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20234262

旬 な 話 題 を 集 め ました

SolarEV シティー 構想推進＊への期待と課題
Expectations and Challenges for Promoting the SolarEV City Concept
小端

拓郎 1）

Takuro Kobashi

Achieving carbon neutrality in 2050 will require decarbonization methods that are economically efficient and scalable. In this regard, there is great potential for the Solar EV City
Concept , which utilizes rooftop solar and EVs as storage at the city level. By linking rooftop PV and EV, which will become increasingly cheaper, buildings can utilize abundantcheap and carbon-free electricity helping accelerate decarbonization of the city. With the spread of EVs, we need to promote V2H（vehicle to home）and V2B（vehicle to building）systems linked to rooftop PV to build the SolarEV City. The issue is whether we can provide sufficient benefits to as many EV owners as possible through the system.
KEY WORDS

1

Rooftop Photovoltaics, EV, Urban Decarbonization, SolarEV City, Climate Change A3増加する大気中二酸化炭素濃度と都市の脱炭素化

大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 濃 度 は 上 昇 を 続 け， 今
420 ppm（1）に達した（図 1）．筆者がカリフォルニ
ア大学サンディエゴ校スクリプス海洋研究所にて
Ph.D. を取得したのが 2007 年で，当時は 380 ppm
程度であったから，いかに急速に大気中の二酸
化炭素濃度が上昇（年平均 2.5 ppm の上昇）しているかがわかる．大気中二酸化炭素濃度の上昇
は，化石燃料の使用が最も大きな原因であり，世界的な気温上昇とそれに伴う気候変動を引き起こ
し，将来の人間社会の持続可能性を著しく脅かす可能性がある（2）．この人為起源の気候変動を最小限にするには，2050 年までに世界全体でカーボ
ンニュートラルを実現する必要がある（3）．
世界の二酸化炭素排出の 67〜76％が，都市生活に起因するものであるといわれている（4）．世界の都市人口は現在全人口の 55％近くを占めるが，2050 年までには都市への移住が進み，世界人口の 70％程度まで上昇するといわれている（5）．つまり，都市のエネルギーを，再生可能エネルギーなど二酸化炭素排出ゼロのシステムに変えることが，世界のカーボンニュートラル実現に欠かせない．また，都市における化石燃料の使用は，大気＊ 2023 年 3 月 30 日受付
１）東北大学大学院 環境科学研究科（980 ― 8572 仙台市青葉区荒巻字青葉 468 ― 1）
E-mail: takuro.kobashi.e5@tohoku.ac.jp

98

汚染や騒音など市民の生活を脅かしてきた．化石
燃料の使用を PV や EV などの再エネ技術に置き換えることは，都市に住む住民生活を大幅に改善（7）する可能性を秘めている（6）．

2SolarEV シティー構想とは土地の限られる日本において，屋根上太陽光発電（PV：photovoltaics）は都市の脱炭素化に最重要な技術の一つである．変動電源である太陽発電
を都市の脱炭素化に十分に利用するためには，都市の屋根を最大限活用できる方法をデザインしなければならない．図 2 に示すとおり，都市の電力需要において，PV により直接供給できる割合は限られている．PV 導入当初は，容量が小さいため発電量が電力需要を下回り，ほとんどの PV 電
力を都市内で消費が可能である．しかし，PV の導入が進むと発電量が需要を上回り始め，発電抑制につながってしまう．これが PV の経済性を落とし，それ以上の導入が難しくなる．これを回避するには蓄電池が有効であるが，定置蓄電池は高額であるため，PV システムの経済性を悪化させる結果となる．われわれの試算では，蓄電池は2030 年代まで PV の経済性のプラスにはならない．
仮にプラスになっても最適蓄電容量は小さいため，
屋根上 PV の普及拡大にはあまり効果がない．
そこで大きな役割を果たすのが EV である．今後急速な普及が予想される EV は，大きなバッテ
リ（20〜60 kWh）をもつ．日本の都市は自家用車©2023 JSAE

