平成26年1月25日 第7回つくば3Eフォーラム会議

つくば発

環境にやさしいエネルギーシステム「分散エネルギー連系システム」
石田 政義
筑波大学 システム情報系

CO2排出削減の考え方

1 / 29・ できることを実行しなければ進まない。
・ ドラスティックな方策でなければ大きな効果はない。
・ 責任が伴わない限り人は行動しない。

・ 環境は有限で修復にはコストがかかる。
・ 我々は国際的にリーダーシップを発揮すべき立場。

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第7回つくば3Eフォーラム会議

経済産業省次世代エネルギー・社会システム

2 / 29実証事業の概念（省エネ・CO2削減・経済成長）

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第7回つくば3Eフォーラム会議

エネルギー工学は何を目指すのか～個人的意見～3 / 29☆従前： CO2排出削減，一次エネルギー消費削減

原子力 ⇒主分散型電源 ⇒従★震災・原発事故後： 安全・安心，エネルギーセキュリティ向上

大規模・経済合理性

コンパクト・自然共生

分散型電源 ⇒主負荷調整 ⇒従2014/1/25

第7回つくば3Eフォーラム会議

“Holistic Engineering”のすすめ

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１．要素技術開発の寄せ集めでは限界→ 得意な能力を活かし弱点を相互補完する
２．巨大・複雑システムへの極端な依存は危険→ DIO(Do it ourselves)に基づくサバイバル術を獲得する
３．既存パラダイムや固定観念の行き詰まり→ 諸行無常・是生滅法 ・生滅滅已・寂滅為楽

水素・直流によるネットワーク化
すなわち、 Simple・Passive・Robustシステムの構築
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次世代環境エネルギー技術開発拠点の構築

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筑波大学 CNES実験実証設備の概要

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再生可能エネルギー直流連系システム：
カーボンニュートラルなエネルギーシステム技術の確立を目指した実証システム

再生可能エネルギー直流連系システムを使って，環境，安全，安心の時代に求められるエネルギーシステムについて各種実証実験を実施して，大規模な社会導入を目指しています。
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CNES実験実証設備の外観・配置

15kW+5kW
太陽電池パネル

5kW
風力発電機連系コンバータ群（建屋内）

1kW風力発電機

Li-i電池10kW+1kW×3
水電解COA-MIB
燃料電池群地中熱利用水素貯蔵装置
電気自動車

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7 / 291kW
風力発電機

都市ガス原料
純水素製造装置

ヒートポンプ

第7回つくば3Eフォーラム会議

太陽電池-純水素燃料電池との連系運用

8 / 29主電力供給

PVmodule

DC
DC
MPPT

Load

PEFC stack

DC
DC
CC

不足分供給

連系運用
COA-MIBsystemHydrogen
Air

Pump

Controller
Powersystem

ACDCCVi

不足分供給
余剰分逆潮

実験設備の構成

COA-MIB装置
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1kW級純水素燃料電池

5kW級太陽光発電設備

模擬負荷装置
第7回つくば3Eフォーラム会議

需給調整能力の検証運転

9 / 29～運用条件～
 電力負荷パターン
・2.3kW→1.0kWのステップ
減少変動 電力系統CV（定電圧）モード
 燃料電池電力系統の出力がゼロになるように電池出力電流をフィードバック制御
 COA-MIB装置MH水素吸蔵量：1500NL
MH温度：80℃
 太陽光発電MPPT（最大電力点追従）モード
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COA-MIBと純水素PEFCによる需給調整運転

第7回つくば3Eフォーラム会議

研究開発成果の市民への見える化具体例

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第7回つくば3Eフォーラム会議つくば市 DCモデルグリッド実証設備の概要
11 / 29

市民の環境意識の啓発を目的として、未来型エネルギーシステムの試作と運転を実施した。
「つくば環境スタイル」の一環として、未来型エネルギーシステムを市民に体感してもらう「クリーンエネルギー展」を開催。
太陽光発電や燃料電池などを直流連系した「DCモデルグリッドシステム」による電気融通や無停電を実証した。

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第7回つくば3Eフォーラム会議つくば市 DCモデルグリッド実証設備の運用結果
12 / 29

実証設備での測定データの例
晴天平日の測定データ

曇天休日の測定データ

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第7回つくば3Eフォーラム会議大型商用施設向け蓄電池システム

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経済産業省 蓄電複合システム化技術開発・コンパクト＆スマート
シティの核となる大型商用施設向けの蓄電池システムのEMS開発

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バッテリ - キャパシタハイブリッド蓄電システム開発 14 / 29
バッテリ-キャパシタハイブリッド蓄電システム(BACHES: BAttery/Capacitor Hybrid Energy Storage system)
前面

