エネルギーシステム研究会
第11回技術講習会

2023年3月24日

地域冷暖房プラントに蓄電システムを導入した場合の効果(株)E.I.エンジニアリング
代表取締役 当研究会副代表 小川彰彦

スマートエネルギーネットワーク構築の基本ソフト

V61

■ 講演の内容
地球温暖化防止蓄電池
蓄電池のニーズ
シミュレーションソフトの概要

蓄電池の特性
蓄電システムの利用実例

地域冷暖房への蓄電池の適用
蓄電池システムのモデル
地域冷暖房モデルによる検討事例紹介●太陽光発電の自己託送ケース● ピークカット運転ケース● 電力の平準化ケース●DR/VPP市場への参入ケース

参考 用語の意味①蓄電池容量の設定 ②充電/放電効率 ③SOC（充電率）とは④最低蓄電量（SOC_LL)
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2050年までに温室効果ガスの排出バランスゼロを目指す
国の命題
地域冷暖房プラントは、この命題をどの様に達成するのか？

2030年度にCO2 46％削減
2050年までにカーボンニュートラル

IPCCが2040年に2019年でGHG削減60%を報告し、政府は、緩和策・適応策の両面から対策を強化していくとのこと。

規制の解除、市場の変化により投資及び対策は変化する。

2023年3月

この命題を実現するには、今までの省エネ対策では難しく、次元の異なる対策が求められる。太陽光発電と蓄電システムの組み合わせでCO2の削減をどこまで、どの様にできるかをシミュレーションで検討
この命題を、出来るだけ早く解決できれば、地域冷暖房プラントの価値が上がると共に国際都市として再開発の進む東京、大阪の地位が飛躍的に向上する。

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■

蓄電システムのニーズ

公共施設や工場、業務用ビル、マンションの施設では太陽光発電の利用に加えて蓄電システムを導入する検討が増えている。
導入の目的は・電力会社からの購入電力の平準化（ピークカット、ピークシフト）
・自然環境の影響を受ける太陽光発電の有効利用
・災害時の非常用電力（停電対策）
・電力料金を考慮した充放電

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■

ソフトの概要「蓄電システム」と「燃料電池（ガス及び水素対応）」の機器を追加し、太陽光発電設備の機能を強化したことで、「発電設備（熱電併給）」、「熱源設備」、「太陽光発電設備」および「需要家電力・熱負荷」を一体として、経済的かつ環境目標に合致したシステム設計およびエネルギー運用をシミュレーションできるソフトです。

電源系統

太陽光発電と蓄電地のDC接続

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● 汎用モデルフロー

蓄電池及び燃料電池（水素対応）を追加したことで、これからの環境の変化に柔軟に対応できるソフトに進化している。

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●蓄電池の種類
シミュレーションに適用できる蓄電池:「リチウムイオン電池」、「ニッケル水素電池」、「NAS電池」の特性

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■

蓄電池の特性「リチウムイオン電池」（ニッケル水素電池、NAS電池）の特性
１） 温度特性２） 放電特性GS YUASA 産業用リチウムイオン電池 LIMシリーズ25Hシリーズカタログより

外気温度45℃から常温まで特性は変わらず、０℃でも若干の放電容量の低下であり、また、蓄電池の多くは建屋内に設置されことから温度特性のパラメーターは考慮しない。

地域冷暖房設備においては１C放電よりもかなり低い放電容量で使用されるので、放電特性のパラメータは考慮しない

3）経年劣化特性

参考：TOSIBA SCiB SIPシリーズカタログよりシミュレーションの蓄放電は1日単位で、年間でも365日であり、充放電による蓄電池容量の低下のパラメータは考慮しない。
蓄電容量が低下した場合は、蓄電地容量の設定値を変更すれば良い。

蓄電池の特性について沢山の文献が出ていますが、エネルギーシミュレーションの蓄電地モデルは、これらのパラメータを考慮しなくて良いと判断（冷凍機の各種パラメータの様にエネルギー消費量に直接影響するパラメータではない。）
参考：ノルウェーのEVとＰＨＶ自動車の普及率は75%になっていることからも温度特性は大きな問題ではないと言える。

