第3章

3-1 各発電技術のライフサイクルCO2排出量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・50

3-1-1

はじめに

3-1-2

ライフサイクルアプローチによる発電技術のCO2排出量の評価方法

・・・・・・・・・・・・・・・・50

3-1-3

評価対象発電技術

3-1-4

発電技術のライフサイクルCO2排出量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・50
・・・・・・・・・・・・・・51

3-2 火力発電の高効率化・低炭素燃料利用技術
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・53

3-2-1

先進高効率発電技術

3-2-2

石炭ガス化複合発電・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・56

3-2-3

低炭素燃料の利用

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・60

コラム7：EnergyWin

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・66

3-3 発電所におけるCO2回収・貯留技術（CCS）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・67

3-3-1

CCSの国内外動向

3-3-2

CO2回収技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・71

3-3-3

CO2貯留技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・71

3-3-4

CCS導入に係る諸リスク

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・75

3-4 再生可能エネルギー利用技術
3-4-1

太陽光発電大量導入に対応する電力系統運用技術

コラム８：太陽光発電量予測技術

・・・・・・・・・78

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84

3-4-2

風力発電－出力予測と有効利用に向けた課題－

3-4-3

地熱発電

・・・・・・・・・・85

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91

3-5 省エネルギー技術
・・・・・・・・・・・・・98

3-5-1

ヒートポンプ活用による地球温暖化抑制

3-5-2

エネルギー消費解析による省エネ検討支援 ・・・・・・・・・・・・100

3-5-3

エアコン選定ツール（エアコンの選定による省エネ） ・・・・・・・102

コラム９：住宅用室内温熱環境設計ツールCADIEE
3-5-4

・・・・・・・・・・・105

電気自動車（環境にやさしい電気自動車） ・・・・・・・・・・・・106

3-6 温暖化抑制のための政策の研究
3-6-1

IPCCのシナリオと政策評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・108

3-6-2

自主的取り組みの研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110

3-6-3

原子力政策の研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・111

3-6-4

省エネ・節電政策の研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・113

3-6-5

再生可能エネルギー政策の現状と課題 ・・・・・・・・・・・・・・115

3-6-6

国際枠組みの研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

第３章

地球温暖化の対策技術

3-1 各
 発電技術のライフサイクル CO2
排出量
図 3-1-1

3-1-1 はじめに

第３章

地球温暖化問題を考える時、電力の生産（発電）に際し消費した燃料（石炭、天然ガス、石油）から排出される二酸化炭素（CO2 ）に着目しがちである。

発電技術のライフサイクル評価対象範囲⑵ 評価指標発電技術のライフサイクル CO2 排出量（LC-CO2 排出量）指標としては、発電設備が耐用年間に排出した直接

しかしながら、どのような発電技術であっても、“エ分及び間接分の総 CO2 排出量を、その設備が生涯に発

ネルギー・資源”を一切、利用せずに、設備を作ること電した電力量で除した、1kWh（送電端）あたりのライは不可能である。発電時に CO2 を排出しない原子力発

フサイクル CO2 排出量の式（3-1-1）が有用である。ま電や、太陽光発電・風力発電といった再生可能エネルギー

た、CO2 以外の温室効果ガスは、GWP（地球温暖化ポであっても、ウラン燃料の製造や太陽電池製造時等にエテンシャル）を用いて CO2 量に換算し、加味することで、ネルギーを消費することで CO2 が排出される。したがっ指標としての有用性は高まる。特に、火力発電の LC-て、発電用燃料消費に伴い排出される CO2 だけでなく、CO2 排出量評価においては、燃料採取時のメタン漏洩に設備の建設や運用時に排出される CO2 についても考えよる温室効果ガス放出を無視できないため、メタンの温ることは、地球温暖化問題を考える上で重要である。

室効果を CO2 の 21 倍（積算年数 100 年）としてメタン

当研究所では、ライフサイクルアプローチ（LCA）にを CO2 に換算し、加味する。

（1）
〜
（3）

。

ライフサイクルにわたり排出される温室効果ガスは、

ライフサイクルアプローチによる CO2 排出量評価は、資発電燃料の燃焼による直接排出、設備建設、設備運用、源の採取・輸送から、設備の製造・使用、廃棄に至るす

設備解体に伴う間接排出の４つに大きく分けられる。

よる発電技術の CO2 排出量の評価を行ってきた

べてのプロセスにおいて排出される温暖化影響物質を網羅しつつ、環境負荷を評価する方法である。

LC-CO2排出量［g-CO2 /kWh（送電端）］（発電燃料＋設備建設＋設備運用＋設備解体）［g-CO2 ］=
耐用年間の発電電力量（送電端）［kWh］（ 3 - 1 - 1）

3-1-2 ライフサイクルアプローチによる発電技術の CO2 排出量の評価方法

一般に、ライフサイクルからの排出量を推計するためには、そのライフサイクルに含まれるプロセスをひとつ⑴ 評価の範囲ずつ検討する手法（積み上げ法）が採用される。しかし、

ライフサイクルアプローチによる各種発電技術の評価

発電システムのように多種多様な製品で構成されているを行う際には、評価対象技術の評価範囲をそろえて実施

設備の製造および建設のプロセスをひとつずつ把握するすることが重要である。

のは極めて困難である。そこで、設備の製造および建設

具体的には、資源の採取・輸送から、設備の製造・運に伴う CO2 排出量については、産業連関表を用いて推用、廃棄に至るプロセスすべての CO2 排出を考慮する計する手法（産業連関法）が有効である。本評価では、（図 3-1-1）。特に、資源の採取から廃棄に至るプロセス

積み上げ法と産業連関法の長所を生かした融合手法を利の各段階におけるエネルギーや消耗資材などの消費に伴用して、ライフサイクルにわたる CO2 排出量（LC-CO2

う CO2 排出量を実態に即して考慮する必要がある。また、排出量）を推計している。

各段階における設備の製造に伴う CO2 排出も含めることも重要である。ただし、設備の解体については、原子3-1-3 評価対象発電技術

力発電及び石炭火力以外については、解体後の廃材に長期間保管を有する物質又は処分に際して管理が必要な廃LC-CO2 排出量評価を行った発電技術の一覧と、それ棄物（石炭灰）が含まれていないため、考慮していない。

ぞれの発電技術の主な技術特性を表 3-1-1 に示す。現在、50

表 3-1-1

石炭火力

評価対象とした発電技術
設備
発電端
所内
耐用
利用
熱効率
率
年数
率 （HHV）（HHV）

（従来）

1000

70.0%

39.6%

6.9%

40年

LNG 複合火力）の LC-CO2 排出量は 473 ～ 943 ［g-CO2/

（USC）

1000

70.0%

42.4%

5.1%

40年

kWh］と発電技術によって大きく異なる。発電用燃料

1000

70.0%

38.3%

5.1%

40年

燃焼に伴う直接 LC-CO2 排出量も、炭素分の多い燃料を

（汽力）

1000

70.0%

38.9%

4.3%

40年

利用する発電技術の CO2 排出量が多くなるため、376 ～

（従来）

1000

70.0%

44.6%

2.1%

40年

（複合 1300℃）

1000

70.0%

50.0%

2.1%

40年

864［g-CO2/kWh］と発電技術によって大きく異なる。

（複合 1500℃）

1000

70.0%

53.0%

2.1%

40年

ただし、LNG は炭素分が石炭に比べて大幅に少ないが、

（BWR）

1000

70.0%

33.7%

4.3%

40年

天然ガスの液化に際して消費されるエネルギーが大きい

水力

（PWR）

1000

70.0%

33.7%

4.3%

40年

（中規模ダム水路式）

10

45.0%

0.7%

40年

ため、間接分 LC-CO2 排出量は石炭火力よりも多くなる

55

60.0%

7.0%

30年

0.00384 15.0%

地熱
太陽光

風力

技術（石炭火力（輸入炭、国内炭）、石油火力、LNG 汽力、傾向がある。

0.0%

30年

また、火力発電の LC-CO2 排出量は、他の発電システ

（事業用）

10

15.0%

0.0%

30年

（300kW 級）

0.3

20.0%

10.0%

30年

ムのそれと比べて 10 倍以上である。石炭火力と石油火（600kW 級）

0.6

20.0%

10.0%

30年

力は、発電燃料の燃焼に伴う直接排出量が全体の９割以（住宅用）（1000kW 級）

1

20.0%

10.0%

30年

上を占めている。間接排出量の占める割合は小さいが、（1750kW 級）

1.75

20.0%

10.0%

30年

（2000kW 級）

2

20.0%

10.0%

30年

発電燃料の輸入国の違いによっても幅をもつ。これは、（2500kW 級）

2.5

20.0%

10.0%

30年

主に資源産出国からの輸送距離そして燃料採掘時のメタ

40

20.0%

10.0%

30年

ン漏洩量が異なるためである。

40

30.0%

10.0%

30年

40

30.0%

10.0%

30年

（陸上/2MW×20）
ウィンド（洋上設置着床式/2MW×20）
ファーム（洋上設置浮体式/2MW×20）[ 注 ] HHV：高位発熱量

石炭火力では、従来型石炭火力の総 LC-CO2 排出量が968［g-CO2/kWh］であるのに対して、技術進歩による熱効率の向上により、超々臨界圧（USC）石炭火力の総LC-CO2 排出量は 881［g-CO2/kWh］と、石炭火力（従来）国内で運用されているか、実証段階の発電技術を評価のに比べて 9% 低い。現在、開発が急がれている石炭ガス対象とした。各発電技術の発電端熱効率や設備利用率な化複合発電（IGCC）や先進超々臨界圧（A-USC）石炭どの技術条件は、我が国の実績値を基に想定した。ただ火力等の次世代石炭火力発電技術では、さらなる熱効

し、着床式洋上ウィンドファーム、浮体式洋上ウィンド率の向上が見込まれており、これら技術の商用化と国内ファームの設備利用率については、政府が事業者団体に外での USC の活用が進んだ場合、豊富な資源量と価格行った調査結果を基に想定した。

安定性を持つ石炭を有効に利用しつつ、石炭火力からの

また、発電燃料の生産や輸送などのプロセスについて

CO2 排出量低減を図れる可能性がある。

も我が国の輸入実績を基に評価を行っている。例えば、

LNG 複 合 火 力 に つ い て は、1300 ℃ 級、1500 ℃ 級 と輸入に大きく依存している化石燃料やウラン燃料の生産

ガスタービン入口温度の高温化技術開発が図られてきについては、海外での生産活動やエネルギーの排出係数

た。この結果、発電端熱効率も初期の LNG 複合火力のの実績値を基に評価を行っている。

44.6% から 1500℃級で 53% と大幅な熱効率向上が図られている。この結果、初期の LNG 複合火力（従来）の3-1-4 発電技術のライフサイクル CO2 排出量511［g-CO2/kWh］から 1500℃級で 430 ［g-CO2/kWh］と総 LC-CO2 排出量は 16% 低下している。LNG 複合火

次ページの図 3-1-2 に LC-CO2 排出量評価結果を示す。

力についてもガスタービン入口温度のさらなる高温化技

以下、各発電技術毎の LC-CO2 排出量の技術的な特徴及術開発が進んでおり、温度条件が 1600℃以上になったびライフサイクル分析の視点から地球温暖化対策への場合、さらに熱効率の向上が見込まれる。火力発電技術示唆を考える。

の中でも、総 LC-CO2 排出量が最も少ない、LNG 複合

電中研レビュー No.56 ●

51

第３章

原子力

発電用燃料からの直接分が多くを占めている火力発電

発電端
出力
［MW］

石油
火力
LNG
火力

⑴ 火力発電第３章［注 1］発電技術種別毎に算出した生涯発電電力量あたりの LC-CO2 排出量を、各発電技術に属するプラントの 2008 年度末の設備容量で加重平均した「電源別平均 LC-CO2 排出量」。
［注 2］グラフ中の範囲棒は、発電技術種別が属する発電技術の内、LC-CO2 排出量が最大と最小の発電技術種別の範囲である。原子力発電は19 ～ 21g-CO2/kWh、風力発電については、23 ～ 29 g-CO2/kWh であるため、範囲棒は割愛する。
［注 3］USC：超々臨界圧［注 4］出典（1）（2）（3）

図 3-1-2

発電技術のライフサイクル CO2 排出量

火力の高温化技術開発が進展することは、我が国の CO2

は 25［g-CO2/kWh］であるが、陸上設置ウィンドファー

排出量低減をさらに図ることが出来る可能性がある。

ム（2MW × 20 基）は、連系電圧が高いことと風車間接続ケーブルが必要なため、電気設備及び設備補修物⑵ 原子力発電
原子力発電の LC-CO2 排出量は、20［g-CO2/kWh］で量 が 増 加 し、LC-CO2 排 出 量 は 約 3% 増 の 26［g-CO2/kWh］となる。

あり、化石燃料を消費しない他の発電技術と同一水準で着床式洋上ウィンドファームは、海底ケーブル・設備ある。このため、安定的に発電できる原子力発電は、ラ補修及び水中基礎等の物量が大幅に増加するが、陸上にイフサイクル評価の視点からは地球温暖化対策としての設置した場合よりも高い設備利用率が期待できるため、有用性は高いといえる。

LC-CO2 排出量は、陸上に 1 基設置した場合に比べて 2%
減の 24［g-CO2/kWh］になる。

⑶ 太陽光発電

一方、浮体式洋上ウィンドファームは、浮体重量が風住 宅 用 太 陽 光 発 電 の LC-CO2 排 出 量 は 38［g-CO2/

車本体のそれの約 10 倍であるため、設備建設に伴い投kWh］であるが、事業用太陽光発電の LC-CO2 排出量は入される資材量が大幅に増加する。高い設備利用率によ

59g-CO2/kWh であり、住宅用よりも LC-CO2 排出量はり生涯発電電力量は増加するものの、投入物量増加によ

55% 多い。事業用太陽光発電では、住宅用と異なり、架台・る総 CO2 排出量増加を相殺することはできない。この

架台基礎用資材必要量が増加することに加え、連系電圧ため、浮体式洋上ウィンドファームの LC-CO2 排出量は、が家庭用と異なることによる系統連系用の機器類が必要

陸上設置及び着床式洋上ウィンドファームの約 4 倍のとなる。このため、必要な機器類等の増加と輸送量増に

98［g-CO2/kWh］となる。しかしながら、発電に際してより、事業用太陽光発電の LC-CO2 排出量は、住宅用よ化石燃料を消費しないため、火力発電技術の 10% 程度

りも多くなる。

である。
ただし、本評価では、変動性電源である風力発電と太⑷ 風力発電風力発電を陸上に 1 基設置した場合の LC-CO2 排出量52

陽光発電の出力安定化等に対する対策技術は含まれていない。この点では、さらなる検討が必要といえる。

3-2 火 力発電の高効率化・低炭素燃料利用技術化が主たるものである。国が設置した「次世代火力発電の早期実現に向けた協議会」が 2015 年 7 月に発表した資料（2）においても、図 3-2-1-1 に示すように、次世代

3-2-1 先進高効率発電技術

火力発電の中で最も実用化が早い第 1 世代技術の中に
A-USC は位置づけられている。
A-USC に関する研究・開発は、1990 年代後半に欧州

先 進 超 々 臨 界 圧（A-USC : Advanced ultra superが世界に先駆けてプロジェクトとして取り組み、それを

critical steam condition）火力発電技術は日本をはじめ追う形で米国および日本がそれぞれプロジェクトを開始として、世界各国で研究・開発が積極的に進められていした。現在は日欧米に加えて中国およびインドも研究・る。以下では、A-USC 火力発電技術の概要、日本で進開発を進めており、国や地域を単位としてプロジェクト

められているプロジェクトの全体計画と現状の進捗状が進められている。なお、欧州においては、近年、再生況、および、当研究所の取り組みについて述べる。

可能エネルギーの大量導入を受けて火力発電の位置づけ

A-USC 火力発電とは石炭火力の一種であり、二酸化が変化してきており、A-USC に関する研究・開発は縮炭素排出の削減を目指して、現在の USC 石炭火力より小の方向である。一方、日本は 2011 年の東日本大震災

も高い蒸気条件で稼働するものである。具体的には、現以降、火力発電が従来に増して大きな役割を担ってお在の最新鋭の USC 石炭火力の主蒸気は温度 600℃、圧り、A-USC に関する研究・開発は着実に進められている。

力 25MPa であるのに対して、A-USC の主蒸気は温度そのため、現時点においては、A-USC に関する技術は700℃、圧力 35MPa である。この結果、熱効率は HHV

世界の中で日本が最も進んでいる。

基 準 で USC が 約 42 ％ で あ る の に 対 し て A-USC は 約

日本における A-USC 研究の中核は、経済産業省から46% であり、USC と比べて二酸化炭素排出量が約 100の補助事業として 2008 年から実施している「先進超々（1）（g-CO2/kWh）削減となる 。A-USC は発電システムと臨界圧火力発電実用化要素技術開発」プロジェクトであしては現在の USC と基本的に同じであるため、技術的る。本プロジェクトのロードマップ（3） を次ページの図

課題としては、蒸気条件の上昇に伴う構造材料の高温

3-2-1-2 に示す。前述したように、A-USC における検討

図 3-2-1-1

次世代火力発電技術の開発工程表（2）

電中研レビュー No.56 ●

53

第３章

⑴ 先進超々臨界圧（A-USC）火力発電技術

多軸性が高くなっていることから、応力多軸性がクリー
プ損傷に及ぼす影響の評価法の開発、②火力発電所の運用形態が現在想定しているベース運転に加えて、負荷変動運転も強いられる場合を想定して、熱疲労に対する寿命評価法の開発に取り組んでいる。例として、A-USC

第３章

用 Ni 基合金の一つである Alloy617 の母材および溶接継手を用いて 700℃で実施したひずみ制御型の疲労試験の結果（4）を図 3-2-1-4 に示す。全ひずみ範囲で本試験結果を整理した場合、溶接継手の疲労寿命は母材よりも短い
図 3-2-1-2

A-USC プロジェクトのロードマップ

こと、および、疲労き裂は母材ではなく溶接金属に発生すること、が分かった。なお、高温下ではクリープの影

課題は蒸気条件の上昇に伴う構造材料の高温化であり、響により疲労寿命が低下することが知られているため、具体的には 700℃での使用に耐えうる Ni 基合金の開発・クリープ疲労相互作用も考慮した上で寿命評価法の開発

検証がポイントとなる。Ni 基合金はガスタービン翼やを進めている。また、機器の保守・管理においては、非ディスクなどには既に適用されているが、ボイラ大径管破壊検査技術の確立も重要な項目である。この点についやタービンロータなど大型部材はこれまでに製造・適用ても、当所では A-USC 用 Ni 基合金の内部損傷を対象

実績がないため、A-USC での使用が初めての試みとなとした検査技術の検証を進めている。

る。これまでの研究により、各機器・部位で想定した機械的強度を満足する材料の開発、および、同材料の大型部材の製造・成形加工の確認が完了している（3）。図 3-21-3 に示すように、A-USC 用 Ni 基合金を用いて、ボイラ再熱器管寄せ、および、タービンロータが製作されている。現在は、A-USC 候補材料に関する 7 万時間程度を目指した長時間クリープ試験を継続実施するとともに、ボイラ配管に 700℃の蒸気を供する実缶試験やタービン
ロータを 700℃下で回転させる試験が行われている。
（a）全ひずみ範囲と疲労寿命の関係（1）ボイラ再熱器管寄せ

図 3-2-1-3（2）タービンロータ（b）試験終了後の溶接継手試験片Ni 基合金による大型部材の製作（3）図 3-2-1-4（4）Alloy 617 の高温疲労試験結果（700℃）

上記のように、国のプロジェクトにおいて A-USC の要素技術開発研究が順調に進められている。当研究所で⑵ 高湿分空気利用ガスタービン（AHAT）技術

は、A-USC は将来の火力発電における有望な選択肢の地球環境問題の観点から、火力発電システムの高効率一つであると考え、ユーザサイドの観点から A-USC 用化は今後も重要な取り組みである。また、出力変動の大材料の研究に取り組んでいる。具体的には、①実構造物

きい太陽光発電や風力発電等の大量導入に対応するたにおいて損傷の進行が相対的に速い形状不連続部は応力

め、火力発電には負荷・周波数調整力などの運用性のさ

54

らなる向上も必要と考えられる。さらに、ピークあるい

表 3-2-1-1 AHAT システムの特徴とGTCC に比べた優位性（7）は中間負荷帯を担っている運用性の高い中容量の火力発

項 目

電プラントの高経年化が進行しており、高効率で負荷調整力の高い中容量の火力発電システムの開発は重要な課題であると考える。

運用性

優位性／特徴起動時間◎ ST 系が無く起動時間短い

負荷即応性◎ GT 単独システムと同等

最低負荷◎ 高湿分燃焼により低負荷で運転可能

大気温度特性○として、アドバンスト高湿分空気利用ガスタービン

制御容易さ○ GT 単独システムと同等でシンプル（Advanced Humid Air Gas Turbine、以下、AHAT）

NOx 対策

○高湿分空気燃焼により低 NOx、必要に応じて脱硝装置を設置

立地制約

◎

水回収水温 60℃程度で、冷却塔冷却や空冷により内陸部への立地可能システムがある（5）。AHAT システムは、空気への加湿

環境性と排熱回収の相乗効果により、蒸気タービン（以下、

機器構成、工期ST）なしでも高出力・高効率を達成する新しいガスター

配管ビン（以下、GT）発電システムである。

経済性

図 3-2-1-5 に AHAT システムの構成図を示す 。加（5）

湿の多くは、圧縮機で加圧された空気に対して増湿塔での温水によりなされる。ここで加湿された空気は、再生

水質管理◎ ST 系なく、機器構成シンプルで工期短い―― 水処理装置（イオン交換樹脂等）設置

ユーティリティ消費 ―メンテナンス費用

GT 圧縮機吐出圧力低く、薄肉。ただし、再生サイクル配管径大
純水（圧縮機吸気噴霧冷却用）
、
アンモニ
ア
（脱硝用）
、冷却水
（冷却塔補給用）○ 構成機器少ない（排熱回収系、水回収系）◎：特に優位 ○：優位 ―：同等

熱交換器を通過して排気ガスの熱を回収することで加温され、燃焼器に供給される。圧縮機吐出空気に ST の蒸

AHAT システムは、それら課題を低減し、実用化に近気量に匹敵する湿分を加えることで GT 動力を増加させづけたシステムと言える。

ると共に、加湿の際の空気温度低下と比熱増加により再

AHAT システムは、概ね 200MW 以下の中小容量で生熱交換器での GT 排熱の回収量を増すことが特徴であ

他の方式よりも発電端効率で優位となる可能性を有しる。また、高湿分空気による燃焼は、NOx 排出量低減ており、商用機（～ 200MW 級）の開発目標として、発に大きな効果がある。圧縮機入口に吸気噴霧システムを

電端熱効率 57％（LHV）を掲げている（6）。その特徴と設置することで、吸気冷却の効果と圧縮機内部での蒸発

GTCC と比べた優位性を表 3-2-1-1 に示す（7）。AHAT シ

による中間冷却の効果で圧縮機動力が低減できる。GT

ステムは、ST、排熱回収ボイラならびに復水器からな

排気ガスには大量の湿分が含まれるが、排気ガスと冷却る ST 系を必要としないことから構成が簡素であるた

水の直接接触型の水回収装置により排気ガスを冷却する

め、起動時間や負荷応答性などの運用性に優れ、また、ことで湿分を回収し、増湿塔に供給して再利用できる。

冷却用の海水を必ずしも必要としないため、立地条件のこのシステムの概念は 1980 年代に提案された HAT

制約が緩和されると考えられる。

サイクルが原型となっている。しかし、HAT サイクル

AHAT システムの研究開発は、経済産業省資源エネ

ではそのサイクル性能を十分発揮させるために圧縮機をルギー庁からの補助金事業で、三菱日立パワーシステム

分割し中間冷却器を設けた新型の GT が必要であり、まズ（株）を中心に、住友精密工業（株）、当研究所の三た、大量の補給水を必要としたため、システム的に優れ者で進めている。

ていることは認められながらも実用化に至らなかった。

これまでの開発状況として、小型 GT で構成される
3MW 級検証機を製作して運転試験を行い、AHAT シス
テムが発電システムとして成立することを実証した（8）。
また、年間を通じた運転試験を行い、起動・部分負荷特性、大気温度変化に対する各種特性、信頼性等を確認している（9）。
さらに、商用機開発に向けて、事業用発電に用いられる大型の重構造 GT を適用した、次ページの図 3-2-

図 3-2-1-5（5）

AHAT システムの構成図

1-6、7 に示す 40MW 級総合試験装置により、重構造

電中研レビュー No.56 ●

55

第３章

吸気噴霧冷却で高気温時の出力低下が少ない

これらへの対応が期待できる次世代の発電システム

第３章
図 3-2-1-840MW 級総合試験装置全景（7）図 3-2-1-6

8500mmAHAT 運転と SC 運転の熱効率の比較

3-2-2 石炭ガス化複合発電⑴ 石炭ガス化複合発電技術
石 炭 ガ ス 化 複 合 発 電（IGCC：Integrated coalGasification Combined Cycle）は、高効率火力発電として普及しているガスタービン複合発電（GTCC）の燃料に石炭ガスを適用するもので、新型の石炭火力である。
環境適合性の高いクリーンコールテクノロジーの一つとして、我が国を始め各国で開発が進められている。

図 3-2-1-740MW 級総合試験 GT 外観写真（7）GT で AHAT システムが成立することを世界で初めて
（7）
（10）
,

示すことができた。

a. IGCC の特徴
IGCC の基本的なシステムは、石炭を気体燃料に転換する石炭ガス化設備、石炭ガス中に含まれる不純物を除去するガス精製設備、精製後の石炭ガスをガスタービン

総合試験装置では、コールド起動で約 60 分で定格負燃料として発電を行う複合発電設備で構成される（図荷の 40MW に達することを確認でき、GTCC のコール

3-2-2-1）。ガス化技術は化学合成の分野で歴史があり、ド起動の約 1/3 に相当する短時間で起動できることを様々な形式のガス化炉が IGCC に用いられている。

（11）。また、熱効率について、AHAT 運転時とシIGCC の特徴として、高い発電効率、優れた環境性、

ンプルサイクル（以下、SC）試験時の結果を比較した

低品位炭の利用拡大などが挙げられる。我が国の最新鋭ところ、図 3-2-1-8 が示すように、同じ圧力比におい微粉炭火力の発電効率は既に世界的に最高水準にあり、示せたて AHAT 運転の方が低い燃焼温度であるにも拘わらず
10% 程度高い熱効率を示し、加湿や排熱回収を行うこと
により熱効率向上が図れることを実データから検証できた。さらに、水回収装置による水回収率について、GTへの加湿量に対して 100% 以上の湿分が回収でき、外部からの補給水を大幅に低減できる見通しを得ている（11）。
引き続き、40MW 総合試験装置を用いて長期信頼性の実証を行うと共に、商用機の概念設計ならびに運用性評価を行うことを予定している。高効率で運用性の高い
火力プラントの研究開発に、今後も努力して行きたいと考えている。

56

図 3-2-2-1

石炭ガス化複合発電の基本システム構成

USC ボイラの送電端効率は 40 ～ 41％（HHV）に達し

2）が、NEDO 事業である 200 トン／日パイロットプラている。これに対し、我が国で開発されている IGCC でント計画に採用された。1990 ～ 1995 年度に実施されたは、1,500℃級ガスタービンを用いると 46 ～ 48％となる

パイロットプラントの研究運転において、約 1 ヶ月間

見通しである。効率向上により、発電電力量当りの CO2（789 時間）の連続運転に成功した。その後、FS 及び要排出量を削減することが可能である。

素研究を経て、1999 年度に経済産業省の補助事業とし

b. 海外における IGCC 開発

実証機計画では、電力 9 社と電源開発が出資した株式

欧米では、1990 年代に本格的な IGCC 実証計画が進会社クリーンコールパワー研究所により、250MW 実証

められ、四大プロジェクトと呼ばれる Buggenum（オ機が建設され、2007 年 9 月から 5 年半の運転試験が行

ランダ）、Wabash River（ 米 国 ）、Tampa（ 米 国 ）、われた。運転試験開始から 1 年後には 2,000 時間の長期

Puertollano（スペイン）の 300MW 級実証機が知られて連続運転試験を完了し、海外の先行例と比較して高い完いる。ガス化炉は、それぞれ Shell 炉、E-Gas 炉、GE 炉、成度が示された。さらに、5,000 時間の耐久性確認試験

Prenflo 炉が採用されている。いずれも酸素吹きで、乾により IGCC の信頼性が検証されるとともに、熱効率や式給炭もしくは湿式（石炭 - 水スラリー）給炭方式の噴環境など全ての目標を達成し、商用機の設計に不可欠な流床である。ブフナム（2013 年に商用運転終了）を除き、実証データが取得された（1）。

現在も商用運転が続けられている。

実証機計画は 2012 年度末に終了し、2013 年度より四大プロジェクトに続く商用機として、Edwardsport

実証機は常磐共同火力株式会社勿来発電所 10 号機とし（米国）で 618MW の IGCC（GE 炉× 2 基）が 2013 年 6て商用運転されており、最長連続運転記録は 3,912 時間

月に営業運転を開始した。また、Kemper County（米（2013 年）に更新された。さらに、福島復興大型石炭ガ国）において、新型の移動床ガス化炉を用いる 582MW

ス化複合発電設備実証計画として、500MW 級 IGCC（2TMの IGCC（TRIG

炉× 2 基）の建設工事と試運転が進んでいる。これは CO2 を回収する初の商用 IGCC で（回基）の開発が東京電力株式会社より発表されている。
電力中央研究所では、各種基礎実験装置や数値シミュ

収率 60%）、EOR 用に販売することが計画されている。
中国では、近年、アンモニア、メタノール、オレフィンなどの原料製造のための産業用大容量ガス化炉が急速に普及している。独自の IGCC 開発も行っており、GreenGen プロジェクトの Stage Ⅰとして、HCERI 炉を用いる 250MW 規模の IGCC が天津に設置され、2012
年 4 月より運転が開始されている。韓国では、Shell 炉を用いた 300MW 級の Taean IGCC の建設工事が進んでいる。
c. 我が国における IGCC 開発
我が国では、空気吹き IGCC の実証機計画が完了した
ところであり、また、酸素吹き IGCC 実証機の開発が進んでいる。
① 空気吹き IGCC 実証機プロジェクト
国と電気事業において、1980 年より噴流床石炭ガス化複合発電技術の検討が進められた。電力中央研究所と三菱重工業株式会社により 2 トン／日石炭ガス化基礎実験装置で開発された空気吹き二段噴流床方式（図 3-2-2-

