容量係数

Electrical production measure

米国EIA月次稼働率2011-2013

正味設備利用率とは、一定期間における実際の電気エネルギー出力と、その期間における理論上の最大電気エネルギー出力との比を単位としない数値です。 ^{[1]特定の設備の理論上の最大エネルギー出力は、当該期間において定格}出力で連続運転した場合の出力と定義されます。設備利用率は、燃料消費型の発電所や、風力、太陽光、水力発電などの再生可能エネルギーを利用する発電所など、あらゆる発電設備について計算できます。平均設備利用率もまた、あらゆるクラスの発電設備について定義することができ、異なるタイプの発電設備を比較するために使用できます。

当該期間中の実際の発電量と設備利用率は、様々な要因によって大きく変動します。設備利用率は、当該期間中の稼働率、つまり稼働時間を超えることはありません。稼働時間は、例えば信頼性の問題や、計画的あるいは計画外のメンテナンスなどにより減少する可能性があります。その他の要因としては、設備の設計、立地、発電の種類、そして使用される燃料、あるいは再生可能エネルギーの場合は地域の気象条件などが挙げられます。さらに、設備利用率は規制上の制約や市場の力の影響を受ける可能性があり、燃料調達と電力販売の両方に影響を及ぼす可能性があります。

設備利用率は、通常、年間のタイムスケールで計算され、ほとんどの時間的変動を平均化します。ただし、季節変動を把握するために、1か月間のスケールで計算することもできます。あるいは、電源の稼働中および廃止後の両方を含む、電源の寿命全体にわたって計算することもできます。設備利用率は、全負荷時間に変換して表現することもできます。

式

電卓

電気	0.5MWh​
容量	1MW​
期間	1
容量係数	0.5

${\displaystyle \mathrm {CF} ={\frac {E_{t}}{P_{n}\times t}}}$

どこ：

• ${\displaystyle E_{t}}$期間内の総電気エネルギー（キロワット時（kWh）またはメガジュール（MJ）単位） ${\displaystyle t}$
• ${\displaystyle P_{n}}$デバイスまたはシステムの銘板容量（定格または設置電力）（例：キロワット（kW ））
• ${\displaystyle t}$考慮される合計期間（時間または年数など）です。

エネルギーと電力に一貫した単位（例えば、エネルギーにはメガワット時（MWh）、電力にはメガワット（MW））を使用し、時間を時間で表すと、単位は「打ち消されます」。例えば、1MWの発電所が1時間あたり0.5MWhを発電する場合、その設備利用率は以下のようになります。

${\displaystyle \mathrm {CF} ={\frac {0.5\,\mathrm {MWh} }{1\,\mathrm {MW} \times 1\,\mathrm {h} }}=0.5=50\%}$

計算例

原子力発電所

世界の原子力発電設備利用率

原子力発電所は、設備利用率の範囲の上限に位置し、理想的には稼働率、すなわち保守と燃料交換のみによって低下します。米国最大の原子力発電所であるパロベルデ原子力発電所は、3基の原子炉を合計した定格出力が3942MW。2010年の年間発電量は​31 200 000  MWh ^[2]となり、設備利用率は $${\displaystyle {\frac {31\,200\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{days}})\times (24\ {\text{hours/day}})\times (3942\ {\text{MW}})}}=0.904=90.4\%.}$$

パロベルデ原子力発電所の3基の原子炉はそれぞれ18ヶ月ごとに燃料交換が行われており、春と秋に1回ずつ行われます。2014年の燃料交換は記録的な28日間で完了しました^[3]。これは、 2010年の稼働率に相当する35日間の停止期間と比較して大幅に短縮されたことを意味します。

2019年には、プレーリーアイランド1が米国のユニットの中で最も高い係数を示し、実際に104.4％に達しました。^[4]

風力発電所

デンマークの洋上風力発電所Horns Rev 2の定格出力は209.3MWである。2017年1月時点で、 7年前の稼働開始以来6416GWhを発電しており、これは年間平均発電量875GWh、設備利用率は^[5][update]である。 $${\displaystyle {\frac {875\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{days}})\times (24\ {\text{hours/day}})\times (209.3\ {\text{MW}})}}=0.477=47.7\%.}$$

