負荷追従発電所

負荷追従型発電所は、中程度のメリットまたは価格の電気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、電気料金、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とピーク発電所

ベースロード発電所は、最大出力で運転する傾向がある、ディスパッチ可能な発電所です。通常、メンテナンスや修理、あるいは系統の制約がある場合にのみ、停止または出力が低下します。[ 2 ]主にこの方法で運転される発電所には、石炭火力発電所、重油発電所、原子力発電所、地熱発電所、流れ込み式水力発電所、太陽光発電所、バイオマス発電所、天然ガス複合サイクル 発電所などがあります。

ピーク対応発電所は、需要がピークを迎える時間帯のみ稼働します。エアコンが普及している国では、需要は午後半ば頃にピークを迎えるため、典型的なピーク対応発電所は、このピークの2時間前に稼働を開始し、2時間後に停止します。ピーク対応発電所の稼働時間は、年間で1日の大半から数十時間程度まで様々です。

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、重油、または軽油を燃料として使用できるため、運転方法の選択において柔軟性が高まります。例えば、ほとんどのガスタービン発電所は主に天然ガスを燃料としていますが、ガス供給が途絶えた場合に備え、重油や軽油を備蓄しておく場合もあります。一方、単一の燃料しか燃料としないガスタービンもあります。

負荷追従型発電所

対照的に、負荷追従型発電所は通常、日中と夕方の早い時間帯に稼働し、電力供給の需要変動に直接対応して運転されます。電力需要が最も低い夜間と早朝には、停止するか、出力を大幅に抑制します。具体的な稼働時間は様々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素の一つは、燃料をいかに効率的に電力に変換できるかです。最も効率的な発電所、つまり発電量1キロワット時あたりの運転コストが最も低い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を開始するなど、その流れが続きます。その地域の電力網の状況、特にベースロード発電能力と需要の変動も非常に重要です。運用上の変動性に影響を与えるもう1つの要因は、需要が昼夜でのみ変動するわけではないことです。季節や曜日によっても需要が大きく変動します。需要変動の大きい地域では、ベースロード発電所は需要が最も低い時間帯に必要な容量しか供給できないため、負荷追従型またはピーク対応型の発電所の容量が大きく必要になります。

負荷追従型発電所には、水力発電所、ディーゼル・ガスエンジン発電所、ガスタービン複合サイクル発電所、天然ガスまたは重油を燃料とする蒸気タービン発電所などがあります。ただし、重油発電所はエネルギーミックスのごく一部を占めるに過ぎません。天然ガスを燃料とする比較的効率的なガスタービンも、負荷追従型発電所として適しています。

ガスタービン発電所

ガスタービン発電所は、出力調整の柔軟性が最も高いものの、運転コストも最も高い部類に入ります。そのため、一般的には、電力需要が最大となる時間帯の「ピーキング」設備として、あるいはタービンの排熱を経済的に利用してプロセス暖房や空間暖房用の電力や熱エネルギーを生成できるコンバインドサイクル発電所やコー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

ディーゼルエンジンおよびガスエンジン発電所は、高い総合的な柔軟性により、ベースロードからスタンバイ電源まで幅広く利用できます。これらの発電所は、電力系統の需要に応じて迅速に起動できます。また、これらのエンジンは多様な燃料で効率的に運転できるため、柔軟性も向上します。

アプリケーションとしては、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

水力発電所は、ベースロード、負荷追従、ピーク対応のいずれの形態でも運転可能です。数分以内、場合によっては数秒で起動可能です。発電所の稼働状況は水供給に大きく依存します。多くの発電所は、ほぼフル稼働で継続的に運転できるだけの水量を確保できていないためです。

水力発電ダムや関連する貯水池がある場合、多くの場合、貯水池をバックアップして、ピーク時に水力発電量を確保することができます。これは生態系と機械的な負担となるため、現在では以前ほど行われていません。水力発電に利用される湖や人工貯水池は様々な大きさがあり、1日分の水量（日周ピーク変動）から、季節によるピーク変動を考慮した年間分の水量まで、様々な規模があります。

