研究・技術最前線

2030年度のCO２削減目標実現にむけて地域冷暖房プラント（DHC）に太陽光発電と蓄電システムを導入しCO２削減を検討するソフトとシミュレーション結果の紹介
株式会社 E. I. エンジニアリング
代表取締役
２.２

１．はじめに
第６次エネルギー基本計画で、2050年カーボ

小川彰彦

蓄電池システムの追加（１） 蓄電システムの構成と電源系統

ンニュートラル、2030年度には2013年度比の蓄電システムは、蓄電池とDC・AC変換器から46％CO２ 削減、更に50％を目指して挑戦を続け構成され、DC・AC変換器は設備全体のAC母線にる新たな削減目標の実現に向けたエネルギー政策の接続される。（図２.１）

図2.1

道筋が示された。再生可能エネルギーを、主力電源として最優先で最大限の導入に取り組み、水素について社会実装を進めることが明記された。更に、蓄電池の有効活用を推進することで、再生可能エネルギーの効率的な利用と地産地消による地域活性化を促進することが強調された。カーボンニュートラル
時代を見据え、水素が新たな資源として位置付けられ、純水素燃料電池の導入拡大も記載された。
地 域 冷 暖 房（DHC） に こ の エ ネ ル ギ ー 政 策 を反映できるよう、エネルギーシステムの設計・運転支援を行う当社開発シミュレーションソフト
「Enepro21Regular」のバージョンアップを行っ

図２.１

た。

電源系統図

蓄電地から放電されたDC電力はACに変換され２．バージョンアップの概要て、コージェネや太陽光発電と同様にDHC電力や２.１需要家電力に供給される。不足する電力は電力会社

再生可能エネルギーの太陽光発電の機能強化から買電される。

太陽光発電が急速に普及したことにより、太陽光蓄電システムに充電を行っているときの電力は新発電の系統に与える影響が無視できなくなってき

たな電力負荷としてDHCの電力負荷に加算される。

た。電力会社から余剰買取を行うに当たり、太陽光充電電力は買電あるいはコージェネ、太陽光発電の発電事業者に対して、発電出力を細かく制御するこ電力系統から供給される。とを求めるようになったので、次の機能強化を行っ（２） 蓄電池モデル

た。
①時刻と発電量制限値を設定して電力負荷に応じて出力を制限②太陽光発電の出力を連続制御

蓄電池の機能は、放電された電力量に変換ロスを加味した放電相当分を、設定された時刻から充電していき、放電相当分の電力量を充電した時点で充電は自動停止する。つまり蓄電池の充電量と放電量を

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都市環境エネルギー第136号

12023/10/13 8:38バランスさせているので蓄電池に求められる機能は蓄電池の容量になる。近年蓄電池の性能が著しく向（３） 蓄電池システムの運用
蓄電システムの運用方法は次の２つとなる。

上したため、①ピークカット運転

・自然放電②スケジュール放電

・・充放電特性に対する容量低下
繰り返し充放電に対する経年容量低下

・繰り返し充放電に対する経年容量低下

・ 周囲温度に対する容量低下

・周囲温度に対する容量低下

ピークカット運転は契約電力値を超える時に放電スケジュール（時刻と放電量）の設定の仕方にし契約電力以下に抑える運用である。

よって、スケジュール放電は設定された時刻に、設定されなどを考慮する必要がなくなっている。またなどを考慮する必要がなくなっている。またDHC・ピーク時間帯に買電量を抑制するピークシた放電を行う運用である。

用されるので放電特性による容量低下および、蓄電電容量で使用されるので放電特性による容量

よって、・余剰太陽光発電電力を朝・夕の時間帯に利用低下および、蓄電池は通常電気室内に設置され・VPP（仮想発電所）のエネルギーリソースとDHC
においては 1C 放電よりもかなり低い放においては1C放電よりもかなり低い放電容量で使池は通常電気室内に設置されるため、温度の影響は無視できる。したがって、図２.２が示す特性に基るため、温度の影響は無視できる。したがって、づき、これらのパラメータについては考慮していな

フト運転
スケジュール（時刻と放電量）の設定の仕方に・ピーク時間帯に買電量を抑制するピークシフト
運転

して逆潮流を発生させる運転（逆潮アグリ）
・余剰太陽光発電電力を朝・夕の時間帯に利用

図い。
2.2 が示す特性に基づき、これらのパラメー
これらの仕様を満たす
蓄 電 池 と し て は、 リ・非常用電力としての対応能力の検討
・VPP（仮想発電所）のエネルギーリソースとチュームイオン電池やニッケル水素電池、NAS電タについては考慮していない。
これらの仕様をして逆潮流を発生させる運転（逆潮アグリ）などを行うことができる。

