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[MZZ43-P04] 高解像度領域気候予測データにおける風力発電量の将来変化
キーワード：風力発電、気候変動、自己組織化マップ
1. はじめに
地球温暖化対策の観点から、今後数十年における風力発電の大量導入が計画されている。一方、風力発電出力は天候に依存するため、気候変動から影響を受ける可能性が指摘されている（e.g., Pryor et al. 2010, RSER）。マルチ気候モデル実験の分析結果では、将来北半球中緯度で風力賦存量が低下すると考えられ、その中でも日本域は最も減少すると予測されている（Karnauskas et al. 2018, NG）。また、風速の変動に起因する急激かつ大幅な出力増減（Ohba et al. 2016, RE）や低出力（Ohba et al. 2022a, RSER; 2023, RSER）は、風力発電の主要な問題の1つである。そこで、本研究では、高解像度の気候アンサンブルデータを用いて、気候変動が日本の風力発電量とその変動性に与える影響を調査するとともに、機械学習を使用した要因分析を行った。
2. 風力発電量の推定
風力発電量の推定には、d4PDF（地球温暖化対策に資するアンサンブル気候予測データベース、Mizuta et al. 2017, BAMS）による現在気候（20世紀後半過去実験）・将来気候（2度/4度上昇）条件を想定とした領域気候予測データを使用した（一時間値、20km/5km：Kawase et al. 2016, CC; 2018, PEPS）。モデルの地上10 m風速にべき乗則を用いて高さ80 mの風速を推定し、得られた風速にウインドファーム型のパワーカーブを適用することで毎時の風力発電量（単位：p.u.）を推定し、各月の賦存量および、急速変動事象（ランプ）・低出力事象（無風）の発生量とその将来変化を得た。
3. 風力発電量とその変動性の将来変化
日本周辺の風力資源（賦存量）の将来変化は、年平均では本州から南沖合にかけて3~15%程度減少する傾向を示した。陸上では西日本の太平洋側と中部日本の日本海側でより顕著な減少を示した。現在気候における発電量は冬のモンスーンにともない北西風が強くなる北半球の冬季に最大になる。一方、夏から秋にかけては小さい。将来変化率は季節によって異なり、夏から秋にかけて（そもそもの発電量が低いものの）は、日本のほとんどの地域で減少する傾向を示したが、冬から春にかけては、一部の陸上平野部では増加する地域もある（特に北日本において）。また発電量の低下にともない、急速変動事象の減少や低出力の増加が見られた。
日々の気象場の変化は発電量の変化に直結する。自己組織化マップによる気象場のクラスタリングを実施することで、将来変化の要因を力学（パターン頻度の変化）と熱力学（パターン内風速の変化）に分離した。その結果、冬季賦存量の大規模な減少は主に力学効果に起因するが、北日本陸上平野部での増加は熱力学効果から生じていた。前者は冬季東アジアモンスーン気流の弱化、後者は気温上昇にともなう積雪被覆の減少（鉛直運動量のエントレインメントが増加）と関係していると考えられる。
4. 今後の課題
高解像度領域気候予測データから全国大では将来の風力資源低下が見られたものの、東北域（現状風力の導入量の最も多い）での低下は中央～西日本域に比べると相対的に小さいものであった。気候変動による風力発電量の低下が見込まれる一方で、太陽光発電量（宇野他2022, JPGU）・電力需要（Takane et al. 2019, CAS）の増加や水力資源の減少（Ohba et al. 2022, JC; 2022, WACE）も見込まれており、系統安定性などの面から、今後エネルギーシステム全体での統合的な影響評価や再エネ最適配置の分析を実施することが必要である。将来における我が国のエネルギーセキュリティ確保の観点から気候予測データの利用は今後ますます重要になるであろう。
主な参考文献：
Ohba, M., 2019: The Impact of Global Warming on Wind Energy Resources and Ramp Events in Japan. Atmosphere, 10, 265.
Ohba, M., et al. 2016: Impacts of Synoptic Circulation Patterns on Wind Power Ramp Events in East Japan, Renewable Energy, 96, 591–602.
Ohba, M., et al. 2022a: Climatology of Dark Doldrums in Japan, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 155, 111927.
