ま え が き
新エネルギーとは，今後の技術開発によって実用が期待される類の石油代替エネルギ
ー全般を指しているが，その開発は石油危機を契機として国の内外で活発に展開された。
しかし，石油危機が去ると新エネルギーに対する社会の関心は薄らぎ，特に経済性の点からその早期実用化に対する期待度も低下したように見えた。
ところが，最近顕在化してきているといわれる地球温暖化問題において，その主原因が化石エネルギーすなわち在来形エネルギーの多消費によることが明らかになり，したがって今日新たな視点から新エネルギー開発の重要性が喫緊の課題として認識されるようになってきた。
ここで取り上げた「コージェネレーション技術」は，原理的にはガスエンジンなどの原動機あるいは熱交換技術を基礎にしており，全体としては既存技術に分類されるものであろうが，発電と熱供給の総合熱効率は，発電のみの場合に比べ格段に高いレベルが期待されること，さらに天然ガス・コージェネレーション技術は，石油・石炭系燃料に比べ温室効果ガス発生量が低いこともあって，国の長期エネルギー需給見通しでも「新エネルギー」として分類されていること等もあって，今後普及・拡大が期待される新しいタイプのエネルギー利用技術として捉えることができる。また，近年経済活性化の一環として取り組まれている電力自由化の流れの中で分散型電源が注目されているが，その中で「コージェネレーション技術」は重要な役割を占めるものと考えられる。
そこで，今回「コージェネレーション技術」を本新エネルギー展望シリーズで取り上げ，特に読者におかれて同技術に対する認識を深め，今後の展望を考えられる際のご参考となることを願って，原理等の基礎的な話からはじめて，要部技術の概要，課題，あるいは経済性などを取りまとめた。
同編集に際しては，当所の高倉毅プロジェクト試験研究部部長の協力を得て，エネル
ギー技術情報センター（センター長

小川紀一郎）において作成した。

おわりに，このシリーズの刊行は，財団法人電力中央研究所からの委託業務「エネルギー技術情報に関する調査」の一環をなすものであり，同研究所に対して深く謝意を表する。
2002年３月
財団法人

エネルギー総合工学研究所
理事長

秋

山

守

新 エ ネ ル ギ ー の 展 望
コージェネレーション技術
目
はじめに

次

................................................................

1....................................

2........................

5................

5

１

コージェネレーションシステムとは

２

コージェネレーションシステムの期待，位置付け
2.1

３

2.2

コージェネレーションシステムの普及状況と将来予測..................................
エネルギー政策における位置付け

72.3

電源構成とコージェネレーションシステムとの関係..................

9............................

10..................

10

コージェネレーションシステムの形式と特性
3.1
3.2

４

コージェネレーションシステムのサイクル熱的特性..............................................
システムの基本形式..............................................
主要構成機器の技術概要......................................................
(1) 熱機関の分類

15..................................................

15................................................
(3) ディーゼルエンジン......................................................
(4) ガスタービン

16........................

17(2) ガソリンエンジン

18
20
21

..................................
コージェネレーションシステムの計画..............................................
5.1
対象施設と負荷特性

22............................................

26..........
コージェネレーションシステムに関する諸制度・助成措置の概要............................................................
6.1
概要

28
28

..................................................

規制緩和の動向........................................................
助成措置

29

................................
コージェネレーションの技術開発と課題..........................................
7.1
最近のＣＧＳの開発動向34..........................

34................................................................

37

6.2
6.3
７

16

........................................

5.2
６

15

(5) コージェネレーション用としての原動機の選定..............................................
(6) ヒートポンプについて(7) 吸収式冷凍機，吸収式温水機..................................................
(8) デシカント空調機
５

12

7.2
あとがき

経済性の評価について

ＣＧＳを構成する主要原動機等の開発動向

22

31

34

は じ め にいう意図にかける。
さて，ＣＧＳの実際の適用においては，日本

近年顕在化してきている地球温暖化問題へのにおける熱供給網の整備の関係もあり地域密着

国際的な取組みとして国連の「気候変動枠組み

形電源，いわゆる分散型電源とならざるを得な条約－京都議定書」発効の成否が注目されていい。分散型電源は，近年の電気事業法の改正なたが，最近の状況では所定条件もほぼ整い発効

どもあって建設等に関わる許認可手続等が大規の目途が立ってきた様子である。同議定書にお模発電の場合より簡素化されていることに加えいて我が国は2010年頃における温室効果ガス排建設費自体も低めとなる，と同時に送電線が不出量を1990年度の比較で６％削減することが義要なため送電に伴なうエネルギー損失および建務付けられている。その内エネルギー起源分の設費の低減面でも有利である。その様な特徴も主要対策として，「省エネルギー」，「新エネあって近年ＣＧＳの採用は増大してきており，

ルギー」，および「その他（燃料転換など）」

2002年３月末で約600万kW（内，天然ガス焚きが挙げられている。

244万kW）まで利用されてきている。なお，国本書で取り上げた「コージェネレーションシのエネルギー政策上は，天然ガス焚きＣＧＳのステム」（略称，ＣＧＳ）は，上記主要対策全みを「新エネルギー（需要サイドの新エネルギてにわたって関係が深く，その採用によりエネー）」の一つとしてとらえ，2010年に464万kW

ルギー利用効率が上昇したらそれに対応した化の規模を掲げているが，最近増大してきている

石燃料使用量，従って温室効果ガスも低減する。

とはいえ，同目標値達成には更なる努力が必要

またその燃料として石油系燃料に代わって発熱とされている。

量あたり炭素含有量の少ない天然ガスを使うこ

さて，ＣＧＳはこのように期待される技術でとができれば，温室効果ガス削減上の相乗効果あるが，ＣＧＳ設備容量，すなわち発電設備とが期待される。

熱供給設備容量が実際の需要と大きくかけ離れ

コージェネレーションが何故エネルギー利用

ると設備の性能は発揮されず，また経済性でも効率上優れているかは良く知られたところでは予想した成果を得ることが困難となる。従って，あるが，簡単に述べると燃料が燃焼するときのこの需要（負荷）と設備容量の組み合わせにおエネルギーを高温，中温，低温へと直列的に利ける最適化はＣＧＳシステムの成否を左右する用し，その保有するエネルギーを最大限に利用重要なポイントであると考えられる。

するためである。

本書は，以上の背景と特性を持ったＣＧＳに

これは，具体的には高温度のエネルギーは高つき特段の前知識のない一般の方々でもＣＧＳ

温度でないと利用できぬ機器（例，熱機関）にの特性を理解頂けることを狙い極力技術的な特利用し，その後流に排出されるより低温になっ徴，特質を中心としてとりまとめた。本書がＣたエネルギーは，その温度でも充分な機器（例，ＧＳの概要把握とその位置付けを考える際のい熱回収装置）で回収することにより達成される。

ささかなりとも参考になればと期待する。

これは熱の直列的な利用ともいわれる。
これに対し，従来方式では，熱機関による発電にせよ，給湯器による温水発生にせよ，エネ
ルギーは例えどのように高温であっても，その目的のためにのみ利用し，それ以外は一般に廃棄する。すなわち熱の並列的利用が主体であり，後流に流れ出たエネルギーを充分に回収すると
－ 1 －

１

コージェネレーションシステムとはの内容はそれぞれの利用の目的に応じて異なってくる。例えば，動力の場合では発電が目的で(1)，(6)(1) コージェネレーション(ＣＧＳ)の定義

あれば，原動機で発電機を駆動することになる

コージェネレーション（Cogeneration）あるが，冷暖房が目的であれば原動機から直接ヒー

いはコジェネレーションシステム（Cogeneration

トポンプ駆動用のコンプレッサを駆動すること

System）とは，広義には１次エネルギーから連で充分である。

続的にしかも同時に２種類以上の２次エネルギ
ーを発生させるシステムと定義される。

排熱利用の場合も基本的な考えは同様である
が，熱をより有効に利用する視点に立てば，高

実際的には，都市ガス，石油ガスなどの燃料

温から中温，低温へとその温度レベルに応じたからディーゼルエンジンガスタービンなどの原

適正な排熱利用を考えることが重要とされる。

動機を駆動し，その動力利用（一般に発電）と

図1－1(6)にその概要を示す。たとえばより高排熱利用（熱供給）を可能にしたものである。

温度の蒸気を必要とするなら排熱回収ボイラでなお，日本にはこの概念が紹介された当初は

高温の蒸気を得，次いでより温度の低い温水が熱電併給あるいは熱併給型発電と称されていた必要であるなら，利用した後の排蒸気を使うか，が，最近は上述のようにコージェネレーション

排熱回収ボイラに於てより低温度レベルで回収あるいはコージェネレーションシステム（以下した温水を利用するなど，その必要とする温度

ＣＧＳと略称）に定着してきている。

に最小限満足する加熱源をあてるというのであ

なお，欧米では，ＣＧＳをコンバインド・ヒ

る。
水力発電の例では，川の上流から下流にかけ

ー ト ・ ア ン ド ・ パ ワ ー （ Combined Heat andて複数の水力発電ダムを設置して，上流から下Power：ＣＨＰ）と称することが多い。
また，ＣＧＳに対して，発電のみを行うシス流までに流れる水を段階的に利用する方法が，テムをモノジェネレーション（Monogeneration

エネルギーの効率的利用に際し望ましいとされ：ＭＧＳ）と称する場合がある。

ているのと同様，燃料の燃焼によるエネルギー利用においても高温から順次低温へと有効利用する。これをエネルギーのカスケード利用とい(2) ＣＧＳの種類
次にＣＧＳとしてどういう種類（機器の組み合わせ）があるかを述べる。ＣＧＳは，動力とい，その特徴を基に具体化したものがＣＧＳである。

排熱利用の組み合わせから成ると述べたが，そ図1－1

燃料を燃焼した時の高温燃焼ガスでお風呂のコージェネレーションにおけるエネルギーの多元利用(出典：井上宇市他，コージェネレーション技術入門)－ 2 －お湯をわかすよりも，高温度レベルでしか得ら

より高効率利用できるからである。また，そのれない動力回収を先ず行って，そこから排出さ概念がエネルギー利用効率上優れていることは，れて通常なら使い物にならぬ排ガスでもお湯の理論的にも説明されている(5)。図1－2(1)はこの加熱源として利用可能とするなどエネルギーを考えを図示化したものである。

図1－2

熱エネルギーの利用形態(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)(3) ＣＧＳの特徴(1)いることにより「省エネルギー性」に優れた特

ＣＧＳの特徴としては次のように集約される。
①

性を有しているということができる。なお，省
エネルギー性を示す一例を図1－3(1)に示す。同

総合的にエネルギー利用効率が高い
ＣＧＳは前述のように一次エネルギー（燃図の例では最終的に電力を27％，熱を45％得る料）を燃焼する際に得られる高温度のガスからシステムにおいて，従来のシステム（発電とボ順次電力と熱を最大限に取り出していくシステ

イラによる熱発生を別々に行ったシステム）でムであるので，電力のみの発生（発電）の場合

は，入力エネルギーは，133％必要であるのにより，総合的に高い効率が得られる。その値は，対し，ＣＧＳでは100％で済むことを示してい

原動機の種類など機器構成によっても異なるが，る。
なお，この場合の省エネルギー率は，約25％

一次エネルギーの70％～80％（低位発熱量（ＬＨＶ）基準，以下同様）の値となる。

（≒（133-100）／133）と算出できる。なお，②

オンサイトシステム（分散型電源）である

上記は，従来システムとＣＧＳとの比較である

ＣＧＳは，電気または熱を必要とする場所で，が，同じＣＧＳの中でも，給湯にヒートポンプ

発電あるいは熱供給が可能であるためいわゆるを使えば更にエネルギーの節減がはかれるとの分散型電源あるいは分散型熱発生技術，すなわ

考えもある。

ちオンサイトシステムといえる。このため送電

③

環境保全性

などエネルギー輸送に伴う損失が少ない，更に電気と熱をともに利用する従来システムとの大型集中発電に比べて経済性向上や建設が容易

比較を考えた場合，二酸化炭素発生に関しては，であるなどのメリットも期待されている（経済

燃料消費量に比例するので，上述の省エネルギ

性については後述）。以上①，②を兼ね備えてー率と同様同発生量は約25％低減する。

－ 3 －

図1－3

ＣＧＳの省エネルギー性(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)

