負荷追従型発電所

負荷追従型発電所は、中程度のメリットまたは中程度の価格の電力を生産すると考えられており、一日を通して電力需要が変動するのに応じて出力を調整する発電所です。 ^[1]負荷追従型発電所は通常、効率、起動と停止の速度、建設コスト、電気代、および設備利用率の点で、ベースロード発電所とピーク発電所の中間に位置します。

ベースロード発電所は、最大出力で稼働する傾向があるディスパッチ可能な発電所です。 ^[要出典]通常、メンテナンスや修理を行うとき、またはグリッドの制約がある場合にのみ、停止または電力を削減します。^[2]主にこの方法で稼働する発電所には、石炭、燃料油、原子力、地熱、流れ込み式水力、バイオマス、複合サイクル 天然ガス発電所があります。^[要出典]

ピーク時発電所は、需要がピークになる時間帯にのみ稼働します。エアコンが普及している国では、需要がピークになるのは午後の中頃です。そのため、典型的なピーク時発電所は、この時間帯の 2 時間前に稼働を開始し、2 時間後に停止します。^[要出典]ピーク時発電所の稼働時間は、起きている時間の大半から、年間わずか 20 時間までさまざまです。

ピーク対応発電所には、水力発電所とガスタービン発電所があります。多くのガスタービン発電所は、天然ガス、燃料油、および/またはディーゼルを燃料として使用できるため、運用の選択において柔軟性が高まります。たとえば、ほとんどのガスタービン発電所は主に天然ガスを燃焼しますが、ガス供給が中断した場合に備えて、燃料油やディーゼルの供給が手元にある場合があります。^[要出典]他のガスタービンは、単一の燃料しか燃焼できません。

対照的に、負荷追従型発電所は通常、日中と夕方に稼働し、電力供給の需要の変化に直接対応して稼働します。電力需要が最も低い夜間と早朝には、停止するか、出力を大幅に削減します。稼働時間はさまざまな要因によって異なります。特定の発電所にとって最も重要な要因の 1 つは、燃料を電気に効率よく変換できることです。生産キロワット時あたりの運用コストが最も低い最も効率的な発電所が最初に稼働します。

需要が増加すると、次に効率の高い発電所が稼働し始めます。その地域の電力網の状態、特にベースロード発電能力がどの程度あるか、および需要の変動も非常に重要です。運用上の変動のもう 1 つの要因は、需要が夜と昼の間でのみ変化するわけではないことです。季節や曜日によって大きく異なります。需要の変動が大きい地域では、ベースロード発電所が最低需要時に必要な容量しかカバーできないため、大きな負荷追従型またはピーク時の発電所容量が必要になります。

負荷追従型発電所には、天然ガスまたは重油で稼働する水力発電所、ディーゼルおよびガスエンジン発電所、複合サイクルガスタービン発電所、蒸気タービン発電所などがありますが、重油発電所はエネルギーミックスのごく一部を占めています。天然ガスで稼働する比較的効率的なガスタービンモデルも、適切な負荷追従型発電所になります。

ガスタービン発電所は、電力レベルの調整という点で最も柔軟性がありますが、運用コストも最も高くなります。そのため、一般的には、電力需要が最大になるときの「ピーク」ユニットとして、またはタービンの排気廃熱を経済的に利用してプロセスや空間暖房用の追加の電力と熱エネルギーを生成できる複合サイクル発電所または コジェネレーション発電所として使用されます。

ディーゼルおよびガスエンジン発電所は、全体的な柔軟性が高いため、ベースロードからスタンバイ電力生産まで使用できます。このような発電所は、グリッドの需要を満たすために迅速に起動できます。これらのエンジンは、さまざまな燃料で効率的に動作できるため、柔軟性が高まります。

いくつかの用途としては、ベース負荷発電、風力ディーゼル、負荷追従、コジェネレーション、トリジェネレーションなどがあります。

水力発電所は、ベースロード、負荷追従、またはピーク対応の発電所として稼働できます。数分以内、場合によっては数秒以内に起動できます。発電所の稼働方法は、水の供給に大きく依存します。多くの発電所は、連続的にフル稼働に近い状態を維持できるだけの水が不足しているからです。^[要出典]