自動車技術

SolarEVシティー構想推進への期待と課題

430

Carbon dioxide concentration at Mauna Loa Observatory＊

CO2 Concentration〔ppm〕

420

Full record ending March 13, 2023＊：Maunakea data in blue

410
400
390
380
370
360
350
340
330
320
310

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

（1）

図１ 大気中の二酸化炭素濃度の記録（キーリングカーブ）
80

1,400

1,400

PV のみ
（2018）

Feb

1,200

1,000

Jan
Jun

Dec
Sep

Mar

1,000

Oct

600

Apr
Nov
May

800

70

Rooftop area per capita〔m2〕Hourly demand〔MW〕

Aug

System energy generated〔MW〕

Jul

PV＋EV（2030）

（a）
（b）
（c）

60
50

PV のみ（2030）

（d）
（e）
（f）
（g）

40
30

（h）
（i）

20
10
0

0

5

10

Hour

15

20

図２ 各月時間ごとの平均電力需要と時間ごとの年間平均の（8）
一日の PV 発電量

0

2

4

6

8

10

12

PV capacity per capita〔kW〕（9）

図３ 都市の一人当たり屋根面積と最適 PV 容量 ．緑は，2018
年のコストで屋根上 PV のみを設置した場合，赤は 2030
年のコストで屋根上 PV のみを設置した場合，青は屋根上
PV と EV を蓄電池として使用した場合．
（a）新潟市，（b）
岡山市，（c）郡山市，（d）仙台市，（e）広島市，（f）
京都市，（g）札幌市，（h）川崎市，（i）東京都区部の稼働率が特に低いことが知られ，この EV バッ
テリを活用することで，低コストで大容量の蓄電池の利用が可能になる．それでは，都市全体
で，屋根上 PV と EV を蓄電池として活用することで，どの程度電力を都市に供給でき，二酸化のみ：緑），2030 年の屋根上 PV のコストで分析
炭素排出の削減につながるのであろうか？ 私た（PV のみ：赤），2030 年の屋根上 PV と EV のコ
ちは，技術経済性分析という手法を用いて，九ストで分析（青：PV + EV）した結果である（図３─７）
つの都市部（東京都区部，川崎市，広島市，仙．
台市，岡山市，新潟市，札幌市，郡山市，京都
図 3 は，各都市（a）〜（i）の一人当たり屋根面（9）市）の分析を行った ．この都市レベルでの屋根積と，シナリオごとの一人当たり最適 PV 容量をプロットしたものである．2018 年における PV シ
上 PV と EV（PV + EV システム）の活用を，私た
ちは「SolarEV シティー構想」と呼ぶ．分析では， ステムのコストはまだ高く，一人当たり最適 PV
容量はどの都市も 2 kW 弱である．しかし，2030
都市の屋根面積の 70％に発電効率 20％の PV パ
ネルを設置し，自家用自動車のすべてが EV 化し， 年に PV システムのコストが下がると，最適 PV
容量は増加し，都市の最大面積（70％）を活用す
その EV バッテリ（40 kWh）容量の半分を PV の
（9）
る PV 容量に達する．
蓄電池として利用できると仮定した ．また，余図 4 は，図 3 と同様に各都市の一人当たり屋根
剰電力を 9 円 /kWh で売電することを想定してい（9）
面積を縦軸，そして，PV システムによる電力自る（売電なしでの結果は論文を参照 ）．シナリ
給率を横軸に示す．2018 年は，最適 PV 容量が小
オは，2018 年の屋根上 PV のコストで分析（PVVol. 77, No. 6, 2023.

