一般的なハイブリッド発電所は、同じ場所で発電と蓄電池による蓄電を組み合わせます。
再生可能エネルギーは本質的に出力が断続的で、風が吹かず、太陽が照らない時間もあるため、こうした発電所の存在感が高まっています
風力タービンが回り、太陽光パネルに日が差しているときに、余剰電力を蓄電池に蓄え、後で放電できます。
2020年代にはこうした発電所が急増する可能性があります。米国ではすでに、開発計画の大半を太陽光発電とハイブリッド発電所が占めています。
ただし、コストや構成、電力市場への統合については、依然として課題が残ります。
米国の電力システムは、化石燃料から再生可能エネルギーへ移行するなかで、大きな変革期を迎えています。2000年代最初の10年間には天然ガス発電が大幅に拡大し、2010年代は風力と太陽光の दशकとなりました。初期の兆候からは、2020年代の新たな動きとして「ハイブリッド」発電所の急増が見込まれます。
一般的なハイブリッド発電所は、同じ場所で発電と蓄電池による蓄電を組み合わせます。多くの場合、太陽光または風力発電所に大規模な蓄電池を併設します。太陽光パネルと蓄電池を連携させれば、日中に太陽光発電の出力が最大になる時間帯に再生可能電力を生み出し、日没後には必要に応じて放電できます。
開発計画にある発電・蓄電プロジェクトを見ると、ハイブリッド発電の将来を垣間見ることができます。
ローレンス・バークレー国立研究所の私たちのチームは、驚くべきことに、提案中の発電・蓄電プロジェクトのうち1,400ギガワット分が系統への接続を申請しており、その合計は既存の米国の全発電所を上回ることを明らかにしました。現在、最大のグループは太陽光発電プロジェクトで、その3分の1超が太陽光発電と蓄電池を組み合わせたハイブリッド型です。
未来の発電所には多くの利点がある一方で、疑問も生じます。電力系統をどのように運用するのが最適なのかという点です。
ハイブリッド発電が注目される理由
風力と太陽光の拡大に伴い、電力系統への影響も大きくなり始めています。
カリフォルニア州では、太陽光発電がすでに年間発電量の25%を超え、テキサス州、フロリダ州、ジョージア州など他の州でも急速に普及しています。ダコタ州からテキサス州に至る「風力ベルト」の各州では、風力タービンの大規模な導入が進み、アイオワ州では現在、電力の過半を風力から得ています。
再生可能エネルギーの割合が高まると、ひとつの疑問が浮かびます。1日のうちに発電量が大きく変動する再生可能エネルギーを、どう統合すればよいのでしょうか。
そこで蓄電が役立ちます。リチウムイオン電池の価格は、近年、電気自動車市場向けの生産拡大に伴い、急速に下落しました。今後のサプライチェーン上の課題が懸念される一方で、電池の設計も進化していくと考えられます。
太陽光発電と蓄電池を組み合わせることで、ハイブリッド発電所の運営者は、需要が最も強い夏の午後や夕方など、価値の高い時間帯に電力を供給できます。エアコンがフル稼働する時間帯がその例です。蓄電池は風力・太陽光発電の出力を平準化し、出力抑制されるはずだった余剰電力を蓄え、系統の混雑を緩和する役割も果たします。
開発計画の大半を占めるハイブリッド発電
2020年末時点で、米国では太陽光ハイブリッド発電プロジェクト73件、風力ハイブリッド発電プロジェクト16件が稼働しており、発電容量は2.5ギガワット、蓄電容量は0.45ギガワットでした。
現在、開発計画の大半を太陽光発電とハイブリッド発電が占めています。2021年末までに、提案中の太陽光発電所675ギガワット分が系統接続の承認を申請し、その3分の1超に蓄電池が併設されていました。さらに、風力発電所247ギガワット分が接続待ちで、そのうち19ギガワット分、約8%がハイブリッド型でした。
もちろん、系統接続の申請は発電所開発の一段階にすぎません。開発事業者には、用地の確保や地域社会との合意、電力販売契約、資金調達、許認可も必要です。2010年から2016年に提案された新規発電所のうち、商業運転に至ったのは約4分の1にとどまりました。それでも、ハイブリッド発電所への関心の高さは、力強い成長を予感させます。
カリフォルニア州のような市場では、新たに太陽光発電所を開発する事業者にとって、蓄電池は事実上必須です。日中の市場では太陽光発電が電力の過半を占めることが多いため、発電設備をさらに増やしても価値はほとんど高まりません。現在、カリフォルニア州で系統接続待ちとなっている大規模太陽光発電の提案容量は、95%に蓄電池が併設されています。
ハイブリッド発電から得られる5つの知見と今後の課題
再生可能エネルギーを用いたハイブリッド発電の成長機会は明らかに大きい一方で、いくつかの疑問も生じています。バークレー研究所の私たちの研究グループは、これらの疑問を調査してきました。
主な調査結果をいくつか紹介します。
多くの地域で投資効果が得られます。私たちの調査では、太陽光発電所に蓄電池を追加すると価格は上がるものの、電力の価値も高まることが分かりました。発電設備と蓄電設備を同じ場所に設置することで、税額控除、建設費の節約、運用の柔軟性による利点を得られます。近年の収益の可能性を踏まえ、連邦政府の税額控除も活用すれば、価格上昇を上回る価値が得られるとみられます。
同じ場所への設置にはトレードオフも伴います。風力発電と太陽光発電は、それぞれ風力資源と太陽光資源が最も豊かな場所で最も高い性能を発揮します。一方、蓄電池は、系統の混雑緩和など、系統に最大の利点をもたらせる場所で最も大きな価値を生みます。そのため、最も価値の高い最適な設置場所を決める際には、トレードオフが生じます。蓄電池を太陽光発電所に併設した場合に限って得られる連邦政府の税額控除が、場合によっては最適でない判断を促している可能性もあります。
唯一の最適な組み合わせはありません。ハイブリッド発電所の価値は、設備構成によっても左右されます。例えば、太陽光発電設備に対する蓄電池の容量によって、発電所が夕方の何時まで電力を供給できるかが決まる場合があります。しかし、夜間電力の価値は地域の市場環境に左右され、それは年間を通じて変化します。
電力市場のルールは進化する必要があります。ハイブリッド発電所は、単一の事業体として電力市場に参加することも、太陽光発電と蓄電設備が独立して入札する別々の事業体として参加することもできます。また、電力の売り手にも買い手にも、あるいはその両方にもなり得ます。仕組みは複雑になりかねません。ハイブリッド発電所の市場参加ルールは今も整備途上にあり、発電所の運営者はサービスの販売方法を模索しています。
小規模なハイブリッド発電所が新たな機会を生みます。ハイブリッド発電所は、住宅や事業所に太陽光発電と蓄電池を備える小規模なものにもできます。こうしたハイブリッド型は、ハワイ州では標準的になっています。太陽光発電が系統に浸透しているためです。カリフォルニア州では、山火事防止のための計画停電の対象となる顧客が、太陽光発電システムに蓄電設備を追加するケースが増えています。こうした「メーターの背後」に設置されたハイブリッド型については、どのように価値を評価し、系統運用にどう貢献できるのかという疑問が生じています。
ハイブリッド発電は始まったばかりですが、今後さらに普及していきます。電力系統と電力料金の仕組みがハイブリッド発電とともに進化するよう、技術、市場設計、規制に関するさらなる研究が必要です。
課題は残るものの、ハイブリッド発電が発電所のあり方を再定義しつつあることは明らかです。その過程で、米国の電力システムを一新する可能性もあります。