なおここで注意を要するのは，モノジェネレ

経済性に係るプラス要因としては，発電に伴うーションの場合は，発電のみとなるので発電効

基本料金と電力代が不要となるかまたは減少す

率自体での比較／位置付けを明確にしておくこるという特徴が挙げられる。

とが必要と考えられる。例えば最近の大規模火

具体的な経済性評価は，単純投資回収年数

力発電ではその効率は55％（低位，発電端）を(注)

越す発電所も出現してきており，また系統全体

はライフサイクルコストで評価される場合が多でも40数％（低位基準）が得られているのに対い。経済性に関する詳細な説明は後述する。

（一般に５年未満が望まれている）あるい

し，上述モノジェネレーションでは，原動機（燃料電池を除く）の発電効率は30～40％前後（注

単純投資回収年数＝（設備費増分／ランニングとなる。このように，モノジェネレーションのメリット）＝｛（ＣＧＳのイニシャルコスト）－場合は分散電源とはいえ，化石燃料を使う限り（従来システムのイニシャルコスト）｝／｛（従大規模火力発電には及ばない。また燃料と形式

来システムのランニングコスト）－（ＣＧＳのラにもよるが，窒素酸化物とばいじん排出量に関ンニングコスト）｝

しては，一般に大規模火力発電ほどその対策は徹底してないといえる。しかし，技術開発もあなお，近年の環境保全性の評価に関連してＣ

りその排出濃度は分散電源に課される国あるいＧＳの省エネルギー性や環境保全性を環境会計

は地方自治体の規制値を充分満足するレベルまに含めるべきとする意見も出ている。

で処理される。

⑤④

エネルギー供給信頼性
ＣＧＳで得られた電気は，系統連系（商用電

経済性
経済性に関しては，ＣＧＳを導入した場合と力系統に組み入れて利用すること），または系
統分離（商用動力系統と独立して特定の用途にしない場合との比較で判断される。
先ず経済性に係るマイナス要因としては，イニシャルコスト（設備費）およびランニングコ

利用すること）のいずれの形態でも適用可能である。

スト中の燃料費，メンテナンス費，自家発電補

従って，非常用あるいは保安用電源として兼給電力の契約に伴う電気料金などがあげられる。

用できる条件を満足できれば，商用電力系統が

－ 4 －

２

停電したときでも電気を送り続けることができ

ＣＧＳの期待，位置付けるので，電力供給の信頼性が高いといえる。
なお，既存のシステムがボイラ等による熱供給を受けている場合，同熱源のバックアップ用

2.1

ＣＧＳの普及状況と将来予測(1) ＣＧＳ利用の現状(1)(2)(8)として利用可能であり，従って熱源の２重化とＣＧＳに関しては，1980年より採用が始まりいう視点からも信頼性は向上するといえる。

1986年頃（S.61頃）にその採用数が増加したが，更に規制緩和や技術開発と相まって，特に1989～1991年頃に急激な採用数の増加が見られた。
1992年以降は，バブル崩壊の影響もあってか，
その伸びはやや停滞傾向が見られるものの，近年毎年400～450MWの導入がなされている。図2－1，図2－2(7) に年度別発電容量，設置状況を示す。2002年３月末（見込み含む）の設備導入
実績（累計）は，設置件数3,851件，発電出力で605万kWが稼動している。
なお，天然ガス焚きのＣＧＳに関する導入実績（累計）は，同時期にて，設置件数1,686件，発電出力で244万kWとなっている。その内訳は，民生用1,226件，55万kW，産業用460件，189万
kWと件数では民生用が多いが，容量的には産業用が圧倒的に多い(8)。

図2－1

コージェネレーションの年度別導入推移（累計）(出典：コージェネレーションVol.17)

－ 5 －

図2－2

コージェネレーションの年度別導入推移（年度別）(出典：コージェネレーションVol.17)(2) 将来予測(2)は，業務用の標準値が採用される。また産業用国としての長期エネルギー需給見通し（次項に関しては，排熱を蒸気として利用できるため，

で紹介）とは別に，民間の研究機関にて想定さ製造業の熱発生用ボイラの設備更新時に導入されている将来導入見通しを紹介する。

れるとし，その容量計算には蒸気ボイラの容量

その条件として，コージェネーレーションをがベースとなっている。その結果，2030年時点

取り巻く環境が現行の状況（1999年）がそのまの全ての燃料を対象としたＣＧＳの潜在需要量

ま推移するとした場合の想定に基づいている。

は，6,120万kW，現実的導入予想量は，1,102万

それによると，民生用は一定規模以上（5,000

kWと試算されている。

2ｍ ）の建物が建築される際に導入されるとし，同試算結果を図2－3(2)に示す。

その容量計算に必要な単位面積あたり熱需要量

図2－3

コージェネレーション導入想定比較（コージェネ全体，スチームタービン含まず）(出典：天然ガスコージェネレーション計画・設計マニュアル2000，(社)日本エネルギー学会)－ 6 －エネルギー政策における位置付け(2)2.2

・クリーンエネルギー自動車（電気自動車，(1) コージェネレーションと天然ガスＣＧＳ

ハイブリッド自動車，天然ガス自動車，メＣＧＳは特徴の項でも述べたように，燃料のタノール自動車）

如何を問わず従来方式に比べて，特に省エネル
上述のように天然ガスＣＧＳは，新エネルギ

ギー性に優れている。
その様な意味から，ＣＧＳが普及・伸展するー（需要型新エネルギー）として位置付けられこと自体が我国のエネルギー需給構造の改善かており，平成13年６月の総合資源エネルギー調

らも好ましいといえる訳であるが，特に燃料が査会による「長期エネルギー需給見直し」にお「天然ガス」の場合は，前述のように「新エネける長期的目標値として，先にも述べたようにルギー」 注 １ ， 注 ２ として位置付けられ，その導2010年度目標ケースにおいて464万kWが掲げら入・普及の拡大が我が国のエネルギー政策上かれている。一方，天然ガス焚きＣＧＳは，近年らも期待されている。

増大してきているとはいえ前述の通り2002年３

注１

新エネルギーの定義としては，「新エネルギ

月末時点で244万kWであり，2010年度に464万kW

ー利用に関する法律」によれば，次の通り表記

達成のためには，今後年間約30万kWの規模増大されている。「新エネルギー利用等とは，石油が必要と判断されるが，近年の実質増加量（年代替エネルギーを製造し，若しくは発生させ，間約20万kW）は未だかなり不足しており今後一又は利用すること及び電気を変換して得られる層の普及拡大が期待されている。同見通しを他

動力を利用することのうち，①経済性の面におの新エネルギーの目標値とともに表2－1に示す。

ける制約から普及が十分でないものであって，②その促進を図ることが石油代替エネルギーの導入を図るため特に必要なものとして政令で定

1999年４月に改正された「エネルギーの使用めるもの。」（新エネルギー利用等の促進に関の合理化に関する法律」（通称「省エネ法」）

する特別措置法1997年6月制定，通称「新エネは，産業，運輸，民生等幅広い分野でのエネル法」）。すなわち，日本における「新エネルギ

ギーの使用機器，設備を対象とした法律である。

ー」は，端的にいえば，非石油エネルギーと解

その中でコージェネレーションは「エネルギー利用効率化設備」として認識されその省エネ

釈してもよさそうである。
注２

上記の政令で定められる「新エネルギー利用等」の対象範囲とは，次の通りである。

①

ルギー効果をある手法で考慮できることが認められている。例えば設備のエネルギー効率によ

供給サイドの新エネルギーる評価指数であるエネルギー消費係数（ＣＥ・太陽光発電Ｏ）算定時にその省エネ効果を算入できること・風力発電などである(2)。これはＣＧＳ等で削減できる一・太陽熱利用次エネルギー量（省エネルギー量）から建築物・廃棄物発電全体での省エネルギー効果を数値化し，ＣＧＳ・バイオマス発電等がない場合の値と比較（および修正）を行な

・未利用エネルギー

うというものである。ＣＧＳを採用することで・廃棄物熱利用

省エネ効果を定量的に把握し，目標とする省エ・バイオマス熱利用②(2) ＣＧＳ自体の省エネルギー性への期待(2)他

需要サイドの新エネルギー

ネ基準値の達成に効果が認められたことを示すものでもある。

・天然ガスコージェネレーション
・燃料電池

－ 7 －

表2－1

新たな新エネルギー導入目標(出典：総合資源エネルギー調査会 総合部会／需給部会（Ｈ13)

－ 8 －

2.3

電源構成とコージェネレーションとの関係(1) 電力会社の電源構成との関係
現在日本の電力会社の年度末設備電源構成（平成13年度，含む推定）を図2－4に示す。同
図に示されるように各電源の比率は，原子力（20％），水力（19％），石炭（13％），ＬＮ
Ｇ（26％），ＬＰＧ他（２％），および石油（20％）となっている。一方，発電電力量電源
構成（kWh）(平成13年度，含む推定)を図2－5に示す。同図に示されるように各電源の比率は，原子力（34％），水力（10％），石炭（20％），
ＬＮＧ（27％），ＬＰＧ他（２％），および石油（７％）となっている。これらの比較で，その電源がどの程度利用されているかの概要を知ることができる。例えば，原子力設備容量は20％しかないのに実際は34％の電力量をまかな

図2－4

電源種別々年度末設備構成比

っている，石油は20％も設備容量があるのに実(10電力・卸電気事業者・卸供給事業者その他)

際は７％の電力量しかまかなっていない等であ(出典：中央電力協議会

る。すなわち設備の利用のされ方に相違がある

平成14年度供給計画の概要(平成14年３月))

ことを示すものでもあるが，現在電源設備全体としての年間平均負荷率は60％を割っている。

(2) 分散エネルギー電源としてＣＧＳは，分散型電源としても位置付けられこの傾向は将来とも余り変らぬと見込まれている。このことは，発電設備としては夏場の冷房（注）による最大電力負荷（ピーク負荷）にも対応可ていることもあり排熱の有効利用も図りやすく能な設備規模とすることが求められる。すなわ

総合効率の向上が図り易いということである。

ちピーク時以外の（大部分の）期間における電

しかし，一方分散電源が，上記のピーク電源に力負荷は設備規模よりかなり低くならざるを得

対応して設備費やエネルギーコストの低減といない。電力会社は，そのために年間通じて環境

う経済的理由からのみ採用される場合，コジェ

特性と経済性に優れた発電設備（ベース電源，

ネよりもモノジェネが優先される可能性がある

例えば上述の原子力発電）で年間ほぼ一定負荷ので，そうなるとエネルギー全体の効率低下をで利用し，ピーク時には，その時のみ稼動（ま招き，環境への悪影響を及ぼすことになること

たは負荷増大）する設備（ピーク電源，例えばが懸念される。

上述の石油火力）で対処することを求められる。

（注ているが，その大きな特長は地域に密着しＣＧＳを分散電源として位置付ける考えは，電それと同時にピーク負荷の減少に結びつく方策

気事業審議会の電力基本問題検討小委員会報告として負荷平準化の努力も並行的に求められて（平成３年６月中間答申）等にも見られるようにいる。従って，ＣＧＳは天然ガス焚の新エネル