図 3-2-2-2

空気吹き二段噴流床石炭ガス化炉の概略

電中研レビュー No.56 ●

57

第３章

て IGCC 実証機計画が開始された。

第 2 段階では、石炭ガス化ガスの最大 30% を導入する
CO2 分離回収装置（回収率 90%）を追設し、CO2 分離回収型 IGCC の実証試験が計画されている。さらに第 3 段
階として、最終目標である CO2 分離回収型 IGFC 実証試験が計画されている（2）。

第３章⑵ CO2 回収型高効率 IGCC（High Efficiency Oxy-fuel IGCC）
a. 背景
図 3-2-2-3

EAGLE 石炭ガス化炉の概念図（3）石炭は、安価な上、埋蔵量が豊富で地域的な偏在も少ない資源であり、エネルギー基本計画（2014 年閣議

レーション、石炭ガス化研究炉（3トン／日炉）等を用決定）でも「重要なベースロード電源の燃料」と位置いて実証機計画を支援してきた。計画段階では、数値解づけられているが、地球温暖化対策の観点からは石炭

析技術を用いた実証機の設計評価を行った。運転段階で火力からの CO2 削減が求められており、電気事業は発は、供試炭に対して反応性基礎実験および数値解析によ

電効率向上やバイオマス混焼などの対策を進めてきた。

るガス化性能の事前評価を行い、その成果が実証機の運一方、近年では欧米を中心に CCS 技術開発が進んでお転条件や監視項目の設定に反映されるなど、プロジェク

り、国内でも 2012 年に苫小牧で大規模実証プロジェク

トの目標達成に貢献した。これらの支援研究から、商用

トが始まった。

規模ガス化炉の設計や運用を評価可能な炭種適合性評価

しかし、既存の CO2 回収技術では発電効率が低下し手法を構築した。

発電コストが上昇することが課題となっている。そこで、② 大崎クールジェンプロジェクト

電力中央研究所と九州大学は、NEDO 受託研究として

NEDO 事業として実施された石炭利用水素製造技術

CO2 回収後も 42% HHV の高い発電効率を維持できる CO2

開発（HYCOL）において、株式会社日立製作所が開発

回 収 型 高 効 率 IGCC（High Efficiency Oxy-fuel IGCC、した酸素吹き一室二段旋回型方式（図 3-2-2-3）が採用

Oxy-fuel IGCC）の基盤技術を開発した（2008 〜 2014）。

され、1991 ～ 1994 年度に行われた 50トン／日パイロッ
トプラントの研究運転では 1,149 時間の連続運転を達成

b. Oxy-fuel IGCC の概要した。ここでの成果は、電源開発株式会社が NEDO と従来、CO2 回収型火力発電システムとして、燃焼後の共同研究として実施した多目的石炭ガス製造技術開発

回収システム（図 3-2-2-4（a））
、酸素燃焼システム（図（EAGLE プ ロ ジ ェ ク ト；Coal Energy Application for

3-2-2-4（b））
、燃焼前回収システム（図 3-2-2-4（c））のGas, Liquid and Electricity）に引き継がれた。EAGLE

3 方式が検討されてきた。

プロジェクトでは、150トン／日パイロットプラントが燃焼後回収システムは、微粉炭火力発電所の排煙処理建設され、2002 年度に試験運転が始まった。化学吸収装置の後流に設置した回収装置で CO2 を回収する方式

法および物理吸収法による CO2 分離回収試験も行われ、で、化学吸収法による CO2 回収設備が実用段階にある。

2013 年度に試験運転を終了した。

酸素燃焼システムは、微粉炭火力発電所の排ガスを循

EAGLE プロジェクトの成果に基づき、中国電力株式環させ、純酸素と混合して燃焼用空気に代える方式で、会社と電源開発株式会社が共同出資する大崎クールジェ

空気中の N2 が混入しないため排ガスの主成分が CO2 とン株式会社により、石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC：なり、CO2 回収装置が不要となるメリットがあり、豪州

Integrated coal Gasification Fuel Cell combined cycle）などで実証試験を終えている。

を実証する大崎クールジェン（OCG）プロジェクトが燃焼前回収システムは、IGCC からの CO2 回収を想定進められている。中国電力株式会社大崎発電所構内にしたもので、脱硫後の精製ガスをシフト反応により CO2

166MW の実証機を建設中で、第１段階である酸素吹と H2 に改質した後に、CO2 を分離して回収し、残った

IGCC 実証試験の開始が 2017 年 3 月に予定されている。

高 H2 濃度の生成ガスをガスタービン（GT）の燃料と58

する方式である。吸収法、吸着法、膜分離法などの CO2め排ガスの主成分が CO2 となり、シフト反応器や CO2

回収法が開発され、IGCC プラントでの抽気ガスによる回収装置が不要となる上、乾式ガス精製を採用すれば効パイロット試験も進んでいる。

率向上効果も享受できるため、CO2 回収後も高い発電効率が期待される。これに加え、排ガス循環によるガス化

CO2 排出量の大幅削減が可能となるが、CO2 回収にエネ剤中 CO2 濃度の増加によりガス化反応が促進される可ルギーを要するため、発電効率が 2 割低下し、発電コス

能性もある（6）（図 3-2-2-5）。

第３章

これらの CO2 分離・回収技術を石炭火力に導入すれば、トも 1.5 倍に上昇するとされている（4）。

図 3-2-2-5（a）燃焼後回収システム

CO2 回収型高効率 IGCC
（High Efficiency Oxy-fuel IGCC）

c. Oxy-fuel IGCC の基盤技術開発① O2/CO2 ガス化技術の検討
電力中央研究所の石炭ガス化研究炉（加圧二段噴流床（b）酸素燃焼システム

炉、石炭処理量 3 トン／日）に CO2 供給設備を追設し、CO2 富化条件におけるガス化特性を評価した。その結果、5 炭種について CO2 濃度の増加に伴い、ガス化反応が促進されることが検証された。その一方、N2 よりモル比熱の大きい CO2 の炉内投入により炉内温度が低下する（c）燃焼前回収システム

図 3-2-2-4

従来の CO2 回収型火力発電システムなどの課題も明らかとなり、O2/CO2 吹きガス化炉技術を開発する上で有用な知見が得られた。

IGCC からの CO2 回収を考える場合、本来 IGCC の最

前述の石炭ガス化研究炉で実施できる条件は CO2 富大のメリットは高効率発電（>40%）であるが、燃焼前化ガス化試験までであり、O2/CO2 ガス化条件を設定で回収システムを適用すると、シフト反応器や CO2 回収

きないため、電力中央研究所が所有する 3 次元ガス化設備が必要とする大量の蒸気を蒸気タービンから抽気す

炉内数値解析コードをベースとして O2/CO2 ガス化条件

るため、発電に用いる蒸気量が減少して発電端出力が低に適用可能なコードに改良し、実機規模 O2/CO2 ガス化

下し、送電端効率が 30% 程度まで下がるとみられてお炉（石炭処理量 70 トン／時）を対象として炉内温度分

り、微粉炭火力を軸とする燃焼後回収システムと比べ、布やガス化反応の状況、運転条件がそれらに及ぼす影

IGCC を採用するメリットが薄れてしまう。

響などを明らかとした。これにより、循環 CO2 ガス量

また、乾式ガス精製システムの採用は IGCC のいっそを適切に設定すれば、ガス化炉内の温度低下を回避でうの効率向上の鍵とされているが、燃焼前回収システム

きることが確認された。これに加え、電力中央研究所の多くは湿式方式の CO2 回収設備を用いるため、乾式では実験実績のない高い O2 濃度条件（ガス化剤 O2 濃ガス精製システムを導入しても効率向上の効果は小さい

度 80%）における各種運転条件の影響などを予測すると懸念されている。

ことが出来た。

これに対し、Oxy-fuel IGCC は、CO2 を主成分とする

数値解析コードの改良にあたっては、まず、加圧型

循環排ガスを効果的に利用する O2/CO2 吹き石炭ガス化

Drop Tube Furnace などを用いた基礎実験を行い O2/

炉と循環排ガスに純酸素を混合して燃焼させるセミク

CO2 ガス化場における反応モデルを構築し、これを組み（5）

ローズド GT を組合せたシステム

であり、酸素燃焼

込むことで数値解析コードの適用範囲を O2/CO2 ガス化システムと同じく、空気中の N2 が系内に混入しないた

条件まで拡張した上で石炭ガス化研究炉を解析し、その電中研レビュー No.56 ●59

結果を実験データで検証した。

3-2-3 低炭素燃料の利用② 炭素析出対策の開発
Oxy-fuel IGCC では CO2 をガス化炉に循環させるため、生成ガス中の CO 濃度が高くなり、乾式ガス精製設⑴ バイオマス燃料
a. バイオマス燃料の種類

第３章

備などの系内低温部で炭素微粒子が析出するのではない

バイオマス燃料とは、動植物に由来する有機資源を加かと懸念された。乾式ガス精製設備で炭素が析出すると、工して作り出される燃料の総称である。化石燃料と同様脱硫特性が損なわれるため、炭素析出の抑制策を検討しに、バイオマス燃料を燃焼させてエネルギーを取り出すた。種々の基礎試験の結果、CO2 や水蒸気を乾式脱硫プ

際に CO2 は排出される。しかし、カーボンニュートラ

ロセスの上流に添加すれば炭素析出が抑制できることがルの考え方に基づいて、排出された CO2 は同じ植物の明らかとなった。さらに、水蒸気はガス精製設備の脱硫

生長や再生により回収されて、トータルの CO2 は増加

特性を低下させること、回収 CO2 は温度が低いため添しないとされる。バイオマス燃料の種類は、見た目の形

加前に加熱が必要となることなどを考慮し、高温、高圧状から大きく３種類に分けることができる（1）。

の循環排ガス（CO2 と水蒸気の混合ガス）を添加する方

一つ目は、固体のバイオマス燃料である。木くずや廃法を選択した。システム効率計算により、循環排ガス添材等の木質バイオマス、稲わらや籾殻等の農作物の残渣加法を採用すれば送電端効率もほとんど低下しないこと由来のバイオマス、さらにバイオマス燃料の原料を目的が確認されている。

として栽培されるエネルギー（資源）作物由来のバイオ③ 全体システムの検討マスが主な原料となる。さらに固体バイオマス燃料は、

従来の IGCC もガス化炉、ガス精製、GT などが連携

原料をそのまま、あるいは粉砕する等の加工により利用した複雑なシステムではあるが、本システムはこれに再するタイプ及び、かさ比重を小さくして取り扱いを容易

生熱交換器やセミクローズド GT などを加えたより複雑にするために、ペレットやブリケットのように固く加工なシステムとなるため、再生熱交換器などの試設計や、するタイプに分けられる。これらは既に石炭火力での混起動・停止シーケンスの検討などを通じ、当初提案した焼で活用されている。

システムが内在していた課題を抽出し、その対策を施す

二つ目は、液体のバイオマス燃料であり、家庭や飲食ことにより、実現性の高いシステムを構築した。また、店から廃棄される天ぷら油等の廃油及び油糧植物から直空気分離装置についても、本システムにカスタマイズし接搾った油、トウモロコシやサトウキビの搾りかす等をた試設計を行った。

発酵させて作り出される。前者の油からはバイオディー

実現性の高いシステムを指向することで送電端効率がゼル燃料（BDF）が作られ、軽油の代替として活用さ若干低下することとなったが、それでも最終的なシステれている。後者のトウモロコシ等からはバイオエタノー

ム効率計算において、インドネシア炭、中国炭、豪州炭ルが作られ、ガソリンの代替として活用されている。この 3 炭種を供試した条件で、いずれも 43%HHV 以上の送れら液体燃料は、技術的に油火力や LNG 火力の混焼用

電端効率を期待できることが示された。

として活用することは可能である。

④ 実用化に向けた検討

三つ目は、気体のバイオマス燃料である。有機物が多これに加えて、本システムの実用化に向けた開発ス

く含まれる下水汚泥や家畜糞尿を発酵させてメタンガス

テップを検討し、2035 年頃の商用化に向けたロードマッを回収する方法が実用化されている。施設の大規模化がプを作成し、各フェイズの開発課題を整理し、次フェイ

難しいこと、ガス輸送にコストがかかること等から、現ズの開発課題を明確化した。また、2035 年頃の競合技在は製造場所での利用が中心となっている。

術を想定し、発電コストの比較により、本システムの優位性を示した。
これらの予備検討結果をベースに、本システムの実用化に向け、検討を進めることが望まれる。

b. 原料の種類と賦存量
バイオマス燃料の原料となるバイオマスの種類は大きく３種類に分けることができる。廃棄物系バイオマ
ス、未利用系バイオマス、そしてエネルギー（資源）60作物である。

未利用あるいは荒地の土地にエネルギー生産を目的とした作物を植えて、エネルギーとして利用する方法も考え

機物をバイオマスとして有効利用する方法である。製材られている。種類としては、基本的に成長量が早い草本

廃材や公園剪定枝等の木質系バイオマス、乳用牛や豚等（ネピアグラス、スイッチグラス等）や樹木（ユーカリ、の家畜糞尿、下水処理場で発生する汚泥、食品工場からポプラ等）が候補となる。また、培養槽等の施設が必要の廃棄物や家庭ゴミ等の食品系バイオマスが含まれる。

となるが微細藻類も含まれる。

第３章

廃棄物系バイオマスは、ゴミとして処理されていた有未利用系バイオマスは、森林の間伐による残材や果樹
剪定枝等の木質系バイオマス、稲わら・もみ殻等の農業

c. 我が国でのバイオマス燃料製造の現状

残渣、ササ、ススキ等の草本系バイオマスが含まれる。

固体バイオマス燃料と気体バイオマス燃料の実用化は我が国における廃棄物系と未利用系のバイオマスの賦図られているが、液体バイオマス燃料については、国や存量推計結果（年）によると、両者の合計は熱量換算で自治体等が実施する実証段階もしくは小規模な取り組み（2）

672 ペタジュール（PJ）となる 。2013 年度の我が国の最終エネルギー消費量は 13,980 ペタジュール（PJ）で
（3）

が多い。
固体バイオマス燃料でもっとも生産量が多いのが、木ある 。バイオマス燃料の賦存量が全て利用できると仮質系バイオマスのチップとペレットである。2012 年の定すると、最終エネルギー消費の 4.8% を代替できる量

国産チップの生産量は 586 万トンである。用途は、紙・に相当する。

パルプ製造用が 80% を占め、発電用が 5%、乾燥施設熱

図 3-2-3-1 に我が国の廃棄物系と未利用系のバイオマ

源用が 2% で、バイオマス燃料としての利用は 10% 程スの種類別の割合を示した。廃棄物系（赤枠）と未利用度である（4）。未利用間伐材等の一層の活用が、バイオマ

系（青枠）はほぼ半分ずつとなり、未利用系バイオマス

ス燃料としての原料を増やすための課題といえる。一方、の切捨間伐材と稲わらが多いことがわかる。この切捨間ペレットの国内生産量は 2013 年には約 11 万トンとなり、伐材と林地残材は、森林の間伐実施により発生するバイ増加傾向が続いている（5）。ペレットのほとんどは、ボイ

オマスである。しかし、現状では間伐をすべき森林の多ラーや家庭用ストーブでのエネルギー利用である。

くが放置されており、間伐が適正に実施されれば、この気体バイオマスについては、下水汚泥及び家畜糞尿の推計値より多くなると予想される。廃棄物系バイオマス

メタン発酵が多くを占める。下水汚泥のメタン発酵によでは国産材の製材廃材が最も多く、食品系バイオマスでるバイオガス化によるエネルギー利用は、2012 年度には家庭系厨芥類（生ゴミ）が多い。

おける下水汚泥中の全有機物量の約 12% となっている。

エネルギー作物に関しては、我が国では実用的な栽培

バイオマスとして未利用（埋立、建設資材化の過程で焼は実施されていない。日射量の多い東南アジアを中心に、却等）が 76.1% を占めていることから、それらのバイオガス化や固形燃料化が課題となる（6）。一方、家畜糞尿に
有機廃棄物を混合し、発酵させてバイオガスのメタンガスを製造する方法については実用化されており、北海道を中心に事例も多い。新エネルギー・産業技術総合開!"#発機構（NEDO）が公表している資料によると、全国に68 事例が存在し、製造したメタンガスを燃焼させた熱利用や、コージェネレーション（熱電併給）により発電利用されている（7）。
⑵ バイオマス燃焼
国内の石炭火力発電所における木質バイオマスの混焼
は、電気事業者に対して、一定量以上の新エネルギー等（2）

図 3-2-3-1 バイオマス種類別の賦存量の割合を利用して得られる電気の利用を義務付けた「電気事電中研レビュー No.56 ●61

業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（RPS 法）」（2002 年 6 月公布）の施行がきっかけとなり開始された。風力発電や太陽光発電に比べ、石炭火力でのバイオマス混焼は、既存設備を利用するため、新たな設備投資を最小限に抑えて実行できる利点があり、対応

第３章

し易い有効な方法として認識され、実証試験に留まるものを含め、全電力会社で取り組まれている。2012 年
7 月に「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法」が施行されたことに伴い、RPS（a） NOx 濃度分布（上段：NL 炭、下段：杉）法は廃止されたが、CO2 低減の観点から、バイオマス混焼は現在も継続されている場合が多い。
現在、木質バイオマスの石炭への混合割合は、投入熱量比で１～ 3% 程度と低く運用されている。この主たる理由は、ミルでの粉砕性によるものであり、木質バイオマスの混合量が多いとミル内の保有量が高まり、ミル差
圧が上昇するなどの影響があるためである。一方、この程度の混焼率であれば、NOx 濃度や灰中未燃分濃度な（b） CO 濃度分布（上段：NL 炭、下段：杉）どの燃焼特性に及ぼす影響は少ない。
今後、石炭火力からの CO2 排出量の一層の低減が求

図 3-2-3-2

火炉内でのガス濃度分布の比較められる可能性は高く、その場合には混焼率を増大させることが必要になる。粉砕性を改善する有効な方法としては、①木質バイオマス専用ミルで粉砕し、石炭とは別に供給する方法、②木質バイオマスを粉砕しやすい状態に改質する方法、が挙げられる。
木質バイオマスを専用ミルで粉砕して供給することを考えた場合、微粉炭バーナ単体での燃焼性の可否が重要となる。当研究所の横置円筒型試験炉（単一バーナ炉）を用いた実験においては、微粉炭バーナでの木質バイオマスの専焼が可能である。空気比 1.24、二段燃焼率 30%

図 3-2-3-3

火炉出口 NOx 濃度、灰中未燃分、燃焼効率の燃焼条件にて取得した杉専焼時の火炉内でのガス濃度分布について、NL 炭との比較を図 3-2-3-2 に示す（8）。

NL 炭の 97.7% に対し、杉は 99.9% と著しく高い値を示

杉は NL 炭に比べて、バーナ近傍での NOx の発生量がした。これらのことから、木質バイオマスの燃焼性は石

少なく、また、高濃度の CO が発生した後に速やかに消炭よりも優れることから、木質バイオマス混合時の可燃失するなど、石炭との燃焼過程とは大きく異なっている。

分の見掛けの燃焼性は石炭単味よりも高い反面、木質バ

火炉出口 NOx 濃度、灰中未燃分濃度および可燃分のイオマスの灰分含有率が少ないことにより、結果として、燃焼効率の比較を図 3-2-3-3 に示す。

木質バイオマス燃焼時の灰中未燃分濃度は、石炭単味燃

NL 炭が約 180ppm であるのに対し、杉は 77ppm と焼時よりも高くなる。ちなみに、木質バイオマスの優れ

極めて低い濃度となった。灰中未燃分濃度は、NL 炭がた燃焼性は、微粉炭バーナでのコールド着火も可能とす

12.6% であるのに対し、杉は 16.8% と高い値を示すが、る。コールドスタート実験を行った結果、点火源のみあ

灰中未燃分濃度は、燃料中の灰分含有率に影響されるた

れば、火炉の予熱や助燃がない状態でも着火可能である

め、その影響を排除し、可燃分の燃焼効率で比較すると、ことが判っている。

62

撥水性の発現、といった改質効果が期待される。当研究

い、木質バイオマスを炉内混焼した場合の結果を紹介す

所では、図 3-2-3-5 に示す炭化燃料化実験設備（外熱式る。ここで、炉内混焼とは、上段バーナからパウダー状

ロータリーキルン炭化炉、最大原料供給量 200kg/h、炭に粉砕した杉を、中段バーナおよび下段バーナからは化温度 250 ～ 600℃、滞留時間 15 ～ 40 分）を導入し、微粉炭を各々単独供給する方式を意味する。また、石国内針葉樹、海外広葉樹を原料とする木質炭化燃料の製

炭単味燃焼時および事前に石炭にパウダー状の杉を熱造試験を実施することにより、炭化燃料製造プロセスの量基準で 33.3% の割合で混合した後にミルで粉砕して供

熱物質収支や炭化性能を明らかにするとともに、石炭と給するラインブレンド方式を比較対象とした 。図 3-2-の混合粉砕試験や混焼特性試験に必要な木質炭化燃料を3-4 に示す NOx 濃度については、石炭単味燃焼時が約供給してきた。炭化試験の例として、メラルーカ（東南165ppm であるのに対し、ラインブレンド時と炉内混焼

アジア産広葉樹）と杉（国内産針葉樹）の破砕チップを時のいずれも約 130ppm と低濃度となった。一方、灰中原料とした炭化試験結果を紹介する（10）。原料の写真を

未燃分濃度は石炭単味燃焼時に約 5% であるのに対し、

図 3-2-3-6 に、原料の燃料性状を次ページの表 3-2-3-1

ラインブレンド時と炉内混焼時の灰中未燃分濃度はいずに示す。また、試験条件と試験結果を表 3-2-3-2 に取りれも約 7.5% 前後となった。

まとめる。原料のメラルーカと杉を比べると、工業元素（9）

分析や発熱量の差異は小さいが、メラルーカの Na と Clが杉のそれよりも高いことがわかる。
炭化燃料製造プロセスの性能指標として炭化燃料熱量
残留率と炭化温度の関係を次ページの図 3-2-3-7 に示す。
熱量残留率は、出熱（製造炭化燃料の熱量）と入熱（投入原料の熱量）の比から求められる性能指標である。炭化温度の上昇とともに熱量残留率は減少し、炭化燃料の熱量は低下することになる。一方、この熱量低下分は、

図 3-2-3-4

火炉出口 NOx 濃度、灰中未燃分

石炭同士の炉内混焼においては、揮発分の多い石炭を上段バーナから投入した場合、ラインブレンドする場合
よりも NOx 濃度は低減するが、木質バイオマスである杉による炉内混焼においては、その効果は示されなかった。杉は石炭に比べて、NOx 発生の起因となる燃料中
窒素分が少ないために NOx 濃度は低濃度になると考えられるが、NOx の還元分解に作用する NH3 や HCN の

図 3-2-3-5

炭化燃料化実験設備

発生も少ないために、炉内脱硝の効果が得られなかったと考えている。
⑶ バイオマス炭化燃料
木質バイオマスの炭化処理は、前述の木質バイオマスを粉砕しやすい状態に改質する方法のひとつであり、粉砕性の向上に加え、発熱量の向上、燃料性状の均一化、

図 3-2-3-6

原料写真（メラルーカ（左）と杉（右））電中研レビュー No.56 ●

63

第３章

次に、微粉炭バーナを竪型に三段配置した試験炉を用

プロセスの炭化熱源となることから、プロセスの熱的自原料中塩素分の高いメラルーカについて、炭化燃料の立の条件は、熱量低下分＞外部入熱（LPG 入熱）とな

塩素残留率と固定炭素（炭化度）の関係を図 3-2-3-9 にる（図 3-2-3-8）。

示す。炭化の進行とともに炭化燃料の塩素残留率が低下

第３章

商用規模のプロセスでは、排熱による原料乾燥やスしており、炭化燃料化による脱塩効果が確認された。但ケールアップ効果により、外部入熱の低減が期待されるし、この効果は、塩素の形態に依存すると推定されるこが、熱的自立を可能とする炭化温度域は 400℃以上（炭とから、必ずしも脱塩効果が発現するとは限らない。
炭化燃料製造プロセスの運転において、安定した燃料

化度で中炭化以上）となることが推定される。
表 3-2-3-1
分析項目

性状の炭化燃料を得るには、その変動を短時間に把握し、原料の燃料性状

単位

運転条件に反映する必要がある。しかし、通常の燃料性

メラルーカ

杉

状分析には長い時間を要する。そこで、炭化燃料の収率（炭化燃料製造量と原料供給量の比）と燃料性状の関係

灰分

wt%

1.0

0.4

揮発分

wt%

84.4

82.2

固定炭素

wt%

14.6

17.4

C

wt%

49.4

50.8

3-10 に炭化燃料の固定炭素と収率の関係を示す。炭化

H

wt%

6.40

6.31

N

wt%

0.15

0.09

燃料の収率は、運転時の連続測定データから容易に計算

O

wt%

43.1

42.4

S

wt%

0.02

<0.01

高位発熱量

MJ/kg

19.84

20.76

Na

mg/kg

727

20

K

mg/kg

660

260

Cl

mg/kg

1620

40

工業分析

元素分析

に注目したところ、両者に強い相関を確認した。図 3-2-

できることから、これを運転指標とすることで、安定した燃料性状の炭化燃料製造が可能となる（11）。

※単位は全て無水基準

表 3-2-3-2

炭化燃料化試験条件と試験結果
試験番号
（1〜7）
／炭化度
（高・中・低）

項目

単位

1

2

3

4

5

6

7

低

中

中

高

低

中

高

原料

―

原料水分

wt%

38

42

メラルーカ
46

46

39

37

37

原料供給量

kg/h

120

126

126

126

138

138

138

LPG 消費量

m3/h

4.6

5.2

5.2

5.5

5.1

5.2

5.4

炭化温度

℃

371

408

416

432

396

421

437

炭化物収率

%

90.5

75.4

74.8

49.3

90.5

71.0

60.1

図 3-2-3-7

64

杉

熱量残留率と炭化温度の関係

図 3-2-3-8

熱的自立が可能な炭化温度域

図 3-2-3-9

塩素残留率と固定炭素の関係

次に、木質炭化物とそのペレット成形物（木質炭化ペ

動力原単位の増加は顕著であるが、低炭化物を混合したレット）の粉砕性について紹介する。木質炭化物の成形場合、その増加傾向は抑制され、炭化度が高くなるほど、は、エネルギー密度の向上、輸送コストの削減、ハンド

動力原単位の増加抑制効果は強くなる。これらの結果か

リングの改善などが期待され、炭化処理の重要な後処理

ら、炭化度の低い炭化処理でも、木質バイオマス混合時

技術に位置づけられる。

の粉砕性は大きく改善され、炭化度を高めることにより、粉砕動力を大幅に削減することができる。さらに、木質

なる 3 種の木質炭化物を製造し、その一部を木質炭化ペ

炭化ペレットでは、粉砕物の微粉粒度の改善に効果を発

レットに成形した。原料およびこれらの炭化物を石炭揮する。

（CL 炭）と混合した場合の粉砕性について、当研究所の試験用ローラミル（図 3-2-3-11）を用いて評価した結果として、混合率と粉砕操作に係る動力原単位の関係を図3-2-3-12 に示す（12）。原料の場合、混合率の増加に伴う

図 3-2-3-10固定炭素と収率の関係

図 3-2-3-11

図 3-2-3-12 ローラミル粉砕試験結果

試験用ローラミル

電中研レビュー No.56 ●

65

第３章

松の破砕チップを原料とし、炭化度（固定炭素）の異コラム 7：EnergyWin
火力発電システムに対する熱効率解析は、質量およびエネルギー保存則による熱物質収支解析を基本とする。熱物質収支解析を行うためには熱力学の専門知識が必要であり、また、複雑な火力発電システ

第３章

ムについて、個々に計算コードを開発していたのでは、労力が多く効率的な検討が困難である。
そこで当所では、様々なシステム構成や条件設定における静特性解析つまり定常状態での熱物質収支解析を柔軟に行うことが可能なアルゴリズムを開発し、また、それを用いた汎用性の高い解析ツール「EnergyWinTM」を開発している（1）。その実行画面、実行手順および主な特徴を図 1 に示す。このツールは、グラフィックユーザインターフェースを用いてシステム系統の作成や条件の設定を容易に行えるた
め操作性が高く、視覚的に理解しやすいものである。
また、計算方法について、機器入口の状態量および機器性能値の設定条件から出口状態量を順次算出す
ることで全体のバランスを計算する方法や、機器入口および出口状態量の設定条件から全体の熱物質バ
ランスを計算すると共に各機器の性能値の算出する方法など、条件設定項目や算出項目の選択に柔軟性
が高い。

図1

 nergyWin 実行画面、計算実行手順および主な
E
特徴

このツールを活用して、本節で示した CO2 回収型高効率 IGCC、AHAT 等と言った将来型高効率火力発電システムについて、各種システム構成や条件での熱効率の算出、競合システムとの同一条件下での熱効率の比較や特性解析等を行ってきた。
既設火力発電プラントに対しても多くの実績を上げている。ひとつは、運転条件の変更や機器性能を向上させた場合の熱効率への効果を算出し、熱効率向上検討に活用してきた。また、もうひとつは、図2 に示すように、運転データを用いた熱物質収支解2析によりプラント構成各機器の経年的な性能変化等-1を算出し、これら個々の変化が熱効率変化に与える影響を定量化することで熱効率低下の主要因を特定することで、効果的な保守・運用の検討を支援してきた（2）。
今後も、本技術により火力発電の熱効率の維持・向上に貢献していきたい。

66

1
0

-2
-3
-4

2

EnergyWin

図2

EnergyWin による熱効率低下要因解明-5Jan-1st year

Jan-2nd year

Jan-3rd year

Jan-4th3-3 発 電所における CO 2 回収・貯留技術（CCS）

プロセスとしては大きく、燃焼前回収（Pre-combustion）、
燃 焼 後 回 収（Post-combustion）、 酸 素 燃 焼（Oxy-fuelcombustion）に分類される。
回収された CO2 は、一般的には液化されてパイプラ

CO2 濃度の上昇が地球温暖化の主な原因とされている。

インあるいは船舶等によって貯留サイトまで輸送され地1994 年に発効した国連気候変動枠組条約は、“気候系に中に圧入されることになる。貯留のオプションとしては、

対して危険な人為的干渉を及ぼすこととならない水準に帯水層や枯渇油ガス田への圧入、EOR（Enhanced Oil

おいて大気中の温室効果ガスの濃度を安定化する”こRecovery：石油生産増進のための石油層への CO2 圧入、とを究極の目的としている。安定化については、国際的

以下、EOR）、等がある。貯留とは別に、回収 CO2 の工な大方の認識として、産業革命以前からの全球平均気業部門等への有効利用もあるが、EOR も CO2 有効利用

