地球環境関西フォーラム 地球環境関西フォーラム 定置型蓄電システムの 定置型蓄電システムの最新市場動向 システムの最新市場動向と 最新市場動向と 普及への 普及への課題 への課題 2014.3.20 （一社）日本電機工業会(JEMA) 蓄電システム技術専門委員会 副委員長 株式会社日立製作所 インフラシステム社 豊田 昌司 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 目次 １．はじめに ２．スマートグリッドにおける蓄電システムの役割 ３．蓄電システムの導入目的、市場動向 ４．用途別の蓄電システムおよび蓄電池の要件 ５．蓄電システムコンポーネントと開発動向 ６．蓄電システム普及にあたっての留意事項と 蓄電池への要望 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 1 1. はじめに 1-1 1-2 1-3 1-4 日本電機工業会の 日本電機工業会の蓄電システムに 蓄電システムに対 システムに対する取組 する取組み 取組み 日立蓄電事業を 日立蓄電事業を支える基盤技術 える基盤技術 日立の 日立の蓄電システムについて 蓄電システムについて 日立の大規模蓄電システムの導入事例 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 1-1 日本電機工業会の蓄電システムに対する取組み ● 一般社団法人日本電機 一般社団法人日本電機工業会体制 電機工業会体制( 工業会体制(蓄電システム 蓄電システム関係 システム関係) 関係) 産業システム・ 産業システム・機器政策委員会 システム・機器政策委員会 重電政策委員会 重電政策委員会 産業システム・ 産業システム・機器業務委員会 システム・機器業務委員会 重電・ 重電・産業技術委員会 蓄電システム 蓄電システム業務専門委員会 システム業務専門委員会 ①回収スキームの 回収スキームの検討 スキームの検討 再資源化・ 適正処理の ②再資源化 ・適正処理 の検討 蓄電システム 蓄電システム技術専門委員会 システム技術専門委員会 ①標準化・ 標準化・規格の 規格の策定 ②技術事項の 技術事項の検討 蓄電システム 蓄電システムEMC システムEMC検討 EMC検討WG 検討WG 蓄電システム 蓄電システム性能検討 システム性能検討WG 性能検討WG © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 3 1-2 日立蓄電事業を支える基盤技術 弊社は 弊社は、①研究部門の 研究部門の｢先端材料技術力｣ 先端材料技術力｣(材料) 材料) ②産業向他の 産業向他の｢モノづくり力 モノづくり力｣(蓄電池,PCS 蓄電池,PCS等生産 ,PCS等生産) 等生産) ③日立グループ 日立グループ連携 グループ連携の 連携の｢つかいこなし力 つかいこなし力｣(システム) システム) 材料からシステムまでの 材料からシステムまでの一貫 からシステムまでの一貫した 一貫した品質保証体制 した品質保証体制を 品質保証体制を構築しています 構築しています。 しています。 長寿命電極材料 分散塗布・ 分散塗布・電極生産 日立グループ 日立グループ材料製品 グループ材料製品 蓄電池量産ライン 蓄電池量産ライン 制御システム 制御システム技術 システム技術と 技術と電池応用製品 ｢先端材料技術力｣ 先端材料技術力｣ ｢モノづくり力 モノづくり力｣ ｢つかいこなし力 つかいこなし力｣ 日立製作所、 日立製作所、日立化成、 日立化成、日立金属 新神戸電機、 新神戸電機、日立ﾏｸｾﾙ 日立ﾏｸｾﾙ、 ﾏｸｾﾙ、日立ﾋﾞｰｸﾙｴﾅｼﾞｰ 日立ﾋﾞｰｸﾙｴﾅｼﾞｰ 日立製作所、 日立製作所、日立建機等 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 4 1-3 日立の蓄電システムについて 弊社は、目的、設置場所、系統連系要件、設備寿命などを勘案し、 蓄電池（種類、容量）、制御装置を含めた最適なシステムを提供します。 設置場所 目的 揚水発電 電力系統 発電併設 蓄電池 系統設置 蓄電池 発電設備 系統連系条件充足 新ｴﾈ出力変動抑制制御 併設 蓄電設備最小化設計 系統設備 周波数調整能力 余剰電力対策 需要家 需要家設置 蓄電池 1 2 3 4 5 6 研究テーマ Li電池システムI/F標準化他 蓄電池集配信システム開発 ガバナフリー機能付蓄電池 複合電力貯蔵対応BEMSとCEMS連携 EV充電インフラEMSとのCEMS連携 大規模蓄電システム開発 充放電計画最適化 最適配置・容量最適化 ＰＶ出力抑制回避 系統貢献型PCS制御 契約電力超過防止 発電ﾋﾟｰｸｼﾌﾄ対応制御 日立の 日立の蓄電池レパートリ 蓄電池レパートリ 国プロ「 プロ「蓄電複合システム 蓄電複合システム化技術開発 システム化技術開発」 化技術開発」 他へ参画 No 検討ポイント ＬＬ形鉛蓄電池 ＬＬ形鉛蓄電池 ①大容量 ②長寿命 リチウムイオン電池 リチウムイオン電池 リチウムイオン キャパシタ ①大出力 ②省スペース ①瞬時大出力 ②長寿命 製造会社： 製造会社：新神戸電機、 新神戸電機、日立マクセル 日立マクセル、 マクセル、日立ビークルエナジー 日立ビークルエナジー © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 5 1-4 日立の大規模蓄電システムの導入事例 ■ 不安定な 不安定な再生可能エネルギーの 再生可能エネルギーの系統安定化用途 エネルギーの系統安定化用途が 系統安定化用途が主 高度な 高度な最適制御を 最適制御を適用した 適用した安定性 した安定性の 安定性の高い大規模システムを 大規模システムを構築 システムを構築 用途に 用途に応じた最適 じた最適ソリューション 最適ソリューション、 ソリューション、ハイブリッドシステム ＬＬ形鉛蓄電池 ＬＬ形鉛蓄電池 ①大容量 ②長寿命(17 長寿命(17年 (17年） 市浦風力発電所における 市浦風力発電所における LL形鉛蓄電池導入事例 LL形鉛蓄電池導入事例 MWhクラス MWhクラス大規模蓄電池 クラス大規模蓄電池システムの 