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■ 蓄電システム利用の実例（蓄電池がどの様なビジネスに利用されているかの紹介）
再エネ電源は、日射量や風力に伴う短周期変動と太陽の位置関係による長周期変動がある。

●短周期変動への対応

北海道は再エネ導入の可能性が大きい地域である一方、電力系統の規模が小さく、出力変動に対応するための調整力に課題が存在していたことで、平成25年7月に北海道電力による通知「出力変動緩和対策を行う太陽光発電所の連系について」により、出力変動緩和対策の技術が設置条件とされた短周期変動の出力変動緩和対策とは、全ての時間帯に対して定格出力の変化速度を1分間に1%以内に収める要求でありこの為、大型の蓄電池を設置してこの出力変動を吸収しなければなりません。
① この事例として第10回の技術研修会でGSユアサの益子様より、北海道北豊富変電所に世界最大規模の出力240MW、容量720MWhの蓄電池設備の導入事例が紹介されました。

②スズラン釧路町太陽光発電92.2[MW]に、出力59.4[MW]、容量25.[MWh]の蓄電池を設置して周波数変動や電圧変動の出力変動緩和対策をしている。

大容量蓄電池は高額であり、再エネ発電事業の出力変動緩和要件は再エネ導入の阻害要因で、資源エネルギー庁は、2023年7月以降に接続検討の受付を行う新規電源については、変動緩和要件を求めないという結論が示された。
系統側に蓄電池を設置して変動を吸収する方向が打ち出された。
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● 蓄発電所事業
電力の需要に合わせて供給力の調整を行う、蓄発電所事業（10MW以上）への参入（電力が安い時間帯に市場で買って充電し、電力不足の時に販売することなどで差額を利益にする事業モデル）
日本卸電力取引所（JEPXシステムプライス
2022年5月18日（水曜日）

0.01～26.4円/kWh①関西電力とオリックスが、紀ノ川変電所内に定格出力48[MW],定格容量113[MWh]の大型系統用蓄電池で対応②東邦ガスは津にNAS（ナトリウム硫黄）電池で定格出力は11.4[MW]、容量は69.6[MWh]の蓄発電所の2025年度の運用開始を目指す。
蓄電所事業でピークカット及びピークシフトにより電力系統の安定化およびコストの平準化に寄与する。

● 非常用発電への適用
GE発電機の設置が主流ですが、昨今の電池の進化により、蓄電システムの導入が広がっている。
①メンテナンスの手間が減ること、②停電後すぐに起動できること、③室内で使用しても一酸化炭素中毒の心配が無いこと、④大きな騒音を発しないことの利点がある。
太陽光発電と組み合わせて、長時間の電源確保も可能になる。

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● 地域冷暖房およびスマートシティへの適用
太陽の位置による日射量の長周期変動に対するシミュレーションで、地域エネルギーの最適化をするうえで、電力需給バランスを調整できる蓄電地は必須のシステムです。
さらに、蓄電システムはデマンドを抑制したり（DR＝デマンドレスポンス）、逆潮流（VPP)を発生させることができる。 。

次のような検討が自在にできる
1) ピークカット運転①夜間の充電 ②昼間の時間帯でも充電（放電の合間）

2) スケジュール放電(1) ピークシフト運転

買電電力の平準化を目的する運転(2) 太陽光発電電力の平準化
余剰太陽光発電を充電して朝の立上り、夕方の立下り時間帯に自家消費する(3) 災害時に太陽光発電と蓄電池によるBCP対応(4) DR/VPP 逆潮流による電力市場への参加決められた時間帯に決められた逆潮流を発生させるVPPリソースとなる。

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■

蓄電池システムのモデル
・蓄電池容量の設定およびコンバータ効率の設定
・充放電及び運転パターンの設定
年間共通とするか、月・パターンごとに設定するか、を選択できる。