温上昇を 2℃以内に抑える程度とされている。IEA（国の側面を持つ。温暖化対策として CCS を導入するモチ

際エネルギー機関）は、引き続き化石燃料の需要増加をベーションやインセンティブが不十分な現状において、予想するとともに、この目標を達成するためには 2050

短期的な CCS 普及のドライバーとして EOR の重要性

年時点における CO2 の排出量を現状からおよそ 50% 削が高まってきている。最近は CCUS（Carbon Capture,

減する必要があり、全削減量の 14% に CCS（Carbon

Utilization and Storage）を CCS とほぼ同義として使用

Capture and Storage、以下、CCS）の貢献が必要とししている例も多く見られる。

（1）ている 。CCS は温室効果ガスである CO2 の排出を大幅に削減するとともに、中・長期的に化石燃料を利用可

3-3-1 CCS の国内外動向

能とする技術オプションとして位置付けられている。
⑴ 発電部門における技術開発
石炭火力発電所においては年間 80 万トン、天然ガス
火力発電所や産業部門（ガス精製や化学工業等）では年間 40 万トン程度の CO2 の回収、輸送、貯留を伴う CCS
を定義とする大規模統合プロジェクトは、世界全体で59 件（2014 年時点、計画段階も含む）が存在している。
地域別には、北米 26 件（米国 19 件、カナダ 7 件）
、中
国 13 件、欧州 10 件、およびその他 10 件となっている（2）。
プロジェクト数の推移は、相対的に経済状況の悪い欧州
以外では増加傾向にある。
59 件の中で、投資が決定されている段階（建設段階、
図 3-3-1

発電部門における CCS のバリューチェーン

運用段階）のプロジェクト 22 件を次ページの表 3-3-1に示す。運用段階のほとんどは天然ガス精製に関連したもCCS は、石炭や天然ガス等の化石燃料燃焼を利用しのであり、さらに貯留方式として回収した CO2 を EORた発電や鉄鋼生産、アンモニア製造等の化学工業、天然に利用しているものが多い。これは、現状で CCS がビ

ガス精製、等で発生する CO2 を回収し、パイプライン

ジネスモデルとして成立するオプションの少なさを表し等を用いて輸送し、貯留場所に恒久的に隔離する一連のている。発電部門におけるプロジェクトは、運用段階がシステムである。図 3-3-1 に発電部門を対象とする CCS

１件（Boundary Dam）と、建設段階が 2 件（Kemper、における CO2 のバリューチェーンを示す。燃焼排ガス

Petra Nova）のみとなっている。

等から CO2 を分離する方法については化学工業プロセ

2014 年 10 月にカナダのサスカチュワン州にある Sask

スで既に商用利用されている化学吸収法、物理吸着法、Power 社の Boundary Dam 石炭火力発電所において、

あるいは開発段階にある膜分離法等がある。また、回収

世界で初めて CCS の商用運転が開始された。この発電

電中研レビュー No.56 ●

67

第３章

産業革命以降の化石燃料の大量消費による大気中表 3-3-1
実施段階

地 域

プロジェクト名

回収方式

貯留方式

運用開始

Val Verde Natural Gas Plants

天然ガス精製

EOR

1972

Enid Fertilizer

工業的分離（化学肥料）

EOR

1982

Shute Creek

天然ガス精製

EOR

1986

Century Plant

天然ガス精製

EOR

2010

Air Products Steam Methane Reformer

ガス化（水素製造）

EOR

2013

Coffeyville Gasification Plant

工業的分離（化学肥料）

EOR

2013

Lost Cabin Gas Plant

天然ガス精製EOR

2013

Great Plains Synfuel Plant and Weyburn Midale

ガス化（合成ガス）

EOR

2000

Boundary Dam

燃焼後
（発電）

EOR

2014

Petrobras Lula Oil Field

天然ガス精製

EOR

2013

Sleipner

天然ガス精製

滞水層

1996

Snohvit

天然ガス精製

滞水層

2008

米 国

第３章

運用段階
カナダ
ブラジル
ノルウェー
アルジェリアIn Salah

天然ガス精製滞水層

2004

Illinois Industrial Carbon Capture and Sequestration

工業的分離（エタノール）

滞水層

2015

Kemper County IGCC

燃焼前
（発電）

EOR

2016

Petra Nova（NRG Energy Parish）

燃焼後
（発電）

EOR

2016

Quest

ガス化
（水素製造）

滞水層

2015

Alberta Carbon Trunk Line with Agrium CO2 Stream

工業的分離（化学肥料）

EOR

2015

米 国

建設段階

カナダ

世界の CCS 大規模統合プロジェクト

Alberta Carbon Trunk Line with North West Sturgeon Refinery

石油精製

EOR

2017

豪州

Gorgon

天然ガス精製滞水層

2016

サウジアラビア

Uthmaniyah CO2 -EOR

天然ガス精製EOR

2015

アラブ首長国Abu Dhabi

鉄鋼

EOR

2017

所は、褐炭を燃料とする発電所で 6 ユニットのうちの第フトを選択した場合）

3 ユニットに CO2 の回収設備が追設されている。回収方・褐炭の安定供給（山元発電）

式は排ガスから CO2 を回収する燃焼後回収であり、ア・政府の財政支援（事業費 13 億ドル、
うち連邦政府支援 2.4

ミン吸収液を用いた化学吸収法が採用されている。燃焼後の排ガス（排ガス中 CO2 濃度 12％）は、アミン吸収億ドル）
・回 収 CO2 の 利 用（EOR）、 回 収 SO2 の 利 用（ 硫 酸 ）、液で SO2 を回収した後、CO2 が回収される。アミン吸

石炭灰利用、等の副次収入の確保。

収液と排ガスを混合させる吸収塔の高さは約 55m であ

建設段階のプロジェクトについては、米国の Kemperる。第 3 ユニットの発電端出力は 139MW で送電端出力

County プロジェクト（燃焼前回収；IGCC）と Petra

は 110MW である。出力の低下は、SO2 および CO2 の回Nova プロジェクト（燃焼後回収）が 2016 年の運用を目

収、CO2 圧縮、および補器類でのエネルギー消費による。

指している。

回収される CO2 の量は年間約 100 万トンが予定されて日本での回収から貯留までの一貫したプロジェクトといるが、大部分は近隣の Weyburn にある油田地区におしては、電力各社も出資している日本 CCS 調査㈱が経

よそ 60km のパイプラインで輸送され EOR に利用され済産業省から受託している「二酸化炭素削減技術実証試（3）

験事業」がある。この実証試験は、製油所の水素製造装

Boundary Dam プロジェクトが世界に先駆けて商用

置から CO2 を分離・回収し、年間 15 〜 25 万トン程度運用が可能となった要因としては、以下が考えられる。

を苫小牧沖の貯留層に圧入するとともに、貯留層や海洋・老朽化によるプラントの更新・廃止の判断時期

系のモニタリングも実施する予定となっている（4）。

る。

・サスカチュワン州における電力需要（廃止判断は困難）

日本において発電部門を CO2 の発生源とした CCS の・カ ナダにおける火力発電所への CO2 排出規制の実施一貫したプロジェクトは現状では存在しない。一方で、（420gCO2/kWh；2015 年 7 月発効）

ベンチスケール、パイロットスケールおよび実証スケー

・天然ガス関連インフラの未整備（天然ガス火力へのシ

ルでの回収技術の開発に特化したプロジェクトは複数存

68

在している。例えば、中国電力と電源開発が共同で実施

提出、等々
英国では、2009 年の法制化以降に複数件の天然ガス

kW 級の実証プラントを用いたプロジェクトである（経複合発電（NGCC）プラントが上記条件を満足し認可を済産業省の補助事業；2012 年開始）
。第一段階では酸素受けている。CCS Ready 政策は将来的な CCS 実施を想吹き IGCC、第二段階では CO2 分離回収型 IGCC、第三定したものであることから、導入においては、事業者段階では CO2 分離回収型 IGFC、の実証を目的としてい側の投資判断のためにも国の明確な温暖化政策あるいる。平成 28 年度から第一段階の実証運転が開始される

は CCS 政策の構築が必要である。将来的な温暖化政策（5）予定である 。

や CCS の実行可能性が不透明である限り、CCS Ready
における要求事項は最小限度に抑えることが合理的で⑵ CCS の関連法規制・政策
CCS の普及促進を目指した各国の法規制あるいは政ある（6）。
カナダでは 2012 年 8 月に、新設および耐用年数に達策は大きく４つに分類できる。

する石炭火力発電ユニットへの CO2 排出基準値の適用① 化 石燃料燃焼発電プラントを新設することによりが規制化された（7）。排出基準値は 420gCO2/kWh であり、CO2 の大規模発生源が固定されることを回避するた

NGCC の排出性能と同程度であり、石炭火力あるいは老めの「CCS Ready」

朽火力を、ガス火力、再生可能エネルギー、あるいは、② CO2 の排出を直接的に抑制する排出基準の設定

CCS へ移行させる狙いがある。本規制は、2015 年 7 月③ CCS への投資誘導

1 日からの施行であるが、2015 年までに CCS を導入す

④ CCS 実施のための法規制整備

る予定の新設火力発電ユニットについては、2025 年まである。

で排出基準適用の対象外となる。適用除外申請に際してCCS Ready は、将来の技術的、経済的な見通しが得は、将来的な CCS 実施の見通しを示した経済的な実行られた時点で CCS 機能が追設可能なプラントのみを建可能性の評価として、以下の要求事項が設定してある。

設許可の対象とする政策である。EU（欧州連合）にお・建設コスト、建設資金の調達方法、等の提示

ける CCS の法的枠組みを規定した EU-CCS 指令（2009・排出基準を満足し得る回収規模、地質学的に適当な貯年 4 月公布）は、CCS Ready に関する条項を含んでい留サイトへの輸送、および貯留、等の提示る（第 33 条）。具体的には、30 万 kW 以上の燃焼プラ

上記は、新設の火力発電ユニットに対して、排出基準のントの建設許可あるいは運用許可の発行に際して事業者適用除外を選択した場合に CCS Ready が要求されるとに対し以下の評価を要求するものとなっている。

解釈できる。

・回収 CO2 の貯留サイトの利用可能性

米 国 で も、2015 年 8 月 に 環 境 保 護 局（EPA） が オ

・輸送施設の技術的・経済的な利用可能性

バマ大統領の気候変動に関するアクションプランに・CO2 回収装置の燃焼プラントへの追設の技術的かつ経（注2）
対 応 し て、 新設（注1）、 改 修（modified）
および更新

済的な実行可能性。

（注3）（reconstructed）の発電施設に対する CO2 排出基準

英国政府は、EU-CCS 指令への対応として、電気法を最終決定している（8）。排出基準の対象は、①設置型燃36 条のプラント設置手続きに以下に示す CCS Ready の焼タービン（天然ガス燃焼）と②発電用蒸気発生ユニッ

要求を追加している。

ト（ 石 炭 燃 焼 ） の 2 種 類 で あ る。EPA は 排 出基 準 を・将 来的な CCS 機能追設のために必要なスペースが確実証済みの技術である最適排出低減技術（BSER; Best

保できることの提示

System of Emission Reduction、以下、BSER）で達成

・CCS 追設の技術的・経済的な実行可能性の評価

可能な程度の値として設定している。具体的な排出基準

・回収 CO2 の海底下貯留候補地の提示は以下の通りである。

・貯留候補地への回収 CO2 輸送に関する技術的な実行可能性の評価
・CCS Ready 状態維持に関する報告書の主管当局への① 設置型燃焼タービン（天然ガス燃焼）【新設および更新】

電中研レビュー No.56 ●

69

第３章

して大崎クールジェンプロジェクトは、出力規模 17 万・当 該対象の BSER を天然ガス複合サイクル（NGCC）

前出の EU-CCS 指令は、世界に先駆けて CO2 を地下技術とし、すべての容量のベースロードユニットに対に貯留するための法的枠組みを規定したものである。具（注４）

して排出基準を 1,000 lb CO2/MWh（発電端ベース）

体的には、安全かつ環境に健全な貯留を行うことを目的に、① CO2 貯留サイトの選定、②事前探査許可、③貯

とする。

第３章

【改修】

留許可、④運用、閉鎖及び閉鎖後の義務、等を規定して

・パブリックコメント等の意見を参考に、現段階では設いる。例えば、貯留サイトの「運用、閉鎖及び閉鎖後の定せず。

義務」については、貯留 CO2 の許容基準・測定・モニ② 電力用蒸気発生ユニット（石炭燃焼）

タリングおよび検証の実施、事業者による報告と当局の【新設】

査察、漏洩の場合のリスクアセスメント、閉鎖後の責任

・BSER を最新型の超々臨界圧微粉炭火力ユニットと部及び責任委譲、貯留サイト管理のための財源保障と財源分的な CCS の組合せとし、排出基準を 1,400 lb CO2/メカニズム、等々の内容を含んでいる。
日本においては、「Cool Earth−エネルギー革新技術

MWh（発電端ベース）とする。
【改修】

計画−」
（平成 20 年経済産業省）が発表され、CCS の・BSER を当該対象の最大性能とし、過去 5 年間で最大実用化に向けて早期に大規模実証試験を実施する方針がの一時間排出量より 10% 以上排出が増加する改修に対示された。平成 22 年閣議決定の「エネルギー基本計画」

して、排出基準を 2002 年から改修までの期間の年間の改定では、CCS 技術の確立や今後計画される石炭火最大性能値とする。10% 以下の排出増加に対しては、力の新増設の際の CCS Ready 導入の検討が明示されて排出基準を設定しない。

いる。これらの事項は、平成 26 年の「エネルギー基本計画」の改定でも引き継がれている。

【更新】
・BSER を当該対象と同種のユニットの最高効率発電技（注５）

日本の CCS に関する法整備については、陸上で発生以した廃棄物等の船舶からの投棄による海洋汚染の防止を

上は 1,800lbCO2/MWh（発電端ベース）、未満の場合定めたロンドン条約 96 年議定書（2006 年発効）の改定

は 2,000 CO2/MWh（発電端ベース）とする。

に伴う国内担保措置である「海洋汚染等及び海上災害の術とし、排出基準として、熱入力 2,000MMBtu

防止に関する法律（海洋汚染防止法）の一部改正に関す
EPA は、上記の石炭燃焼発電ユニットの新設に対する法律」（2007 年公布）が唯一である。ロンドン条約 96

る排出基準は、超々臨界圧微粉炭火力ユニットからの年議定書の改定では、投棄可能な廃棄物等として「二酸全 CO2 排出量の 20％を回収することで達成可能として化炭素を隔離するための二酸化炭素の回収過程から生ずいる。

る二酸化炭素を含んだガス」が追加された。これに従っ

英国では 2011 年にエネルギー・気候変動省から電力て、日本でも海洋汚染防止法の改正により、二酸化炭素

市場改革（EMR：Electricity Market Reform）の方針の海底下廃棄に関わる許可制度が創設され、許可を受けが発表された。EMR の目的は、英国の CO2 排出削減

た場合には二酸化炭素の海底下貯留が可能となった。改目標（2050 年 80% 削減）達成を図りつつ、電力の安定

正法の骨子は以下の通り、供給確保（再生可能エネルギー、原子力、CCS 等を含・廃棄物の海底下廃棄の原則禁止

む）、持続可能な低炭素技術への投資促進、英国経済や・CO2 の海底下廃棄に係る許可制度の創設

国民へのコスト最小・利益最大化、を達成することである。改革達成のメカニズムの一つに差益決済方式（CfD：
Contract for Difference）がある。CfD は、電力の平均的な市場価格と CO2 排出の少ない発電設備にあらかじめ設定された電力価格（strike price）との差額を発電事業者に支払うことで CCS を含む低炭素発電技術への投資を誘導するものである（9）。

70注１）新設 : 2014 年 1 月 8 日以降に建設が開始されたプラント
注２）改修 : 既設プラントに対する大気汚染物質の時間当たりの最大排出量の増加を伴い物理的あるいは運用上の変更が行われるプラント。2014 年 6 月 18 日以降の改修に適用。
注３）更新 : 更新部分が、最終的な施設全体の新規相当の資本コ
ストの 50% を超えるプラント。2014 年 6 月 18 日以降の更新に適用。
注４）lb: ポンド。1 lb ≒ 0.453kg注５）MMBtu: 百万 Btu

・許 可の申請主体は CCS 及びその監視を的確に実施で3-3-3 CO2 貯留技術

きる事業者
・許可発給に当たって国民の意見提出の機会確保
・CO2 貯留地点の適切な選択
・海洋環境への影響の恐れが生じた場合の適切な措置実施
等である

CO2 の大気への放出を削減するには、排出源などから回収された CO2 を地中に貯留したり海洋中に隔離する必要がある。

。

海洋中への CO2 の隔離については、当研究所では

3-3-2 CO2 回収技術

1989 年頃から研究に着手し、1991 年からは資源エネル
ギー庁からの受託研究や研究開発法人新エネルギー・産⑴ 回収技術の概要

業技術総合研究機構（NEDO）の「CO2 海洋隔離環境影発電プラントから CO2 を回収するための手法は大き響予測技術開発」における CO2 の海域注入実験への参

く、燃焼前回収、燃焼後回収、酸素燃焼、の 3 種類に加を行ったほか、溶解型海洋隔離の技術的方策として分類される。それぞれのシステムの概要については、船による希釈放流方式の提案などを行ってきた（1）。しか

3-2-2
（2）
節を参照されたい。

し、2006 年 3 月に発効したロンドン条約 96 年議定書で、海洋投棄しても良いものに CO2 が含まれなかったため、⑵ 電中研における研究開発
電中研では、1991 年から 1995 年まで CO2 の回収規

海洋中は CO2 の隔離場所として選べなくなり、現状では CO2 の地中への貯留が主体となっている。

模 3t-CO2 ／日のパイロットプラントを設置し（図 3-3-

CO2 は常温常圧では気体であるが、圧力や温度条件に2-1）、運転特性、吸収液の劣化、所要エネルギー、等々

より液体や超臨界状態（温度約 31℃以上、圧力 7.4MPa（1）の評価を実施している 。回収方式にはアミン吸収液

以上）になり、容積が数十分の１になる。地下約 800m

（MEA）を用いた化学吸収法が採用されていた。

以深（水圧 8MPa 以上）に CO2 を圧入すると、温度は

現在は、排ガスを石炭ガス化炉およびガスタービンで31℃以上になることが想定され、CO2 は超臨界状態にリサイクルする新しいコンセプトの CO2 回収型高効率

なり、貯留する CO2 の容積を小さくすることができる。

IGCC の開発を進めている。CO2 が排ガスの主成分とな

超臨界状態の CO2 は水より密度が小さく、粘性が小さり、CO2 分離装置が不要で効率低下を抑えることが期待

いため、地下に圧入された CO2 は浮力が働き、地表へできるものである。詳細については、3-2-2（2）節を参照

向けて移動する可能性がある。したがって、地下に貯留されたい。

した CO2 が数百～数千年という長期間にわたり地表に漏れ出さないように、封じ込める仕組みが必要となる。
CO2 を地下に封じ込める仕組みとして、石油や天然ガスを蓄えている地層の例がある。この地層構造は、背斜構造と呼ばれるお椀を伏せたような構造であり、石油や天然ガスを蓄える空隙の大きな地層（貯留層）の上に石油や天然ガスが地上に漏れ出さないように閉じこめるための地層（遮蔽層）があり、水より軽い石油成分や天然ガスが地上に漏れ出さずに何億年も地下に蓄えられている。その他、地下深部の帯水層と呼ばれる水を蓄えた空隙の大きな地層や、石炭層なども上部に水やメタンが漏れ出ないような構造を有しており、封じ込めの効果が期待できる（2）。
欧米などの石油や天然ガス開発地域では、生産が終

図 3-3-2-1

電中研の CO2 回収実験装置の外観わったこれらの貯留層に CO2 を貯留したり、生産が電中研レビュー No.56 ●

71

第３章

（10）

⑴ 貯留技術の概要

弱くなった石油や天然ガス貯留層に CO2 を圧入した業として、日本 CCS 調査㈱が国内における CCS 実証試

りすることにより生産量を増やす石油増進回収技術

験の実施に向けた国内候補地点の地質調査等を実施し、（Enhanced Oil Recovery, EOR）として CO2 の地中貯留候補地点として苫小牧沖地点、勿来・いわき沖地点、北（2）

九州地点の 3 地点の調査が行われた結果、苫小牧沖にお例えば、カナダのサスカチュワン州のワイバーンでは、ける実証試験が進められることとなった。苫小牧地区の2000 年より米国ノースダコタ州の石炭ガス化炉で回収

商業運転中の 2 箇所の製油所で分離回収された CO2 を、された CO2 を、年間 100 万トン規模で石油の生産層に

年間 10 万トン以上の規模で圧入基地から深度 1,100m 〜

圧入し、石油の増産に活用しているほか、石油層に残さ

1,200m および 2,400 〜 3,000m の 2 層に傾斜抗井によりが事業として実施されている 。

第３章

（3）

れた CO2 は貯留されたものと評価している 。最近では、圧入される計画である。この計画では、2016 年から 32014 年にカナダの Boundary Dam 石炭火力発電所で回年間 CO2 を圧入し、圧入終了後のモニタリングを 2 年収された CO2 をワイバーンの石油層に圧入し、世界で間行う予定である（7）。

初めての火力発電所からの CO2 放出削減の商業化プラ（4）

ントとなっている 。

北米の大陸での CO2 地中貯留に対して、わが国や英国では海域の地下への CO2 貯留の実施の可能性が高い。

一方、ノルウェーでは北海油田において、石油に随伴

海域の地下に CO2 を圧入した場合、圧入作業中や圧入してくる CO2 を分離回収して、油田の上部にある帯水後に万一 CO2 が海域に漏れ出した場合の環境への影響

層へ圧入している。このプロジェクトは 1996 年から開について事前に検討しておく必要がある。英国ではわが始され、年間 100 万トン規模の圧入を既に 20 年近くも国も協力して、浅海域での CO2 放出実験（QICS プロジェ

継続している。驚くことに、年間 100 万トンの CO2 圧クト）が行われた。この実験では、水深 10m 程度の海入を 1 本の坑井で行っている。また、このプロジェクト

底の地下 12m の深さから CO2 を 60 日間で 4.2 トン放出では帯水層中に圧入した CO2 の挙動を弾性波反射法なさせ、これによる海底面や海洋中の環境への影響を調べ

どによりモニタリングしており、圧入により CO2 の分た。この結果によると、CO2 による影響は CO2 が海底（5）

布範囲が拡がっている様子などが確認されている 。

面に漏れ出している極一部の浅い地中（数 cm）に限られ、我が国においては、公益財団法人地球環境産業技術研

CO2 放出停止後 1 週間ほどでその影響はなくなったと報究機構（RITE）により、CO2 を地中に長期的に安定か告されている（8）。より大量の CO2 がより長期にわたり放つ安全に貯留する技術を確立することを目的とした実験

出されると影響も大きくなる可能性もあるが、万一 CO2（6）が経済産業省の補助事業として実施された 。この実験の漏洩が生じても早めに対策を取れば影響を少なくするでは 2003 年 7 月から 2005 年 1 月にかけて新潟県長岡市

ことが可能なことを示していると思われる。

岩野原で、深度約 1,100m の帯水層に合計約 1 万トンのCO2 が圧入された。この圧入試験は陸域にある既存の天⑵ 電中研における研究開発

然ガス生産基地で実施され、圧入井とともにその周囲にCO2 の地中貯留に関しては既に欧米などでは石油や天3 本の観測井が掘削された。これらの観測井を利用して、然ガスの増産回収（EOR）において、CO2 の貯留が商

物理検層および坑井間の弾性波トモグラフィーによる地業化されているところもあるが、わが国においてはこの下の物性データの取得が行われ、帯水層での CO2 の挙ような地点が少ない。そこで、当研究所ではわが国の地動の把握が試みられた。また、日本の地質構造の特性を

質構造の特徴を考慮した CO2 貯留可能性について検討考慮した CO2 長期予測シミュレータが開発され、それ

（9）
（10）
,
および必要な技術開発を進めている（図3-3-3-1）。

により圧入された CO2 が 1000 年にわたり安全に貯留で我が国では火力発電所、製鉄所、石油精製プラントなきると評価されている。CO2 の圧入停止後も継続してモ

ど CO2 排出源の多くが沿岸域に位置しており、輸送コ

ニタリングが続けられ、貯留した CO2 がほとんど動か

ストを考慮すると、貯留する場所はこれらのプラントのずにいることや地下深部の圧入箇所周辺での地下水の変近くが望ましい。しかし、このような地域の近傍では背（6）化などが観測されている 。
その後、2008 年から経済産業省の委託事業・補助事

72

斜構造はあまり見られず、海へ向かって緩く傾斜した地層が多い。このような地域の地質が水を蓄えている間隙

の大きな地層（帯水層）と、その上部の水を通しにくい

貯留プロジェクトである ZeroGen との共同研究により、地層（遮蔽層）で構成されていれば、CO2 の貯留が可能

ZeroGen の貯留候補地における地質モデルの構築に貯留と考えられる。

候補地選定の評価フローを適用した。さらに、最近では
台湾電力総合研究所（TPRI）との共同研究により、台や地質的特徴を踏まえて、CO2 の地中貯留に関する課題

湾での大規模 CO2 地中貯留実証実験に参加し、現地での抽出と、貯留に関わる基礎的な現象の把握および技術

掘削された深さ 3,000m の坑井から得られたコア試料を開発を進めている。そして、これまで我が国の CO2 排

はじめ検層結果や実験場周辺の物理探査結果などを総合

出源近傍の地質構造の評価や、CO2 貯留の可能性および評価し、地下モデルの構築を図っている（11）。

貯留可能量の評価を行うための①サイト評価技術、地下に圧入した CO2 の挙動や分布範囲の予測を行う②挙動② 挙動予測評価・予測技術、CO2 の圧入前後および圧入中の分布範

CO2 の地中での挙動予測技術については、これまで挙囲を地上から計測し経時的変化を評価する③モニタリン

動予測のための数値シミュレーションコードの導入を図グ技術、長期間にわたって安全な貯留法と考えられる④

り、室内実験装置を用いた CO2 の流動特性評価のため

CO2 の鉱物化に関する現象の解明、海底付近での CO2のコア試料の相対浸透率の評価技術を開発した。開発

による⑤環境影響評価技術の開発、わが国の CO2 排出した手法の実用性の確認や高度化を図るために、米国源の分布などを基に海外のパイプラインに替わる CO2Battel Memorial 研究所との共同研究により、オハイオ

輸送手段として⑥船舶輸送の検討などを実施してきた。

州マウンテニア石炭火力発電所で計画された大規模 CO2
地中貯留実証実験の候補地（12）や、オーストラリアのク
イーンズランド州で計画された ZeroGen プロジェクト（13）に① サイト評価技術
サイト評価技術に関しては、これまで火力発電所など

よる CO2 貯留候補地（次ページの図 3-3-3-2, 図 3-3-3-3）の近傍における地質構造の概略や、貯留候補地選定およを対象として、大規模に CO2 を貯留した場合（年間 200

び貯留可能量の評価フローの提案を行った。国内外の万トンを 20 年）の CO2 の浸透範囲の予測を行った（次CO2 貯留候補地の特徴の比較検討から、我が国の CO2（14）
ページの図 3-3-3 - 4）
。残念ながら、いずれのプロジェ

貯留候補地を評価した。また、オーストラリアの CO2クトも計画見直しにより CO2 の圧入には至らなかった。

図 3-3-3-1

CO2 地中貯留の概念と当所の研究課題

電中研レビュー No.56 ●

73

第３章

当研究所では我が国のこのような CO2 排出源の分布

そこで、最近台湾における大規模 CO2 地中貯留実験に象を把握した。また、これらの基本的な現象の汎用性

おいて、①で構築した地下の水理・地質構造モデルを用を確認するため、透水性や化学成分の異なる種々の岩いた数値シミュレーションにより、年間 100 万トン規模

石サンプルを利用して、物性値の変化を調べた。これの CO2 圧入時の挙動や貯留範囲の予測を行い、現地計らの調査の結果、本格的な現場での CO2 圧入時におけ（15）測結果との比較から手法の高度化を図っている。

る簡便で低コストなモニタリング手法として電磁探査

第３章

法の適用について検討を進め（16）、台湾での大規模 CO2
地中貯留実証実験サイトにおいて電磁探査（CSAMT法）による深さ 1,000m 程度までの地下比抵抗構造の計測に関する予備計測を実施し、今後深さ 3,000m を目標とした電磁探査法の適用を進める予定である。さらに、
CO2 の貯留作業中や貯留後に、万一海洋中に CO2 が漏出した場合の検出のための観測システムを提案した（17）。
これに関しては、英国スコットランドの西海岸で実施された浅海域での CO2 放出実験（QICS プロジェクト）に参加し、海底下での CO2 放出時の挙動予測と、海底面に電極を設置した電気探査（自然電位法と比抵抗法）
図 3-3-3-2 オ
 ーストラリア ZeroGen プロジェクトにおける弾性波反射法による地下構造の評価結果を実施し、電気探査による CO2 モニタリングの可能性を検討中である。
④ CO2 の鉱物固定に関する検討
安全な CO2 の貯留技術として、地下に圧入した CO2が地層水に溶解し、岩石と化学反応することにより、安定した炭酸塩鉱物として貯留される可能性について、
CO2 溶解水と岩石との反応、および CO2 の鉱物化によ

図 3-3-3-3 Z eroGen プロジェクトにおける弾性波反射法結果
や調査坑井の検層結果などを基に構築した貯留層および遮蔽層の地下モデル

る地層の透水性への影響に関する現場実験を実施した。
一般には地下に圧入した CO2 の鉱物化には数百年から数千年のオーダーの時間が掛かると想定されているが、圧入する地層の温度が高ければ岩盤との反応が加速されることが知られている。当研究所では、秋田県湯沢市に設けた実験場にある深さ 1,000m で温度 230℃の岩盤にCO2 を溶解させた水を圧入し、CO2 溶解水と岩盤との反応について調べた。その結果、CO2 溶解水の圧入により

図 3-3-3-4 Z eroGen プロジェクトで CO2 を年間 100 万トン
で 30 年間圧入したときの CO2 の分布範囲の予測結果

カルシウム濃度が一時的に高まり、その後減少すると共③ モニタリング長することが確認された（18）。

に、CO2 溶解水と共に坑井内に降下させた方解石サンプ
ルの表面の炭酸カルシウムの結晶が 1 時間で数μm 成CO2 のモニタリングについては、弾性波探査をはじめ電気探査、電磁探査、重力探査等各種の探査法の適⑤ 海洋中環境影響評価

