主要な研究成果

新しい「エネルギーチェーン」概念による省エネ性と環境性の評価手法
背 景エネルギー需給の体系は、電力系統やガス等燃料ネットワーク、これらの需要端におけるヒートポンプやコージェネレーションシステム、あるいは将来の候補「水素」を介したシステムなど様々なものから構成される。これらの省エネ性や環境性の評価手法と各種原単位については、数多くのものがあるが、近年、技術革新に向けたエネルギー政策の議論や評価が多様化しており、共通の価値判断のために統一する必要がある。学術・技術の分化が進んだ結果、エネルギー需給の体系は、部分での最適化は進んでいるが、システム全体からみた最適性に欠けており、客観的・工学的な評価が重要である。

目 的
需要からエネルギー採取までの各種変換を含むエネルギーの流れをエネルギーチェーンとして捉え、これを工学的に評価する考え方と評価手法を提案し、評価例を示す。

主な成果
1．エネルギーチェーンの概念と評価手法の提案
需要家が享受する便益＊ 1 をエネルギー量で表した値を「最終エネルギー負荷」と定義し、これと最上流のエネルギー資源採取（一次エネルギー）＊ 2 を結ぶエネルギーの経路あるいは全体を「エネルギーチェーン」（以下 EC と呼ぶ）と定義する（図-1）。図に示すように、ある最終エネルギー負荷を賄うエネルギーチェーンは、複数の経路を取り得る。このため、これらの優良度を比較評価するために、変動する最終エネルギー負荷に基づく 2 つのエネルギーチェーン指数を定義する（図-1）＊ 3。指数の値が大きい方が省エネ性と環境性（CO2 排出量）に優れるチェーンとなる（逆数の場合には逆の評価）。さらに、排熱の発生・利用場所と量を含む熱量ベースのエネルギーの流れをエネルギーチェーン線図とよび、これにより対象とするエネルギーチェーンの特徴を視覚的に把握する。
2．エネルギーチェーン評価の例示①系統電力とヒートポンプ（系統＋ HP）による EC とコージェネによる EC に対して、変動する最終エネルギー負荷を用いた年間のエネルギー需給解析を行い、線図と指数を求めた（図-2）。試算条件では、省エネ性は等しく、環境性は系統＋ HP が優れるという評価結果を得た。
②定格負荷＊ 4 に対し、系統＋ HP とコージェネを、省エネ性を評価する EC ジュール指数（ECJI）で比較し、コージェネが省エネとなる領域を求めた（図-3）。コージェネ発電効率（η cge ）＞系統電力需要端効率（η g ）ならばコージェネが省エネである。熱電比が大きくなるとコージェネの省エネ領域は狭まり、η g 、ヒートポンプ成績係数（ξ HP）で決まる値で消滅する。η g 、ξ HP が高くなれば省エネ領域は狭くなる。例①のコージェネは定格負荷では省エネ領域内だが、年間運用では熱が使い切れず熱回収効率が低下し省エネ分岐線上に移動する。この結果から、年間を通した運用形態を考慮して評価する必要がある。

今後の展開
エネルギーチェーンの概念・評価手法を国内外に発信するとともに、本手法を用いた解析のためのソフトウェアを開発し、評価例を蓄積する。
主担当者

エネルギー技術研究所 システム熱工学領域 上席研究員 斎川 路之エネルギー技術研究所 システム熱工学領域 主任研究員 橋本 克巳

関連報告書「エネルギーチェーンの新しい概念と評価手法の提案」電力中央研究所報告： W03006（2004年 2 月）
「エネルギーチェーン評価手法の適用−コージェネとヒートポンプの比較検討−」電力中央研究所報告： W03007（2004 年 2 月）

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6．化石燃料発電／火力発電高効率化
エネルギー採取（一次エネルギー）

経

水力・風力・地熱・太陽・バイオマス
廃棄物等

原 子 燃 料石炭等

天 然 ガ ス

石油

最終エネルギー 最終エネルギー
負荷（便益）
消費路

産業需要等
大型
電源

輸
送・
改質・
転換
・液
化・
精製等

電力ネットワーク
高付加価値
物質併産

ク
リーン
海 燃
外 料・ 基
国内 地

照明器具
冷蔵庫
電気道具
エレベータ
等

職住照明
職住冷蔵
職住作業等

空調ヒート
ポンプ

職住等
空気調和

LNG
DME
GTL
メタノール
水素等 超高効率

一次エネルギー消費量（MJ）
環境性
エネルギーチェーン炭素指数（ECCI: Energy Chain Carbon Index）
最終エネルギー負荷積分合計（MJ）＝職住等
給湯オンサイト
コージェネ

