IEEJ：2021年10月掲載 禁無断転載

IEEJ-NE_Japanモデルの概要と特徴

2021年10月8日
第17回 IEEJエネルギーウェビナー 「2050年ネットゼロ排出に向けたシナリオ分析」
大槻 貴司
一般財団法人 日本エネルギー経済研究所
電力・新エネルギーユニット 新エネルギーグループ
兼 計量分析ユニット エネルギー・経済分析グループ 主任研究員 / 博士（工学）エネルギーシステムモデルとは│ エネルギー供給から需要までのプロセスを数式で表現したもの。脱炭素化の文脈では、GHG削減を効率的に進めるためのエネルギーミックスや技術導入、コストの評価に用いられることが多い│ 近年は太陽光・風力発電やシステム統合技術（蓄電池や出力制御、Power-to-Gas等）の評価のため、多くのモデルで時間・地域解像度[1]の精緻化が見られる
エネルギーシステム

時間解像度

エネルギーの生産・転換・輸送・貯蔵・消費から構成

モデルの時間刻み （下図は太陽光出力の例）

生産転換・輸送・貯蔵

消費

年間8760時間帯

季節代表日（年間32時間帯の例）

100%

100%

80%

80%

60%

60%

40%

40%

40%

20%

20%20%

100%

80%

年間32時間帯＝
4季節代表日×8時間帯/日

0%

0%

1年間

年間1時間帯60%

年平均設備利用率0%

1日(代表日)

4-6月

7-9月 10-12月 1-3月

地域解像度
モデルの地域刻み （下図は陸上風力資源分布の例）

IEEJ © 2021

都道府県分割

全国1地域1

弊所はIEEJ-NEモデルを保有 （IEEJ: 弊所の英語略称、NE: New Earth）│ 東京大学藤井・小宮山研究室と弊所により開発＊│ IEEJ-NEモデルは長期のエネルギー・技術構成を推計する線形計画モデル。システム全体の費用最小化を通して、ネットゼロ排出に向けたエネルギーのあり方をバックキャスト的に推計できる

IEEJ © 2021

世界版やASEAN版、日本版が存在
Global

ASEAN

Japan

• 詳細な地域解像度で世界のエネルギー需給（エネルギー・CO2輸送含む）を分析可能• 詳細な時間解像度で域内10か国のエネルギー需給（域内の国際輸送含む）を分析可能• 詳細な時間解像度で日本のエネルギー需給を分析可能• 分析期間： 2015~70年• 分析期間： 2017~70年• 分析期間：2015~50年• 地域解像度： 14~363地域分割• 地域解像度： ASEANを10地域分割• 地域解像度： 日本を5地域分割• 時間解像度： 64時間帯/年（4季節×2天候代表日/季節×8時間帯/代表日）• 時間解像度： 最大8760時間帯/年 （365日×24時間）• 時間解像度： 8760時間帯/年 （365日×24時間）• 需要解像度： 電力需要・その他燃料需要・自動車旅客・自動車貨物• 需要解像度： 産業・運輸・民生等を32区分のサービス需要で表現• 需要解像度： 産業・運輸・民生等を37区分のサービス需要で表現＊藤井・小宮山研のNEモデルを基に、弊所の 大槻貴司 主任研究員・川上恭章 主任研究員が中心となって開発。論文発表や学会表彰多数[2]~[5]。

2IEEJ-NE_Japanモデルの概要│ 2050年までの日本のエネルギーシステムとエネルギー起源CO2が分析対象。累積費用を最小化│ 日本を5地域分割し、需要や再エネ資源の地域性を反映。電力需給は1時間値で計算（後述）
分析対象はエネルギーシステム全体