用性について検討し、室内実験装置を用いてコア試料

我が国では大規模 CO2 排出源が沿岸域に多く位置す

に液相、
気相、
超臨界の CO2 を圧入した場合の物性値（電ることから、CO2 の貯留候補地も海域の地中となる可能

気比抵抗、弾性波速度・振幅など）の変化の基本的な現性が高い。この場合、CO2 の輸送、貯留作業中、およ74

行っている。評価対象の発電技術としては燃焼前回収との影響評価手法を開発しておく必要がある。当所ではして IGCC、燃焼後回収として超臨界圧（微粉炭燃焼（PC：

IPCC の報告を参考に CO2 の漏洩シナリオを検討し、海Pluverised Combustion））、超々臨界圧（USC）、天然ガ

洋中での挙動評価技術として開発し、前述の QICS プロ

ス複合発電（NGCC））、および酸素燃焼（Oxy-USC）でジェクトへの参加などを通して、開発した技術の実用化ある。それぞれの発電プラントの正味出力は 55 万 kWを進めている。

程度（稼働率 85%）
、CO2 の回収率は 90% で、年間約300 万トンの回収 CO2 が陸域パイプラインで 100km 輸⑥ CO2 の船舶輸送の検討送され、陸域の深度 1,700m の帯水層に貯留されるとの回収した CO2 を貯留する場所まで輸送する手段とし想定である。運用期間を 30 年とした場合の各発電技術ては、欧米ではパイプラインによる輸送が実用化していの平準化発電コスト（注1）の評価結果を図 3-3-4-1（a）に示るが、我が国においては土地の価格や、輸送ルート周辺

す。CCS を付加しない想定とともに示してある。ちなの住民の了解など実施においては課題が多い。そこで、

みに、酸素燃焼（Oxy-USC）については CO2 回収を前

当研究所では東京大学との共同研究により、船舶による提とした技術のため、付加しない想定の結果は示されて輸送について検討し、CO2 圧入設備を搭載したタンカー

いない。CCS を付加しない場合は、USC のコストが最（19）。この案では、沿岸域で回収も低く、次に PC となっている。CCS を付加した場合はされた CO2 はタンカーで沖合まで輸送され、特殊なパ

Oxy-USC が最も低い値を示しているが、酸素燃焼発電

イプにより海底下に掘削された坑井を通して地中の石油についてはこれまでに商用規模での運用例はない。CCS層や帯水層に圧入される。このパイプは CO2 の圧入時を付加した場合にコストの増加率については、IGCC が以外は海底面に横たわっており、CO2 タンカーが到着し最も低くなっている。これは、CO2 回収に必要な付加プ

たとき、海上に引き上げられる。これにより海洋上でのロセスが他に比較して少ないためである。図3-3-4-1（b）

作業の安全性が図られる。

には、平準化発電コストの増分における回収、輸送、貯による輸送を提案した

3-3-4 CCS 導入に係る諸リスク⑴ CCS 導入コストの概要
温暖化対策技術としての CCS に対する期待の一方で、実際の普及については期待通りに進んでいないのが現状である。CCS 機能を付加することによるコスト
増加は主要な普及障壁の一つである。近年、大規模実証プロジェクトへの展開に進展がみられなかった欧州
では、コスト削減のために、輸送パイプラインと貯留サイトを共有する CCS のハブクラスター化や回収 CO2を EOR に利用する事業スキームが指向されている。当初、普及ドライバーとして期待されていた EU 排出枠取
引は CO2 価格が低迷しおり経済的なインセンティブとしては機能していない。これまでに、CCS の経済性に関して多くの報告がなされているが、一例として、豪州の GCCSI（Global CCS Institute）が実施したコスト,評価結果（1）（2）を紹介する。

GCCSI は、可能な限り公開されたデータを利用し、より一般性があり技術間の比較が可能な方法で評価を

図 3-3-4-1 (a) 発電技術毎の発電コストと (b) 増分コストの割合

電中研レビュー No.56 ●

75

第３章

び貯留後に万一 CO2 が海洋中に漏出した場合の環境へ

留の各プロセスの寄与割合を示す。8 割以上が回収に伴解釈することが重要である。

う増加となっている。
表 3-3-4-1 には、CCS のコスト評価の際に各プロセス,⑵ 温暖化対策技術としての CCS の評価（4）（5）

第３章

および全プロセス（クロスカッティング）において考慮

CCS は CO2 大幅削減技術として注目されているが、すべき不確定要素を示す。回収プロセスについては、そCCS 技術導入可否を議論する際には、温暖化対策だけ

れぞれの発電技術の成熟度に応じたコスト増分のリスク

でなく、それ以外の様々な環境・健康リスクとのトレーを想定する必要がある。輸送プロセスについては、輸送ドオフを予め考慮しておく必要がある。また、実施意

方法や輸送場所等によってコストが大きく変わる可能性

義の妥当性判断には、他の低炭素技術とも比較検討し、がある。例えば、日本での CCS を想定した場合、貯留

CCS 技術の相対的な位置づけを把握する知見が重要でに適した地層の多くは海域に存在するため、海域におけある。そこで、将来的に我が国の火力発電に CCS 技術

るパイプライン輸送が有力なオプションとなる。海域パ

導入することを想定した条件にて、CCS 導入によるライプラインの資本コストは陸域パイプラインと比較してイフサイクル環境影響を網羅的に評価し、他の技術とも2 倍程度となり、運用コストは 1.5 倍程度になるとの試

比較した。

（3）

算もある 。貯留プロセスについては、貯留方法や貯留評価シナリオは、超々臨界圧微粉炭火力発電を基準技

場所とともに、貯留サイトの選定および評価に係るコス術とし、それに CCS を付加した 2 つのシナリオを設定

ト（finding cost）の不確実性が大きいとされる。貯留した（CO2 輸送方法：海底下パイプラインまたは船舶のサイトの選定は、事業実施判断の最も重要なプロセスで

2 通り）（図 3-3-4-2）。CO2 回収方法はアミン系吸収液あることから、係るコストと将来的なリスクはトレード（MEA）を用いた燃焼後回収、MEA 劣化に伴う NH3 排

オフの関係にある。将来的リスク低減のためには、候補

出と MEA 製造時排出される有害化学物質は理論最大値

サイト数を増やすことが必要になるが、その分、評価にを使用した。貯留段階での CO2 漏洩による影響は評価掛かるコストが上昇することになる。

対象外とした。

CCS 導入の議論においては、さまざまな不確実性が評価方法は、LCA（Life Cycle Assessment）ソフトあることを認識した上で、他の低炭素電源との比較等をウェア（MiLCA ver.1.1.110）を用いたインベントリ分

注１）平 準化発電コスト：発電プラントの運用期間中に掛かる
設備費や運用費等の全コストを運用期間中の発電電力量で割ったもの。

表 3-3-4-1

CCS に係るコストの不確実

プロセス

不確定要素
・採用発電
（回収）
技術

回収

輸送

市域大気汚染、土地改変）別に特性化評価を行った。機
能単位は送電端 1kWh の発電とした。
インベントリ分析の結果、CCS シナリオにおける・燃料費プロセスでのエネルギー使用量が増加するため、全体と・輸送方法

しては基準技術に比べて 71 ～ 80% 減であった。CCS 付

・輸送場所
・輸送距離

加により生じる環境負荷物質として、MEA 製造時の酸・輸送量化エチレンと NH3 の大気排出、COD と全窒素の水系排・サイト選定・評価

出が増加した。CO2 回収段階では、吸収塔からの NH3・貯留場所（陸域・海域）と微量の MEA、MEA 廃棄物の焼却に伴う NOx、SO2・貯留層特性などの大気排出量も増加した。

・実施地域
（材料費、
設備費）

76

ト、富栄養化、人間毒性、生態毒性、化石資源消費、都CO2 排出量は、CO2 回収段階で 90% 減少するが、他の・サイト閉鎖後の義務

クロスカッティング

化、鉱物資源消費、酸性化、廃棄物、光化学オキシダン

・技術の成熟度・貯留方法
貯留析、および LIME2 手法を用い、11 影響領域（地球温暖・労働費以上のデータに基づき特性化評価を行った結果、CCS
導入により地球温暖化への影響は軽減するが、他の環・政策支援

境・健康影響カテゴリは増加した。プロセス別で見ると、・CO2価格CO2 回収段階と MEA 製造段階の寄与が大きかった（図3-3-4-3）。これは、前者の場合、MEA 劣化由来の NH3による土壌酸性化および富栄養化、後者の場合、酸化エチレンによる人間毒性と水系廃棄物由来の富栄養化への寄与が大きいためである。
次に、単位発電量当たりの特性化影響量を、他の低炭

第３章

素技術間の基準技術と相対比較した結果、今回のシナリ
オ条件では、地球温暖化以外の影響領域で増減の両面が見られ、その程度は技術間で異なることが明らかとなった。例えば、太陽光発電では、土地改変面積・鉱物資源
消費・富栄養化・廃棄物の特性化影響量が相対的に大きく、それ以外の影響量は小さかった。地熱発電は、影響領域全般において小さいことが示された（図 3-3-4-4）。
以上より、CCS 技術のライフサイクルという視点で

図 3-3-4-4 C CS、太陽光発電、地熱発電における特性化
評価の相対比較 (4)⑶ 社会的受容性の現状

は、地球温暖化以外の国内の環境リスクが増加するため、

今後、我が国において CCS 事業を実施することにな

CO2 回収方法など要素技術の改善や最適化の必要性が示る場合、CO2 輸送ルート、貯留地周辺に関わる利害調整、唆された。今後、環境面以外の指標についても分析した

貯留後の CO2 漏洩リスク対策・管理など、社会的受容

上で、総合的に評価していく必要がある。

性が大きな課題となりうる。
これまで海外で先行する CCS プロジェクトでは、地元住民など利害関係者の反対により中止・遅延した例が複数見受けられる。例えばオランダの Barendrechit プ
ロジェクトは小規模の CCS 実証プロジェクトであったが、自治体と貯留予定地域住民の強い反対により中止に至った（6）。その主な要因は、早い段階からの住民参加プ
ロセスがなく、関係者間の信頼関係が構築されなかった
こと、CCS 要素技術の多様性がなく、居住地に近い貯図 3-3-4-2 超 々臨 界 圧（USC）微 粉 炭 火 力 発 電および
CCS シナリオの評価範囲（4）

パイプ ラ
イン輸 送

Pipeline

75%

NH3

NH3

50%
25%

船舶
輸送

豪州の場合、環境影響評価（EIA）手続きにおいて、Ethylene
oxide

窒素
COD
地球
温暖
化

資源
消費

100%
75%

る科学的な情報も信頼されず住民のリスク認知が高かったこと、地元便益がなかったこと等であった。

100%

0%

留候補地が決定済みで変更余地がない上に、貯留に関す

電力消費

酸
性
化

廃
棄
物

光化学
オキシ
ダント

富栄
養化

有害
化学
物質

生態
毒性
(陸)

生態
毒性
(水)

都市域
大気汚
染
重油

CO2 貯留CO2 輸送CO2 圧縮一次貯蔵
CO2 回収MEA 製造

石炭灰処理
発電施設
発電
石炭輸送
石炭採掘

ど住民参加プロセスが定着している。EIA の評価項目には、環境・社会・経済影響、リスク分析など広範囲な科学的知見が要求されており、我が国と比べると地元の理
解向上や事業者との信頼関係構築に資する仕組みが整っ

50%
25%

ている（次ページの図 3-3-4-5）。例えば ZeroGen プロ0%

図 3-3-4-3

事業計画の早い段階からの情報公開や住民意見の反映な
CCS
プロ
セス

CCS シナリオにおける特性化評価結果 (4)ジェクトの場合、経済的理由で中止となってしまったが、受容性という点で見ると、利害関係者とのコミュニケー
ションを事業戦略の一環として重要な位置づけとし、事業者が自発的に地元との信頼関係を継続的に構築した成功事例といえる（7）。
一方、我が国では、CCS に対する認知度自体が極め

電中研レビュー No.56 ●77

て低い状況にある。これまで当研究所が実施した一般市民を対象としたアンケート調査（2010 年 3 月、2011 年
3 月、2013 年 2-3 月、2015 年 3 月 ） に お い て、CCS に対する認知度（「知っている」「良く知っていて人に説明,できる」と回答した人）はいずれも 10% 未満であり（8）（9）、

第３章

東日本大震災前後における認知度の変化は見られなかった。その保有知識を調べてみると、例えば「安全な容器

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

に入れて地下深くに埋める（誤答）」を選択した人が 2割程度おり、必ずしも正しい情報を理解しているとは限（9）らなかった 。従って、現状では CCS に関する情報は

図 3-3-4-6 各
 発電技術に対する今後の導入意向（9）（自己評価の認知度別）

殆ど普及しておらず、具体的なイメージを保持している人は少ない状況にある。このため、CCS を実施する場

3-4 再生可能エネルギー利用技術

合は、誤解や過剰な不安・期待が生じないよう、慎重な

3-4-1

情報提供の戦略による理解向上が重要である。
東日本大震災後、原子力発電だけでなく、火力発電に

太陽光発電大量導入に対応する電力系統運
用技術

（8）
（9）
,

対する人々の意識に変化が見られた。火力発電の認知度に関わらず、今後の導入意向は「どちらともいえな

地球温暖化対策の一環として、2003 年から再生可能い」人が増え、賛否が分かれた（図 3-3-4-6）。加えて、エネルギー（再エネ）の導入が推進され、東日本大震

我が国の電源構成の現状に対する認知度も低く、現在、災以降、さらなる再エネの普及拡大を目的として 2012

原子力発電の割合が 0%、火力が約 90% であることを認

年に固定価格買取制度（FIT）が導入された。これによ識している人は少ない。

り、太陽光発電（PV）の導入量が急増している。国で従って、火力発電への CCS 付加を議論する際、温暖化対策としての CCS の導入意義やリスク管理だけでなは 2030 年までに 6400 万 kW を導入し、電源構成として、7％を賄うことを目標においている。

く、我が国における電源構成の現状、火力発電の意義情

PV は気象条件に影響を受けやすく発電出力が不安定報に対する理解向上が必須である。再生可能エネルギーであるとともに、配電系統や送電系統に分散して連系技術に対する人々の受容性はいずれも高いため、温暖化される。これらにより、配電系統では電圧管理や事故対策技術としての選択肢の中での CCS の優先度や重要時復旧に影響を与える可能性がある。また、系統全体度、費用対効果など十分な説明が重要と考えられる。

で余剰電力が発生したり、需給・周波数調整力に影響を与える可能性がある。さらに、同期化力や慣性力をもたないパワーコンディショナーを介して連系される

EPBC Act (1999(1999 ))SDPWO Act (1974)

ため、系統事故時における系統の安定性に影響を与える可能性もある。

13

このため、将来にわたり、電力系統と調和の取れた円*

滑な導入を図って行くため、このような各種の問題を抑制・回避するための系統運用・制御技術について研究開発を行っている。
⑴ センサ情報による配電線の太陽光発電出力推定手法

10-40

1.5

:*

事故で配電線への供給が停止した場合、安全確保のた
図 3-3-4-5 日豪における EIA 手続きの比較

78

a. 配電線事故復旧への影響(7)

め PV も停止する。その後健全区間に送電するため供給平均は 10% であり、累積度数分布 90% 値で 22% となっ

し、他回線から融通すると、融通後、PV は直ぐには起た。PV 出力変動の比較的大きな日の例では、計測誤差

動しないため、大量連系している場合は過負荷や電圧低の影響が小さくなり、容量誤差率は平均で 7%、90% 値

下といった問題の生じるおそれがある。この問題を回避

で 13% と精度が向上した（図 3-4-1-2）。また、PV 力率するためには、配電線に連系した PV の出力をリアルタ

を 90 ～ 100% に変化させて確認した結果、容量誤差率

イムで推定・把握することが必要となる。

は PV 力率に依らず概ね一定となった。以上により、提案手法の妥当性を確認した。

b. センサ情報を利用した太陽光発電出力推定手法
現状で電力会社が取得可能な配電線センサ情報、および PV 力率情報を使用した区間単位でのリアルタイム
PV 出力推定手法を開発した（1）。
PV が連系した実配電線の実測データを分析した結果、①配電線から見た負荷の有効電力－無効電力（PQ）平
面上の動きは概ね直線状となる、②力率改善コンデンサ（SC）の入切の影響と考えられるもので、同一配電線において PQ 平面上での同直線は複数存在する場合がある
が、傾きは概ね一致する傾向にある、③ PV も力率一定

図 3-4-1-2

PV 出力推定例（PV 力率 90%）制御されていれば、PQ 平面で直線上を移動する、ことを確認した。以上の特性を勘案し、リアルタイム PV 出
力推定手法として、以下の方式を考案した。

⑵ 逆潮流を抑制する需要家機器運転方式
逆潮流に伴う電力系統への様々な影響を回避するため

負荷変動の有効電力成分に対する無効電力成分の比率の技術として、PV による需要家からの逆潮流値（もしは、SC 容量に依らず概ね一定となる特性に着目し、計くは PV 出力値）に制限がかかった場合に、需要家所有

測時刻毎に配電線センサから得られる潮流変動ベクトのヒートポンプ（HP）式給湯機や蓄電池などを運転し、ルを負荷変動ベクトルと PV 出力変動ベクトルに分解しPV の機会損失（出力抑制により失われる電力）を極力て、PV 出力変動の有効電力成分Δ PV を推定する（図低減させる需要家機器運転計画手法を開発した（2）。本手

3-4-1-1）。次いでこれらの推定値を計測時刻毎に積算し、法は、系統から送られてくる逆潮流制約情報、翌日のその積算値を最新の計測時刻での PV 出力値とする。

PV 出力や電力需要パターンの予測に基づき、需要家の利便性に影響を与えないことを条件に、各機器の翌日の運転計画を作成する。また、PV 出力、電力・給湯需要
各予測の不確実性に対応するため、統計的手法を取り入れて、それぞれ可能性のある複数の予測パターンを作成し、これにより利便性や電気料金に対する予測誤差の影
響を最小限に抑えている。
HP 式給湯機を用いた本手法の実証試験結果例を次ページの図 3-4-1-3 に示す。開発方式を太陽すると、HP式給湯機が日中に運転され、逆潮流制約条件（1.5kW）

図 3-4-1-1

ベクトル分解の概要（Δ P Δ Q 平面）

により本来損失となってしまう PV 出力電力の一部が有効利用されている。年間を通じて同様の逆潮流制約条件

考案した手法の精度を実測値との比較により検証したが与えられた場合、発電機会損失を 30％程度低減でき

結果、計測した 10 日間での容量誤差率（＝｜ PV 出力る見通しを得た。また、予測はずれに伴う利便性、電気推定値－ PV 出力実測値｜／ PV 定格容量× 100［%］）の料金への影響をさらに抑える蓄電池による予測誤差のリ

電中研レビュー No.56 ●

79

第３章

停止直前の PV 出力を含んだ配電線潮流を基に系統切替

アルタイム補償方式も開発し、実験とシミュレーション（3）

によりその有効性を検証した 。

分に分割し、既存電源には追従可能な範囲の長周期の変動を分担させ、蓄電池には残りの短周期の変動を分担させる技術を開発・提案した（4）（図 3-4-1-4）。実証試験では、DG のみによる LFC 方式（A 方式）、応答速度の速い NaS のみによる LFC 方式（B 方式）、DG と NaS の第３章

協調 LFC 方式（提案方式）の 3 方式を対象に実系統において LFC 制御を行い、周波数変動抑制効果と蓄電池
所要容量を分析した。制御定数として、A 方式は可能な
限り周波数変動を抑制できる設定とし、B 方式と提案方(a) 需要家機器運転方式 無し

図 3-4-1-3(b) 需要家機器運転方式 有り

需要家機器運転方式の実証試験結果

・PV：4kW 級、HP 式給湯機：定格 1.5kW、貯湯槽：370L（沸きあげ：約 3 時間）

式では周波数変動の約 99.7%（3 σ相当値）が管理目標値である 60 ± 0.3Hz 以内に収まる範囲で NaS の所要容量が可能な限り小さくなる設定とした。
図 3-4-1-5 は、LFC の制御対象量（見かけの需要のう⑶ 系統周波数維持のための電力貯蔵活用技術

ち、数分～数十分程度の比較的周期の短い需要変動量）

a. 系統周波数維持に関わる課題に対する周波数変動、および DG や NaS の LFC 出力変PV の大量導入により、真の需要から PV 出力を除い動についての比較結果を示す。これにより、A 方式は、た見かけの需要は，昼間の PV 発電電力の急増により減

他の 2 方式に比べて周波数変動抑制効果が小さく、周波少するとともに日没後に急増する傾向となる。火力発電

数変動の 3 σ相当値を今回の試験での目標値である 60機は出力可能な上下限値が決まっているため、昼間の見± 0.3Hz 以内に抑制できないおそれがあることを確認しかけの需要が想定よりも低すぎると、発電機の安定運転た。一方、B 方式と提案方式は、試験期間中の最大のに支障が生じる可能性がある。このため、従来以上に、

LFC 制御対象量を想定しても周波数変動の 3 σ相当値

精度の高い需要予測と再エネ出力予測が重要となる。

を 60 ± 0.3Hz 以内に抑制でき、さらに、提案方式は B

また、PV の出力変動が需要の変動に重畳し変動量が増方式よりも NaS の LFC 出力変動の 3 σ相当値が小さく、大することにより、既存の火力発電機等による負荷周波

周波数変動の抑制に必要な蓄電池容量を低減できること

数制御（LFC：瞬時瞬時の需給のアンバランス量を解消を明らかにした。

させる制御）では、系統周波数を適正範囲に維持出来な
くなるおそれがある。

本 LFC 方式は本土系統への展開も期待されるものである。なお、系統の既存電源の応答速度により蓄電池の所要容量が異なることを試験で確認しており、留意する

b. 電力貯蔵装置を活用した周波数変動抑制制御技術必要がある。

このような系統周波数の乱れを抑制するためには、既存の火力発電機だけでなく電力貯蔵装置を効果的に活用する方策が考えられる。これに関し当研究所では、沖縄電力が経済産業省の離島独立型系統新エネルギー事業により導入した PV4000kW と電力貯蔵装置としてナトリ
ウム硫黄電池（NaS）4000kW を併設した宮古島の実系
統（電源構成：ディーゼル発電（DG）、ガスタービン発電機（GT）、合計 80,000kW）を対象に、LFC に蓄電池を活用した効果等の実証試験を沖縄電力の協力を得て実施した。この中で、少ない蓄電池容量で高い周波数変動抑制効果が期待できる方式として、周波数変動を生じさせる需給アンバランス量の変動を長周期成分と短周期成80

図 3-4-1-4

既存電源と蓄電池を協調させた LFC 方式

た結果、信頼性が低いと判定された日に誤差が大きくなる傾向が見られ（図 3-4-1-7）、本指標が予測誤差の大きさを事前に推定する有益な付加情報となりうることを確認した。ただし、週間アンサンブル予報の時空間解像度が低く、目的によっては実務への活用が難しい。
(

図 3-4-1-5

B

LFC 実証試験結果（3 方式の比較）

発により時空間解像度が高い予測の信頼性指標の研究を進めている（8）。
気象庁
全球モデル
による予測
（水平解像度
約20km ）

⑷ 経済的な需給運用のための日射量予測技術
翌日の需給バランスを決める需給計画において、既存電源のコスト（燃料費や起動費）を抑えつつ、限りある
容量の蓄電池を有効活用するためには、PV 出力が不安定に変動する最大の要因である日射量を前日計画の段階で精度よく予測することが重要となる。日射量の予測のうち、翌日以降を対象としたやや長期の予測を高い精

気象庁の数値予報
データの受信
計算初期・境界条件の作成

特定の地点・エリアの48時間分の時系列（最下段が日射量）

予測計算の実施

度で行うには雲の複雑な動きを考慮することが重要となり、それに適した手法として数値気象モデルがある。

翌日21時までの予測結果を表示日射量分布（10,12,14時と日平均）

a. 数値気象モデルで日射量を予測する技術

図 3-4-1-6

これまでに、電力施設を雨、風、雪などによる気象
解像度は約100km信頼性指標

天気図

一日の日射量核とする「気象予測・解析システム（NuWFAS）
」
（図

0
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00

信頼性高

に夏季に予測誤差が大きく、改良の余地があることがわかった。そこで、日射量をより高い精度で予測でき

日射量

7月17日

1000

日射量

日の日射量予測に適用して精度検証を行ったところ、特7月18日

るように、日射変動の主因である雲の予測条件を改良

0

信頼性中

した結果、夏季の日射量の予測誤差を約 20％低下させることができた 。さらに、雲の凝結に関わる物理モデ
ルを詳細に改良し、夏季に日射量が実際よりも非常に大きく予測された日の予測精度が大きく改善された（6）。
b. 予測結果の信頼性を評価する技術
気象を完全に予測することは非常に困難であるため、

1000

日射量

（5）

予測
観測

3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00

3-4-1-6）を開発した。この NuWFAS を関東地方の翌

1000

7月19日

0

信頼性低
天気図の出展：気象庁

信頼性高

3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00

災害から守ることを目的として、数値気象モデルを中

NuWFAS による日射量予測の概要

信頼性低図 3-4-1-7 日射量の信頼性を評価した事例
・7
 月 19 日は、気圧配置が複雑、台風の接近 、および台風の進路が不確実であり、信頼性が低いと判定。

予測精度を向上させる取り組みに加えて、日々の予測
結果の信頼性に関する情報を事前に把握する手法を考（7）⑸ 基幹系統事故に対する系統セキュリティ評価

案した 。この手法は、気象庁の週間アンサンブル予報

現在、再エネ導入可能量は平常時の需給バランスのみで得られた雲量の予測結果のバラツキの程度をもとに、を考慮して決定されているが、多くの大規模停電は、落日々の日射量予測結果の信頼性指標を算出する。この雷などにより基幹系統の送電線が一時的に使えなくなっ

信頼性指標と、NuWFAS の日射量予測誤差とを比較した場合に発生している。このため、再エネ大量導入が基

電中研レビュー No.56 ●

81

第３章

そこで、NuWFAS を用いた領域アンサンブル予測の開幹系統事故時の電力系統の安定性（周波数、電圧、系統

図 3-4-1-8 中の遮断器 CB1 を開放させた場合の、発安定度など）に与える影響の評価、および安定性を保つ

電機 1 が安定に送電できる電力（限界送電電力）は、発ための対策の開発が早急な課題となっている。

電機 1 と発電機 2 が連系された場合は 84kW であるが、第３章

電力系統を安定に運用するために必要な条件として、発電機 2 と同出力の PV が導入されると約 2/3 の 55kW①周波数を一定に保つ、②電圧を一定に保つ、③系統安まで低下する結果となり（図 3-4-1-9）。系統安定度が低定度を維持する、の 3 つが挙げられる。基幹系統の事故

下することが示された。

時にこれらの 3 条件を保つことを「系統セキュリティ」と言う。この系統セキュリティは、主に電力系統に並列されている大容量発電機によって維持されている。

b. 再エネ大量導入時の系統安定度への基本的影響（9）再エネ大量導入が基幹系統の安定度に及ぼす影響は、発電機や再エネの運転状態、導入地点などの系統条件に

a. 系統安定度への影響に関わる実験検証

よって大きく異なるため、その影響把握が困難となって従来の大容量発電機と異なる PV が大量導入された場いる。そのため、これまでの実系統データを用いた解析合の系統事故時の安定度への基本的影響を当研究所の大結果から得た知見を活用し、再エネ大量導入時の個々の形アナログシミュレータである電力系統シミュレータを系統条件が系統安定度に及ぼす基本的な影響を図 3-4-1-

用いて検証した（図 3-4-1-8）。

10 の通り整理し取りまとめた。系統安定度への影響は、
系統事発電機の運転状態、再エネ導入地点の偏在性などの条件により種々異なるものとなり、向上することも低下することも起こりえることを示した。

図 3-4-1-8 発
 電機を PV に置き換えた場合の系統安定度への影響を検証するための実験系統

図 3-4-1-10

 エネ大量導入時の系統安定度への基本的な再影響の評価結果

再エネ大量導入時の定常時のみならず、落雷などによる系統事故発生時に基幹系統の安定性を保つため、以下の種々の対策が検討されている。
① ‌電力系統に連系する大容量火力発電機の台数の確保（周波数・電圧・系統安定度の維持に貢献）② ‌無 効 電 力 の 供 給・ 消 費 が 可 能 な 電 圧 制 御 機 器（STATCOM、
SVC など）の設置（電圧の維持に貢献）

2015

図 3-4-1-982

 統の中間母線接続の発電機 2 と下位系接続
系の PV 用 PCS の置き換えによる系統安定度への影響比較③ ‌蓄電池の設置（周波数の維持に貢献）④ ‌再エネによる系統事故時の運転継続および事故除去
後の速やかな有効・無効電力制御（周波数・電圧の維持に貢献）当研究所では、電力系統シミュレータを用いた実験および PV 用 PCS 数値計算モデルを用いた計算機シミュ
レーションにより得られた研究成果を活用して、上記の各種対策の組み合わせを含め、経済的で現実的な対策を第３章検討する予定である。

電中研レビュー No.56 ●83

コラム 8：太陽光発電量予測技術⑴ 加速する太陽光発電システムの普及
この 10 年で太陽光発電業界を取り巻く環境は大きく変わった。2004 年の太陽光発電システムの世

しかし、これらの高効率化技術の実使用時の安定性は不明であり、中長期的な性能低下に与える影響を明らかにすることが重要である。

界全体での年間導入量は 1GW だったが、2014 年は第３章

38.7GW であり、10 年で約 40 倍に拡大した。世界⑶ 赤城試験センターでのモジュール信頼性評価

における累積導入量は 177GW と推定されており、当研究所では、赤城試験センターにおいて、太陽世界における電力需要の 1% を太陽光発電システム

電池モジュールの実使用状態での発電性能データをが供給していることになる。

収集している（図 1）。併せて、各種の日射・気象デー

地域別の導入量にも大きな変化が起こった。2011

タも収集して、設置環境が太陽電池の性能低下に与年 に 22GW 導 入 さ れ て い た ヨ ー ロ ッ パ に お け る

える影響の分析を可能にしている。これらの設備は2014 年の年間導入量は 7GW であった。一方、20142010 年 8 月よりデータ収集を開始し、高効率太陽

年に導入量が多かったのは、中国、日本、アメリ

電池を含めた国内外の代表的な太陽電池モジュールカである。この三カ国だけで導入量のおよそ 27GWの市販品の設置を進め、国内でも有数な屋外評価サ（70%）を占めており、日本の導入量の急増は世界イトになっている。

