共有エネルギーストレージがEV充電コストを削減
中国の南京工程学院と华北電力大学の研究者たちによる画期的な研究が、電気自動車（EV）充電ステーションの運用コストを大幅に削減する新たな戦略を明らかにした。研究チームは「共有エネルギーストレージ」モデルを導入することで、投資コストと運用コストの両方で顕著な削減効果を実証し、EVインフラの将来に向けた強力な経済的ロードマップを提示した。この研究の成果は、Electric Power Engineering Technology誌に掲載され、EVの普及に伴うインフラ課題に新たな解決策を提示するものである。
EVの保有台数が急増する中、そのインフラである充電ステーションの需要は高まる一方だ。しかし、大量のEVが無秩序に充電を行うと、地域の電力網に過度の負荷がかかり、電力料金の高騰を招く。従来の対策として、各充電ステーションに個別に蓄電池を設置する方法が考えられるが、これは初期投資が大きく、設備の稼働率が低いという経済的な課題を抱えていた。この問題を解決する鍵として注目されているのが、「共有エネルギーストレージ」の概念である。これは、複数の充電ステーションが共同で利用する大規模な集中型蓄電システムを指し、運営コストの分担と設備の高効率利用を可能にする。
本研究は、この共有モデルの経済性を科学的に検証するもので、南京工程学院の卞海红（Bian Haihong）博士らが率いるチームによって行われた。彼らは、複雑な「二層最適化モデル」を構築し、共有蓄電池の最適な規模と運用方法を明らかにした。このモデルは、長期的な「計画層」と短期的な「運用層」の二つのレベルで構成されている。計画層の目的は、充電ステーションの年間総コスト（初期投資コストと運用コストの合計）を最小化することである。これにより、共有蓄電池の最適な容量（kWh）と最大出力（kW）が決定される。一方、運用層の目的は、1日という単位での運用コストを最小化すること。この層では、時間帯別電力料金（ピーク、オフピーク）を巧みに利用し、蓄電池の充放電タイミングとEVの充電スケジュールを最適化する。
研究チームは、3つの異なる充電ステーション（1つは太陽光発電、2つは風力発電を主電源とする）を対象に、4つの異なるシナリオでシミュレーションを行った。その結果、共有エネルギーストレージモデルの優位性が明確になった。
まず、個別に蓄電池を保有する「分散型蓄電」モデルでは、各ステーションが自社の需要に備えて大規模な蓄電池を保有する必要があるため、初期投資が膨大になる。特に、EVの無秩序な充電がピーク電力料金と重なると、電力会社からの購電コストが跳ね上がり、経済的には非常に不利な状況となる。
次に、「連携型蓄電」モデルでは、隣接する充電ステーション同士が電力を融通し合う。これにより、あるステーションの余剰再生可能エネルギーを他所で活用できるため、効率は向上する。しかし、ステーション間を結ぶ送電線の建設コストが新たに発生し、各ステーションに蓄電池を設置する必要があるという、分散型の根本的な問題は解消されない。
ここで、研究の核心である「共有エネルギーストレージ」モデルの成果が顕著に現れる。シミュレーションの結果、共有モデルは、分散型モデルに比べて、総運用コストを12.5%、電力会社からの電力量購入を7.9%削減できた。最も驚くべき点は、必要な蓄電池の規模である。共有モデルで必要な蓄電池の容量は、分散型モデルで必要な3つの蓄電池の合計容量の38.8% に過ぎず、出力も37.0% にまで削減された。これは、複数のステーションの需要の「ばらつき」を巧みに吸収し、全体としての設備利用率を飛躍的に高めることで達成された。つまり、3つのステーションが個別に大規模な蓄電池を保有するよりも、1つの大きな共有蓄電池を効率的に運用する方が、はるかに経済的であるという結論だ。
この経済的な優位性は、共有モデルが持つ「ダイナミック・プライシング」（動的価格付け）メカニズムにも起因する。このモデルでは、充電ステーションが共有蓄電池を利用する際に支払う「サービス料金」が、システム内の電力の需給バランスに応じて変動する。具体的には、太陽光や風力の発電量が多すぎて余剰電力が生じているとき（供給過剰）、蓄電池に電力を蓄える（充電）際の料金は低くなる。逆に、多くのEVが充電を必要とするピーク時間帯（需要過剰）に蓄電池から電力を取り出す（放電）際の料金は高くなる。この価格信号により、各ステーションは、電力が安い時間帯に蓄電し、高い時間帯に放電するよう自然と誘導され、全体のコストが最適化される。研究によれば、この内部取引コストは、連携型モデルよりも低く抑えられ、共有モデルの経済性をさらに高めている。