BACHES計測制
御コントローラ

背面

DC Bus→LiC
DC/DCコンバータ
LiC→LiB
DC/DCコンバータ
LiB,LiC充放電用
双方向DC/DCコンバータ
リチウムイオン
キャパシタ(LiC)

リチウムイオン
バッテリ(LiB)
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BACHESの構成と主な特長
DC power
supply+ - CV LiC mod
DC Bus+ -DC Bus + CVLiC+ -DC Bus + CVLiB+ --LMT2

LiC1
LiC2+LiB1+--+LiB2

SW4---+LiB3++

LMT1+LiB4

SW3-+

LiC3++-+

LiC4SW2PV1+

PV3

SW1+++PV2

LiB
CVLiC+• 変換器レスでの電圧変換• 太陽電池(PV)発電出力を高効率に蓄電• 需給調整の役割分担

LoadDC Bus 380 V

PV4

BACHESの主な特長

15 / 29+-+-----

Measurement
andcontrol unit

Main circuitControl line
Measurement line

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LiC: Lithium-ion capacitor
PV: Photovoltaic array
SW: Switch

LiB: Lithium-ion battery
LMT: Inrush current limiter

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MPPT制御動作と需給調整制御動作試験結果
需要とBACHESにおけるエネルギー供給源

MPPT制御用出力と日射強度
21000out
P LiCout
P LiB

1000

P MPPT LiCとLiBで適切に役割分担をしながら負荷へ
S Rad
800

電力を安定供給

500

600

0400

200
電圧も高精度で安定

500

日射強度に応じて400
LiC電圧=PV電圧を380制御し，最大電力点追尾を実現
360
340

0

9:00:00
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P LoadP PV

V Bus

V LiC

V LiB

140
120
100

120

240

360
Time [s]9:06:00
O'clock

480

600

Voltage [W]
V LiC V LiB

Voltage V Bus [W]Power P [W]

1500

Solar radiatio intensity [W/m ]S Rad

負荷へ電力を供給するコンバータ出力

16 / 2980

720
9:12:00

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垂直軸揚力型風車へのBACHS適用実証

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電気自動車を用いた需給調整実験

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EV充放電試験装置
メモリハイコーダによって交流電力も高精度に測定
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ＥＶ需給調整試験結果の一例

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制御間隔10秒

制御間隔30秒

EV蓄電池による需給調整有り

制御間隔30秒
356 Wh

制御間隔10秒
367 Wh

EV蓄電池による需給調整無し

649 Wh787 Wh

系統依存電力量の低減率
制御間隔30秒 45.1%
制御間隔10秒 53.4%

EVによる需給調整を行わない場合と行った場合とを比べると，EVによって需給調整を行う方が電力需給差が0に近づいている。このことは，電力系統に悪影響を与える割合が減少していることを示しており，EVを蓄電池として用いる際に一定の効果が得られているといえる。
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減災対応電源を利用したシステム
直流負荷(DC48V)

停電時
商用系統(AC100V)

E-the Power
通常/停電時
内部切替器(手動/自動)20 / 29
LED照明

LED街路灯E-the Power(AC100V)
停電時

太陽光発電
一般負荷
(AC100V)

変動電力(DC12~60V)

PC
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緊急時放送設備

照明

E-the2000 (2 kWh)

風力発電
第7回つくば3Eフォーラム会議つくば市非常用電源導入例

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つくば市立筑波西中学校
玄関LED照明

いざ！パワー

太陽電池パネル580W

非常用コンセント表示モニタ

谷田部中学校
茎崎中学校
桜中学校
大穂中学校
豊里中学校

五霞町
行方市
阿見町
茨城町
八千代町

遠野市 野田村（岩手県）
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国総研/つくば市

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水素供給実験（本学：技術的サポート） 22 / 29

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水素活用都市プロジェクト計画概要（水素タウン研究会） 23 / 29

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予想されるエネルギーフローの変化

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第7回つくば3Eフォーラム会議

エネルギーネットワークの適用イメージ

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第7回つくば3Eフォーラム会議地産地消を主とするエネルギーフロースキーム

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新エネルギーの既存技術に対する明白な関係

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 安定性，コンパクト性

化石燃料 ＞ 再生可能エネルギー 効率，経済性

大規模集中方式 ＞ 小規模分散方式

市場原理での自発普及はあり得ない→ 不便，高コストを受け入れる覚悟
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第7回つくば3Eフォーラム会議

情報発信としての3Eフォーラムの役割

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・ 環境先進宣言。
・ 研究開発成果の先行導入。

・ 企業等先端技術の実証への協力。
・ 実効的努力（行動インセンティブ）。
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第7回つくば3Eフォーラム会議29 / 29

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