的に見ても顕著である。

今後とも、高効率太陽電池を始めとする太陽電池

日本において短期間に大量に電力系統に連系されモジュールの発電性能と長期信頼性の評価を継続たこれらの太陽光発電システムは、性能低下が同時し、電力系統に大量連系された太陽光発電システム期に顕著になることが予想され、電力系統の運用にの性能低下特性を明らかにして、中長期的に電力の大きな影響を与えることが懸念される。

系統運用に貢献していく予定である。

⑵ 高効率化する太陽電池モジュール
2010 年頃に販売されていた太陽電池モジュールに使用されている太陽電池セルは、p 型シリコンを基板に用いたセルがほとんどであった。モジュール変
換効率は多くのモジュールメーカで差が無く、単結晶太陽電池モジュールの変換効率は約 15%、多結晶太陽電池モジュールの変換効率は約 14% であった。
しかし、2015 年の変換効率は、n 型シリコン基板（a）日射・気象観測とモジュール単体の評価を採用している SunPower 社のバックコンタクト太
陽電池モジュールで 20.1%、Panasonic 社のヘテロ接合型太陽電池モジュールで 19.5% に達している。
さらに、p 型シリコン基板セルを採用した単結晶・多結晶太陽電池モジュールにおいても、太陽電池セルの表面に形成する光反射防止膜の改良、銀電極の細線化による電極の光遮蔽の低減、発電した電気の集電電極数の増加よる電流の収集効率の向上、セル
裏面の不活性化膜の形成による裏面の電流損失の低減など、様々な高効率化技術が用いられ、17% を超えるものが市販されるようになってきた。

84（b）系統連系された太陽光発電システムの評価

図1

赤城試験センターの屋外評価設備

3-4-2 風力発電−出力予測と有効利用に向けた課題−

および、新 NEDO 事業に基づく当所の開発計画の概要を示す。

風力発電は、温暖化抑制対策として、太陽光発電と並んで大量導入のポテンシャルを有しており、我が国の導入量は 2014 年現在で、300 万 kW 弱となっている（図つ電源であり、系統の安定性への影響が懸念される。

次ページの図 3-4-2-2 に、本システムの構成を示す。
①‌ 気象モデル
気象庁では一日に 03、09、15、21 時の 4 回の初期時

本節では、このような系統への影響を抑制するための、刻に対して、84 時間（21 時については 264 時間）先ま

風力発電出力予測システム、および蓄電池による出力変での全球数値予測を行っている。このデータは空間分解動低減技術について述べる。また、将来的に期待されて能 20km 程度であるが、これを受信して初期値・境界値

いる洋上風力発電の導入に向けた課題について示す。

,
を設定し、気象モデル NuWFAS（4）（5）を用いて、9km お

よび 3km の格子で順次領域を狭めて、日本付近のみを対象とした計算を行う（ダウンスケーリング）。
②‌ 局所風況予測モデル
NuWFAS の計算で得られた風の場を入力として、数値流体モデル NuWiCC（6） によりウィンドファーム内の風系を 100m 程度の格子で詳細に計算し、各風車位置における風速を得る。その際、風車の風上に別の風車がある場合その前面の風車による減速の影響を受けるため（風車後流、Wake）、過去の実験結果等に基づく Wake
図 3-4-2-1 日本の風力発電導入量（出典 : 風力発電協会）（1） 風力発電出力予測システム
風力発電は太陽光発電と同様、気象条件により発電出モデルを用いて補正も行う。
③‌ 統計モデル
過去における局所風況予測モデルの出力値と風車の観測データ（風速、発電出力）を用いて学習させた統計モ

力が大幅に変化する（自然変動性）。このような電源のデルにより、発電出力予測値を得る（7）。

占める割合が増えると、電力系統の安定性への影響が懸④‌ 稼働予測モデル

念される。そのため、気象予測や数理的な手法を用いて、各風車のモニタリングデータ（SCADA データ）に含風力の発電出力を予測し、その変動に対応した電力の需まれる発電出力の欠測、異常値、風速データの欠測、異給運用計画を立てることで系統の安定化をはかる研究が常値、不整合などの判定条件から、風車の現時点での稼

（1）
（2）
,

行われるようになった働状況を推定する。予測開始時の稼働状況がそのまま持。

当研究所では、欧州に比べて複雑な地形内に設置され続する扱いを、稼働予測とする。

ることの多い日本のウィンドファームの発電出力を的確⑤‌ ウィンドファーム発電出力予測に予測するためのシステム NuWFAS-WinP を開発した。

統計モデルによる発電予測出力結果と稼働予測の結果

次いで、2006 〜 2008 年度の NEDO 事業において、同に基づき風車毎の正味の発電出力予測を行い、それを合予測システムにおける発電量予測精度の定量評価や国内計することでウィンドファームの予測値を得る。

（3）

モデルとの相互比較を行った 。さらに 2014 年度からの 5 ヶ年計画で進めている新たな NEDO 事業において

b. 予測の評価結果

は、大きな予測誤差につながりやすい風力発電急変化現

次ページの図 3-4-2-3 に東北地方に設置されたウィ

象（ランプ）に対応するための高度化を目指して研究開

ンドファーム（サイト A）の合計発電出力の 1 時間毎発を行っている。

の予測値（赤点）と観測値（緑点）の比較例を示す。

本項目では、NuWFAS-WinP の概要とその評価結果、

NuWFAS は数時間スケールの速い出力変動成分を再現、

電中研レビュー No.56 ●

85

第３章

3-4-2-1）。一方で、太陽光発電と同様に自然変動性をも

a. NuWFAS-WinP 概要

局所風況モデルは風車毎の違いの表現によりより現実的

c. 今後の開発計画

な変化を再現、統計モデルはバイアスや誤差を打ち消す、

NuWFAS-WinP は、平均的予測誤差に関しては従来といったそれぞれ異なる特徴・役割をもつ各モデルを連の予測手法に比べて改善していることが示された。しか係させることで予測再現性の向上がなされている。

しその一方で、国内他機関の風力発電予測システム同様、

第３章

表 3-4-2-1 に、翌日予測（予測時間 18 〜 42 時間）の「大外し」と呼ばれる大きな誤差が稀に生じることが分

平均絶対誤差（MAE）とその改善率を示す。検証の対かっており、改善に向けた課題となっている。現在当研象としたのは、東北地方の A、B、H サイト、関東地方

究所では、大外しの原因の一つと考えられる発電出力急の J サイト、および九州地方の M サイトである。ここで、変化（ランプ）現象に着目し、振幅の誤差や発生時刻のMAE は総発電出力の定格出力に対する比を % 単位であ

誤差（位相誤差）を改善するため、
NuWFAS-WinP をベーらわした。また、改善率とは、現在の発電出力が今後もスシステムとして、以下を開発・改良を行っている。

そのまま継続するとする「持続モデル」を基準とした、① 領域アンサンブル手法

誤差の改善の程度を表すもので、下記の式で定義する。

当研究所では、予測の信頼区間を評価する目的で、
NuWFAS を用いた領域アンサンブル予測を開発してい

MAE
（本手法）
改善率 = 1 −MAE
（持続モデル）る（8）。アンサンブル予測とは、少しずつ異なる複数の初期値を用いて気象モデルにより、複数の結果を計算する

いずれのサイトも誤差は 20% 未満でありその平均はことである。アンサンブル予測の結果の広がり方、風力17% を下回る。また、改善率はいずれのサイトにおいて発電予測の信頼性情報を抽出する。

も 30% 以上で、その平均は 35% を上回る。

② 経験的手法の改良
統計モデルではポイントの風速のみを説明変数として

表 3-4-2-1

翌日予測のサイト別誤差（MAE、%）と改善率（%）

いたが、500 〜 1000km 程度の範囲の気象場を分類して、予測の説明変量として利用することで、予測精度の改善

サイト

A

B

H

J

M

平均

誤差

17

17

18

15

17

16.7

をはかる。また、発電出力の確率的予測や、ランプ現象

改善率

41

36

34

39

33

36.6

の発生確率予測なども行う。

図 3-4-2-2

86

NuWFAS-WinP の概要（フロー図）

GPV

気象庁 GPV

第３章

NuWFAS

NuWFAS

局所風況モデル

統計モデル

図 3-4-2-3‌
発電出力予測の比較。A
ウィンドファームの合計出力で、赤点は予測値、緑点は観測値を示す。上から順にそれぞれ、
気象庁 GPV、NuWFAS まで、局所風況モデルまで、統計モデルまでに基づく発電出力予測結果。

③ 局所風況モデルの改良が増すほど相関が低くなり、平滑化効果が高くなること

現状考慮されていない短い時間スケールの乱れの効果を示した（9）。また、
WF 内（2 地点間の離隔が数 km 以下）を考慮することで、強風時の安全対策としての風車停止

での平滑化効果は、変動周期 10 分以下の領域で見られ、（カットアウト）の発生確率の予測精度等を改善する。

周期 1 分以下では変動が独立で 1/④ ランプ現象の要因分析

則が成立するこ（9）とを明らかにした 。

長期再解析の高解像度（5km 格子）ダウンスケーリ
ングデータを用いて、ランプ現象の発生しやすい広域気象場の条件などを分析し、予測精度改善を図る。

b. ウィンドファーム出力安定化用蓄電池の制御法
風力発電の出力変動対策の一つとして、蓄電池による出力安定化が期待されている。出力安定化の方法には、（2） 風力発電を大量連系する際の技術課題と対策

出力変動を平滑化する短周期変動緩和型と一定出力にすa. 風力発電出力の変動特性分析

る長周期フラット運転型とがある。当所では、WF 出力

風力発電の出力変動が電力系統に及ぼす影響の評価のの短周期変動（変動周期 20 分以下）を WF に併設したためには、まずはその出力変動特性を明らかにする必要

蓄電池を用い平滑化する技術開発を行った（10）。次ペーがある。特に、多数基の風力発電出力の合計による出力

ジの図 3-4-2-4 にその概要を示す。同図の合成出力と蓄変動の平滑化効果については、影響を正確に評価する上

電池システム出力は、下式の合成出力目標値と蓄電池出で重要となる。このため当研究所では、風力発電機単位

力要求値に基づく。これを平滑化の基本制御と呼び、一やウィンドファーム（以下、WF）単位での出力変動特次遅れフィルタの時定数 T を平滑化時定数と呼んでいる。

性の分析に加え、出力変動の平滑化効果についても実測データに基づき分析を行ってきた。
例えば、NEDO 事業において北海道全域の 16 サイトに設置した約 30 本の観測ポストで風況観測を 1 年間実施し、風速の変動特性を分析した結果、2 地点間の離隔

O（s）=

1
G
（s）
1＋sT

（3 - 4 - 2 - 1）

=
H（s）
0

1
−sT
G
（s）− G
（s）=
G
（s）
1＋sT
1＋sT

（3 - 4 - 2 - 2）

電中研レビュー No.56 ●87P（s）= G（s）+ H（s）

表 3-4-2-2 シミュレーションケース

（3 - 4 - 2 - 3）

ここで、G（s）:WF 出力、O（s）: 合成出力目標値、T : 平

ケース

蓄電池システムの制御

蓄電池の定格 kWh 容量

Basic（1h）基本制御6,000kWh

滑化時定数、H（s）:
蓄電池出力要求値、H（s）: 蓄電池
0

Basic（10h）基本制御

60,000kWh

システム出力、P（s）: 合成出力

SOC-FB（1h）基本制御 + 容量 FB 制御

6,000kWh

第３章

(

)

(

G

)

WF

1

2005/03/15

図 3-4-2-5 シミュレーションで用いた WF 出力G
WF

図 3-4-2-4

蓄電池併設ウィンドファームの概念図

蓄電池システムの運用時に最も重要な要件の一つに、Basic(1h)Basic(1h)

蓄電池の充電レベルを運転可能な適正範囲に常に維持す
ることが挙げられる。もしも適正範囲を逸脱すると蓄電

Basic(10h)池の運用に支障をきたすので、充電レベルが適正範囲のBasic(10h)

限界に近付いた場合には運転を停止しなくはならない。
このため当研究所では、充電レベルを維持するための残存容量フィードバック制御（以下、容量 FB 制御）を基本制御に組み込むことを提案した。また、容量 FB 制御

SOC-FB(1h)
SOC-FB(1h)の動作原理及び制御パラメータについての理論検討を行い、実測の WF 出力を用いたシミュレーションより容量 FB 制御の有効性を検証した。
以下にシミュレーションについて概説する（10）。図3-4-2-5 の実測の WF 出力と、表 3-4-2-2 の三ケースの蓄電池システムのモデルを用い、WF 出力の平滑化を行った結果を図 3-4-2-6 に示す。なお、平滑化時定数は(a)（a）合成出力(a)

Basic(1h)6,000kWh

Basic(1h)6,000kWh

Basic(10h)60,000kWh

Basic(10h)60,000kWh

30 分とし、蓄電池システムの出力範囲はどのケースも± 6,000kW である。
容量 FB 制御を採用しない場合、定格 kWh 容量が小
さい Basic（1h）ケースでは、残存容量が適正範囲を逸脱し、蓄電池システムの運転が停止した。定格 kWh 容量が大きい Basic（10h）ケースでは、残存容量は適正

6,000kWh

SOC-FB(1h)
SOC-FB(1h)(b)

6,000kWh(b)（b）充電レベル範囲内だが徐々に低下した。一方、容量 FB 制御を採用

図 3-4-2-6 シミュレーション結果した SOC-FB（1h）ケースでは、定格 kWh 容量が小さ（注）REL: Remained Energy Level（残存容量）88

くても残存容量は適正範囲を常に維持できている。
WF 出力および三ケースの合成出力のパワースペクト
ルを図 3-4-2-7 に示す。同図より、容量 FB 制御を基本制御に組み込んでも、平滑化の対象領域である変動周期が約 30 分以下（千数百秒）の領域では、定格 kWh 容第３章

量が 10 倍の基本制御のケースと同等の平滑化性能を有(kW2)していることが分かる。
1.E+6
1.E+4

Basic(1h)Basic(10h)

1.E+2

1.E+0
1.E+0

図 3-4-2-7

図 3-4-2-8

各蓄電池 kW 容量での合成出力の最大出力変動幅

SOC-FB

1.E+1

1.E+2

1.E+3

1.E+4

1.E+5

WF 出力と合成出力のパワースペクトル

図 3-4-2-9 は平滑化時定数と蓄電池 kW 容量の各組合せに対する所要 kWh 容量を示す。所要 kWh 容量は一ヶ月内での充電レベルの最大値と最小値の差分の年間最大値とした。容量 FB 制御を採用したことにより、所要

c. ウィンドファーム出力安定化用の蓄電池の所要容量
蓄電池システムの設置には追加コストを要するため、kWh 容量を理論上の最大値よりも小さくすることができた。

併設する蓄電池の容量を最小限に留める必要がある。このため、蓄電池の所要容量についても検討を行った。
① 短周期変動緩和型蓄電池の所要容量（10）短周期変動緩和型の蓄電池の所要容量を得るため、6サイトの WF を対象にシミュレーション検討を行い、所期の平滑化性能を得るのに必要な蓄電池容量を見積もった。具体的には、1 年間分の WF 出力を用いて蓄電池システムの運用シミュレーションを行い、一ヶ月単位
で結果を分析した。なお、6 サイトの WF による結果の違いは、蓄電池の所要容量が取り得る範囲となる。

図 3-4-2-9

蓄電池の所要 kWh 容量の範囲

平滑化時定数を 30 分、60 分、120 分とした結果を図3-4-2-8 と図 3-4-2-9 に示す。なお、WF の定格出力を1pu、WF の定格出力で 1 時間分の電力量を 1puh としている。

② 長周期フラット運転型蓄電池の所要容量（11）長周期フラット運転型の蓄電池については、WF 出力の予測値を合成出力と仮定し、実際の WF 出力との差

図 3-4-2-8 は平滑化時定数と蓄電池の kW 容量の各組分を蓄電池で補償するための所要 kWh 容量を評価する

合せで得られた合成出力の変動の大きさを示す。同図で手法を提案した。具体的には、WF 出力の予測誤差の自は、変動の大きさの指標として、出力変動幅（時間窓 :20

己共分散関数を用いて評価した予測の累積誤差の標準偏分）の月間 99.7 パーセンタイル値の年間最大値（最大差をもとに、充電レベルの近似関数式を作成した。

出力変動幅）を用いた。同図から、所望の平滑化性能を得るための所要 kW 容量が分かる。

ドイツにおけるある送電系統運用者の制御エリア内の
総風力発電出力の予測誤差の統計的性質について分析を行った結果、出力予測の精度が比較的高い場合には、充電レベルの最大に近い変動量、すなわち所要 kWh 容量
は 9.6puh 程度、予測誤差が多少大きい場合の所要 kWh
容量は約 16.2puh と見込まれることを示した。

電中研レビュー No.56 ●89

d. 小規模離島における風力発電導入対策（12）慮せずに、風況等から理論的に算出されるエネルギー量

小規模離島を対象とした風力発電導入対策を目的としである。以下では、導入ポテンシャルや導入可能量に関て、風力発電による系統周波数変動への影響をフライホする考察から、わが国における洋上風力発電の課題につイール（以下、FW）で緩和するための FW の制御方式

いて述べる。

を、実測データを基に開発した。

図 3-4-2-10 は、2-2 節のコラム 4 で述べた気象・気候

第３章

小規模系統に風力発電を導入した場合の大きな特徴

データベースを基に、100m 高度での年平均風速を算定

は、風力導入比率が極めて高い値になりえること、風力した一例である。太平洋側の一部には 10m/s を超える発電が近接することにより、平滑化効果があまり見られ海域も見られるが、多くの海域では 8m/s 前後である。

ないこと、秒〜数十秒オーダの風力発電の出力変動が周

例えば北海の場合、年平均風速が 7 〜 8m/s の海域での波数変動に大きな影響を与えること、である。FW の有

風車設備利用率は約 28% であるが、9.5m/s の海域では無による違いをシミュレーションで検討した結果、FW

40% と大きく改善することが報告されている。このことが無い場合には風力発電出力の急上昇に伴い内燃力発電を考慮すると、わが国周辺海域は、必ずしも風況に恵ま機がモータリング運転を行わざるをえない場合があった

れているとは言えない。

が、風力発電出力の短周期成分の補償に特化した制御を

欧州の洋上風力発電所は、北海とバルト海に多く建設採用した FW により、周波数変動抑制以外に、内燃力されており、それぞれの海域の広さは約 75 万 km2、38発電機のモータリングの阻止にも貢献でき、高い風力導

万 km2、平均水深は約 90m、55m と非常に浅い。一方、入比率を達成できることを示した。

日本海の面積（約 100 万 km2）は、北海とバルト海を合わせた面積に匹敵するが、平均水深は約 1700m と深（3） 洋上風力導入に向けての課題

く、ほとんどの海域が水深 200m 以上の開発不能海域で2014 年現在、世界の洋上風力設備容量は 8GW を超えある。太平洋側でも建設可能な地域は沿岸部に限られる。

ており、大規模な開発が続く欧州では、毎年 1GW 程度

更に太平洋側では、波浪にうねり成分が多く含まれるたが新設されている。欧州風力エネルギー協会（EWEA）

め、建設や維持管理のコストが増加する。

では、2020 年までに 19.5 〜 27.8GW を導入目標として導入ポテンシャルに関係する法規制にも課題がある。

おり、これは欧州の電力需要の 2.4 〜 3.5% に相当する。

わが国の海には「区域指定海域」と「一般海域」があり、一方、わが国の場合、陸側からアクセス可能な防波

前者は様々な法律により管理者が定まっており、その者

堤・護岸の前面海域に小規模な発電所が建設されてきた。

が海域の使用に対する許可を与えることになっている。

2014 年度、わが国の FIT に洋上風力の区分が新設され、一方、後者は、誰が海域を管理し、誰の許しを得れば海洋上風力は「建設及び運転保守のいずれの場合にも船舶域を使用できるのかということが明確になっていない。

等によるアクセスを必要とするもの」と定義された。一沖合だけでなく、陸地に近い海域にも一般海域は存在す

部の実証研究用発電風車を除き、FIT に適合するようなるため、漁業権等を巡る利害調整などについて困難な事

本格的な洋上風力発電所は、わが国ではまだ事業化され態が発生することも予想される。洋上風力の推進には、ておらず、計画段階のものが 2、3 ヶ所あるのみである。

海の管理に関する制度の整備が不可欠である。

（13）
（14）
,

環境省

（15）

では風力エネルギーのわが国の場合、実証研究用発電風車の建設事例や「賦存量」、「導入ポテンシャル」、「導入可能量」をそれフィージビリティ研究による経済性の試算しかないた

ぞれ調査している。導入ポテンシャルとは、「自然要因

め、経済性を考慮した導入可能量の評価は難しい。英や法規制による制約を受ける開発不能地域を除いて算出

国の洋上風力発電所の場合、資本費に占める工事費のしたエネルギー量」と定義され、自然要因の導入不可条

割合は 26% 程度であるが、わが国の試算結果では 50 〜

件として、風速 6.5m/s 以下、水深 200m 以上、離岸距60%、発電所規模が大きな場合でも 40% 程度と大きい。

離 30km 以上が用いられる。導入可能量とは「経済性を欧州の場合、洋上風車設置のための設置船やアクセス考慮して、導入ポテンシャルから絞り込んだエネルギー船が多数あり、大型風車の荷役が可能な港湾インフラも量」である。一方、賦存量とは、上記のような制約を考整備されている。これらは、北海でのオフショア石油・90

や経済産業省ガス事業をベースに、長年かけて整備されてきたインフている（1）。

ラを活用・転用したものであり、コスト低減に寄与してわが国では岩手県の松川地熱発電所が 1966 年に運転いる。いずれにしても、工事費の削減がわが国での事業が開始されたのをはじめ、1970 年代には国の大規模プ

成立性のポイントとなる。

ロジェクトであるサンシャイン計画で研究開発が進められ、当時の新エネルギー総合開発機構（旧 NEDO）の開発リスク低減のための地熱開発促進調査や、将来の地熱開発技術としての高温岩体発電技術、大規模深部地熱資源開発、可採量増大技術、バイナリー発電技術など国を挙げて開発が進められた（2）。その結果、1996
年には国内の地熱発電設備容量が 500 MW を超えるに至った。しかし、その後 1997 年の「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法（新エネ法）」で新エネ
ルギーの枠から地熱が外されたり、2003 年の「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（RPS 法）」では対象がバイナリー発電に限られるなど、国の地熱開発への支援が低下した。また、景気の低迷
や石油需給の安定により発電コストが重視されたこともあり、民間企業の投資も進まず 1990 年代後半から2000 年代は地熱開発が停滞した。その上、既設発電設

図 3-4-2-10 高度 100m での年平均風速（1989 〜 2010 年）

備の老朽化や蒸気生産量の減衰などもあり、1997 年をピークに年間の発電電力量は低下している（次ページ（3）の図 3-4-3-1 参照）。さらに、2010 年の行政事業レビュー

3-4-3 地熱発電

では地熱開発促進調査と地熱発電開発補助金が「廃止または抜本的見直し」とされた。

（1） 地熱開発の動向

ところが、2000 年代後半になって、地球温暖化対策

地熱発電は 1913 年に世界で初めてイタリアのラルデとして再生可能エネルギーの開発が注目されるようにレロで発電所が建設されて以来、世界各国で発電所の建なった。特に米国では 2006 年にマサチューセッツ工科

設が進められた。特に 1970 年代の 2 度にわたる石油危大学（MIT）の J. Tester 教授が中心となってまとめた

機により国産エネルギー開発および自然エネルギー開発（4）「The Future of Geothermal Energy」
が米国議会など

として地熱開発も注目され、米国はじめニュージーラン

で関心を集め、2009 年にはオバマ政権が US$300M の予ドや日本で積極的に開発が進められた。米国では 1990

算を地熱開発に付け、再び地熱開発が進められるように

年代初めには 3GW 程度までの発電所が建設され、将来なった。ネバダ州では地下 500 〜 1,000m 程度に大量のの大規模地熱開発として高温岩体発電技術やマグマ発電

熱水が流れていることがわかり、これをポンプでくみ上技術の研究開発も進められた。しかし、1990 年代後半

げてバイナリー方式による大規模な発電所の建設が進めから石油価格の安定化や景気の低迷などにより、地熱られた。また、既存地熱発電所では The Geysers（カリ開発も低迷した。一方、アイスランド、インドネシア、

フォルニア州ガイザース地熱発電所）において上記の生

フィリピン、メキシコなどでは 1990 年代に急速に地熱産量が減衰する現象が顕著となり、この対策として貯留開発が進み、1995 年から 2010 年にインドネシアでは層に地表から水を補充するためのプロジェクトが後述す

887MW、フィリピンでは 677MW の地熱発電所が建設

る EGS として進められるようになった（5）。

され、2015 年の世界全体の設備容量は約 12.6GW となっ

一方、ヨーロッパでもイタリアやアイスランドのよう

電中研レビュー No.56 ●

91

第３章

を実施主体として国内の地熱資源調査をはじめ、企業

に火山に起因した天然の地熱貯留層を利用した発電所に民への開発に対する理解を促進することを目的として行

限らず、ドイツやフランスあるいはオーストラリアのよう事業に対する補助のため 28 億円が付けられている。

うに高温岩体発電技術や EGS 技術により、高温の岩盤

さらに、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術からの熱抽出による発電所の建設が進められている。

総合開発機構（NEDO）の事業の内、地下開発に関わる補助金、出資金、債務保証、技術開発は、石油天然ガス・して再生可能エネルギー開発への関心が高まり、RPS

金属鉱物資源機構（JOGMEC）に移り、NEDO は地上法の見直しも進められた結果、「電気事業者による再生設備などを担当することになったが、最近では新たな技

可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法（FIT）」

術開発などイノベーション事業として NEDO より研究が 2011 年 8 月に成立し、2012 年 7 月から実施された。

開発の公募がなされている（2）。

FIT において地熱発電は、15 MW 以上の調達価格は 1

一方、環境省では地球環境局地球温暖化対策課によkWh 当たり 27.3 円で、15 MW 未満は同 42 円（いずれり、2010 年度に再生可能エネルギーの導入ポテンシャ

も税込みで調達期間は 15 年間）と高い価格が設定されル評価が行われ、その後もその精度を高める検討が行わた。

れている。また、「地球温暖化対策技術開発等事業（競また、2011 年 3 月の東日本大震災とこれによる福島

争的資金）」では、温泉発電などの開発事業を行ってい第一原子力発電所の事故により、エネルギー政策の見直る。自然環境局では 2012 年に都道府県知事への通知のしが行われた結果、国の地熱開発関連の予算も 2011 年

中で、国立・国定公園内における地熱開発の取り扱いと度の 4.89 億円から 2012 年度は 90.5 億円（出資、債務保して、第 2 種及び第 3 種特別地域については原則として（2）

証は含まず）と一気に増え 、2015 年度の経済産業省

地熱開発を認めないが、地熱開発の行為が小規模で風致の資源・エネルギー関係の予算は総額 167 億円となって景観等への影響が小さいものや既存の温泉水を用いるバいる。特に注目されるのは、地熱開発理解促進関連事業

イナリー発電などで、主として地域のエネルギーの地産支援補助金として、地熱の有効利用などを通じて地域住地消のために計画されるもの等については、普通地域、

							

							

4000

1000
900
							800700							600							500400							300							200100							0							

							3500							

認可設備容量（MW）

3000							2500							20001500							1000							500							

10

08

20

20

04

06

20

02

20

00

20

20

96
98
19

94

19

92

							

19

19

86

19

84

19

82

19

80

19

78

19

76

19

74

19

19

70
72
19

68

19

66

19

19

							

88900							

19

年間発電電力量（GWh）

							

200							

							

180							160140							120							10080							60							4020							0														

予算（億円）

RPS							

							

12

14

10

08

06

04

02

00

98

96

94

92

20

20

20

20

20

20

20

20

19

19

							1990							

19

19

88

							

86

19

19

19

19

19

							19							

19

84

82

80

78

76

74

							19第３章

我が国においても、2010 年頃から地球温暖化対策と

図 3-4-3-1 我が国の地熱発電認可設備容量と発電電力量（上図）、国の地熱関連予算の推移（下図）														

92

や観光資源としての役割など地域活性化も期待されていや公園利用への支障がないものは認めるとした。そして、る。むしろ FIT 収益や地域活性化への期待が過剰に高2015 年 7 月には第 1 種特別地域の地下へも傾斜堀などい地域や、温泉地に複数の開発事業者が参入して既存温でのアクセスを認めることになった。さらに、自然環境

泉井との相互干渉や利害調整が懸念される地域もある。

局は 2012 年に「温泉資源の保護に関するガイドライン

地熱発電事業に詳しくない温泉事業者や企業の開発事例（地熱発電関係）」を出し、坑井掘削申請に対する温泉審も増加中のため、JOGMEC ではガイドラインを策定し、議会での検討の目安を示し、構造試錐井や還元井の掘削

地域と共生した発電事業を推進している（9）。また、乱開は温泉審議会での許可を不要とした。

発を懸念して複数の自治体が条例や要綱を制定し慎重な業界としては、2012 年 12 月に日本地熱協会が発足し、開発を求めている。深度の浅い温泉井を用いる場合、還①地熱発電全般に関する調査研究、②政府その他関係機元井を設けない場合が多く、環境アセスメントも必要な関に対する提言と陳情、③地熱発電全般に係る会員相互いため、地下資源の収支バランスを崩さないことや周辺の情報交換、④地熱発電に対する理解の促進と広報、を

環境への配慮が一層重要である。地元の期待が大きいだ

主たる事業としている。このような背景のもと、新たなけに、今後、失敗・中止事例が増えれば受容性にも影響

地熱開発が各地で進められており、2015 年に大分県九を及ぼしかねないため、開発には重々留意が必要である。

重町で 5 MW のバイナリー発電所が運転を開始し、秋一方、大規模（1.5 万 kW 以上）の場合、発電事業者

田県湯沢市では 42 MW の地熱発電所が 2019 年の運転

は主に電力会社や大企業である。既設発電所では、自治開始を目指して建設が進められている。

体や温泉事業と地域共生実績があるものの、周辺環境のまた、温泉水などを利用した数 kW から数百 kW の影響を懸念する一部の温泉事業者、自然保護団体、自治

小規模なバイナリー発電を利用した小規模地熱開発は、体等の反対により計画通りに進んでいない事例も複数発電所の建設期間も短く FIT 価格も高いことから、温存在する。受容性が低い要因は複数あるが（次ページ

泉事業者をはじめいろいろな企業により開発が進められの図 3-4-3-3）、温泉に悪影響が起きた場合の可逆性や将（6）ている 。国内のメーカー各社も工場の廃熱利用などの来的な温泉影響の不確実性に対する懸念・不安が大きい