国の審議会の中で示されている。それによれば

ギー電源としての役割の他に，このようなピー「分散電源の開発・導入については，エネルギークに寄与する（あるいはピーク負荷の減少につのセキュリティーの向上，ＣＯ2対策等環境問題へながる）設備として期待される面もある。

の寄与の観点から，自然エネルギーや廃棄物処理

－ 9 －

３

等の 分 散電 源，熱 併 給型 （ コー ジ ェネ レ ーショ

ＣＧＳの形式と特性(1)(3)ン）の分散電源でエネルギー効率の高いものについては，強力に推進する必要があると考える。」

3.1

ＣＧＳサイクルの熱的特性と述べられている。）(1) 熱機関について
コージェネレーションは，前述のように熱機
関による動力発生と熱交換器による熱エネルギ
ーの発生とを組合せ，燃料の本来保有するエネ
ルギーを効率良く回収するものであるが，ＣＧＳに適した熱機関とは，ガスエンジン，ガスタ
ービンなど直接高温燃焼ガスから動力を回収する技術が（最高温度に位置する機関として）選定され，従ってその方式は通常内燃機関が採用される。同機関を出た燃焼ガスは，次いで蒸気発生装置（または熱交換器）で蒸気（または温水）を発生し，後流の熱源として利用される。
なお，ここで蒸気発生装置（ボイラ）で発生した蒸気は，蒸気タービン等の外燃機関で動力が回収される場合もある。
そこで，次に基本となる熱機関について，そ

図2－5の特性につき基礎的事項を中心として述べる。

電源種別々発電電力量構成比(10電力・卸電気事業者・卸供給事業者その他)①

熱機関の基礎となるサイクル（カルノーサ
イクル）(出典：中央電力協議会

熱機関の種類を問わずサイクル論の基礎ある

平成14年度供給計画の概要(平成14年３月))

いは比較対象として最も良く用いられるサイク
ルがカルノーサイクルである。これは熱機関上最もシンプルで，また効率も高いことから，サイクルの検討を行う際の指標として適しているからである。
同サイクルの概念図を図3－1(3)に示す。同図
は，温度（Ｔ）とエントロピー（Ｓ）軸上に燃料，燃焼ガス等の変化の過程を示したものであり，２つの等温変化（Ｔ一定）と２つの断熱変化（Ｓ一定）から成立つサイクルである。同図において，時計廻りの変化（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ）
を「熱機関」と称し，反時計廻りの変化（Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ）を「ヒートポンプ」と称す。いいかえれば，「熱機関」の場合は，外部へ動力を出し，「ヒートポンプ」の場合は外部からの動力により内部の熱的ポテンシャルを高めるというものである。
－ 10 －

図3－1

カルノーサイクル(出典：山岸一夫，コージェネレーションとその応用)②

熱機関としての効率

圧縮機を直接駆動することもできる。

今，高温度部（温度Ｔ 1 で一定）から得られる熱量をＱ 1，低温部（温度Ｔ 2で一定）で放出（注１

Ｗは，別名有効エネルギー（別名エクセルギ

される熱量をＱ 2 とすると，外部への仕事Ｗは，ー），また入熱（Ｑ1）よりＷを差し引いたエネ

次式で示されるＱ 1，Ｑ 2を用いて次のように定ルギ（Ｑ2）を無効エネルギーと称する場合もあ

義される。

る。）

Ｑ1＝（Ｓ2－Ｓ1）×Ｔ1（注２

以上のサイクル（カルノーサイクル）は，非Ｑ2＝（Ｓ2－Ｓ1）×Ｔ２で表されるので，常に理想的な変化がベースとなっており，実際

Ｗ＝Ｑ1－Ｑ2＝（Ｓ2－Ｓ1）×（Ｔ1－Ｔ2）には途中での熱損失，機器の効率等もあり，こ・・・・(1)の通りの軌跡を描くことはできない。実際上のこれは，図中，ＡＢＣＤで囲まれた面積に相サイクルは熱機関の種類によって異なるもので当する。そこで，サイクルの熱効率ηは，あり，具体的なコージェネ関連機関のサイクル

η＝Ｗ/Ｑ1=(Ｑ1－Ｑ2)/Ｑ1＝（Ｓ2－Ｓ1）×(Ｔは後章にて説明する。）

1－Ｔ2）/（Ｓ2－Ｓ1）×Ｔ1＝１－Ｔ2/Ｔ1
・・・・(2)②

これを用いると，上記のＷは次式で与えられヒートポンプの効率
図3－1でも若干説明したが，ヒートポンプはる。

熱機関とは逆にサイクルにＷの機械的エネルギ

Ｗ＝η×Ｑ1＝（１－Ｔ2/Ｔ1）×Ｑ1

ーを供給して，温度Ｔ 2の低熱源からＱ 2の熱を・・・・(3)

くみ上げ，温度Ｔ 1の熱量Ｑ 1を供給するシステムである。この高温熱量（Ｑ 1 ）を暖房に利用

なお，Ｗは，機械的エネルギーであり，発電する場合がヒートポンプによる暖房の原理であ機を駆動することもできれば，ヒートポンプのり，低温熱量（Ｑ 2 ）を冷房に利用するのが冷－ 11 －

房の原理である。

述の通り完全な断熱変化等理想状態における反ここで，熱の移動量と仕事量（動力）との応がベースとなった理想的状態を示す式ともい

比 を ， 成 積 係 数 （ Ｃ Ｏ Ｐ ； Coefficient ofえる。実際的には(4)，(6)式より計算される。

Performance）あるいは動作係数と呼ぶ。
基本的には，上述の通り動力（Ｗ）を供給し3.2

システムの基本形式(1)て，低温熱源（Ｔ 2 ）からＱ 2 の熱を汲み上げ

ＣＧＳは電気と熱回収を行うことを基本シス（断熱圧縮して温度上昇を行わせる場合），よテムとしているが，その場合，原動機（ガスエ

り高い温度Ｔ 1の熱量Ｑ 1を得る（外部へ放出可ンジン等）の特性に応じて熱回収の方法が選ば能とする）サイクルが基準となる。

れる。

ここで，暖房の場合は，Ｑ 1 の大きさが重要

ガスエンジンあるいはディーゼルエンジンのとなる。同値の動力に対する値を暖房の成績係場合は，エンジン本体を囲む冷却壁（ジャケッ

数（Ｅｈ）と称し，次式で定義される。

ト）による冷却熱とガスエンジン出口の排ガス

Ｅｈ＝Ｑ1／Ｗ･････････(4)による熱回収の２箇所よりの熱回収がある。エ･････････(5)ンジンの種類によっても異なるが，冷却熱と排＝Ｔ1／（Ｔ1－Ｔ2）

狭義にヒートポンプと呼ぶ場合は，このケー

ガス回収熱の比率は約２対３で，一般に排ガススを指す場合もある。

の方が多い。原動機の種類に応じたＣＧＳの比較を表3－1(1)にしめす。

また，冷房の場合は，汲み上げる熱量Ｑ 2 が重要である。

一方，ガスタービンの場合は，燃焼器，ガス

そこで，同様その量の動力に対する値を冷房

タービン自体は，冷却水による冷却ではなく，の成績係数（Ｅ Ｃ ）と称し，次式で定義される。

基本的には空気，水蒸気等により冷却されるが，ＥＣ＝Ｑ2／Ｗ･････････(6)

それらは全て燃焼排ガス中に合流するので，熱･････････(7)

回収は全て燃焼排ガス回収装置により行われる。

＝Ｔ2／（Ｔ1－Ｔ2）

なお，以上の式の中から特に式(5)，(7)は前
表3－1

なお，熱回収される水の形態としては，一般
原動機の比較

(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)－ 12 －

にエンジンの場合，小型では温水，中大型ではまた蒸気の方は，0.196Mpa（２kg／cm2 ）程

温水と蒸気，ガスタービンでは蒸気回収が一般

度の低圧蒸気（単効用吸収冷凍機用に見合った的とされる。

蒸気条件）と0.784Mpa（８kg／cm2 ）程度の中圧蒸気（二重効用吸収冷凍機用に見合った蒸気次に代表的事例を紹介する。

条件）のいずれかの蒸気条件になるよう，設定(1) 温水回収システム(1)されることが多い。
(1)

本システムの概略フローを図3－2 に示す。
同図に示されるように，熱は高温部からエン
ジンジャケット，排ガス熱交換器の順で回収される。なお，ジャケットによる熱回収の場合，直接ジャケット出口の高温水が温水として利用される場合（直接冷却）と同出口温水から更に熱交換器を介して水を加温する場合（間接冷却）の２方法がある。いずれにせよジャケット
回収と排ガス回収は一般にシリーズに配列され（例・ジャケットを経て排ガス熱回収へ），冷却水（温水）入口70～80℃が，吸収式冷凍機に図3－3も適用できる温度レベルである80～90℃に加温される。

温水・蒸気回収システム(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本
コージェネレーションセンター)(3) 蒸気回収システム
これは，排熱を蒸気のみで回収する方式で，前述のようにガスタービンとの組合せの場合に適用される。
図3－4(1)に同システムのフローを示す。

図3－2

温水回収システム(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本
コージェネレーションセンター)(2) 温水・蒸気回収システム(1)システムの概略フローを図3－3(1)に示す。

図3－4

同図に示されるように温水はジャケット冷却

シンプルサイクル(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本

により，蒸気はエンジン排ガスの回収による。
温水は，冷却水入口温度75～85℃を88.5℃加温
して80～90℃で取り出すように計画することが多い。
－ 13 －

コージェネレーションセンター)

ＣＧＳで採用されるガスタービンは，陸上用として開発された機種と航空機用から転用・開発された機種の２型式があるが，当然のことながら陸上用の場合耐久性に優れ，航空機転用型
は小型軽量で，かつ発電効率が高いという特徴を有す。
なお，ガスタービン使用の場合は，大出力の場合に通し，例えば発電出力（単機容量）は
図3－5300kW程度が下限で，1,000kW以上が多い。また，
原動機の特性上，ＣＧＳ適用規模におけるガス

チェンサイクル(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本

タービンは発電機自体の効率はエンジンより劣コージェネレーションセンター)

るが，ガスタービン排出ガスは，温度レベル，
ガス量の関係から大きなエネルギー（顕熱）を有しているので，その熱回収による発生蒸気は一般に0.78-3.92Mpa（８-40kg／cm2）の比較的高い蒸気条件の蒸気を大量に発生することができる。そのため，地域冷暖房や工場，大規模業
務用建物等のように電力とともに熱負荷も大きい施設に適している。
また，熱需要が少ない場合で発電出力を増大させたい場合のシステムとして，熱回収した蒸気を燃料とともにガスタービン燃焼器に導入し，
図3－6

ガスタービンの出力を増大させるシステムが提案されている。同システムとして有名なチェン

コンバインドサイクル(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本

サイクルのフローを図3－5(1)に示す。

コージェネレーションセンター)

更に大出力を担う場合には，発生した蒸気を
蒸気タービンに導入し発電する方式が採用される。これはコンバインドプラント（または，コンバインドサイクル）と呼ばれ，今日大規模高
効率ＬＮＧ焚発電の主流ともなっている（ガスタービンと蒸気タービンの組合せから成る）発電方式である。図3－6(1)に同サイクルの概略フローを示す。

－ 14 －

４主要構成機器の技術概要(1)(10)により１往復の間で，４つの工程を可能としている。しかし，掃・排気時に燃料のつつ抜けが(1) 熱機関の分類（２サイクルと４サイクル）

