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EXE11イベント(3) 市場メカニズムを用いたP2P電力融通システム | 田中 謙司 東京大学特任准教授

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市場メカニズムを用いたP2P電力融通システム~浦和美園プロジェクトの紹介 | 田中 謙司 東京大学特任准教授

東京大学特任准教授 田中 謙司
マッキンゼー・アンド・カンパニー、投資ファンドの日本産業パートナーズを経て、07年より東京大学工学部助教。13年より特任准教授。データ解析とその結果に基づいたシステム・サービス設計などの手法を中心にした研究を行う。物流、エネルギー分野を中心に研究を行い、需要予測法や事業シミュレーションを用いた具体的な導入システム設計およびサービス設計の研究を行う。最近では分散化社会におけるブロックチェーン等を活用した社会システムの研究を進める。日本電気学会D部門SMF技術委員、人工知能学会、日本経営システム学会会員。国土交通省政策参与、資源エネルギー庁電力のデジタル化委員、経済産業省物流のデジタル化委員なども歴任。

ご紹介ありがとうございます。東京大学の田中と申します。

今、技術経営戦略学専攻というところで特任教授をしております。会津ラボさんやジゴワットさんが紹介されていたように、今エネルギー業界はすごく変わってきていて、分散化エネルギーが末端まで入っていく中で、集中制御のような形はなかなか難しいため、インターネットのような形になるだろうと考えられています。

東京大学も、その分野に社会貢献しようということで、インターネットオブエナジー社会連携講座というのを開いていて、私はここに所属をしています。私はどちらかというと、もともと物流ネットワークなどのネットワーク系が専門です。物流は需要がすごく変動したり、供給も変動したりしますが、それを、倉庫とか物流をうまく使いながら吸収していくわけですね。エネルギーについても、需要がすごく変動するだけじゃなくて、お天気まかせの再生可能エネルギーが入ってくるということで、これをいかにコントロールしていくかという点で極めて近しいロジックがありましたので、今回やらせていただくことにしました。

一緒の専攻に、電気の専門家で自由に電気を融通するようなハードウェアの開発をされているアベ先生がいらっしゃいまして、デジタルグリッドという、まさにインターネットオブエナジーのコンセプトを提唱していらっしゃいましたので、今回一緒にいろいろ研究を進めているところです。

今日はそういった中で、市場メカニズムを用いたP2P。これは、ネットワーク的なP2Pというよりも、エンドtoエンドという意味です。ユーザー同士で電力融通をする電力システムとして、いま浦和の美園地域でプロジェクトをやっていますので、そのご紹介をさせてもらえばと思います。

電力の現状と再生可能エネルギーの可能性

最初に、電力ネットワークの全体感、われわれの現状認識からお話をさせてもらいます。冒頭でご紹介させてもらったように、どんどん電源の分散化というのが進んできています。屋根置き電源というものが入ってきたり、再生可能エネルギーが導入されるにつれて、将来の電力グリッドが、何百万ものユーザーが需要、消費するだけじゃなく、双方向でつながるようなネットワークになるんじゃないかと考えています。

「再生可能エネルギーは、高い」と言われますけれども、よくよく考えると、限界コストがゼロなんですね。これって破壊力は凄まじいものがありまして、一度導入して減価償却が終わると、ただの電気がどんどん入ってくるということで、実際圧倒的なコスト競争力を持って、2000年代以降どんな統計の予測よりも一番速いスピードで再生可能エネルギーの導入が進んでいる状況です。

中央集権型から分散型へ

いまは集中型で、効率よく発電したものを効率よく分配するという仕組みでやっていますが、将来は図に書いたような、インターネットのような形で、色々つながる世界があるんじゃないかと考えているわけです。

ここに「分散電源の非集中制御」と書いていますけれども、何を言っているかというと、何百万もの電源を集中で制御するというのはかなり難しい話で、ちょっとでも何か問題が起こるとすぐ動かなくなる。ですから基本的には、この非集中制御型に持っていく必要があるんじゃないかと考えています。

