ＢＲＩ－Ｈ１８講演会テキスト

住宅・建築のための新しいエネルギー技術の開発
首席研究員

目Ⅰ

はじめに

Ⅱ

研究の背景

坊垣 和明

次

１）新しいエネルギー技術の省エネ性
２）住宅における負荷の実態
３）貯める技術の必要性
Ⅲ

蓄電装置を組み込んだエネルギーシステムの開発
１）開発の経緯
２）システムの概要
３）蓄電装置の開発
４）プロトタイプの構築
５）効果の検証

Ⅳ

今後の展開

Ⅴ

地球温暖化防止への取り組み
１）温暖化防止に必要なこと
２）住宅・建築・都市分野における取り組みのあり方
３）地球温暖化防止は可能か

Ⅵ

おわりに
参考文献

Ⅰ はじめに出も必要と考えられる。

京都議定書が発効し、間近に迫った第一約束期間（２００このような新しい省エネルギー技術に関して、建築研究所が８～２０１２年）における温暖化ガス削減目標の達成に向けて、実施した研究開発の事例を紹介するとともに、今後の可能性や様々な取り組みが行われている。一般家庭を含む民生部門にお予測される効果を解説する。

いても、１９９０年以降一貫した増加傾向が続いていることから、その排出抑制への要求は一段と厳しさを増している。

Ⅱ 研究の背景

住宅用の新しい省エネルギー技術として、太陽光発電はすで

１）新しいエネルギー技術の省エネ性に普及段階に入っているが、必ずしも効果的な利用に至ってい燃料電池が次世代のエネルギー技術として強い関心を集めるない。また、燃料電池等の新技術の開発が行われているものの、ようになってから久しい。燃料電池自動車が首相官邸に導入さこれらを一般的な住宅に単純に導入しても直ちに高い効果が得れているし、住宅向けとしても、実証実験を経て数百台規模でられるものではなく、普及に向けての課題は多い。一方で、さのモニター供給が行われている。しかしながら、当初の予想ほらなる温暖化ガス排出抑制には全く新しい技術や技術体系の創どは普及の足取りは軽くないのが実状ではないだろうか。

－5 －製造コストが下がらないなどいくつかの理由が考えられるが、エネルギー需要（ＧＪ／年）省エネルギー性能や光熱費削減効果がさほど高くない点も課題の一つにあげることができる。
図１は、燃料電池導入の省エネルギー性能を比較したものであるが、１０％程度の削減が期待できることが示されている。
いくつかの資料を総合しても、その効果はせいぜい１５％程度である。もちろん、燃料電池には有害な排気ガスが出ないなどの利点もあるが、もっと大きな経済性のメリットが求められて9080706050403020100いるのではないだろうか。

-13.6％
-9.7％

-6.8％

従来型
ＦＣ導入

ＡＢＣ

また、太陽光発電においても、発電のタイミングと住宅での使用タイミングが合わないため、発電量の５０％程度が自家使用されるに過ぎない。

図１

燃 料 電 池（ＦＣ）導 入 に よ る 省 エ ネ 効 果 試 算 例２）住宅における負荷の実態
図２は、ある住宅の１週間における５分間積算電力量での負３）貯める技術の必要性

荷変動を示したものである。最大で５ｋＷｈに達しており、実図２のような負荷変動の住宅において、通常のコージェネシ際の住宅での電力負荷が極めて大きく変動することがわかる。

ステムでは変動への追従が難しく、系統電力に依存せざるを得１分データ、あるいは瞬時のデータではもっと大きな最大負荷ない部分が大きい。燃料電池コージェネの省エネルギー性能がが生じているであろう。この住宅では、主にピークが食事時に最大１５％程度にとどまっているのは、系統への依存割合が高発生していると考えられることから、電子レンジ等の厨房機器いことによると考えられる。一時的に大きなピークが出現するによるピークの発生と推測される。一方で、深夜の電力消費はものの、ピークは比較的短時間でその積算電力量はさほど大き最大負荷の１／２０以下である。

