可能です。風の出力が1時間で10%未満変化する確率は80%、5 時間で10%以上変化する確率は40%です。^{[ 35 ]}

風力発電は多数の小型発電機によって発電されるため、個々の発電機の故障が電力網に大きな影響を与えることはありません。この風力発電の特徴は、回復力と呼ばれています。^{[ 36 ]}

断続性は本質的に太陽エネルギーに影響を与えます。太陽光源からの再生可能電力の生産は、特定の場所と時間における日照量に依存するからです。太陽出力は一日を通して、また季節によって変動し、塵、霧、雲量、霜、雪の影響を受けます。季節要因の多くはかなり予測可能であり、一部の太陽熱システムは蓄熱を利用して1日を通してグリッド電力を生産します。^{[ 37 ]}

• 変動性：エネルギー貯蔵システムがない場合、太陽光発電は夜間には発電せず、悪天候時にはほとんど発電せず、季節によって変動します。多くの国では、太陽光発電は風力発電量が少ない季節に最も多くのエネルギーを生成し、その逆もまた然りです。^{[ 38 ]}
• 設備利用率標準的な太陽光発電の年間平均設備利用率は 10〜20% ですが^{[ 39 ]}、太陽を追尾する可動式パネルの設備利用率は最大 30% になります^{[ 40 ]} 。蓄熱機能付き太陽熱放物面トラフの設備利用率は 56% ^{[ 41 ]} 。蓄熱機能付き太陽熱発電タワーの設備利用率は 73% ^{[ 41 ]}。

太陽光発電の断続性の影響は、発電と需要の相関関係によって左右されます。例えば、ネバダ・ソーラー・ワンのような太陽熱発電所は、米国南西部のような冷房需要が大きい地域では、夏のピーク負荷にある程度対応しています。スペインの小型太陽熱発電所であるヘマソラールのような蓄熱システムは、太陽光発電の供給と地域消費のマッチングを改善できます。蓄熱を利用した設備利用率の向上は、最大容量の減少を意味し、システムが発電する総時間を延長します。^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

多くの国では、貯水池の環境への影響のため、新たな大型ダムはもはや建設されていません。流水式発電プロジェクトは引き続き建設されています。^{[ 45 ]}貯水池がないと、発電量に季節的および年間変動が生じます。

潮力発電は、変動する再生可能エネルギー源の中で最も予測しやすいものです。潮の満ち引き​​は1日に2回起こりますが、決して断続的ではなく、むしろ完全に信頼できます。^{[ 46 ]}

波は主に風によって発生するため、波から得られるエネルギーは風から得られるエネルギーに比例する傾向がありますが、水の質量のため、風力よりも変動が少なくなります。風力は風速の3乗に比例し、波力は波高の2乗に比例します。^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

管理されているすべての電力系統には、電力系統における既存の不確実性を補うための運用予備力と回転予備力が既に備わっています。風力発電などの間欠的な電源を追加しても、100%の「バックアップ」は必要ありません。なぜなら、運用予備力とバランス調整要件は、特定の発電所専用ではなく、系統全体で計算されるからです。

ガス火力発電所や水力発電所の中には、部分的に負荷をかけ、需要の変化に応じて制御したり、急激に失われた発電量を補ったりするものがあります。需要の変化に応じて制御できる能力は「応答性」と呼ばれます。失われた発電量を迅速に補う能力（通常30 秒から30 分以内）は「回転予備力」と呼ばれます。

一般的に、ピーク負荷運転を行う火力発電所は、ベースロード運転を行う場合よりも効率が低下します。一方、従来型のダム構造など、貯水容量を備えた水力発電所は、ベースロード運転またはピーク負荷運転のいずれにも対応可能です。

電力網は、グリッドバッテリープラントを契約することができ、これにより、1時間程度すぐに利用可能な電力が供給され、故障が発生した場合に他の発電機を起動する時間が確保され、必要な回転予備力の量が大幅に削減されます。^{[ 53 ] [ 54 ]}

デマンドレスポンスとは、エネルギー消費量を供給量に合わせて調整することです。これは、負荷を停止したり、追加のエネルギーを吸収して需給の不均衡を是正したりといった形で行われます。アメリカ、イギリス、フランスの電力システムでは、こうしたシステムの利用を促進するために、優遇料金や設備投資費用の補助といったインセンティブが広く設けられており、電力需要の多い消費者が供給不足の際には負荷を停止したり、逆に供給過剰の際には負荷を増やしたりすることを促しています。