水力発電ダムや関連する貯水池がある場合、これらをバックアップして、ピーク時に水力発電量を確保できることがよくあります。これは生態学的および機械的ストレスをもたらすため、以前ほど行われていません。水力発電に使用される湖や人工貯水池は、さまざまなサイズがあり、1 日分の水量 (日中のピーク変動) から、季節的なピーク変動を考慮した 1 年分の水量まで、さまざまな大きさがあります。

年間の河川流量よりも少ない貯水池を持つ発電所は、季節に応じて運転スタイルを変えることができます。たとえば、発電所は乾季にはピーク発電所として、雨季にはベースロード発電所として、季節の合間には負荷追従発電所として運転することができます。大きな貯水池を持つ発電所は、暖房や冷房のピークシーズンに最大容量で運転するなど、雨季と乾季に関係なく運転することができます。^{[引用が必要]}

電力網に供給する発電と電力網の消費または負荷が均衡している場合、交流電流の周波数は通常のレート（50 ヘルツまたは 60 ヘルツ）になります。水力発電所は、不安定な電力網で追加収益を上げるために利用できます。電力網の周波数が通常より高い場合、たとえばインドの電力網の周波数は、1 か月/1 日のほとんどの期間で定格の 50 Hz を超えています。^[3]利用可能な余分な電力は、農業用水ポンプなどの追加負荷を電力網に追加することで消費でき、この新しいエネルギー消費は名目価格または無料で利用できます。ただし、電力網の周波数が通常より低下した場合、その価格での継続的な供給が保証されない可能性があり、その場合はより高い価格が必要になります。^{[引用が必要] [説明が必要]}

周波数が通常より低下するのを食い止めるために、利用可能な水力発電所は無負荷/公称負荷運転に保たれ、負荷はグリッド周波数に厳密に従って自動的に増減されます。つまり、周波数が 50 Hz を超える場合は水力ユニットは無負荷状態で稼働し、グリッド周波数が 50 Hz 未満の場合は最大負荷で発電します。このように、電力会社は水力ユニットに期間の 50% 未満の負荷をかけることでグリッドから 2 倍以上のエネルギーを引き出すことができ、利用可能な水の有効利用は従来のピーク負荷運転の 2 倍以上に強化されます。^{[4] [明確化が必要]}

ボンネビル電力局の大規模水力発電、ベース負荷火力発電、断続的な風力発電による毎日のピーク負荷の例。水力発電は負荷追従とピーク管理を行い、ベース負荷火力発電からの応答もあります。BPA はほとんどの場合エネルギーの純輸出国であるため、総発電量は常に BPA 総負荷よりも大きいことに注意してください。BPA 負荷には、他の調整権限エリアへの予定されたエネルギーは含まれません。^[6]

大型石炭火力発電所は、さまざまな程度で負荷追従型 / 可変負荷型発電所としても使用できます。通常、無煙炭燃料の発電所は、褐炭燃料の石炭発電所よりも大幅に柔軟性があります。負荷追従用に最適化された石炭発電所に見られる機能には、次のものがあります。

• スライディング圧力運転：蒸気発生器のスライディング圧力運転により、定格容量の 75% までの部分負荷運転でも、燃料効率をあまり低下させることなく発電所で発電を行うことができます。
• 過負荷能力:発電所は一般に、年間5%の期間、定格出力の5～7%以上で稼働するように設計されています。
• 周波数追従ガバナー制御:負荷生成は、グリッド周波数のニーズに合わせて自動的に変更できます。
• 週 5 日間、毎日 2 交代制で稼働:これらの発電所に必要なウォームおよびホット スタートは、フル負荷運転に達するまでの時間が短くなるよう設計されています。したがって、これらの発電所は厳密にはベース負荷発電ユニットではありません。
• HP/LP 蒸気バイパス システム:この機能により、蒸気ターボ発電機は負荷を迅速に削減し、蒸気発電機は遅れて負荷要件に調整することができます。