くない。したがって、ピーク発生時に必要な電気を貯めること住戸による違いはあるにしても、このような最大負荷の発生状況は似たり寄ったりと考えられる。

ができれば、系統への依存を大幅に削減でき、省エネルギー効果の改善が可能となろう。また、太陽光発電における需給の関係においても、蓄電の効果は大きい。

(W h )

5000

１月のある週の電力消費変動

５分データ

4000

エネルギー消費量

3000
2000
1000

この期間の平均消費電力が５６０Ｗｈであるにもかかわらず、ピーク（５分間積算の最大値）はその１０倍の５ＫＷｈに達する。
（日本建築学会による新潟県内の戸建て住宅における実測データより）

図２

実際の住宅における電力負荷変動－

6 －０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０１ ２ ：０ ０

０ ：０ ０0電力消費量［kWh］

PVシステム発電量

PVシステム電力供給量

PVシステム逆潮流量

5040

1500

30
20

1000

100500011月
12月 1月
2月
2002年
2003年

図３3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

PVシステム依存率［%］PVシステム依存率

2000

住宅の電力消費量

12月 1月
2004年

太陽光発電を設置した住宅における発生電力と電力消費量１）

太陽光発電装置はすでに十数万戸の住宅に設置されているが、アする必要がある。

住宅で利用される電気量は発電総量の５０％程度ではないかと研究開発は、建築研究開発コンソーシアムをベースとして公推測される。図３は九州地区での太陽光発電システムを設置し募した相手方との共同研究によって行うこととし、建築研究所た住戸における発電量や自家消費量を示したものである。このと（株）パワーシステムの共同開発としてスタートした。

住戸では全体の電力消費が大きいことを反映して、自家消費はこの共同研究は、国土交通省による平成１７年および１８年６０％以上を超えているが、これは例外的に高い利用率といえ度の「住宅・建築関連先導技術開発助成事業」に採択され実施るであろう。風力発電については、住宅での利用はまだごくわしているものである。

ずかである。また、これらの自然エネルギー利用発電の品質は必ずしも良くないため、系統への逆潮流を積極的に受け入れにくい状況がある。
これらを解決する方法として、電気を貯める技術が不可欠である。電気を貯めることで、需給のアンバランスを是正して新技術による発電電力をオンサイトで有効に利用できるだけでな
く、各住戸に設置された蓄電装置は電力のミニダムとなり、普及が進めばダム容量は大幅に増加し、わが国全体の負荷の平準

２）システムの概要
蓄電装置を持つ住宅用エネルギーシステムは、キャパシタ蓄電装置を核として、燃料電池等の電源装置、負荷発生装置、および、全体の制御システムで構成される。
住宅の実際の電力負荷に応じて負荷発生装置で電力を消費し、必要な電力は燃料電池コージェネ、ガスエンジンコージェネな
いしは蓄電装置あるいは商用電源から供給される。熱需要に対化に大きく寄与することが可能となる。

しては、コージェネやヒートポンプ給湯器の各々の貯湯槽から負荷に応じて供給される。熱と電力の負荷を与え、供給をコンⅢ 蓄電装置を組み込んだエネルギーシステムの開発

トロールするのが全体の制御システムである。

１）開発の経緯
すでに示したとおり、新エネルギー技術による発電のより効果的な利用のためには電気を貯める技術の導入が効果的である。
そこで、安全で高効率な蓄電装置を開発し、それを導入したエネルギーシステムを構築することによって負荷を平準化し、燃料電池等の新エネルギー技術の飛躍的な利用効率の向上を図

３）蓄電装置の開発
全体システムの心臓部となるのが蓄電装置である。蓄電には電気二重層（キャパシタ）を用いることとしたが、従来の電気二重層（キャパシタ）は、主として燃料電池車やハイブリッド車などの車載用として開発されたものであり、使用特性の異なることをねらいとした技術開発を行うこととした。
蓄電技術としては、最近性能向上が著しい電気二重層（キャパシタ）に着目した。これは、キャパシタが安全で極めて耐久性に優れた蓄電システムであり、住宅用として優れた特性を有していると考えられたからである。もちろん、現状では蓄電容量やコストの課題があり、実用化に向けてこれらの課題をクリ－る住宅には必ずしも適さない。そこで、住宅用としてより効果的に使用できるように改良を行い、まず蓄電容量２．７ｋＷｈの住宅用蓄電装置を開発し、これを平成１７年度に構築したプロトタイプに使用した。平成１８年度には蓄電密度が２倍に性能向上した次世代型の蓄電装置０．５ｋＷｈを追加した。

