EnergySystemAnalysis

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
第4世代地域熱供給(4DH)シンポジウム
2019年3月14日
東北大学 大学院工学研究科技術社会システム専攻
中田俊彦

1

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
1. 日本のエネルギー情勢と課題
2. 設計アプローチ手法
3. 導入可能性の評価
4. 今後の展開

2

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
1. 日本のエネルギー情勢と課題

3

4

東アジアのガスパイプライン

5Interactive World LNG Map © 2017 Petroleum Economist暖房度日と地域熱供給システム導入地域

Above 2500 oC-day
10 prefectures in North Japan6

熱需要マップ

7

8

9

地域熱供給システム導入の国際比較

Energy supply

CoolingHeating

参考 EUROHEAT & POWER, 2015 Country by country – Statistics overview (2013 data)
熱供給事業便覧 平成28年度版,（社）日本熱供給事業協会, 2017 等10地域熱供給システムの国際比較
熱源需要家
00.2

0.4

0.6

01

RussiaSwitzeland

1EU average
Iceland00.2

Denmark
France

0.4

0.6

0.4

Austria Norway

0.2

0.8

Japan

0.6

Commerical(a) User composition

0.6
Estonia

Slovakia
Czech Rep.

0.8

0.8

0.4

0.6

Korea

Japan

0.2

0.8

10.8

101

0.4

Hungary
EU average
FinlandGermany

0France

Poland0.2

0.2

Austria
Switzeland
Sweden Denmark

0.4

0.6

Iceland0.8

1

Renewable heat(b) Heat resource composition

Ref. EUROHEAT & POWER, 2015 Country by country – Statistics overview (2013 data), 2015.
Japanese district heating association, Handbook of district heating projects, 2017. et al.

110

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
2. 設計アプローチ手法

12

対象地域

・ 10 prefectures in North Japan.
・ Selected prefectures’ heating degreedays are larger than 2,500oC day.
Tokyokm13

設計手法
1. 排熱ポテンシャルの推定

Resource side

2. 熱需要の分析

Demand side

3. システム構成機器の配置

Allocation

4. システム性能の分析と評価

Evaluation

14

排熱ポテンシャルの推定
一般廃棄物焼却施設 WIP
EX WIP,i =LHV WIP ,i × mWIP ,i × η WIP
1000

(1)

EXWIP

： Excess heat from waste incineration plants [TJ/year]

LHVWIP ： Lower heating value[MJ/t]mWIP： Disposal amount of municipal solid waste [t/year]

ηWIP： Excess heat available rate (= 65%)i

： Waste incineration plants

EXTPG： Excess heat from thermal power generation[TJ/year]

CapTPG： Plant capacity

[MW]

ηWIP

： Excess heat available rate (= 50%)[-]j

： Thermal power plants[-]

火力発電所 TPP
EX TPG,j =Cap j × ηTPG × 8760 × 3.6
1000

(2)

Ref. Ministry of Environment, Research of municipal solid waste disposal situation, 2017.
Ministry of Land, Information, Transport and Tourism of Japan, Geographic and quantitative data of waste incineration plants, 2014.
U. Persson and S. Werner, District heating in sequential energy supply Appl. Energy, Vol. 95, pp. 123–131, 2012
15
Ministry of Land, Information, Transport and Tourism of Japan, Geographic and quantitative data of thermal power plants, 2014.

熱需要の分析業務部門

1kmメッシュ

家庭部門
16

熱需要の分析手法
業務部門
Qcom ,mesh = ∑ q com ,type ,mesh × Areatype ,mesh
type

Qcom
qcom
Areatype

家庭部門

Qres ,mesh = ∑ q res,n ,mesh × Householdsn ,meshn

Qres
qresHousesolds
meshn(3)： Annual heat demand of commercial sector [TJ/km2/year]： Heat demand unit
[TJ/year/m2]： floor area
[m2/km2]： commercial type(4)
： Annual heat demand of residential sector [TJ/km2/year]： Heat demand unit
[TJ/year/household]： Number of household[household]： mesh： family number of household

Ref. Ministry of Environment, A survey on the estimation of carbon dioxide emissions from households, 2015.
Ministry of Internal Affairs and Communications of Japan, Country affairs statistics 2015, 2017.
General incorporated association of city environment and energy, Project 2010, Investigation of potentialof installing district heating and cooling, 1994.
Ministry of Economy, Trade and Industry, Commercial statistics by mesh in 2014, 2016. et al.