歴史的に、原子力発電所はベースロード発電所として建設され、設計をシンプルにするために負荷追従能力は備えていなかった。最大出力で稼働するように設計されていたため、起動や停止には何時間もかかり、蒸気発生器を所定の温度まで加熱するのにも時間がかかった。^[2]原子力発電は反核活動家やドイツ連​​邦環境省によって柔軟性に欠けるとも言われており、一方で「原子力発電所が電力網を詰まらせる可能性がある」と主張する者もいた。^[7]

軽水炉を備えた現代の原子力発電所は、5%/分の傾斜で30～100%の範囲で最大140MW/分まで操作できるように設計されています。^[7]フランスの原子力発電所は負荷追従モードで運転しており、一次および二次周波数制御に参加しています。ユニットによっては、1日に1回または2回の大きな電力変更を伴う可変負荷プログラムに従います。設計によっては、定格電力付近での電力レベルの急激な変化が可能であり、周波数調整に使用できます。^[8] より効率的な解決策は、一次回路を最大電力で維持し、余剰電力をコジェネレーションに使用することです。^[9]

2000年代初頭の時点で稼働していたほとんどの原子力発電所は、すでに強力な負荷追従機能を備えて設計されていたが、純粋に経済的な理由から、そのような用途には使用されなかった可能性がある。原子力発電はほぼ完全に固定費と埋没費で構成されているため、出力を下げても発電コストは大幅に削減されず、ほとんどの時間フルパワーで稼働させる方が効果的である。^{[10] [11]}ベースロードが主に原子力であった国（フランスなど）では、全体的な電力需要が一日を通して変動するため、負荷追従モードが経済的になった。

沸騰水型原子炉（BWR）は、再循環水流の速度を変えて、定格出力の60％（最大10％/分）まで出力レベルを素早く下げることができるため、夜間の負荷追従に適しています。また、制御棒操作を使用して、より深い出力低下を実現することもできます。いくつかのBWR設計には再循環ポンプがなく、これらの設計では負荷追従のために制御棒操作のみに頼らざるを得ず、理想的ではない可能性があります。 ^[12]イリノイ州シカゴなどの市場では、地元の電力会社の半分がBWRであるため、負荷追従が一般的です（ただし、そうすることは潜在的に経済的ではありません）。

加圧水型原子炉（PWR）は、減速材/冷却材内の化学シム（通常はホウ素）と制御棒の操作、タービン速度制御（原子炉技術を参照）を組み合わせて出力レベルを変更します。負荷追従を明示的に考慮して設計されていないPWRの場合、負荷追従運転はBWRほど一般的ではありません。現代のPWRは一般的に、広範囲にわたる定期的な負荷追従を処理できるように設計されており、特にフランスとドイツのPWRは歴史的にさまざまなレベルの強化された負荷追従機能を備えて設計されてきました。^[12]

特にフランスは、PWRで積極的な負荷追従を活用してきた長い歴史があり、負荷追従に加えて、一次および二次周波数制御が可能であり、その用途にも使用されています。フランスのPWRは、化学シム制御や従来の制御棒よりも迅速に電力を操作するために、「ブラック」制御棒とは対照的に、中性子吸収能力が低く、原子炉出力の微調整に使用される、いわゆる「グレー」制御棒を使用しています。^[2]

これらの原子炉は、定格出力の30～100%の間で出力を定期的に変化させ、負荷追従活動中に毎分2～5%出力を上げたり下げたりすることができ、±2～3%（一次周波数制御）および±3～5%（二次周波数制御、モードXのN4原子炉の場合は5%以上）で一次および二次周波数制御に参加することができます。正確な設計と運転モードによっては、燃料サイクルの非常に後期段階では、低出力運転や急速な出力上昇に対応する能力が部分的に制限される可能性があります。^[12]

現代のCANDU設計には、広範な蒸気バイパス機能があり、必ずしも原子炉出力の変化を伴わない異なる負荷追従方法を可能にします。ブルース原子力発電所は、タービンの運転中に長時間にわたって蒸気を部分的にコンデンサーにバイパスする機能を定期的に利用して、ユニットあたり300MW（8ユニットのプラントで合計2400MW）の柔軟な（負荷追従）運転機能を提供するCANDU加圧重水炉です。蒸気バイパス運転中、原子炉出力は同じレベルに維持されるため、キセノン中毒や原子炉出力の操作に関連するその他の懸念が完全に回避されます。^{[13] [14] [15]}