7 －写真１プ ロ ト タ イ プ 外 観（黒箱がキャパシタバンク）
図４ プ ロ ト タ イ プ 報 道 資 料

４）プロトタイプの構築
必要な蓄電容量設定のための事前の検討に基づいて、蓄電装置を組み込んだ住宅用エネルギーシステムの設計を行い、プロ①２．７ｋＷｈの蓄電容量に対してプロトタイプでは７５％のトタイプを製作した。平成１７年度版のプロトタイプは、蓄電有効蓄電量を設定した。
（本来、有効蓄電量として最大９４％容量２．７ｋＷｈの蓄電装置を持ち、燃料電池（最大出力８０が設定可能であるが、プロトタイプでは安全率を考慮し、７０Ｗｈ）、商用電源等から供給される電力を適宜蓄電・放電しな５％とした。
）検証実験では実際の蓄電量として設定蓄電量通がら負荷発生装置（最大５ｋＷｈ、１Ａ単位で制御可能）で実りの約２．０ｋＷｈが有効に利用でき、住宅用としての利用態に応じたエネルギーを消費する構造となっている。

が可能であることを確かめた。

これは、実用レベルの蓄電容量を持つ世界で初めての住宅用システムである。

②実測結果による充電、および放電の効率は、各々約９０％、８３％であった。したがって、充放電の総合効率は約７５％引き続き、平成１８年度には蓄電容量を０．５ｋＷｈ増加さとなる。シミュレーションの結果を図５に示したが、電力消せるとともに、太陽光発電装置、ガスエンジンコージェネ、ヒ費が少ない住戸では相対的に放電ロスが大きくなっている。

ートポンプ給湯器などのエネルギー発生側の装置を追加したシ③検証実験では逆潮を可能とするシステムのみについて行ったステムを構築した。

が、逆潮ありの場合との比較では蓄電を用いることの効果はこれら機器と蓄電装置を組み合わせ、住宅の負荷に応じて最も効果的なシステムを検討しようとするものである。

認められなかった。すなわち、逆潮は充電並びに放電の効率が１００％の蓄電装置と等価と見なせるものであり、充放電効率が７５％の蓄電装置では逆潮を上回ることは不可能であ

５）効果の検証る。しかし、蓄電の最も有利な運用方法、あるいは、逆潮無（１）平成１７年度の検証

しの自立型システム等においてより大きい効果を発揮する条

平成１７年度の検証実験では、収集した様々な電力負荷パターンを再現させて、本システムの省エネ効果や効率的運用方法などを明らかにすることとした。

件が見いだせると考えられる。
④短時間に大きな消費電力を生じる電子レンジやドライヤーなどによるピークをカットし負荷を平準化するには有効である

検証実験は、実態データに基づいたエネルギー消費パターンことが確認された。にしたがって負荷を発生させ、燃料電池等による電力の供給と⑤太陽光や風力による発電では蓄電が効果的であると考えられ蓄電を行って、その省エネルギー効果を明らかにしようとする

ることから、これらと組み合わせた「自立型システム」におものである。なお、検証実験は電力負荷のみについて行った。

ける効用を明確にし、開発・実用化の方向を見定めるべきでその結果、以下のようなことが明らかになった。

あると考えられる。

－

8 －

100008000

Ⅳ 今後の展開
買電
自家消費
蓄電利用
放電ロス

住宅のエネルギー消費の様態は極めて多様である。図６に熱需要と電力需要の関係を示したが、熱電比（熱需要／電力需要）
6704

6000にも、需要量そのものにも極めて大きな住戸差がある。これら

ｋＷｈ5344の全てに適するシステムが存在するはずはなく、需要の特性に3476

4000

2000

0応じて適したシステムは異なる。また、需要そのものも居住者
499465965112715211485

651525

1914

1795

1982

904992319350853302の住まい方によって大きく変動する。これらの特性を考慮して、最適なシステム構成を明らかにしていく必要があろう。
また、住宅にとどまらず、建築や都市レベルへの対象の拡大も不可欠である。建築は、用途によってさらに需要の状況は多-2000
需要サイト 2-6

