Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 39, No. 3 リチウムイオン蓄電池の経済性推定モデルの検討 An Examination about Economic Efficiency Estimation Model of Lithium-ion Batteries 有馬理仁 * ** ・林磊 ** ・福井正博 ** ・島田幸司 *** Masahito Arima Lei Lin Masahiro Fukui Koji Shimada (原稿受付日 2018 年 1 月 15 日,受理日 2018 年 4 月 24 日) 1.はじめに 近年, 低炭素社会に向けた省エネルギー化や再生可能エ ネルギー導入が進んでいる. 日本国内ではエネルギーの安 定供給(Energy Security) , 経済効率性(Economic Efficiency) , 環境適合(Environment) , 安全性(Safety) , いわゆる 3E+S の観点から, 2030 年に再生可能エネルギーを全体の 22~ 24%とする目標を立てている 1) . ここでの再生可能エネル ギーとは主に水力, 太陽光, バイオマス由来の電力が想定 されている. 電力需要は季節や時間帯で変化し, 夏の昼間 に最大需要となる傾向があり, 通常この最大需要に合わせ て発電所が建設される. 一方で電力需要が少ない時間帯の 存在が発電所の設備利用率を低下させるので, 需要のピー クを平準化するためのピークシフト 2) 等の取組が進められ てきた. ところが太陽光発電電力の大量導入によって, 実 質電力需要が昼間に減少し, 夕方に急増するダックカーブ と呼ばれる現象が顕在化した 3) . ここで実質電力需要とは, 全体の電力消費量から分散型の再生可能エネルギーの発電 量を差し引いたものの事である. このダックカーブ現象が 更に進むと, 昼間の実質電力需要の低下に対して応答速度 の速い水力・火力発電所等の停止で対応しようとしても追 いつかず, 電力需給の同時・同量が達成できなくなって電 力の送配電系統にトラブルを生じる恐れがある. 既に海外 では, 対価を払ってでも需要家に電力を消費して欲しいこ とを意味する, 卸電力価格がマイナスの時間帯が出現して いる. 従って, これからはポジワット・ネガワット等のデマ ンドレスポンスだけでなく, 需要創出や発電抑制も重要と なる. 実質電力需要がマイナスとなった場合には, ダイナ ミックレジスターなどで需要創出する, または需要創出が できない場合には再生可能エネルギーを発電抑制する必要 が出てくる. しかしこれらは本来不要な熱・仕事を発生さ せる, または再生可能エネルギーの設備利用率低下につな がるため, 経済効率性の観点から好ましくない. このようなマイナスの実質電力需要に対して経済効率的 に需要創出する手段として, 蓄電池が注目されている. 特 に近年では, 分散型エネルギーリソースとしての蓄電池を 統合して活用するバッテリーアグリゲーションの実証が進 められており, その際の分散協調型システムとして仮想発 電所(Virtual Power Plant)が提案されている. 蓄電池は, バ ックアップ用, ピークカット・ピークシフト, 太陽光発電余 剰対策など様々な用途で運用されているが, それぞれの運 用の中で活用されない充放電余力が存在している. 仮想発 電所でこの余力を集めて活用すれば, 夜間の需要創出や夕 方の実質電力需要急増対策として利用できる. 蓄電池には 鉛蓄電池, NAS 電池, レドックス・フロー電池, リチウムイ オン蓄電池など様々なものがあるが, このようなサイクル ユースの分散型蓄電リソースとしては特に定置用のリチウ ムイオン蓄電池が有望である. 現在は費用対効果の問題で 定置用リチウムイオン蓄電池の利用拡大が進んでいないが, 2019 年から段階的に始まる家庭用太陽光発電の固定価格 買取制度終了, 売電価格および買電価格の変化, リチウム イオン蓄電池価格の低下などにより, 将来的にはストレー ジパリティに到達して蓄電池導入の経済的メリットが出る ことが想定される 4) . このような状況において定置用リチ The penetration of renewable energy is advanced to implement low-carbon society. Especially the increase of the photovoltaic generation energy is remarkable. But as a result, the trend that net electricity demand is decreased in the daytime and is increased suddenly in the evening, which is called ‘Duck-Curve phenomenon’ become apparent, and the destabilization of the utility grid caused by the fluctuation of photovoltaic generation power output. To solve this problem, the virtual power plant is planned as one of the solutions, and the battery aggregation using the distributed and cooperated rechargeable batteries is considered as one of the technical elements. One of the strong candidate of rechargeable battery is lithium ion batteries. To maximize the profit of the battery aggregation, it is necessary to diagnose the degradation in real time and estimate the cost effectiveness of lithium ion batteries. We found the convenient technique of diagnosis which can be done under operation of lithium ion batteries and battery management systems. To contribute to optimum system operation of the distributed and cooperated rechargeable batteries, we propose a new cost effectiveness index of lithium ion batteries based on this technique. * 大和製罐株式会社 〒252-5183 神奈川県相模原市緑区西橋本 5-5-1 E-mail : [email protected]** 立命館大学大学院理工学研究科電子システム専攻 〒525-0058 滋賀県草津市野路東 1-1-1 *** 立命館大学経済学部 〒525-0058 滋賀県草津市野路東 1-1-1 第 35 回研究発表会の内容をもとに作成されたもの 11
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リチウムイオン蓄電池の経済性推定モデルの検討電所(Virtual Pow er Plant )が提案されている. 蓄電池は, バ ックアップ用,...
