2022/11/14
4DHフォーラム第5回オンラインセミナー「セクターカップリングによる地域の脱炭素化」

データに基づく地域エネルギーシステムデザイン- 地域の脱炭素化シミュレーション 東北大学大学院 工学研究科 博士後期課程

小野寺 弘晃Outline

0. イントロダクション

1. 地域エネルギー需給データベースのご紹介

2. 地域エネルギーシステムのデザイン手法
3. 地域エネルギーシステムにおけるPtXの課題と展望

3

“Cities are criticalto the global energy transition.”———

国際再生可能エネルギー機関 IRENA

IRENA, “Renewable Energy Policies for Cities” (2021)“Climate action in cities is essentialfor achieving ambitious net-zero emissions goals.”———

国際エネルギー機関 IEA

IEA, “Empowering Cities for a Net Zero Future” (2021)“The vast number and size of cost-effective,
sustainable energy opportunities available in cities.”———

国際エネルギー機関 IEA

IEA, “Energy Technology Perspectives 2016” (2016)※ 再生可能エネルギー移輸出ポテンシャル= 再生可能エネルギーポテンシャル - エネルギー需要ネットゼロ排出目標宣言地域マップ[1]世界 924 地域 [1]日本 157 地域 [1]
2020年時点

742 市区町村[2]2022/09/30時点[1] Data-Driven EnviroLab & NewClimate Institute, Accelerating Net Zero: Exploring Cities, Regions, and Companies’ Pledges to Decarbonise (2020)[2] 環境省, 2050年二酸化炭素排出実質ゼロ表明自治体, https://www.env.go.jp/content/000078043.pdf

5

1. 地域エネルギー需給データベースのご紹介

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地域エネルギー需給データベースの概要• 47都道府県と1,741市区町村を対象に、エネルギー消費量と再生可能エネルギー資源量のデータを掲載。
• 各地域のエネルギー需給構造を可視化し、多面的な指標を用いて定量評価。
• 将来の脱炭素化等を想定したエネルギーシステムのシミュレーションが可能。

エネルギー消費量

エネルギーフロー

エネルギーシステム評価

損失

Energy flow

地域エネルギーシステムを定量評価

エネルギー需給の全体像を俯瞰

統合・可視化

再エネ資源量・既設導入量

再エネなど
発電

業務
家庭
産業

化石・原子力など

シミュレーション

エネルギー需要の内訳を把握

運輸

掲載URL

https://energy-sustainability.jp

掲載地域

1,741市区町村（特別区を含む。政令指定都市は行政区ごとに区分しない。）, 47都道府県, 10 地方(TSO区分)

ライセンス

クリエイティブ・コモンズ 表示-非営利 4.0 国際 パブリック・ライセンス7

地域エネルギーシステムシミュレーション機能• 現状の地域エネルギー需給データに基づいて、将来像をシミュレーションするツールを公開。
• 再エネ導入や電化、水素・合成燃料利用などによるエネルギー需給全体の変化を定量的に観察可能。

操作可能なパラメータ• 再生可能エネルギー導入量

陸上風力、洋上風力、太陽光PV、中小水力、木質バイオマス、廃棄物を考慮。

• 部門別電化率

産業部門、業務部門、家庭部門、運輸部門の電化率をそれぞれ考慮。

• 燃料代替率（水素・合成燃料の想定）
Hard-to-abateセクターの脱炭素化に向けた水素や合成燃料の製造を考慮。

• 社会経済指標増減率（マクロフレーム）
産業部門、業務部門、家庭部門、運輸(道路輸送)部門それぞれに対応した社会経済指標を考慮。

• 地域間エネルギー融通量連携した他地域からの電力融通量を想定。

多面的評価指標A)A) エネルギーフロー図

地域のエネルギー需給の全体像を可視化。

B) エネルギー自給率

エネルギー需要に対する地域内再エネ供給量。

C) エネルギー移輸入依存率

エネルギー供給に占める移輸入エネルギーの割合。

D) 地域内再エネ導入量

B)

