スマート価格戦略で都市ネットワークの排出量を削減
電動化の波は、都市の交通とエネルギーのあり方を根本から変えようとしている。世界中の都市が、電気自動車（EV）の普及を温室効果ガス排出量削減の鍵として捉えている中、中国の研究者たちが、EV充電インフラの運営と環境負荷の軽減に革命をもたらす可能性を秘めた画期的な研究を発表した。この研究は、充電ネットワーク事業者（CNO）が自らの利益を追求する過程で、意図せず都市全体の二酸化炭素（CO₂）排出量を大幅に削減できるという、驚くべき相乗効果を明らかにした。
従来のEV充電モデルでは、充電ステーションは単なる「電力販売所」として扱われ、配電網（PDN）から供給される電力価格をそのままユーザーに転嫁するだけの受動的な存在であった。しかし、遼寧工科大学の劉傲陽（Liu Aoyang）と劉健辰（Liu Jianchen）氏が率いる研究チームは、この考え方に一石を投じる。彼らは、CNOを都市の交通網（UTN）と電力網が交差する「戦略的ハブ」として再定義し、充電価格の設定という強力なツールを通じて、交通の流れと電力の流れを同時に最適化できる可能性を示した。
この研究の核心は、CNOが「最適価格戦略」を用いることで、単に利益を最大化するだけでなく、環境負荷の軽減にも貢献できるという点にある。研究チームは、CNOが各充電ステーションごとに異なる価格を設定することで、EVユーザーの行動を巧妙に誘導できることを突き止めた。例えば、太陽光発電（PV）設備を備えた電力網に接続された充電ステーションでは、価格を下げることで、多くのEVがその場所で充電するようになる。これにより、化石燃料に依存する電力網の負荷が分散され、結果として都市全体のCO₂排出量が減少する。
このプロセスの巧妙な点は、CNOの動機が純粋に経済的であるにもかかわらず、環境への配慮が自然と組み込まれていることだ。CNOの目標はあくまで「利益の最大化」。しかし、太陽光発電からの電力は、炭素税などの環境コストがゼロであるため、仕入れ価格が比較的安価になる。CNOは、この「安い仕入れ価格」のステーションにユーザーを集める（価格を下げて誘導する）ことで、より多くの充電量を捌き、総利益を上げることができる。このように、経済的インセンティブと環境的成果が完全に一致する仕組みが構築されている。
この理論を実証するために、研究チームは複雑なシミュレーションを実施した。有名なNguyen-Dupuis交通網とBaran & Wuの33ノード配電網を組み合わせた仮想都市を構築し、4つのEV充電ステーションを異なる電力網に接続した。特に注目すべきは、1つの電力網には太陽光発電所が接続されており、昼間の発電時にはその電力網の「炭素濃度」が著しく低下するという設定だ。
シミュレーションの結果は、従来の価格設定モデルと、この新しい最適価格戦略との間に明確な差を示した。まず、「均一価格」モデルでは、すべてのステーションで同じ料金を設定するため、ユーザーは最も近い場所で充電する。これは、効率的ではなく、炭素濃度の高い電力網に負荷が集中する可能性がある。
次に、「LMP（位置限界価格）ベース価格」モデルでは、各ステーションの電力仕入れ価格（LMP）に単純にマージンを上乗せする。これにより、電力が安いステーションにユーザーが集まるが、その「安さ」が必ずしも「環境に優しい」ことを意味しない。化石燃料発電が安い場合、ユーザーはむしろ「高炭素」のステーションに流れてしまう可能性がある。
一方、「最適価格戦略」を採用したCNOは、太陽光発電網に接続されたステーション（EVCS3）の価格を意図的に下げた。その結果、EVユーザーはこの「グリーンな選択肢」に強く惹かれ、充電需要が大きくシフトした。驚くべきことに、この戦略はCNOの利益を均一価格モデルに比べて16.78%も向上させた。利益を上げながら環境負荷を減らすという、一見矛盾する目標を同時に達成したのだ。
この成功の背景には、研究チームが開発した「分散型アルゴリズム」がある。都市の交通、電力、充電インフラは、それぞれ異なる組織が運営しており、機密情報の共有は現実的ではない。この研究では、交通網、電力網、CNOがそれぞれ独立して計算を行い、最小限の情報（価格、需要予測など）だけをやり取りすることで、全体の最適解を導き出す手法を採用した。これにより、各組織のプライバシーを守りつつ、システム全体の最適化が可能になった。
時間軸に沿った分析も非常に示唆に富んでいる。夜間や早朝は太陽光発電が働かないため、価格戦略による排出量削減効果は限定的だ。しかし、昼間、特に正午前後になると、太陽光発電の出力がピークに達し、グリーン電力網の価格優位性が最大になる。この時間帯にCNOが価格を調整することで、最大の排出量削減効果が得られる。シミュレーションでは、午前11時頃にCNOの利益が最大（753.09元）となり、同時に排出量が最小（12.07kg）となるという理想的なシナリオが実現した。これは、経済活動のピークと再生可能エネルギーの供給ピークが一致する瞬間を、価格信号で巧みに活用していることを意味する。
この研究の意義は、単なる理論的な成果にとどまらない。都市の政策立案者、電力会社、そして充電インフラ事業者にとって、実践的な指針を提供している。政策の観点からは、CNOに価格設定の裁量を認めることの重要性が浮き彫りになる。均一な価格規制では、このようなスマートな最適化は不可能だ。一方で、独占的な価格引き上げを防ぐため、平均価格の上限を設けるなどのバランスの取れた規制が必要となる。
充電インフラ事業者にとっては、新たなビジネスチャンスが開かれる。価格を「コストの回収」から「需要の誘導」のツールに転換することで、単なるインフラ提供者から「スマートモビリティのファシリテーター」へと進化できる。特に、再生可能エネルギーを活用したステーションは、「低炭素充電ゾーン」としてマーケティングし、環境意識の高いユーザーを惹きつけることができる。
電力会社にとっても、この研究は価値がある。EVの充電需要は、電力需要の新たな大きな変動要因となるが、CNOが価格を介してその需要を制御できれば、電力網の安定運用が格段に容易になる。ピークシフトや、再生可能エネルギーの出力変動への対応が、より柔軟かつ効率的に行えるようになる。
結論として、劉傲陽氏と劉健辰氏の研究は、電動化時代の都市インフラのあり方を根本から問い直すものである。EVの普及は、車の動力源を変えるだけの話ではない。交通とエネルギーという二大インフラが深く連携し、価格という市場メカニズムを通じて、経済的利益と環境保護という二つの目標を同時に達成する、新しいパラダイムの到来を示している。この研究は、単なる技術的進歩ではなく、持続可能な都市の未来を描くための、重要な一歩である。
劉傲陽，劉健辰. 低炭素目標下電氣化交通網最優価格戦略. 電氣技術, 2024, 25(5).