下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

エネルギー需要側対策を中心としたGXの展望

2023.3.6
地球環境産業技術研究機構（RITE)
研究所長

下田吉之
1

下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

1．

ここまでの講演のWrap-up

2

下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

2．

エネルギーシステムのカーボンニュートラルの条件

3

エネルギーシステムのCNの条件
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 年間のエネルギーバランス（年間合計において）カーボンフリーエネルギー＝エネルギー需要• 電力システムの需給バランス（瞬時において）カーボンフリー電力の供給＝電力需要4

第１の方程式
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

エネルギー需要 サービス 充足度
××× 人口カーボンフリーエネルギー＝人口充足度
サービス
再生可能エネルギー

右辺第１項：エネルギー効率の逆数

原子力

右辺第２項：ライフスタイル効率の逆数

ブルー／グリーン水
素・アンモニア（及びそれらからなる合成燃料）

サービス：エネルギー消費機器から産み出される熱・光・情報など
充足度(Sufficiency)

CCSつき化石燃料火力
 現時点で再生可能エネルギー電力の比率20%程度。再生可能エネル
ギー比率を80%にするとすれば、これを4倍にするよりも、電力需要を50%にして再生可能エネルギー電力を2倍にする方が現実的
Shimoda, et al.: Renewable and Sustainable Energy Reviews 132 (2020), 115792

下田研究室
2050年エネルギー消費半減は可能？
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 2050年ゼロエミッションの評価。現在利用可能な技術で50%程度の省エネが可能。屋根置きPVでポジティブエネルギー化も可能。
年間一次エネルギー消費およびPV発電量 [PJ/year]

3500

3126

3000
2500

2238

2000

PV発電量

1500

給湯

1000

冷房

500

404

336

0176

161

110

479
-102 -78-93-500

照明
給湯-545

調理-1000

TV-1500
E-3

E-2

E-1

DC

B-2

B-1

A-2

A-1

2050BAU2030

集合比率75%

上昇
1℃

戸建て比率

75%
同居促進

外気温

最大PV
4KW→5kW
昼光利用

2013

冷蔵庫

機器保有数制限ヒートポンプ
向上
COP
全住宅断熱基

-2000

暖房

収支

Shimoda et al.
Applied Energy (2021)

第２の方程式
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

カーボンフリー電力の供給＝電力需要変動性再生可能電力（太陽光・風力）
原子力

蓄電
水素

調整可能再生可能電力（水力・バイオマス）

蓄熱

ブルー／グリーン水素・アンモ
ニア火力

デマン
ドレス
ポンス

CCSつき化石燃料火力

時間変動性の大きな需
要（建築・住宅）
時間変動性の小さな需要（多くの工場・デー
タセンター）
パルス状の需要（電気自動車の充電）

太陽光発電急拡大の影響
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

夜：PV発電減と家庭需要増による系統需要の押し上げ
昼：PVによる系統需要の押し下げ

カリフォルニアのダック
カーブ(CA ISO) 夕方の急激な系統発電要求上昇に対応するため、火力発電を準備
3時間 する必要。2020年8月にはこで12百 の時間帯に計画停電実施。
EVの普及と、夕方の充電は万kWこの変動を加速。

出典：CAISO

昼間の余剰の自己消費(ヒートポンプ給湯機など)
デマンドレスポンスによる夕方の需要急上昇の緩和
蓄電、蓄熱、EVのスマートチャージ、バイオマス・太陽熱の利用。
九州電力管内の電力需給（2016年5月4日）
出典：九州電力資料（2016年7月）

8下田研究室
季節間需給のアンバランス
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

日本の民生家庭部門で省エネと太陽光により年間エネルギー収支が釣り合う状態の月別収支

電力需要の22%は一週間以上の蓄電を要する。→
長期蓄電媒体としての水素の必要性
Shimoda et al. Applied Energy(2021)

下田研究室Grid-interactive efficient buildings
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

ビルとグリッドのインターフェース

分散電源

出典：USDOE

ビルのサービス(冷暖房・給湯・空気質)

ハーマン・デイリーの言葉
下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 1． 誰が• 2． どのくらいの量の• 3． どのような種類のエネルギーを• 4． どのような目的のために• 5． どのくらいの期間• 必要とするようになるのか？
• 需要の一つ一つを特定し、分類することがエネ
ルギーマネジメントの基礎
11下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

3．

エネルギー需要とサービス需要

12

エネルギー需要の特徴
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• エネルギー需要は「派生需要」。
• われわれはエネルギーを直接消費しているわけではなく、消費しているのは「サービス」
カーボンフリーエネルギー＝エネルギー需要 サービス 充足度
××× 人口
人口充足度
サービス• 充足度を高めるために必要なサービスの絞り込み(Avoid)、サービスを供給するシステムの変更(Shift)、サービスをできるだけ少ないエネルギーで供給する(Improve)によって大幅なエネルギー需要が削減できる(IPCC WG3 Chap5)