目的からバイナリー発電の機器開発を進め、10 kW か

（10）
（11）
,

ら数千 kW までの各種発電機が開発されている。なお、だけでなく、万一、温泉や自然環境に影響があった場合

300 kW 以下の小規模地熱発電については、ボイラー・に備えたリスク対策オプション（低減・回避・保険等）、

タービン主任技術者の専任の規制緩和により、発電コス

地熱開発の意義や地域便益についても予め十分協議する

トの削減が図られている。

ことが重要である。

。従って、リスク評価結果など科学的な情報共有

一方、開発規模に関わらず、井戸の掘削手続きは温泉（2） 地熱発電の社会的受容性法に従うため、都道府県知事の許認可が必要である。地地熱発電の普及拡大には、利害関係者の理解や協力が熱発電開発に係る国の補助金を得る際にも自治体の賛重要であり、社会的受容性が大きな影響を及ぼす。これ

成・協力が必要条件にある。自治体にとっても温泉は重までの調査結果から、地熱発電に対する受容性は、開発

要な観光資源であるため、地熱資源ポテンシャルが高く

規模により異なることを明らかにしてきた（次ページのても自治体が反対すれば開発は進まず、資源量と受容性

図 3-4-3-2）。

は相関関係にない。開発事業者と地元関係者との対話の小規模（概ね 2 千 kW 以下）の場合、受容性は比較的（7）

場の設置は自治事務の範疇とされており、地熱開発の意

高い 。地元の温泉事業者や自治体が発電事業者になれ

思決定には自治体の受容性や協力が鍵となる。当研究所

ば FIT 収益を享受でき、新規掘削がなければ投資回収

にて地熱エネルギー利用に対する全国自治体の意識を調も短く、省エネ・経費削減効果もあるためである。一方、査した結果（12）、新たな温泉や地熱発電所の開発に対し発電だけでは経済性の確保が難しい場合も多い（8）。このては賛否両論であった。推進派も反対派と同様に温泉にため、発電後の熱水利用（浴用、プール、農水産業、暖対する懸念はあったが、反対派に比べ地熱発電の特性を房、融雪、木材乾燥、足湯、調理等）による事業性向上

高く評価していた。従って、立地地域の具体的な便益や電中研レビュー No.56 ●

93

第３章

第 2 種及び第 3 種特別地域においても、自然環境の保全

成功事例等の情報提供による理解促進が重要と考えられと蒸気や熱水の生産量がバランスすれば、気象の変化にる。経産省では 2014 年度から「自治体連絡会議」を設

影響されず安定した出力の発電ができる。しかし、地下置しているため、今後の情報共有・交換の推進が期待さ

深部の貯留層の探査は容易でないため探査リスクが大きれる。

く、蒸気を取り出すための坑井掘削も 1 本で数億円掛か

第３章

一般市民に関しては、東日本大震災前と比べて地熱発ることから開発コストも大きい。また、地域によっては電に対する認知度や受容性は増加傾向にあるが、技術特

熱水や蒸気に含まれる化学成分により、坑井や配管など

（13）
（14）
,

性等の情報を得る機会が十分ではない。温泉事業の腐食およびスケールによる目詰まりによるトラブルが者や自治体にとって、温泉利用客は最も重要な顧客であ生じたり、貯留層内への天然の熱水供給量と蒸気生産量る。また、今後地熱発電と温泉事業との地域共生を目指のバランスが取れずに蒸気の生産が減り、発電量が減衰

す上で観光客増加による地域活性化は重要である。一般

したりする場合もある。

市民を対象としたアンケート調査の結果、温泉顧客層

近年、①蒸気の生産量が減り発電量が低下した発電所（旅行先として温泉を好む層）の方がそうでない顧客層

において人為的に貯留層に水を供給したり、②透水性がよりも地熱発電に対する受容性は高い傾向にあったため低く蒸気の生産性が悪い貯留層の周辺に人為的に亀裂を

（13）
（14）
,

造成して透水性を改善させたり、さらには③人為的に貯認知度を更に高める工夫が望まれる。

留層を造成したりすることにより、地熱開発のリスク低、温泉客などを対象とした効果的な情報提供など、

以上のように、地域の価値観・懸念等も含め、十分に減および開発規模の拡大を図る試みがなされている。こ

情報や意見を交換しながら継続的に関係者間の相互理解

れは、石油開発において生産が低下した貯留層に水蒸気と信頼関係を向上していくことが重要である。地域の地や二酸化炭素を注入して石油を増産させる石油増進回収

熱資源の有効活用という点から、発電だけでなく熱の直（EOR: Enhance Oil Recovery、以下、EOR）と同様な概接利用も鑑み、資源量と地域事情に見合った持続可能な念であることから、地熱増産システム（EGS: Enhance

事業戦略を考え、成功事例を増やしていく必要がある。

Geothermal System、以下、EGS）と呼ばれている（1）。
ここでは、EGS を 3 つのタイプに分けて開発の現状と技術的な課題について、適用事例も含めて概説する（15）。
a. 貯留層涵養 EGS
米国カリフォルニア州のガイザース地熱発電所では1987 年までに約 2,000 MW の設備が建設され、約 1,500

3-4-3-2(7)（7）

MW の発電が行われていたが、その後蒸気の生産量が

図 3-4-3-2 地熱発電開発の各障壁に関する規模別の相違点‌3-4-3-2

減衰し、1990 年には 900 MW 程度まで発電量が低下し(7)た。この原因について検討した結果、貯留層内の温度や蒸気の乾き度が増加したほか、熱水の酸性化が生じたり
3-4-3-3
3-4-3-3

図 3-4-3-3

(10)

(10)

‌地熱発電開発に対する温泉事業者の受容性規定要因（10）（3）地熱増産システム（EGS）技術していることから、貯留層内の熱水量の減少によるものと判断された。そこで、地表から貯留層に水を注入し、貯留層内の熱水量を補充（涵養）するプロジェクトが米
国エネルギー省（DOE）の補助も受けて EGS として進められている。貯留層へ注入する水は発電所近傍の都市

従来の地熱発電では、断層や破砕帯など天然の亀裂をの排水で、約 60 km パイプラインで輸送して 1 日あた

通して地下 1,000 m 〜 3,000 m に浸透した雨水が、マグり約 5 万トンを注入することにより、蒸気生産量の低下

マの熱で加熱され熱水や蒸気のたまり場（貯留層）としが収まりつつある。また、地表水の注入により地下の溶て存在する、いわゆる熱水系地熱資源を開発の対象と存成分の濃度低下も認められ , 酸性化による生産域の減している。この雨水を起源とする熱水の貯留層への供給少対策にも効果が期待されている。この貯留層への水の94

注入の概念を図 3-4-3-4 に示す（5）。このように天然の貯ではこの方法によりランダウ、ウンテルハヒン、インス

留層内の熱水量を人為的に涵養する技術を、ここでは貯ハイムなどでそれぞれ 3 MW、3.36 MW、5 MW の発電

留層涵養 EGS と呼ぶ。イタリアのラルデレロ地熱発電所が運転されている（15）。また、オーストラリアのクー所でも生産蒸気量の減衰対策にこの技術が適用され、効パーベイズンでもこの方法により深さ 4,400 m 級の坑井

（16）果が認められている。また、わが国においても、こ（17）で開始された

この技術では、天然亀裂の透水性を高めるために効果的な水圧破砕などの亀裂拡大、亀裂の進展状況を精度良。

この技術では、貯留層内外の熱水の流動状況を精度良く把握して、注水箇所および流量を設計する必要があり、く把握するための AE 観測などの亀裂評価、透水性改善
効果の評価などの技術の確立が課題である。

注水の仕方を誤ると貯留層や生産蒸気が急速に冷えてしまう危険がある。貯留層を貫く坑井の検層による物性値
評価、坑井間の透水試験やトレーサ試験結果に基づく貯留層のモデル化、数値シミュレーションによる現状評価と注水した場合の予測技術などの確立が課題である。

図 3-4-3-5

透水性改善 EGS の概念

c. 貯留層造成 EGS
米国オレゴン州のニューベリーでは、火山近傍において高温ではあるが透水性が低く、熱水や蒸気が存在しな
図 3-4-3-4

貯留層涵養 EGS の概念

い岩体からの熱抽出を EGS プロジェクトとして、米国
DOE の補助を受けて開発を進めている（21）。この技術を

b. 透水性改善 EGS

ここでは貯留層造成 EGS と呼び、その概念を次ページのフランスのライン川沿いにあるソルツでは、地下 5,000

図 3-4-3-6 に示す。これは従来高温岩体発電（HDR: Hot

m 程度で約 200℃の岩盤内にある既存の亀裂を人為的にDry Rock）と呼ばれた技術と同様の概念である。温度は拡大させて岩盤の透水性を高め、生産井内に設置したポ高いが天然の開口亀裂や熱水がほとんどない結晶質の岩ンプで熱水を汲み上げて発電を行い、発電後の水は別の盤（高温岩体）に注入井を掘削し、この坑井から水圧破坑井（注入井）で地下に戻すシステムの構築を EGS と砕などにより人工的に貯留層を造成する。この貯留層をして実施している（18）。また、米国コソ地熱発電所では、貫くように生産井を掘削すれば、地表から貯留層に圧入

既存の貯留層より深部の岩盤に亀裂を造成し、貯留層をした水が、岩盤の熱で加熱され蒸気や熱水となって生産

（19）

。このよう

井から回収され、水の循環による熱抽出のシステムがでに貯留層の内外の岩盤の透水性を改善させることによきる。米国のニューメキシコ州フェントンヒルなどでもり、蒸気や熱水の生産量を増大させる技術を、ここではこの方法により熱抽出が可能なことが示されている（22）。

透水性改善 EGS と呼び、その概念を図 3-4-3-5 に示す。

この技術では、大規模な貯留層を造るための多段貯留

図中の黄色の亀裂が新たに造成したものである。ドイツ

層造成、水の循環中の貯留層の広がりや透水性の変化、拡大させる試みも EGS として実施された

電中研レビュー No.56 ●

95

第３章

の実証実験が 2014 年度より福島県柳津西山地熱発電所

を用いて 1 MW の発電実験が行われた（20）。

10 年〜 20 年程度の長期にわたる熱抽出の安定性の確保、建設・維持コストの低減が課題となっている。

a. 地熱発電の課題
一般的な地熱発電では、貯留層より汲み出した地熱蒸第３章

最近、我が国では地熱開発が安定した発電が可能な再気をタービンにて仕事をさせ、電気出力を得る。地熱蒸

生可能エネルギーとして、FIT をはじめ国の支援を得て

気は日本国内においては概ね 0.5MPa 前後の飽和蒸気で開発が進められているが、地下深部の評価は依然容易であるため、地熱発電では高い熱効率は望めず、汽力発なく、そのための開発リスクやコストが大きい。これら

電の熱効率（タービン効率）が約 46% であるのに対し、を低減するため、上述したように天然の貯留層に人為的

地熱発電の熱効率は 17% 程度（注 1） と効率の低いシステに水を注入したり亀裂を造成したりすることにより開発ムとなっている。また、地熱発電システムのタービンはの不確実性を低減させるための技術開発が進められてい

飽和蒸気タービンであることから、タービン入口のノズる。これらの技術の確立により、地熱開発のリスクやコル部において、特にシリカスケールの析出が、タービンストの低減がはかれ、今後 FIT が見直されても地熱開後段においては湿り度が増加し、水滴が発生することに発が進むことを期待したい。

よるエロージョンが大きな問題となる。近年では、地熱井の探査技術や掘削技術などが発達したため、比較的深部にある地熱資源が開発されるようになり、地熱蒸気圧
力が 2MPa 程度まで増加する傾向にある。タービン入口の蒸気圧力が上昇すると、タービン最終段における湿り
度は益々増加し、前述のエロージョンは益々厳しいものとなるため、ドレンポケットやエロージョンシールドなどの対策を強化する必要がある。
注 1）蒸 気井より 0.5MPa 飽和蒸気のみが生産されるものとし、
タービン断熱効率は 80%、真空度は 700mmHg（冬期）と仮定した場合における熱効率。ここで、熱効率は以下の式で定義した。

熱効率（発電効率）= 発電端出力 / 地熱蒸気の総熱量
図 3-4-3-6

貯留層造成 EGS の概念

b. ハイブリッド熱源地熱発電システム（4） ハイブリッド熱源地熱発電技術

（23）
（24）
,

本事業で技術開発するハイブリッド熱源高効率発電シ

本技術は、NEDO との共同研究事業として開発を進

ステムは、地熱エネルギーと、バイオマスを始めとする他の未利用エネルギーとを効果的に組み合わせることにめている。
NEDO では、2011 年の東日本大震災以降、再生可能

よって、従来の地熱発電システム以上の高効率化を期待

エネルギー導入拡大が望まれる中、世界第 3 位となる地するものである（図 3-4-3-7）。具体的には、バイオマス

熱資源を有する我が国では、ベース電源として活用可

燃焼熱などを外部熱源として利用し、タービンに流入す（25）。そのため、

る地熱飽和蒸気を過熱することによって、熱効率 20%

地熱資源の有効活用のための、環境配慮型高機能地熱発超を狙う。本システムでは、タービンを通過する蒸気が電システムに係る機器開発、現状未利用である低温域で過熱蒸気となることから、従来システムで問題となってのバイナリー発電システム開発、環境保全対策や環境アいるタービンにおけるエロージョンの抑制が期待できるセスメント円滑化に資する技術開発等により、我が国のとともに、バイオマス利用の場合、バイオマス発電設備

地熱発電の導入拡大を促進するための事業（平成 25 年と、地熱発電設備とを別々に建設した場合に比べ、ター（26）

ビン、復水器、冷却塔などの設備を共用できることから

能な地熱発電が大きな注目を集めている度〜 29 年度
［平成 26 年度予算 14 億円］）
を掲げている。

経済性に優れる、などの利点を有する。

96

or

or

3-5 省エネルギー技術

FC

エネルギー使用に伴う化石燃料の燃焼によって発生する二酸化炭素（CO2）は、
人為起源の温室効果ガス（GHG）
総排出量の過半を占め、地球温暖化の最大要因である。
以下「省エネ」と略す）は、地球温暖化抑制策として極Pめて重要な意味を持つ。その一方、省エネは不特定多数の消費者による実践に立脚するため、その確実性を担保することが難しい。

※原図は環境省HPより省エネを確実に推進するためには、「エネルギーの使
図 3-4-3-7

ハイブリッド熱源地熱発電システム

c. システムの成立性評価

用の合理化等に関する法律（省エネ法）」をはじめとす
る法制度とあいまって、エネルギー使用機器の高効率化
や合理的なエネルギーの使用へ誘導する手法など、ハー

地熱とバイオマスとのハイブリッド熱源発電システム

ド・ソフト両面での技術開発が必要となる。

について、新設ベースで性能、立地優位性などの観点か当所においては、電気の有効利用の観点から、長年にらシステムの成立性を評価するため、3,000kW 級地熱発

わたり省エネルギー技術に関する研究に取り組んでい電プラントを対象として、システム性能および発電原価る。表 3-5-1 に、当所で取り組んでいる省エネルギー技の試算を行った。その結果、バイオマス投入熱量に対す術を示す。

る発電システムの増出力量（送電端）で定義される発電

ハード面の技術開発は、ヒートポンプが主な対象であ

効率は、同規模のバイオマス専焼発電システムの送電端る。GWP（地球温暖化係数）の低い冷媒の使用や COP（成

効率よりも高く、発電原価は間伐材由来の木質バイオマ

績係数 = 機器効率）の向上などを通じた、省エネ、地スの FIT 価格 42 円 /kWh を下回りうることが分かった。

球温暖化抑制を目指して、機器開発に取り組んでいる。

今後は、電気事業への理解促進を目的としたヒアリング

一方、その他の分野については、各種設備の性能評価、を継続して実施し、ハイブリッド熱源発電システムの電

省エネ評価ツールや省エネ技術普及支援ツールの開発、気事業における商用化を目指す。

情報提供による省エネ推進など、ソフト面の技術開発が
表 3-5-1

分野

ヒートポンプ

電力中央研究所が取り組む省エネルギー技術

省エネルギー技術
低 GWP・高効率
ヒートポンプの開発
各種ヒートポンプの性能評価技術

技術の概要

主な成果

無着霜技術の実用化による効率向上や
CO2 冷媒ヒートポンプの用途拡大を図る

・家庭用 CO2 冷媒ヒートポンプ給湯機（エコキュート）の開発

各種用途におけるヒートポンプの実用性能を評価し、技術開発と普及促進に繋げる・省エネ法 住宅事業建築主の判断基準への適用

農業電化

食料生産・貯蔵等におけるヒートポンプ有効利用技術

ヒートポンプ利用の効用を定量的に評価し、併せて適正な使用方法を支援する

・温室におけるヒートポンプの最適配置法・運転法
の開発

電化厨房

業務用電化厨房の換気合理化

実験によって電化厨房における換気目的に即した適正風量を求める

・国土交通省 建築設備設計基準への反映を目指す

電気自動車

電気自動車普及支援技術

電気自動車普及のため、電池性能、充電設備整備、非接触給電等に関わる情報提供、ツール整備を行う

・次世代自動車交通シミュレータ（EV-OLYENTOR）の開発

各種エネルギーシステムの省エネ性等を評価し、施設計画・運用改善に活用する・エネルギー消費解析ソフトウェア（ECEP）の開発

職住環境空調の顧客便益とエネルギー消費評価

省エネと快適性、知的生産性など顧客便益との両立を可能にする評価手法を確立し電気利用の有効性を定量化する

・住宅用温熱環境設計ツール（CADIEE）の開発
・エアコン選定支援ツールの開発

情報提供による省エネルギー推進技術

情報提供による行動変容 DR 手法を確立する

・省エネアドバイス自動生成技術開発と高圧一括受電マンションでの実証

エネルギー消費解析

DR（EMS）（注 1）

住宅・ビル・工場等を対象としたエネルギー消費解析（注 1）DR：デマンド・レスポンス EMS：エネルギー・マネジメント・システム

電中研レビュー No.56 ●

97

第３章

よって、エネルギー使用の合理化（= 省エネルギー、

中心である。
なお、ヒートポンプの性能評価は、機器開発においても活用され重要な役割を果たしている。
本節では、以下に当所が取り組む省エネルギー技術の第３章

うち主なものについて解説する。

3-5-1 ヒートポンプ活用による地球温暖化抑制
ヒートポンプは、電気等の質の高いエネルギーを利用して、熱を温度の低いところから高いところへ汲み上げ

図 3-5-1-1 ヒートポンプの原理

る（熱を温度の低いところから奪って温度の高いところへ与える）機器である（図 3-5-1-1）。
熱を与える高温側（放熱側）が加熱用途に利用できる

して表す値である。また、「冷媒」とは、ヒートポンプのはもちろん、熱を奪う低温側（採熱側）は加熱のための内部に密封された物質で、低温側（採熱側）から高温の採熱源であると同時に、冷却用途にも利用できること

側（放熱側）へ熱を運ぶ流体である。

から、現在では様々なヒートポンプ（エアコン、冷蔵庫、

現在使われている主な冷媒は、「フロン系冷媒」と「自ヒートポンプ給湯機、ヒートポンプ洗濯乾燥機、冷凍冷

然冷媒」の二つに大別され、前者は自然界に元々は存在

蔵ショーケース、カークーラー等）によって私たちの生しない人工合成物質（人が新たに作り出した物質）、後

活は支えられている。

者は自然界に太古から存在する物質である。

ま た、 ヒ ー ト ポ ン プ の 加 熱 量（Qh） は、 外 気 や 工

この内、フロン系冷媒については、地球温暖化係数

場排温水等からの採熱量（Qc）と投入電気量（E）とが 高 く か つ オ ゾ ン 層 を 破 壊 す る CFC（Chloro Fluoroの和（Qh=Qc+E） と な る た め、 ヒ ー ト ポ ン プ の 効 率

Carbon）とHCFC（Hydro Chloro Fluoro Carbon）、（COP=Coefficient of Performance、加熱時：COP ≡ Qh

地球温暖化係数は高いがオゾン層は破壊しない HFC

÷ E, 冷却時：COP ≡ Qc ÷ E）が高くなるほど、少な（Hydro Fluoro Carbon）、地球温暖化係数が低くオゾン

い電気で多くの熱を利用することが可能となる。これが、層も破壊しない HFO（Hydro Fluoro Olefin）の四つに

省エネルギー（一次エネルギー消費量削減）
・省 CO（CO22

大別され、それぞれに物性（分子量や沸点や蒸発潜熱等）

排出量削減）技術として、ヒートポンプが国内外で大きの異なる様々な物質（R11, R12, R22, R134a, R32, R404A,

な注目を集めている所以である。

R407C, R410A, R1234yf 等）が存在する。

今後、ヒートポンプを活用して更なる地球温暖化抑制

一方、自然冷媒は、地球温暖化係数が低くオゾン層も破を図るためには、①低 GWP（地球温暖化係数）冷媒の壊しない物質で、二酸化炭素（CO2）、炭化水素（プロパ

利用、②ヒートポンプの一層の高効率化、③燃料直焚機

ンやイソブタン等）、アンモニア、水、空気等がある。た器（ボイラー等）から高効率ヒートポンプへの熱源転換、だし冷媒ごとに、可燃性が強い、毒性がある、銅系材料をが重要なポイントとなる。

腐食する、圧力がフロン系冷媒の数倍高い、機器の効率が以下、それぞれについて、当研究所の研究紹介を交えながら、もう少し詳しく述べていきたい。

低い、機器のコンパクト化が難しい等の欠点がある。それら欠点を克服する工夫が施された機器（CO2 冷媒のヒート
ポンプ給湯機 = エコキュート、イソブタン冷媒の家庭用（1） 低 GWP（地球温暖化係数）冷媒の利用

冷凍冷蔵庫、アンモニア冷媒の冷凍機等）が商品化され、「GWP」（Global Warming Potential, 地球温暖化係数）

既に市場に投入されているものの、適用先や市場シェアがとは、大気中に放出された場合の冷媒自身の温室効果（地限られるなど、現状では自然冷媒が完全にフロン系冷媒と球温暖化に与える影響）を、CO2 を基準（GWP=1）と置き換わるような状況には至っていない。

98

プの高効率化による省エネルギー・省 CO2 を図るため、が 3 桁台か 4 桁台 =CO2 の数百〜数千倍）が主流だが、当研究所の横須賀地区に設置した「ヒートポンプ性能評

地球温暖化防止の観点から、GWP がともに 1 桁台の価試験設備」等を用いて、エコキュート等を対象に、外HFO と自然冷媒、それらと HFC との混合冷媒の利用

気温度や給湯負荷等をパラメータとした評価試験（1）を実を進める動きが加速しつつある。また、同じく地球温施中である（図 3-5-1-4）。また、効率向上に繋がる様々

暖化抑制の観点から、機器の使用・廃棄時に HFC 等の,な基礎研究（2）（3）にも挑戦しており、これらによって得GWP の高いフロン系冷媒を大気へ放出しないように、られた知見を、各種ヒートポンプの更なる高効率化と普技術的な工夫や法による規制（フロン排出抑制法等）も及促進に繋げていく。

なされてきている。
当研究所ではこれまでに、地球温暖化係数が低く（GWP=1）、オゾン層も破壊しない CO2 に着目して基礎（3） ‌燃料直焚機器（ボイラー等）から高効率ヒートポ
ンプへの熱源転換

実験と性能予測シミュレーションを行い、CO2 が給湯用

冷房や冷凍・冷蔵を行う機器のほぼ 100% にヒートポのヒートポンプに非常に適した冷媒であることを明ら

ンプの原理が使われているのとは異なり、暖房、給湯、かにした。そして、これら基礎的な研究の成果をもとプロセス加熱（工場の生産工程における殺菌、乾燥、溶に、東京電力（株）と（株）デンソーと共同で、「家庭

融、蒸留等）では、燃料直焚機器（油焚きあるいはガ用 CO2 冷媒ヒートポンプ給湯機 : エコキュート」を平成

ス焚きの蒸気ボイラーや熱風乾燥器等）が主流である。

13（2001）年 5 月に世界で初めて商品化した（図 3-5-1-

これは、図 3-5-1-1 に示したように、採熱側と放熱側

2 、図 3-5-1-3）。今後も、CO2 等の地球温暖化係数の低の温度差が広がるほどヒートポンプの効率が低下する

い冷媒の各種ヒートポンプへの適用を目指し、技術開発（ランニングコストの増加に繋がる）ことに加え、ヒーや機器性能評価等を進めていく。
（2） ヒートポンプの一層の高効率化
前述したように、ヒートポンプの加熱量は、外気や工場排温水等からの採熱量と投入電気量との和となるた
め、ヒートポンプの効率が高くなるほど、少ない電気で多くの熱を得ることができる。
よって、ヒートポンプの高効率化が進むほど、加熱・冷却に必要な電気が更に少なくなるため、電気の製造・輸送・利用に伴う CO2 排出量が減り、地球温暖化抑制に繋がることになる。

図 3-5-1-3

家庭用エコキュートの国内普及状況

そこで当研究所は、家庭用給湯分野等でのヒートポン<設置目的>
家庭用ヒートポンプの開発と評価に活用<試験対象機と最大加熱能力>
給油ヒートポンプ：30kW×2台、温水暖房ヒートポンプ：10kW<試験条件設定範囲>
空気温度/温度：-30〜50℃/30〜90%、給油温度：5〜40℃※給湯・暖房負荷設定可、エアコン評価不可

図 3-5-1-2

電中研エコキュート研究のあゆみ

図 3-5-1-4 ヒートポンプ性能評価試験設備の概要

電中研レビュー No.56 ●

99

第３章

よって、現在使われている冷媒は様々な HFC（GWP

トポンプのイニシャルコストもユーザーの望む価格まで安くならない場合もあることから、現状では主に経済性の観点から燃料直焚機器に勝てない分野が存在するためである。
しかし、「外気温が低くなるほどエアコンの暖房効率第３章も低くなる」、「夏季よりも外気温の低い冬季の方が給湯ヒートポンプの効率は低くなる」、「暖房・給湯より高い温度を必要とするプロセス加熱ではヒートポンプの効率は低くなる」といった原理的欠点を技術的工夫によって克服できれば、暖房・給湯・プロセス加熱分野においても燃料直焚機器のヒートポンプへの変更（熱図 3-5-1-6 ヒートポンプ開発試験設備の概要

源転換）が促進され、省エネ・省 CO2 に寄与できることになる（図 3-5-1-5）。
なお、図 3-5-1-5 はあくまで試算例であり、ヒートポンプによる省 CO2 効果は、ヒートポンプの効率と系統
電源の CO2 排出係数（発電燃料種別、発電効率、送・変電ロス等に依存）、燃料直焚機器の効率と燃料の CO2
排出係数によって大きく変化することがわかる。
そこで当研究所では、産業用プロセス加熱分野等での熱源転換による省エネルギー・省 CO2 を図るため、当研究所の横須賀地区に設置した「ヒートポンプ開発

図 3-5-1-7

蒸気生成ヒートポンプの性能評価,
試験設備（4）（5）」等を用いて、産業用の大型蒸気生成ヒー

トポンプ（SGH165）等を対象に、採熱源（工場排温水等）

3-5-2 エネルギー消費解析による省エネ検討支援の温度や生成蒸気の温度等をパラメータとした評価試
験（6）を実施中である（図 3-5-1-6、図 3-5-1-7）。

（1） エネルギー消費解析

これらによって得られた知見を、熱源転換メリット

省エネや省 CO2 を推進するためには、発電分野だけが大きくなる高効率ヒートポンプの開発等に活かしてではなく、一般家庭や業務ビル、工場といったエネルギーいく。

を消費する需要家サイドも含めたエネルギーシステム全体での一次エネルギー消費の削減が必要である。
そのためには、室内を好みの温度に保つエネルギー
や、所定の明るさにするエネルギー、給湯に必要なエネ
ルギーといった「最終エネルギー負荷」の低減や、最終エネルギー負荷を賄うエネルギー変換機器の高効率化による消費電力・燃料等の「最終エネルギー消費」の削減が挙げられる。なお、最終エネルギー消費は、個別機器の性能だけでなく、システム構成や運用方法等によっても変化する。さらに、最終エネルギー消費を賄うための一次エネルギー消費は、電力系統全体の効率や使用する

図 3-5-1-5 ヒートポンプによる省 CO2 効果の試算例

燃料の種類などによって異なってくる。
したがって、省エネや省 CO2 を検討するためには、
最終的に電気や熱等として利用される最終エネルギー負100

荷から機器が消費する最終エネルギー消費、さらには一器や、コジェネレーション機のように 2 種類のエネル

次エネルギー消費まで、エネルギー消費システム全体にギーを出力する機器を含むシステムについても解析可能

ついて解析を行い、評価することが重要であると考える。

である。また、システム構成や機器の運用方法などの条

そのエネルギー消費解析の基本的なアルゴリズムを以件が柔軟に変更でき、負荷特性や機器特性の入力または下に示す。

変更が可能である。幅広いシステム・条件に対して省エ
ネや省 CO2 の検討・評価を柔軟に行うことができる。

の効率を ηmech 、その最終エネルギー消費を Eend-use とすると、最終エネルギー負荷と最終エネルギー消費は次のよ
うな関係で表される。
Eend-use = Eend-demand / η mech

（3 - 5 - 2- 1）

また、一次エネルギー消費を Epri-energy 、一次エネルギー
源単位（または燃料発熱量）を ηunit-energy とすると、一次エネルギー消費と最終エネルギー消費 Eend-use の関係は次式で表される。
Epri-energy = Eend-use / η unit-energy

図 3-5-2-1（3 - 5 - 2- 2）

ECEP 実行画面と主な機能解析事例を以下に示す。まず、一般家庭用エネルギーシステムについて、同じ最終エネルギー負荷を賄うためエネルギー消費解析では、最終エネルギー負荷、エネの二つの異なるシステムを比較した。図 3-5-2-2 に示す

ルギー変換機器の効率、一次エネルギー源単位（またはヒートポンプ給湯機を備えた全電化システム、また、次

燃料発熱量）を条件として、単位時間ごとに各負荷、各ページの図 3-5-2-3 に示す燃料電池で電力の一部と熱回機器について式（3-5-2-1）、式（3-5-2-2）を繰り返し計算し、収により給湯を賄うコジェネシステムを想定し、一次エ