もう一つは通信の世界で、インターネットで一番大きく衝撃的なものは、ソフトウェア定義でネットワークが組めたことだと思いますが、電力も同じでですね、ソフトウェアで自由に電力が融通できるような、そんなハードウェアが肝になってくるんじゃないかということで、東大はブロックチェーンの話をする前に5年ぐらい、こういった研究を、デジタルグリッドということで進めてきておりました。

電力供給の分散

今の電力系統というのはオーケストラ型に近いものがありまして、系統の周波数が指揮者に当たります。これにピタッと合わせられる、ちゃんと訓練された音楽家だけが入っている状態なら極めて効率的で、全体としての統率が取れているんですが、問題としては、新しく入ってくるような再生可能エネルギー。これはなかなか指揮に乗ることが難しいので、こういったところは制限するしかないんです。嫌がらせで今制限してるわけじゃなくて、ほんとに導入すると困るので、制限せざるを得ないというような状況です。

一方で、独立したマイクログリッドの集合体は、再生可能エネルギーをふんだんに入れても、周りに影響を及ぼさないのでいいんですが、どっちかというとハードロックには、各所最適なものが積みあがっていって、全部足し算すると、必要な全体量の6倍ぐらいの設備が入っているというような、状態になります。

世界で注目されているエネルギー×ブロックチェーン分野

私たちが今考えているものは独立して音楽を奏でているけれども、ジャズのように、全体としても、ちゃんと調和がとれた音楽。市場のメカニズムを用いてひとつの曲全体を奏でるような、そんなジャズスタイルというようなものを目指しています。

そういった時に、強制的に電気を出せとか、電気を止めろというのは、なかなかお願いしにくいものがありますので、社会経済原理。皆さんのインセンティブに基づいた価格決定ですとか、量の交渉によって、うまく融通できないかということを研究しています。

エネルギー×ブロックチェーンは世界的にもかなり熱い分野になっていまして、去年のウィーンで開かれたイベントホライズンという、会議には300人以上もの人が集まって、非常に熱い議論をしておりました。今年の4月16日には、ベルリンで第2回が行われますが、今日ご紹介するようなプロジェクトを、そこでもご紹介することにしております。

ブロックチェーンによるマッチングと電力制御

私どもが一番重要だなと思うのは、マッチングをする機能です。P2Pでどうやって売りたい人と買いたい人をマッチングさせるのかということ。また、マッチングさせた後で電力をちゃんとデリバリーできるのかということです。

高いと思われる方も多いと思いますが、残念ながら電気は非常に安いので、個人で取引をすると1kwh送って、だいたい20円ぐらいなんですね。20円ぐらいのやり取りに人を絡ませてしまったら成り立たないわけで、そこら辺のマッチングと電力制御のデリバリーの部分、ここを何とか、全体として人が絡まないような形でブロックチェーンでできないか、ということを考えています。

欧米では、ブロックチェーンを使ってマッチングはするところが多いんですけれども、なかなか電力制御までやろうとしてるところは少なくて、逆に、よく見ると日本では非常に多いんですね。電力系のテクノロジーを持った会社さんがいっぱいいて、P2P個対個で電力融通実験をしているのは、結構日本の方が多かったりします。この両方をやってみようというのが、我々のプロジェクトの意義になっております。

ブロックチェーンの実証実験を行う浦和美園プロジェクト

こちらが今回ご紹介する美園プロジェクトなんですけれども、リアルタイムで電力取引をして、その結果をブロックチェーンに書きます。ブロックチェーンを読んだインバーターがそれを読み込んで、実際に電気を流してしまうという、そんな実験です。

浦和美園地域というのは、ワールドカップ決勝が行われたスタジアムの近くなんですが、ショッピングセンターのイオンさんに太陽光パネルを貸してもらって、新しく開発する住宅エリアに、いろんな機器を置かせてもらうというふうにしています。一つは太陽光パネルやリチウムイオンバッテリー、そしてインバーター、デジタルインバーターをつけたフルセット家を5軒ぐらいと、あとは純粋に消費をする消費家ですね。デジタルグリッドコントローラーと言っていますが、ブロックチェーンと通信するクライアントのようなものをつけたもの。