年間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。例えば、乾季にはピーク供給発電所として、雨季にはベースロード発電所として、そして季節の変わり目には負荷追従発電所として運転することができます。貯水池容量が大きい発電所は、雨季と乾季に関係なく、暖房や冷房のピーク時に最大出力で運転するなど、運転スタイルを変えることができます。

送電網に供給する電力発電と電力網の消費または負荷が均衡しているとき、交流電流の周波数は通常のレート（50 または 60 ヘルツ）になります。水力発電所は、不安定な送電網周波数の電力網において、追加収入を得るために利用できます。送電網周波数が通常より高い場合、例えばインドの送電網周波数は月/日のほとんどの期間で定格の 50 Hz を超えています[ 3 ]。利用可能な余剰電力は、農業用水ポンプなどの追加負荷を送電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、送電網周波数が通常より低下した場合は、その価格での継続供給が保証されない可能性があり、そうなるとより高い価格が必要になります。

周波数が通常より低下するのを防ぐため、利用可能な水力発電所は無負荷／公称負​​荷運転に維持され、負荷は系統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50Hzを超える場合は水力発電所は無負荷で運転し、系統周波数が50Hzを下回る場合は最大負荷まで発電します。このように、電力会社は水力発電所への負荷を運転時間の50%未満に抑えることで、系統から2倍以上の電力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倍以上に向上します。[ 4 ]

BPAの日次ピーク負荷は、大規模な水力発電、ベースロード火力発電、そして断続的な風力発電によって構成されています。水力発電は負荷追従型でピークに対応し、ベースロード火力発電もある程度対応しています。[5]

ボンネビル電力局における大規模水力発電、ベースロード火力発電、間欠的な風力発電による日次ピーク負荷の例。水力発電は負荷追従型でピーク負荷を管理し、ベースロード火力発電も一部対応している。ボンネビル電力局はほとんどの場合エネルギーの純輸出国であるため、総発電量は常にボンネビル電力局（BPA）の総負荷よりも大きいことに注意する必要がある。BPAの負荷には、他の需給調整区域への計画電力は含まれない。[ 6 ]

石炭火力発電所

大規模石炭火力発電所は、程度の差はあれ、負荷追従型／変動負荷型発電所としても活用できます。一般的に、無煙炭を燃料とする発電所は、褐炭を燃料とする発電所よりもはるかに柔軟性に優れています。負荷追従型に最適化された石炭火力発電所には、以下のような特徴が見られます。

  • 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は発電を行うことができます。
  • 過負荷能力:発電所は通常、年間5%の期間、銘板定格より5～7%高い出力で稼働するように設計されている。
  • 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交代制運転：これらの発電所は、必要なウォームアップおよびホットアップ起動を短時間で完了できるように設計されており、フル負荷運転に達するまでにかかる時間が短縮されます。したがって、これらの発電所は厳密にはベースロード発電設備ではありません。
  • 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。

原子力発電所

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、設計を簡素化するために負荷追従能力は備えていませんでした。最大出力で運転するように設計されていたため、起動や停止に多くの時間を要し、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りました。[ 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批判されてきました。また、「原子力発電所が電力網を圧迫する可能性がある」と主張する人々もいました。[ 7 ]

軽水炉を備えた現代の原子力発電所は、毎分5%の勾配で30～100%の範囲で最大140MW/分の出力制御能力を持つように設計されている。[ 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る。一部のユニットは、1日に1回または2回の大きな出力変動を伴う可変負荷プログラムに従っている。一部の設計では、定格出力付近での急激な出力変動が可能であり、これは周波数調整に利用できる。[ 8 ] より効率的な解決策は、一次回路を最大出力に維持し、余剰電力をコジェネレーションに使用することである。[ 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既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に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、負荷追従モードは経済的になった。

沸騰水型原子炉

沸騰水型原子炉（BWR）は、再循環水の流量を変化させることで、出力を定格出力の60%（最大10%/分）まで迅速に低下させることができるため、夜間の負荷追従運転に適しています。また、制御棒操作によってさらに出力を下げることもできます。一部のBWR設計では再循環ポンプが備えられておらず、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ないため、理想的とは言えません。 [ 12 ]イリノイ州シカゴなど、地元の電力会社の原子炉の半分がBWRである市場では、負荷追従運転が一般的です（ただし、経済的には不利になる可能性があります）。

