1. はじめに

　わが国では、2011年3月に発生した東日本大震災により、脆（もろ）くも原子力および火力発電設備が損壊し、東京電力管内では、約1000万kWの供給力不足が発生した。この回避のために、電力会社はあらゆる手段で供給力を調達すると同時に、産業、業務、家庭のすべての分野で節電を進めることが不可欠となった。大規模な電力不足を経験したことで、家庭、事務所、工場、地方自治体は、電力会社に全面依存しない自前の電源を確保しておく必要があることを痛感した。また、原子力発電の代替として再生可能エネルギー（自然エネルギー）の重要性が再認識され、導入を促進するための法案が成立したが、太陽光や風力発電などの再生可能エネルギーを大量に導入すると、それらの出力変動によって電力品質（周波数、電圧）が悪化することが懸念され、その対応としての新たな電力供給社会インフラの構築が必要である。

　そこで、情報通信技術（ＩＣＴ）や先端エネルギー技術を活用し、現在の電力システムと情報・通信ネットワークを統合することによって電力ネットワーク全体の信頼性と効率を高めることを目的としたスマートグリッドに注目が集まっている。とくに、わが国では、スマートグリッドを活用した環境に優しく災害に強い電力ネットワークの構築が叫ばれている。ここでは、まず、再生可能エネルギー全体の導入の状況と課題について述べる。次いで、再生可能エネルギーを有効活用するための解決手段であるクラスター拡張型電力ネットワークの特長と用途について述べ、これが災害復興に資する社会エネルギーインフラとなりうることを論ずる。

２. 再生可能エネルギーの定義と導入目標

　再生可能エネルギーとは、枯渇することなく持続的に利用できるエネルギーであり、表１に示すように、国によってその定義は異なるが、わが国では、代表的な再生可能エネルギーとして、太陽光、風力、水力、バイオマス、地熱が挙げられる。わが国の再生可能エネルギーの導入拡大に向けた取り組みは、石油代替エネルギー法に基づく石油代替政策に端を発し、1970年代のオイルショックを契機に、石炭および天然ガス並びに再生可能エネルギーなどの石油代替エネルギーへと移行してきた。2002年には、「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」いわゆるRPS法が制定され、新エネルギーのいっそうの普及が図られている。今後、普及に向けた取り組みをさらに積極的に推進するとともに、さらなる低コスト化、高効率化、電力系統への接続に伴う技術課題を解決するなどの研究開発が進められている。

表１　諸外国における再生可能エネルギーの定義

　また、06年度に開催された総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会において新エネルギーの概念が審議され、表２のような再生可能エネルギー導入の長期見通しが示されている。

表２　総合資源エネルギー調査会の再生可能エネルギー導入の長期見通し（2006年）

３. 再生可能エネルギー導入の現状と課題

３.１　太陽光発電導入の現状と課題

　世界的にみると、わが国は2004年末まで世界最大の太陽光発電導入国であったが、その後、ドイツの導入量が急速に増加した結果、05年には世界第２位となり、08年にはスペインの新規導入量が年間で275.8万kWと日本の22万kWの10倍にもなり、太陽光発電の全設備容量は、同年、世界第３位に低下した。

　太陽電池の生産量でも、わが国は2007年まで世界でトップの地位にあったが、09年末時点では中国とドイツの企業が生産を拡大した結果、世界の第３位となり、日本企業が世界の太陽電池生産量に占めるシェアは07年の25％から12.6％になっている。太陽電池の国内出荷量は、政府の住宅用太陽光発電設備に対する補助制度が一時打ち切られた05年をピークに伸び悩んだが、09年１月に補助制度が再度導入され、地方自治体による独自の補助制度も合わせると設置の費用負担が低減したことを受けて、09年度は増加に転じた。
　これには、09年11月に、太陽光発電システムからの余剰電力を通常の電気料金のほぼ２倍の価格で電力会社が買い取るＦＩＴ制度（固定価格買取制度）が開始されたことも大きく寄与したと考える。日本の太陽光発電の導入量は、現在、世界の約20%を占め、10年度（平成22年度）までに482万kWの導入目標を満たしつつある。太陽光発電の導入が進むとともにコストも低減しており、また、企業による技術開発の成果と政府の支援策並びに電力会社の余剰電力購入などにより、太陽光発電の国内市場が自立できてきたと考えられる。一方で太陽光発電には天候や日照条件などにより出力が不安定であるという課題も残されており、蓄電池との組合せによる出力安定化および配電系統の電圧維持対策が求められている。