ガス等クリーン燃料ネットワーク

最終エネルギー負荷積分合計（MJ）
＝給湯ート
ポンプ

需要地小型電源等

省エネ性
エネルギーチェーンジュール指数（ECJI: Energy Chain Joule Index）

CO2排出量（kg-C）
または、この逆数。
※ 高位発熱量（HHV）基準で算定。

吸収冷凍機
冷温水機

高付加価値物質併産（注）最終エネルギー消費段階でのクリーンーン燃料の燃焼装置は除外。

最終エネルギー負荷からエネルギー採取までの各種変換を含むエネルギーの経路あるいは全体をエネルギーチェーンと捉える。

変動する最終エネルギー負荷を基に、種々のチェーンの省エネ性と環境性（CO2排出量）を評価する指標を定義する。指数の値が大きい方が優れたチェーンとなる。

（a）エネルギーチェーンの概念（b）指数の定義

図-1
エネルギーチェーン・ジュール指数
ECJI=(41+30)/137=0.52
エネルギーチェーン炭素指数
ECCI=(41+30)/1.37=51.7 MJ/kg-C
発電所
13766

エネルギーチェーンの概念と指数の定義
エネルギーチェーン・ジュール指数
ECJI=(41+30)/137=0.52
エネルギーチェーン炭素指数
ECCI=(41+30)/1.81=39.3 MJ/kg-C
環境へ
1911（省エネ法）

発
電所
30

環境へ
66+22=88

1930（発電効率28％）
2241

電力負荷
41

都市
ガス

HP

給湯負荷
30

10749（省エネ法）
8

COP=4環境へ
47

給湯負荷
30
燃料電池の総合効率
定格：28+38=66％
年間=(30+30)/107
×100=56％

高分子燃料電池コージェネ+系統電力

系統電力+給湯ヒートポンプ

図-230（熱回収率38％）

電力負荷
41

住宅を対象に、系統電力＋ヒートポンプとコージェネについて、変動する最終エネルギー負荷を使って年間のエネルギー需給解析を行った結果を簡略に表示した。省エネ性（ECJI）は等しいが、環境性（ECCI）は系統電力＋給湯ヒートポンプが優れるという結果である。
※系統電力の需要端効率は0.36程度（省エネ法の値 よ り ）。 給 湯 ヒ ー ト ポ ン プ の 成 績 係 数 ：COP（熱出力÷投入電力）は4（ 既に実現している値）。
※負荷をMJ単位、CO2排出原単位を、系統電力
0.101kg-C/kWh、都市ガス0.0140kg-C/MJとしてECCIを算出。

エネルギーチェーン評価の一例、指数、線図（ヒートポンプとコージェネの比較）

0.4

領域１
領域
１

省エネルギー分岐線

コージェネ発電効率 ηcge

（コージェネが省エネ）ージ ェ（ηg =35%, ξHP=4）0.3

定格負荷に対して、コージェネのECJIと、系統電力＋ヒートポンプのECJIを比較し、両者が等しくなる曲線を導出し、横軸を負荷熱電比φ、縦軸をコージェネ発電効率ηcgeとした"マップ"上に示した。

領域０（コージェネ不成立）

0.2
高分子燃料電池
年間変動負荷0.1

高分子燃料電池
定格負荷

ηg ：系統電力需要端効率、ξHP：ヒートポンプ
成績係数、 ηcge ：コージェネ発電効率、ηcg ：コージェネ総合効率、φ：負荷熱電比

η cg-=100%
η cg-=80%
η cg-=60%

領域２（コージェネが省エネではない）
0012345678910負荷の熱電比 φ

図-3ジュール指数による省エネルギー性マップ＊1：需要家が求めるものはエネルギーではなく、「明かり」や「快適な温湿度」などの便益である。＊2：本報の範囲では一次エネルギー供給とするが、将来は拡張を目指す。＊3：エネルギーチェーン研究会（平成13年8月〜平成15年3月、当所主催、主査：笠木伸英東京大学教授）において、機械、電気、エネルギー、官庁、ゼネコンなどの識者の参加を得て議論した結果、国際的にも通用する客観的な指標として「エネルギーチェーン指数」の重要性が合意された。＊4：コージェネでは、定格出力と需要が電気・熱ともに一致する場合において最も省エネ性が高くなる。この需要を「定格負荷」とする。

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