こういったユーザーさん同士で電力を売買するものを、ブロックチェーンでマッチングして実行するというような実験をしております。

ブロックチェーン上のスマートコントラクトとして、市場を用意させてもらいまして、株式市場のような市場で、20円で買いたいとか25円で売りたい、そんな入札ができるようにしています。その結果目指すものとしましては、「とにかく安いものが買いたい」という人は安値で入札ができ、「同じ値段だったら地元の再エネを優先的に買いたい」という人がいれば、そういう買い方ができるというものです。

さらにもっと奇特な人がいて、「3割くらい高くてもいいから再エネで暮らしたい」というような場合でも、自分で好きな調達ができるというような、そんなイメージを持っております。

市場メカニズムによって目指す電気の受容・供給

市場メカニズムを用いて考えていることが二つありまして、今までは電圧の高いところから低いところに当たり前のように電気が流れていたものを、他の社会経済システム、流通システムと同じように、価格が高い方に電気が流れていくような、そんな仕組みができないか、という事がひとつ。もう一つは、再エネをどんどん導入しようとした時に困ってるという話から始まっているものです。

再エネで問題なのは、使う人がいないのに日が照っているからといって、蛍光灯にわっと電気が入ってくる。逆に曇ったからといって急に電気を送るのを止めてしまう。これを裏側で調節する仕組みというのは、今はエンジンブレーキ的な火力発電所しかないんですね。それで非常に困るんですが、これ市場のマッチングの仕組みをよくよく見ると、買う側と売る側が、例えば20円で1kwh買いますというのが一つの単位になりますが、これ同時同量なんですね。

同時同量の範囲がいくら積み上がっても同時同量なので、売る側、例えば太陽光側が売れなかったら、それは自分のところの電池にためるか、系統に流さないっていうふうにすれば、確実にこの負荷のある人だけに電気を流すので、同時同量の成果が、市場で半自動的にできてしまう。そんなことも期待しているわけです。

再生可能エネルギーの課題をどのように解決するか

どんなニーズがあるのかなっていう、色々私でも頭を悩ませてるのがこういう図なんですけれども、大学の実験なので大目に見てもらいたい部分もありますが、例えば私は鳥取県出身ですが、鳥取県に太陽光パネルがあって、そこの電気買いたいなという人がいたら、ふるさと納税的に買えるようにしたいですね。

後は、富山県の有名なダムがありますけれども、そこのダムの電気で暮らしたいといったら、関電さんに頼んでそこのダムの電気を買える、そんなことができるようにしたいなと考えています。そのうち、電気自動車ですとか、あといろんなユーザーも世界観としては入ってくるので、それぞれが自分たちの経済原理に則って電力を調達できるような、そんな仕組みというのを考えています。

電気の未来

もっと言うとですね、電気自動車は面白くて、例えば5月6月の昼間に太陽光がいっぱい入ってくると、太陽光が余ってくるわけですね。そういう時に電気につなげておけば、格安で充電できますよというような、そんな買い方もできてきます。EVに限らず、例えばエアコンとかを一つの単位として考えると、エアコンが販売される時に、10万円ぐらいで買ったら、半年分の電気代がついてくるとか、そんな電気の入れ方も将来的には考えられます。

今実現している話ではないので、話を元に戻していこうと思います。

どのようにブロックチェーンを扱っているか

いま作っているブロックチェーンのシステム構成としては、これ正しい書き方じゃないんで、イメージ図として見てもらえばと思いますが、左側には家の中に置いてる構成があります。主にブロックチェーンを使って、少しそれをですね、外側で助けているクラウド側のAPIが走っていますけれども、こういう構成になります。

まずは家で、スマートメーターか何かで需要を計測します。それを基に、デジタルグリッドコントローラーという、ちょっとしたコンピューターで、今後の需要予測をします。今回だと24時間先から48時間先ぐらいまで予測ができます。需要予測をしたら、その需要や発電に応じて入札を決めます。

