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エネルギー・資源 Vol. 26 No. 6（2005）

研 究 論 文バイオマスを考慮した地域総合再生可能エネルギーシステムの設計および導入促進策の検討
Feasibility Study for Renewable Energy Systems Having Biomass with Application to Rural Area in Japan多田
Manabu Tada

学* ・ 中田俊

彦** ・ 新Toshihiko Nakata

妻弘

明*** ・ 浅Hiroaki Niitsuma

沼宏****

Hiroshi Asanuma（原稿受付日2004年11月４日，受理日2005年６月23日）
RRRRRRRRRRRRRRRRR

RRRRRRRRRRRRRRRRR

RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
Abstract
This study examines the application of integrated renewable energy systems into stock farm facilities in anorthern town in Japan. An energy-economic model has been developed and introduced to design cost minimum
system configuration. In the system, renewable electricity can be provided by a combination of livestock manurebiomass, wind power and photovoltaics. Heat can be provided by woody biomass, geothermal heat pumps,
petroleum and LPG considering energy conversion characteristics. Although the cost of biogass generation ishigher than that of the other energy equipments, we have designed the possible energy system to promote
practical use of biomass applying inverse onerous cost. The analytical result shows that the integrated renewableenergy system could reduce the carbon dioxide emissions by 30%, and the practical use of biomass is feasible
under some policies appropriate for local conditions.
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
システムの解析を行う．バイオマスについては，初期費用

１．背景および目的および維持費用が高いもしくは不明である，という理由が現在，再生可能エネルギーを活用するためには，導入にその導入の阻害要因になっている1）．バイオマスの利用は伴う問題点やその改善策を明らかにすることが重要である1）．

廃棄物処理とも密接な関係にあるため，処理費用収入（逆また，家畜排泄物処理法の施行により，バイオマス資源の有償）を考慮した場合や，将来の技術習熟による設備費の有効利用も求められている．そのためには，エネルギー機低下が設備構成および運用特性に与える影響を評価するこ器の性能向上やバイオマス資源の腑存量の調査だけではなとにより，バイオマス資源の有効な利用法について検討すく，システム全体を統合した経済性評価や廃棄物処理を考ることを目的とする．

慮した解析が必要とされる．

２．研究方法

欧米を中心として，単独では導入が困難な再生可能エネ

2.1 解析対象

ルギーを複数組み合わせて，エネルギー供給の安定性を高めたエネルギーシステムの設計研究2〜4）や，自然エネルギー

本研究は，岩手県葛巻町に位置する牧場を対象とする．の効率的利用，自然環境に及ぼす影響の解析など5〜8）が進め

葛巻町は，表１に示すように酪農や林業が基盤産業の町で，られている．また，久保，中田らは，再生可能エネルギー製材工場があり，木質バイオマス資源の利活用が行われてのうち風力，太陽光，地熱などの自然エネルギーを組み合いる．北上山地に位置していることから，町面積の97％がわせ，エネルギーを地域に供給するシステムの有用性を示した9），10）．しかし，国内では複数の再生可能エネルギーを組

表１

葛巻町の概要

み合わせた評価や，経済性や地域特性を考慮して解析した
例11〜14）は少ない．
そこで，本研究では風力，太陽光，地熱などの自然エネ
ルギーにバイオマスを加え，経済性を考慮してエネルギー*東北大学大学院工学研究科技術社会システム専攻
** 〃
〃
〃
〃
助教授
E-mail：nakata@cc.mech.tohoku.ac.jp〃 環境科学研究科環境科学専攻教授〃〃〃
助教授〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-11-815*** 〃**** 〃

葛巻町統計書，葛巻町（2001）
人口のみ葛巻町ホームページ http://www.town.kuzumaki.iwate.jp/−50−エネルギー・資源 Vol. 26 No. 6（2005）

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400m以上の標高であり，86％が森林である．北上山地の強機・ボイラー等エネルギー変換技術，需要，市場の４種類

風を活用した約22MW（2004年）の風力発電設備，太陽光発の各要素（ノード）のネットワークを作成しモデル化する電設備（合計約80kW），および畜産バイオマスガス化発電

ことによって，エネルギーフローや価格情報の授受を表現のパイロットプラント（30kW）が導入されている．

する．作成した解析モデルを図１に示す．解析の対象期間

2.2 解析手法

は，計算時間刻みを１時間として，計１年間（8,760時間）（1）エネルギーシステムのモデリングとした．

はじめに，エネルギーシステムの導入を検討する対象サ（3）解析モデル理論

イトの用途や特性から，消費性向や季節変動を解析し，エエネルギーの供給価格は，需要曲線と供給曲線の均衡点ネルギー需要を算定した．

を解として求められる．8,760時間にわたってエネルギー供つぎに，地域特性や自然エネルギーの特性（腑存量，エ給量と供給価格を求める．均衡点は時間刻みごとに変化し，ネルギー密度の時刻・季節変化）の測定，調査を行った．