©2023 JSAE

99

80
（a）
（b）
（c）

60

70

Rooftop area per capita〔m2〕Rooftop area per capita〔m2〕

70

50
（d）

40 （e）
30

（f）
（g）

（h）
20 （i）1050（d）40 （e）（f）

30 （g）
（h）
（i）

20
10

0
0

（a）
（b）
60 （c）

20

40

60

80

100

0

Self Sufficiency〔％〕

0

20

100

60

80

100

（9）

図５ 都市の一人当たり屋根面積と二酸化炭素排出削減率 ．
条件は図 3 と同じ

70

Rooftop area per capita〔m2〕

さいため（図 3），PV システムによる電力自給率
も 20〜30％程度である．2030 年に PV のコストが下落すると，最適 PV 容量が増加し，電力自給率も増加する．しかし，蓄電池などのエネルギー貯蔵がない場合，増加した PV 発電がほとんど余剰電力となり，電力自給率の上昇にはあまり寄与しない．そのため，PV のみでは，電力自給率は
どの都市も 40％程度が最大となる．しかし，PVと EV を組み合わせることで，電力自給率は大幅に上昇し，一人当たり屋根面積の大きい都市では，90％以上の電力を PV + EV システムにより供給できる．東京都区部や川崎市のように都市化の進んだ都市でも，60％前後の電力を供給することができる．つまり，PV + EV のシステムが特に大きな役割を果たすのは，一人当たり屋根面積が大きく自動車台数の多い地方の都市である．
図 5 は，各都市の電力消費と自動車の運転（ガソリン燃焼および EV の電力消費）に伴う二酸化炭素排出の削減率を示したものである．傾向としては，図 4 の電力自給率と同じとなる．EV は供給電力がクリーンでなければ二酸化炭素排出が増えてしまうという課題があるが，屋根上 PV との
カップリングにより EV からの二酸化炭素排出はほぼなくすことが可能となる．また，屋根上 PV
のみを使った場合に比べ，EV を蓄電池として利用すると，夜間にも二酸化炭素フリー電力を市内に供給できる．これにより，地方の都市においては PV + EV システムにより 90％以上の二酸化炭
素排出の削減となる．
図 6 は，各都市の一人当たり屋根面積と PV シ

40

CO2 emission reduction〔％〕（9）

図４ 都市の一人当たり屋根面積と電力自給率（self-sufficiency） ．
条件は図 3 と同じ．PV + EV は，EV の電力需要も含む

（a）
（b）

60 （c）
50（d）

40 （e）（f）

30 （g）（h）20 （i）
10
0
0

20

40

60

80

100

Self consumption〔％〕

図６ 都市の一人当たり屋根面積と都市内消費率（9）．条件は図 3 と同じ（self-consumption）

ステムの都市内（自家）消費率を示す．2018 年はPV の容量が小さいため，高い都市内消費率を示
すが，2030 年に屋根上 PV が最大容量まで拡大す
ると，PV のみでは都市内消費率は大きく下落する．
しかし，EV とカップリングすることで，都市内消費率は 30％近く上昇する．特記すべきは，地方都市では PV+EV を活用しても都市内消費率は50〜60％にとどまる．つまり，残り 50〜40％のPV 発電は都市内で消費されないことになる．この余剰電力を，給湯や暖房などの熱供給の脱炭素化に用いることや，水素製造に活用することができる．また，地方都市の余剰電力を東京などエネ
ルギー大消費地に送ることで，地方都市のプラスの歳入とすることができる．
最後に，図 7 は各都市のエネルギーコストの削©2023 JSAE

