過去問一覧第二種電気主任技術者2022年度 電力・管理再生可能エネルギーの発電電力量割合と系統導入課題
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再生可能エネルギーの発電電力量割合と系統導入課題

送電
第二種電気主任技術者 2022年度 電力・管理 問5

再生可能エネルギーに関して,次の問に答えよ。

(1) 総合エネルギー統計によれば,令和2年度(2020 2020 年度)の日本の総発電電力量は約1 1 兆kW⋅h \mathrm {kW\cdot h} である。このうち,再生可能エネルギーの発電電力量の占める割合は約何割であるか,有効数字一桁で答えよ。

(2) 温室効果ガスの排出削減のため,今後も再生可能エネルギーを最大限導入する必要がある。この場合において,太陽光発電及び風力発電の導入拡大を図っていくに当たって,電力系統に生じる技術的課題を電力需給,送配電設備容量及び安定度の三つの視点から,それぞれについて70 70 字程度で述べよ。

解説

問題のポイント

本問は、日本のエネルギー政策における再生可能エネルギー(以下、再エネ)の実績データと、太陽光・風力発電(変動性再エネ:VRE)の大量導入に伴って顕在化する電力系統の技術的課題を問う論説問題です。

  • (1) 電源構成比の把握: 2020年度(令和2年度)における再エネの発電電力量割合は約 20%20\%(水力約 8%8\%、太陽光・バイオマス・風力・地熱等の合計約 12%12\%)です。
  • (2) 系統連系の3大課題:
    1. 電力需給: 気象条件による出力急変・予測誤差と、それに対する系統調整力・同時同量の維持。
    2. 送配電設備容量: 適地(北海道・東北・九州など)の偏在に伴う送電線・連系線の熱容量制約(系統混雑)。
    3. 安定度: インバータ連系非同期電源の増加に伴う系統慣性力・同期化力の低下と事故時の耐性低下。

ステップ 1:(1) 再生可能エネルギーの発電電力量割合

資源エネルギー庁が公表する「総合エネルギー統計」によると、令和2年度(2020年度)の日本の総発電電力量および電源構成は以下のとおりです。

  • 日本の総発電電力量:約 11 兆 kW⋅h\mathrm{kW\cdot h}(正確には約 11 兆 88 億 kW⋅h\mathrm{kW\cdot h})
  • 再生可能エネルギー発電電力量(水力を含む):約 1,9801{,}980 億 kW⋅h\mathrm{kW\cdot h}

したがって、総発電電力量に占める再生可能エネルギーの割合は次式のように計算されます。

1,980 億 kW⋅h1 兆 kW⋅h≈0.198(19.8%)\frac{1{,}980\text{ 億 }\mathrm{kW\cdot h}}{1\text{ 兆 }\mathrm{kW\cdot h}} \approx 0.198 \quad (19.8\%)

設問では「有効数字一桁で約何割か」と指定されているため、四捨五入して 2割(約2割)となります。

※2012年に導入された固定価格買取制度(FIT制度)により、太陽光発電を中心に再エネ比率は急伸し、2011年度の約 10.4%10.4\% から2020年度には約 19.8%19.8\% と、ほぼ倍増しました。

ステップ 2:(2)① 電力需給の視点から生じる技術的課題

電力系統では、常に「発電量」と「電力需要」を一致させる同時同量の原則を維持しなければ周波数が変動してしまいます。

  • 課題の本質: 太陽光や風力は天候・日射・風況によって出力が大きく変動し、予測誤差も発生します。
  • 系統への影響: 変動を吸収するための火力発電や揚水発電などの「調整力(予備力)」が不足すると、系統周波数が維持できなくなります。また、軽負荷期(春・秋など)に再エネ出力が過剰となると、供給過剰による周波数上昇を防ぐための出力制御(抑制)が必要となります。
答案例(71字):
再生可能エネルギーの発電量は天候等により変動して制御が難しく、調整力が不足すると周波数維持をはじめとする需給バランスに問題が生じる。

ステップ 3:(2)② 送配電設備容量の視点から生じる技術的課題

送電線や変圧器などの送配電設備には、電線の温度上昇(過熱)を防ぐための許容電流、すなわち熱容量制約があります。

  • 課題の本質: 太陽光や風力の適地(北海道、東北、九州など)は電力の大需要地(大都市圏)から離れた地域に偏在しています。
  • 系統への影響: 需要が比較的小さいエリアに大量の電源が接続されると、既存の送電線や地域間連系線の容量を超過する「系統混雑」が発生し、送電線や変圧器の過負荷、あるいは新設電源の接続制限(送電制約)が生じます。
答案例(71字):
日射や風況の良い地域へ電源立地が偏在するため、需要地へ送る既存の送電線や連系線の設備容量が不足し、系統混雑や送電制約が生じる。

ステップ 4:(2)③ 安定度の視点から生じる技術的課題

従来の電力系統は、大型の火力・水力・原子力発電所などの同期発電機が持つ巨大な回転体の物理的慣性(系統慣性力)および各機が同期を保とうとする力(同期化力)によって、事故時にも周波数や電圧の急変が防がれていました。

  • 課題の本質: 太陽光発電や風力発電の多くは、インバータ(パワーコンディショナ)を介して連系される非同期電源です。
  • 系統への影響: 再エネの導入拡大により同期発電機の稼働台数が減ると、系統全体の慣性力・同期化力が低下します。これにより、落雷等の系統事故や他の電源が脱落した際、周波数の低下速度(df/dtdf/dt)が急峻になり、広域停電などの重大な系統不安定化を引き起こすリスクが高まります。
答案例(73字):
インバータ連系非同期電源の増加で火力等の同期電源が減ると、系統の慣性力や同期化力が低下し、事故時の周波数急変など安定度に問題が生じる。

結論

(1)

2割

(2)

①電力需給
再生可能エネルギーの発電量は天候等により変動して制御が難しく、調整力が不足すると周波数維持をはじめとする需給バランスに問題が生じる。(71字)
②送配電設備容量
日射や風況の良い地域へ電源立地が偏在するため、需要地へ送る既存の送電線や連系線の設備容量が不足し、系統混雑や送電制約が生じる。(71字)
③安定度
インバータ連系非同期電源の増加で火力等の同期電源が減ると、系統の慣性力や同期化力が低下し、事故時の周波数急変など安定度に問題が生じる。(73字)