日本を5地域分割

IEEJ © 2021

貯留

CCS
発電
水素製造
高炉
直接空気回収国内地層貯留海外地層貯留• 電力送配電エリアを基に分割し、需要や再エネ資源の分布を表現

地域内送配

旅客輸送

北海道

• 電力、水素、メタン、CO2の地域間輸送を考慮
東北

西日本

東京

九州
沖縄

業務等

最終消費・エネルギーサービス需要
鉄鋼
粗鋼
冷房
圧延
暖房
その他
給湯
化学工業 動力
厨房
低温熱
照明他
炉
乗用車
原料
バス
セメント 動力
鉄道
キルン
航空
紙パ
動力
船舶
低温熱
軽トラック
その他
動力
小型トラック産業
低温熱
普通トラック
炉
鉄道
冷房
航空
暖房
船舶
給湯
厨房
照明他
貨物輸送

二次エネルギー
電力
水素
液化水素
アンモニア
コークス
メタン
液化メタン
都市ガス
ガソリン
ナフサ
ジェット燃料
灯油
軽油
重油
LPG
バイオマス
コークス炉ガス
排熱

地域間輸送
電力
水素メタンCO2

産業

エネルギー転換
コークス製造都市ガス製造
石油精製
発電
メタン合成
FT合成
水素製造

家庭

国産・準国産資源
水力
地熱
太陽光
陸上風力
洋上風力
固体バイオマス黒液
原子燃料
輸入エネルギー
一般炭
原料炭
液化天然ガス
原油
ガソリン
ナフサ
ジェット燃料
灯油
軽油
重油
LPG
バイオマス
水素
アンモニア
合成メタン
合成ナフサ
合成ジェット燃料
合成軽油

回収

CO2排出

電力需給は1時間値で計算
その他
Li-ion電池の充放電
NaS電池の充放電
揚水式水力の揚水・発電
VtoG可能なEVの充放電
DACへの電力投入
水電気分解への電力投入
燃料電池
出力抑制
洋上風力（着床・浮体）
陸上風力太陽光（屋根・壁面）
太陽光（地上設置・営農）
水素火力・アンモニア火力
石油火力
ガス汽力
ガス複合
IGCC
石炭・アンモニア混焼
石炭火力
バイオマス火力
地熱
一般水力・中小水力
原子力
電力需要

GWh per hour
400
300
200
100
0-100-200

ある1か月間の運用（1時間間隔）3IEEJ-NE_Japan

様々な低炭素化技術の貢献度を分析可能│ 高効率技術や再生可能エネルギー、原子力、CCUS、水素・アンモニア、エネルギー貯蔵、ディマ
ンドレスポンス（DR）、ネガティブエミッション技術等、300超の技術がモデル化されている。
モデル内の低炭素化技術 （抜粋）
高効率技術

エネルギー供給側および需要側で高効率設備を考慮

再生可能エネルギー

地上設置太陽光、屋根設置太陽光、壁面設置太陽光、陸上風力、着床式洋上風力、浮体式洋上風力、大型水力、中小水力、地熱、バイオマス

原子力

軽水炉

CCUS

CO2回収： 発電での回収（石炭火力やガス火力、バイオマス火力）、水素製造での回収（石炭ガス化炉やガス改質装置）、直接空気回収（DAC）
CO2利用・貯留： メタン合成、液体燃料合成、国内地層貯留、海外地層貯留

水素・アンモニア

水素利用：水素専焼発電、水素直接還元製鉄、燃料電池車、燃料電池船、燃料合成（メタン合成、FT合成、アンモニア合成）

IEEJ © 2021

アンモニア直接利用：アンモニア専焼発電、石炭・アンモニア混焼発電、アンモニア船
エネルギー貯蔵揚水式水力、Li-ion電池、NaS電池、圧縮水素貯蔵ディマンドレスポンス

電気自動車のflexible charging、乗用電気自動車のVtoG、ヒートポンプ給湯機による電力需要の時間シフト

ネガティブエミッション

DACCS、BECCS
4

IEEJ-NE_Japan

モデルの入出力│ 入力データは2050年までの需要や技術費用・効率、国内資源量など│ 分析結果として、エネルギー・技術の最適な組合せや経済性などの情報が得られる
入力