設備利用率が低い場所でも風力発電所の建設は可能とみなされる可能性があります。例えば、2017年現在ノルウェーで建設中の陸上1GWのFosen Vindは^[update]、設備利用率が39%と予測されています。実現可能性の計算は季節要因の影響を受ける可能性があります。例えば、フィンランドでは、寒い冬の間の設備利用率は7月に比べて2倍以上になります。^[6]フィンランドの年間平均は29.5%ですが、^[6]暖房エネルギーの需要が高いため、冬季の設備利用率は高くなります。

一部の陸上風力発電所では、設備利用率が60％を超えることもあります。例えば、ニカラグアの44MWのエオロ発電所では、2015年の純発電量が232.132GWhで、設備利用率は60.2％でした^[7]。一方、米国の2013年から2016年までの年間設備利用率は32.2％から34.7％の範囲です^{[8] 。}

風力タービンの設備利用率は、実際の生産量を可能な生産量と比較して測定するものであるため、風力で利用できるエネルギーに対する生産量を制限するベッツの係数16/27 ≈ 59.3%とは無関係です。

水力発電ダム

2017年現在、中国の三峡ダムは、定格出力22,500MWで、設備容量で世界最大の発電所となっている。2015年には87TWhを発電し、設備利用率は^[update] $${\displaystyle {\frac {87\,000\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{days}})\times (24\ {\text{hours/day}})\times (22\,500\ {\text{MW}})}}=0.45=45\%.}$$

フーバーダムの定格出力は2080MW ^[9]で、年間発電量は平均4.2TW·hである^[9] 。 （年間発電量は1984年の10.348TW·hから1956年の2.648TW·hまで変動している^[9]。）年間発電量の平均値をとると、設備利用率は $${\displaystyle {\frac {4\,200\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (2080\ {\mbox{MW}})}}=0.23=23\%.}$$

太陽光発電所

利用率が低い範囲にあるのは太陽光発電所で、大規模な太陽光発電システム(PV システム) から電力網に電力を供給します。その利用率に対する固有の制限は日光要件から来ており、できれば雲、煙、スモッグ、木や建物の構造による日陰のない日光が必要です。日光の量は時刻と季節の両方によって変化するため、利用率は通常、年間ベースで計算されます。利用可能な日光の量は、主に施設の緯度と局所的な雲量によって決まります。実際の生産量は、理想的には低いべきである埃や周囲温度などの局所的な要因の影響も受けます。どの発電所でも、最大可能電力生産量は銘板容量に年間時間数を掛けた値であり、実際の生産量は年間で電力網に供給される電気量です。

例えば、アリゾナ州北緯33度線付近に位置し、再生可能エネルギーにおける卓越性で表彰されたアグア・カリエンテ太陽光発電プロジェクトは、定格出力290MW、年間平均発電量は740GWh/年です。したがって、その設備利用率は $${\displaystyle {\frac {740\,000\ {\text{MW}}{\cdot }{\text{h}}}{(365\ {\text{days}})\times (24\ {\text{hours/day}})\times (290\ {\text{MW}})}}=0.291=29.1\%.}$$

バイエルン州北緯49度線付近に位置するラウインゲン・エネルギー・パークでは、設備利用率が著しく低くなっています。定格出力は25.7MW、年間平均発電量は26.98GWh/年で、設備利用率は12.0%です。

プラントの稼働率の決定要因

発電所の設備利用率が100%を下回る理由はいくつかあります。これには、発電所の稼働率（発電機の稼働率として知られる） といった技術的な制約、経済的な理由、エネルギー資源の可用性などが含まれます。 ${\textstyle A_{o}}$

設備の故障や定期メンテナンスのため、発電所は一定期間、運転停止または出力低下することがあります。これは、ベースロード発電所の未使用容量の大部分を占めています。ベースロード発電所は、最大限の効率性を実現するように設計され、高出力で継続的に運転されるため、通常、電力あたりのコストが低くなります。地熱発電所、原子力発電所、石炭火力発電所、固形物を燃焼させるバイオエネルギー発電所は、需要に合わせて調整することが困難なため、ほとんどの場合ベースロード発電所として運転されます。

電力が必要ない場合や、電力価格が低すぎて生産が採算が取れない場合、発電所の出力を削減したり、意図的に休止状態にしたりすることもあります。これは、ピーク時発電所や負荷追従型発電所の未使用容量の大部分を占めます。ピーク時発電所は、年間で数時間、または 1 日あたり数時間しか稼働しないことがあります。他の多くの発電所は、負荷と電力価格の変動により、1 日または 1 年の特定の時間帯のみ稼働します。たとえば、発電所が日中のみ必要な場合、年間を通じて毎日午前 8 時から午後 8 時まで (12 時間) フル出力で稼働したとしても、設備利用率は 50% しかありません。設備利用率が低いため、ピーク時発電所からの電気は、限られた発電量で発電所の固定費を賄わなければならないため、比較的高価になります。