C)

D)

G)

H)

I)

再エネ導入ポテンシャルに対する導入量。

E) 一次エネルギー総供給量F) 最終エネルギー消費量

J)G) エネルギー起源CO2排出量
H) 地域内再生可能エネルギー発電コスト
I) 地域エネルギー経済収支
J) 時間別電力需給バランス

H)
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地域エネルギーシステムを俯瞰するためのエネルギーフロー図• エネルギーフロー図とは、地域内のエネルギー需給構造(エネルギーシステム)の全体像を可視化した図。
• エネルギー資源、エネルギー転換、エネルギー需要の各部門間におけるエネルギーの流量を相対的に表現。

エネルギー資源エネルギー転換エネルギー需要9

エネルギーフロー図の構成
導入ポテンシャル

既設導入量

※理論的な
導入上限

電力部門

損失部門

・発電損失と熱供給損失を含む。

再生可能エネルギー資源部門
資源投入量

発電損失
発電量

需要部門

・非エネルギー利用を含む。
・自家発電・蒸気発生用燃料を含む。
・貨物鉄道、船舶、航空を除く。

非再生可能エネルギー資源部門
・化石燃料、大規模水力、原子力を含む。

エネルギー資源

熱供給部門

・産業用蒸気発生および地域熱供給を含む。

エネルギー転換エネルギー需要10エネルギーフロー図の作成に用いるデータ
項目

小項目

データソース

再生可能エネルギー
導入ポテンシャル太陽光

REPOS R3（環境省）

陸上風力

REPOS R3（環境省）

小水力

REPOS R3（環境省）

河川のみ。※農業用水路の発電量は2022年10月時点で非公開。

地熱

REPOS R3（環境省）

蒸気フラッシュ、バイナリー、低温バイナリーの合計。

木質バイオマス

森林資源現況調査（林野庁）および木材需給報告書（農林水産省）を基に推計 ※2022年時点では賦存量年間蓄積増加量(丸太・枝条)と未利用資源発生量(丸太・枝条)の合計。

洋上風力

REPOS R1（環境省）を基に推計

メッシュ別発電ポテンシャルを推計し、最近接海岸線を保有する市区町村に集計。

廃棄物

一般廃棄物処理実態調査（環境省）を基に推計

可燃ごみ搬入量の全量を熱量に換算。
可燃・不燃の区別のない地域の可燃ごみ搬入量は混合ごみ搬入量と平均可燃ごみ比率から推計。

太陽光

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）を基に推計

新規認定分と以降認定分の合計。

陸上風力

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）と日本における風力発電設備・導入実績（日本風力発電協会）を基に推計FIT認定分に加え、自家発電用設備と事業用設備を含む。

小水力

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）を基に推計

新規認定分と以降認定分の合計。

地熱

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）を基に推計

新規認定分と以降認定分の合計。

木質バイオマス

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）を基に推計

新規認定分と以降認定分の合計。
未利用木材、一般木材、農作物残差、建設廃材の合計。

洋上風力

固定価格買取制度 事業計画認定情報（資源エネルギー庁）を基に推計

新規認定分と以降認定分の合計。

廃棄物

一般廃棄物処理実態調査（環境省）を基に推計

石炭混焼の場合は、資源投入量比の想定値を用いて廃棄物投入量を推計。

地域外電源構成

旧一般電気事業者公表資料

一般送配電事業者の供給エリアごとに考慮。
旧一般電気事業者以外の発電事業者の電源は含まない。

設備利用率

基本政策分科会に発電コスト等の検証に関する対する報告（経済産業省 発電コスト検証ワーキンググループ）

再生可能エネルギー
既設導入量

最終エネルギー消費量

産業部門

市区町村別エネルギー消費統計表（本データベース）

業務部門

市区町村別エネルギー消費統計表（本データベース）

家庭部門

市区町村別エネルギー消費統計表（本データベース）
家庭用エネルギー統計年報（住環境計画研究所）

運輸部門

市区町村別エネルギー消費統計表（本データベース）

備考

暖房、冷房、給湯、照明・動力・その他の内訳は地方別に推計。

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市区町村別エネルギー消費統計表• エネルギー消費統計表は、エネルギー資源・キャリア別、需要部門別の年間エネルギー消費量を取りまとめた表．
• どのエネルギー資源またはキャリアが、どの需要部門でどれだけ消費されたかを把握可能．
エネルギー資源・キャリアの内訳