３.２　風力発電導入の現状と課題

　風力発電の2009年度末時点での導入量は、1683基、出力約218.6万kW（ＮＥＤＯ^＊による：設備容量10kW以上の施設で稼働中のもの）である。
　1997年度に開始された設備導入支援をはじめ、98年度に行われた電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドラインの整備（横山隆一委員長）や03年度のRPS法の施行以降、導入量は増加しており、地域別にみると、風況に恵まれた東北地方への設置割合が大きい。
　07年度は、改正建築基準法の影響などにより、導入量が06年度の1/2以下に低下し、上位にあった日本の風力発電導入量も、10年12月末時点で世界第12位となってしまった。11年12月末での導入実績は、累積で250.1万kW、1832基、417発電所である。再生可能エネルギーのＦＩＴ制度への移行による新規ウインドファームへの助成制度中止などの影響で、国の導入目標であった10年度までに300万kWは達成できなかった。一方、補助金交付が決定している継続事業もわずかとなり、このままでは13年度でも導入量は260万kW程度と予想され、ＦＩＴと中長期導入目標の早期決定が望まれる。
　日本は諸外国に比べて平地が少なく地形も複雑なこと、電力会社の系統に余力がない場合があることなどの理由から、風力発電の設置が進みにくいといった事情がある。また、出力の不安定な風力発電の大規模導入が電力系統に及ぼす影響を緩和すべく、出力の安定化や系統の強化が課題となる。そして、これらの課題を克服するために、蓄電池を併設する風力発電施設の設置も、積極的に進める必要がある。また、出力が安定している港湾区域での風力発電設置の検討も始まっている。

３.３　その他の再生可能エネルギー導入の現状と課題

　水の豊富なわが国において、水力発電は、今後の電力源として期待が大きい。利用面から流れ込み式（水路式）、調整池式、貯水池式、揚水式に分けられ、揚水式以外をとくに一般水力と呼んでいる。2009年度末時点で、わが国の一般水力発電所は既存発電所数が計1914、新規建設中が28、また未開発地点は2464地点で出力の合計は約1794万kWに上る。
　未開発の水力の平均発電能力（包蔵水力）は7280kWで、既開発や工事中の平均出力よりもかなり小さなものとなっており、開発地点の小規模（マイクロ発電）化が進んだ。急峻（きゅうしゅん）な地形の多いわが国では、小水力発電のポテンシャルが大きいことから、地域での地産地消マイクロ水力の開発を推進していくことが重要である。国際的にみると、水力発電導入量の日本のシェアは５％程度である。

　バイオマスエネルギー資源は、原料の性状や取扱形態などから廃棄物系と未利用系（資源作物など）とに大別され、利用方法としては、直接燃焼の他、メタン発酵やエタノール発酵などの生物化学的変換、ガス化や炭化などの熱化学的変換による燃料化などがある。バイオマスの原料となる動植物は、その生育過程で大気中の二酸化炭素を吸収しながら成長するため、これらを燃焼させたとしても追加的な二酸化炭素は排出されないことから、「カーボンニュートラル」とみなされている。回収コストが高いことが課題であり、地方自治体での積極的な取り組みが求められる。

　地熱発電は、第２次石油ショックを契機に増加したが、リードタイムが長いこと、開発コストが高いことなどから設置が停滞している。2009年度末時点で、地熱発電所は15地点に存在し、約53万kWの設備容量である。また、国際的にみると、地熱発電導入量の日本のシェアは５％程度となっており、アイスランドに次いで世界第８位の規模である。

4. 環境に優しく災害に強い、新たな社会インフラの必要性

４.１　再生可能エネルギーの有効利用と次世代電力ネットワーク

　需要家からの厳しい要求である低廉で、良質な電力を安定的に供給するために、電力会社は、100万kWを超える大規模な発電設備を建設してきた。それらは、遠隔地に置かれ、規模だけではなく地域的な広がりをもつ巨大な電力供給システムが作り上げられた。また、緊急時に電力会社間で電力融通を行うための連系用送電線も完備され、北海道から九州に至るまで全国（沖縄は除く）の電力システムが一つに連結されている。