大規模蓄電池システムの実績 システムの実績 所在地/納入先 時期 青森県/竜飛ウィンドパーク 2001 沖縄県/与那国風力発電ハイブリッドシステム 2002 神奈川県/某研究所負荷平準化システム 2006 沖縄県/多良間風力発電ハイブリッドシステム 2007 青森県/市浦(しうら)風力発電所 2009 山形県/遊佐(ゆざ)風力発電所 2010 北海道/風太(ふうた)風力発電所 2011 米国/ニューメキシコ州における日米 スマートグリッド実証（ＮＥＤＯ） 茨城県/大みか地区 スマートな次世代ファクトリープロジェクト 機能 変動抑制 変動抑制 ピークカット、BCP 変動抑制 変動抑制 変動抑制 変動抑制 2012 変動抑制、ピークカット 容量 1.3 0.8 4.3 0.6 10.4 10.4 3.5 MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh リチウムイオン電池 リチウムイオン電池 ①大出力 ②省スペース リチウムイオン キャパシタ ①瞬時大出力 ②長寿命 大規模システム 大規模システム（ システム（1～20MWh） 20MWh）の実績、 実績、 高度な 高度な最適制御を 最適制御を強みに事業拡大 みに事業拡大 拡大する 拡大する市場 する市場ニーズ 市場ニーズ 負荷平準化（ 負荷平準化（ピークカット、 ピークカット、ピークシフト） ピークシフト） 自然エネルギー エネルギー出力変動緩和 自然 エネルギー 出力変動緩和 バックアップ電源 バックアップ電源 2.3 MWh ＢＣＰ ： Business Continuity Plan（ Plan（事業継続計画） 事業継続計画） 2012 ピークシフト,ＢＣＰ 変動抑制 4.2 MWh © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 6 2. スマートグリッドにおける蓄電システムの役割 2-1 2-2 2-3 2-4 スマートグリッドの導入背景 スマートグリッドの導入背景 スマートグリッドにおけるEMS スマートグリッドにおけるEMS相関図 EMS相関図 日立の 日立の蓄電システムについて 蓄電システムについて 電力系統における 電力系統における周波数 における周波数の 周波数の問題 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 2-1 スマートグリッドの導入背景 太陽光・風力発電などの分散型電源の普及 電力系統は、 受動的な系統 → 能動的な系統に変化：EMSの必要性 電力流通設備の老朽化、電源不足など →欧米の大規模広域停電 エネルギー需要の増大（特に新興国） →化石燃料枯渇問題 化石燃料によるCO2排出 →地球温暖化問題 太陽光、EVなど分散電源の大量普及 →配電系統能動化による不安定化 供給側と需要側の双方向化で対策 エネルギー利用効率向上 EMS:ｴﾈﾙｷﾞｰ・ﾏﾈｰｼﾞﾒﾝﾄ・ｼｽﾃﾑ 再生可能エネルギー導入増大 →電力供給信頼度向上 エネルギー利用効率の向上 →デマンドレスポンスの実用化 各種EMSによる対応 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 2-2 スマートグリッドにおけるEMS相関図 スマートグリッドでは各 スマートグリッドでは各レイヤーのエネルギーマネージメントシステムが 連携して 連携して動 して動く必要がある 必要がある。 がある。そのためには、 そのためには、 →制度設計、 制度設計、規格の 規格の整備、 整備、インフラの整備 インフラの整備が 整備が必要 ＤＭＳ ＣＥＭＳ EMS DＲ Ｄ-ＥＭＳ ＤＳＭ © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 9 2-3 再生可能エネルギー増大時の問題と対応策 太陽光・風力発電 導入率 対応策 ・発電抑制 ・蓄電システム 蓄電システム設置 システム設置 【予備力増強】 予備力増強】 ・揚水発電、 揚水発電、火力発電の 火力発電の増強 ・電力系統間の 電力系統間の電力融通 ・蓄電システム 蓄電システム設置 システム設置 【その他 その他】 ・デマンドレスポンス ・再生ｴﾈ 再生ｴﾈ変動量 ｴﾈ変動量の 変動量の制約 余剰電力発生 余剰電力発生 （発電抑制） 調整力の 調整力の不足（注） （周波数変動） 注：電圧上昇の問題は無効電力 調整で解決可能 時間 現状 北海道 （本土） ハワイなど 島嶼地域 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 2-4 電力系統における周波数の問題 【出典】 出典】第５回電気事業分科会資料：「 回電気事業分科会資料：「電力系統 ：「電力系統の 電力系統の基本要件とわが 基本要件とわが国 とわが国の電力系統の 電力系統の特徴について 特徴について」 について」 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 3. 蓄電システムの導入目的、市場動向 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 定置型蓄電システム 定置型蓄電システム市場 システム市場 蓄電システムの 蓄電システムの導入目的 システムの導入目的と 導入目的と普及の 普及の見通し 見通し 定置型蓄電システム 定置型蓄電システム市場 システム市場の 市場の分類 再生可能エネルギー 再生可能エネルギー分野 エネルギー分野における 分野における蓄電 における蓄電システム 蓄電システム普及 システム普及 電力系統制御における 電力系統制御における蓄電 における蓄電システムの 蓄電システムの役割 システムの役割 統安定化市場における 統安定化市場における蓄電 における蓄電システムの 蓄電システムの適用 システムの適用 鉄道事業向け 鉄道事業向け蓄電システムの 蓄電システムの事例 システムの事例 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 3-1 定置型蓄電システム市場 家庭用から電力用までの幅広い市場で普及が期待されている ただし、現時点で経済的に成り立つ分野は極わずか。 