その都度供給価格と供給量が変化する．そして，システム特にバイオマス資源の導入を検討する場合は，腑存量だけを構成する全設備の年間設備費（減価償却費）と運転維持でなく地域産業の構成や，資源化施設の供給能力，処理能費，燃料費の和である年間総費用を最小にするように収束

力，輸送能力や輸送費用も考慮する必要がある．したがっ計算を行い，設備構成を決定する．て，エネルギー機器の性能値，価格，建設費，維持費，燃解析では，下記のような変数を設定した．

料費の調査結果をもとにして，エネルギー需給均衡と経費設備gの単位設備容量あたりの年間設備費

Ccapg

最小化を条件として最適システム構成を求めるシミュレー（JPY/year）

ション解析を行った．
電力供給の構成要素としては，風力発電，太陽光発電，畜産廃棄物を処理するバイオガス発電，系統電力を検討しCapg

設備gの設備容量（最大出力）（kW）

Outg, h

時刻hにおける設備gの出力（kW）

hg, Outg, h）
Copg,（Capた．熱供給の構成要素としては，冬季外気温が低く大気と時刻hにおける設備gの運転コスト（JPY/kWh）の熱交換が困難なことから地中熱ヒートポンプ（GHP），林

Copmgg 運転コストが設備容量と独立した値を持つ場合の業が盛んですでに製材所が立地することから木質ペレット

設備gの限界運転費用（JPY）

ボイラー，そして既存の石油とLPGを加えた．なお，畜産バイオマスについては，エネルギー利用の観点から，堆肥化プラントではなくバイオガス発電を選択した．
（2）解析モデル概要
本研究では，米国ローレンス・リバモア国立研究所と共Ctot

年間総コスト（JPY/year）

Dmndh

時刻hにおける需要（kW）

Fg, h

時刻hにおける設備gの設備利用率Hg

設備gが定格の設備容量で稼動している時間（hour）

同開発中のボトムアップ型エネルギー経済モデルMETA・

META・Netは，年間総費用（式１）を最小化し，その設備Net15）を適用した．エネルギー資源の供給と需要の均衡を容量の組み合わせを解として出力する．最小化する年間総考慮して，多様なエネルギー変換技術の特性を擬似的な競費用は以下の式で表される．

争市場にて評価する．また，設備容量，供給価格，供給内ΣCap・Ccap ＋ΣΣCop （Out ，Cap ）…（1）

Ctot＝訳，コストを解析して，複合要素から成り立つエネルギーgg, hhg, hgg

ここで，最小化は以下の条件を満足するように行われる．

システムの運用特性を評価する．モデルでは，資源，発電

図１gg

解析モデル図−51−430

エネルギー・資源 Vol. 26 No. 6（2005）

・各時刻の総需要Dmndhを満足するように稼働する．

（2）対象施設のエネルギー需要・設備はａ）フル稼働，もしくはｂ）各設備の限界運転費用

解析対象は，牛舎や食品加工施設を中心とした牧場であが等しくなるように稼働する．

り，家庭や一般的な工場などと比較して，エネルギーの消・設備容量増加による収益は，設備の増加コストと等しく費変動は特徴的である．また，対象とする牧場は飼育頭数なくてはならない．

3,000頭への設備更新を構想しているため，規模拡大後の需変換技術ノードでは，エネルギーの供給価格は以下によ

要を算定して解析に用いる．需要の算定は，まず月ごとにり決定され，その価格信号が市場ノードに送られる．
Pc−Cc＝−

１
DCF

Rf−

SCC
Lf・Af

平均電力消費量の実績値を調査し，つぎに１時間ごとに実測した結果から，１日の消費変動を求める方法によって行う．

……………………（2）Pc

ある期間（period）における価格

DCF

割引率

Rf

将来の収益

Cc

限界費用（燃料費＋運転費）

SCC

比建設費

Lf

負荷率

Af

稼働率

電力需要の特徴は，１日あたりの電力消費量が真冬の２月に最大になること，電力需要のピーク時刻が，搾乳および給餌が行われる朝と夕方の２回あることである．
熱需要の特徴としては，１日あたりの熱消費量は電力と同様に２月に最大になり，寒冷地であるため消費量の季節変化が大きいことである．時刻変化は，冬季の場合は昼にピークに達し日中の消費量が多くなっている．
（3）性能，コストデータおよび設定条件
本研究では，系統電力は電力不足時のバックアップとし右辺カッコ内が負，つまり将来収益が建設費より小さい場利用することとし，逆潮流しないシステムを考える．電力合には設備容量を縮小し，将来収益が建設費より大きい場