池などが適用できる。

図2.2
満たす蓄電池としては、リチュームイオン電池やニッケル水素電池、NAS電池などが適用でリチューム電池の特性きる。

放電特性

温度特性

経年劣化特性・非常用電力としての対応能力の検討

運用に関する設定は次の 2 通りの方法がある。などを行うことができる。

（図2.3 参照）。
運用に関する設定は次の２通りの方法がある。

・年間を通して同じ設定を適用する。
（図２.３参照）。

・年間を通して同じ設定を適用する。
・月、パターンごとに変えて設定する。

リチューム電池の特性

・月、パターンごとに変えて設定する。

2.3 燃料電池
２.３

図２.２

蓄電池の特性

蓄電池モデルは、図２.３の蓄電池容量とDC・AC変換効率を設定すれば良い。No２は、蓄電池が燃料電池(1)燃料電池モデル（１） 燃料電池モデル
燃料ガスと純水素の２ケースに対応できるモデル
燃料ガスと純水素の２ケースに対応できるモデ
フロー図を図２.４に示す。
ルフロー図を図2.4 に示す。

図 2.2 蓄電池の特性増設された時に設定する。

蓄電池モデルは、図 2.3 の蓄電池容量と DC・AC 変換効率を設定すれば良い。No2 は、蓄電池が増設された時に設定する。
燃料電池モデルフロー
図 2.4 蓄電池モデルフロー

図２.４（２） 運転計画
燃料電池は年間を通して連続のベース運転とな(2)運転計画
図２.３蓄電池モデル

図 2.3 蓄電池モデル
2

都市環境エネルギー(3)蓄電池システムの運用

り、負荷率を変えて運転できるので時間帯別に負荷燃料電池は年間を通して連続のベース運転とな率（30％～100％）を設定して運用する。

り、負荷率を変えて運転できるので時間帯別に負荷率（30%～100%）を設定して運用する。

第136号

蓄電システムの運用方法は次の 2 つとなる。
①ピークカット運転②スケジュール放電

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図2.5

図3.1

熱供給対象地域
DHC自社ビル

商用電源

発電
電力
プラント
電力
蒸気給湯

往冷水 還冷水

給湯ボイラ—
300 kW×2

給水

蒸気ジェネ
リンク
735 kW

排温水

図２.５

燃料電池の運転計画

吸収式冷凍機2813 kW×3

INVターボ
1407 kWINVターボ2110 kW×2

蒸気ヘッダー

発電
電力
排温水

３．2030年度へのDHCのCO２削減対応策につい

蒸気

蒸気

還冷 水

往冷 水

GE CGS
370 kWて検討

蒸気

ガス
貫流ボイラ
1.77 t/h × 7

図３.１

都心のDHCはオンサイトで再生可能エネルギー

地域冷暖房モデル（太陽光発電）を大量に導入してCO２の大幅削減はできない。そこで、遠隔地に大規模の太陽光発電施

インバーターターボ１：2110kW ２基設を自社（共同）で開発・運用して、自己託送し、インバーターターボ２：1407kW １基

且つ電力の平準化により太陽光発電を有効に活用す吸収式冷凍機：2813kW ３基ることでCO２ をどこまで削減することができるか

給湯ボイラ：300kW

２基を標準的な電力・ガス方式のDHCモデルで検証し、CGSの電気は、DHC設備およびDHCの自社ビシミュレーションの結果を紹介する。

ル に 供 給 し、 原 則CGSの 運 転 は、DSS（ ８ 時～３.１19時）とした。熱供給は、冷水と蒸気供給であり、標準的なDHCモデルの想定

給湯はDHC会社の自社ビルのみに供給することと（１） 熱供給のタイプの選定
DHCモデルとして電力・ガス方式で冷房に冷水、した。CGS排熱は給湯とジェネリンクで利用し、暖房にスチームを供給するタイプを想定した。

給湯での熱回収を優先とし最大利用した。

（２） 熱電供給対象地域の規模と負荷の作成

３.２

・４ 棟 の 大 規 模 事 務 所 ビ ル（ 総 延 べ 床 面 積

現状モデルのシミュレーション結果

図３.２に示すように電力・ガスのベストミック
ス型DHCである。

175,000m２）に冷水、蒸気を供給する。
・DHC会社の自社ビル（10,000m ）の地下に２DHCを設置し、電力、冷水、蒸気、給湯を自社

冷熱66％で温熱が34％であり、温熱供給の内、蒸気供給が30％占めていることが特徴である。
電 力 の 一 次 エ ネ ル ギ ー 換 算 値 は、 省 エ ネ 法 のビルに供給する。
上記のDHC負荷を当社の電力・熱負荷作成プロ
グラムEstel21により、熱負荷プログラムL21を作成する。