Virtual Power Plant DSM（ （ 蓄電SCADA等 等） 蓄電 情報 制御 蓄電 ｼｽﾃﾑ HEMS V2H V2G BEMS FEMS 産業 公共 電力中給 CEMS ﾏｲｸﾛ ｸﾞﾘｯﾄﾞ 太陽光・ 太陽光・ 風力併設 系統設置 ｱﾝｼﾗﾘｻｰﾋﾞｽ 電力流通 Utiltiy side Customer side 電池容量 [Wh] 1k 1 0 0k DSM: DemandDemand-Side Management SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition V2H: Vehicle to Home, V2G: Vehicle to Grid FEMS: Factory Energy. Management System CEMS: Community Energy Management. System 1M 10M 1 0 0M © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 3-2 蓄電システムの導入目的と普及の見通し 蓄電システムの導入目的と普及の見通し ・電力系統安定化用途(周波数安定化)の調整力としての普及が先行 ・電池価格の大幅な低下により、 将来負荷平準化用途の普及が進む 表１．蓄電システム導入目的と普及の見通し 負荷平準化 目的 ピークカット/ ピークシフト) ピークシフト) (ピークカット/ 電力系統安定化 （調整力） 調整力） 非常用（ 非常用（ＢＣＰ） 導入動機 経済性 再生エネルギー 再生エネルギー導入量 エネルギー導入量 増大対策 公共性 実害発生時の被害の大きさ 放電時間 数時間～1日 数秒～1時間程度 数時間～数日(再生エネ併設) 適用先 風力、太陽光 事業所（公共・産業） ＮＡＳ、鉛、 レドックスフロー システム価格低減 普及ため 長寿命化（サイクル寿命） の課題 充放電効率の改善 適用電池 普及の 見通し ×→△ 大規模風力・太陽光発電所 公共施設 離島等（マイクログリッド） 商業施設 変電所、配電設置 家庭(小容量) 鉛、ＮＡＳ*1、 リチウムイオン、鉛 レドックスフロー 調整力の料金アップ システム価格低減 長寿命化(短周期脈動) 小型化(省スペース)・軽量化 システム価格低減 △→○ △ （ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池価格： 60¥/Wh以下が目安） *1：NAS電池は待機時にヒータ損失が発生するので非常用のみの用途のでは不向き （電池価格：20¥/Wh以下が目安） (非常用発電など代替手段あり) © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 14 3-3 定置型蓄電システム市場の分類 Layer.1 Layer.2 Layer.3 <Ｌ <Ｌ１>：大規模 <Ｌ２>：中規模 <Ｌ <Ｌ３>：小規模 電力系統の 電力系統の安定化や 安定化や平準化向け 平準化向け市場 産業・ 産業・公共インフラ 公共インフラ市場 インフラ市場 ＨＥＭＳ・ ＨＥＭＳ・ＢＥＭＳ市場 ＢＥＭＳ市場（ 配電低圧系統向け 市場（配電低圧系統向 低圧系統向け等） 鉛(LL)電池 電池カバー 電池カバー領域 カバー領域 実ビジネスに近 ビジネスに近い 100M NaS電池 電池カバー 電池カバー領域 カバー領域 電池価格の 電池価格の 低下が 低下が必須 ＬｉＢ 設 備 容 量 (W) 風力･ 風力･PV 変動補償 <Ｌ１> 10M 1M 100k 瞬 低 補 償 装 置 <Ｌ１> 風力・ 風力・PV ピークシフト 電力系統 電力系統 安定化 産業・ 産業・公共 PV,DEG 複合設備 複合設備 UPS 低価格化 大容量化 <Ｌ２> 10k HEMS,BEMS,EV ＬｉＢ カバー領域 カバー領域 <Ｌ３> 1min 10min 1h 10h 1day (時間 時間) 時間 HEMS:Home emenergy management system 電池システムの 電池システムの市場 システムの市場(2次電池 市場 次電池) 次電池 BEMS:Building emenergy management system © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. EV:Electric Vehicle, PV：Photovoltaics, DEG: Diesel Engine Generator 15 3-4 電力系統制御における蓄電システムの役割 再生可能エネルギーの 再生可能エネルギーの利用拡大 エネルギーの利用拡大 再生可能 ｴﾈﾙｷﾞｰ 短周期変動の増加 出力変動 余剰電力量の増大 風力 太陽光 蓄電池を利用した電力安定化が有力な解決策である 変動抑制蓄電システム 変動抑制蓄電システム リチウイオン蓄電池 リチウイオン蓄電池 大規模蓄電システム 大規模蓄電システム リチウムイオン 蓄電池/ 蓄電池/キャパシタ 変圧器 基幹系統 (周波数安定化) 周波数安定化) 変電所 遮断器 送電線 鉛蓄電池 （出力変動抑制／ 出力変動抑制／電力貯蔵） 電力貯蔵） 一般家庭 オフィス 工場 需要家 火力発電所 水力・ 水力・揚水発電所 原子力発電所 中央給電指令所 大規模集中電源 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 16 3-5 再生可能エネルギー分野における蓄電システム普及 ドライブフォース：太陽光、風力の大量 大量導入 大量 誰が 要求 発電事業者 （太陽光・ 太陽光・風力） 風力） 系統運用者 電力系統の安定運用 発電収入アップ （必然） 蓄電 ﾋﾞｼﾞﾈｽ ＜電力変動抑制＞ ・アンシラリーサービス ・Grid codeに codeによる接続制約 よる接続制約 による対策 電池価格低下 市場性 ＜ピークシフト＞ ピークシフト＞ ・設備利用率の 設備利用率の向上 （余剰分の 余剰分の利用向上） 利用向上） ・時間別電力価格差利用 電池価格低下 インセンティブ ？ ｱﾝｼﾗﾘｰｻｰﾋﾞｽ：発電事業者が系統に接続する場合、その電力変動を系統運用者が © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 予備力などで調整し安定化するｻｰﾋﾞｽ 17 3-6 系統安定化市場における蓄電システムの適用 系統安定化市場（例） 項目 市場区分 電力／系統安定化市場 欧米 （電力自由化圏） 日本 （電力会社主導） アンシラリーサービス 独立系統運用者(ISO)等 が市場からの調整力調達 ・電力会社が自前の 予備力により対応 ・発電事業者に義務化 (北海道電力など) Grid codeで発電事業者に 風力・太陽光併設を 義務化方向 約１ＭＷ単位で取引 (大規模集中設置を計画) １～２０ＭＷ程度を併設 対処方法 電池ｼｽﾃﾑ 規模 新興国 電力密度の低い地域 （送電インフラ脆弱） 風力・太陽光併設 マイクログリッド ＜米国の 米国の状況＞（ 状況＞（ご ＞（ご参考） 参考） ・FERC（ FERC（米国連邦エネルギー 米国連邦エネルギー規制委員会 エネルギー規制委員会） 規制委員会）が電力取引などの 電力取引などの基本 などの基本ルールを 基本ルールを策定 ルールを策定し 策定し、 各ISO,RTOはそれに ISO,RTOはそれに基 はそれに基づいた電力取引 づいた電力取引を 電力取引を展開。 展開。 ・FERC755(2011/11月 FERC755(2011/11月）で、周波数調整力の 周波数調整力の高い蓄電システムの 蓄電システムの導入促進 システムの導入促進を 導入促進を目指し 目指し、 周波数調整電源に 周波数調整電源に２段階式価格を 段階式価格を提供するよう 提供するよう指示 するよう指示。 指示。 （指令に 指令に高速応答できる 高速応答できる電源 できる電源を 電源を優遇する 優遇する仕組 する仕組み 仕組み） ・ISO(PJM,NYISO,CAISO)では ISO(PJM,NYISO,CAISO)では、 では、周波数安定化市場(Frequency 周波数安定化市場(Frequency Regulation)に Regulation)に蓄電池 システムでの参入 システムでの参入が 参入が可能。 可能。 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 18 3-7 鉄道事業向け蓄電システムの事例（産業分野） 蓄電式回生電力吸収装置へのLiB適用 き電電圧の安定化 → 複数のユーザメリット有り 蓄電式回生電力吸収装置 き電電圧：DC750V,1500V 【発車時】 【停止時】 回生（ 回生（充電） 充電） 力行（ 力行（放電） 放電） ﾎｰﾑﾄﾞｱ 駅 IGBTチョッパ IGBTチョッパ装置 チョッパ装置 (蓄電媒体) 蓄電媒体) ハイブリッド自動車用 ハイブリッド自動車用リチウム 自動車用リチウム電池 リチウム電池 (充電／ 充電／放電) 放電) 電圧上昇防止 回生失効防止 電圧低下防止 車両加速性能向上 き電電圧の安定化 安定な回生ブレーキ力 停止位置精度向上 機械式ブレーキの磨耗低減 車両保守費用軽減 余剰回生電力を二次電池で吸収 （電力 電力の 電力の有効利用） 有効利用 省エネ © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 19 4. 用途別の蓄電システムおよび蓄電池の要件 4-1 4-2 4-3 4-4 蓄電システムの基本機能 能 負荷平準化用途 電力系統安定化用途 非常用用途 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 4-1 蓄電システムの基本機能 負荷平準化蓄電 負荷 平準化蓄電システム 平準化蓄電システム； システム；ピークカット， ピークカット，ピークシフト ピークカット ピークカット ～ ピークシフト ピークカット 夜間充電 一定値以上の デマンドをカット 停電時供給 放電 受 受 放電 ～ 電 電 － 電 電 昼間 昼間 力 力 昼間放電 充電 充電 充電 充電 夜間電力利用 非常用電源 一定電力をシフト 深夜 一般負荷 夜間 深夜 放電 夜間 放電 非常時運転負荷 出力変動緩和用蓄電 出力変動緩和用 蓄電システム （電圧・ 蓄電システム 電圧・周波数一定の 周波数一定の変動範囲内に 変動範囲内に変動を 変動を緩和する 緩和する） する） 風力発電機 出力変動による 出力変動による 電力系統への 電力系統への影響 への影響 ⇒電圧変動， 電圧変動，周波数変動 出力安定化 発電出力 合成出力 ～ 太陽光発電 PCS ※自然エネルギーは 自然エネルギーは 発電出力が 発電出力が不安定。 不安定。 制御システム 制御システム 蓄電池入出力 ※発電出力安定化には 発電出力安定化には 蓄電池の 蓄電池の利用が 利用が有効。 有効。 ●蓄電池の 蓄電池の役割 出力変動 出力変動の 変動の緩和・ 緩和・安定化 ●ビジネスの工夫 ビジネスの工夫 蓄電池容量最小化 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 21 4-2 負荷平準化用途 【導入目的】エネルギーを時間シフト（ピークカット、ピークシフト） → 経済的メリット ●時間帯別の電力料金差額（ピークシフト） ●契約電力の低減（ピークカット） ●余剰電力の貯蔵（再生可能エネルギーなど） 【適用電池】 鉛蓄電池、NAS電池、フロー電池 家庭用では、リチウムイオン電池（将来はリユース電池） 【蓄電池の要件】 経済的観点が主 ① 導入価格が安いこと（20k¥/kWh以下？？）