コストは，現在の契約形態を精査して入力データに反映さ合には設備容量を拡張する．設備容量の拡張と縮小は，将せた．入力データを表２に示す．CO2排出量算出に用いた来収益と建設費が等しくなるまで繰り返される．このとき排出量原単位は，系統電力に関しては電気事業者，灯油おの供給価格は限界費用と等しくなる．

よびLPGに関しては環境省地球環境局18）の値を用いる．化
石燃料の利用に伴うCO2排出量を評価し，燃料輸送や建設

実際の市場では，必ずしも最も安価な供給者だけが市場などによる排出量は含まない．

を独占するわけではない．そこで，市場ノードでは，価格とシェアの関係を表す価格感応性を用い，供給価格と価格

表２

感応性に基づき各設備に需要を配分する．機器寿命は，減価格および性能の入力データ

価償却の算出，将来収益の計算過程にて考慮される．
META・Netの詳細は，既報9），10），15）にて示されるが，計算方法の概要は以下の通りである．
まず，需要ノードが需要量を市場ノードに送り，市場ノードでは変換技術ノードの供給価格に基づいて需要を配分する．つぎに，その配分量を満足させる資源量を資源ノードに送る．資源ノードは，要求された量を供給するのに必要な資源価格を変換技術ノードに送り，設備費，運転維持配分量と供給価格から平均価格を算定し，その価格を需要ノードに送る．以上の手順を繰り返すことによって，解を得る．

1 八木バイオエコロジーセンター（事業主体；八木町農業公社）（八木町，2004）．
2，
3 比建設費は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「新エネルギーデータ」（2002），単機導入の場合．運転維持費は，Assumptions for
the Annual Energy Outlook 2003．
＊
4 電気事業者との契約価格．
＊
5 ゼネラルヒートポンプ工業の製品データ．掘削費用は，岩手県環境保健研究センターでの導入実績値（岩手県環境生活部資源エネルギー課，2002）．
＊
6 二光エンジニアリング製ペレットボイラーRE-50Lおよび葛巻林業株式会社．
＊

費を加えた供給価格を市場ノードに送る．市場ノードでは，＊2.3 解析に用いるデータ（1）再生可能エネルギー腑存量

３．解析結果−基準ケース

葛巻町における家畜排泄物の排泄量は１日あたり約495

3.1 エネルギー供給内訳および設備構成

トン，年間では約17.2万トンと推測される16）．このうち，対象とする牧場の牛の飼育頭数は合計約2,000頭にも及び，排解析によって求めた地域総合再生可能エネルギーシステ

泄量は年間約1.4万トンに達する．

ムの電力供給特性を図２に示す．風力発電の電力供給価格

日射量は既存の実績データ17）を活用し，風力エネルギーは，風速が大きい場合には発電量が増すので，結果として

腑存量は牧場内にて実施中の風況調査の測定値を用いる．

系統電力価格よりも低くなる．そのため，システムの主要−52−エネルギー・資源 Vol. 26 No. 6（2005）
表３

図２

電力供給特性（冬季）図３

熱供給特性（冬季）431

解析結果の設備容量および供給量

図５

年間運用コスト

給価格は石油価格よりも割高となるので，結果として供給量が減少する．したがって，GHPの導入の有無によるバイオマスの利用率への影響は小さい．
年間エネルギー供給量の解析結果（表３）をみると，電図４熱供給特性（夏季）

力は約６割が風力発電，残り約４割が系統電力であり，太陽光，畜産バイオマスの供給はきわめて少ない．熱は，75％電源は風力発電となり，その不足分を系統電力が補うことが石油，残りがペレットボイラーおよびGHPにより供給さによって安定供給を行うことになる．解析対象サイトの年れる．ペレットボイラーは設備容量570kWであるが，190kW

平均風速は4.2m/sであり，風力発電稼働時に限ると平均のGHPがほぼ同量の熱供給を行っている．これは，風力発5.5m/s，約150〜200kWの出力となり，そのときの風力発電の稼働率が高いため，GHPの設備利用率が約90％となり，電価格は約18円/kWh程度であった．