大きく熱効率や排気の清浄性に関しＣＧＳ適用

ここでは，中小型コージェネ用として最も実の出力範囲では４サイクルと比べて難があり，積が多い往復動式内燃機関をとりあげて説明す

現在では小型機器向けに採用されている。４サる。往復動式では，ピストンとシリンダの相対

イクルの作動原理を図4－1(1)に示す。

位置により形成される空間において，「圧縮」「燃焼」，「膨張」，「排気と掃気」の４つの(2) ガソリンエンジン（火花点火機関）
往復動式機関は，点火の方法でも分類される。

工程を繰り返して動力を得る機関である。燃焼が間欠で，加熱・冷却を繰り返すため構造材のその代表が，火花点火機関と圧縮点火機関であ冷却が比較的容易でそのため作動ガスの最高温る。

度は短時間ではあるが，2,000℃以上にもする

火花点火機関は，燃料と空気を予め混合し，ことができ，小規模の割には効率が高く，高温圧縮した後，電気火花で点火・燃焼させる方法

型の熱機関といわれる。

である。
一般に対象とする燃料はガソリン，都市ガス，

一方，作動が間欠であることは，振動，騒音，
低 NOx化 等 の 燃 焼 制 御 が 連 続 式 （ ガ ス タ ー ビ

ＬＰＧなどが用いられる。これは従来からの自ン）の場合より困難となる。

動車用（特に乗用車ガソリン）エンジンに採用

往復動式は，一般に火花点火機関と圧縮点火されるように小型で高速回転，従ってコンパク
ト化が達成されておりその出力範囲は１kWから機関に分類される。
なお，上記の４つの工程を１サイクルという数百kWの出力範囲で採用される。

言葉で表わすが，ピストンが２往復（クランク

火花点火機関の最大の問題は，異常燃焼（ノ軸が２回転）する間に上述の１サイクルを完了ッキング）が発生しやすいということである。

する機関を４サイクルエンジンという。

火花点火機関では，電気火花で着火した後，火またピストンが１往復（クランク軸が１回炎伝播により，燃焼が進行し完結するが，火炎転）する間に１サイクルを完了するのを２サイ伝播によらない部分的着火燃焼が起こると問題

クルエンジンという。その場合は，排気を膨張となる。

行程の中で（その最後の方で）また吸気と掃気

特に，効率向上の点からは圧縮比を上げるこ

を圧縮工程の中で（その最初の方で）行うこととが有効とされているが余り上げすぎると火花

図4－1

４サイクルエンジンの作動原理(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)－ 15 －

で点火する前にあるいは所定場所とは異なるとるというメカニズムのため（ガソリンエンジン

ころで自己熱により着火し，急激な燃焼と圧力のように高速着火すなわち）高速回転は困難で上昇を伴いエンジンの振動，破損を招く。これあるがノッキングは起こりにくいことが特徴でをノッキングという。

ある。

また，シリンダ径が大きくなると火炎伝播にそのため圧縮比を高く設定（例12～22）でかかる時間も長くなりノッキングを発生しやす

きること，またシリンダ径を大きくとることがくなるので，大型には不向きである。以上の様できる等の理由から，大出力で効率向上しやす

な本質的制約もあるが，性能向上から極力圧縮い特性を有し，熱機関の中で最高効率を達成し比をあげてノッキングを抑える方向で技術開発ている。

が進められ，現在のところ圧縮比は最高レベル

現在のディーゼルエンジンとしての最高レベで約11，エンジンの熱効率は最高レベルで約

ルとしては乗用車用で約35％，トラックなど大30％にも達している。初期のエンジンが10％レ型車用で約45％，船舶用の大型舶用では約55％ベルであったことを考えると格段の進歩がなさにも達している。ＣＧＳとして用いられる範囲

れたといえる。

では30～42％が採用される。また経済的出力レ
ベルも数100kWから約２万kWまで可能となってきた。図4－2(13) に，ガソリンエンジン，ディ(3) ディーゼルエンジン（圧縮点火機関）
一方，圧縮点火機関は，空気のみを圧縮し，空気が圧縮されて高温・高圧状態になるところ

ーゼルエンジン，およびガスタービンの出力範
囲と熱効率を示す。

で，燃料を噴射し，（高温化された空気により）着火・燃焼する手順に基づくものである。

(4) ガスタービン
ガスタービンは，加圧燃焼器で，予めコンプ

これはディーゼルエンジンとも呼ばれる。
対象とする燃料は，軽油や重油が用いられる。
高温空気に燃料を混ぜて高圧状態で自己着火す

図4－2

レッサなどで加圧された空気と燃料（天然ガス，
重油など）を加圧下で燃焼し，得られた高温・各種原動機と発電効率(出典：日本コージェネレーションセンター提供)－ 16 －

高圧のガスを羽根車（タービン）に吹きつけ，

述の説明は加圧下で燃料を空気で燃焼した燃焼

その回転エネルギーにより出力を取り出す熱機

ガスそのものを想定しているが，常圧下で燃料関である。

を燃焼した際の（常圧）高温燃焼ガスで空気やガスタービンは作動が連続（定常的）で行われるため，前述の往復動熱機関（エンジン）にヘリウムなどを熱交換器を介して加熱し，作動媒体として用いるサイクルもある。

比べ，使用構造材料における長時間高温強度の前者を一般にはオープンサイクル，後者をク制約が厳しく，従って高温化は困難でそのためローズドサイクルと称す。現在のガスタービン

熱機関単体としての効率はエンジンに劣るもの

は前者がほとんどである。それらのサイクルのの，連続回転による動力回収が基本になってい（系統）概要を図4－3(10)に示す。

ることもあり，幅広い出力範囲（100kW～２万(5) コージェネレーション用としての原動機のkW級）の適用が可能である。

選定

特に大型は最近の事業用火力向けコンバイン

以上の原動機に対して，ＣＧＳ用として選定

ドサイクルへの適用に見られるように大規模・高効率火力発電プラントの主力機種として採用する時の考えを述べる。

され，ガスタービンの高温化を伴なった高効率選定の基礎となる項目は，発電容量，発電効化，およびより環境特性の向上を目指した技術

率，熱エネルギーの質，燃料，運転時間などで開発が絶えず進められている。

ある。

（注

以下，それらの主要項目のＣＧＳ選定におけガスタービンそのものは，上述の発電用ガスタ
ービンとともに航空用のジェットエンジンでも用る注意点を述べる。

いられている。ちなみに用語としては，出力を回①

発電容量（規模）と発電効率計画するＣＧＳの規模と要求される発電出力

転軸から取り出すものをガスタービン，噴流をジ
ェット飛行機などの推進力に用いるものをジェッの設定が先ず重要である。

トエンジンと称している。）（この選定の考えについては，後章（第５章）

なお，ガスタービンの最新鋭機としては，高温部作動温度（第１段動翼入口温度）は，で説明するので，本項ではその概要にとどめる。）

1,500℃級が実用化され，その発電プラント効

ＣＧＳにおける発電出力は一般に数10kWから率（低位，発電端基準）も60％近くにも達する

数千kW（稀に大きいもので数万kW）の範囲が多ようになってきた。

い。

また，ガスタービンの作動媒体としては，上

図4－3

それに対する熱機関としては，往復動エンジ

ガスタービンの基本構成(a)内燃式（オープンサイクル），(b)外燃式（クローズドサイクル）(出典：斉藤孝基他，エネルギー変換)－ 17 －

ンは，数10から3,000kW位迄が一般的で，ガスービンにて設計されることは少ない。

タービンは500kW以上，蒸気タービンは1,000kW

従って，蒸気タービンをＣＧＳとして利用す以上が通常採用される出力範囲である。それをる場合は，既存の蒸気タービンシステムで蒸気外れた範囲（特にタービン発電機の場合）でもが余剰に発生する場合にその用途を考えるとい利用できぬことはないが，効率が極端に下る，うような限定された条件の下で適用される。

あるいは設備費の増加を招く等の問題をかかえ原動機の種類に応じて電気・熱がどのような一般的でない。ただし，最近実用化されてきて割合で発生するかの一例を図4－4(1)に示す。たいるマイクロガスタービンは，その出力規模はだし同図は特に電気の発生割合（発電効率）が数10～数100kWではあるが，工夫を凝らして効

必ずしも最新鋭技術とはなっていない面があり，率低下の問題を解消している。以上の出力範囲

一つの分布の例として見て頂きたい。

において，その発電効率は前述のような値（範③

その他の項目その他の選定項目としては，運転時間（断続囲）となる（図4－2参照）。
コージェネレーションである以上，発電効率

か連続か），保守点検の頻度，燃料の種類，更というより全体の効率が問題とされるわけであには振動，騒音，機器設置スペース等が考慮のるが，発電の割合が多く要求される場合は発電対象となる。詳細は省略するが，ここでは燃料効率の大きさが全体の経済性を左右する。

に対する適用の差異を概説する。

熱エネルギーの大きさ，蒸気条件との関係

燃料に対する制約に関しては，往復動式，とここで問題とするのは，熱エネルギー（熱供りわけディーゼルエンジンの場合が最も大きい。

給）の量および蒸気条件（圧力・温度等）の程

特にディーゼルエンジンの場合は，非常に短度である。すなわち，原動機の種類によって熱時間の非定常圧縮着火燃焼であり，往復動によエネルギー発生に供されるガス温度，ガス量がる非定常（起動･停止を伴う）燃焼であること，異なるので，おのずからそこから得られる熱エ

さらに充分な燃焼反応を行わさせる空間およびネルギー量および蒸気条件は異なる。

時間がとり難いこともあって一般にＮＯｘ主成②

例えば，往復動式エンジンは，排気燃焼ガスによる発生蒸気（例0.8MPの蒸気）とエンジン

量とばいじん発生量が多い。この点から適用可
能燃料としては最も制約を受けやすい。

冷却用の回収冷却水（一般に80℃前後の温水）

一方，ガスタービンは，連続燃焼であり，起の２段階の熱エネルギーとして回収されるが，動・停止がなく燃焼が安定していること，また

一般的に発生蒸気の割合は少ない。ガスタービ

二段燃焼や排ガス再循環などＮＯｘ対策も取りンの場合は，（出力規模およびタービン入口温入れやすいこともあり，ばいじんやＮＯｘ発生

度にもよるが）排気燃焼ガスによる比較的高温を低く抑えやすい。

高圧の蒸気（例0.8Mpa以上の蒸気）が得られる(6) ヒートポンプについてところに特徴がある。
従って，熱需要が特に大きい，あるいは比較

前述のように熱機関の場合と逆の工程でサイ的高い蒸気条件を必要とする場合に適している。

クルを構成するのが「ヒートポンプ」あるいは

蒸気タービンは，タービンの入口，抽気，排「逆カルノーサイクル」であり，そのサイクル

気の設定（使い方）如何によるが，比較的熱需的特性は先に述べた（第３章）。前述の通り２

要に対する自由度は大きい。

つの断熱変化と２つの等温変化よりなる熱機関

しかし，ＣＧＳ級では，前述のとおり蒸気タとは逆を進むサイクルにおいて，熱の移動量とービンの効率自体が低く，また機器構成が複雑

仕事量（動力）との比を，成績係数（ＣＯＰ）となるため，一般にＣＧＳを目的として蒸気タあるいは動作係数と呼ぶことも述べた。

－ 18 －

図4－4

原動機別のＣＧＳヒートバランスの例(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)

ＣＯＰの値は通常３～４レベルである。最近
効率向上が進み，高い場合で５～６も出てきてる。ヒートポンプの熱サイクルの機構を図4－
5(12)に示す。

いる(1)。

ＣＯＰは，蒸発器と凝縮器の温度差（上述のもし，単に電気ヒーターで暖房するとしたら，

Ｔ 1 －Ｔ 2 ）に大きく影響され，また出口温度

電力の入熱量が１kW（１kW＝860kcal/h）に対（暖房の場合は温水出口（Ｔ 1 ）冷房の場合は，し，出力も理論上最高で860kcal/hであり，Ｃ冷水出口（Ｔ 2 ））と外気温度の差が大きくな