需要費用
効率

• エネルギーサービス需要

エネル • 電源構成ギー
構成 • 水素供給源構成• 最終エネルギー構成 等• エネルギー輸入価格• 技術の費用や効率

ポテン• CO2貯留シャル• 原子力シナリオ• CO2制約IEEJ © 2021

• 一次エネルギー構成• 基準電力負荷曲線形状• 再生可能エネルギー

その他

出力

• 再エネ出力波形• 地域間距離（陸上・航路）

CO2制約等の下で2050年までの累積システム費用最小化※システム費用には輸入燃料費と設備費、運転維持費が含まれる

技術• 設備容量• 運用（電源運用等）• システム費用• エネルギーの限界費用（需給均衡価格）
経済性• CO2限界削減費用• 設備の潜在価値 等• 既設設備容量 等5

IEEJ-NE_Japan

モデルの特徴将来の電力化の度合いや熱の脱炭素化策を検討可能

１

産業、運輸、民生等のエネルギーサービス需要（37区分）をモデル化。需要側のエネルギー消費機器や電力・非電力需要も最適化対象

再エネ大量導入の可能性を検討可能

2

電力需給は1時間間隔の精緻な時間解像度を採用。蓄電池や出力制御、ディマンドレスポン
ス等の変動性再生可能エネルギーの統合技術を考慮した分析が可能

再エネの自然環境影響や社会的制約を考慮

IEEJ © 2021

3

地上設置型太陽光や陸上・洋上風力発電については100m~500mメッシュの地理情報システム（GIS）データを用いて、立地条件などを考慮しつつ導入量を推計。

6

特徴１

将来の電力化の度合いや熱の脱炭素化策を検討可能│ エネルギーサービス需要（ 37区分）を満たすための需要側・供給側技術が最適化により決定│ エネルギー需要量（電力需要や非電力需要）は変数であり、需要側技術選択に応じて変動する
エネルギーサービス需要区分部門
産業

鉄鋼

化学

エネルギーサービス需要部門

粗鋼 (Mt-crude steel)

運輸

エネルギーサービス需要
道路

圧延動力 (Mtoe)

バス (billion passenger-km)

圧延熱 (Mtoe)

軽トラック (billion ton-km)

その他動力 (Mtoe)

小型トラック (billion ton-km)

その他熱 (Mtoe)

普通トラック (billion ton-km)

動力 (Mtoe)

鉄道

低温熱 (Mtoe)
航空

原料 (Mtoe)
キルン (Mtoe)

その他産業

動力 (Mtoe)

旅客 (billion passenger-km)
貨物 (billion ton-km)

海運

動力 (Mtoe)
紙パ旅客 (billion passenger-km)
貨物 (billion ton-km)

炉 (Mtoe)セメント

乗用車 (billion passenger-km)

旅客 (billion passenger-km)
貨物 (billion ton-km)

家庭

暖房 (Mtoe)

低温熱(Mtoe)

冷房 (Mtoe)

動力 (Mtoe)

給湯 (Mtoe)

低温熱 (Mtoe)

厨房 (Mtoe)

炉 (Mtoe)

照明その他 (Mtoe)
業務等

暖房 (Mtoe)

IEEJ © 2021

冷房 (Mtoe)
給湯 (Mtoe)

厨房 (Mtoe)
照明その他 (Mtoe)

7特徴２

再エネ大量導入の可能性を検討可能│ 電力需給は365日を1時間刻みで表現。再エネの変動性や、システム統合技術（蓄電池や出力制
御、水電気分解、電気自動車・ヒートポンプ給湯機を活用したDR等）が考慮されているシナリオ別の電力需給（5月）GWh per hour
250