石油ボイラーやペレットボイラーの約30％と比較して高い

太陽光発電，畜産バイオマス発電は，建設費や維持費がことによる．
3.2 バイオマス資源の消費量非常に高いため結果として割高である．モデル特有の価格感応性に基づきごくわずかに導入されるだけである．なお，資源循環型社会の形成に向けて，畜産バイオマスの有効電力需要を上回る余剰電力はGHPの動力として供給され，利用を進める必要があるが，現状ケースでは畜産バイオマ

この電力に成績係数（COP＝4.0）を乗じた分の熱量がGHP

スの年間発電量は総発電量の１％程度と非常に少ない．よから熱需要部門に供給される．って，畜産バイオマス発電の導入促進方策について次項に熱需要は，需要の多い冬季は大部分が石油ボイラーで，て検討する．

一部ペレットボイラーにより熱供給が行われる（図３）．

木質バイオマスを用いるペレットボイラーの年間熱供給

一方，夏季（図４）は，熱需要は冬季の約１割と小さくな

量は1,503MWhであり，熱供給量全体の12％，ペレット消るが，GHPが年間を通してほぼ一定の定格条件にて稼働す費量では約400トンとなった．

るため，GHPの占める割合は約半分と逆に大きくなる．GHP

3.3 システム運用コストの動力は，主に風力発電から供給される余剰電力である．

図５に，本システムおよび系統電力や石油のみの従来型風力発電の増加によって電力価格が下がるとGHPの供給システムの１年間の運用コストを示す．従来型システムを価格も下がる．風力発電の出力が低下すると，GHPの供左側棒グラフ，本システムは右側面グラフ左端に示す．運−53−432

エネルギー・資源 Vol. 26 No. 6（2005）

図６

年間CO2排出量
図８

図７

各逆有償価格における電力設備構成

逆有償時の電力供給特性（春季，2,300円/ton）

用コストは設備費，運転維持費，燃料費の総計とし，需要家がシステムを導入し，利子を含め設備耐用年数で定額償
図９却を行う場合の年間負担額を計算した．その結果，負担額

各逆有償価格における電源別年間電力供給量

は，従来型システムの場合は約１億80万円であり，本システムを導入した場合は約9,460万円となり，約６％の削減が可能なことがわかった．
3.4 CO2排出量
本システムの導入によって，CO2排出量は従来型システ
ムに比べて約30％（380ton-C）削減される．図６にて，従来型システムは左側棒グラフ，本システムは右側面グラフ左端に示す．葛巻町全体の排出量は，235,000ton-C（1999年）
である19）．

４．シナリオ分析
図10

家畜排泄物処理法によって，家畜排泄物の適正処理が義

設備費の低下による畜産バイオマス発電量変化務づけられた．したがって，排泄物処理費の徴収による処理費収入（逆有償）を考慮した場合，および今後の技術習わかった．

熟による設備費の低下の影響を評価する．

4.2 畜産バイオマス発電設備費低下の影響

4.1 家畜排泄物処理費逆有償の影響

図10に，設備費の変化と畜産バイオマス発電量との関係逆有償価格が，設備容量と発電量にどのように影響するの解析結果を示した．無償引取の場合は，設備費が1/4まで

かの解析結果について，電力供給特性を図７，設備構成を低下しても畜産バイオマス発電量は増加しないことがわか

図８，年間電力供給量を図９に示す．逆有償価格が上昇しった．一方，現行の設備費約480万円/kWの場合には，逆有畜産バイオマス発電の設備容量が増加するにつれ，設備容償価格が2,300円/tonであると，牧場の家畜排泄物全量が発量の総計は減少することがわかった．また，逆有償価格が電に利用されることがわかった．また，逆有償価格が家畜約1,500円/tonを超えると畜産バイオマス発電量が増加し，排泄物処理に要する平均費用の試算値18）約1,400円/tonの場

その結果として風力発電の発電量が大幅に減少することが合には，設備費が約35％削減の310万円/kW程度まで低下−54−

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433

したときに全量利用できるという結果となった．以上の結６％ほど削減でき，CO2排出量は電力部門では約60％，熱果から，逆有償時には今後のバイオガス設備費の単価低下

供給を含めた全体では約30％の削減が予測される．ただし，によって，畜産廃棄物の有効利用の可能性があることが示

畜産バイオマス発電量が増加した場合であっても，年間費された．

用は減少するがCO2排出量は大きな影響を受けない．

4.3 システム構成に及ぼす影響（3）畜産バイオマス利活用促進策

設備構成に着目すると，設備費の低下や逆有償価格の引現在の発電施設設備費であっても，逆有償価格が2,300円上げによって畜産バイオマス発電の設備容量が増加する/tonの場合，牧場の全排泄量のエネルギー利用が可能である．と，その増加分以上に風力発電の設備容量が減少して，シまた，現在の処理費の試算値である逆有償価格1,400円/ton