加圧水型原子炉

加圧水型原子炉（PWR）は、減速材／冷却材中の化学シム（通常はホウ素）、制御棒操作、およびタービン速度制御（原子炉技術を参照）を組み合わせて出力レベルを調整します。負荷追従運転を明確に考慮して設計されていないPWRでは、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運転に対応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能力を備えて設計されてきました。[ 12 ]

特にフランスは、PWRにおいて積極的負荷追従制御を長年活用してきた歴史があり、負荷追従制御に加えて、一次周波数制御と二次周波数制御の両方が可能なため、これらの制御に利用されています。フランスのPWRでは、化学シム制御や従来の制御棒よりも迅速に出力を操作できるように、「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用いられる、いわゆる「グレー」制御棒が使用されています。[ 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動させる能力、負荷追従運転中に毎分2～5%の出力増減を行う能力、および±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原子炉では5%以上）の一次および二次周波数制御に参加する能力を有する。具体的な設計および運転モードによっては、燃料サイクルの非常に後期段階において、低出力運転または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る。[ 12 ]

加圧重水炉

現代のCANDU型原子炉は、広範な蒸気バイパス機能を備えており、原子炉出力の変化を必ずしも伴わない負荷追従運転を可能にしている。ブルース原子力発電所は、CANDU型加圧重水炉であり、タービン運転中に蒸気を部分的に復水器へバイパスする機能を定期的に活用し、ユニットあたり300MW（8ユニット合計で2400MW）の柔軟な（負荷追従）運転能力を提供している。蒸気バイパス運転中も原子炉出力は一定レベルに維持されるため、キセノン中毒や原子炉出力操作に伴うその他の懸念事項は完全に回避される。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

太陽熱発電所

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なる可能性がある。[ 16 ] [ 17 ]これらの発電所は、負荷需要に対応し、抽出された太陽エネルギーが1日で余剰となった場合には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、日々の負荷変動に対応でき、[ 19 ] [ 20 ]日没後も電力を供給する可能性がある。[ 21 ]

燃料電池発電所

水素燃料電池発電所は、非常用DGセットや蓄電池システムと同様に、負荷追従性に優れた完璧な発電所です。ゼロ負荷からフル負荷まで、わずか数分で運転可能です。遠方の産業需要家への水素輸送にはコストがかかるため、様々な化学工場から副産物として発生する余剰水素を燃料電池発電所の発電に利用しています。[ 22 ]また、大気汚染や水質汚染を引き起こしません。PM2.5粒子状物質を除去することで大気を浄化し、飲料水や工業用途向けの純水も生成します。

太陽光発電所と風力発電所

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、様々な貯蔵手段を活用することで、負荷追従や系統周波数の安定化に活用できます。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性エネルギー源への移行を進めている国々では、需要側管理などのスマートグリッド対策が未だ十分に導入されておらず、供給変動に迅速に対応できていないため、少なくともピーク抑制や負荷シフトのメカニズムが供給に見合うほど広く導入されるまでは、専用のピーク対応型または負荷追従型の発電所と系統連系線の利用が必要になる可能性があります。 スマートグリッドの代替案については、以下をご覧ください。

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ドルでした。[ 23 ]グリッド周波数が所望値または定格値を下回る場合、発電電力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、発電電力が供給されるか、余剰グリッド電力が安価に入手できる場合はそれがバッテリーユニットに供給され、エネルギー貯蔵用に使用されます。グリッド周波数は、発生する負荷の種類と電力網内の発電所の種類に応じて、1日に50～100回定格値の上下に変動し続けます。[ 24 ]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。[ 25 ] [ 26 ]

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国の電力システム[ 27 ]とカリフォルニアの大規模電力システム[ 28 ]の両方において、太陽光発電所が負荷追従機能と迅速な予備力を提供できることが示されています。