特定の種類の負荷制御により、電力会社が電力不足の場合に遠隔で負荷をオフにすることができます。フランスでは、CERNなどの大規模ユーザーは、EJP料金の奨励の下、系統運用者EDFの要求に応じて電力使用量を削減しています。^{[ 55 ] [ 56 ]}

エネルギー需要管理とは、ピーク時間帯の料金を高くするなど、電力使用を調整するためのインセンティブを指します。リアルタイムの変動電力料金設定は、電力が安価に入手できる時間帯を利用し、電力が不足して高価な時間帯を避けるように、利用者が使用量を調整することを促すことができます。^{[ 57 ]}脱塩プラント、電気ボイラー、産業用冷凍ユニットなどの一部の負荷は、出力（水と熱）を貯蔵することができます。いくつかの研究では、ビットコインマイニングを潜在的に柔軟な電力負荷としてモデル化し、特定の条件下では、マイニング作業が本来抑制されるはずの電力を使用したり、プロジェクトの経済性を改善したりできることを示唆しています。^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}しかし、ビットコインマイニングは決して持続可能ではないと主張する人もいます。^{[ 66 ]}

瞬時の需要削減。ほとんどの大規模システムには、相互に有益な契約に基づき、発電不足時に瞬時に遮断される負荷のカテゴリーが設けられています。これにより、瞬時に負荷を削減または増加させることができます。

風力発電や太陽光発電からの非制御出力が高い低負荷時には、系統の安定性を確保するために、様々な制御可能な発電源の出力を下げたり、あるいは制御可能な負荷を増やしたりする必要がある。場合によっては、エネルギー貯蔵を利用して出力を需要の高い時間帯にシフトさせることも可能である。こうした仕組みには以下のようなものがある。

揚水式水力発電は、現在最も普及している技術であり、風力発電の経済性を大幅に向上させることができます。貯水に適した水力発電所の立地は、送電網によって異なります。一般的な往復効率は80%です。^{[ 10 ] [ 71 ]}

2020年現在、従来型のリチウムイオン電池は、グリッド規模の蓄電池として最も一般的に使用されているタイプである。[ ^{72 ]}充電式フロー電池は^、大容量で応答速度の速い蓄電媒体として使用できます。^{[ 13 ]}水素は電気分解によって生成され、後で使用するために貯蔵できます。^{[ 73 ]}

フライホイール式エネルギー貯蔵システムは、化学電池に比べていくつかの利点があります。耐久性が非常に高く、寿命が著しく低下することなく頻繁に充放電を繰り返すことができるだけでなく、応答速度と充電速度も非常に速いです。数秒以内に完全放電から完全充電まで行うことができます。^{[ 74 ]}また、無毒で環境に優しい材料を使用して製造でき、耐用年数が過ぎた後も容易にリサイクルできます。^{[ 75 ]}

蓄熱エネルギー貯蔵は熱を蓄えます。蓄えられた熱は、暖房のニーズに直接使用することも、電気に変換することもできます。CHPプラントの文脈では、蓄熱は比較的低コストで機能的な電力貯蔵として機能します。氷貯蔵空調氷は季節の変わり目に貯蔵でき、需要の高い時期には空調の源として使用できます。現在のシステムは氷を数時間だけ貯蔵すれば十分ですが、十分に開発されています。

電気エネルギーの貯蔵は、貯蔵と取り出しの効率が完全には高くないため、エネルギー損失を伴います。また、貯蔵には設備投資と貯蔵施設のためのスペースが必要です。

単一の風力タービンからの発電量の変動は大きい。例えば、風力発電所のようにタービンの数を増やしても、各タービンの出力間の相関が不完全である限り、統計的な変動は小さくなる。そして、各タービン間の距離のために、相関は常に不完全である。同様に、地理的に離れた風力タービンや風力発電所では相関が低くなり、全体的な変動が減少する。風力発電は気象システムに依存するため、この地理的多様性による電力システムへのメリットには限界がある。^{[ 76 ]}

広範囲に分散し、送電網で接続された複数の風力発電所は、小規模な設備よりも安定して変動の少ない電力を生産します。風力発電量は、特に多数のタービン/発電所からの気象予報を使用して、ある程度の確信度で予測できます。風力発電量の予測能力は、特に新しい施設からのデータが収集されるにつれて、時間の経過とともに向上すると予想されます。^{[ 76 ]}