3つ目の理由は、発電所が常に稼働できるだけの燃料を供給できるとは限らないことです。これは燃料供給が制限されている化石燃料発電所にも当てはまりますが、特に断続的な再生可能資源に当てはまります。^[10]太陽光発電と風力タービンの設備利用率は、それぞれ「燃料」である太陽光と風力の可用性によって制限されます。水力発電所は、水の供給制限や水不足により設備利用率が100%を下回る場合があり、また、現在の電力需要に合わせて出力が調整され、貯水された水を後で使用するために節約する場合があります。

停電のリスクを受け入れる姿勢、自然災害や電力網への軍事攻撃に対するレジリエンスの欠如については、各国政府によってばらつきがある。電力網のレジリエンスに影響を与えた歴史的出来事の例としては、 1991年の湾岸戦争における民間インフラへの空爆、2015年のウクライナ電力網へのハッキング、2021年のテキサス州電力危機、そしてロシアによるウクライナインフラへの攻撃（2022年～現在）などが挙げられる。リスク許容度が低い場合、電力網の中断や停電の潜在的コストを軽減するために、電力網を過剰に構築する必要が生じる可能性があり、通常の電力網条件下で必要な発電抑制の量は、技術ごとに異なる。

発電所の設備利用率が 100% にならないその他の理由としては、大気許可に関する制限や制約、発電所に出力削減を強いる送電制限などが挙げられます。

再生可能エネルギーの設備利用率

米国EIAの再生可能エネルギーの月次稼働率、2011～2013年

太陽光発電、風力発電、水力発電といった再生可能エネルギー源の場合、設備利用率が低下する主な理由は、一般的にエネルギー源の可用性です。発電所は発電能力を有していても、その「燃料」（風力、太陽光、水）が利用できない場合があります。水力発電所の発電量は、水位の上昇や下降を抑え、下流の魚に水を供給する必要性によっても影響を受ける可能性があります。しかしながら、太陽光発電、風力発電、水力発電は高い稼働率を誇り、燃料が利用可能な場合はほぼ常に発電が可能です。^[11]

水力発電所は、水が利用可能な場合、高いディスパッチ性を備えているため、負荷追従にも役立ちます。典型的な水力発電所では、運転員はわずか数分で停止状態からフルパワー状態まで発電所を稼働させることができます。

風力発電所は、風の自然変動性により変動します。風力発電所の設備利用率は、風力の可用性、タービンの受風面積、発電機の規模によって決まります。送電線容量と電力需要も設備利用率に影響を与えます。現在の風力発電所の典型的な設備利用率は25～45%です。^[12]英国では、2011年から2019年の5年間で、風力発電所の年間設備利用率は30%を超えました。^{[13] [14] [15] [16]}

太陽エネルギーは、地球の自転、季節変化、雲量などの影響を受けて変動します。例えば、サクラメント市営公益事業地区では、2005 年に 15% の設備利用率が観測されました。^{[17]しかし、}国際エネルギー機関(IEA) の SolarPACES プログラムによると、太陽光発電のみで発電するように設計された太陽光発電所は、スペインや米国南西部など、冷房需要が大きい地域の夏季正午のピーク負荷によく適合しています。 ^[18]ただし、エアコンのピーク需要は、太陽光出力が低下する午後遅くまたは夕方早くに発生することが多いため、場所によっては太陽光発電によってネットワーク アップグレードの必要性が軽減されることはありません。^{[19] [20] SolarPACES は、熱エネルギー貯蔵システムを使用することで、}太陽熱発電(CSP) ステーション の運転期間を延長して、ディスパッチ可能 (負荷追従) にできると述べています。^[18]