13

IPCC 1.5℃特別報告書
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 1.5℃目標を達成する4つのシナリオ類型

需要32%減、RE77%BECCS無し

需要2%増、RE 81%, 需要21%増、RE
BECCS 151Gt
63%, BECCS 414Gt

LEDシナリオ(Low EnergyDemand)

残りのシナリオではネガティブエミッション技術を利用

需要44%増、RE
70% BECCS 1191Gt

出典：IPCC 1.5℃特別報告書政策決定者向け要約

LEDシナリオについて

下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• IIASAのLED(Low Energy Demand)シナリオ（Grubler et al. Nature energy, 2018）• Quality of Lifeの充実，都市化，革新的なエネル
ギーサービス，最終需要家の役割の変容，情報革新の5つのドライバーにより変化がもたらされる。
• 最終需要とエネルギーサービス（エネルギーを使って何を求めているのか？）に着目• 徹底的な省エネルギーが情報化（デジタル化、テレワークなど）、シェアリングエコノミー、電化によりもたらされる。

下田研究室LEDシナリオが設定する2050年のサービス
最終サービス需要

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

活動レベル（Global North)

エネルギー密度

熱的快適性（冷暖房 ほぼ現在のGlobal Northと同サービス）
様で全世界が30㎡/人に75%削減されて160170MJ/㎡

モビリティ

陸上交通の減少で20％減少（鉄道・航空は増加）

食品

栄養の転換に併せて70～100%増加(全世界)

主に陸上交通の電化、シェアリング、公共交通等で70%減少。

消費財

商業・公共建築産業
貨物輸送2倍に増加して42機器/人（調 照明と機器の省エネで理や農業で増加）
93→82kWh/機器へ未定量化

43％増加して23㎡/人76％減少して139MJ/㎡

脱物質化と物質効率改善で素材需要が15％減少し6.4Gt(全世界)1/5減少して16.7GJ/t

20％伸びて64×1012tkm

トラック10％減で0.5-0.7
MJ /tkm、鉄道10％減で0.2MJ/tkm-1
16

エネルギー消費の不公平の解消

世界のトップ1％の人口が15％のエネルギーを消費、上記以外のトップ10％が37％、下位90％が48％のエネルギーを消費している。上位層は需要の削減を、下位層は低炭素インフラによるdecent living standardsの確保と、効率的技術の適用を
出典：IPCC AR6 WG3 chap. 5

Avoid-Shift-Improve フレームワーク
サービス

Avoid

ShiftImprove

モビリティ（人の移動）

人キロを減らすイノベー
ティブなモビリティ（土地利用との統合、スマートロジスティクス、テレワー
ク、コンパクトシティ、長距離飛行の回避）

人キロあたりエネルギーを減らすオプションを増やす（モーダルシフト、自転車利用、歩行、公共交通、飛行機から高速鉄道へ）

機器のイノベーション（軽量自動車、水素自動車、電気自動車、エコドライブ）

シェルター(住宅駆体)

床面積をできるだけ削減するデザイン

物質効率のい住宅（物質密度の低い住宅デザイン）

低排出住宅デザイン(木材など排出量の少ない材料の利用)

熱的快適性

健康な室内温度の選択（ドレスコードや労働時間の変化）

建築デザインによる熱負荷低減(パッシブデザイン)

熱負荷・CO2排出を低減する新技術(太陽熱・断熱・ヒートポンプ・地域暖房)

製品・機器

機器あたりサービスの増加（長寿命化、シェアリングエコノミー）

製品あたり重量を減らす
イノベーション（物質効率の良い製品デザイン）

新しい素材の選択（低炭素材料、新しい製造プロセス）

栄養

カロリーの削減と最適化（必要と健康ガイドラインに従ったカロリー摂取、食品廃棄物削減）

カロリーあたりCO2を減らすようメニューを多様化（牛肉や牛乳以外の蛋白源）

カロリーあたりCO2を減らす（農作業の改善、エネルギー効率の良い食品加工プロセス）

照明

人工照明需要の削減（人感センサー・照明制御）

自然光を活用する建築デザイン（昼光照明の最大化)