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SolarEVシティー構想推進への期待と課題

り，2020 年 か ら 2040 年 ま で の 経 済 指 標 の 時 間変化を示している（10）．屋根上 PV と定置蓄電池（a）（b）（PV + Battery）を設置した場合（破線）と，屋根（c）
60
上 PV と EV を 蓄 電 池（PV + EV）と し て 組 み 合
50
わせた場合（実線）も示している．定置蓄電池は，
（d）
40
（e）
屋根上 PV に追加的な経済性が生じる場合のみ分
（f）
（g）
30
析に加えられ，2030 年以前は PV のみのシステム（h）として計算されている．2030 年後半になってよ20（i）
うやく定置蓄電池経済性向上で PV システムへの10導入となる．
0
分析結果を見ると，2020 年はまだ PV のコスト
0
10
20
30
40
が高いため，経済最適な屋根上
PV 容量が小さく，Cost saving〔％〕
脱炭素化ポテンシャルは低い．特 に 2020 年 の
図７ 都市の一人当たり屋根面積とエネルギーコスト削減率（9）（cost saving） ．条件は図 3 と同じ
PV + EV は，PV と EV の両技術とも高価である
ため，PV のみを設置する場合に比べ，内部収益率，投資回収期間，エネルギーコスト節約率，が減率を示す．2018 年には，PV のコストが高く最低い（図 8c, d, g）．ただし，二酸化炭素排出削減
適 PV 容量も小さいため，PV システムによるエ率を見ると，2020 年の時点ですでに，PV + EV
ネルギーコスト削減率は数％程度である．しか．
し，2030 年には PV システムのコスト下落により， は PV のみに比べて削減率が大幅に高い（図８f）
特記すべきは，V2H で屋根上 PV を EV に連結すPV のみでも 15〜20％程度のエネルギーコストのることで，経済最適な戸建て屋根上 PV の容量が削減につながる．さらに，PV + EV システムの4〜5 kW 大きくなることである．これにより，戸場合，ガソリンコストの削減および夜間の系統電建て住宅において，屋根上 PV のみに比べ，EV
力使用の削減にもつながるため，大幅なエネルギーを蓄電池として使う価値が飛躍的に高まる．一方，コストの削減につながる．
市中心街では高層ビルが多く，建物の単位体積当
3 戸建て住宅における「PV + EV」の役割
たりの屋根面積が小さい．つまり，屋根上 PV に
よって発電された電気は，当該建物によって多く都市には，住宅街や高層ビル街など，さまざまが消費される．つまり，余剰電力が少ないので，な特徴を備えた地域が存在する．これは，屋根上蓄電システムの果たす役割が小さくなる．これは，面積，駐車自動車の数，エネルギー需要の違いと
図 8（e）で電力自給率が，市中心街では「PV のみ」
なり，PV + EV システムの脱炭素化ポテンシャ
ルに大きく影響する．その特徴を整理すると，住と「PV + EV」において，比較的差が小さいこと
宅街は比較的小さなエネルギー需要の割に屋根面でわかる．また，市中心街では駐車スペースも限積が大きく，自動車の台数も多いため，PV + EVられるため，EV をエネルギー資源として活用すシステムの効果が大きく将来仮想発電所（VPP：
ることが難しい．
Virtual Power Plant）として活用するポテンシャ
興 味 深 い の は，PV + EV シ ス テ ム の 経 済 性
ルが大きい．一方，市中心街はエネルギー需要がが 2020 年代に急速に伸びることである（図 8（c,
大きいが屋根面積が小さく，駐車される自動車のd, g））．2020 年 に は PV の み の シ ス テ ム の ほ う
台数も少ないため，PV + EV による電力供給のが PV + EV シ ス テ ム よ り 経 済 性 が 高 か っ た の役割は限られる．
が，この 10 年間に PV + EV の経済性は急速に改
ま た， 今 後 予 想 さ れ る PV + EV の コ ス ト の善し，ほぼすべての指標において PV のみより経
下 落 に よ る， 地 域 ご と の PV + EV 脱 炭 素 化 ポ
済性が高くなる（図 8（c, d, g））．その中でも，戸テンシャルの変化は地域によって異なる．図 8建て住宅における経済性の高まりが非常に大きは，PV と EV の脱炭素化ポテンシャルを住宅街
い．2030 年には，戸建て住宅における PV + EV（青線）と市中心街（赤線）で比較したものであシステムの投資回収期間は 6 年程度まで減少し，Rooftop area per capita〔m2〕70Vol. 77, No. 6, 2023.