地熱は他の多くのエネルギー源よりも利用率が高く、地熱資源は通常いつでも利用可能です。

エネルギー源別の設備利用率

全世界

• 原子力発電88.7%（2006～2012年の米国の原子力発電所の平均）^[21]
• 水力発電は世界平均44%、^[22]水の供給状況（貯水ダムによる調整の有無）に応じて10～99%の範囲です。
• 風力発電所は21～52％（2022年現在）。^[23]
• スペインでは、蓄電池と天然ガスバックアップを備えたCSP太陽光発電が63%、^[24]カリフォルニアでは33%。^[25]
• ドイツの太陽光発電は10%、アリゾナ州は19%、^{[26] [27] [28]}マサチューセッツ州は13.35%（2018年7月時点の8年間の平均）。^[29]

アメリカ合衆国

米国エネルギー情報局（EIA）によると、2013年から2017年までの大規模発電機の設備利用率は次のとおりです。^[30]

年
​
2013​
2014​
2015​
2016​
2017​
2018

非化石燃料								石炭	天然ガス				石油液体
核	変換水力発電	風	太陽光発電	太陽光集光型太陽熱発電	埋立地ガス と都市廃棄物	木材を含むその他のバイオマス	地熱		CC	CT	ST	氷	ST	CT	氷
89.9%	38.9%	32.4%	該当なし	該当なし	68.9%	56.7%	73.6%	59.8%	48.2%	4.9%	10.6%	6.1%	12.1%	0.8%	2.2%
91.7%	37.3%	34.0%	25.9%	19.8%	68.9%	58.9%	74.0%	61.1%	48.3%	5.2%	10.4%	8.5%	12.5%	1.1%	1.4%
92.3%	35.8%	32.2%	25.8%	22.1%	68.7%	55.3%	74.3%	54.7%	55.9%	6.9%	11.5%	8.9%	13.3%	1.1%	2.2%
92.3%	38.2%	34.5%	25.1%	22.2%	69.7%	55.6%	73.9%	53.3%	55.5%	8.3%	12.4%	9.6%	11.5%	1.1%	2.6%
92.2%	43.1%	34.6%	25.7%	21.8%	68.0%	57.8%	74.0%	53.7%	51.3%	6.7%	10.5%	9.9%	13.5%	0.9%	2.3%
92.6%	42.8%	37.4%	26.1%	23.6%	73.3%	49.3%	77.3%	54.0%	57.6%	11.8%	13.7%	該当なし	13.9%	2.5%	該当なし

ただし、これらの値は月によって大きく変化することがよくあります。

イギリス

以下の数値は、英国の電力網における様々なタイプの発電所の容量係数についてエネルギー・気候変動省が収集したものです。 ^{[31] [13] [32] [ 14 ] [33] [15] [34] [16] [35] [36]}

発電機の種類	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
原子力発電所	59.6%	49.4%	65.6%	59.3%	66.4%	70.8%	73.8%	66.6%	75.1%	80.1%	78.8%	72.9%	62.9%	59.8%	58.5%
複合サイクルガスタービン発電所	64.7%	71.0%	64.2%	61.6%	47.8%	30.3%	27.9%	30.5%	32.1%	49.8%	45.5%	42.7%	43.0%	35.4%	38.9%
石炭火力発電所	46.7%	45.0%	38.5%	40.2%	40.8%	56.9%	58.1%	50.7%	44.0%	21.2%	17.3%	14.2%	7.8%	9.7%	12.7%
水力発電所	38.2%	37.4%	36.7%	24.9%	39.0%	35.7%	31.6%	39.1%	41.0%	34.0%	36.3%	33.2%	36.1%	41.5%	33.1%
風力	27.7%	27.5%	27.1%	23.7%	30.1%	29.4%	32.2%	30.1%	33.6%	27.8%	31.7%	31.5%	32.0%	35.6%	29.3%
洋上風力発電	25.6%	30.7%	25.9%	30.5%	37.0%	35.8%	39.1%	37.3%	41.5%	36.0%	38.9%	39.9%	40.4%	45.7%	37.4%
太陽光発電所	9.9%	9.6%	9.3%	7.3%	5.1%	11.2%	9.9%	11.1%	11.8%	11.0%	10.6%	11.2%	10.7%	10.9%	10.0%
海洋（波力・潮力発電所）	0.4%	0.8%	4.8%	8.4%	3.8%	8.3%	9.6%	3.2%	2.6%	0.0%	3.0%	5.5%	7.5%	5.7%	2.8%
バイオエネルギー発電所	52.7%	52.2%	56.5%	55.2%	44.1%	46.9%	56.8%	60.1%	67.4%	61.8%	61.5%	58.6%	55.4%	56.7%	56.6%

参照

• 需要要因
• 断続的な電源

参考文献

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