　このような電力供給システム形成の流れのなかで、地球温暖化の原因といわれているＣＯ₂の排出削減問題が顕在化した。その対応技術として注目されたのが、太陽光、風力、地熱、地中熱、バイオマス、波力、潮力といった再生可能エネルギーを利用した発電である。
　先進各国において、これらの再生可能エネルギーの導入を積極的に進めているが、日本での目標量は未だ少ない。わが国での再生可能エネルギーの普及が遅い理由として、日本の電力供給は、世界一の電力品質と供給安定性を保持していたことが挙げられる。電気機器をコンセントに差し込みさえすれば、間断なく供給されてきた。産業、業務、家庭とも、そのような優れた電力供給に支えられて高度な社会を築いており、これに、再生可能エネルギーが入り込む余地は少なかった。電力会社は、常に、供給安定性維持とコスト削減を求められているので、単に、CO₂の排出削減に役立つからといって、不安定で、かつ従来の電源と比較してはるかに高い電源を積極的に導入することはできなかった。
　そこで、現在、電力会社の供給地域を超えた電力の融通が容易になるよう系統間連系線の拡充と運用制約の緩和と並んで、再生可能エネルギーを有効活用するような次世代電力ネットワークの開発が強く求められている。

４.２　地方自治体主導のクラスター拡張型電力ネットワーク

　クラスター拡張型電力ネットワークとは、図１に示すように、再生可能エネルギー利用の分散型電源、エネルギー貯蔵システムおよび需要家から成る複数のクラスターを連結したものである。
　すなわち、クラスターとは、電力の地産地消の観点から一つのまとまったグリッドの１単位を意味し、小さいものは数世帯の住宅規模であり、大きいものはコミュニティ規模となる。現在、実証が進められているクラスター拡張型電力ネットワークは、従来の電力系統やマクログリッドとは、規模、電源構成および用途が異なり、再生可能エネルギー利用の分散型電源から構成される小規模電力供給源と地域電力需要を１単位とする電力クラスター（Electricity Cluster）を拡張・連結していくという計画になっている。

　この拡張型グリッドであれば、地方自治体が主体となる地産地消型電力供給グリッドの開発にあたっては、大規模で高価なネットワークを一度に作るのではなく、地域、市街地や村落の特性に合わせた適正規模の電力クラスターを作り、必要に応じて随時のクラスターを増設し、相互間を連結してゆくことが可能である。

４.３　災害に強い自立型電力ネットワーク

　東日本大震災の大津波によって、原子力発電所の全交流電源が失われて炉心融解、放射性物質の拡散など、わが国初の原子力大災害となった。この大災害により世論は反原発、脱原発の声が大きくなり、今後の原子力発電の行く末が不確実となっている。
　このような今後の電力エネルギー供給の新たな議論のなか、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの導入が脚光を浴び始めている。再生可能エネルギーは出力が不安定であること、またエネルギー密度の低さから大きな供給量が期待できないことなど、大規模原子力発電を簡単に代替できるエネルギー源とは成り得ないが、エネルギー自給率の向上や地球温暖化対策として期待できる。

　そのために、再生可能エネルギー電源は今後どのようにして従来型の大規模電源と共存していくべきであろうかが重要課題となっている。そこで、小規模・分散型の再生可能エネルギー電源が大規模電源と共存できる仕組みと地方自治体などによって構築可能な中小規模の自立分散型の新しい電力供給グリッドの開発が必要となっている。
　震災後の津波によって大きな損害を受けた地域では、地方自治体が高台に保有する中小規模の自立分散型発電施設を中心に、行政ビル、警察署、消防署、高齢者施設、学校、病院、一般住宅などを配置した耐災害型スマートコミュニティの形成が望まれる。地域に電源を持つことで、電気、飲料水、通信機能が確保され、住民の安心・安全が担保される。

5. まとめ

　現在、実施されている東日本大震災からの本格的な復旧にあたって、スマートグリッドおよびスマートシティへの期待が大きい。主要な要件である双方向通信機能を活用すれば、緊急時には需要家の優先順位の低い電力供給を遮断することが可能となり、電力側からの強制的な計画（輪番）停電ではなく、需要家が自ら停止機器の順位を選定できるという利点がある。
　再生可能エネルギーの普及はかつてCO₂削減の切り札として期待されてきたが、電力不足を経験したことにより、非常用電源としても注目されている。非常用であるから需要を100％賄う必要はなく、重要負荷（需要）を選択する機能をスマートメーターなどに持たせておけば、たとえ発電量が少なくても優先順位の高い需要（医療機器、通信機器、冷蔵庫など）から供給されることになる。このように被災地復興においても再生可能エネルギーを非常用電源として活用することで、普及に拍車をかけることができ、被災住民の不安解消の一助にできる。

　スマートグリッドに関する研究開発は新たなビジネスチャンスとして期待されながら、国内には強いニーズもなく実証試験の多くが海外で求められていた。しかし、震災後は震災復興という重要な任を担うことになったといえる。この責務を全うすることは、これからの国際競争力を培い、新たな産業創生にも寄与するので、電力システム技術者の今後の活躍が期待される。