…制度による ② 充放電効率が高いこと（ランニングコスト） ③ サイクル寿命が大きいこと © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 22 4-3-1 電力系統安定化用途 【導入目的】 電力系統の周波数維持 → 短周期の電力脈動吸収 （調整力） 蓄電システムの適用可能な範囲 （リチウムイオンが適 リチウムイオンが適する） する） 負荷変動の大 大きさ No 分類 1 自然補正 2 GF領域 周波数偏差に応じて自端の観測値により、 ローカル制御にて電力貯蔵設備による充放 電制御を行う 3 LFC領域 小規模で分散された電力貯蔵設備により、 特定系統単位での潮流変動の短周期分に 対する出力変動補償制御を行う 大規模電力貯蔵設備により、自動給電より LFC対象機として周波数制御を行う 4 EDC領域 負荷平準化などを考慮し、需給運用計画ス ケジュールに基づき電力貯蔵設備による自立 的な充放電制御を行う GFによる調整 EDCによる 調整 自然補正 LFCによる 調整 0.5分 １分 20分 制御内容 自然補正のため対象外 60分 変動周期 GF ：Governor Free LFC： Load Frequency Control EDC: Economic load Dispatch Control 電力系統の 電力系統の周波数維持制御 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 23 4-3-2 電力系統安定化用途(2) 【蓄電池の要件】 ① 長寿命でハイレートかつ短周期の充放電繰り返しが 可能なこと（市場要求：20年） ② 大容量化に対し,蓄電池セルの多数直列,並列が容易なこと →電池インピーダンスのバラツキ小、配置、冷却設計 ③ 充放電効率が高いこと（充放電損失はランニングコスト） →寿命末期を見据えた冷却 ④ 充電率(ＳＯＣ)が正確に把握できること(計測系との連携) ⑤ 他の安定化設備と同等程度の導入価格が達成できること © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 4-4 非常用用途 【導入目的】 非常用（BCPなど）：従来からの市場 → 停電時の社会的、経済的損失大 UPS、非常用直流電源、通信基地局など 【適用電池】 鉛蓄電池が主(10分～１日程度→震災後長時間化の方向） 長時間バックアップは、非常用発電機との組合せも有り 【蓄電池の要件】 ① 期待寿命が長いこと（常時満充電待機が多い） → リチウムイオン電池の場合はカレンダー寿命 ② エネルギー密度が高く，軽いこと(省スペース，軽量) → リチウムイオン電池が優位（価格が問題） ③ 対環境性が高いこと（屋外設置の場合、温度など） © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 25 ５. 蓄電システムとコンポーネント 5-1 5-2 5-3 5-4 蓄電システムコンポーネント 蓄電池 パワーコンディショナ（PCS) コンテナ型蓄電システムの事例 © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 5-1 蓄電システムコンポーネント システムコンポーネントの役割と設計上の留意点 コンポーネント 役割 設計上の 設計上の留意点 制御装置 蓄電池の充放電制御 ・ピークシフト(スケジュール) ・ピークカット ・脈動補償制御 ・発電協調制御 PCSとの役割分担 (制御周期：1～数秒程度) 上位制御、他の発電制御との協調 システム保守、故障を想定した運用 蓄電池 エネルギー貯蔵 安全性の確保 用途に合った電池の選定 ﾊﾟﾜｰｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅ (PCS) 交直変換 ・双方向電力制御 ・蓄電池電圧均等化・保護 ・系統事故対応(FRT等） ・自立運転(系統停電時) 上位制御装置との役割分担 電池の分割単位にあった容量 損失を考慮した容量選定 受変電設備 系統への接続 ・系統連系保護 系統連系規程(Grid code)対応 コンテナ・建屋・ 空調他 蓄電池、PCSなどの設置 （収納、冷却） 寿命を考慮した温度管理 各種規制への対応（消防法他） FRT:Fault Ride Thｒough © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 27 5-2-1 蓄電池( 蓄電デバイスの特性) 蓄電デバイスの特性比較 Shin-Kobe Products 1000 Energy Density (Wh/kg) “Energy Capacity” （ｴﾈﾙｷﾞｰ ｴﾈﾙｷﾞｰ密度） 100 10 NaS Lead-Acid Ni-MH Lithium-ion Battery Li-ion Capacitor EDLC(Electric Double Layer Capacitor) 1 0.1 0.01 10 10K 1K 100 Output Density (W/kg) “Instantaneous Power” （瞬発力） 100K 蓄電池デバイスは各種特性が異なる為 用途に適した蓄電池の選定が必要。 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 28 5-2-2 蓄電池（電力系統安定化用蓄電池の比較） 項目 鉛蓄電池 ※１ (LL1500-W) ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池 ※ (CH-75) ﾅﾄﾘｳﾑ硫黄(NaS)電池 ①ｴﾈﾙｷﾞ密度 (ﾓｼﾞｭｰﾙ) × 24Wh/kg、62Wh/L ▲ 72Wh/kg、102Wh/L ○ 106Wh/kg、143Wh/L ②最大放電電流 ▲ 0.4～0.6CA ○ 3.0CA × 0.1CA ③期待寿命 ○ 4,725kAh・17年 (風力等変動補償用) ○ 8000ｻｲｸﾙ 10年～(使用方法による) ○ 4500ｻｲｸﾙ・15年 ④動作温度 ○ 常温 ○ 常温 ▲ 300～360℃ ⑤充放電効率 ▲ 約85% ○ 約95% ▲ 約8７%（ﾋｰﾀ損失除く） ⑥補 機 ○ 不要 ▲ (ｾﾙｺﾝﾄﾛ-ﾗ) ▲ 必要(ﾋｰﾀｰ) ⑦保守管理 ○ 定期自主点検のみ ○ 定期自主点検のみ × 年次法定点検要(危険物扱い) ⑧設置規制 ○ 消防署へ設置届出 ○ 消防署へ設置届出 ▲ 市街化区域では住民設置 同意と消防署の許可 ⑨大規模実績 ○ あり(数10MWh級) ▲ あり(数MWh級) ○ あり(数100MWh級) ⑩ﾘｻｲｸﾙ性 ○ ﾘｻｲｸﾙｼｽﾃﾑ確立 ▲ 処理費用高 ▲ 今後の課題 ⑪特 徴 （※２） ・長寿命 ・補機不要、保守容易 ・コスト低 ・高入出力・高応答 ・高効率 ・コスト高 ・均等充電不要(弊社LiB) ・大容量 ・長寿命 ・低入出力(0.1C程度) ※１：鉛電池及びリチウムイオン 電池及びリチウムイオン電池 びリチウムイオン電池は 電池は新神戸電機製の 新神戸電機製の数値を 数値を使用。 