イノベーティブな照明(LED照明)出典：IPCC AR6 WG3 chap. 5

4．
デジタル化によるエネルギー需要への影響

19

下田研究室エネルギー需要科学の構造
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

Human Dimension
医学、行動科学、認知科学
QoL向上のために必要なサービスの同定

QOL
充足度

サービ
ス需要
新しいサービス需要に基づく新たな技術システム

人の行動を誘導するメカニズムの解明とIoTによるその実装

エネル
ギー需要

IoT技術によるエネルギー消費機器のモニタリングと制御Technical
Dimension
電気・機械工学、建築学

機器稼働のモニタ
リングを通じた新しい価値の創出

充足度の形成要因の解明

Digital Dimension
IoT，情報学20

LEDシナリオ：Digital Convergence
449 Watts
5 Watts
2.5 Watts

Power72 Watts
Stand-byenergy use

75 kWh
0.1 kg1706 kWh
Embodied energy
26 kg

出典：IIASA

Weight21

Digital Convergence について• スマートフォンは省エネのために機能を拡張したのではない。デジタル技術の進展を背景に、機器の持つサービスを拡張したことが、結果としてエネルギー消費を低減させる。
• 機器消費エネルギー削減の一方で以下の点が課題。

• GPS，カーナビゲーション機能など多くのサービスは遠隔のデータセンターが情報を処理している。そのエネルギー消費を考慮したときに本当に省エネルギーになっているか？
• 統合される以前の各機器はスマートフォンより寿命が長い。
従って機能統合によって機器の寿命は短くなり、使用時消費エネルギーに対するEmbodied（機器に内包された）エネル
ギーの比率は高くなり、機器の環境設計やリサイクルが重要になる。

下田研究室

デジタル化は部門を超える変革を生む
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

情報システム

業務施設
温熱環境
照明
設備
機器
シェルター

仕事・学
び・余暇

住

人間の豊かな暮らし

温熱環境
照明
AV情報機器
衛生
調理
シェルター

移動衣・食

旅客輸送

国際貿易

農林水産業

製造業

テレワーク
E-commerce

素材産業
静脈系産業

貨物輸送

自動運転電気自動車
土地利用

下田研究室

デジタル化は部門を超える変革を生む
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

情報システム

業務施設
温熱環境
照明
設備
機器
シェルター

仕事・学
び・余暇

住

人間の豊かな暮らし

温熱環境
照明
視聴覚・情報
衛生調理
シェルター

移動衣・食旅客輸送

国際貿易

農林水産業

製造業

テレワーク
E-commerce

素材産業
静脈系産業

貨物輸送

自動運転電気自動車
土地利用の変化

400
2000

99

263-54-225-200-543-400-600-141

ガス-800

テレワーク

通勤時自動車利用の減少

事務所床面積の減少

テレワーク＋住み替え＋PV

テレワーク＋住み替え

電力
テレワーク

エネルギー需要の変化 [GJ/day]

テレワークによる土地利用への影響

下田研究室製造業の変化大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 脱物質化・物質利用効率の向上• サービス化［レンタル］• リユース・リサイクル、リマニュファクチャリング、シェアリングエコノミー• 長寿命化、メンテナンスの高度化• 軽量化、エコデザインによる材料の節約• 生産の効率化・脱炭素化• エネルギー効率改善・脱化石燃料生産• オンデマンド生産• 3Dプリンティング• 高度な需要予測・サプライチェーン（Industry 4.0）26

下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

5.

需要の変化を如何に実現し、競争力ある産業の成長に結びつけるのか。

27

下田研究室

サービサイジング

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 製品ではなくサービスを売るビジネス。
• 生産者は消費者のニーズに沿うように製品の機能を提供する仕組みを変える。
• 所有権が生産者の手元に残るので、廃棄時の環境負荷軽減努力が働きやすい。
• 最近、製品以外にも交通(Mobility as a Service)等に概念が拡大。
• エネルギーでは？

28

下田研究室環境保証型エネルギーサービス
大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

エネルギー供給事業者
コスト最小化の企業原理、技術的優位性に基づいた最適化

消費者サービス（真の価値）

KWh, m3, KJでの取引
人手、技術の欠如、インセンティブの低さ。

エネルギー供給事業者
最終サービスを目的とした最小コスト
プランニング 必ず安くできるはず

消費者サービス（真の価値）

室温明るさを保証した
取引
29

下田研究室

小さな技術と小さな主体

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 小さな技術• エネルギー供給の一部は太陽光・風力など「小さな技術」に。
• エネルギー需要も機器単位に分割すると「小さな技術」。同じ機器でも使われ方に違い。
• デジタル化が全体のマネジメントを可能にする。