図3.2

8,64MJ/kWを採用
東京電力の2013年度の調整後のCO２ 排出係数［0.521kg-CO２ /kWh］ と2022年 度 のCO２ 排 出係数［0.376kg-CO２/kWh］でCO２排出量を比較（３） DHCモデルの作成
電力、ガスのベストミックス型DHCとして
図３.１のシステムＡを想定（４） 機器構成
ガスエンジンコージェネ：370kW

１基

貫流ボイラ実際蒸発量：1.77t/h７基

蒸気ジェネリンク：735kW

１基

図３.２

製造および消費エネルギーの割合

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都市環境エネルギー

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す る と、 ガ ス の 排 出 係 数［2.24kg-CO２ /Nm３］
は変わらないので例えば仮にシステムに変化がない（２） 2030年度対策システムＢを図３.４に示す。
図3.4と 仮 定 す る と 電 力 のCO２ 排 出 係 数 に よ る に よ る

熱供給対象地域

太陽光発電ユニット1
発電電力

DHC自社ビル

自己託送

25 kW×50
商用電源

14.1％のCO２の削減量に留まってしまうことにな

太陽光発電ユニット2発電電力
25 kW×80

る。この期間に機器のインバータ化等のリニューア

蓄電池
6000 kW
発電電力

ル等が行われ実際はもっと大きな数値となるが、図

蒸気給湯

往冷水 還冷水プラント
電力

排温水給湯ボイラ—
300 kW×2燃料電池
100 kW
水素給水

３.３に示す2030年度までに2013年度比46％〜排温水蒸気ジェネ
リンク735 kW

吸収式冷凍機2813 kW×3

INVターボ
1407 kWINVターボ2110 kW×250％のCO２削減する国の命題を実現するには、今蒸気ヘッダー

図3.3までとは次元の異なる対策をこれから実施しなけれ発電
電力
排温水

蒸気

蒸気

還冷 水

往冷 水

ば達成することはできない。

GE CGS
370 kW
蒸気ガス
貫流ボイラ
1.77 t/h × 7

図３.４

2030年対策モデル

国の命題
2030年度にCO246～50％削減
2050年までにカーボンニュートラル

（３） 機器の運転方法について次を条件として運転パターンを設定する。
①契約電力は現在の1,360kWを維持する。

2023年8月

図３.３

３.３②スポット市場の約定価格を考慮して、電力負荷規制の解除、市場の変化により投資及び対策は変化する。の朝の立上り時間帯、電力の夕方の立下り時間帯にスケジュール放電を行う。

国の命題③CGSは、契約電力を維持する必要がある時間帯以外は、太陽光発電を最優先で利用するので2030年度に対応するシステム停止する。

電力・熱負荷およびシステム構成は現状のシステ④インバーターターボ冷凍機３基を最優先で運転ムとし、2030年度に46％から50％のCO２ 削減する。

を既存の技術をもって実現できるかどうかについて⑤燃 料電池の運転は、平日昼間負荷率（80％）、検討する。

平日夜間負荷率（50％）で運転

大型太陽光発電と太陽光発電を有効に利用する蓄

休日は、昼間および夜間共に負荷率50％で運転

電池システムの導入および水素燃料の燃料電池を追し、回収高温水を給湯に利用する。

加してシミュレーションを実施する。
（１） 追加機器の仕様①自己託送用の大型太陽光発電（４） 2030年度対策システムＢのシミュレーショ
ン結果

千葉県の茂原地区（仮定）に自己託送用大型太陽光発電設備を建設
太陽光発電ユニット１：25kW×50基１ユニット

図3.5
図3.5

消費エネルギーは、図３.５に示すように買電電力が大幅に削減される。

（方位０度（南）傾斜角25度）
太陽光発電ユニット２：25kW×80基１ユニット（方位10度（南西10度）傾斜角25度）
各月平均日射量データを採用、②太陽光発電を有効利用する蓄電池システム
蓄電池容量：6,000kWh

充電 / 放電効率：95％③水素対応燃料電池
富士電機の定格105kW高温水回収型燃料電池

図３.５

消費エネルギー比較

時間帯別電力バランスで、太陽光発電と蓄電池の利用状況を４月の平日・休日のグラフで表示する。

4

都市環境エネルギー

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図3.8

図3.6

平日の太陽光発電と蓄電池のバランスを図３.６に表示する。

図３.８

図３.６

４月平日電力・蓄電池バランス

休日の太陽光発電利用グラフいるので蓄電池に余裕があっても余剰太陽光発電を

図3.9

蓄電していない。蓄電池に貯めて次の日の電力負荷余剰の太陽光発電が蓄電池に充電され、卸電力取に応じてスケジュール放電すれば更に利用効率は向引所（JEPEXのエリアプライス）の動向に従って上する。月別の有効太陽光発電と制限後発電量との電力単価の高い朝の６時〜７時と夕方の16時〜関係を図３.９に示す。