使用。 この表 この表は当社の 当社の試算による 試算による結果 による結果の 結果の一例であり 一例であり、 であり、数値は 数値は条件によって 条件によって変化 によって変化します 変化します。 します。 ※２：1CAとは 1CAとは定格容量 とは定格容量(Ah) 定格容量(Ah)を (Ah)を1時間で 時間で割った電流値 った電流値。 電流値。(例) 100Ahの 100Ahの電池の 電池の場合、 場合、1CAは 1CAは100A,0.4CAは 100A,0.4CAは40A放電 40A放電が 放電が可能 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 29 5-3-1 ＰＣＳ(蓄電池ＰＣＳの機能) 蓄電池ＰＣＳの機能 ・蓄電池の充放電機能(双方向電力制御) ・蓄電池の過充電・過放電の保護 ・蓄電池SOCリセット機能・電圧均等化機能（ｾﾙｺﾝﾄﾛｰﾗ連携） ・電圧制御機能(無効電力制御) ・自立運転(系統停電時) ・系統事故時運転継続機能(FRT等）…大規模停電回避 SOC:State of Charge(充電率) 蓄電池ＰＣＳ導入時の留意点 ・応答性（変動補償用途：0.5秒以下の高速応答） ・高効率化（充放電損失、空調損失低減） ・システム寿命と予防保全（電池寿命とのマッチング） ・保守・事故復旧時間の短縮 ・SOC計測精度とSOCリセット周期（リセット中は運用制約有り） ・電圧均等時の運用（均等化中は運用制約有り） ・自立運転時の過負荷対応力向上（突入負荷対応） © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 30 5-3-2 ＰＣＳ(ＰＣＳの高効率化技術1) 軽負荷領域での使用も多く、全領域での効率アップが望まれる →連系インバータの3レベル化により、全領域で効率アップ。 特に負荷率の低い領域での改善大 直流 電源 Ed ｽｲｯﾁ 素子 交流 ﾌｨﾙﾀ 系統 交流 ﾌｨﾙﾀ 1/2Ed 系統 1/2Ed スイッチング損失の低減と 交流フィルタ損失の低減が可能 2レベル方式 3レベル方式 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 31 5-3-3 ＰＣＳ(ＰＣＳの高効率化技術2) ＜IEC規格対応機種＞ ＜国内規格対応機種＞ 高効率３レベルインバータ 装置最大効率 ９８％ 3レベルIGBT PVまたは蓄電池 太陽光パネル PVまたは蓄電池 最大 DC1000V (PV時) チョッパ 250kW チョッパ 525kVA /500kW Grid 系統 インバータ PCS単線結線図 広い直流電圧範囲に対応 MPPT運転範囲 DC230～600V PCS単線結線図 100.00 100.00 新型機 変換 効率 (%) PCS 250kW 99.00 99.00 98.00 98.00 97.00 97.00 96.00 変換 96.00 効率 (%) 95.00 従来機 95.00 94.00 新型機 従来機 94.00 93.00 93.00 92.00 92.00 低日射時の変換効率 を大幅に向上 91.00 幅広い範囲で 変換効率を向上 91.00 90.00 0 20 40 60 入力電力(% : kW / 550kW) 80 100 90.00 0 20 40 60 入力電力(% : kW / 500kW) 80 100 変換効率の新旧比較(IEC規格対応機) 変換効率の新旧比較(国内仕様機) HIVERTER NP201iの NP201iの基本仕様( 基本仕様(参考) 参考) 項目 出力 運転直流電圧範囲 交流出力定格電圧 定格周波数 変換効率 寸法 質量 内容 500kW/525kVA DC450V～DC750V AC 300V (+/- 10%) 50/60Hz (+/- 2%) 最大98.7%※DC450V,AC300V,PF=1.0 1400W x 1000D x 1900H 1,350kg HIVERTER NP203iの NP203iの基本仕様 項目 出力 運転直流電圧範囲 交流出力定格電圧 定格周波数 変換効率 寸法 質量 内容 500kW/525kVA DC230V～DC600V AC 420V / 440V (+/- 10%) 50/60Hz (+/- 2%) 最大98%※DC500V,AC420V,PF=1.0 1200W x 1000D x 1900H 1,600kg © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 32 1.2 PV Power PV 0.8 1 0.6 0.2 0 ISO 0.4 0.2 0 0.6 0.4 Ramp Rate Suppressio n 0.2 -0.2 0.4 Specifications and container design are subject to change. 1 746 1491 2236 2981 3726 4471 5216 5961 6706 7451 8196 8941 9686 10431 11176 11921 12666 13411 14156 14901 15646 16391 17136 17881 18626 19371 20116 20861 -0.2 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0 1 48 95 142 189 236 283 330 377 424 471 518 565 612 659 706 753 800 847 894 941 988 1035 1082 1129 1176 Wind Power -0.2 1 933 1865 2797 3729 4661 5593 6525 7457 8389 9321 10253 11185 12117 13049 13981 