• 小さな意思決定主体• 家庭や中小事業者に。
• 経済的最適解だけでは判断しない。
• 情報の不足• 大きな投資がおこないにくい。

• ある大きさにまとめることが必要。
30

まち（都市・コミュニティ）の重要性
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 民生・旅客運輸部門エネルギー需要の大部分を占める住宅・建築・家電・設備・乗用車・供給処理施設などはわが国の技術水準が高く、世界の脱炭素化に対して貢献できる分野• これら分野で脱炭素技術への需要を高め、更なるイノベーションを生み出し、脱炭素化とグリーンリカバリーに貢献するためには、継続的で意欲的な政策による性能向上の誘導と、普及のための国民の参画が必要。
特に脱炭素化達成のためには全ての世帯に普及させていくことが重要。
• 国民・家計の共感を得るためには、投資回収など経済的合理性を追求するだけでなく、これらの財から構成される人々に魅力のある脱炭素社会の姿を示すことが重要。今後は乗用車が電化され、住宅・建築と繋がっていくなど「まち」としての取り組みが重要になる。

まちの重要性（日本の優れた技術）
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 住宅・建築の設計・施工技術• プレハブ住宅• シミュレーションを活用した環境共生建築デザイン• 設備技術アジア・アフリカの• パッケージエアコン
冷房の拡大の中で特• 大型冷凍機に重要な技術。
• ヒートポンプ給湯器• 照明技術 LED• 分散型発電技術 燃料電池など• 蓄電技術 リチウムイオン• 建物設置型太陽光 ペロブスカイト• 各種家電機器• 電気自動車、水素自動車 充電・充填インフラ• 送配電・ガス供給、上下水道・廃棄物とエネルギー統合• 機器や各種センシングデータをIoT技術でつないだマネジメントシステムによる統合管理（ハードと一体となったソフト開発）

まちの重要性
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻• 我が国は機器の要素技術について優れる一方、• それぞれの要素を都市・コミュニティで統合・最適化するシステム化• 脱炭素化のみならず SDGs 全体に配慮し、景観など魅力あるまち・ライフスタイルを創造するデザイン
力• では遅れており、何らかの対策が必要。
• 脱炭素化技術が、GHG 削減性能のみで表現される「レストランのメニューのカロリー表」から、コベネフィットを含め、それ自身が国民を惹きつける「メニュー」自身にならなければ普及は望めない。

地球温暖化対策計画：対策のボトムアップ
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

対策

2013

新築住宅の省エネルギー基
準遵守
既存住宅の省エネルギー改
修

6%

2030

エネルギー需要削減量 [PJ]
合計
電力
燃料
121.8

30.5

91.3

16.5

4.3

12.2

104.1

-10.2

114.3

30%

HP給湯器

4,220,000

14,000,000

潜熱回収給湯器

4,480,000

27,000,000

燃料電池

55,0005,300,000

高効率照明の導入

9%

およそ100%

77.9

77.9

0.0

トップランナー基準による家電効率の向上

––

51.7

40.6

11.1

HEMS・スマートメータによるエネルギーマネジメント0.2%

およそ100%

69.1

69.1

0.0

国民運動（クール/ウォームビズ、機器更新の促進、家庭エコ診断）

––

8.7

4.1

4.5

449.8

216.4

238.5

高効率給湯器 [台]合計

対策進捗評価システム
下田研究室

家庭部門削減目標
2030年

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

社会変化

最大の外部要因

コロナ禍
働き方改革
大震災

気象

‐66%

人口動態
景気

少子高齢化
分散居住

外部要因
技術進展
技術革新
デジタル化

(2013年比)

研究目標
民生部門CO2排出削減の進捗評価
追加対策or目標見直しの検討資料提供

省エネ対策
購買行動

機器保有状況

機器稼働

施策

地球温暖化対策計画

対策進捗評価の3課題

効果見込み量・照明 －6.51Mt‐CO2
・機器 －4.76Mt‐CO2
・給湯 －8.98Mt‐CO2 etc…

観測値

対策
普及
状況

業務部門削減目標

民生部門
エネルギー消費エネルギー消費量

単位
削減量

①

使用時間に実態と乖離対策導入量②地域・世帯別分布不明

導入効果

③

気象影響
混在

これまでの進捗評価

電力会社選択2030年 ‐51%
(2013年比)

CO2排出量PhysicalCyber

対策進捗評価シス
テム（分布・使用時間の考慮）

シミュレーション
X年度
気象データ

家庭CO2統計などアンケート調査による詳細な導入状況把握（地域・世帯別分布）

スマートメータデータ分析による進捗状況の検出技術開発（効果の検出）気象補正

真の対策効果対策・目標の見直し（シミュレーションによる計画評価）

家庭部門の対策評価結果
下田研究室

大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

2013年度比エネルギー削減量
[PJ]

250
200
150
100
50
0-50

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

気象
断熱
給湯
照明
エアコン
テレビ
冷蔵庫
世帯変化要因内部発熱要因家庭部門の省エネで1割程度の遅れが生じている恐れ

下田研究室大阪大学大学院工学研究科／環境エネルギー工学専攻

ご清聴ありがとうございました。

37