ＯＰは１を超えぬことを考えると，ヒートポン

れば小さくなることが知られている(12)。
ＣＯＰと外気温度の変化例を図4－6(12) に示

プの場合は入力の３～４倍もの熱を発生し得る
ので，原理的にいかに優れたものであるかが判

図4－5

す。

ヒートポンプの熱サイクル(出典：ミニ解説，ヒートポンプとＣＯＰについて)－ 19 －

である。一旦発生した蒸気（冷媒蒸気）は，溶液に吸収させると液状となり，これを高圧にするのに，蒸気のままではコンプレッサが必要であるが，液状であるので所要動力の少ないポンプで可能であり，そこで加圧された冷媒蒸気を吸収した混合液を加熱することにより高圧の冷媒蒸気を比較的簡単にまた継続的に分離できる。
これを図4－7(18) を使ってもう少し詳しく述
べると，水の蒸発温度は大気圧では100℃であるが，圧力が下がり例えば大気圧の約100分の成績係数(ＣＯＰ)と外気温度の変化例

１では，約５℃以下で蒸発する。その際の気化(出典：ミニ解説，ヒートポンプとＣＯＰについて)

熱で冷房を行なうものである。その際，発生し図4－6た蒸気は，吸収器に入り吸収液で吸収されて液(7) 吸収式冷凍機，吸収式温水機状となり（同図，吸収部），次いでポンプで加前述のとおりヒートポンプでは，水と蒸気の圧されて再生器に入るが，ここで加熱されて，性質を利用して，圧力によって異なる蒸気の凝水蒸気（例，圧力9.3kPa）と吸収液に分離され縮と水の沸騰時の外部との熱の出し入れを，冷る（再生部）。水蒸気はその後，凝縮器に入り房あるいは暖房に利用したものであるが，その冷却水により冷やされ凝縮し，同時に熱を放出際の圧力操作は，コンプレッサ，あるいは弁なして圧力を持った水となる（凝縮部）。そこで，ど（動力により作動する方式）が用いられた。

凝縮した水は（膨張弁で）減圧されて，低圧水

これに対し，吸収式冷凍機は，端的にいえば，となり先の蒸発部に戻る。

圧縮・膨張作用を主に熱的反応で達成するもの

上記の温度レベル（または圧力設定）および

（高圧側）

（低圧側）

図4－7

吸収式冷凍機の原理(出典：日本コージェネレーションセンターＨＰ)(http://www.cgc-japan.com/japanese/qanda/qanda.html)－ 20 －

切り替え操作の相違により冷水のみを供給する

燥空気となる。

場合（これを「吸収式冷凍機」と称す）と冷水

その空気を冷却水等で（間接的に）冷却してとともに温水を供給する場合（これを「吸収冷

常温の乾燥空気とし，さらに同乾燥空気中に水温水機」と称す）等の種別がある。以上の説明の墳霧を行うと，水は蒸発し水蒸気となる。そは，各部とも一段の場合（これを「単効用吸収の際水が蒸気となる時の気化熱により空気温度式冷凍機」と称す）であるが，加熱源として高を下げることができる。これを室内の冷却用と圧蒸気を用いた場合には再生器で発生する蒸気して用いるものである。

の温度も高くなるため，その凝縮熱を使って低なお，上述のデシカント空調材は，反応が進

温再生器の吸収源を再度加熱して蒸気の分離効

むと乾燥性能が下がるので温熱ガス等を使って率を高める方法（これを「蒸気二重効用吸収式再生する必要があり，そのための熱源はマイク冷凍機」と称す）等各種の応用形態がある。

ロガスタービン，ガスエンジン等の排熱が利用される。

(8) デシカント空調機（参考）

これは，原理的に物理吸脱着のみによる反応

これは，吸湿材（デシカント）の特性を利用して空調（主に冷房）を行なうものである。

で空調を行なうもので，システムおよび機器構
成が簡単なこと，再生の熱源としてマイクロガ

その原理を，水分を含む室内空気を冷房する
場合を想定し流れに沿って説明する。

スタービン等の排ガスが活用できることなどが従来の冷凍装置より省エネ性・経済性に優れて

まず，処理前の室内空気はある湿度（水分）いることが考えられ，開発が進められている。

を持っているが，これを乾燥材（デカント空調

デシカント空調システムの原理を図4－8に示材）を通すことにより水分が除去されその際のす。

吸着反応による熱により温度が上昇し高温の乾図4－8

デシカント空調システム概念図－ 21 －

５ コージェネレーションシステムの計画(2)，(6)5.1

対象施設と負荷特性

5.1.1
本書は，ＣＧＳの計画を行うための指針等ガ負荷の種類と大きさの把握

一般にＣＧＳに適当とされる施設は次のようイドブックを目指したものでないので，本テーな特性を備えたものであるといわれる。

マの内容を詳しく述べることは差し控えたい。

①

しかしＣＧＳを全体的に理解するためにはＣＧ
Ｓがどういう場合に成り立ち，計画立案・推進

もっている。
②

上の要点は何かを理解することは，重要と判断しその概要を紹介する。

年間を通じて安定した電力負荷，熱負荷を電力負荷と熱負荷の時刻別発生パターンが類似している。

③

一般に，ＣＧＳ計画には，対象建物（施設）

建物（施設）の熱電比が原動機の熱電比に近い。

がＣＧＳに適しているかの判断に始まり，電この条件を満足するとエネルギーコストの力・熱の負荷，必要とする環境対策等の外部の削減または省エネルギー効果が期待できる。

環境，運転形態等の把握を経て原動機の種別選④

病院やコンピューターセンターなどで，電定を含むシステム面の検討を実施して，省エネ

力・熱とも信頼性向上，非常時対策のために

ルギー性，環境適合性，さらに経済性の検討を

エネルギー源を複数化（電源の二重化等）し行い最終的な適否が評価される。その概要を図たいとの要求がある時

5－1(6)に示す。なお，ここではその内特に重要⑤な負荷想定とシステム検討面を中心として紹介する。

特別高圧受電を回避したい場合
これらの条件を満足する施設として，年間を通じ安定した給湯負荷のあるホテル，病院，ス
ポーツ施設，あるいは電力・熱負荷の変動が少なく電源の二重化が望まれるコンピューターセ
ンターなどが適している。
このようにＣＧＳとして第一に必要なことは，施設の電力負荷と熱負荷の形態（給湯，暖房，または冷房）そして，次にその負荷の大きさを把握または推定することが重要である。
5.1.2

電力と熱負荷について

前述のようにＣＧＳでは，施設の電力負荷と熱負荷の特性を先ず把握し，その特性に見合った最適システムの選定を行う。いわば需要と供給のマッチングが極めて重要である。
ＣＧＳの場合，電力と熱という２つのエネル
ギー種類に対し需要側と供給側（設備側）における必要量あるいは発生量という２種類のエネ
ルギー量が存在する。
図5－1

コ－ジェネレーション導入検討の概念

これらを一つのグラフ上で表すことができれ(出典：井上宇市，高田秋一，コージェネレーション

ば理解を助けることとなり，そのために用いら技術入門)れる曲線が「電力負荷×熱電比」と「熱負荷」
曲線である。これは，時間(通常１日，24時間)－ 22 －

を横軸にとって，たて軸に「電力負荷×熱電る発生熱量出力を示すもので，従って実際の所

比」と「熱負荷」との２つの値を曲線に表わし

要熱負荷（図中，曲線②）とは必ずしも一致した。「熱負荷」は文字通り施設が必要とする熱ない。従って，その差が発生したら曲線①が②

需要量（Mcal/h）である。「電力負荷×熱電より大きい場合は発生熱の一部は利用されぬま比」は施設側が要求する発電需要（電力負荷）

ま廃棄されることになる。同図中斜線部はそのに見合って発生する熱発生量（Mcal/h）といえ場合に相当する。逆に曲線①が②より小さい場る。（注：熱電比は「発生電力（kW）あたり回合は，熱負荷の不足分を外部より補充する必要

収し利用できる熱量（Mcal/h）」で定義されがある。同図中アミかけ部が，その場合に相当る。）

する。なお，本ケースは電主熱従運転とも呼ば

すなわち，必要とする電力負荷を満たす場合れる。

に発生する熱発生量である。
なお，上記の考えの中には，熱電比は原動機(2) 熱電負荷曲線に従って運転する場合（熱主の種類が決まれば，あまり変化はないという考

電従運転）

(6)

えを基としている。図5－2 はその負荷曲線のこれは，図中の②に従って熱出力を得るよう一例を示したものである。同図をもとに代表的運転する場合である。その場合，熱出力のみ熱パターンについて負荷の変化を示す。

負荷に合わせて運転する結果，電気出力は原動
機の特性上（原動機の種類によってほぼ定まる）熱電比の支配を受けて定まる出力から得られることになるが，その値は，当然必要電気負荷とは異なり，電力が不足する場合は外部より不足電力を補充し，余れば余剰電力となる。
図の場合は，斜線部が不足電力に相当し，アミかけ部が余剰電力の場合に相当する。なお，
このケースは，熱主電従運転とも呼ばれる。
(3) その他の運転以上が基本となるパターンであるが，それ以外のパターンとしては，
ａ．常時「電力負荷×熱電比」と「熱負荷」の２曲線より下回る運転（図中太線の運転）。

図5－2

電力負荷×熱電比曲線と熱負荷曲線

ｂ．ピークカット運転。
これは，例えばある時間帯（例えば７時～(出典：井上宇市，高田秋一，コージェネレーション20時）における負荷（熱負荷，電気負荷と技術入門)も）が，一定レベル（外部購入レベルより）(1) 電力負荷に合わせて運転する場合（電主熱

高くなる場合，その高くなった分をコージェ

従運転）

ネでまかなう方法。

電力の負荷に合わせて運転するパターンで，ｃ．発電出力一定運転（ただし，夜間もある程

図5－2の曲線①に相当する。この曲線は，電力度の電気需要があることが前提）などの運転

負荷×熱電比の式に則って算出された曲線であがある。

るが，この値は，電力負荷追随運転時に得られ

なお，実際の運転においては，電力，熱，そ－ 23 －

れぞれに需要量と発生量（出力）の特性（年間，以上の考え方のうち，主要な運転形態である

月間，一日あたりのそれぞれにおいて）を把握「 電 主 熱 従 運 転 」 （ 前 述 ケ ー ス (1)） お よ び

することが重要であることはいうまでもない。

「熱主電従運転」（前述ケース(2)）をそれぞ一例として，図5－3(6)および，図5－4(6)に，８

れ分割して概念図としてまとめたものを図5－

月時点におけるある施設（例，ホテル）の電力，

5(2)に示す。

熱の需要量と発生量の関係を示す。

図5－3

８月平均日

図5－4

時刻別電力量バランス(出典：井上宇市，高田秋一，コージェネレーション

８月平均日

時刻別熱量バランス(出典：井上宇市，高田秋一，コージェネレーション

技術入門)

技術入門)

図5－5

運転形態の違い(出典：天然ガスコージェネレーション計画・設計マニュアル2000，(社)日本エネルギー学会)－ 24 －

5.1.3

代表的負荷パターン(2)関係があり重要である。表5－1(2) および表5－

次に，現在の日本におけるＣＧＳ対象候補に

2(2) に，それぞれ単位時間および年間あたりのあげられる施設，建物の負荷の特性を紹介する。

各種建物における最大電力負荷および熱負荷を示す。
最近の傾向としては，従来発電データより，(1) 最大負荷および年間負荷
各種の建物において，単位ｍ 2 あたり最大負荷（単位時間又は年間あたり）の概略値を把握