14913 15845 16777 17709 18641 19573 20505 21437 22369 23301 24233 25165 26097 - Fluctuation Compensation 1 48 95 142 189 236 283 330 377 424 471 518 565 612 659 706 753 800 847 894 941 988 1035 1082 1129 1176 FR Signal 1 872 1743 2614 3485 4356 5227 6098 6969 7840 8711 9582 10453 11324 12195 13066 13937 14808 15679 16550 17421 18292 19163 20034 20905 21776 22647 23518 24389 25260 26131 1 48 95 142 189 236 283 330 377 424 471 518 565 612 659 706 753 800 847 894 941 988 1035 1082 1129 1176 Wind 1 901 1801 2701 3601 4501 5401 6301 7201 8101 9001 9901 10801 11701 12601 13501 14401 15301 16201 17101 18001 18901 19801 20701 21601 22501 23401 24301 25201 26101 5-4 コンテナ型蓄電システムの事例 HITACHI Performance Monitoring 1MW AllAll-inin-One Package LiB:450kWh (45feet container) Frequency Regulation Output 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 0.6 0.4 Battery Chrge/Discharge 0.2 -0.4 0 -0.6 -0.8 System Output(20min. Mov. Ave.) 0.4 0.2 0 -0.4 1.2 1 -0.6 0.8 System Output Cntrolled Ramp Rate 0.6 0.4 0.2 0 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 33 ６. 蓄電システム普及にあたっての留意事項と 蓄電池への要望 6-1 蓄電システム導入にあたっての留意事項 6-2 再生可能エネルギー分野のシステム導入例 6-3 蓄電システム導入に向けて(蓄電池へ要望) © Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved. 6-1 蓄電システム導入にあたっての留意事項 システム仕様の明確化 ・目的は： 負荷平準化・電力系統安定化・非常用(BCP) ・設備容量は： 何をどうしたいかで決まる ・設備の期待寿命は： （サイクル数、放電深度と頻度、温度で寿命が変わる。） 最適システムの計画（経済性考慮） ・電池の選定・種類・容量（蓄電池寿命に直結） ・設置の検討：場所、規制（消防他） ・充放電損失の考慮（充放電効率は75～90%程度） ・運用（充電率リセットや保守停止などを含めた計画） ・保守計画（蓄電池リプレース時期など） ・廃棄（リチウムイオン電池のリサイクルシステムはこれから） ・特に、再生可能エネルギー分野の蓄電システム構築には、発電パタ ーンの把握と系統連系規程(Grid code)の把握が必要 ・蓄電システム普及には、目的にあった設備計画、運用が必須。 設備の最適化（容量最小化）による経済的な提案がポイント。 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 35 6-2-1 再生可能エネルギー分野のシステム導入例 市浦風力発電所：出力変動緩和蓄電システム （日立パワーソリューションズ） © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 6-2-2 出力変動緩和制御型風力発電所 市浦風力発電所の 市浦風力発電所のご紹介 発 電 所 概 要 施 設 概 要 名 称：市浦風力発電所 事 業 地：青森県五所川原市 青森県五所川原市 青森県 津軽半島 運転開始日： 運転開始日：２０１０年 ２０１０年２月 発 電 規 模：１５， １５，４４０ｋＷ ４４０ｋＷ １，９３０ｋＷ ９３０ｋＷ× ｋＷ×８基 風力発電機： 風力発電機：多極同期発電機＋ 多極同期発電機＋可変速インバータ 可変速インバータ 風力貯蔵装置： 風力貯蔵装置：制御弁式据置鉛蓄電池 (LLLL-1500W) 1500W) ２８８直列 ２８８直列× 直列×１２並列 １２並列 総容量 建設地 ３，４５６セル ４５６セル １０， １０，３６８ｋＷｈ ３６８ｋＷｈ 交直変換器： 交直変換器：７５０ｋＶＡ ７５０ｋＶＡ× ｋＶＡ×６台 ４，５００ｋＶＡ ５００ｋＶＡ google Mapsより より © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 37 6-2-3 出力変動緩和制御型風力発電所システム ｳｲﾝﾄﾞﾌｧｰﾑ ｳｲﾝﾄﾞﾌｧｰﾑ出力 東北電力㈱ 東北電力㈱殿 技術要件 技術要件→ 要件→蓄電池システムによる 蓄電池システムによる変動緩和 システムによる変動緩和 出力(変動緩和前) 出力(変動緩和後) ≦定格出力 10% 20分間 20分間 ≦定格出力 2% 時間 出力変動緩和型 出力変動緩和型 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 38 6-2-4 システム構成 市浦風力発電所システム 市浦風力発電所システム構成図 システム構成図 東北電力系統 （33kV 33kV、 kV、50Hz） 50Hz） 風車 出力 出力 主変圧器 17MVA 17MVA 33kV／ 33kV／22kV 風車出力 ｼｽﾃﾑ 出力 蓄電池 ＷＦＣ (目標値演算) 目標値演算) システム出力 システム出力 