太陽エネルギーから生成される電力は、風力発電による変動する供給を相殺する傾向があります。通常、風は夜間や曇りまたは嵐の天候時に最も強く、晴れた日には日照時間が長くなり風は弱くなります。^{[ 77 ]}また、風力エネルギーは冬にピークを迎えることが多いのに対し、太陽エネルギーは夏にピークを迎えます。風力と太陽光を組み合わせることで、調整可能なバックアップ電源の必要性が軽減されます。^{[ 78 ]}

• 地域によっては、電力需要と風力発電量との間に高い相関関係が見られる場合がある。特に、気温が低いほど電力消費が増加する地域では、冷たい空気は密度が高く、より多くのエネルギーを運ぶため、この傾向が顕著になる。
• 予備発電設備へのさらなる投資により、許容される導入率を高めることができる。例えば、風力発電を80％供給できる日もあれば、風のない多くの日には、天然ガス、バイオマス、水力などの調整可能な電力を80％供給できる日もある。
• 既存の水力発電量が多い地域では、風力発電を相当量取り入れるために、発電量を増減させる可能性がある。ノルウェー、ブラジル、マニトバ州はいずれも水力発電量が多く、ケベック州は電力の90%以上を水力発電で賄っており、ハイドロ・ケベックは世界最大の水力発電会社である。米国太平洋岸北西部は、風力エネルギーが既存の水力発電とうまく補完される別の地域として特定されている。^{[ 79 ]}水力発電施設の貯水容量は、貯水池の規模、環境、その他の考慮事項によって制限される。

余剰時には近隣の送電網にエネルギーを輸出し、必要な時にエネルギーを輸入することはしばしば可能である。この慣行はヨーロッパ^{[ 80 ]}や米国とカナダの間で一般的である^{[ 81 ]} 。他の送電網との統合により、変動電力の実効集中度を下げることができる。例えば、デンマークのVRE（変動性再生可能エネルギー）の普及率は高いが、相互接続しているドイツ/オランダ/スカンジナビアの送電網との関連では、システム全体に占める割合はかなり低い。変動性を補償する水力発電は国境を越えて利用できる^{[ 82 ] 。}

輸出入計画を支えるためには、送電インフラの容量を大幅に増強する必要があるかもしれない。送電過程ではエネルギーの一部が失われる。変動電力の輸出の経済的価値は、輸出側の送電網が輸入側の送電網に対し、適切な時間帯に適切な価格で有用な電力を供給できる能力に部分的に依存する。

モビリティ、熱、ガスなどのセクターを電力システムと連携させることで、需要と発電のマッチングをより良くすることができます。たとえば、電気自動車市場は最大の蓄電容量源になると予想されています。これは、他の柔軟性源と比較して、変動性の高い再生可能エネルギーの普及率が高い場合に適した、より高価な選択肢となる可能性があります。^{[ 83 ]}国際エネルギー機関は、季節的な需要と供給のミスマッチを補償するためにセクターカップリングが必要であると述べています。^{[ 84 ]}

電気自動車は需要が少なく生産量が多い時間帯に充電することができ、一部の地域では車両から電力網へ電力を送電することができる。^{[ 85 ] [ 86 ]}

風力と太陽光を組み合わせた場合の最大普及率は、地域集約、需要管理、蓄電なしでは70%から90%と推定され、12時間の蓄電があれば最大94%に達すると推定されている。^{[ 95 ]}経済効率とコストの考慮事項が重要な要因として支配的になる可能性が高い。技術的な解決策により、特にコストの考慮事項が二次的なものである場合、将来的により高い普及レベルを検討できるようになる可能性がある。

風力発電や太陽光発電のコスト見積もりには、風力や太陽光の変動による「外部」コストの見積もりが含まれる場合もあれば、発電コストのみに限定される場合もある。すべての発電所には、発電コストとは別にコストが発生する。例えば、必要な送電容量や、発電能力が失われた場合の予備容量のコストなどが挙げられる。多くの発電方式、特に化石燃料由来の発電方式には、汚染、温室効果ガスの排出、生息地の破壊といったコストの外部性があり、これらは一般的に直接的に計上されていない。

経済的影響の規模については議論があり、地域によって異なるものの、普及率の上昇に伴い増加すると予想される。普及率が低い場合、運転予備費や調整費用などのコストはごくわずかであると考えられている。