ベース
シナリ
オ

太陽光（地上設置・屋根等）
水素・アンモニア

洋上風力

200
150
負荷曲線

10050

原子力
DACへの投入電力

0-50

ガス複合

IEEJ © 2021

-100

再エ
ネ
１００％
シナリ
オ

GWh per hour
400

出力制御

洋上風力

太陽光（地上設置、屋根等）

水電解充電（EV）

300200負荷曲線

1000-100-200

充電（蓄電池）その他
Li-ion電池の充放電
NaS電池の充放電
揚水式水力の揚水・発電
V2G可能なEVの充放電
DACへの電力投入
水電気分解への電力投入
燃料電池
出力抑制
洋上風力（着床・浮体）
陸上風力太陽光（屋根・壁面）
太陽光（地上設置・営農）
水素火力・アンモニア火力
石油火力
ガス汽力
ガス複合
IGCC
石炭・アンモニア混焼
石炭火力
バイオマス火力
地熱
一般水力・中小水力
原子力
電力需要

横軸：時間
縦軸：需要量/出力量

その他
Li-ion電池の充放電
NaS電池の充放電
揚水式水力の揚水・発電
VtoG可能なEVの充放電
DACへの電力投入
水電気分解への電力投入
燃料電池
出力抑制
洋上風力（着床・浮体）
陸上風力太陽光（屋根・壁面）
太陽光（地上設置・営農）
水素火力・アンモニア火力
石油火力
ガス汽力
ガス複合
IGCC
石炭・アンモニア混焼
石炭火力バイオマス火力
地熱
一般水力・中小水力
原子力
電力需要

8特徴３

再エネの自然環境影響や社会的制約を考慮| 文献[6]~[9]を基に整備した100-500mメッシュの土地・海域利用のGISデータによって、立地制約（森林設置等）に応じた太陽光（地上設置）・風力発電（陸上・洋上）の導入量上限をモデルに反映| 各メッシュにおける風速や日射量から風力発電・太陽光発電の資源グレード分けを実施。

GISデータのイメージ

メッシュ
各メッシュに土地/海域利用や自然条件（風速・日射量）のデータを整備■: 雑草地■: 森林■: 耕地■: その他

データ

IEEJ © 2021

土地・海域利用内容
森林・河川・雑草地など

自然条件

風速・日射量など

人口

メッシュ内人口

法区域

自然公園・漁業権の有無など

地形条件

傾斜角・水深・離岸距離など

自然条件

風速・日射量など

9参考情報他機関のモデルとの比較│ 各モデルに特徴がある。弊所は1つのモデル枠組みの中でサービス需要や電力時間解像度を詳細に取扱っており、電力化や再エネ大量導入、部門横断的対策等を整合的に分析できる

IEEJ © 2021

第43回および第44回基本政策分科会に試算を提供した団体[10]弊所

地球環境産業
技術研究機構国立環境研究所

自然エネルギー財団

デロイトトーマツ
コンサルティング

モデル

日本モデル

世界モデルに日本電源構成モデ
ルを接合

日本の技術積上げモデルと電源モデルの組合せ

日本モデル

日本モデル

ロジック

費用最適化

費用最適化

費用最適化

費用最適化

費用最適化

日本の
地域解像度

5地域

世界モデル：1
電源構成モデル：10電源モデル：10

9351

技術数

300超

500

600

150

N/A

需要

サービス需要（37区分）

サービス需要と燃料需要の組合せ

サービス需要サービス需要（11区分）[11]