それらを足し合わせることで、日間、月間、年間の一次

ネルギー消費量、CO2 排出量を算出した（2）。その結果、エネルギー消費を算出することができる。

各設定条件によって異なるが、一次エネルギー消費について、全電化システム、コジェネシステムとも、従来シ（2） 解析支援ツール（ECEP）の概要と省エネ検討事例

ステム（給湯負荷にガス給湯器、厨房負荷にガスレンジ

需要家サイドのエネルギーシステムは、その構成や運を利用）よりも 20% 程度省エネが図れ、さらに、CO2

用方法、さらに負荷特性は多種多様であるため、エネル

排出量については、全電化システムにおいて 20% 以上

ギー消費解析を迅速かつ効果的に行うためには、汎用的低減できることが分かった。

に利用できる解析ツールが必要である。そこで当研究所では、その解析を汎用的に行うことができる「需要家サイドエネルギー消費解析汎用プログラム（ECEP）」を

照明・動力負荷系統電力開発した（1）。以下にその概要を示す。
本ツールの計算実行画面および主な機能の概要を図

エアコン

3-5-2-1 に示す。様々なエネルギーシステムを描画ソフ

冷房負荷
暖房負荷

トのようにパソコン上のマウス操作でシステム構成を作図でき、諸条件を入力することでそのシステムの電力や燃料消費量を算出し、さらに一次エネルギー消費や CO2
排出量等を算出できる。多くの機器モデルを有し、貯湯槽や蓄熱槽などのエネルギーの入出力に時間差がある機

ヒートポンプ 貯湯槽

IH

給湯負荷

厨房負荷

図 3-5-2-2 ヒートポンプ給湯機全電化システム

電中研レビュー No.56 ● 101

第３章

最終エネルギー負荷を Eend-demand 、エネルギー変換機器

また、図 3-5-2-5 に示すように、大規模工場において
照明・動力負荷

系統電力
エアコン

PEFC

冷房負荷
暖房負荷

第３章

貯湯槽

給湯負荷

を改善した場合の工場全体のエネルギー消費および CO2
排出量の削減効果を示した。また、ボイラや吸収式冷凍機を高効率機器に変更した場合の効果を定量的に示すことができた。
今後、多様化するエネルギーシステムに対し、適切な

ボイラ
IH

図 3-5-2-3

使用されている圧縮機の性能変化を解析し、その性能

厨房負荷

燃料電池コジェネシステム

解析・評価を支援することで、省エネ・省 CO2 の推進に貢献していきたい。
表 3-5-2-1

解析結果

電主熱従運転熱主電従運転電コジェネシステム（CGS）を導入している工場におけエネルギー
利用効率（%）

75.5

80.2

る運転モードの変更前後の比較を行った事例を示す。

CO2 排出量（kg-CO2/year）

635.0

615.1

産業向けの解析事例として、図 3-5-2-4 に示す自家発

CGS の場合、同一のシステム構成でも、電力の需要に合わせて運転を行う電主熱従運転、熱の需要に合わせエネルギー利用効率 =（全最終エネルギー負荷）／（一次エネルギー消費）て運転を行う熱主電従運転の運転パターンが考えられる。それぞれの運転モードでの算出結果およびその比較を表 3-5-2-1 に示す。電主熱従運転の際には、熱の需要
より CGS からの熱の供給量の方が多かったため熱を廃棄していたが、熱主電従運転を行うことにより、熱の廃棄をなくすことができ、CGS を効率よく運転できるため、エネルギー利用率が向上したことがわかる。

図 3-5-2-5

大規模工場の解析結果

3-5-3 ‌エアコン選定ツール（エアコンの選定による省エネ）（1） エアコンの消費実態と消費電力シミュレーション
家庭で使われる全電力のうち、エアコンの占める割合
は 7.4% であり（1）、また夏期の最大需要発生日には、ピー
ク時の在宅世帯の消費電力の 58% をエアコンが占めると報告されている（2）。今後、更なるエアコンの普及率拡大、また住宅の高気密化を背景とした暖房への利用増加の可能性を考えると、エアコンの合理的な利用による省図 3-5-2-4

CGS システム

エネ対策が重要である。
エアコンの省エネ対策は大きく分けて、①利用時間の削減や利用時の温度緩和といった運用変更によるもの、

102

②建物の断熱性・気密性の向上やすだれの利用等によっ,
増大につながることが指摘されている（3）（4）。また一般に、て、室の熱負荷自体を削減するもの、③負荷特性に応じ冷暖房能力の大きい機種は販売価格が高く、必要以上にた機種の選択や高効率機種の導入によって、処理熱量あ大きな機種を選定することは合理的ではないと考えられたりの消費電力を削減するものがある。

る。
そこで当研究所ではこれまでに、エアコン選定方法の量や、室内の温熱快適性への影響を評価・推定するため

現状に関する調査を行い、以下の課題を抽出した（次ペーには、環境試験室や模擬住宅等を用いた実験、またはコジの図 3-5-3-1）。

ンピュータによる計算（シミュレーション）を行う必要① ‌生活者がエアコンを購入する際に一般的に用いられがある。実験には多くのコストと労力がかかるため、シている畳数めやす（設置部屋の広さ）は、1964 年

ミュレーションが補完する技術として有効であるが、そに、当時の住宅の断熱仕様を元に決められており、の際には、様々な室条件・利用条件でのエアコンの消費

その後は改正されていない。そのため近年の高気密・

電力や冷暖房能力を算出する必要がある。

高断熱の住宅において畳数めやすを用いると、過大

しかしながら、エアコンの消費電力は、室内外の温湿度や室内の発熱等の利用条件によって、カタログに示されている値から大きくかい離する。また、同様の利用条件下でも、機種によって、その消費電力は異なる。
そこで当研究所では、様々な機種について、室内外の熱的な条件が変動する冷房・暖房運転時の消費電力・
COP を推定するための「エアコン熱源特性モデル」を開発した。本モデルは、冷凍サイクルによる熱移動と、な冷暖房能力を持つ機種が選定され、消費電力量、
CO2 排出量の増大につながる可能性がある。
②‌ ‌従来の選定方法には、生活者のライフスタイルや、
環境性、経済性、快適性といった生活者が重視する項目（以下、選好と記す）の度合いを考慮できる選定基準がない。
③‌ ‌市販機種の中から生活者が合理的かつ簡単に選定できる仕組みがない。

コンプレッサーやファンなどが消費する電力量の関係を④‌ ‌メーカーや家電量販店は、冷えない、暖まらないリ定式化し、この式を任意のエアコン運転条件下で解くこ

スクを避けるために冷暖房能力が大き目の機種を勧とによりエアコンの消費電力などの定常時特性を模擬すめる傾向にある。

るものである。本モデルでは、特定機種の実測データから入出力特性を模擬するものではなく、メーカー公表値（3） エアコン選定支援ツールの開発（技術資料である仕様書に掲載のデータ）を用いて熱源

前述の課題に対して、生活者の多様な住まい方を考慮

特性のモデル化を行う。これによって、機種特性の公表

した適切なエアコンを選定するための支援を行うツール

されている任意の機種のモデル化を行うことができ、まを開発した。

たモデル化を行った機種に対して、任意の運転条件での本ツールでは、地域やエアコンを利用する部屋の断熱エネルギー消費効率を算出できる特徴を有している。

性能、畳数、方位、階といった住宅特性、またエアコン

本 モ デ ル を、 非 定 常 の 熱 負 荷 計 算 プ ロ グ ラ ムの設定温度や使用時間帯といったライフスタイルに対（CADIEE: コラム 9 参照）に組み込むことによって、任し、冷暖房能力や価格帯（普及機と高機能機）の異なる

意の気象条件・住宅条件・利用条件下におけるエアコン

様々なエアコンを利用して冷暖房を行った際の消費電の消費電力と室内の温熱環境を推定できる。

力、室温を詳細に計算する。その結果を予めデータベースとして蓄えた上で、利用時に入力された条件にあった（2） エアコン選定の現状と課題機種を推薦するものである。入力条件として、上記に示

前節にて、省エネ方策として③負荷特性に応じた機種

した住宅特性、ライフスタイルのほか、消費者の選好をの選択を挙げた。生活者がエアコンを購入する際、一般入力可能としている。消費者の選好は、環境性（排出す的に用いられる畳数めやす（設置する部屋の広さ）による CO2 の量をいかに少なくするか）、経済性（エアコンる選定では、部屋の熱負荷から求められる冷暖房能力よ

購入費と電気代の総和をいかに少なくするか）、快適性

りも過大な機種が選定され、消費電力量、CO2 排出量の（設定温度までの立ち上がり時間をいかに短くするか）

電中研レビュー No.56 ● 103

第３章

上記のいずれの方策についても、方策実施時の省エネ

の 3 点で評価しており、意思決定手法の一つである階層

ツールはタブレット型 PC 上で動作するように設計さ分析法を用いて三つの評価指標の重要度を点数化し、どれており、簡易かつ短時間の入力で解を得られるようにの機種が良いかを算出している。

なっている（図 3-5-3-2）。

第３章
COP APF1964※1 AFP= 期間総合負荷 / 期間消費電力量⇒通年エネルギー消費効率のこと。 ※2 冷房期間消費電力量と暖房期間消費電力量との和⇒「一日 18 時間（6 〜 24 時）、
東京を対象」をエアコン稼働条件として求める。 ※3 省エネ基準達成率（%）=（APF/目標APF）
×100 ⇒ 2000 〜 2009 年は COP を使用。 ※4 省エネ基準達成率に基づいて表記される。 ※ 5
表示と関連のない事柄の訂正

図 3-5-3-1

生活者がエアコンを選ぶ際の主の判断材料と従来の選定方法の課題

図 3-5-3-2 エアコン選定支援ツールの表示画面例

104

コラム９：住宅用室内温熱環境設計ツール CADIEE
家庭部門における最終エネルギー消費の約 3 割はデータ入力画面

冷暖房によるものであり、居住空間の温熱快適性の!"#良否とも密接に関わっている。温熱快適性と省エネ!"#

ルギーの両立を図るためには、住宅性能、空調機器討を進める必要があるが、このための検討ツールは十分に整備されていなかった。このため、当研究所

データ出力画面は住宅用室内温熱環境設計ツール CADIEE を開発した。住宅内の室の配置、使われ方は様々で、相互に熱影響を及ぼし合う。そこで、多数室の伝熱を一度に計算できるよう建物をモデル化する必要がある。多数室における熱的な変化を長期（例えば 1 年間）で計算するため、CADIEE では、網目のよう

図1

Windows 用 GUI の概要に配置され、かつ隣り合う同士接続された質点の集合体の熱的振る舞いとして捉え、熱的な変化を数値的に解析する。本ツールの特長は以下のとおりである。
①‌ウィンドウズ OS を搭載したパソコンで使用でき、シミュレーションのための GUI が整備されているため、実用性が高い（図 1）。

②‌住宅の年間暖冷房負荷を正確に計算できる方法
として、国土交通大臣の特別認定を取得している（図 2）。このため、本ツールで評価した住宅の熱的性能を公式な評価結果として公表することができる。

③‌住宅の設計段階において、建築後の年間の温熱
快適性やエネルギー消費をシミュレートでき

図 2 負荷計算に関する大臣認定書る。このため、温熱快適性、省エネルギーの両面において性能の高い住宅の普及に寄与できる。
④‌温熱快適性に及ぼす影響が大きいにもかかわらず、従来軽視されてきた放射伝熱現象を精度よく扱える。このため、低放射ガラスなどの窓性
能や床暖房の効果など、新しい住宅技術に対応できる。

⑤‌詳細な気流解析機能を持ち、エアコンなどからの吹き出し気流を精緻にシミュレートでき、吹き抜けのある住宅の空調・換気などに対応できる（図 3）。

図3

気流解析結果の可視化例

電中研レビュー No.56 ● 105

第３章

性能、居住者の住まい方の視点から同時並行的に検3-5-4 電気自動車（環境にやさしい電気自動車）

米国カリフォルニア州でも、ZEV（ゼロエミッション自動車）規制で、数万台を販売する自動車メーカが排出抑（1） 電気自動車導入による低炭素化、省エネ化

制規制の対象となる。全米にも展開される可能性もある。

第３章

我が国の運輸部門からの二酸化炭素（CO2）排出量は、

一方、EV 性能が向上すれば、図 3-5-4-1 の直線の傾き

経済成長とともに徐々に増え、2001 年をピークに、約は小さくなり、走行時の排出量は低減できる。更なる充2 億トン、全体の 20% を維持している。そのうち、90%

電効率・回生制動の向上、電池重量の軽減、冷暖房機能

程度が自動車からで、高効率化とゼロエミッション燃料などの車両性能向上が期待される。

の利用で大幅な CO2 排出削減が期待できる。技術進展

EV は、走行時に排熱、排ガスが全くなく、走行するにより自動車の高効率化が進んでいるが、車両が大きく

街のエネルギー消費の低減も期待できる。夏の暑い日になるなど、全体的には低減は進まない。世界的には、年は、住宅やビルに加えて、自動車の排熱による、都市間の販売量で、中国が米国を抜き、インドなどの発展途のヒートアイランドが起きる。23 区内を走行する乗用

上国での自動車販売量が増加している。今後、先進国以車や軽自動車の EV 代替で、排熱がなくなり、昼間の時外での車両台数の大幅な増加も見込まれる。

間帯に約 0.6 度の低減が期待できるとの試算がある（図内燃機関と電動のハイブリッド化技術が進展し、電気（2）
3-5-4-2）。これにより、昼間の冷房使用負荷が 3 万自動車（EV）の市販も進んでいる。普及拡大には、先kW 相当を削減できる。また、CO2 のみならず、NOx

進国が率先して、ゼロエミッション自動車の導入するこや PM（粒子状物質）の排出もなくなり、トンネルや地とが重要である。

下駐車場の換気による電力負荷の低減も期待でき、都市EV は電動駆動のため、ガソリン自動車などの内燃機の省エネ化に相乗効果もある。

関駆動のような排熱はなく、効率も高い。電動駆動では、2015 年末に燃料電池自動車（FCV）が市販された。水回生制動によるエネルギー回収もあり、高い燃料消費率

素充填スタンドの整備が進められている。しかし、CO2で走行する。そのため、CO2 排出量の抑制にも効果的で削減では、燃料である水素の天然ガスなどの化石燃料をある一方、充電を行う電源の排出原単位に大きく依存す原料とした製造時は、水素充填のための 80MPa 以上のる（図 3-5-4-1） 。

高圧化、水素タンク保護のためのプレクール（− 20℃以下

（1）

の冷却）
、さらに輸送・貯蔵には、エネルギー消費に CO2排出が伴うことも考慮すべきである。

図 3-5-4-1 電源からの排出原単位に依存した車両の‌
CO2 排出量

図 3-5-4-2

夏季晴天弱風日を対象とした効果の試算例

原子力や水力、再生可能エネルギーによる発電では排出（2） 電気自動車の普及拡大に向けた課題

ゼロになるが、石炭火力発電では、ハイブリッド自動車

a. 導入の阻害要因（HEV）よりも悪くなる可能性がある。一方、欧州では

EV 普及の阻害要因を購買対象者への調査したとこ

2018 年には、95g- CO2/km の排出量規制導入が決まっ

ろ、一充電走行距離が実質 100km 程度と短い、それをている。ハイブリッド自動車でも厳しい値である。また、補う充電インフラ整備が不十分、従来の車両コストより106

割高が挙げられた（3）。また、現状のコスト格差 60 万円
以上、一充電走行距離 100km 程度では、0.1% の導入しか期待できないが、コストが同等、走行距離 300km 程度までの延伸で、4.8% まで期待値は上がった。一充電
走行距離の短さを補う充電インフラの整備の不足も不満

第３章である。一般家庭や駐車場での普通充電では、充電ケー
ブルの汚れ、重さ、充電箇所の照明不足なども不満要因になる。
プラグ接続の不要な非接触充電は、携帯機器などの小さな出力では実用化が進むが、EV のように数 kW と大きな出力では、電磁界、効率向上、熱損失対策等の課題があり、安全性の基準作りの段階にある。前述のように、EV の分散型電源としての利用への期待（4）もあり、当研究所では、双方向での非接触充電給電技術の開発も進めている（5）。
b. 搭載電池の劣化評価

図3-5-4-3‌EV搭載の（a）補助コンビネーションメータとその結果から算出した（b）
二次電池の容量低下傾向

EV 性能向上は、二次電池技術である。一充電走行距離の延伸には、軽量 ･ コンパクトな二次電池の実用化が100% までの充電には数時間と長い時間を要する。一方、必要である。国では、EV 用二次電池の研究開発シナリ

急速充電は、20 〜 50kW で供給し、高電圧受電となり、（6）オを設定し、国家プロジェクトで「革新型蓄電池先端科学基礎研究事業」（2009 年から 7 ヵ年）にて、従来コスト高になるが、70 〜 80% まで十数分の短時間に充電できる。

のリチウムイオン電池を凌駕する高エネルギー密度の高EV の一般市販に合わせて、一般家庭や商業施設の駐性能電池開発を進めている。高エネルギー密度ではリチ

車場などに普通充電設備の設置に関するガイドブック

ウム硫黄電池や空気電池が、また、安全性向上では固体

が、経済産業省と国土交通省での検討会でとりまとめら

電解質電池などの研究開発が進められている。

,
れた（9）（10）。一方で、国は急速充電スタンド整備の推進

EV 運用では、走行距離の短縮に繋がる二次電池性能のために、当研究所で開発した交通シミュレータ（11）で劣化は一番の懸念事項である。走行距離短縮で EV が使

全国の道路、地形を考慮した検討結果を基に、2014 年

用されなくなった経験が実証事業である。当研究所では、に国が設置モデルプランを作成・発表した。自治体と協補助コンビネーションメータ（図 3-5-4-3）を使い、実力して、補助金を活用して整備を加速させている。都市

使用している EV を定期的に性能計測している。走行距

圏を中心に充電インフラは整いつつある。

離のみではなく、納入時からの経過日数の影響も検討している。さらに、電池劣化傾向から簡易な評価手法を提
（7）
（8）
,

案している

。

（3） 今後の課題運輸部門での電化による CO2 排出量削減のポテンシャ
ルは大きい。充電に使う電源の排出原単位が改善されれ

c. 充電インフラ整備

ば、さらにその効果は大きくなる。一方、災害時の分散

前述のように一充電走行距離の短さを補うためには充型電源として価値も評価されているが、さらに、再生可電インフラ整備が重要である。充電インフラとして普通

能エネルギーのより不安定な電源の太陽光・風力発電か

充電と急速充電の 2 種類が整備されている。普通充電

らの余剰電力吸収への活用も考えられている（12）。車両

は、交流 3kW で車両に供給し、インフラ整備費は低コ

性能向上、二次電池技術の向上、充電インフラ整備を進

ストで、一般の家庭や駐車場にも用意に設置ができるが、め、百万台まで普及を進める必要がある。

電中研レビュー No.56 ● 107

3-6 温暖化抑制のための政策の研究

技術と政治の両面で奇跡的ともいえる変化が必要である。これは不可能ではないが、決して容易ではない。

第３章

当研究所では、地球温暖化の科学的知見・技術的な対

いわゆる「2 度シナリオ」の骨子は以下のとおりである。

策の検討に加えて、温暖化対策のための政策のあり方に・‌地球温暖化を産業革命前に比べて 2 度以下に抑制する

ついての研究を実施してきた。望ましい政策のあり方とことは、概ね、2050 年までに世界全体で 10 年に比べしては、科学的知見を適切に踏まえ、技術開発を促進し、て 40 〜 70% の排出量を削減することを意味する。こ

費用対効果の高い方法で温暖化防止という効果を挙げのとき、再生可能エネルギー、原子力、CCS（発電所る、といったことが求められる。しかし現実には、政治等から排出される CO2 を地中に埋める技術、Carbon

的利害など、様々な社会的な制約があるために、政策はCapture and Storage）の合計による低排出エネルギー

必ずしも所期の効果を上げることができない。このため、供給は、10 年時点の 3 倍から 4 倍に達する。

政策の効果について分析し、その改善策を検討・提案し・‌2 度シナリオが実現するための条件は、世界の国々がていくことが必要となる。以下本項では、まず IPCC の一致協力して排出削減に取り組むこと、および、多くシナリオと政策評価に触れた後、個別の課題として、産の温暖化対策技術が進歩し普及することである。つま業界の自主的取り組み、原子力政策、省エネ・節電、再り国際協調と技術革新の両者が条件となる。

生可能エネルギー、国際的な枠組みの研究について紹介する。なお、ここで述べるシナリオは 2-1-2（2）節で示したものと同じものである。

（1） 2 度シナリオの 2 つの前提条件
さて上記の 1 点目は分かり易いが、2 点目については説明がいる。
「国際協調と技術革新の両者」とは、どう

3-6-1 IPCC のシナリオと政策評価いうことか ? IPCC はこれを詳しく説明している。
まず、国際協調について。2 度シナリオは、現実を大当研究所は、IPCC 発足以来、継続的に寄与を行って幅に単純化した数値モデルに依存している。そこでは、きた。特に、第五次評価においては、杉山大志上席研究

資源量や技術の効率・コスト等は考慮されている。だが員が第三部会において、日本からただ一人の統括執筆

安全保障と国際競争の懸念については一切考慮されてい責任者として、2 つの要約（政策決定者向け要約（1）、ない。これは極めて重要な限界である。なぜなら現在、

技術的要約（2））
、および「国および自治体の政策（15

世界諸国のエネルギー選択において、この両者は最重要章）（3）」の取り纏めを行った。同報告書の解説は文献な要因だからだ。

（4）に詳しくまとめてある。本項ではその中から、特にIPCC のシナリオと政策評価について概説する。

IPCC が示唆しているのは、2 度シナリオが実現する
ためには、諸国が、安全保障や国際競争の懸念なしに、

今回の IPCC 報告書は、「地球温暖化を 2 度以下に抑専ら温室効果ガス排出削減に励むことが条件になる、と制するシナリオ」（以下、2 度シナリオ）について詳しいうことである。2 度シナリオでは、例えば中国が、自く報告している。

国産の石炭利用を極端に減らしてロシア等の外国から天一部報道では、「IPCC は、2 度シナリオは実現可能で

然ガスを大規模に輸入し、さらには、高価な CCS や太あり、世界はそれを目指すべきであると提言した」とい

陽光発電を、産業の国際競争力についての懸念をするこうものがある。だがこれは間違いである。IPCC は「提言」となく、大規模に導入する、と想定する。残念ながら、はしていない。そもそも提言することは禁じられている

今の世界情勢はこれとはかけ離れている。

からである。IPCC は、2 度シナリオとは、どのようなでは技術革新はどうか。これも、2 度シナリオには、

技術的対応を意味するかということ、および、その実現

首を傾げざるを得ない条件がつく。それは、バイオエのための前提条件について記述している。

ネルギーと CCS を現在の石炭や石油に匹敵する規模であるいは、「IPCC は、2 度シナリオは安いコストで済導入することで、21 世紀末には世界全体の発電によるむことを示した」という報道もあるが、これも誤りであCO2 排出を「マイナス」にする、という想定である。

る。2 度シナリオの実現のためには、現状からみると、108だが IPCC はこの問題点も説明している。バイオエネ

ルギーは生態系保全や食料安全保障を妨げる懸念があ

IPCC の取り纏め過程においては、徐々に政治的な影響

る。CCS は未だ商用化されていない。コストや社会受が強くなり、とくに諸国政府がベルリン総会でその文言

容性の壁を越えられるかは、全く未知である。

を一言一句交渉する「政策決定者向け要約（Summaryfor Policy Makers=SPM）」に至ると、イギリス・ドイ

ると奇跡的な変化が必要である。このことを、報告書のツなどからの強い意見もあり、専ら 2 度シナリオだけがとりまとめにあたった Ottmar Edenhofer 共同議長はプ議論されるようになった。

レスリリースで「the challenge is huge, huge, huge」と表現した。

だがこれはシナリオ分析としては落第であると筆者は思う。本来はシナリオ分析というのは、さまざまな将来

IPCC では 2 度シナリオのコストも報告した。国際協像を政策決定者に示し、意思決定の材料にするためにあ調と技術革新が理想通り進む場合でも、温暖化対策のたる。今回の IPCC のシナリオ分析では、
選択肢はただ 1 つ、めに、30 年において世界の GDP の 1 〜 4% が失われる

2 度シナリオに絞られており、それを実施するか否かしとした。例えば現在の日本の GDP の 1 〜 4% といえばか議論の余地がない。

5 兆円から 20 兆円だから、これは相当な金額である。

結局のところ、2 度シナリオは、実現可能性の乏しいのみならず、技術革新が停滞したり、国際協調が不完ものになったと言わざるを得ないが、その一方で、他の全な場合には、このコストはさらに跳ね上がる。コスト

シナリオは詳しく分析されていない。これでは、残念なは容易にこの数倍になるし、コストが無限大、すなわちがら、現実的な政策決定の参考にはならない。

「解なし」となる場合もある。以上の検討を踏まえて、2度シナリオの実現は極めて難しいのではないか、との見解があることも記載されている。

（3） 京都議定書と排出量取引に厳しい評価
さて、とかくシナリオばかりが注目される傾向にあるが、今回の IPCC 報告では、これまでの政策の実証的な（2）「2 度」の科学と政治
何やら現実味が薄いようだが、ではなぜ IPCC は 2 度シナリオについて特に詳しく報告したのか ?

評価が行われている。
温暖化対策について、環境経済学は、排出量取引や環境税などの形で「炭素価格を設定する」ことを重要としこれは政治的な要請に答えるためだった。
「2 度」はてきた。これを受けて、鳴り物入りで導入されたのが、

古くは 1979 年の文献に既に言及されているが、さほど京都議定書や EU 排出量取引制度（Emission Trading

根拠があったわけではない。いまでも温暖化の悪影響はSystems=ETS）である。だがいずれも IPCC 報告ではよく分かっていないが、当時はもっと分かっていなかっ厳しい評価となっている。

た。何となく、産業革命前の 2 倍程度が温室効果ガスの“京都議定書は、気候変動枠組条約（UNFCCC）が提抑制目標として適切と考えられ、それは当時のモデルで供する目標を実現するための、最初の法的拘束力ある段は 2 度程度の温度上昇を意味する、といった程度の認識階であった。だが、それは意図されたように成功しなかっに基づく数字の選択だった。

た。理由は、不完全な参加と遵守、京都議定書が存在しだが環境問題においては、しばしば、この手の数字はない場合にあっても発生したであろう先進国の排出削減

マジックナンバーとなる。
「2 度」は温暖化防止の象徴に排出権を与えたこと（訳注 : ロシアなどに過剰な排出とされるようになった。政治においても、まず欧州連合権が割り当てられたことを指している）、過去 10 年間での目標になり、次いで G8 や国連の目標とされるに至る。

急速に成長している途上国の排出量を規制しなかったこ

これを受けて、研究者は 2 度シナリオを集中的に研究すとによる（「技術的要約」より）”

るようになった。各国、とくに欧州政府は、それを奨励した。
このため、IPCC の文献調査対象も、2 度シナリオがEU では、大がかりな ETS が導入されたが、「効果は限定的」で、排出権の低価格は「構造的なものであり、対処することは政治的に難しいことが証明された」とし極めて多くなった。もちろん、研究者たちは、2 度だけている。

ではなくて、
3 度や 4 度のシナリオも検討している。だが、“ETS は、排出枠が緩かったり、拘束力がなかったり

電中研レビュー No.56 ● 109

第３章

こうしてみると、2 度シナリオの実現には現状から見したために、期間中の排出削減の効果は限定的だった

政府と企業あるいは企業グループとの間での協定に基づ（「政策決定者向け要約」より）”

き、企業が法規制にない環境配慮行動をとる代償とし

第３章“ETS は意図されたほどに成功しなかった。ETS はて、政府が税負担の軽減や規制の優遇などの便宜を図る。

国境を越えた排出量取引が機能しうることを示したもの

このため、協定型の自主的取り組みは従来の政策措置をの、近年の恒久的な低価格は、追加的な排出削減につ補う性質を持つ。2005 年に EU で排出量取引制度（EUいてのインセンティブを与えることがなかった。……13

ETS）が導入されると、西欧諸国での自主協定は重要度

年末の執筆時点において、過剰な排出権を取り除くことを失ったが、オランダ、ベルギー、スウェーデンなどでによって低価格の問題に対処することは、政治的に難しは、今でも EU ETS ではカバーされない小規模企業あいことが証明された。……ETS は、政治的に実施可能

るいは非エネルギー集約型企業を対象とする自主協定がにするために、排出削減の効果を犠牲にする形で実施さ存続する。政府が具体的な参加インセンティブを提示し、れた（技術的要約及び本文 14 章より）”かつ目標不遵守時のペナルティを設定することから、協IPCC は、低価格の問題に対処するために当局がとっ定型の自主的取り組みの企業参加率・遵守率は共に高い。

た様々な対応や、学界の提案についても詳しく言及してしかしその環境効果については、企業意識や行動変化にいる。だが、多くの方法は考案できるものの、排出枠を,有効とする肯定的な見解（3）（4）と、企業活動の現状追認

厳しく設定し直すことには、政治的な困難がつきまとう,に過ぎず、追加的な効果に乏しいとする否定的な見解（5）（6）という現実が突き付けられた。

とで分かれる。

なお、筆者が欧州の研究者と議論をすると、「諸問題

これに対し、日本の産業界が実践する自主的取り組み

はあるが、“制度的な慣性”、つまり官僚組織の肥大化やは第 3 のタイプに属する。
「政策パッケージ一体型」とは、既得権益があるために、欧州から ETS が消えてなくな

規制やそれに代わる経済的措置と呼ばれる従来の政策措ることは絶対にないだろう」、との意見がほとんどであ

置のみでは必ずしも適切に政策目標を達成できないことる。これは日本にとっても重要な教訓であろう。

から、それを補うために、自主的取り組みを通じて企業の合理的な対策を促すことを意味する。

3-6-2 自主的取り組みの研究

企業の意思決定が、必ずしも経済合理性だけに基づかないことはよく知られる。組織内の分権構造や情報の非

政府と企業間の合意に基づき、各々の業種や企業の特対称性に基づく限定合理性や、経営戦略上の優先度など性にあったきめ細かな対策を立て、省エネや温室効果ガのために、経済性のある省エネ・温暖化対策が実施されス排出削減の目標に向かって行動することを「自主的取ていない事例は数多く存在する（7）。日本の産業界が取りり組み」という。これまで、多くの国で、環境対策のた組んできた環境自主行動計画（VAP）は、このようなめに様々な形の自主的取り組みが取り入れられてきた。

現状において、業界団体を中心とした省エネルギー技術

IPCC（2014）は、自主的取り組みは 1）プログラム型、やエネルギー管理体制のノウハウの共有を通じ、それぞ

2）協定型、3）政策パッケージ一体型の 3 つに大別できれの業種に応じた適切な方法で、経済性のある省エネ・（1）

るとした 。

,
温暖化対策を促してきた（8）（9）。

プログラム型は参加意思を示した企業のみが取り組む

当研究所では、業界団体が中心となって進めた日本のもので、米国やオーストラリアでは公的な自主参加型プ

VAP が企業行動に与えた具体的な影響として、企業のログラムが多用されてきた。プログラム型の自主的取り

温暖化対策目標設定に着目して定量評価を試みた。その組みでは、企業が個別に参加意思を決定することから、結果、特に中小企業において、目標設定に有意な効果がいかに多くの企業に参加を促すかがプログラムの成否をあったことを示した（図 3-6-2-1）。