©2023 JSAE

101

Self-sufficiency〔％〕

80
60
40
20

都市中心街 - PV のみ（蓄電池）
都市中心街 - PV＋EV
住宅街 - PV のみ（蓄電池）
住宅街 - PV＋EV

0

（a）

100

50

（b）

0
50
40
30
20
10
0

100

（c）

Simple payback period〔yr〕 CO2 emission reduction〔％〕Cost saving〔％〕Energy sufficiency〔％〕Self-consumption〔％〕

100

60
40
20

（e）

0
80
60
40
20

（f）

0
15
10
5
0
2020

（g）
2025

2030

2035

2040

Year

40

IRR〔％〕

80

30
20
10
0
2020

（d）
2025

2030

2035

2040

Year

図８ 住宅街と市中心街における PV + EV システムのコスト下落に伴う今後の脱炭素化ポテンシャルの（10）（蓄電池）．
推移（2020〜2040） ．青線：住宅街，赤線：市中心街，実線：PV + EV，破線：屋根上 PV+（a）Self-consumption は 都 市 内 消 費 率，（b）Energy sufficiency は エ ネ ル ギ ー 充 足 率，（c）Cost
saving はエネルギーコスト節約率，（d）IRR は内部収益率，（e）Self-sufficiency は電力自給率，（f）CO2 emission reduction は二酸化炭素排出削減率，（g）Simple payback period は投資回収期間

エネルギーコストの節約率も 40％近くまで高まる．内部収益率は 20％近くになり，その後も上昇を続ける．一方，二酸化炭素排出削減率は，20
年間ゆっくり上昇する（図 8 f）．2030 年に向けて，
PV + EV の普及を進めるためには，少なくとも2020 年代は補助金などの優遇措置が必要になる．
しかし，2030 年頃には自律的に普及が期待できる．
また，PV + EV により，安価でいつでも供給可能な電気が市内で大量に使用可能となれば，都市内で給湯や暖房などの電化（脱炭素化）を進める
ことも容易になるであろう．

4

世界の都市における SolarEV シティーの可能性

屋根上 PV や PV + EV システムはさまざまな条
件によって，その経済性が変化する．そのため，
世界の都市における PV + EV システムの経済性を知るには分析を各都市ごとに行う必要がある．
102

これまで，私たちは世界の研究者らと，SolarEV
シティー構想の共同研究を行ってきた．2022 年には韓国の研究者と協力して，韓国の都市の研究結果を発表した．韓国の都市は，日本の都市に比べ高層ビルが多いため，PV + EV の脱炭素化ポテンシャルが日本の都市に比べて少ないことがわかった（11）．2023 年には，インドネシアの研究者と協力し，ジャカルタの分析結果を発表
した．ジャカルタは，低緯度地帯に位置し太陽の正中高度が一年にわたって高いため，屋根の角度にかかわらず PV の経済性が高い．また，インドネシアでは電気料金が日本に比べて安い一方，PV システムのコストも安いため，日本と同様にすでに PV システムの経済性が成り立ち，今後，PV + EV により経済性の高い脱炭素化が可能になることがわかった（12）．また，中国の深圳（13），タイのバンコク（14）の分析も行い，PV + EV がど©2023 JSAE

自動車技術

SolarEVシティー構想推進への期待と課題の国においてもメリットがあることが示された．
しかし，そのメリットの大きさは，都市の形状，
気候，エネルギー価格，その国の経済状況などによって異なる．