サービス需要

電力の
時間解像度

1時間値
（8760時間帯）

電源構成モデルは1時間値

電源モデルは1時間値

1時間値

4季節×4時間帯/季節（16時間帯）

太陽光・風力導入上限

100-500mメッシュのGISデータ（日本）から推計。立地制
約・自然環境を考慮

世界規模のGIS
データを基に推計

環境省[12]（100mメッシュのGISデータ等を基に推計）

資源総合システム社や環境省の推計値を基に設定・検証

500m-1kmメッシュのGISデータ（日本）から推計[13]10

本モデルには限界や課題もある│ 本モデルの結果を解釈する際には次のような点に注意が必要である

IEEJ © 2021

│ 本モデルに限らず、前提条件や分析結果には高い不確実性がある点にも留意が必要である

予測とは異なる「将来はこうなる」という予測（forecast）ではなく、「将来はこうすべき」という規範的（backcast的）な特性を持つモデルである

エネルギー安全保障は考慮されない

CO2制約およびシステム費用最小化に基づく計算であり、エネルギー安全保障（燃料分散化やシーレーンリスクなど）は考慮されていない

完全予見に基づく

将来のエネルギーサービス需要やエネルギー価格、太陽光・風力発電の1時間値
出力パターン、技術費用・効率等は与条件として最適化計算を行っている。これらの不確実性（例えば、太陽光・風力出力の予測誤差、将来の気象状況変化）は考慮されていない

簡易的な地域解像度本モデルは日本全体を5地域分割で模擬している。再エネ資源や電力系統設備の位置情報、系統混雑、系統接続制約は十分に考慮されていない

電力系統の回転慣性は未考慮

非同期型電源のシェアが増加することによる慣性の低下が懸念されるが、本モデルではこれを明示的に考慮されていない

詳細な政策目標・制度的措置等は反映していない

2050年エネルギー起源CO2ネットゼロに向けたあり方を費用最適化の観点から示すものであり、分野別の詳細政策は詳細には反映していない

11

まとめ
│ IEEJ-NE_JAPANは日本を対象とした動学的な最適化型モデルである。
2050年ネットゼロ化に向けて、効率的なエネルギーシステム像を分析できる│ 本モデルの主な特徴として、次の点が挙げられる① 産業・民生・運輸のエネルギーサービス需要（37区分）の考慮により、将来の電力化や熱の脱炭素化策を検討可能② 発電部門を詳細な時間解像度（1時間値）で表現することにより、再エネの出力変動性やシステム統合費用を考慮③ 精緻なGISデータ（100~500mメッシュ）を基に再エネ導入上限を推計。
再エネの自然環境影響や社会的制約等をモデルに反映│ 他方、モデルには様々な限界もある。前提条件やモデル構造によって分析結果は変わるが、前提条件には高い確実性がある。また、モデル構造は開発者の判断に依る部分も大きい。
•

将来の技術進展、社会経済構造等に応じてモデルを更新していく必要がある点には注意

IEEJ © 2021

│ 前提条件やモデルの限界を踏まえて結果を解釈することが重要と思われる

12

補足資料

IEEJ © 2021

参考文献
[1]

大槻貴司: “地理的・時間的解像度を詳細化した世界エネルギーシステムモデルによる低炭素化技術の導入可能性に関する研究”, 東京大学博士論文（2019）[2]

大槻貴司，小宮山涼一，藤井康正: “発電・自動車用燃料としての水素の導入可能性：地域細分化型世界エネルギーシステムモデルを用いた分析”, 日
本エネルギー学会誌, 98巻 4号 pp.62-72, (2019) 【日本エネルギー学会 2020年度論文賞受賞】
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jie/98/4/98_62/_article/-char/ja/[3]

大槻貴司，小宮山涼一，藤井康正: “詳細地域分割に基づく世界エネルギーシステムモデルの開発と低炭素システムにおけるエネルギー・CO2輸送の分
析”, エネルギー・資源学会論文誌, 40巻, 5号, pp.180-195, (2019) 【エネルギー・資源学会 第16回論文賞受賞】
https://eneken.ieej.or.jp/about/staff/2010/otsuki_takashi.html[4]

川上恭章, 松尾雄司,エネルギーシステム技術選択モデルによる GHG80%削減分析：気象条件が技術選択や GHG 削減費用に与える影響,エネル
ギー・資源学会論文誌,41巻,3号,pp.68-76 (2020) 【エネルギー・資源学会 第17回論文賞受賞】
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjser/41/3/41_68/_article/-char/ja/[5]