ステム全体の設備容量は減少することがわかった（図８）．の場合は，発電設備費が約35％低下すると全排泄量のエネ

現行の設備費の場合，畜産バイオマス発電の設備容量が５ルギー利用が可能である．しかし，逆有償価格がゼロの場kWであるとシステム全体の設備容量は1,080kWとなるが，合は，設備費が低下しても排泄物の利用は進まない．

畜産バイオマス発電の設備容量が190kWに増加するとシ本研究で想定したエネルギーシステムの実用化にあたっステム全体の設備容量は約3/4の810kWまで減少する．まては，多様なエネルギーの供給制御技術や家畜排泄物処理た，畜産バイオマス発電の設備容量の増加は若干でもそのに関する地域の理解などの課題が考えられる．また，対象発電量は大きく増加することもわかった．畜産バイオマス

地域が異なると，日射量，風速，バイオマス腑存量が変わ発電の設備容量が190kWの場合，設備容量は全体の23％でることが想定される．したがって，本論文の結論は必ずしあるが，供給量は全供給量の約６割に及ぶ．これは，間欠も他の地域に合致するとは断言できない．しかし，本研究性電源である風力発電に比べて畜産バイオマス発電は設備

では，エネルギー供給機器の費用は代表的な値を用いて，利用率が高く，システム全体に占める設備容量の増加率以

解析対象地域や対象資源にかかわらず一般的に適用可能な上に発電量の増加が大きいことを意味する．

解析手法を構築した．この手法を適用して，性能や本体価格など不確定要素の多いバイオマス利活用の具体的な実現

また，本システムは逆潮流しないシステムを想定しているため，畜産バイオマス発電量の増加に伴って風力など他可能性を示した．の発電量が減少した．しかし，本サイトでは風力腑存量が謝辞豊富なので，風力発電の余剰分を売電することも考えられる．

ステム調査事業」の調査結果を含む．関係各位，とくに岩年間運用コストは，畜産バイオマス発電量が増加するに

手県環境生活部資源エネルギー課，葛巻町環境エネルギー

つれて逆有償に伴う収入が増えるので，結果として大きく政策課，GHP特性のアドバイスを頂いた東北大学大学院工減少する（図５）．一方，CO 2排出量は，畜産バイオマス学研究科新堀雄一助教授に謝意を表する．

本研究は，岩手県「クリーンエネルギー複合利用シ発電量が増加してもほぼ変化しない（図６）．これは，対象地域が寒冷地のために熱の年間消費量は電力の5.7倍と参 考 文 献大きく，電力部門の畜産バイオマス発電量が増加してもCO2排出量全体に与える影響が小さいためである．

５．結論
本研究では，バイオマスを活用した再生可能エネルギーシステムの運用特性を，エネルギー経済モデルMETA・Netを適用して明らかにした．さらに，畜産バイオマス発電施設の設備費変化，逆有償がもたらす影響について検討した．
その結果，以下のことが明らかとなった．
（1）バイオマスを活用した地域総合再生可能エネルギーシステム
電力構成は，主に風力発電と系統電力が中心となる．熱
構成は，3/4が石油で，残りを木質バイオマスとGHPが半分ずつ供給する．畜産バイオマス発電は現在の設備費や無償引取を前提とした場合，ほとんど導入されない．
（2）システム運用の総費用とCO2排出量の削減効果
本システムを導入した場合，これまでより年間経費が−55−

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「（財）地球環境産業技術研究機構

募研究員」〔公 募 人 員〕

研究員１名（修士以上．博士の学位のあることが望ましい）〔担 当 職 務〕

地球温暖化対応策に関するシステム分析評価〔専

地球温暖化，エネルギーシステム，システム工学など（40才位まで）門〕〔着 任 時 期〕

平成18年４月１日の予定〔応 募 締 切〕

平成17年12月25日（必着）（２）研究業績一覧と主要論文のコピー，（３）推薦書，（４）応募理由（様式自由）〔提 出 書 類〕 （１）履歴書，なお，提出された書類は返却いたしません．
〔選 考 方 法〕

一次選考：書類審査，二次選考：面接〔書類送付先・問合せ先〕〒619-0292 京都府相楽郡木津町木津川台９-２
地球環境産業技術研究機構
TEL：0774-75-2304，

システム研究グループ

友田利正

FAX：0774-75-2317

E-mail：tomoda@rite.or.jp
http://www.rite.or.jp/japanese/labo/systen/systemken.html にても案内中−56−