少人数型

多消費型

FCサイト 1-4

FCサイト 2-2様である。都市については、街区・地域レベルでの面的なシステム構築が当面の対象と考えられるが、集合することによる負図５ シミュレーション結果荷の平準化が期待され、これはコジェネシステム等の導入を容放電ロス（図のマイナス側）が意外と大きい易にする要素として歓迎される。
一方で、蓄電技術に関しては、実用化・商品化に向けてサイ（２）平成１８年度の検証

ズ（性能）と価格の飛躍的な改善が必要である。作成したプロ

平成１８年度には、太陽光などの自然エネルギー発電、コートタイプにおけるキャパシタバンクは約１．５ｍ立方の大きさジェネシステム、ヒートポンプ給湯器などと組み合わせた自立があり、中型の冷蔵庫４個分に相当する。平成１８年度に導入型システムとして、その省エネルギー効果の検証やシステムのした次世代キャパシタでは、約５０％の性能向上が達成されて最適化を検討している。

おり、さらに３～５年程度で１／５程度にサイズとコストを圧例えば、太陽光発電とヒートポンプ給湯器を組み合わせるこ縮することが可能と予測されているが、市場化のためにはこのとで、昼間の発電による余剰電力で効率的にお湯を作るととも水準が最低限必要と考えられる。また、有効な市場と要求性能に太陽光発電電力の自家消費割合を高める、などの効果を検証を明確にし、それに向けた開発も必要である。

しようとするである。

キャパシタ蓄電装置が有効な市場として、離島や僻地などの自立型システムが有効な地域、災害時の自立性が求められる場
合、インフラの整備が遅れている開発途上国などが想定される。
また、太陽光・風力・燃料電池等の新エネルギーの有効活用のためにも不可欠な技術であり、市場の大幅な拡大が期待される。

図６

測定住戸における熱需要と電力需要の関係２）熱電比（熱需要／電力需要）は住戸によって大きく異なる－

9 －自 然 エネルギー利 用 発 電

住 宅 から建 築 ・都 市 へ

風力発電機

太陽電池

太陽熱発電

？
新技術

「作 る技 術 」

DC/DC充電器
新エネルギー技術適用の範囲を広げる

蓄電装置
充電器
燃料電池

ガスコージェネ？

キャパシタバンク

新技術

ヒートポンプ
給湯器「使 う技 術 」

太陽熱給湯
「作 る技 術 」

図７

蓄熱装置（貯湯槽）「貯 める技 術 」

蓄電装置を組み込んだエネルギーシステム開発のイメージ（原油換算百万キロリットル）

450

Ⅴ 地球温暖化防止への取り組み

400

１）温暖化防止に必要なこと

350

湾岸戦争運輸分野
第一次石油危機

民生用のエネルギー消費が増加の一途をたどり（図８参照）、京都議定書の目標の達成に向けて極めて厳しい状況に至ってい第二次石油危機

約２５％

300
250

民生分野
約２９％

200

る。残念ながらまだそのような緊迫感がないのが実状であるが、150

1990 年以降１０％以上増加した二酸化炭素排出量を 1990 年ベ100ースに戻す（図９参照）ことは容易ではない。このままではほ

50

産業分野
約４６％

0
1965

とんど不可能ではないかと危惧される。

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

出典：総合エネルギー統計

その対策の手順の第一歩は、どこにエネルギーを使っている

図８ 分野別エネルギー消費の変化かを知ることである。これすらあまり明確でないのが実状であろう。これを明らかにし、消費の多い分野への対策を集中的に1200
1180行うのが効果的である。