太陽光と風力発電を集約したスマートグリッド

太陽光発電と風力発電は分散型で間欠的な性質を持つため、広大な地域にまたがる信号ネットワークの構築が不可欠です。これらのネットワークには、裁量的に利用する大規模消費者が含まれ、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浸透している場合、「エネルギーインターネット」という用語が使われることもありますが、これは一般的にはモノのインターネット（IoT ）の一側面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（FERC）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、専用の負荷追従型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、負荷追従型発電所は本質的に非効率であると述べました。彼はScientific American誌で、スマートグリッドシグナリングの対策をいくつか挙げています。

  • 「指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ばかりでした。ウェリングホフ氏は（同書）、次のように述べています。「デラウェア州では、これらの電気自動車は現在、1台あたり1日7ドルから10ドルの収入を得ています。充電時に電力網の調整サービスを制御するだけで、年間3,000ドル以上の収入を得ているのです。」

分散負荷追従または蓄電としての電気自動車用バッテリー

専用蓄電池のコストが非常に高いため、電気自動車用バッテリーを車両内で充電しながら使用する（スマートグリッド参照）だけでなく、道路走行に必要な電力を蓄えられなくなった後には、定置型グリッド蓄電アレイで再利用することが、専用発電所よりも負荷追従型の電力供給方法として好まれるようになりました。このような定置型アレイは真の負荷追従型発電所として機能し、その導入により「このような車両の購入コストを削減できる…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%が残っているため、他の用途への活用も検討できる。」[ 29 ]

このようなバッテリーは、主にバックアップとして使用される家庭用蓄電池に再利用されることが多く、系統安定化に容易に貢献できます。このようなバッテリーが何もせずに放置されるケースは急増しており、例えばオーストラリアでは、大規模停電後にテスラ・パワーウォールの需要が30倍に増加しました。[ 30 ]

家庭用バッテリーと自動車用バッテリーは、供給が利用可能であれば常に、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、関東の自動車の半分で 7 GW 以上）は、アナロググリッドでは単純に管理できないためです。「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えると、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のに増分コストは発生せず、単に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の消耗による不便さに対する支払い（デラウェア州では「1台あたり1日7ドルから10ドル」が支払われる）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[ 31 ]、「ISO / RTO」向けのものとして「エネルギー貯蔵は卸売電力市場に参入できる」、または次のような公共サービスを挙げています。

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（上記の石炭とガスを参照）で提供している技術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、また、「顧客のメーターの後ろ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適正化サービスを提供するために派遣できる」とも主張している。

  • 送電・配電設備のアップグレード延期。負荷予測により送電・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により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額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。特定の時間帯において、ISOは電力会社に対し、混雑した送電線の使用料を課します。混雑した送電線の下流に設置されたエネルギー貯蔵システムを放電することで、こうした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。」

参照

参考文献

  1. ^マスターズ、ギルバート・M.（2005年1月3日）『再生可能で効率的な電力システム』p.140. ISBN 9780471668831。
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  3. ^ 「2015年3月の業務実績報告書、13ページ、NLDC」(PDF)。2015年5月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年4月25日閲覧。
  4. ^ 「インドCEAの水力発電所の負荷受入れ基準」（PDF）。2015年9月23日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2014年8月25日閲覧。
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  9. ^ロカテッリ, ジョルジオ; ボアリン, サラ; ペレグリノ, フランチェスコ; リコッティ, マルコ E. (2015年2月1日). 「小型モジュール原子炉（SMR）の負荷追従：リアルオプション分析」(PDF) .エネルギー. 80 : 41–54 . doi : 10.1016/j.energy.2014.11.040 . hdl : 11311/881391 .
  10. ^ロカテッリ, ジョルジオ; ボアリン, サラ; ペレグリノ, フランチェスコ; リコッティ, マルコ E. (2015年2月1日). 「小型モジュール原子炉（SMR）の負荷追従：リアルオプション分析」(PDF) .エネルギー. 80 : 41–54 . doi : 10.1016/j.energy.2014.11.040 . hdl : 11311/881391 .
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