電動車充電インフラと電力網の連携
電動車（EV）の普及が世界的なトレンドとなり、自動車産業は歴史的な転換期を迎えている。しかし、その裏で深刻な課題が浮き彫りになりつつある。それは、車両の販売台数の急増に比べて、著しく遅れている充電およびバッテリー交換インフラの整備だ。多くのEVユーザーは、日常的に充電スポットの不足、利用待ちの長蛇の列、あるいは最寄りの充電設備が見つからないというジレンマに直面している。このインフラのギャップは、単にユーザーの利便性を損なうだけでなく、地域の電力配電網そのものの安定性にも深刻な影響を及ぼす可能性がある。
こうした状況の中、中国の学術誌『機電情報』に掲載された画期的な研究が、この複雑な課題に科学的かつ体系的な解決策を提示している。同誌2024年第8号に掲載された論文「配電網基準に適合する充電・バッテリー交換施設の計画に関する拡張的研究」は、国家電網睢寧県電力供給会社の張雲飛（Zhang Yunfei）氏と徐成（Xu Cheng）氏、そして上海博英情報科技有限公司の徐芸鳴（Xu Yiming）氏と宗祥華（Zong Xianghua）氏による共同研究である。この研究は、EVインフラの計画が電力網の安定運転に与える影響を深く分析し、電力網の基準と密接に連携した最適なインフラ配置のフレームワークを提示することで、持続可能なEV社会の実現に向けた道筋を示している。
研究の核心は、EVの普及がもたらす電力需要の変化が、従来の電力網計画の前提を根本から覆しているという認識にある。従来の電力需要は、家庭や産業の使用パターンに基づき、比較的予測可能なものであった。しかし、EVの充電行動は、走行距離、駐車時間、ユーザーの習慣などに大きく左右され、その時間的・空間的な分布に極めて高い不確実性とランダム性がある。この「予測不能な負荷」が大量に電力網に接続されれば、局所的な過負荷、電圧の低下、ピーク電力の急上昇といった問題を引き起こし、停電のリスクさえも高める。
研究チームは、この影響を定量的に分析するために、EVの保有台数（浸透率）と電力網の平均負荷の関係を詳細に調査した。その結果は衝撃的だった。分析対象地域において、EVの浸透率が0%のとき、配電網の日平均負荷は1,030.8kWであった。これが浸透率20%に達すると、負荷は1,611.7kWにまで跳ね上がり、56%もの増加となった。そして、浸透率が50%に達した時点で、日平均負荷は2,481.0kWにまで膨れ上がり、初期値の2.4倍以上に達した。これは、単純な線形増加ではなく、EV台数の増加に伴い、電力需要が非線形に急激に拡大する傾向を示している。この事実は、電力網の設計が「現在の需要」ではなく、「未来のピーク需要」を見越して行われなければならないことを強く示唆している。
この非線形な負荷増加に対応するため、研究では、電力供給エリアの区分け方法の見直しを提唱している。従来、都市部、郊外、農村などは、その地域の「負荷密度（MW/km²）」に基づいて分類され、それに応じた電力網の設備規模が決定されてきた。しかし、EVの普及により、既存の負荷密度の基準では、新たな電力需要をカバーしきれない。そこで、研究チームは、EVがもたらす追加負荷を前提に、各供給エリアの負荷密度の区分け基準を「2倍」に引き上げるべきだと提案している。つまり、今後EVが大量に普及すると予想される都市中心部（Aエリア）や住宅地（B、Cエリア）では、従来の2倍の電力需要を見込んで、変電所や送電線の増強計画を立てる必要がある。この前向きなアプローチは、後から高コストで修復工事を行うのではなく、初めから十分な余力を備えた堅牢な電力網を構築するための鍵となる。
さらに、変電所の計画技術原則についても、EV時代に適応した修正が必要であると論じている。まず、「負荷率」の計算方法に変更を加えるべきだ。従来の負荷率は、線路の定格容量に対する実際の負荷の割合を示すが、これに「EV充電予備容量」を明示的に加えることを提案している。これは、線路の安全限界から、既存の予備容量に加えて、今後増えるEV充電分の予備容量を差し引いた上で、実際の負荷率を算出するという意味である。これにより、EVの充電需要が急増した場合でも、線路が過負荷になるリスクを事前に可視化し、適切な対策を講じることができる。