1160
1140

幸い、住宅については日本建築学会等で詳細なエネルギー消については、ようやく調査等の作業が緒に付いたところである。

百万t‐CO21120

費の調査と分析が行われ、実態が明らかになってきた。非住宅

1100

1990年から2002年まで約12％増加

1080
1060

これらの結果や一般的な資料より、多くのエネルギーを消費

1040

目標

1,048 百万t‐CO2するのは、住宅では給湯と暖房、オフィスでは空調と照明であ1020る。もちろん、住宅では地域差が大きいし、非住宅でも用途に980
1990

1000

よる違いは明らかである。

1992

19941996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

（出所） 「UNFCCC提供の温室効果ガスインベントリ2003年度エネルギー起源」より

図９ 民生部門における二酸化炭素排出量の推移－10 －２）住宅・建築・都市分野における取り組みのあり方
多く使うところを減らすのは自明であるが、なかでも住宅では給湯用、一般建築では空調と照明を減らすのが効果的である。
ここで、最も効果があるのはエネルギー消費を「減らす」のではなく「なくす」こと、エネルギーを使わないことである。
車に乗らない、暖房をしない、などなど。これも当たり前のことではあるが、現実には容易ではない。図１０は、暖房しないことを宣言したことが記事になった例である。記事になるほどにニュースバリューがあるというわけであるが、さて、同じような状況にある他の省庁ではどうなのであろうか？あるいは、

図１０ 新聞記事になった「暖房やめます」宣言

一般のオフィスビルでも事情は似通っていると思われるが、止めたという声は聞かない。
暖房や冷房でも、車でも、性能を上げて効率を良くすることは必要ではあるが、たとえば、車の燃料消費が１／２になっても２倍乗れば元の木阿弥である。ことほどさように、性能向上に加えて、あるいはそれ以上に使わない工夫が必要であり、そのようにし向ける仕組みが不可欠である。図１１，１２は筆者の行動とその根拠となった資料である。断熱や気密が効果を発揮するのは、暖冷房効率が上がること以上に暖冷房が必要な期

図１１ サステナブルな乗り物の典型

間や時間の短縮効果の方が大きいのである。これに似た工夫の余地はまだまだありそうだが、どうだろう。

30

また、無駄をなくすことも重要である。最近の浴槽はいつで25も快適に使えるように自動的に調節されている。が、その快適20な状態は、浴槽を断熱するのではなく大量のエネルギー消費に15よって維持されているのである。これはなくせる無駄の一例に10過ぎない。

5那覇

福岡

京都

名古屋

東京

新潟

くすことに通じるであろう。

車ｴﾈﾙｷﾞｰ
住宅ｴﾈﾙｷﾞｰ
合計

仙台0札幌

伝統建築に見られる技術の活用も、使わないことや無駄をな消費量(Gcal/年･戸)地域

図 住宅用と車用のエネルギー比較

さらに、ハードだけでは限界があることから、ソフト面での図１２ 車は家一軒分のエネルギーを使っている対策、使い方や暮らし方にも注目したい。

Ⅵ おわりに
３）地球温暖化防止は可能か

地球温暖化防止に向けて残された時間はわずかである。しかエネルギーの流れは、ごくおおざっぱに言って、生成、貯蔵、消費の３つの領域で捉えることができる。住宅・建築・都市分し、わが国ではその緊迫感に乏しい。各分野で、長期的ビジョンに則った、真摯な対応が求められている。

野は、もっぱら消費サイドであるが、これら３領域での総合的な対策が必要である。そして、そこで必要なことは何か？

参考文献

各分野での小さな技術の積み重ねが重要なことは言うまでも

１）平成１５年度「住宅内のエネルギー消費に関する全国的なない。自立循環型住宅の目指すところはまさにこの点にあり、調査」報告書、（社）日本建築学会、平成１６年３月

その積み重ねが５０％削減という大きな力になることを示して

２）「住宅用燃料電池の実用化に関する総合研究」報告書、（財）いる。しかし、これだけで地球温暖化防止は可能であろうか？

建築環境・省エネルギー機構、平成１８年３月

－

11 －

－

12 －