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Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 39, No. 3
リチウムイオン蓄電池の経済性推定モデルの検討An Examination about Economic Efficiency Estimation Model of Lithium-ion Batteries
有 馬 理 仁 * **・ 林 磊 **・ 福 井 正 博 **・島 田 幸 司 *** Masahito Arima Lei Lin Masahiro Fukui Koji Shimada
(原稿受付日 2018 年 1 月 15 日,受理日 2018 年 4 月 24 日)
1.はじめに
近年, 低炭素社会に向けた省エネルギー化や再生可能エ
ネルギー導入が進んでいる. 日本国内ではエネルギーの安
定供給(Energy Security), 経済効率性(Economic Efficiency),
環境適合(Environment), 安全性(Safety), いわゆる 3E+S
の観点から, 2030 年に再生可能エネルギーを全体の 22~
24%とする目標を立てている 1). ここでの再生可能エネル
ギーとは主に水力, 太陽光, バイオマス由来の電力が想定
されている. 電力需要は季節や時間帯で変化し, 夏の昼間
に最大需要となる傾向があり, 通常この最大需要に合わせ
て発電所が建設される. 一方で電力需要が少ない時間帯の
存在が発電所の設備利用率を低下させるので, 需要のピー
クを平準化するためのピークシフト 2)等の取組が進められ
てきた. ところが太陽光発電電力の大量導入によって, 実
質電力需要が昼間に減少し, 夕方に急増するダックカーブ
と呼ばれる現象が顕在化した 3). ここで実質電力需要とは,
全体の電力消費量から分散型の再生可能エネルギーの発電
量を差し引いたものの事である. このダックカーブ現象が
更に進むと, 昼間の実質電力需要の低下に対して応答速度
の速い水力・火力発電所等の停止で対応しようとしても追
いつかず, 電力需給の同時・同量が達成できなくなって電
力の送配電系統にトラブルを生じる恐れがある. 既に海外
では, 対価を払ってでも需要家に電力を消費して欲しいこ
とを意味する, 卸電力価格がマイナスの時間帯が出現して
いる. 従って, これからはポジワット・ネガワット等のデマ
ンドレスポンスだけでなく, 需要創出や発電抑制も重要と
なる. 実質電力需要がマイナスとなった場合には, ダイナ
ミックレジスターなどで需要創出する, または需要創出が
できない場合には再生可能エネルギーを発電抑制する必要
が出てくる. しかしこれらは本来不要な熱・仕事を発生さ
せる, または再生可能エネルギーの設備利用率低下につな
がるため, 経済効率性の観点から好ましくない.
このようなマイナスの実質電力需要に対して経済効率的
に需要創出する手段として, 蓄電池が注目されている. 特
に近年では, 分散型エネルギーリソースとしての蓄電池を
統合して活用するバッテリーアグリゲーションの実証が進
められており, その際の分散協調型システムとして仮想発
電所(Virtual Power Plant)が提案されている. 蓄電池は, バ
ックアップ用, ピークカット・ピークシフト, 太陽光発電余
剰対策など様々な用途で運用されているが, それぞれの運
用の中で活用されない充放電余力が存在している. 仮想発
電所でこの余力を集めて活用すれば, 夜間の需要創出や夕
方の実質電力需要急増対策として利用できる. 蓄電池には
鉛蓄電池, NAS 電池, レドックス・フロー電池, リチウムイ
オン蓄電池など様々なものがあるが, このようなサイクル
ユースの分散型蓄電リソースとしては特に定置用のリチウ
ムイオン蓄電池が有望である. 現在は費用対効果の問題で
定置用リチウムイオン蓄電池の利用拡大が進んでいないが,
2019 年から段階的に始まる家庭用太陽光発電の固定価格
買取制度終了, 売電価格および買電価格の変化, リチウム
イオン蓄電池価格の低下などにより, 将来的にはストレー
ジパリティに到達して蓄電池導入の経済的メリットが出る
ことが想定される 4). このような状況において定置用リチ
The penetration of renewable energy is advanced to implement low-carbon society. Especially the increase of the photovoltaic generation energy is remarkable. But as a result, the trend that net electricity demand is decreased in the daytime and is increased suddenly in the evening, which is called ‘Duck-Curve phenomenon’ become apparent, and the destabilization of the utility grid caused by the fluctuation of photovoltaic generation power output. To solve this problem, the virtual power plant is planned as one of the solutions, and the battery aggregation using the distributed and cooperated rechargeable batteries is considered as one of the technical elements. One of the strong candidate of rechargeable battery is lithium ion batteries. To maximize the profit of the battery aggregation, it is necessary to diagnose the degradation in real time and estimate the cost effectiveness of lithium ion batteries. We found the convenient technique of diagnosis which can be done under operation of lithium ion batteries and battery management systems. To contribute to optimum system operation of the distributed and cooperated rechargeable batteries, we propose a new cost effectiveness index of lithium ion batteries based on this technique.