さらに、研究は共有モデルの実用性を高めるための重要な要素を分析している。その一つが「サービス料金」の設定である。料金が高すぎると、ステーションは共有蓄電池の利用を控え、安価なオフピーク電力に頼るようになる。逆に料金が安すぎると、共有蓄電池への依存度が高まり、その運用コストが全体のコストを押し上げる。研究は、この料金を適切に設定することで、コスト削減の効果を最大化できることを示している。
もう一つの重要な要素は「V2G（Vehicle-to-Grid）」の活用とそのコストである。V2Gとは、EVのバッテリーを電源として電力網に電力を供給する技術を指す。共有蓄電池が放電する代わりに、EVが放電することで、さらにピーク電力の購入を削減できる。しかし、EVのバッテリーを放電することは、バッテリーの劣化を促進し、所有者に損失をもたらす。そのため、EV所有者には「放電損失補償」を支払う必要がある。研究は、この補償単価が高くなるほど、V2Gの利用が減少し、代わりに共有蓄電池や電力会社からの購電に頼るようになることを示している。つまり、共有蓄電池の経済性は、V2Gの活用に依存するが、その活用はEV所有者の補償コストに左右されるという、非常に現実的な課題が浮き彫りになった。
この研究の意義は、単にコスト削減の数字を示すことにとどまらない。それは、EV充電インフラの運営哲学そのものを変えるものだ。従来の「各ステーションが自給自足する」という閉鎖的な考えから、「複数のステーションが資源を共有し、協力して効率を高める」というオープンで協調的な考え方にシフトする必要性を強く示唆している。この共有モデルは、充電ステーション事業者にとっては運用コストの削減という直接的な利益をもたらし、電力会社にとっては、需要の平準化による電力網の安定化という恩恵をもたらす。また、都市計画の観点からは、より効率的で持続可能な都市エネルギーシステムの構築を可能にする。
もちろん、このモデルの成功には、事業者間の信頼と協力が不可欠である。各ステーションが、自社の利益だけでなく、全体の最適化に貢献する意識を持つことが求められる。ビジネスモデルとしては、第三者のエネルギー・サービス会社が共有蓄電池を所有・運営し、各ステーションにサービスを提供する「シェアリング・エナジー・サービス」の形態が考えられる。あるいは、複数の充電ステーション事業者が共同で出資し、協同組合として運営するという形態も可能だ。いずれにせよ、この研究が提供する科学的根拠は、こうした新しいビジネスの創出を後押しするものである。
さらに、共有蓄電池は、再生可能エネルギーの導入を促進する。太陽光や風力は出力が不安定だが、共有蓄電池があれば、発電量が多すぎる「余剰電力」を蓄えておき、発電量が少ない時間帯に利用できる。研究では、共有モデル下では、すべての再生可能エネルギーが有効活用され、無駄に捨てられる「カーテルメント」が発生しないことが確認されている。これは、EVの普及が「電力の脱炭素化」に貢献するという本質的な目的を、より確実に達成するための重要な一歩である。
結論として、卞海红、李灿、童宇轩らの研究は、EV充電ステーションの経済性という課題に対して、単なる技術的解決にとどまらず、新たなビジネス・エコシステムの構築を提案している。共有エネルギーストレージという「共通の資産」を軸に、各ステーションが協力し合うことで、コストの大幅削減、電力網の安定化、再生可能エネルギーの活用促進という、三つの大きなメリットを同時に実現できる可能性を示した。世界中でEVの普及が進む中、この研究は、インフラ整備の新たな指針となり、よりスマートで、効率的で、持続可能なモビリティ社会の実現に向けた重要な一歩となるだろう。
卞海红、南京工程学院；李灿、南京工程学院；童宇轩、华北電力大学。Electric Power Engineering Technology。DOI: 10.12158/j.2096-3203.2024.05.017