Bidding strategies for energy storage players in 100% renewable electricity market: A game-theoretical approach

電力網を、巨大でハイリスクな「椅子取りゲーム」だと想像してみてください。ただし、椅子ではなく、賞品は電子です。昔、石炭やガスを燃やして電力を作っていた時代には、蛇口をひねるように、いつでも自由に明かりを明るくしたり暗くしたりすることができました。しかし、世界は、すべての電力が太陽や風から供給される未来へとシフトしています。これは地球にとって素晴らしいアイデアですが、厄介な問題を引き起こします。太陽は夜には輝かず、風は私たちが最も必要とする時にいつも吹いているとは限らないからです。電力の供給は天候のように気まぐれになりますが、電力への需要は頑固なほど予測可能なままです。このミスマッチを解消するために、私たちには「エネルギー貯蔵」が必要です。基本的には、電力が自由に流れている時に余剰電力をキャッチし、不足した時のために保存しておくことができる、巨大なバッテリーのことです。

しかし、一つ問題があります。自由市場においては、これらの巨大なバッテリーを所有している人々は、単なる親切な隣人ではありません。彼らは利益を最大化しようとする戦略的なプレイヤーなのです。もし数社の大企業がほとんどのバッテリーを支配してしまったら、彼らは価格が急騰するのを待って、電力を出し惜しみすることを決めるかもしれません。それはまるで、水不足の時に売るために、水を溜め込む強欲な業者のようなものです。本論文は、極めて重要な問いを投げかけています。再生可能エネルギーのみで稼働する世界において、バッテリー所有者の数とバッテリーのサイズは、どのようにゲームのルールを変えるのでしょうか？ 競合他社を増やすことは市場をより公平にするのでしょうか、それとも、バッテリーが多すぎると単に資金を無駄にするだけなのでしょうか？ 著者たちは、コンピュータモデルを使用してこの未来をシミュレートし、バッテリー所有者をゲーム理論のパズルのプレイヤーとして扱い、彼らの戦略が電力価格や関係者全員の幸福度にどのように影響するかを検証しています。

---

巨大なバッテリー・ゲーム：流れを支配するのは誰か？

この論文は、ある魅力的な「もしも」のシナリオを掘り下げています。それは、再生可能エネルギーによって100%駆動される電力市場であり、グリッド（送電網）のバランスを取るための唯一の柔軟な手段が、一連の巨大なエネルギー貯蔵システム（バッテリー）であるという未来です。デンマークの研究チームである著者たちは、バッテリー所有者が利益を得ようとする際にどのように振る舞うかを見るために、デジタルな遊び場を構築しました。彼らは**クールノー競争（Cournot competition）**と呼ばれる概念を用いました。これは、「あなたがどれだけ売るかを予想した上で、私はどれだけ売るかを決める」という、少し凝った言い回しです。

これは、暑い街にあるレモネードスタンドのグループのようなものです。もしスタンドが一つしかなければ、店主は好きな値段を付けることができます。もし二つあれば、互いに価格を下げ合おうとするかもしれません。しかし、もし八つあれば、価格は適正なレベルまで下がり、一杯あたりの利益は少なくなりますが、売れる杯数全体は増えます。研究者たちは、このロジックが、「レモネード」が風や太陽光であり、「スタンド」がバッテリー運用者である電力の世界でも通用するかどうかを知りたかったのです。

設定：化石燃料のないグリッド

研究者たちは、デンマークの電力市場、具体的にはDK1ゾーンに基づいたシミュレーションを作成し、それを2030年に投影しました。この未来では、バックアップとなる石炭やガスの発電所は存在しません。グリッドは完全に風力と太陽光に依存しています。太陽と風は予測不可能であるため、グリッドには緩衝材として機能するバッテリーが必要です。風が強く吹き、需要が低い時には、バッテリーを充電します（エネルギーを無駄にしないため）。そして風が止まり、人々が仕事から帰宅する時には、明かりを灯し続けるためにバッテリーを放電します。

論文では、このゲームにおける主に二種類の「プレイヤー」をモデル化しています：

1. 戦略的プレイヤー： これらは、自身の利益を最大化しようとする民間のバッテリー所有者です。彼らは価格を吊り上げるために、電力を出し惜しみすることを選択するかもしれません。
2. 社会的プランナー（社会計画者）： これは、すべてのバッテリーを一度に制御する「善意の」レフェリーです。プランナーは利益を気にしません。ただ、誰もが最も低いコストで電気を利用できるようにすることだけを目的としています。これは、効率的なプレイヤーがどれほど利益を失っているかを測定するための「理想的な世界」の基準となります。