断続性によって、従来の発電方式とは異なる、あるいは規模の異なる追加コストが発生する場合があります。これには以下のようなものが含まれます。

• 送電容量：送電容量は、負荷率が低いため、原子力発電や石炭火力発電の容量よりも高価になる場合があります。送電容量は一般的に予測されるピーク出力に合わせて設計されますが、風力発電の平均容量は大幅に低くなるため、実際に送電されるエネルギー単位あたりのコストが高くなります。ただし、送電コストは総エネルギーコストのごく一部です。^{[ 96 ]}
• 追加の運転予備力: 追加の風力発電や太陽光発電が需要パターンに合致しない場合、他の発電方式と比較して追加の運転予備力が必要になる可能性がありますが、これは単に既存の発電所が低出力で稼働しているだけなので、追加発電所の設備投資コストが高くなるわけではありません。これは回転予備力です。すべての風力発電は同量の「バックアップ容量」で裏付けられなければならないという主張とは反対に、間欠的な発電機は「ピーク時に出力が発生する可能性が少しでもある限り」、基本容量に貢献します。バックアップ容量は個々の発電機には割り当てられておらず、バックアップまたは運転予備力は「システムレベルでのみ意味を持つ」からです。^{[ 97 ]}
• バランス調整コスト：グリッドの安定性を維持するために、負荷と需要のバランスを取るために追加コストが発生する場合があります。グリッドのバランス調整の改善にはコストがかかる場合がありますが、長期的には節約につながります。^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]}

多くの国では、様々な種類の変動型再生可能エネルギーに関して、政府が特定の変電所に接続する一定容量の太陽光発電設備を建設するための入札を企業に定期的に呼びかけています。政府は最低入札額を受け入れることで、一定期間、または一定総電力量まで、その1kWhあたりの価格で電力を購入することを約束します。これにより、投資家は変動の激しい卸売電力価格に対する確実性を得ることができます。^{[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]}ただし、外貨で借り入れた場合は、為替レートの変動リスクを負う可能性があります。^{[ 105 ]}

英国の電力システムの運営者は、再生可能エネルギーによる発電量が十分であれば、2025年までにゼロカーボンで運用できるようになり、 2033年までにカーボンネガティブになる可能性があると述べている。 ^{[ 106 ]}ナショナルグリッド電力システムオペレーター社は、新製品やサービスがシステムの運用コスト全体を削減するのに役立つと述べている。^{[ 107 ]}

再生可能エネルギーが相当量ある国では、太陽エネルギーによって毎日正午頃に価格が下がります。PV の生産は、これらの時間帯の需要の増加に追随します。下の画像は、再生可能エネルギーが 40% 以上を占めるドイツの 2022 年の 2 週間を示しています。^{[ 108 ]}また、需要が低いため、毎晩と週末にも価格が下がります。PV と風力発電がない時間帯には、電気料金が上がります。これは、需要側の調整につながる可能性があります。産業界は時間帯ごとの価格に依存していますが、ほとんどの一般家庭は依然として固定料金を支払っています。スマート メーターを使用すると、一般消費者は、十分な再生可能エネルギーが利用可能で価格が安いときに電気自動車を充電するなど、動機付けされることもあります。

変動するエネルギー源を補完するためには、電力生産における柔軟な制御が不可欠である。ドイツの事例は、揚水発電、ガス火力発電所、石炭火力発電所が迅速に稼働することを示している。褐炭火力発電所は日々変動する。原子力発電とバイオマス発電は理論的にはある程度調整可能である。しかし、この場合、インセンティブは依然として十分ではないように思われる。

2022年の2週間におけるドイツでの再生可能エネルギーと従来型エネルギーの発電量。風力発電と太陽光発電の発電量が少ない時間帯には、石炭とガスがその不足分を補う。原子力発電とバイオマス発電はほとんど柔軟性を示さない。太陽光発電は日中の消費量増加に追随するが、季節によって変動する。

2022年のドイツの電力市場の2週間の推移。太陽光発電の導入により、需要が高まっているにもかかわらず、毎日正午頃に価格が下落する。需要が低いため、夜間と週末にも価格が下落する。風力発電の供給量が多いため、右半分の価格が低くなっている。太陽光発電と風力発電がない時間帯は、最も高価な代替電源が価格を決定する。2022年の天然ガス価格の極端な高騰は、ロシアによるウクライナ侵攻が原因だった。この数ヶ月間、フランスの原子力発電の供給量が少なかったため、輸出需要が増加した。