電力負荷，給湯および暖房負荷は減少し，冷房負荷が増加している。

しておくことは，原動機等の設備規模検討とも
表5－1

各種建物の最大電力負荷及び最大熱負荷(出典：天然ガスコージェネレーション計画・設計マニュアル2000，(社)日本エネルギー学会)

表5－2

各種建物の年間電力負荷及び年間熱負荷(出典：天然ガスコージェネレーション計画・設計マニュアル2000，(社)日本エネルギー学会)(2) 月別，時刻別負荷パターン

最近の傾向としては，電力は平準化の傾向が見

実際のＣＧＳ運転に係る建物用途別でのパタ

られ，熱は病院を除き冷房の期間が長く，暖房ーンを把握することは，機器の選定上からも更が短く，また冷房・暖房が同時に発生する月がに運転特性と経済性面の検討からも必要である。

増加してきている，等の特徴が指摘されている。

ここでは，その詳細は専門的図書に譲るとして，－ 25 －

5.2
5.2.1

経済性の評価について(1)れることになるが一般にＣＧＳは，従来システ

発電量と経済性について

ムでは含まれない熱・電気をともに供給するこ

ＣＧＳシステムの経済性に最も大きな影響をとになるためイニシャルコストは従来システム

及ぼすのが発電量をいかに決めるかということ

より必ず高くなる。その高くなった分をＣＧＳである。経済性の計算においては，年間経常費によるメリットでどう回収できるかが判断のベ（固定費，金利など設備費に関係）と単純回収ースとなる。ＣＧＳ採用に伴うコストアップ要

年数等の程度で評価されるが，各種のケースス

因の機器・設備の代表的なものは（例えば排熱タディーを行なって一般に経常費を最低にする

回収のない発電のみの場合と対比して）排熱回ことが経済性確保で効果的である。特にＣＧＳ

収装置，補助熱源装置，電力自動制御装置などの場合発電容量をピーク電力負荷の30％程度をであり，全体建築，電気設備など共通的設備は中心に設定するのが適当とされている。

除外される。概算としては，ＣＧＳの導入に上

しかし，熱負荷の大きさなどによってその値

るイニシャルコストの増分は，発電容量（kW）

は異なるので最終的には個々のスタディーの結あたりの概略コストとして把握され，その値は果を見て確認することが必要である。

種々の条件によっても異なる（例・原動機の種

なお，経済性を判断する指標として，単純回類）が，おおよそ15～30万円/kWとされる。当収年数最小の考え方，すなわち設備に投じた資然のことながら規模が小さい程上限の値に近づ

金を最低何年で回収できるかという視点で考えく，もちろん，精度良い検討を行うためにはメる場合と年間経常費による比較で検討する場合

ーカー見積を取ることが必要である。

が一般的である。いずれの場合も経済性向上のためには，電力負荷の最低値を常に満足する方(2) ランニングコスト

法，すなわち発電機の100％に近い負荷での運転がのぞましい。

これには，ガス，油等の燃料費，人件費，保守費，外部からの購入電気があれば電気料金，

以上は経済性に及ぼす電気，熱需要とシステ
ム対応の概念を述べたに過ぎない。

上下水道使用の料金など支出に該当するものか
ら，余剰電力が生じた場合の売電の収入，回収

経済性に関しては，より具体的に定量的に論した熱の供給に対する収入など運転における全じることが重要であるが，それは本書の範囲をての経費が含まれる。なお，燃料費，電気料金越えるのでここでは概念のみ述べる。

などの算定にあたってはその種類（特にガス，灯油，重油等燃料種類），使用量，負荷率，設5.2.2

経済性検討に関する重要諸元

置場所などによってコストが異なるのでその条第３章で，経済性評価の基礎的事項としてイ件を適切に把握することが必要である。

ニシャルコスト（建設費）とランニングコスト（運転費）の考え方を述べた。ここでは，その5.2.3

経済性の評価指標について(1)

評価指標としては，単純回収年数，年間経常

内容をもう少し詳しく述べ，適用事例を紹介す

費などがあることは前述した。ここでは，もうる。

少し，それらの概要を述べる。
(1) イニシャルコスト
設備の計画を行う場合，その設備がまずいく(1) 単純回収年数
前述のように，単純回収年数は，ＣＧＳを導らで出来上がるか，いわゆるイニシャルコスト

入したときのイニシャルコストの増分を年間運（建設費）を求めることから始まる。
通常，従来システムの場合との比較で検討さ転メリットで除したもので，５年以下が目安と－ 26 －

される。その際，年間稼働時間が比較的短いＣ

計算は，次式のとおりである。

ＧＳでは，おおよそ５年程度，稼働時間の比較

年間経常費＝変動費＋固定費

的長い産業用では，３年程度が導入是非の一つ

ここに，固定費＝設備費×固定比率の目安とされている。

固定比率

イニシャルコスト，ランニングコストと単純＝(1＋Ａｒ’)×ｉ(1＋ｉ)ｔ/（(1＋ｉ)ｔ－1）

回収年数との関係をＣＧＳと従来システムとの＋Ａｒ(1－Ｓ/Ｃ)/(1－(Ｓ/Ｃ)１/ｔ×ｔ)

対比において図式化したものを図5－6(1)に示す。

Ｃ＝設備費，Ｓ＝残存価格

なお，本指標は，簡便で概略の経済的メリッ

ｔ＝耐用年数，ｉ＝利率

トの有無を把握しやすいことから，よく使われＡ＝評価率，ｒ，ｒ’＝保険料率，税率

る指標であるが，（投資を回収した後の設備や建物の耐用年数を考慮した）長期間の定量的経上式（年間経常費）で，従来方式とＣＧＳ導

済性検討には適していないことは注意を要する。

入方式を比較して，後者が前者より小さいと経済的にメリットありと判断される。

(2) 年間経常費

従来システムとＣＧＳとの経済性検討の比較

長期的な経済性を検討する場合に有効で，ま図の一例を図5－7(18)に示す。

た簡便な指標として年間経常費が用いられる。
本指標は，単年度あたりの経費を算出し従来方式と比較するのもである。

図5－6

ＣＧＳと従来システムとの経済性比較の考え方(出典：コージェネレーション総合マニュアル，日本コージェネレーションセンター)－ 27 －

図5－7

経済性比較の概念(出典：コージェネレーションセンターホームページ)

６

ＣＧＳに関する諸制度・助成措置の概要(1)(2)(18)

近年，ＣＧＳが日本では比較的新しいシステ
ムであったためにそこで得られた電気と熱の使い方や保安に関して従来の電気事業，ガス事業

6.1

概要

などで適用される規制がそのまま適用され，そＣＧＳに関する諸制度としては，発電と熱供れが導入を阻害する原因ともなっていた。前述

給を行なうことを主体とする関係から，それぞのようなＣＧＳの特長が評価されまた期待されれの関係する法律（例えば電気事業法，熱供給るに従ってこれらの規制を緩和する動きが具体

事業法，ガス事業法（燃料ガスを選択する場化している。

(2)合）などがある。図6－1 にこれらの概要を示す。

その詳細は別途資料（例えば参考資料１）に譲るが，その代表的なものを挙げると次のとお

図6－1

コージェネレーション関連法規と規制対象(出典：天然ガスコージェネレーション計画・設計マニュアル2000，(社)日本エネルギー学会)－ 28 －

りである。

力会社）にその発生電力を競争原理に基づく入・系統連系技術要件ガイドライン（1986年以降今日まで数次にわたり改正）

札制度によって卸電力として供給する制度。な
お，本目的を専門として発電設備を自前で所有

・業務用自家発補給電力制度（1986年改正）

し・運営する事業会社は，独立系発電業者（Ｉ・特定供給の対象拡大（1987年以降数次にわＰＰ，Independence Power Producer）と呼ばたり改正）れる。本制度は1996年４月より導入された。

・電気主任技術者選任制度の見直し（1987年，②1990年）

特定規模電気事業による直接小売制度
電力会社以外の電気事業者が，特定の規模・小型ガスタービン発電設備に関わる定期検査等の運用（1985年）（例，受電電力2,000kW以上，受電電圧２万Ｖ以上）を有する大口ユーザ（需要家）に対し電・燃料電池に関する技術基準等の制度（1990年）

力供給（直接小売）を行なうことを可能にする制度。2000年３月より導入された。なお，この・余剰電力買取制度（1992年）

目的で電力を供給する電力会社以外の電気事業

・コージェネレーション機械室の容積率緩和

者 は ， 特 定 規 模 電 気 事 業 者 （ Ｐ Ｐ Ｓ ， Power（1993年，1996年）

Produce and Supplier）と呼ばれている。

・自家発電用小型ガスタービンの認可対象除外（1994年）

最近の特定規模電気事業者のリストを表6－1に示す。

・常用防災兼用ガス発電設備の認可（1994
年）

表6－1

・新しい電気事業の創設（1995年，2000年）
・保安規制の合理化（1995年）
次に以上の規制緩和の中から新しい電気事業の創設と保安規制関連の概要を次に紹介する。
6.2

規制緩和の動向(1) 新しい電気事業の創設（電気事業法改正による発電事業への新規参入）
電気事業法が1995年12月に改正され，一般の電気事業者（電力会社）以外の企業が発電事業（同開始時点では卸電力供給事業）への参入が可能となった。その後，2000年４月に更に同法

No.

特定規模電気事業者名

１

ダイヤモンドパワー(株)346,700２

丸紅(株)32,200３

旭硝子(株)

40,900４

イーレックス(株)42,995５新日本製鐵(株)31,000６(株)エネット

211,470

７

サミットエナジ(株)68,400８

大王製紙(株)

524,110９(株)サニックス

74,000の改正により大口ユーザー向けの直接供給が可能となるなどその見直しは数次にわたって行な
われてきている。

計

出

力（kW）

1,371,775（注）平成14年３月31日届け出分(財)エネルギー総合工学研究所調べ

次にそれぞれの主要な動き（制度等）の概要
を 紹 介 す る。 な お ， その 全 体 の 概要 を 図 6－2(14)に示す。
①

特定規模電気事業者リスト

卸電力入札制度
電力の卸供給事業者が一般の電気事業者（電－ 29 －

図6－2

新たな電力供給システムのイメージ(出典：図説電力の小売り自由化，電力新報社，2000年３月)③

特定供給制度

よって電気の使用者に電力を供給する制度。卸

電力会社以外で発電を行なう電気事業者が，託送と小売託送があり，その代表的事例が上述

生産工程，資本関係，人的環境等において密接の①，②に対応する。

な関係を有する電気の使用者に対しその発生電⑤力を供給する制度。なお，同電気事業者は，特定電気事業者と呼ばれる。
④

その他の関連した制度(民間の取組みも含
む)

ａ．余剰電力購入メニュー

電力の託送制度

電力会社以外の企業・団体（自治体など）

電力会社以外で所定の条件を有する電気事業

が，自己の有する設備で発電した際，所内者（例，特定規模電気事業者）が電力会社の送用・工場用で消費する電力，いわゆる自己消電設備を利用し，所定の使用量を支払うことに費電力を差し引いた後の余剰電力を電力会社－ 30 －