左右する。また、多くのプログラムが目標未達時の罰則を設けていないことから、環境影響を疑問視する意見（2）もある。
他方、協定型は 1990 年台の欧州で幅広く活用された。

110

（1） 原子力政策研究の概要
a. 震災後の環境・エネルギー問題に関する世論の変化
東日本大震災と福島原子力事故を経験し、人々の環境やエネルギーに対する考え方は大きく変化した。当研究所は、この変化を把握するため、それが日常生活のエネ
後の 2014 年 3 月に、全国 11 都市（札幌、仙台、新潟、
東京、富山、名古屋、大阪、広島、松江、高松、福岡）の成人男女 3,600 名を対象に訪問留め置き法に拠る世論調査を実施し、2008 年 8 月に実施した調査との比較を行った。
（電力中央研究所による分析結果。
2014「自主行動計画の総括的な評価に係る検討会とりまとめ」所収）

図 3-6-2-1

中小企業に対する自主行動計画の役割

2014 年調査では、今後のエネルギー政策に関して、
自然エネルギーや新エネルギーの利用への期待が高い一方、原子力発電の再稼働を重要であると考えている人が少ないこと等が明らかとなった。また、2008 年調査と中小企業には未実施の経済合理的な省エネルギー対策

比較して、化石燃料資源利用による環境影響や資源枯渇が多く残されているにもかかわらず、政策介入のコスト等といった、原子力利用の意義を示すエネルギー問題へがかかりすぎるために、従来の政策措置では対象外とさの関心の低下が見られるとともに、原子力利用についてれてきた。業界団体を中心とする VAP の取り組みは、は、国や事業者にリスク管理能力があるかどうかで評価

このギャップを埋めることに成功した。当研究所が実施するのではなく、子孫や環境への影響があるかどうかでしたインタビュー調査からも、日頃、生産活動や規制動評価する層が増大していること等が明らかとなった（1）。

向に関する業界内での情報伝達機能を担い、業界内の企

これらの結果から、原子力利用に対する国民の理解を

業の実情を熟知する業界団体の存在が、効果的な VAP得るためには、エネルギー問題全般への関心を喚起する（10）の実施を可能にしていたことが確認できる。

とともに、子孫や環境への影響に対する不安を理解し、共に考えるという姿勢を示すことが必要であるとの示唆

3-6-3 原子力政策の研究を得た。

発電の過程で CO2 を排出しない原子力発電の活用は、

b. 立地地域のステークホルダーとのコミュニケーション

地球温暖化対策の有効な手段の一つである。しかし、原子力利用においては、施設の立地自治体や住民等の2011 年 3 月の福島原子力事故の発生は、我が国の原子協力・信頼関係維持が不可欠である。2014 年 4 月に閣

力利用を取り巻く社会情勢と政策に大きな変化をもたら

議決定された「エネルギー基本計画」では、これを促進した。

する一施策として、欧州諸国で採用されている原子力施

当研究所は、これらの変化が我が国の今後の原子力利用にどのような課題を生じさせ、それがどのような帰結

設立地地域会議体を参考とした、地域における情報共有の強化をあげている。

を社会にもたらし得るか、について、世論調査、モデル

当研究所は、フランスの地域情報委員会（CLI）及び分析、比較制度分析等の手法やアプローチを用いること

英国のサイトステークホルダーグループ（SSG）についによって、変化の背景にある社会意識の分析や、課題克て、現地インタビュー調査を基に、その特色及び異同

服策の検討も含め、研究している。

を明らかにし、我が国への示唆を得た。すなわち、①

以下、それぞれの研究内容を概観した上で、成果の一

フランスの CLI が、合意形成を必ずしも目的とせず専例として、長期エネルギー需給見通しにおける原子力のら透明性の確保のために、法令に基づいて設置される位置づけに関する分析結果を紹介する。

“フォーマルな”会議体であるのに対して、英国の SSG

電中研レビュー No.56 ● 111

第３章

ルギー消費行動にも定着したと考えられる、震災後 3 年

は、事業者の意思決定の過程でのステークホルダーから調達に活用している例（フィンランド、フランス、ベルの情報インプットを重視した、“柔軟性のある”会議体ギー等）等が採用されていることがわかった。その一方であること、②英国型の会議体は、我が国の既存会議体

で、これらの施策に関しては、欧州内で、市場を歪め、や従来の事業者の取組みを、地域ステークホルダーとの競争を制限するものである等といった批判がなされてい協働を通じて事業遂行をより双方の納得のいくものとすることも明らかとなった（4）。

第３章

るための「知恵」を集約する仕組みとして再構成するの（2） 長期エネルギー需給見通しにおける原子力の位置づけに参考例となり得ること、を明らかにした（2）。

2015 年 7 月に「エネルギー基本計画」の定量的な姿
c. 原子力安全規制の課題である長期エネルギー需給見通し（以下、需給見通し）

福島原子力事故の発生を契機に、原子力推進と規制とが決定した。以下では、当研究所で行った「2030 年まの行政機能の分離を目的として 2012 年 9 月に原子力規での経済・エネルギー需給展望」
（以下、
「展望」
）結果

制委員会が創設される等、我が国の原子力安全法制は大を踏まえつつ、原子力の位置づけを中心に、その概要をきく変化した。

みていく。

当所は、これらの法制度の変化が、実際に、原子力発需給見通しに先だって定められた「エネルギー基本計

電利用に関してどのような課題を生じさせ、その原因は画」で、原子力は以下のように位置づけられている。
『燃

どこにあるかについて、原子力規制委員会による敦賀発料投入量に対するエネルギー出力が圧倒的に大きく、数

電所敷地内破砕帯評価を例に分析を行った。その結果、年にわたって国内保有燃料だけで生産が維持できる低炭

同破砕帯評価では、関連する科学的知見を規制に反映さ素の準国産エネルギー源として、優れた安定供給性と効せるための手続の不備、原子力規制委員会内部における率性を有しており、運転コストが低廉で変動も少なく、

リスク評価とリスク管理の機能的未分離、等といった課

運転時には温室効果ガスの排出もないことから、安全性題が提起され、その背景には、「安全性評価に関して科の確保を大前提に、エネルギー需給構造の安定性に寄与

学的不確実性を内包する事象と規制との間の結節点となする重要なベースロード電源である。
（エネルギー基本

る手続やフレームワークが構築され、その下で各当事者

計画第 2 章第 2 節（2）
原子力より抜粋）』

間の適正なコミュニケーションと役割分担が行われ、当需給見通しの策定にあたっては、①自給率は震災前を事者や利害関係者にとって一定の説得力を持つ規制判断

上回る水準（概ね 25%）に、②電力コストは現状よりへと結実する」という仕組みが、その規制運用においても引き下げ、③温室効果ガス削減目標は欧米に遜色ない（3）

確立されていなかった点があることを明らかにした 。

水準に、の 3 つの基本方針があげられた。前提とする
2030 年までの経済成長率については、内閣府の経済再d. 原子力事業環境整備

生ケースを基に年率 1.7% とされた。これは潜在成長力「エネルギー基本計画」において原子力は「重要なベーをもとに当所「展望」で試算した結果（標準ケースで同

スロード電源」と位置づけられた（後掲（2）参照）ものの、

1.0%、低成長ケースで同 0.5%、高成長ケースで同 1.5%）

電力システム改革の下、その担い手である電力会社を取と比べて、かなり高めの成長率である。この高い経済成り巻く事業環境は不確実性を増しており、政策の実現が長率と、先述した 3 つの基本方針を同時に達成するには、課題となっている。

野心的な省エネ（節電）の想定に頼らざるを得なかっ当研究所は、電力自由化後に、欧州諸国が原子力発電た、というのが今回の需給見通しの最大のポイントであを維持・利用するために、どのような経済的手法を採用る。さらに、再エネ比率を越えない範囲で最大限の原子しているか、について調査し、その評価を行った。その力利用も前提としつつ、最終的に電源構成を決めたのは、

結果、欧州では、①資本集約的な原子力発電の新増設を「電力コストを現状よりも低下させる」という条件であっ促すために、差額精算方式による政府による固定価格買た。最終的な 2030 年の電源構成における各電源の比率

取制度（FIT-CfD）を導入する例（英国）、②大口需要は、原子力 20 〜 22%、再エネ 22 〜 24%、LNG27%、石家と長期契約や共同投資契約を結んで原子力発電の資金

炭 26%、石油 3% 程度となった。多くの条件を全て満た112

す需給構成の定量的な提示は、まさに針の穴に糸を通すような作業の帰結であったと言える。

きく以下の 3 つに分類できる。
一つ目は、3-5 節で述べたような省エネルギー技術の研究開発を支援する政策である。具体的には国家プロ

点での日本全体の電気料金負担の対名目 GDP 比を横軸ジェクトや NEDO を通じた企業・大学への研究開発支に、CO2 排出量の対 2005 年比を縦軸に比較したもので援などが当てはまる。二つ目は、エネルギー価格への課ある。経済成長率が異なるケース間では、名目 GDP も税やキャップ・アンド・トレード制度など、エネルギー

変化することから、電気料金負担の対名目 GDP 比に大価格を上昇させることで需要を抑制する政策である。そきな変化は見られない一方で、CO2 排出量は、2005 年

して三つ目は、市場にはさまざまな「市場バリア」が存比で 10% 以上の開きが生じており、排出量の削減目標

在し、それが費用効果的な省エネルギーの実現を妨げて達成には、大きな不確実性が伴うことを確認することがいると考えられることから、情報提供や規制的措置を通できる。また、標準ケースでの経済シナリオを前提としじて市場バリアの解消を図る政策である。

ながらも、原子力発電量を 0% にしたケースでは、同じ

ここで、省エネルギーの市場バリアとは、経済合理的

くゼロエミッション電源である再エネ発電量を 30% にであるはずの省エネルギー対策の実施を妨げる要因の総まで上昇させたとしても、標準ケースに比べて CO2 排称であり、具体的には表 3-6-4-1 のようなものが含まれ

（5）
（6）
,

出量は増加している。

,る（1）（2）。不完全情報により省エネルギーが阻害されてい長期エネルギー需給見通しでは、大幅な省エネが見込る例として、エアコン暖房が挙げられる。エアコンによまれており、それが実現しない場合に、国民負担の増加

る暖房はガス暖房や電気ヒーターよりも高効率であり、を抑えつつ、CO2 排出量の削減を行うためには、原子力かつ熱単価も安いため、効果的な省エネ対策といえる。

発電の果たす役割は大きい。

しかし、当研究所の調査によると、エアコン暖房の方が高いと誤解しているがために、他の暖房手段を選択している世帯が多く存在しており、適切な情報提供が求められる（3）。また、ビルにおけるオーナー・テナント問題は動機の不一致の典型例である。テナントが光熱費を負担する場合、省エネルギーを進めてもオーナーは得をしな
いため、通常の設備より大きな初期投資を要する高効率設備の導入には消極的になってしまう（4）。需要家の省エ
ネルギー行動を効果的に促すためには、このようなさま
ざまな市場バリアを把握した上で、その解消が図られる
ように政策を設計・運用する必要がある。

図 3-6-3-1‌
電力中央研究所の代替シナリ
オによるケース間の感度分析 CO2 排出量と電気料金負担の対名目GDP 比

表 3-6-4-1

省エネルギーに対する主な市場バリア

バリア

内容

不完全情報

省エネ対策についての情報・ノウハウがない

3-6-4 省エネ・節電政策の研究

動機の不一致オーナー・テナント問題など、関係するアクター間の思惑が一致せず、取り組みが進まない取引費用対策の検討や関係者との調整に要する手間・労力（1） 省エネルギー政策と市場バリア

限定合理性

時間や気持ちの余裕がなく、検討能力にも限界がある

さまざまな温暖化抑制策の中で、需要側の省エネル

惰性
組織構造

従来からのやり方を変えることへの抵抗
組織の縦割り構造などのために対策が進めにくい

ギー推進は最も重要な対策の一つである。省エネルギーの推進には、3-5 節で述べたような省エネルギー技術の（2） 国内政策の評価

研究開発だけではなく、その普及や効率的利用も併せて

わが国では、石油危機を契機として省エネルギー法が進める必要がある。それらを促すための政策措置は、大施行され、諸外国と比べてもより積極的な政策が展開さ

電中研レビュー No.56 ● 113

第３章

図 3-6-3-1 は、当研究所の代替シナリオを、2030 年時れてきたといえる。現在の主な省エネルギー政策としてエネルギー推進にも重要な示唆があることから、その実は、次のようなものがある。

態を把握しておくことが重要である。そこで当研究所で・家電機器や業務用機器に対するトップランナー基準

は、2011 年〜 2014 年の 4 年間にわたって、震災後の事

・‌省エネルギー法による工場やビルに対するエネルギー,
業所・家庭における節電実態を定点観測してきた（7）（8）
。

管理規制

第３章

・省エネルギー設備導入に対する補助金
・省エネルギー診断事業による情報提供
これらの政策は重要な成果を上げてきた一方で、さま
ざまな改善余地があることも明らかになっている。例えば、1997 年に開始されたトップランナー基準は、市場に存在する最も高効率な製品（トップランナー）の水準の達成を求める厳しい規制であり、これまでのエアコン
効率や自動車燃費の向上に大きな寄与があった。その一方で、既に多くの製品で安価な効率改善余地が小さくな
り、消費者にとって投資回収まで長期間を要する場合が生じつつある（5）。また、省エネルギー法は、一定量以上のエネルギーを消費する企業に対して、エネルギー管理者の選任、エネルギー使用状況の報告、エネルギー消費
原単位の改善（年平均 1% 改善を目標とする）、省エネ
ルギー設備投資の計画提出などを求めている。当研究所の調査によると、これは自主的なエネルギー管理体制の構築に重要な効果があったものの、形式的な遵守に留まる企業も多いと考えられ、専門家による省エネルギー診断の活用などを通じて実質的な対策を促すような改善が

図 3-6-4-1

省エネ補助金の費用対効果の評価事例＊ 1）
文献 、＊ 2）
筆者試算、＊ 3）
文献（8）にそれぞれ基づく
破線は 2000 年代の回避可能原価を示す。
（6）

求められる（1）。
さらに、省エネルギー補助金も設備投資を促す上で重要な政策であるが、近年の予算は約 2,000 億円程度と多額に上っていることから、その必要性や費用対効果の確保が極めて重要となる。当研究所が実施した過去の補助事業の評価や他の評価事例を踏まえると、
費用対効果（削減費用）が回避可能原価と同程度であることから妥当といえる事業があった一方で（6）、かなり費用対効果が悪い事業が一部存在することもわかった（図 3-6-4-1）。
（3） 東日本大震災後の節電実態
東日本大震災以降、原子力発電所の停止等によって生じた電力不足を背景に、大幅な節電対策が進められてき

図 3-6-4-2‌夏期の業務系事業所（オフィス他）
における照明の間引き率の推移

た。次第に節電意識は緩和しつつあるが、2014 年夏時
点においても依然、電力需要は 2010 年比 5 〜 10% 程度抑制されている。
このような大幅な需要抑制が実現したことは今後の省

114

まず事業所に関しては、節電の取り組みレベルは年々低下してきたが、2014 年においても、照明の間引き率
は平均 10% 程度であることや、冷房設定温度が 2010 年

と比べ約 1℃高いことが明らかとなり（図 3-6-4-2）、依置が進む「PV バブル」をいかに収束させるのかである。

然として震災前よりは高い水準にある。設備の効率化に

そこで「見通し」では、火力・原子力の燃料費と再関する対策では、工場では LED 照明の導入とデマンド

エネ買取総額を合わせた「電力コスト」を、2013 年 9.7

管理対策、オフィス等業務系事務所では LED 照明の導兆円から約 5% 削減し、9.1 〜 9.5 兆円にするとした（図入と空調機の効率化による寄与が比較的大きいと推定さ3-6-5-1 ①）。
これは、PV バブルを収束させるために決定的な役割

また、家庭の節電継続状況も、総じていえば事業所を果たす。再エネの年間買取総額は 2030 年段階で 3.7に似ている。気温影響を取り除いた後の 2014 年夏季の

〜 4 兆円とし、その内訳はまず地熱・水力・バイオマス

電気使用量は、調査対象の東電・関電利用世帯で共に、の買取総額（約 1 〜 1.3 兆円）を決め、残り 2.7 兆円が2010 年水準より約 1 割少なかった。期間の後半ほど、PV（2.3 兆円）、風力（4,200 億円）に配分されるとして家電機器の購入や更新による効果（2014 年夏には約 4%いる。

と推定される）に加え、電気料金の上昇が節電行動に影

このように、我が国が再エネに支払える総額と、その響を及ぼしている。その一方、各種機器の節電意識や節内訳としての PV の買取総額の上限を示したことは評価

電対策の実施率は、引き続き低下傾向にあり（図 3-6-4-

できる。

3）
、テレビや冷蔵庫についての節電意識は震災前水準に近付きつつある。機器更新影響は逓減することが予想さ（1） 費用負担は PV 既認定分の動向に依存れるため、電気料金の上昇が落ち着けば、震災前と比べしかし、現状の固定価格買取制度（FIT）による買取総

た現在の需要減少水準が維持されなくなる恐れがある点

額は今年度既に 1.8 兆円を超えており、3.7 〜 4 兆円でに注意が必要である。

落ち着く制度的な担保は何もない。事業用 PV の設備認
定は、今年 3 月末までに累計 7,884 万 kW に達している。
前述の買取総額以下に抑えるためには、既認定分のうち運転開始する設備を 65% まで抑える必要がある。
他方、運転開始が既認定の 6 割に留まり、かつまだ運転開始していない設備に対する買取価格を 25 円 /kW 時に切り下げれば、PV 買取総額は 1.7 兆円となる。再エ
ネ買取総額の上限 3.7 兆円から、0.6 兆円を支出せずに済む（図 3-6-5-1 ②）。

図 3-6-4-3 家庭部門における主な用途の節電意識（2） 最大限導入にも合致
これには「政府の再エネ最大限導入に逆行する」という反論があるかもしれない。しかし実際には、莫大な3-6-5 再生可能エネルギー政策の現状と課題

PV 既認定分は、再エネの中でも極めて割高であり、その抑制によって、他の再エネの費用負担を効率的に再配2015 年 7 月 15 日、新しい長期エネルギー需給見通し
（案）
（以下、
「見通し」
）が決定した。本稿では、再エネ比率を達成するために必要な費用負担と実現可能性を検分できるという意味で、むしろ再エネ全体の導入を促進するといえる。
前述の節約可能な 0.6 兆円を、再エネの中で買取価格証する。

が相対的に安価であり、かつ安定的な発電が見込まれる「 見 通 し 」 で は、2030 年 時 点 で 再 エ ネ 比 率 を 22 〜

地熱発電等に回せば、再エネ比率を 2% 弱上積みできる。

24% とした。最大の論点の一つは、どのように太陽光発

つまり、莫大な PV 既認定分に投じる国民負担を、他

電（PV）の導入と費用負担のバランスをとるのか、よの再エネに振り向けるほうが、最大限導入に合致するのり端的に言えば、想定した導入見通しを大幅に超過し設である。

電中研レビュー No.56 ● 115

第３章

れる。

（3） 効率性を重視した負担と普及のバランス
もちろん、運転開始していないことを理由に、一度認を積み重ねてきており、以下では、国際交渉の動向を交えつつ、当所の分析結果の概要を紹介する。

定した PV 設備の買取価格を切り下げるという制度運用には、大きな困難が予想される。

（1） これまでの国際交渉の経緯

第３章

しかし、既認定分のうち運転開始が僅か 2 割という現1997 年に合意された京都議定書に基づき、2008 年か状を踏まえれば、今回の「見通し」は買取総額という概ら 2012 年までを第 1 約束期間として、先進国（米国・念によって、負担と普及のバランスを提示しているのでカナダ等を除く）が排出削減の義務を負っていた。しかあるから、改めて既認定分に対する負担の削減方策を真し、米国が議定書から離脱し、中国はもともと義務対象剣に検討すべきである。

外であるため、京都議定書だけではこれらの大排出国の排具体的には、既認定・未運開分に対して、買取価格を出を抑制できず、温暖化を防止するのに不十分であった。

切り下げることに加えて、年間導入量に上限を設け入札

そ の た め、2007 年 に 行 わ れ た 気 候 変 動 枠 組 条 約等の競争原理を導入する、あるいは一定期間内に運転開（UNFCCC） の 第 13 回 締 約 国 会 議（COP13） 以 降、始に至らない設備への認定取消等も考えられる。
「見通2013 年からの「ポスト京都議定書」の枠組みが交渉さし」を契機に、再エネを最小の費用で最大量の導入を図れてきた。

る効率性の観点に立ち返るべきである。

その結果、COP16（2010 年、開催地はメキシコのカンクン）と COP17（2011 年、開催地は南アフリカのダーバン）、及び COP18（2012 年）の合意によって、2020年までの枠組みが決まった。欧州連合（EU）等は、京都議定書の下で、2013 年から 2020 年までを第 2 約束期間として、引き続き、削減義務を負う。一方、ボトムアッ
プ型の枠組み（カンクン合意という）の下で、米国を含むすべての先進国が自主的な総量目標を、中国とインドを含む途上国が自主取組（GDP 原単位目標など）を掲
げ、その実施状況に対して国際的なレビューを行うことになった。また、カンクン合意は、温暖化影響への適応、資金支援、技術移転など途上国支援の強化も定めた。
同時に、COP17 では、2020 年以降の「ポスト京都議定書の次」の枠組みについて、2015 年の COP21 を交渉（出所 : ①エネ庁資料より作成、②筆者作成）

図 3-6-5-1

2030 年電力コスト

期限として、2012 年から検討を開始することが合意された。この合意は「ダーバンプラットフォーム」と呼ばれ、新枠組みの検討は、新設の「ダーバンプラットフォー

図 3-6-5-1 に示すように、2030 年「電力コスト」は莫
大な PV 既認定・未運開の動向に左右される。

ム特別作業部会」（Ad-hoc Working Group on Durban
Platform for Enhanced Action: ADP）で行われることになった。

3-6-6 国際枠組みの研究

ADP は、全ての国に適用される法的枠組みへの合意を目指しており、2015 年 11 月 30 日に開始する COP21

地球温暖化問題は日本一国だけで解決できるものではに向けて交渉の最終局面に差し掛かっている。

なく、グローバルな協調の下に進めていく必要がある。
そのため、1990 年代から 25 年近くにわたって国際交渉が行われ、国際枠組みが定められてきた。
当研究所は、長年、国際枠組みのあり方に関する研究

116（2） 国際枠組みの研究の概要と最近の交渉動向
当研究所では、国際枠組みについて、特に各国の削減
目標の決め方に着目して研究を行ってきた。

a. 京都議定書とカンクン合意の対比
京都議定書では、先進各国の削減目標（たとえば日本

分析が広く引用されるなかで、現在の努力水準では 2℃以内を満たせないという理解が定着した。

は 1990 年比で 2008 年から 2012 年に 6% 減）が国際交
渉における合意として定められ、各国はその目標を達成

b. 2020 年以降の新枠組み
このような中、2020 年以降の新枠組みの有力案としがとられた。この方式はトップダウンアプローチと呼ばて、ボトムアップとトップダウンを組み合わせた「ハイれている。国際レベルを上側（トップ）、国内レベルをブリッドアプローチ」を全ての国に適用するという考え

下側（ボトム）とすると、上側で各国の目標に合意して、方が浮上している。両者の組み合わせ方は様々であるが、下側に落としていくためである。

ADP で浮上したのは、「自国の排出削減に関する目標・

一方、2010 年の COP16 で決められたカンクン合意は、取組を自国決定する。ただし、決定の前に、目標・取組

この順序を逆にした方式に基づいている。つまり、各国の草案をその理解に必要な情報とともに提示し、草案には 2020 年までの自国の排出削減の目標や取組を自国で対する国際的な事前協議を行う期間を設ける」という考決定してから、その内容を国際的な場に報告し、その実え方である。自国決定というボトムアップアプローチの施状況に対して、国際的なレビューを受けることになる。

根幹を維持しつつ、草案提示と事前協議によってトップ下側で先に目標・対策を決めて、それを上側にあげるこ

ダウン的な側面を盛り込むものである。米国が 2013 年とから、ボトムアップアプローチと呼ばれている。ボト

3 月に提示し、賛否両論があるものの、この考え方を軸

ムアップアプローチでは、各国の目標・対策についてのに交渉が進んできた。

国際交渉は行われない （図 3-6-6-1）。
（1）

図 3-6-6-2 に、カンクン合意、
ハイブリッドアプローチ、
京都議定書第 1 約束期間の対比を示した。ADP で浮上したハイブリッドアプローチは、「（1）目標・取組の草案の事前提示」、「（2）各国草案に対する協議・評価」、「（3）
目標・取組の最終的な自国決定」、「（4）実施段階の透明性確保」、「（5）世界全体の努力水準の事後レビュー」という 5 段階からなる。図に示したように既存のカンクン合意に対して、第 1 段階と第 2 段階を追加したものと言図 3-6-6-1 ト‌ ップダウンアプローチとボトムアップアプローチの比較

える（2）。
2013 年 11 月 の COP19 で は、
「COP21 よ り も 十 分 に先立って（準備ができた国は 2015 年 3 月までに）約束

2013 年からはボトムアップ型のカンクン合意が主た草案を提示するように全ての国に招請」することに合意

る国際枠組みとなっている。この合意の下で、先進国だした。
「約束草案」とは、交渉上の用語で概ね、草案段

けではなく、中国・インドといった新興国も 2020 年ま階の目標を意味する。COP21 という合意期限の前の事での対策を掲げており、一部の先進国の削減義務だけを定めた京都議定書よりもカバー率が大幅に改善した。
一方、各国が提示した目標・対策を積み上げていっても、2℃以内に温度上昇を抑制するという理念目標に届
かないと指摘されている。この点は、2℃以内という長期の目標を 2020 年という短期の排出量にどのような考え方をもって転換するのかにも関わっており、簡単には結論は出ない問題である。ただ、国連環境計画（UNEP）
は 2010 年以降、各国の目標・対策を積み上げても 2℃以内を満たせないという分析を毎年発表しており、この

図 3-6-6-2

3 つのアプローチの対比

電中研レビュー No.56 ● 117

第３章するために、国内の計画・政策を決めていくという手順

前提示であり、ここまでは米国の提案に沿って進んだ。

しているが、COP21 に向けて詰めるべき論点がまだ多しかし、2014 年 12 月の COP20 では、草案提示後の事

数残っている。

第３章

前協議を 2015 年に COP21 に先立って実施することに合また、COP19 での合意に従って、各国は順次、約束草

意しようとしたが、中国やインドなど一部の新興国・途案を提出しているが、カンクン合意の時と同様に、約束

上国が強く反対し、合意できなかった。この点では、米草案を世界全体で積算して、2℃目標と整合するかどう

国提案から逸れることになった。

かが、大きな論点になると見込まれている。COP20 では、

新枠組みに大きな方向性は見えつつあるものの、詳細

気候変動枠組条約の事務局に対して、「約束草案の積上な制度設計については、各国間の意見の相違は現時点

げ効果」に関するレポートを 11 月 1 日までに取りまと（2015 年 9 月）でも依然として大きい。制度設計上の論

めるように要請しており、同月末に開始する COP21 で点には、①約束のタイプ、②目標年・周期、③約束に付整合性確保が課題となりうる。これ以外にも、途上国支す情報の項目、④事前協議・評価の方法、⑤約束の登録

援のあり方や米国参加の確保も課題として残っており、方法、⑥約束の法的拘束性、⑦透明性確保のルール、⑧

これらに応える方法として、当研究所では「取組を継続

事後レビューの役割とプロセス、⑨遵守メカニズムの採強化するための新たなプロセスの常設」を示した（3）。

否と役割などがあるが、
表 3-6-6-1 はこのうち、
②、
⑤、
⑥、

COP21 がどのような帰結を迎えるかは今後も予断で⑦、⑧について、2014 年時点に各国が示した見解を整きないが、日本の温暖化対策は国際枠組みに左右される（3）

理したものである 。現時点では、もう少し意見が収斂ため、今後もその動向を注視していく必要がある。

表 3-6-6-1 ハイブリッドアプローチの制度設計に関する各国の見解（2014 年時点）
論点

各国の見解
① 2030年（10年サイクル）（+中間レビュー）
（日本、
EU、
カナダ、
韓国、
インド等）
② 2025年（5年サイクル）（米国）

⽬標年・周期③ 2025年（5年サイクル）を支持するが、5年間の約束+その後の5年間の示唆的約束も可（後発開発途上国等）④ 5年間の約束+その後の5年間の示唆的約束（ブラジル、
南アフリカ等）⑤ 全ての国に2030年/2025年、
または先進国は2030年/2025年、途上国には多様性（※サイクルではなく年限のみ提示）（中国）① 新合意に刻み込む（inscribe）（EU、
後発開発途上国、小島嶼国等）

約束の登録⽅法② 合意の補足文書である国別の行程表（schedule）
に含める
（米、
豪等）
③ 法的文書の附属書や行程表に書き込む（南アフリカ）④ 新合意の添付書に含める（中国）① 約束に法的拘束力をもたせる（EU、
後発開発途上国等）② 約束そのものではなく、約束の提出、
その達成のための措置の実施、実施へのレビューを受けることに法的拘束力をもたせる（日本）

約束の法的拘束性③ ‌約束そのものではなく、約束の提示や透明性確保に拘束力をもたせる。
また、国内法で拘束力をもたせる（ニュージーランド）
または約束実施を下支えする国内の既存措置・予見される措置（そのうちの一部は法的効力を持つ）についての情報を提示（米国）④ 2020‐30年における排出削減・抑制のプログラム・措置を策定し実施することに拘束力（中国）① 共通の計測・報告・検証システムとアカウンティングルールが必要（先進国等）

透明性確保のルール② 最終的には共通システムを目指すべきだが、途上国は当面はオプションの中から自由選択できるようにすべき（南アフリカ）③ 全ての国に適用される共通ルールは不要であり、先進国・途上国の二分法に基づく既存システムを活用すべき（中国・インド等）① 遵守促進機能を中心とするメカニズムが必要（米、
豪、
南アフリカ、
メキシコ等）

遵守メカニズム② 罰則も含む遵守メカニズムが必要（スイス、
後発開発途上国等）③ 遵守のメカニズムが必要だが、内容は明言せず（EU、
ニュージーランド等）

118