24時に放電を行い昼間の余剰太陽光発電を100％利用し、今後、導入が予定されている電力市場価格を考慮した放電によりランニングコストの低減を実現している。蓄電池は非常用電力として最低蓄電量（SOC_LL）の30％を維持して充放電され蓄電池容量を適切に利用している。
図3.7

休日の電力・蓄電池バランスを図３.７に表示する。

図３.９

年間月別太陽光発電の利用グラフ

電力負荷の高い夏季は、太陽光発電をほぼ100％利用しているが、太陽光発電量の多くなる３月４月５月においては、利用率は低下している。
年間の有効発電量は3,242.7［MWh］、制限後
図３.７

４月休日電力・蓄電池バランス

発電量は3,018.2［MWh］で、年間太陽光発電の利用率は93.1％となり、適切な太陽光発電容量の休日の電力負荷は小さいので、買電電力が０とな設定といえる。また、余剰太陽光発電量の多い４月

る放電を実施しても８時から13時の余剰太陽光発の平日蓄電池バランスグラフからも蓄電池の容量も電量だけで対応している。

適切といえる。

そこで太陽光発電の有効発電量（発電能力）と制限後発電量（利用された発電量）グラフを図３.９に示す。
有効発電量の日合計11,120.0［kWh］に対し、（５） 2030年度のCO２削減目標の評価
現状の「システムＡ」と2030年度対策「システムＢ」の年間消費エネルギーは表３.１となる。

制限後発電量の日合計は6,385.1［kWh］であり電力・ガスのCO２排出係数を表３.２に示す。

太 陽 光 発 電 利 用 率 は57.4 ％ で あ る。Enepro21

2030年度の電力のCO２ 排出係数を2022年度

Regularは、１日でエネルギーバランス完結させての80％と仮定すると2013年度からのCO２排出係


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表３.１

消費エネルギー

V６を用いて検討した結果を記載した。自己託送用
太陽光発電と蓄電システムを適切に組み合わせて地表3.1

域冷暖房に導入することで達成できることを、若干の想定を含んではいるが立証することができた。こ
表３.２

CO２年度別排出係数

表3.2

1

表3.3

2

ギーシミュレーションソフトEnepro21Regulerの事例を参考に、既存の地域冷暖房の大幅なCO２削減を検討するヒントとなれば幸甚である。今回のバージョンアップにより、
Enepro21RegularV６は、日本のどこに設置さ数の削減率は42.2％になる。ガスのCO２排出係数

れた太陽光発電でも太陽の位置から水平面直達成分は変わらないと想定と水平面日射量天空散乱係数、風速、温度から任意

上記の条件でCO２削減について比較する。の斜面日射量を計算し太陽光発電量を正確に計算す（１）「システムＡ」に2013年度のCO２ 排出係ることができる。更に「発電設備（熱電併給）」、数を適用し、「システムＢ」に2022年度の排出係「熱源設備」、「太陽光発電設備」および「需要家電数および2030年度の想定排出係数を適用して比力・熱負荷」を一体として、環境目標に合致したシ

較した結果を表３.３に示す。

ステム設計および最適な機器の運用をシミュレー

表３.３

年度別CO２排出量

3

ションすることが可能となった。今後は、本ソフトをエネルギーマネージメントシステム（EMS）へ展開し、更にエリアエネルギーマネージメントシス
テム（AEMS）のベースソフトとして地域全体のカーボンニュートラルの実現に貢献したいと考え

図３.10のCO２排出量年度別から2030年度対応る。

シ ス テ ム Ｂ の 対 策 を 実 施 す れ ば、2030年 度 に2013年度のCO２ 排出量の46％〜50％削減する

参考文献

国の命題を現在の技術で達成することは充分可能で

１）経済産業省あるとの結論になる。

エネルギー基本計画の概要

令和３年10月

資源エネルギー庁

２）株式会社GSユアサのYUASA産業用リチューム電池
LIMシリーズ総合カタログより
温度特性

LIM25H３）株式会社GSユアサのYUASA産業用リチューム電池
LIMシリーズ総合カタログより
放電特性

LIM25H４）株式会社東芝

産業用リチュームイオン電池SCiBのカタログより
図３.10

CO２排出量年度別比較

４．おわりに存の技術で2030年度に2013年度比の46〜50％CO２ 削減をどの様に達成できるかについてエネル

都市環境エネルギー

都市環境136_最前線_小川_f2_6p.indd 6

ミュレーションソフト
Enepro21RegularV6

図３.１の電力・ガスのミックス型地域冷暖房を既6５）株式会社E.I.エンジニアリングが開発したエネルギーシ

特許 第4564594号

米国

PatentNo.US8,396,605B2６）株式会社E.I.エンジニアリングが開発した電力・熱負荷
プログラムEstel21第136号

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