に引き取ってもらう仕組みが，電力会社の自術者の資格保持者不要など。）

主的な取組みとして行なわれている。同メニ
ューは，電力会社が購入するときの電力単価6.3で，発電の方式，発電の時間帯などに応じた(1) 金融上の助成措置

価格が設定されている。

助成措置

金融上の助成措置としては，いわゆる財政投

ｂ．グリーン電力制度融資である「日本政策投資銀行」と「中小企業再生可能エネルギーに係る発電促進のために電力会社と一般消費者が共同（通常折半）

金融公庫」によるコージェネレーション設備に対する融資制度がある。

して，発電事業者（風力発電事業者，太陽光

その概要を表6－2(18)に示す。

発電事業者）に対し再生可能エネルギー起源

なお，同表中記載の融資に際しては，複数の発生電力コスト（あるいは設備）に助成を行

融資を重複することはできないとされているたなう制度。

め，注意が必要である。

ｃ．オンサイト発電事業
最近，注目されてきている事業で，従来生(2) 税制上の助成措置

産工場・施設などではその所要電力を自分で税制上の助成措置に関しては，「エネルギー

発電してまかなう自家発電が行なわれること

需要構造改革促進税制」に定められている助成が多い。その際は，工場，建物を有する所有制度がある。

者が発電設備を所有・運営するのが通常であその概要を表6－3(2)に示す。

る。最近，上述電気事業法の規制緩和によりなお，同助成に関しては，適用期間に制限が同生産工場・施設所有者以外の発電事業者であるのでその点注意を要する。

も同所に（限定して）設備所有，あるいは電力を供給可能となった。これがいわゆるオン(3) 補助金
設備の購入，建設あるいは事業に係る費用にサイト電気事業である。

対する補助措置である。
その主なものは，1993年度に創設された「環(2) 保安規制関係
電気事業法の改正（1995年12月）により国の境調和型エネルギーコミュニティ形成促進事

直接関与が限定され自己責任を明確化した保安業」，1997年６月施行された「新エネルギー利

規制体系が構築されてきた。

用等の促進に関する特別措置法」（新エネルギ

例えば，コージェネ設備建設の場合，設備のー法）を受けて天然ガス焚きコージェネレーシ

設置に関しては電気事業法に則って工事計画

ョンに限られるが「新エネルギー事業者支援」，（あるいは変更）書の提出が必要であるが，原「地域新エネルギー導入促進事業」等があげら

動機の種類と規模によっては，提出不要或いはれる。以上は，経済産業省からの補助に基づく

部分的な届け出でよいこととなっている。（注，ＮＥＤＯ（新エネルギー・産業技術総合開発機

エンジン関係（ＧＥ，ＤＥ）は１万kW未満，ガ構）の事業として扱われる。それ以外，建設省，

スタービン（ＧＴ）は1,000kW未満，燃料電池

厚生省，関連団体からの支援も行なわれている。
その概要を表6－4に示す。

（ＦＣ）は500kW未満は不要など。）
また，保守／運転にかかわる資格者の関係も，緩和されてきている。（例えば，20kW以下の太陽光発電，10kW以下のガスエンジン，20kW以下の小水力（小出力発電設備）では，電気主任技－ 31 －

表6－2
制度

新エネルギー
導入促進

金融上の助成措置（財政投融資）(18)

主 な 適 用 対 象

内容

日 本 政 策投 資銀 行
中小 企業金 融公庫

１ 次 エ ネ ル ギ ー 効 率 が 60 ％ 以 上 で 出 力
50kW 以 上 の コ ー ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン 施 設（燃料は不問）1. 金利1.80％（政策金利２）3. 融資比率50％
3. 融資期間 個別相談

御供給事業者が行なう電気供給事業に必要となる発電所設備等

3. 金利1.75％（政策金利３）2. 資比率50％
3. 融資期間 個別相談

特定電気事業者が行なう電気供給事業に必要となる発電所設備等

3. 金利1.80％（政策金利２）2. 融資比率50％
3. 融資期間 個別相談

発電設備（代エネ割合40％以上対象からは除外）コージェネレーションシステム（天然ガスに限る。）

1. 金利○代エネ資金代エネ割合 40％以上･･･1.80％○省エネ資金･･･1.80％
2. 貸付限度額 7.2億円以内
3. 貸付期間○代エネ資金 15年以内（うち据置２年）○省エネ資金 15年以内（同上）

省エネルギー推進

電気事業新規参入

石油代替エネルギー資金

省エネルギー
コージェネレーションシステム
資金（出典：日本コージェネレーションセンターホームページ）

表6－3
制

度

エネルギー需給
構造改革
投資促進税制

税制上の助成措置(18)

主 な 適 用 対 象
熱併給型動力装置（コージェネレーションシ
ステム，ガスエンジンヒートポンプシステム
等）ただし，エンジンは希薄燃焼方式，ダブ
ル酸素センサー付き三原色倍方式又は選択還元脱硝方式のものに限る。

内容

1. 取 得 価 格 の ７ ％ 税 額 控 除（ただし，資本金１億円超の法人を除く）ま た は ， 30 ％ の 特 別 償 却のいずれかを選択
2. 適用期間 平成14年３月31日まで（出典：日本コージェネレーションセンターホームページ）－ 32 －

表6－4
制度

助成措置のための補助金(18)主 な 適 用 対 象

内

容

ＮＥＤＯ
環境調和型エネルギー
コミュニティーモデル
事業費補助金
同上事業調査補助金

1. 大規模コージェネレーション地域
熱供給施設等
2. 同上導入調査

補助率 事業費の15％（一件あたり上限年間６億円）
補助率 定額（一件あたり上限３千万円）

ＮＥＤＯ
新エネルギー事業者支援補助金及び責務保証

1. 高効率天然ガスコージェネレーシ
ョン
2. 天然ガスコージェネレーション活用型エネルギー供給設備（民間企業等が行なう事業等）（補助金の概要）
補助率1/3以内（責務補償の概要）責務補償対象比率90％

ＮＥＤＯ
地域新エネルギー導入促進事業補助及び啓発
事業補助

同上（地方公共団体等が行なう事業等）（事業補助金の概要）
補助率1/2以内（啓発補助金の概要）
補助率 定額（上限２千万円）

通商産業省
災害対応機能を強化した災害対応型給油所の普及

ガソリンスタンドにおけるコージェ
ネレーション発電設備（10kW以上に限る）

設備費および設置の1/5（上限500万円）(財)エルピーガス振興センター
先進型石油エネルギー
利用システム導入事業

500kW以上の民生用または業務用コー
ジェネレーション発電設備

発電容量kWあたり単価12万５千円を上限に補助対象経費の1/2または９千万円のいずれか低い額(財)石油産業活性化センター
先進型石油エネルギー
利用システム導入事業

1000kW以上の民生用石油コージェネ
レーション発電設備

設備および設置費の1/2

建設省
環境共生住宅市街地モ
デル事業

概ね50戸以上の住宅地で，環境共生
住宅市街地ガイドラインに即した施設へのコージェネレーション発電設
備

施設整備費の1/3

都道府県（厚生省）
緊急医療などの確保のための災害拠点病院の整備

期間災害医療センター，地域災害センターにおける自立型エネルギーシ
ステムとしての自家発

国と都道府県で設備費および設置費の1/3ずつ（１ヶ所あたり総額１億7824万円を上限とする。

（出典：日本コージェネレーションセンターホームページ）－ 33 －

７

ＣＧＳの技術開発と課題(13)ものである。開発の方向性が矢印で示されているが，図に見られるように高効率化あるいは小7.1

最近のＣＧＳの開発動向

型化が主要な傾向であることが伺える。以下，

各種ＣＧＳまたはエンジン（原動機）における最近の開発動向を図7－1(13)

それぞれの概要を述べる。なお，以下は特記なに示す。同図は，

い限り燃料はＬＮＧ（都市ガス），ＬＰＧ，あ各種ＣＧＳまたはエンジンを発電出力（kW）とるいはＡ重油等の高カロリ燃料の場合を想定し発電効率の関係においてその適性範囲を示した

ている。

50

高 効率 化（ﾐﾗｰｻｲｸﾙ等）

45
発電効率（％）

家庭用燃料電池（PEFC）

40DE
熱電可変 GT

35
GE

小型 化

30
25

家 庭用
MGE

20

GE

MGT

GT

（再生ｻｲｸﾙ）

15
10
1

10

100

1,000

10,000100,000

発 電出 力 （ｋW）

図7－1

コージェネレーションシステム技術開発の現状(出典：日本コージェネレーションセンター提供)

7.2

ＣＧＳを構成する主要原動機等の開発動向(13)大型（約千kW以上）では，すでに希薄混合気
パイロット着火方式で発電効率42.5％が達成さ(1) ガスエンジン

れ，販売も開始されている。

中型（100～数1000kW級）では，現在までの(17)

超小型（マイクロガスエンジン）（10kW以，ミラ下）では，小規模ユーザ向コージェネレーショ

ーサイクル（圧縮比よりも膨張比を大きくしたン適用を目指した開発が進められており特に一サイクル）と希薄燃焼ガスエンジンの採用など

般家庭での適用を担った１kW級のガスエンジン

により，最近ではエンジン単体熱効率42～43％

コージェネレーションシステムの実用化テスト（システム全体の効率すなわち発電効率では39が開始された。最近では発電効率20％，排熱回～40％）が達成されている。また，メーカーに収効率65％の総合効率85％で，熱主電従運転でよっては，発電効率42％を目指した開発も検討計画されているものもある。

効率は実績的に約28～38％であるがされている。さらに，高温部材にセラミックを使ったセラミックガスエンジンでは，エンジン
単体熱効率50％を目指した開発も進められている。
－ 34 －

(2) ガスタービン

凝らされている（詳細は，本シリーズの既報

ガスタービンは，本来単体では，中規模（数1,000kW）でも効率はそれ程高くないが，最近「マイクロガスタービン」（2001年３月発行分）他参照）。

４MW級で再生サイクル化（ガスタービンの排ガ
スで燃焼用空気を加熱するサイクル）すること(5) 家庭用ＣＯ2冷媒使用の高効率給湯機(15)(16)により（図7－1参照）発電効率40％達成を目指

これはコージェネレーション本来の電気と熱を併給するというものではないが，電気から熱，した研究開発が進められている。
なお，セラミックガスタービンの場合，

特に給湯用温水を効率よく得る目的で開発され300kW機でタービン（単体）熱効率42％が（試たものである。近年家庭用エネルギーは最終エ験機により）達成され，その信頼性向上，コス

ネルギー消費量中の14％を占める程増大してきトダウンを目指した取り組みが行なわれている。

ており，また今後ともその増大が予想される。
家庭用エネルギーは，「暖冷房」，「給湯」，

さらに，高温部にセラミックと金属を併用した
ハイブリッドガスタービンでは，エンジン単体「照明・家電製品他」に大別されるが，その消熱効率34％以上（８MW級）を目指した開発が進

費量はそれぞれ約1/3の割合となっている。こめられている。

の「給湯」の需要に対しては，現在燃焼式給湯器（ガス湯沸し器など），あるいは電気温水器などがあるが，それらの技術に対して省エネ(3) ディーゼルエンジン
ディーゼルエンジンは前述のように中型エンジンの領域にて単体効率が高いという特徴を有

ルギー性を一層向上させたのが本項で述べる「ＣＯ2冷媒使用高効率給湯機」である。

しているが（図7－1参照），最近シリンダー内

炭酸ガスが冷媒として選ばれた理由は，他の最高圧力や燃料噴射圧力を高めることにより，多くの冷媒と異なり毒性がなく温室効果への影

発電効率47％級が開発中で，現在耐久テストの響が少ないこと，可燃性でないこと，また熱的段階にある。

にも安定していることがあげられる。
ＣＯ 2 はフロン等と異なり圧縮しても液状にならず，例え超臨圧状態（例10Mpa）へ圧縮し(4) マイクロガスタービン
欧米のメーカーを中心として近年開発されたても密度の濃いガスの状態にしかならない。しもので，出力範囲は約30～100kW級で，発電効