（蓄電池容量の設定はP42を参照）

蓄電池システムは発電系機器に分類

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参考

リチウムイオン電池の仕様

最大充電電流と最大放電電流が規定されている、この意味は定格容量48.5Aで1時間で充放電するのが１Cですから、最大充電電流「2.5C」、最大放電電流「６C」とは、48.5A×2.5=121Aで充電し、概略60分÷2.5=24分で充電を完了すること。
48.5A×6=291Aで放電し、概略60分÷6=10分で放電を完了すること。
この規定は蓄電池の保護のためであり、シミュレーションの対象となる熱電設備では、短時間の大電流による放電６C（充電2.5C）は必要とされず、時間単位の放電及び充電ですから蓄電池システムに設定する必要はありません。
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■ 地域冷暖房への蓄電池の適用● 地域冷暖房モデル
自社事務所ビルの地下に地域冷暖房を設置（事務所ビルの電力は地冷から供給）
1) CGS: GEコージェネレーション370[kW]×2基
燃料電池（水素燃料） 105[kW]×1基（発電端）
2) 蓄電池：6,000 [kWh]×1基 (2,000[kWh]～4,500[kWh]）3) ビルに設置
太陽光発電(1)：25[kW]×20基=500[kW] PCS能力:400[kW] 方位0度 真南、傾斜角25度
太陽光発電(2)：25[kW]×10基=250[kW] PCS能力:200[kW] 方位10度 傾斜角25度
設置場所：東京 北緯35度41.4分 東経139度45.6分 標高6m4) 地域冷暖房設備の機器構成
・低圧ボイラー：2.22[t/h]×5基、・蒸気焚ジェネリンク：740[kW]×2基、・吸収式冷凍機：2,820[kW]×3基、・インバータターボ冷凍機：2100[kW]×2基・インバータターボ冷凍機：1400[kW]×1基
・給湯システム：1セット （ボイラ:300[kW]×2基）
注）CGSの排温水は、蒸気焚ジェネリンク、給湯システムで利用、熱の利用優先順位は、給湯、蒸気焚ジェネリンクの順番に利用

最大冷房負荷：3,000[USRT]規模
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● 太陽光発電の自己託送
都心のオフィスビルに熱電供給している地域冷暖房は敷地が限られていることからオンサイトでの太陽光発電で電力をまかなうことが難しい。そこで遠隔地に大規模の太陽光発電施設を自社で開発・運用して、太陽光発電電力を地域冷暖房設備に自己託送し、且つ電力の平準化により太陽光発電を有効に活用したシミュレーションの事例を紹介します。
蓄電池容量：6,000[kWh]太陽光発電：3,000[kW]太陽光発電設備を千葉県茂原地区に設置
・ユニットNo.1 太陽光発電：25[kW]×50基、PCSの定格出力1,000[kW]・ユニットNo2 太陽光発電：25[kW]×100基、PCSの定格出力2,000[kW]（発電容量は、電力料金体系、段階的なCO2削減計画で増設すればよい）

6,000[kWh]

GE360kW×２基
燃料電池105kW×1基

地域冷暖房（3,000USRT)
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自己託送の太陽光発電の設定画面
５月平日の太陽光発電の電力を熱源設備に自己託送し、且つ余剰太陽光発電電力を平準化により有効に活用する蓄電池の設定画面
ＪＥＰＸのエリアプライス（東京）動向を考慮して放電時間を設定
夕方の立下り時間帯：16時～22時
朝の立上り時間帯：8時～10時に設定①73時間先までの斜面日射量及び風速、気温の予測データを気象会社から入手できるので、電力負荷予測と太陽光発電予測から余剰太陽光発電量を入力。

太陽光発電量は、NEDOの水平面日射量データに含まれる「水平面全天日射量」、「水平面全天日射量直達成分」、「水平面全天日射量天空散乱成分」、「外気温」、「風速」、「積雪」、「通し日」数（データ採取の日）及び地点の地理情報（緯度、経度、標高）から、任意の斜面の発電量を算出することができる。