熱貯蔵機能を備えた集光型太陽光発電所は、負荷追従型発電所の選択肢として浮上している。^{[16] [17]}太陽熱エネルギーの抽出量が1日で過剰になった場合には、負荷需要に対応し、ベースロード発電所として機能することができる。^{[18]太陽熱貯蔵と}太陽光発電を適切に組み合わせることで、高価な蓄電池を必要とせずに、負荷変動に完全に対応することができる。^{[19] [20]}

水素ベースの燃料電池発電所は、非常用DGセットやバッテリーストレージシステムのような完璧な負荷追従型発電所です。ゼロからフルロードまで数分で稼働できます。遠く離れた産業消費者への水素の輸送にはコストがかかるため、さまざまな化学工場から副産物として生成される余剰水素が燃料電池発電所の発電に使用されます。^[21]また、燃料電池発電所は大気汚染や水質汚染を引き起こしません。実際、PM2.5粒子を抽出して周囲の空気を浄化し、飲料水や工業用途向けの純水も生成します。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーからの変動電力は、さまざまな貯蔵手段の助けを借りて、負荷に追従したり、グリッド周波数を安定化したりするために使用できます。石炭火力ベースロード発電所から風力や太陽光などの間欠エネルギー源へと移行している国々では、需要側管理などのスマートグリッド対策がまだ完全に実装されておらず、供給の変化に迅速に対応していません。少なくとも、ピーク鈍化および負荷シフトのメカニズムが供給に一致するほど広く実装されるまでは、専用のピークまたは負荷追従発電所とグリッド相互接続の使用が必要になる可能性があります。 以下のスマートグリッドの代替案を参照してください。

2018年現在、電気自動車のバッテリーを再利用せずにこの目的のために新しく特注で製造された充電式バッテリーストレージのコストは、米国で平均して1kWhあたり209ドルです。^[22]グリッド周波数が所望値または定格値を下回る場合、発電されている電力（ある場合）と蓄電池に蓄えられた電力がグリッドに供給され、グリッド周波数が上昇します。グリッド周波数が所望値または定格値を上回る場合、発電されている電力が供給されるか、余剰のグリッド電力が安価に入手できる場合は、エネルギー貯蔵用のバッテリーユニットに引き込まれます。グリッド周波数は、遭遇する負荷の種類と電力網内の発電所の種類に応じて、定格値の上下に1日に50～100回変動し続けます。^{[23]最近、バッテリーユニット、太陽光発電所などのコストが大幅に下がり、オンライン}スピニングリザーブとして電力網の安定化のための二次電力が利用されるようになりました。^{[24] [25]}

新たな研究では、風力発電所と太陽光発電所の両方が急速な負荷変動に追従できるかどうかも評価されています。Gevorgianらによる研究では、プエルトリコのような島嶼電力システム^{[26]とカリフォルニアの大規模電力システム[27]}の両方で、太陽光発電所が負荷追従と急速な予備力を提供できることが示されています。

太陽光発電と風力発電の分散型で断続的な性質により、広大な地域にまたがる信号ネットワークの構築が必要になります。これには、裁量的な用途を持つ大規模な消費者が含まれ、さらに小規模なユーザーも含まれるようになっています。これらの信号および通信技術は、総称して「スマート グリッド」と呼ばれます。これらの技術がほとんどのグリッド接続デバイスにまで及ぶ場合、エネルギー インターネットという用語が使用されることがありますが、これは一般的にモノのインターネットの一側面であると考えられています。

2010年、米国連邦エネルギー規制委員会のジョン・ウェリングホフ委員長は、オバマ政権の見解を概説し、専用の負荷追従発電所よりもスマートグリッドシグナリングを強く推奨し、追従は本質的に非効率であると述べた。彼は サイエンティフィック・アメリカン誌で、そのような対策をいくつか挙げた。