かし，超臨界圧状態のＣＯ2が外部の冷却材

率26～30％，排熱回収効率40～50％程度が実用（例えば水）で冷却される（すなわち外部へ熱されている。

を与える）場合，ＣＯ 2 は途中定まった凝縮部

市場導入が進んでいるものの最小機は28kW機が無いため圧力・温度が滑らかに変化（低下）であるが，最近更なる高効率化やコストダウン

しながら液状に戻る。その際，冷却する水の方を狙った50～100kW機での開発が多く見られるはそれに応じて加熱されて温度が上る。これようになった。マイクロガスタービンは，金属は

熱交換器としての設計上，高温媒体（この翼 で 無 冷 却 の た め タ ー ビ ン 入 口 温 度 は 850～

場合ＣＯ 2 ）と低温媒体（水）がお互いにその930℃と通常のガスタービンに比べ低いことも

流れを逆方向にした温度差の少ない（対向流）

あり，発電効率を上げるためには再生サイクル

伝熱となるため，極めて良好な伝熱効果を有すを採用している。

（伝熱時のエントロビの増加が少ない）があげ

その他，高効率化と経済性向上から極めて高られる。また入口ＣＯ 2 が高温であるだけ出口

い回転数（約10万rpm），永久磁石発電機の採の水も高温化が達成できる，さらにＣＯ 2 の特用，空気軸受けの採用（１部メーカ）等工夫が性上高圧側と低圧側の比（圧縮比）が小さいな－ 35 －

どもあって，全体的にエネルギー損失の少いヒートポンプの構成が可能となったものである。
以上により従来型の燃焼式給湯器と比べ約30％の省エネルギー効果があると報告されている。ただし，同技術の有する本質的課題として高圧であるための圧力容器構造，高圧ポンプなど設備費の増加要因が考えられる。上記の考えのベースになるＣＯ 2 と水との熱交換の状態を示す図を図7－2(15) に，また同図のヒートポン
プとしての概念を図7－3(16)に示す。
なお同技術は，近年（1998年頃）から東京電力(株)，(株)デンソ及び(財)電力中央研究所が開発を始めたものであるが，その開発成果を受け，現在家電メーカ・電気温水器メーカ等が商品化している。例えば，エコキュート（自然冷媒ヒートポンプ給湯器）として販売されているものもその応用である。

図7－2

サイクル計算結果（給湯，冬期Ｔ－Ｓ線図）(出典：電力中央研究所報告，ＣＯ 2 ヒートポンプサイ
クルの効率挙動と挙動・制御に関する検討)

図7－3

ＣＯ2冷媒ヒートポンプの概念(出典：電中研ニュース333.「エコ・ヒートポンプの開発」)－ 36 －

あ と が きられる。その場合，ＣＧＳの燃料を石油系とするか，天然ガスとするか，あるいは電力のみに

最近，オンサイト発電事業あるいは（大口ユーザー向）特定規模電気事業者（ＰＰＳ）によ

頼るかは，各種の方策が考えられ，また需要家の嗜好も関係してこよう。

る活発な取組みが注目をあびている。その狙い

要は，種々のシステムが想定される中で，最はあくまでもスーパー，レストラン等事業系あ

終的には，当然のことながらその性能のみでな

るいは産業用ユーザーが，従来方式（自家発電

く，操作性，耐久性，そして経済性等を総合し或いは買電）よりも経済性で有利であるとの考て評価，選択されることになろう。

えに基づくものであり，今後業者間の熾烈な競場合によっては一般の素人の家庭で選択し，争も相まって，同分野における電力単価は益々利用するのであるから，単に経済性のみで採用低減するものと思われる。日本の現在の景気沈されることのないような大所高所からの情報提滞から脱出する手段としての，規制緩和，とり供も必要となるかもしれない。

わけ俎上にのぼることの多い電力自由化の流れ

また，日本でこれらの技術を極力早期に完成に呼応して自然に発生し認められてきている現することが，地球温暖化における先進国の責任象であり，その点では期待された方向に沿ってを果たし，更に今後温暖化対策等を進める海外いるものであろう。

諸国にとっても貢献することになるとも考えら

しかし，現在までのところ，特にオンサイトれる。このように，魅力に富んだＣＧＳではあ発電の場合，発電のみ（モノジェネ）の設備がるが，未だ本格的導入と迄は至ってないように多い様子である。そうなると，電力会社の有す思われる。また，欧州と異なり暖房に対する要る大規模発電に比較すると発電効率は低目にな

求および熱供給綱の整備の違いなどもあり，欧らざるを得ず，地球温暖化への取組みに対して州とは異なる形でのＣＧＳ利用形態の確立も求は逆行する面も出てくる。もちろんオンサイト

められよう。いずれにせよＣＧＳは将来性が期用電源としては小規模でも発電効率の向上を目待される技術と思われる。

指した必死の努力が傾けられているところでは本書はそのような特徴をもったＣＧＳを極力あるが，設備の特性上大型の方が高効率化しや技術の要点を中心とした解説を試みたが，紙面

すいこともあり，到底大規模発電のレベル（この都合もありその概要の１部しか紹介できなかれも上昇し続ける）とは並び得ないと判断されった。更に興味を持たれる向きには，巻末の参る。

考文献，あるいは専門機関，メーカー等より話

そこで，その打開策として，極力電気とともしを聞かれることをお奨めしたい。

に熱も供給する本来のコージェネレーション

最後に本書執筆に際して，特に図表類（含む（ＣＧＳ）技術が小規模の分野でも採用される

ホームページ）の使用を快諾頂きました日本コことが期待される。

ージェネレーションセンターをはじめとした関現実的に，ＣＧＳの採用が少ないのは，電気と熱需要のバランスが取れないか，ＣＧＳとす係団体，企業他関係各位に深甚なる謝意を申し上げる。

ることによる設備費の増大からくる経済性の圧迫であろう。従ってここに更なるシステムの検討，あるいは機器の経済性追求を含む技術開発が期待される。
さて，小規模の究極的なＣＧＳとしては，一
般家庭用の電気と熱供給システムの実現と考え－ 37 －

参考資料の開発，電力中央研究所，2000年６月
17１

コージェネレーション総合マニュアル，

技術とその開発動向，ボイラ研究第302号，

日本コージェネレーションセンター，平成12
年６月
２

３

天然ガスコージェネレーション計画・設計

2000年８月
18

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19

山崎起助，わが国のヒートポンプ市場及びマニュアル 2000，(社)日本エネルギー学会

技術動向，日本エネルギー学会誌，第80巻第編（1998.3）

10号（2001）

山岸一夫，コージェネレーションとその応

20用，(社)空気調和・衛生工学会，理工図書(株)，1994.9
４

平田賢，テクノライフ選書

21
省エネルギー社，2001.5
柏木孝夫，熱エネルギーのカスケード利用，

井上宇市，高田秋一，コージェネレーショ
コージェネレーション，Vol.17 No.1，日

ネルギーの推進を，ヒートポンプとその応用
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月31日

別冊）（平成14年１月）
25

１月

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械工学，東京大学出版会，1995.6
27

について，(財)エネルギー総合工学研究所第194回月例研究会，平成13年９月28日

28

ミニ解説，ヒートポンプとＣＯＰについて，

矢川憲利，最近のコージェネレーションの動向，日本エネルギー学会誌，第80巻第８号

News Kansai 2002.3（2001）

日本コージェネレーションセンター提供

29

吉井武，未利用温度差エネルギー活用シ

ステム，日本エネルギー学会誌，第80巻第８図説電力の小売自由化，電力新報社，2000
年３月
電力中央研究所報告，ＣＯ 2 ヒートポンプ
サイクルの効率挙動と挙動・制御に関する検討，平成11年１月

16

功力能文，吸収冷凍機入門，冷凍第77巻
第891号（2002.1）（平成14年５月）

15

角田明他，分散型電源としてのガスエンジ
ン，火力原子力発電 Vol.52 No.9（2001.9）

矢川憲利，最近のコジェネレーション技術

R&D

秋澤淳，エネルギーカスケード利用システ
ム技術，計測と制御，第39巻第１号，2000年

技術の基礎／クリーンエネルギー，2001.

14

草刈和俊，柳原大介，橋本克巳，地球環境
温暖化を救う革命的給湯技術，動力（2002／

石野正実，コージェネ技術者のための発電

13

飛原英治，ヒートポンプの活用により省エ

本コージェネレーションセンター，2002年３９12

No.1（1998）

No.57，2002.3

電気新聞，平成14年７月31日

11

2001

中上英俊，民生部門における21世紀の省エ
Vol.35

23

８

10

No.1

ネルギー（実用化技術と将来展望）高圧ガス

ン技術入門，オーム社，平成４年６月
７笠木伸英，エネルギールネッサンス（分散Vol.16日 本 エ ネ ル ギ ー 学 会 誌 ， 第 80 巻 第 ８ 号
６2001.11システムへの潮流），コージェネレーション
22（2001）

浜松照秀，火力発電をめぐる課題と今後の展望，電気評論

編：コージェネレーションのすすめ，オーム
５

三浦千太郎，最近のコージェネレーション

電中研ニュース333．エコ・ヒートポンプ－ 38 －

号（2001）

新エネルギーの展望
既刊一覧

燃 料 メ タ ノ ー ル 編

1987年 １ 月 発 行

石 炭 の 高 度 利 用

1993年 ３ 月 発 行

太

陽

燃

料

風

力

石

炭

電

編

1987年 ２ 月 発 行

水 素エネ ルギ ー（改 訂版 ）1995年 ３ 月 発 行

電

池

編

1987年 ３ 月 発 行

廃電

1995年 ３ 月 発 行

発

電

編

1988年 １ 月 発 行

石 炭 灰 の 有 効 利 用

1996年 ３ 月 発 行

化編

1988年 ３ 月 発 行

廃 棄 物 発 電 （ その２ ）1996年 ３ 月 発 行

自動車用エネルギー編

1988年 ３ 月 発 行

低品位炭の改質技術

1997年 ３ 月 発 行

地

球

二

次

高

温

地

球

燃

料

光

発

ガ

ス

棄

物

発

化

編

1989年 ２ 月 発 行

メタノール発電技術

1997年 ３ 月 発 行

池編

1989年 ３ 月 発 行

電 力 負 荷 平 準 化

1998年 ３ 月 発 行

導編

1989年 ３ 月 発 行

非 在 来 型 天 然 ガ ス

1998年 ３ 月 発 行

電編

1990年 ２ 月 発 行(メ タ ン ハ イ ド レ ー ト 編 )1990年 ３ 月 発 行

石 炭ガス 化複 合発電 技術

1999年 ３ 月 発 行

燃 料用メ タノ ール（ 改訂 版）

1990年 ３ 月 発 行

廃 棄 物 発 電 （ その３ ）1999年 ３ 月 発 行

太 陽 光 発 電 （ 改訂版 ）1991年 ３ 月 発 行

原 子 力 発 電 技 術

2000年 ３ 月 発 行

地 球 温 暖 化 （ 改訂版 ）1991年 ３ 月 発 行

原子燃料サイクル技術

2000年 ３ 月 発 行

エネルギー有効利用

1991年 ３ 月 発 行

固体高分子形燃料電池

2001年 ３ 月 発 行

水 素 エ ネ ル ギ ー

1992年 ３ 月 発 行

マイクロガスタービン

2001年 ３ 月 発 行

風力

1992年 ３ 月 発 行

コージェネレーション技術

2002年 ３ 月 発 行

電

気

車

1992年 ３ 月 発 行

循 環 型 社 会 の 構 築

2002年 ３ 月 発 行

非 在 来 型 天 然 ガ ス

1993年 ３ 月 発 行

地 球 温 暖 化 対 応

1993年 ３ 月 発 行

温

暖
電

超

電
発

電

池 （ 改訂版 ）発電 （ 改訂版 ）自動

2002年３月発行
発行所

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