②翌日の天気予報から経験的に概略の余剰太陽光発電量を入力しても対応できる。

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５月平日の電力バランス及び蓄電池のバランス

燃料電池は、連続運転で昼間100%、夜間 90%で運転に設定（最低負荷率30% 出力変化速度２％/分）

5月平日蓄電地の充放電バランス

SOC_LL：30%

電力負荷は、事務所電力＋熱源電力＋充電電力となり、再度、電力負荷で電力及び熱についてバランス計算が行われます。
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5月平日の電力及び蓄電池のバランス帳票①余剰太陽光発電を充電 ②朝の時間帯、夕方の時間帯に放電③太陽光発電 ④買電電力⑤余剰太陽光発電の充電 ①×0.95⑥放電 ②÷0.95185月平日の太陽光発電詳細

発電効率14.3%で，カタログ表示では18.6%となっているが、これは試験日射量が１[ｋW/m2]の強い日射量での効率となっている。

実際の使用条件でどの程度低下するのか、時系列的にどのように変化したのかを把握できる。

25[kW]×50基
PCS定格：1,000[kW]
方位角0度 真南、傾斜角25度

25[kW]×100基
PCS定格：2,000[kW]方位角10度 傾斜角25度

パナソニック 単結晶系ハイブリット型

19太陽光発電の８月平日、休日の電力バランス
8月平日 電力バランス
8月平日電力バランス

有効発電量：12,025.1[kWh]制限後の発電量：12,025.0[kWh]利用率:100[%]

8月休日電力バランス
8月休日 電力バランス

有効発電量：12,025[kWh]制限後の発電量：10,743.5[kWh]利用率:89.3[%]

最低蓄電量SOC_LL３０％を切っているが、劣化に大きく影響することも無いので無視して計算を続けます。

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太陽光発電年間電力バランス
年間太陽光発電詳細

年間蓄電システム

有効発電量：3,742,793.4[kWh]制限後の発電量 ：3,393,041.2[kWh]太陽光発電利用率：90.7[%]
利用率が低下しているのは、土日祝の電力負荷が小さいので太陽光発電のパワーコンディショナーにより出力制限されている。
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年間電力バランス比較
年間電力バランス
（託送PV、蓄電池あり）

年間電力バランス（PV、蓄電池なし）

買電の削減量:4,194.4[MWh]-945.1[MWh]=3,249.3[MWh]
太陽光発電量より若干削減量が少ないのは、コージェネの一部部分負荷となっている時間帯があるのと蓄電池の充放電効率による電力ロスによる減少です。

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年間蒸気、冷水、温水バランス

年間低圧蒸気バランス

年間給湯バランス

年間冷水バランス

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CO2削減効果
年間消費エネルギー
年間製造熱比較国の命題を達成するには、このように大胆なCO2削減対策を計画的に実施していくことが必要となる。

ＣＯＰ改善の効果

ガスが少し減少しているのは、CGSの部分負荷運転による三井不動産が、太陽光発電の自己託送でCO2削減を発表
東京ミッドタウン日比谷、三井アウトレットパーク札幌北広島、三井ガーデンホテル広島など首都圏の社保有物件に自己託送、年間2,300[万ｋWh]の発電用地を確保

CO2削減35.5%の削減効果

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● ピークカット運転のケース
蓄電池からの放電により、年間の契約電力650[kW]を超えないように制御
蓄電池容量：4,500[kWｈ]、 契約電力650[kW]

蓄電システムの設定

7月平日の電力バランス

650kW以内

7月平日の蓄電地の充放電バランス

SOC_LL：30%

充電時間帯も650kW超えない範囲で充電される25

7月平日の電力バランス

7月平日電力バランス① 契約電力650[kW]は,夜間蓄電池に充電する時間帯についても達成されている②契約電力650[kW]を維持するために蓄電池から放電されている。
③太陽光発電は、有効発電が全て利用されている。
④蓄電池に充電する電気量は、夜間も650[kW]を超えないように充電されている。
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● 電力の平準化ケース
昼間の電力単価が安い時間帯に充電して、電力単価の高い「朝の立上り時間帯」及び「夕方の時間帯」に放電する。

・蓄電池容量は2,000[kWh]に設定
・月ごとに電力の状況が異なるので、運転パラメータは月又はパターンに下記の様に設定
・7月平日の蓄熱システムの運転パラメータの設定例を示す。
・充電は、電力単価の安い9時から充電を開始し、放電量に合わせて終了時間は自動的に決定される。
・放電は、電力単価の高い夕方の立下がり時間「16時～21時」、朝の立ち上がり時間「6時～９時」に設定