川上恭章, “低炭素エネルギーシステムにおけるエネルギー貯蔵の役割：非同期電源比率を考慮したエネルギーシステム最適化モデルによる検討, 電気学会論文誌B(電力・エネルギー部門誌), Vol.141, No.5, pp.326-335 (2021).
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejpes/141/5/141_326/_article/-char/ja/[6]

H.Obane, Y.Nagai, K.Asano, Assessing land use and potential conflict in solar and onshore wind energy in Japan, Renewable Energy, Vol160,
pp842-851,2020
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148120309125[7]

尾羽秀晃, 永井雄宇, 朝野賢司，「土地利用を考慮した太陽光発電および陸上風力の導入ポテンシャル評価」，電力中央研究所報告, Y18003, 2019https://criepi.denken.or.jp/jp/kenkikaku/report/detail/Y18003.html[8]

H.Obane, Y.Nagai, K.Asano, Assessing the potential areas for developing offshore wind energy in Japanese territorial waters considering
national zoning and possible social conflicts, Marine Policy, Vol 129, 2021
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308597X21001251[9]

尾羽秀晃, 永井雄宇, 豊永晋輔, 朝野賢司，「再エネ海域利用法を考慮した洋上風力発電の利用対象海域に関する考察」, 社会経済研究所研究資料
Y19502, 2019https://criepi.denken.or.jp/jp/serc/source/Y19502.html[10]

資源エネルギー庁: “2050年シナリオ分析の結果比較”, 第45回基本政策分科会資料1, 2021

[11]

自然エネルギー財団: “Renewable Pathways：脱炭素の日本への自然エネルギー100%戦略”, 2021[12]

環境省: “再生可能エネルギー情報提供システム”, http://www.renewable-energy-potential.env.go.jp/RenewableEnergy/ （2021年9月30日アクセス）[13]

デロイト トーマツ コンサルティング: “エネルギーシミュレーションモデルのご紹介”, 2020

13

補足資料

IEEJ-NE_Japanモデルのまとめ
地域・時間解像度

日本を5地域分割（北海道、東北、関東、西日本、九州・沖縄）。発電は1時間需給を考慮

分析期間

2015～2050年

目的関数

日本全体の割引後の累積のエネルギーシステム費用

温室効果ガスエネルギー起源CO2

国内輸送品目

電力、水素、メタン、CO2

最終消費部門産業（鉄鋼、セメント、化学、紙パ、その他産業）、運輸（乗用車、バス、トラック、鉄道、航空、海運）、家庭、業務。 家庭と業務は用途別需要（給湯、厨房、冷房、暖房、照明その他）を考慮

技術数300+のエネルギー供給側および需要側技術をボトムアップ的にモデル化

モデル化した低炭
素化技術の例

省エネルギー：エネルギー供給側および需要側で高効率設備を考慮

再生可能エネルギー：地上設置太陽光、屋根設置太陽光、壁面設置太陽光、陸上風力、
着床式洋上風力、浮体式洋上風力、一般水力、中小水力、地熱、バイオマス
エネルギー貯蔵・ディマンドレスポンス：揚水式水力、Li-ion電池、NaS電池、圧縮水素貯蔵、電気自動車の充電およびVtoG、ヒートポンプ給湯機によるディマンドレスポンス
原子力：軽水炉
CO2回収：発電での回収、水素製造での回収、直接空気回収（DAC：電力利用を想定）
CO2利用・貯留：メタン合成、液体燃料合成、国内地層貯留、海外貯留

IEEJ © 2021

水素利用：水素専焼発電、水素直接還元製鉄、燃料電池車、燃料電池船、燃料合成（メタン等）
アンモニア直接利用：アンモニア専焼発電、石炭・アンモニア混焼発電、アンモニア船
ネガティブエミッション：DACCS、BECCS

14

ご清聴ありがとうございました

IEEJ © 2021

大槻貴司
電力・新エネルギーユニット
兼 計量分析ユニット 主任研究員
takashi.otsuki@tky.ieej.or.jp

お問い合わせ: report@tky.ieej.or.jp

15