5

SolarEVシティー実現に向けた今後の課題

SolarEV シティー実現には，EV から都市への電力供給を可能とする V2H や V2G システムの普及が欠かせない．災害対策としても PV+EV シス
テムは大きな役割を果たすため，日本では充電規格である CHAdeMO を通じて V2H の普及が進んでいる．V2H の課題としては，車が一台しかない住宅において通勤などで車を利用する場合，
EV の蓄電機能を使えないことである．V2H と蓄電池の併設などもすでに商品化されているが価格が非常に高価になってしまう．今後，街区レベルでの電力融通および蓄電池・EV バッテリのシェアを可能とするビジネスモデルを開発し，配電系
統における負荷を最小限にしつつ余剰電力を街区レベルで最大限消費することを可能とするシス
テムを構築する必要がある．これにより，EV の動性の課題が軽減し，PV + EV システムの普及がより加速しやすくなる．また，電力ひっ迫時に，EV バッテリから都市に電力供給を可能とする規制改革が必要である．これにより，PV + EV シ
ステムを広域で活用できれば，EV オーナーにさらなる収入をもたらし PV + EV システムの普及につながる．
世界に目を向けると，現在のところ EV のバッ
テリを活用した V2H，V2G の市場は CHAdeMOを使う日本に限られている．都市の脱炭素化を世界的に加速するには，SolarEV シティー構想が世界で活用されることが期待される．特に，発展途
上国の多い低緯度地帯は太陽光エネルギーに恵まれており PV + EV による脱炭素化効果が大きく，経済的メリットを考えても PV + EV の役割が非常に大きいと考えられる．ぜひ，日本の自動車メー
カは SolarEV シティー構想をビジネスチャンスと捉え，日本はもちろん，世界，特に低緯度地帯の途上国でその活用に取組んでもらいたい．
フェイス

小端拓郎

参 考 文 献（ 1 ） Scripps Insituttion of Oceanography, Keeling Curb, https://keelingcurve.ucsd.edu/（2023）（ 2 ） IPCC, Climate Change 2021: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of theIntergovernmental Panel on Climate Change, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC̲AR6̲WGI̲Full̲Report.pdf（2021）（ 3 ） IPCC, AR6 synthesis report: Climate change 2023, https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/（2023）（ 4 ） IPCC, Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change, Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of theIntergovernmental Panel on Climate Change, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/downloads/report/IPCC̲AR6̲WGIII̲FullReport.pdf（2022）（ 5 ） V. Gaigbe-Togbe, L. Bassarsky, D. Gu, T. Spoorenberg, L. Zeifman：World Population Prospects 2022（2022）（ 6 ） 小端拓郎（編著）：都市の脱炭素化，大河出版（2021）（ 7 ） 小端拓郎（編著）：都市の脱炭素化の実践，大河出版（2023）（ 8 ） T. Kobashi, et al.：On the potential of Photovoltaics + Electric vehicles for deep decarbonization of Kyotoʼs power systems: Techno-economicsocial considerations, Appl. Energy 275, 115419（2020）（ 9 ） T. Kobashi, P. Jittrapirom, T. Yoshida, Y. Hirano, Y. Yamagata：SolarEV City concept: Building the next urban power and mobility systems,
Environ. Res. Lett., 16, 024042（2021）（10） T. Kobashi, Y. Choi, Y. Hirano, Y. Yamagata, K. Say：Rapid rise of decarbonization potentials of photovoltaics plus electric vehicles in residential
houses over commercial districts, Appl. Energy 306, 118142（2022）（11） S. Chang, J. Cho, J. Heo, J. Kang, T. Kobashi：Energy infrastructure transitions with PV and EV combined systems using techno-economic
analyses for decarbonization in cities ☆ , Appl. Energy 319, 119254（2022）（12） R. Gumilang, et al.：Equitable, affordable, and deep decarbonization pathways for low-latitude developing cities by rooftop photovoltaics
integrated with electric vehicles, Appl. Energy 332, 120507（2023）（13） J. Liu, M. Li, L. Xue, T. Kobashi：A framework to evaluate the energy-environment-economic impacts of developing rooftop photovoltaics
integrated with electric vehicles at city level, Renew. Energy 200, 647 ─ 657（2022）（14） T. Jittayasotorn, M. Sadidah, T. Yoshida, T. Kobashi：On the adoption of rooftop photovoltaics integrated with electric vehicles towardsustainable Bangkok City, Thailand, Energies 16, 3011（2023）

Vol. 77, No. 6, 2023.

©2023 JSAE

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