Ohba, M., et al. 2023: Effects of meteorological and climatological factors on extremely high residual load and possible future changes, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 175, 113188.
地球温暖化対策の観点から、今後数十年における風力発電の大量導入が計画されている。一方、風力発電出力は天候に依存するため、気候変動から影響を受ける可能性が指摘されている（e.g., Pryor et al. 2010, RSER）。マルチ気候モデル実験の分析結果では、将来北半球中緯度で風力賦存量が低下すると考えられ、その中でも日本域は最も減少すると予測されている（Karnauskas et al. 2018, NG）。また、風速の変動に起因する急激かつ大幅な出力増減（Ohba et al. 2016, RE）や低出力（Ohba et al. 2022a, RSER; 2023, RSER）は、風力発電の主要な問題の1つである。そこで、本研究では、高解像度の気候アンサンブルデータを用いて、気候変動が日本の風力発電量とその変動性に与える影響を調査するとともに、機械学習を使用した要因分析を行った。
2. 風力発電量の推定
風力発電量の推定には、d4PDF（地球温暖化対策に資するアンサンブル気候予測データベース、Mizuta et al. 2017, BAMS）による現在気候（20世紀後半過去実験）・将来気候（2度/4度上昇）条件を想定とした領域気候予測データを使用した（一時間値、20km/5km：Kawase et al. 2016, CC; 2018, PEPS）。モデルの地上10 m風速にべき乗則を用いて高さ80 mの風速を推定し、得られた風速にウインドファーム型のパワーカーブを適用することで毎時の風力発電量（単位：p.u.）を推定し、各月の賦存量および、急速変動事象（ランプ）・低出力事象（無風）の発生量とその将来変化を得た。
3. 風力発電量とその変動性の将来変化
日本周辺の風力資源（賦存量）の将来変化は、年平均では本州から南沖合にかけて3~15%程度減少する傾向を示した。陸上では西日本の太平洋側と中部日本の日本海側でより顕著な減少を示した。現在気候における発電量は冬のモンスーンにともない北西風が強くなる北半球の冬季に最大になる。一方、夏から秋にかけては小さい。将来変化率は季節によって異なり、夏から秋にかけて（そもそもの発電量が低いものの）は、日本のほとんどの地域で減少する傾向を示したが、冬から春にかけては、一部の陸上平野部では増加する地域もある（特に北日本において）。また発電量の低下にともない、急速変動事象の減少や低出力の増加が見られた。
日々の気象場の変化は発電量の変化に直結する。自己組織化マップによる気象場のクラスタリングを実施することで、将来変化の要因を力学（パターン頻度の変化）と熱力学（パターン内風速の変化）に分離した。その結果、冬季賦存量の大規模な減少は主に力学効果に起因するが、北日本陸上平野部での増加は熱力学効果から生じていた。前者は冬季東アジアモンスーン気流の弱化、後者は気温上昇にともなう積雪被覆の減少（鉛直運動量のエントレインメントが増加）と関係していると考えられる。
4. 今後の課題
高解像度領域気候予測データから全国大では将来の風力資源低下が見られたものの、東北域（現状風力の導入量の最も多い）での低下は中央～西日本域に比べると相対的に小さいものであった。気候変動による風力発電量の低下が見込まれる一方で、太陽光発電量（宇野他2022, JPGU）・電力需要（Takane et al. 2019, CAS）の増加や水力資源の減少（Ohba et al. 2022, JC; 2022, WACE）も見込まれており、系統安定性などの面から、今後エネルギーシステム全体での統合的な影響評価や再エネ最適配置の分析を実施することが必要である。将来における我が国のエネルギーセキュリティ確保の観点から気候予測データの利用は今後ますます重要になるであろう。
主な参考文献：
Ohba, M., 2019: The Impact of Global Warming on Wind Energy Resources and Ramp Events in Japan. Atmosphere, 10, 265.
Ohba, M., et al. 2016: Impacts of Synoptic Circulation Patterns on Wind Power Ramp Events in East Japan, Renewable Energy, 96, 591–602.
Ohba, M., et al. 2022a: Climatology of Dark Doldrums in Japan, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 155, 111927.
Ohba, M., et al. 2023: Effects of meteorological and climatological factors on extremely high residual load and possible future changes, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 175, 113188.