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参考

ＪＥＰＸエリアプライス（東京）
2022年 ５月29日～6月５日

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7月平日の電力バランス

7月平日の電力バランス グラフ及び帳票

放電時間

放電時間
95kW=100kW×0.95

263.2kW=250kW÷0.95

237.5kW=250kW×0.95

充電時間①放電の設定時間帯に放電②有効発電量の全てが利用されている。
③9時から蓄電池への充電量 充電効率0.95が考慮され、
250[kW]/0.95=263.2[kW]29蓄電池容量 2,000[kWh]蓄電池容量 4,500[kWh]充電電力：250kW、 放電16時～21時250kW 6時～9時 100kW

充電電力：450kW 放電16時～21時400kW 6時～9時 200kW

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● 蓄電システムによるDR/VPP市場へ参入ケース
商業系統に逆潮流を発生することは一般的ではないが、今後、逆潮アグリが認められ普及していくことが、考えられるので蓄電池の有効な利用法として紹介します。
蓄電池容量：6,000[kWh] 太陽光発電ユニット（１）：25[kW]×4０基、PCS定格800[kW]太陽光発電ユニット（２）： 25[kW]×50基、PCS定格1,000[kW] 熱源設備の機器構成は同様
朝の立上り時間帯7時～10時、夕方の16時～20時に逆潮させて昼間の10時からの時間帯に充電させる

逆潮する時間帯と電力供給量を、各月ごとの「運転パターン」で設定

VPP契約電力設定

蓄電池の設定買電を生じないように充分に大きな数値を設定

317月平日の電力バランス

7月電力バランス

VPP放電

VPP放電

充電

①VPP発電として出力する電力②蓄電システムにAC母線からの充電電力 （新たな電力負荷）③VPP出力するために蓄電池からの放電電力④太陽光発電からの電力

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昼間の時間帯の出力

夏の8月平日の昼間の時間帯の電力不足を補うVPP発電
蓄電池の設定8月平日の電力バランス

夜間22時から充電開始

VPP契約電力
充電時間帯

充電

VPP対応時間帯

充電時間帯

充電

VPP放電

VPP契約電力量及び充放電時間帯を任意に検討できる33

用語の意味①蓄電池容量の設定
蓄電池容量1,000[kWh]の蓄電池を80%～30%で使用するように規定されている場
合には、実際に使える蓄電池容量は、1,000[kWh]×(80%-30%)/100=500[kWh]です
から、蓄電池容量として500[kWh]と設定する。
Enepro21では、500[kWh]を100%～0％の範囲で利用する。ここでSOC_LL30%と規定した場合には、平時の蓄電池の利用容量は350[kWh]になる。

②充電/放電効率
DC・AC変換器の効率：通常は95%に設定③SOC(充電率)とはSOC(State of Charge)は、残っている電気量を蓄電地容量で割ってパーセント表示した指標、充電率あるいは残容量とも言います。
500[kWh]の蓄電池でSOC 100%は500[kWh]保持している状態で、全てを放電するとSOC 0%と表示します。
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用語の意味④ 最低蓄電容量（SOC_LL）
災害時に備えて常に何％かの蓄電量を確保するとの考えから、最低蓄電量（SOC_LL）を設定することができる。
①の事例の500[kWh]の蓄電池で、SOC_LLを30%と設定すると
500[kWh]×30%/100=150[kWh]の蓄電量が非常用として確保される。
非常時ですから蓄電池のSOC_LLを無視し蓄電地容量を最大に使用すると、容量1,000[kWh]のSOCで10%まで利用すれば、1,000[kWh]の30%-10%=20%,つまり200[kWh]も非常用として使える。結局合計で、150[kWh]＋200[kWh]=350[kWh]の備えを持つことになる。

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Engineeringfor Tomorrowwith Enepro21 Regular株式会社 E.I.エンジニアリング〒651-0095 兵庫県神戸市旭通２丁目10-18
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