所内負荷 蓄電池出力 風車出力 制限指令 変圧器 4.5MVA 4.5MVA 22kV／ 22kV／6.6kV GDA(Grid Data Acquisition) 交直変換器システム 交直変換器システム 制御 装置 ＷＦＣ (監視・ 監視・制御装置) 制御装置) ＧＤＡ PCS:750kVA× PCS:750kVA×6台 風車出力 制御 蓄電池SCADA 蓄電池SCADA （子局） 子局） PCS PCS 充放電 指令 PCS 制御 装置 充放電 制御 (個別PCS) 個別PCS) 通信回線 1G 2G 3G 4G 5G 6G 7G 8G 1930kW× 1930kW×8基 ・・・ 蓄電池 SCADA(親局 SCADA(親局) 親局) （日立監視センタ 日立監視センタ） センタ） （データ取得装置 データ取得装置） 取得装置） 風力発電 交直変換器 中部電 〔1000万軒 万軒〕 1000システム 万軒〕 システム 鉛蓄電池 風力発電システム 風力発電システム 関電 〔1200万軒 万軒〕 1200 万軒〕 緩和 出力変動緩和 出力変動 蓄電システム 蓄電システム ＜出力変動 出力変動緩和 変動緩和 制御システム 制御システム＞ システム＞ 制御システム WFC:Wind Farm Controller © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 39 100% 長い時間で 時間で大きく変動 きく変動 20 80% 15 60% 10 40% 5 20% １０％ １０％ 0 20分 間 出 力 変 動 率 WF WF出力 出力 出力（ＭＷ） （ＭＷ） ウィンドファームの出力変動 25 ２０ ２０分間出力変動率 分間出力変動率 分間出力変動率（％） （％） 6-2-5 風力発電の出力変動と出現頻度 0% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 時間（hr.) 時 間 （ hr. ） ２０分間出力変動率 ２０分間出力変動率（ 分間出力変動率（%）＝（最大出力 ）＝（最大出力ー 最大出力ー最小出力） 最小出力）÷定格出力 120% 120% ９２． ９２．４％ 80% 100% 74.2% 80% 発電所定格比90 発電所定格比90％ 90％容量の 容量の 蓄電池、 蓄電池、インバータが必要 インバータが必要 60% 60% 40% 40% 12.0% 20% 6.3% 累積出現率 累積出現率（％） （％） 出現率 出現率（％） （％） 100% 20% 3.6% 1.9% 1.0% 0.6% 0.3% 0.1% 0.1% 0% 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20分間出力変動率（％） ２０分間出力変動率 ２０分間出力変動率（％） 分間出力変動率（％） 小容量（ 小容量（２０％） ２０％）の ％）の蓄電池システムで 蓄電池システムで実現 システムで実現できる 実現できる変動緩和制 できる変動緩和制御方式 変動緩和制御方式を 御方式を開発 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 40 6-2-6 開発制御方式 風力発電と 風力発電と蓄エネルギー装置 エネルギー装置の 装置の導入による 導入による、 による、効率の 効率の良い需給管理・ 需給管理・ 制御機能開発 制御機能開発（ 機能開発（充放電制御＋ 充放電制御＋風車出力上昇制限制御） 風車出力上昇制限制御） 手 段 ①蓄電池システムの充放電制御 ②風車出力制限との協調制御 •蓄電池 蓄電池システムの 蓄電池システムの充放電 システムの充放電で 充放電で変動緩和 •一般的 一般的に 一般的に一次遅れ 一次遅れ時定数制御 風力出力 １／（１ ／（１＋Ｔｓ） •風力発電機自体 風力発電機自体で 風力発電機自体で出力上昇を 出力上昇を抑制 •充放電制御 充放電制御との 充放電制御との協調制御 との協調制御 合成出力目標値 ＋ 充放電指令 ー 風車発電電力 風車発電電力 概 要 電 力 合成出力電力 合成出力電力 出力上昇抑制 充電 電 力 充電 放電 放電 時間 時間 長 •上昇、下降両方向の変動を緩和可能 所 •上昇側変動に対し緩和効果が大きい •ﾊﾟﾙｽ状の変動は下降側も効果あり 短 •蓄電池システム容量を超える変動に対し •発電電力量が減少 •高機能な風力発電機が必要 所 変動緩和効果が小さい © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 41 6-3 蓄電システム導入に向けて（蓄電池への要望） 蓄電システムの普及には蓄電池のさらなる進化が必要 設置可能・安全性の確保(燃 燃えない) えない) 必要最小条件 導入・計画時 設備の想定寿命と蓄電池の交換 高信頼性 (実績の裏づけ） 高い可用性 故障率が低いこと，長寿命 ﾀﾞｳﾝﾀｲﾑ短縮 遠隔監視・保守体制 均等充電､SOCﾘｾｯﾄ時間短縮 蓄電池価格低減（ｾﾙ､ﾓｼﾞｭｰﾙ、BCU) 適正価格 必要容量の適正化 実運用を把握したムダのない 容量選定 大電流充放電対応(脈動補償用途) 電池の充放電能力の評価 ﾊﾟｯｹｰｼﾞとしての小型軽量化 冷却装置などの補機を含めた ﾊﾟｯｹｰｼﾞ,盤の小型軽量化 工事費低減 建屋設置、コンテナ設置など ｲﾆｼｬﾙｺｽﾄ サイクル寿命向上 運用ｺｽﾄ 運用 SOC: State of Charge BMS:Battery Management System 充放電効率向上 交換周期適正化 (設備全体野寿命との協調) 蓄電池、PCS高効率化 補機(空調など)含めた損失低減 保守費用低減（蓄電池交換費など） 最適な電池と交換計画が必要 廃棄費用低減(ﾘｻｲｸﾙ等) 廃棄，ﾘｻｲｸﾙを考えた計画 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved. 42 © Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved.
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