「とにかく安い方が良い」とか、「自分はペースメーカーを使っているのでいくら高くてもいいから、確実にペースメーカー分だけは確定させたい」というように、需要に色を付けて入札をすることができます。で、その先にDGCクライアントがありますが、ブロックチェーンにトランザクションを出すための機能をつけたものがありまして、こちらからブロックチェーンの方に入札を投げるというような形になります。

右に書いていますが、私ども、ブロックチェーンに関してそこまで詳しくなかったので、当時開発する段階で、一番オープンドキュメントが多くて、色々意欲的に何か機能を付けられそうだったEthereumで作らせてもらいました。オープン型のEthereumでなくてプライベート型で作っています。

途中からちょっとスピードが気になったので、Proofofauthorityというブロックの作り方をしていまして、処理を軽くしながら少し速めにするという形にしております。

スマートコントラクトの方では、市場のアルゴリズムが動いていまして、マッチングをして、約定して、ディベロップに書き込むと。その書き込んだものを読み取って、ローカルのユニックインバーターがそのまま実行する。そして、その実行した結果をスマートメーターが計測をしてブロックチェーンに報告をして、齟齬があった場合はお金で決済するという、そんな作り方をしております。

これはデジタルグリッドコントローラーの開発例で、テスラテクノロジーさんというところに開発していただきました。見た目はコンピューターというか、セットトップボックスのようなものですけれども、こちらで今言ったアルゴリズムを動かしたり、インバーターデジタルグリッドルーターと呼んでおりますが、電力を実際に制御する部分というのを司っております。デジタルグリッドルーターもあるんですけれども、まだ家庭用のものがなくて、冷蔵庫のような大きさなので、今回写真では示しておりません。

目指すブロックチェーンの形

それで、どういった市場を対象にしているのかといいますと、先ほどのご説明にもありましたが、JEPXさんという電力市場がありまして、随分前、3年前ぐらいから取引開始しているわけですが、今回対象にしてブロックチェーン上で再現したのは、24時間以内のリアルタイム市場ということになります。日本は、30分の幅で計画値同時同量というのが求められていますので、30分の市場を48本積み重ねて、24時間先までの市場を売買できるというような、そんな設定をしています。

これが、動いたときのイメージ図になります。念のために言うと、まだ物理的にはできていませんので、システム上の話になります。例えば、事前に3時間先の電気を買った場合ですと、3時間経ってそのタイミングが来たら、実際に電気が流れ始めます。で、予約したものを、ここにあるデジタルグリッドルーター、それからインバーターが自動的に動いて、系統に対して電気を送ったり、吸い込んだりします。

純粋な消費家は、電力の制御を直接はできないので、こちらの方は、買っていただいた額の電気量をそのまま使っていただくということになります。

いろいろ情報にタグ付けができますので、ある家に52%電池の残量があったとすると、何パーセントぐらいが再エネ由来で、何パーセントぐらいが系統由来かといったようなものを、こちらで確認することができます。また、RE100というのが今あると思いますが、この家が、この30分でRE比率が何パーセントだったかというのも見ることができます。

今回説明をほとんど省いていますが、技術実証なので、実はこの赤い線と青い線には意味があります。青い線は系統線で、今の電力会社の系統線を使わせてもらいますけれども、赤い線は自営線として、隣の家に線を引いて、プライベートに融通するというような、そんな実験もやりたくて設置しました。どっちを使っても融通できるというような形の実験というのを考えております。

電気×スマートコントラクトの魅力

面白いのは、ブロックチェーン上の市場で約定したものを、ローカルのインバーターが、何も考えずに選んで本当に実行してしまうというところです。ブロックチェーンに書いてあることを完全に実行してしまうところが、面白いかな、と思っております。

電気に色はつけられないんじゃないかという話をよく聞きますが、一番近しいものはお金にあたるので、財務諸表のような形で、お金的な表し方をすることを考えました。入ってきた電気の合計はこれで、その間家から出た電気の合計はこれで、この差分がバッテリーに溜まってますよ、というような、そんな報告の仕方でしたらご理解を得られるかなと考えています。

