電験三種 令和4年度下期 電力 問11｜発電（水力発電）

電力の需要と供給の調整についての空欄補充問題（令和4年度下期 問11）。正答は(5)です。

電力需要は一般に日中が最大ですが、太陽光発電(ｱ)の大量導入により日中の発電量が需要を上回る事例もあります。需給バランス確保には揚水式(ｲ)発電が、電力貯蔵には蓄(ｳ)電池が使われます。天候の急変や発電所故障時に周波数を回復するため運転予備力(ｴ)が確保され、部分負荷運転中の水力発電機や火力(ｵ)発電機などがその対象となります。したがって(ｱ)太陽光発電・(ｲ)揚水式・(ｳ)蓄・(ｴ)運転予備力・(ｵ)火力となり、正答は(5)です。

電力の需要は1日の中で大きく変動し、一般に日中（特に昼間の時間帯）に最大となります。しかし太陽光発電(ｱ)の導入量が増えると、晴天の日中には太陽光の発電量が需要を上回り、他の電源の出力を下げても余剰電力が生じる事例が報告されています。

この需給バランスの変動を吸収するために使われる代表的な手段が揚水式(ｲ)発電です。電力が余る時間帯（主に太陽光発電の多い日中、あるいは夜間）に下部ダムから上部ダムへ水を汲み上げておき、需要が供給を上回る時間帯に放水して発電することで、需給の平準化を図ります。近年はこれに加えて、蓄(ｳ)電池による電力貯蔵の技術も向上しており、より短い時間スケールでの需給調整に活用されています。

一方、天候の急変や発電所の故障といった予測できない事態が起きても周波数を標準周波数（50Hz/60Hz）へ回復させるため、あらかじめ運転予備力(ｴ)が確保されています。運転予備力とは、既に系統に接続されて運転中の発電機のうち、まだ出力を増やせる余力（部分負荷運転中の水力発電機や火力(ｵ)発電機など）のことで、事故や需要の急増が起きた瞬間にすぐ出力を上げて周波数の低下を食い止める役割を担います。

以上から(ｱ)太陽光発電・(ｲ)揚水式・(ｳ)蓄・(ｴ)運転予備力・(ｵ)火力の組合せとなり、正答は(5)です。選択肢1〜3は(ｱ)を「ベース供給力」とし、日中に発電量が集中する太陽光発電と、需要に関わらず一定出力で動くベース供給力を取り違えています。選択肢1・3の(ｲ)「流込み式」は河川の流量をそのまま使う方式で、電力をためて需給を平準化することはできません。選択肢1・3・4の(ｳ)「燃料電池」は発電装置であり電力貯蔵装置ではありません。選択肢3・4の(ｴ)「ミドル供給力」は需要の変化に合わせて日々出力を調整する供給力の区分で、事故時に周波数を回復させるための予備力とは別物です。選択肢1・2の(ｵ)「原子力」はベース供給力として一定出力で運転されるのが一般的で、運転予備力の対象とはなりません。

この問題の背景には、太陽光発電のような出力が天候に左右される電源（変動性再生可能エネルギー）が増えるほど、需給バランスを保つための調整力の確保がより重要になるという、近年の電力システムの構造変化があります。

揚水式発電が調整力として重視される理由は、電力を「貯める」ことができる点にあります。火力発電は出力を上げ下げすることはできますが、電力そのものを貯蔵することはできません。揚水式発電は、余った電力で水を高い位置に移動させることで位置エネルギーの形で電力を貯蔵し、必要なときに放水して電力に戻すことができる、数少ない大規模電力貯蔵技術です。蓄電池はこれより小規模・短時間の調整に向きますが、応答速度が速く、近年は系統用の大規模蓄電池も増えています。

運転予備力は、揚水発電や蓄電池のような「貯蔵した電力を出す」調整力とは異なり、「既に動いている発電機の出力に余力を残しておく」調整力です。部分負荷運転（定格出力より低い出力で運転すること）をしている水力発電機や火力発電機は、ガバナ（調速機）の働きで系統の周波数低下を検知すると自動的に出力を増やし、周波数を回復させます。この運転予備力の確保量は、系統で想定される最大のトラブル（最大規模の発電所が突然停止する場合など）に対応できるように、電力会社が計画的に維持しています。本問は、こうした複数の調整手段（太陽光の変動、揚水・蓄電池による貯蔵、運転予備力による瞬時対応）の役割分担を正しく理解しているかを問う内容です。

太陽光発電の大量導入で日中の発電量が需要を上回る事例が増えると、火力発電機などの出力をどこまで下げられるかという「下げ調整力」の確保も課題になります。出力を下げすぎると、今度は需要が急に増えたときや太陽光の出力が急に落ちたときに上げ調整力が足りなくなるため、下げ方向・上げ方向の両方の調整力を同時に確保しておく必要があり、これが揚水発電や蓄電池の活用がいっそう重視される理由にもなっています。

運転予備力として確保された発電機の多くは、ガバナフリー運転（周波数の変化に応じて調速機が自動で出力を変える運転）によって周波数の変化に即座に応答します。その後、給電指令所からの指令による負荷周波数制御（LFC）が働き、周波数を標準周波数へと戻していきます。本問の(ｴ)が「周波数を標準周波数へと回復させるため」に確保されると書かれているのは、この働きを指しています。なお揚水発電は、汲み上げに使った電力の一部が損失となるため、発電で取り戻せる電力量は汲み上げに使った電力量より少なくなります。それでも余剰となる時間帯の電力を需要の多い時間帯に移せる点に、需給バランス確保上の価値があります。