調査結果：どれだけのバッテリーが必要か？

研究者たちは、バッテリー所有者の数（独占状態から8社の競合まで）と、バッテリー群の総容量を変化させながら、何千回ものシミュレーションを実行しました。以下がその発見です。

1. 一人のボスは悪いニュースである
バッテリー所有者が一人しかいない場合（独占）、彼らは映画の悪役のように振る舞います。彼らは自分が唯一の柔軟な電源をコントロールしていると理解しているため、戦略的にエネルギーを出し惜しみします。電力が安い時に充電しますが、価格が非常に高くなるまで放電を待ちます。

• 結果： これにより価格は高く維持され、一部の人々が電力を得られなかったり（未充足需要）、再生可能エネルギーが無駄になったり（出力制御）します。なぜなら、単一の所有者が市場を成立させるために十分な電力を放出しないからです。それはまるで、町が切実に求めている時にだけバルブを開ける、単一の水塔の所有者のようです。

2. 競争こそがヒーローである
バッテリー所有者が増えると、行動が変わります。二社または三社の競合がいると、「悪役」の戦略は崩れ始めます。各所有者は、もし自分が電力を出し惜しみしすぎれば、ライバルが代わりに電力を売ってしまうことに気づくからです。

• 結果： 論文によれば、わずか3社の競合オペレーターがいれば、市場は「理想的な」社会的プランナーとほぼ同じ挙動を示します。価格は下がり、未充足需要は消滅し、システムは効率的になります。3社または4社以上の所有者を追加しても、システムはそれほど良くならず、単に利益がより細かく分割されるだけです。

3. 大きいことが常に良いわけではない
研究者たちは、膨大な量のバッテリー貯蔵を建設した場合に何が起こるかもテストしました。

• 結果： そこには「スイートスポット（最適点）」が存在します。貯蔵量が少なすぎると、グリッドは不安定になります。しかし、あまりに多すぎる場合（具体的には、一日のエネルギー不足量の1.0倍から1.5倍を超える場合）、収穫逓減のポイントに達します。バッテリーが満タンになりすぎて、充電するための安い電力を見つけることができなくなり、利益率が消失してしまうのです。実際、貯蔵を建てすぎると、「安い」時間と「高い」時間の価格差が押しつぶされてしまうため、将来のバッテリー事業のビジネスケースを損なう可能性があります。

4. 冬 vs 夏
シミュレーションは、季節によってゲームの展開が異なることを示しました。

• 冬： グリッドはよりストレスがかかった状態にあります。価格の変動が激しく、価格が高騰しすぎるのを防ぐためには競争が不可欠です。
• 夏： 太陽が安定した電力を提供します。市場はよりリラックスしており、単一の所有者が冬ほど混乱を引き起こすことはありません。しかし、それでも競争は状況を円滑にする助けとなります。

テイクアウェイ（結論）：設計が重要である

本論文は、ストレージ（貯蔵）は諸刃の剣であると結論付けています。100%再生可能エネルギーのグリッドを機能させるためには、システムを繋ぎ止める接着剤として、ストレージは絶対に不可欠です。しかし、もし市場が集中しすぎている（一社または二社によってコントロールされている）場合、それらの所有者は一般の人々に犠牲を強いて巨額の利益を得るために、システムを搾取することができます。

著者らは、政策立案者が単に「より多くのバッテリーを建設すること」だけに焦点を当てるのではなく、「誰がそれらを所有するか」にも焦点を当てるべきだと提案しています。十分な数の独立した競合他社（この特定のシナリオでは3社程度）を確保することは、総容量を確保することと同じくらい重要です。所有構造を正しく整えれば、私たちは安定し、安価で、グリーンなグリッドを楽しむことができます。もし間違った方向に進めば、技術的には機能するものの、経済的には不正に操作されたシステムになってしまうかもしれません。

要するに、この論文は太陽と風が主役となる未来をシミュレートしており、バッテリーはその未来を解き放つ鍵である一方で、単一のプレイヤーが「王国の鍵」を握り込まないようにする必要があることを証明しています。