• 「特定の時間に冷蔵庫の霜取りサイクルをオフにすると、電力網は信号を送ることができます。一日の終わりに冷蔵庫が霜取りされていれば、消費者であるあなたは気にしませんが、最終的には電力網はより効率的に稼働することができます。」
• 「…冷蔵庫でそうしなかったら、石炭火力発電所や燃焼タービンの稼働でそうすることになるだろう。そうすると、そのユニットの稼働効率がはるかに悪くなる。」

当時、電気自動車のバッテリーが電力網に統合され始めたところだった。ウェリングホフ氏は「現在、デラウェア州では、これらの車は1台あたり1日7ドルから10ドルの報酬を得ている。充電時に電力網の調整サービスを制御するためだけにこれらの車を使用するだけで、年間3,000ドル以上の報酬を得ている」と述べている（同書）。

専用の蓄電池は非常にコストが高いため、電気自動車のバッテリーを車両内で充電しながら使用する（スマートグリッドを参照）ことと、道路での使用に耐えるほどの充電がなくなった後に寿命が尽きた際に再利用する固定グリッドエネルギー貯蔵アレイで使用することが、専用の発電所よりも負荷追従の好ましい方法となっている。このような固定アレイは真の負荷追従発電所として機能し、その導入により「このような車両を購入する際の経済性が向上する...自動車業界で耐用年数に達したバッテリーは、元の容量の70～80%がまだ残っているため、他の用途にはまだ検討できる。」^[28]

このようなバッテリーは、主にバックアップとして機能する家庭用アレイに再利用されることが多く、グリッド安定化に非常に容易に参加できます。何もしないこのようなバッテリーの数は急速に増加しており、例えばオーストラリアでは大規模な停電後にテスラパワーウォールの需要が30倍に増加しました。^[29]

家庭用バッテリーと自動車用バッテリーは、供給が可能な場合には常に、そして必然的に充電されます。つまり、それらはすべてスマートグリッドに参加していることになります。なぜなら、高負荷（ある日本の推定では、関東の自動車の半数で7GW以上）^[要出典]は、アナロググリッドでは単純に管理できないからです。そうしないと、「調整されていない充電によって、新たなピーク負荷が生じる可能性があります」（同上）。

充電を管理する必要があることを考慮すると、負荷追従のために必要なこれらのバッテリーの充電を遅らせたり放電したりするための追加コストはなく、ソフトウェアの変更と、場合によっては、充電が不完全だったりバッテリーが消耗したりすることによる不便さに対する支払い（たとえば、デラウェア州では「1台あたり1日7ドルから10ドル」）のみが必要になります。

ロッキーマウンテン研究所は2015年に、このような分散型バッテリーネットワークの用途として^[30]、「ISO / RTO」の場合、「エネルギー貯蔵は卸売電力市場に入札できる」、または次のような公共サービスを挙げています。

• 周波数調整
• 回転式予備力と非回転式予備力
• 負荷追従/エネルギー裁定取引
• ブラックスタート
• 電圧サポート

RMI は、「バッテリーは、現在これらのサービスの大部分を火力発電所で提供している技術 (上記の石炭とガスを参照) よりも信頼性が高く、低コストでこれらのサービスを提供できる」と主張し、さらに、「顧客のメーターの背後に設置されたストレージ システムは、次のような電力会社に延期または充足サービスを提供するために派遣できる」とも主張しています。

• 「送電および配電のアップグレードの延期。負荷予測により、送電ノードまたは配電ノードが定格負荷容量を超えることが示された場合、エネルギー貯蔵への追加投資を使用して、ノードの容量を効果的に増加させ、ノード自体の大規模で過剰な高価なアップグレードを回避することができます。」
• 「送電混雑の緩和。一日の特定の時間帯に、ISO は混雑した送電線の使用料を公益事業者に請求します。混雑した送電線の下流にあるエネルギー貯蔵システムを放電することで、これらの料金を回避できます。」
• 「資源の適切性。ピーク発電要件を満たすために燃焼タービンを使用したり投資したりする代わりに、電力会社はエネルギー貯蔵などの他の資産を活用できます。」

• グリッドエネルギー貯蔵
• 電力源別のコスト
• 原子力発電所の経済性（さらなるコスト比較）
• ベースロード発電所
• ピーク時の発電所
• ディスパッチ可能な発電
• 非常用電源システム