需要部門の内訳

最終エネルギー消費量※ エネルギー量の単位には、SI単位系のテラジュール(TJ)を採用しています．
1 TJ = 1,000,000 MJ ≒ 277,778 kWh※ 発熱量には、低位発熱量を採用しています．

家庭部門の年間石油消費量

産業部門・機械製造業の年間電力消費量

12再生可能エネルギー移出ポテンシャル
再生可能エネルギー移出ポテンシャル ＝ 再生可能エネルギー導入ポテンシャル ー エネルギー需要※より正確には、発電量・熱供給量ベースの導入ポテンシャルから電化・燃料代替・社会変容を考慮した需要を差し引いて求める。

環境省資料[1]より作成• 再エネ移出ポテンシャルが正 → 地域内資源でエネルギー需要を賄える。
・理論的にはエネルギー自給率100%と地域単独での脱炭素化を目指せる。
・他地域の脱炭素化に貢献しつつ、エネルギー代金の流入による地域経済効果が期待される。
・資源があっても脱炭素政策を立案・実施できない地域が多い。

• 再エネ移出ポテンシャルが負 → 地域内資源でエネルギー需要を賄えない。

移出ポテンシャル
Exportable RE

・自地域のみで脱炭素化することは困難。
→ 単独では実効的な”脱炭素”政策の立案が困難。

再生可能エネルギー導入ポテンシャル

エネルギー需要[1] 環境省,令和３年度再エネ導入ポテンシャルに係る情報活用及び提供方策検討等調査委託業務報告書 (2022)

再エネ移出ポテンシャル
13

2. 地域エネルギーシステムのデザイン手法

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地域エネルギーシステムデザインのフレームワーク• 地域エネルギーシステムデザインとは、地域エネルギーシステムの全体像を的確に捉えながら、将来に向けて具体的かつ定量的なビジョン(＝整合性のある数値目標群)を策定する手続き。
(実際にあった整合性がない目標の例)
現状の電力需要に基づいて再エネ導入目標と電力自給率目標を立てながら、電気自動車の導入目標も設定。
→再エネ導入目標と電気自動車の導入目標が両方達成されると、電力自給率が達成されない。

A) 地域エネルギーシステムの現状把握•••

エネルギー需要の把握
再エネ導入ポテンシャルの把握
エネルギーフローの可視化B) 地域エネルギーシステムの目標設定

エビデンス• KPIツリーの作成• システム目標(KGI)の設定• 部門目標(KPI)の設定

C) 設定した数値目標の検証・評価
検証,
評価

エネルギーシステムのシミュレーションによりKGI/KPI間の整合性を検証→ すべてのKPIを達成することですべてのKGIを達成できるか?

フィードバック▶ 地域エネルギー需給データベースを活用▶ 地域エネルギー需給データベースのシミュレーション機能を活用
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地域エネルギーシステムの目標設定のポイント• 数値目標をKGIとKPIに分けて考える。

KGI：Key goal indicator, 重要目標達成指標
KPI：Key performance indicator, 重要業績評価指標• 地域エネルギーシステムデザインの目的は、脱炭素化や地域経済的価値の創出、レジリエンス・エネルギーセキュリティの向上など
地域によって様々であり、複数のKGIが必要となり得る。(ただし、一般的にはKGIは1つに絞るべきとされる。)• KGIを達成するために必要なKPIを洗い出す。KGIが複数ある場合、1つのKPIが複数のKGIの達成につながることもある。
• KPIツリーを作成することでKGI/KPI間の関係を整理でき、目標間の整合性を考えやすくなる。