次に、「設備負荷比」（容載比）の見直しも重要だ。これは、変電所の総変圧器容量とそのエリアの最大電力需要の比率を示す指標である。この比率が高ければ、需要の急増や設備故障に備えた余力が大きいことを意味する。研究では、EVの大量接続を見据え、この設備負荷比の基準値を引き上げるべきだと提言している。これにより、変電所がEVのピーク需要に耐えうる十分な容量を持つようになり、電力の安定供給が確保される。
また、電力の質を保つ「無効電力補償」についても、新たな規定が必要とされる。EVの急速充電器は、電力系統に高調波と呼ばれる歪みを生じさせる可能性がある。これを防ぐため、充電・バッテリー交換ステーションには、無効電力を補償する装置を設置し、電力系統に無効電力を逆送しないよう厳しく規定すべきだと指摘している。
電力網の構造についても、興味深い洞察が示されている。研究では、バッテリー交換方式（バッテリースワップ）が、電力網にとって非常に有益な選択肢である可能性に言及している。従来の充電とは異なり、バッテリー交換ステーションでは、取り外されたバッテリーを「電力需要の少ない夜間」に集中して充電することができる。これにより、昼間の電力ピーク時に大規模な充電負荷が発生するのを避け、電力需要の「平準化」を実現できる。これは、電力網の負担を軽減するだけでなく、夜間に余剰となる再生可能エネルギー（風力など）を有効活用するチャンスでもある。したがって、都市部へのバッテリー交換ステーションの導入は、単なる利便性向上ではなく、電力系統全体の最適化戦略として位置づけるべきだ。
変電所の配置計画においても、EVの特性を踏まえた戦略が必要となる。研究では、EVの接続ポイントを電力配電線の「末端」ではなく、「始端」に配置することを推奨している。電力は送電線を伝わる過程で抵抗により損失（電圧降下）が生じる。多くのEVが線路の末端で一斉に充電を始めると、末端の電圧が大きく低下し、他のユーザーにも悪影響を及ぼす。これを防ぐため、大規模な充電需要を見込むエリアには、変電所から近い線路の始端側に接続するように設計することで、電圧の安定性を確保できる。
最後に、研究は、具体的な変電所の容量設定に関する実用的な指針を提供している。都市の中心部（Aエリア）から農村部（Eエリア）までの5つのタイプのエリアに分け、それぞれに適した変電所の容量、台数、そしてその変電所が支えることのできるEV台数の範囲を示している。例えば、Aエリア（高密度都市部）では、63MVAの変圧器を3〜4台設置することで、3,300台から7,400台のEVを支えることが可能とされている。一方、Eエリア（農村部）では、3.15MVAの変圧器1〜2台で、最大6,300台のEVを支えることが可能とされている。この差は、「同時率」と呼ばれる指標に起因する。都市部では多くのEVが同時に充電する可能性が高く（同時率が高い）のに対し、農村部では充電時間が分散しやすい（同時率が低い）ため、小さな変電所でも多くのEVを支えられるのである。
このように、張雲飛氏らの研究は、EVインフラの計画を単なる「設備の設置」から、「電力系統全体の最適化」へと視点を昇華させている。それは、自動車メーカー、電力会社、自治体、不動産開発業者が密接に連携し、都市計画の初期段階からEVの電力需要を組み込むことを強く求めている。この研究は、中国の文脈で行われたものではあるが、その分析手法と提言は、EVの普及が進む世界中の都市に普遍的な示唆を与えるものである。電動化の未来は、高性能なバッテリーだけではなく、それを支えるインテリジェントな電力網の構築にかかっている。この研究は、そのビジョンを現実のものにするための、確かな一歩である。
張雲飛、徐成、徐芸鳴、宗祥華、機電情報、DOI: 10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.08.001