ブロックチェーン開発の社会的意義

大学としてどういう社会的意義を見出すかということですが、これは美園エリアで想定される需要なんですが、右側の赤い線が発電してるところで、屋根置きだとすると、皆さん昼間は家にいなくて、家庭の屋根置きで一生懸命発電をするんですが、実はほとんど発電しているものっていうのは使われずに、系統で誰が使うかわからないまま流されるということになります。地元で、昼間の需要がある青い線。こちらのものがあれば、そこを誘導してあげると良くなるというのと、それでもちょっと余る分っていうのは、蓄電池を付けてあげれば自給率は高まる。そんな想定をしております。

実際これが結果なんですけれども、何もなかった場合、融通しなかった場合というのは、想定ですと8割ぐらい7割ぐらいの余剰なんですけども、地元の昼間はですね、使うようなところと取引をすると、ある一定程度のものを使われて、最後EVも含めた蓄電みたいなものがありますと、さらに全体最適に近づくというような形になります。

どんな価格の水位になるかというところなんですけれども、これが1日なんですが、昼間太陽光がよく照った日だとして、想定以上に発電してる場合なんですが、昼間非常に価格が落ちてきて、最後太陽光は限界コストゼロで売れなかった場合は発電させないというような仕組みで計算していますので、直前まで売れなかったらほとんどゼロ円のような成り行きの入札をしてきて、価格が下がる。というのは、これ時間軸上で価格が下がっているっていうのがあります。

これが、突然曇った日は真逆になりまして、ここまで下がるところがどんどん上がっていくというようなことになって、非常に面白いということです。

電気ビジネスのマーケット変容

全体でみると、発電と消費者をマッチングするような話なんですけれども、今までの電力ビジネスというのは大規模なもの。上だけで話してたものが、だんだん主流が下の方の消費者に移ってきて、こっちのものまでちゃんとマッチングしようとすると、ちょっと違うテクノロジーがいるよねということで、こんな研究をしているわけです。

こういうものをやり始めてから、いろんな会社さんからご興味をいただきまして、30社ぐらいの会社さんと、今やらせてもらっています。電力会社さんとか、自動車会社さん、あとはシステムベンダーさん、商社さんとか、金融関係。こういったところと一緒に勉強させていただきながら、このプロジェクトを進めさせてもらっています。

最後のまとめは読んでいただければと思いますが、時間がきましたので、こちらで私のご説明を終わりにしたいと思います。ご清聴ありがとうございました。

質疑応答

司会:田中さんありがとうございました。それでは、質問の時間をとりたいと思いますので、質問のある方、手を挙げてください。

質問者:今日はありがとうございます。その取引のときに、再エネの発電の予測と需要の予測をして、計画を立てて取引すると思うんですけども、結構太陽光とかだと、瞬間的に影がかかったりとか、需要の予測と誤差が出てきたりとか、そういうときに、ある程度規模が大きくなれば、ならし的にその誤差が吸収できると思うんですけれども、これをやるときにどれくらいのスケールで取り組み始めたらいいものなのか、お伺いしたいのですが。

田中:ご質問ありがとうございます。系統線を持っているものは、託送代行ということになりまして、30分間の同時同量が求められるのですけれども、数秒レベルの誤差というのは系統にちょっとお願いすると。それは、託送料金に入っている、という理解です。多分シビアになってくるのは、先ほどお見せした自営線の赤い線の方なんですけども、こちらはミリ単位、ミリセカンジレベルで、同じ同時同量で発生してないと、問題になりますので、バッテリーを持っている人が共同で支えあうような、そんな仕組みを考えていて、そこで出し入れをしてくれた人は、月一回精算する。そんな形の仕組みというのを考えています。さらに蓄電池を持ってない人は、確率発生確率に基づいて入札をしてもらって、達成できなかった場合にはペナルティ、託送でいうとインバランス料金をお支払いをいただくことになります。今仮設ですけども、そんな形で進めています。

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