脱炭素目標
CO2排出量水素・合成燃料等への化石燃料消費量

燃料代替率

エネルギーセキュリティ目標

電化率・EV普及率
最終エネルギー消費量

エネルギー自給率(またはエネルギー移輸入依存率)

高効率機器
普及率

地域経済目標
エネルギー
経済収支

KGI

再エネ移出入量

再エネ導入量

エネルギー消費活動増減率

KPI

地域エネルギーシステムのKPIツリーの例
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3. 地域エネルギーシステムにおけるPtXの課題と展望

17カーボンニュートラルエネルギーシステムのコンセプト
Renewable energy

Resources

Cross-border flexibility

Transport

Wind, Solar, Hydro, Geotherm., Biomass, Waste,…

Transmission, pipeline, shipping,…

Urban
RuralElectricity

Cross-sector flexibility
V2G, P2H, P2G, P2L,…

P2H
ConversionElectrofuels

P2G,P2L

CCU& Storage

CCU & Electrofuels

Heat

for Hard-to-abate sectors

V2G

Transportation

Demand side flexibility
Electrification & Efficiency

Demand18

セクターカップリングと地域間エネルギー融通
供給

需給調整

需要

再生可能エネルギー

セクターカップリング

最終エネルギー消費

00:00

Elect.

Offshore wind

Solar PV

12:00

Onshore wind

CnHn

24:00

H2

NH3

Consumption

Power generation

地域A

BEV

Electricity
Heat

00:00

Heat

余剰を活用

12:00

24:00

地域間エネルギー融通

00:00

Elect.

Offshore wind

CnHn

H2

NH3

Consumption

Power generation

地域B

BEV

Solar PV Onshore wind

12:00

24:00

不足を解消
Electricity
Heat

Heat

00:00

12:00

24:00

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PtXの課題と展望• 脱炭素エネルギーシステムおよび地域社会におけるPtXの役割は、「脱炭素燃料の供給」と「需給調整」と「付加価値創出」。
視点① 脱炭素エネルギーキャリアとして、再エネ電力(電化による直接利用)やバイオ燃料と競合。→ コスト競争
視点② 需給調整力として、系統用蓄電池やV2G、P2Hと競合。→ 柔軟性(応答速度や調整容量)、調整以外の価値
視点③ 再エネ電力を移出するか、水素・合成燃料として付加価値を加えて移輸出するか。→ 需要との兼ね合い• PtXの実現可能性のキーファクターは効率とコスト。
→ 基本的に電化した方が効率が良い。とくに給湯・暖房などの低温熱需要は電化する方が物理的・経済的に合理性が高い[1]。
→ 水素・合成燃料の製造コストを化石燃料と競合する水準まで低減させるためには、安価な電力と一定の設備利用率が必要。

PtXのエネルギーフローの例（FT合成による液体炭化水素製造の場合）

電力: 2.53

水素: 1.35

FT炭化水素: 1.00

水電解DAC

損失: 1.14

水素・合成燃料の製造コスト (2030年想定)
水素製造コスト(水電気分解)アンモニア製造コスト(ハーバー・ボッシュ法)

合成メタン製造コスト(サバティエ反応)

液体炭化水素製造コスト(フィッシャー・トロプシュ法)
都市ガス小売価格
軽油小売価格政府2030年目標

LNG価格(CIF)

軽油卸価格

都市ガス小売価格

ガソリン小売価格

ガソリン卸価格
LNG価格(CIF)※ 燃料1kWhあたりの現在価値換算コストLCOX (Levelized cost of X)により評価。 設備利用率(Capacity factor)は、１年間に製造可能な燃料の最大量に対する実際の製造量の割合。
[1] J. Rosenow, Is heating homes with hydrogen all but a pipe dream? An evidence review, Joule, 2022

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