17

地域熱供給システムのデザインとモデリング

18

システム構成機器の配置

Parent mesh: Highest heat demand mesh within 20 km from heat resourcesChild mesh : LHDmin = 1.0 MW/m from the parent mesh19

熱負荷曲線の作図

Peak load40％

Gas blr.
_parent&child

Chip blr._parent

40％

20％
0Middle load

WIP/ TPP

Base load

WIP/ TPP

Load duration [hour]

8760
20

技術使用のパラメータ設定
TechnologyUnits

Pipem

Capital cost(mmJPY perunit)
0.039 - 0.205

O&M Life time(% of[year]capital)
1.0%
30

Scale Efficiency Fuel cost[-] [JPY/MJ]
factor[-]-Wood chip boiler MW(Middle load)

91

4.1%

150.730.80

1.6

Gas boiler(Peak load)

16

0.3%

150.73

0.90

2.2

MW

Ref. IEA, IEA ETSAP - Technology Brief E05 Biomass for heat and power, 2010.
A. Bejan, G. Tsatsaronis, and M. Moran, Thermal design & optimization. 1996.
Asia Biomass Office, Wood pellet production and import, https://www.asiabiomass.jp/topics/1512_02.html
Sendai city gas, Sendai city gas contract, 2017, http://www.gas.city.sendai.jp/family/charge/uploads/2904_sendai_gas_kouri_yakkan.pdf

21熱導管の熱損失
Losspipe = K ⋅ 2π ⋅ da ⋅ l ⋅ G

Ref.

(5)

Losspipe： Heat loss from pipeline[TJ/year]da： Average pipe diameter[m]l： Total length of pipeline[t/year]K： Total heat transmission coefficient (=0.6)[W/m2k]G： Degree time number of the average
distribution difference (=525,600)

Q 
da = 0.0486 × ln s  + 0.0007
 l 

(6)

0.4106linside ,mesh = 1207.36 × nmesh

(7)

[oCs]

Qs

： Heat supply[TJ/year]n： Building number[-]

S. Frederiksen and S. Wener, District Heating and Cooling. Studentlitteratur, 2013.
U. Persson and S. Werner, Heat distribution and the future competitiveness of district heating, Appl. Energy, Vol. 88, No. 3, pp. 568–576, 2011.
22
H. Gils, A GIS-based Assessment of the District Heating Potential in Europe, Graz, Österreich, No. 2, pp. 1–13, 2012
B. Eikmeier, J. Gabriel, W. Schulz, W. Krewitt, and M. Nast, Project Report to the German Ministry for Economics and Technology, Bremen/Stuttgart, 2005.

システムの性能指標の定義
η DH =∑ Qmeshmesh

Q base + Qmiddle + Qpeak + Losspipe

CO 2 , DH =Qpeak × CO 2 ,gas + Epump × CO 2 ,el∑ Qmesh

(8)

(9)

mesh

Cost DH =Cost capital + Cost fuel + Cost O&M∑ Q mesh

mesh

(10)

ηDH

： Energy efficiency[-]

Q： Annual heat demand[TJ/year]

Qbase： Heat supply for base load

[TJ/year]

Qmiddle： Heat supply for middle load

[TJ/year]

Qpeak： Heat supply for peak load

[TJ/year]

CO2： CO2 emission[g-CO2/MJ]

Epump： Electricity consumption[TJ/year]

CO2,gas： CO2 emission from natural gas [g-CO2/MJ]

CO2,gas： CO2 emission from natural gas [g-CO2/MJ]

CostDH： Heat supply cost

Costcapital ： Capital cost

[JPY/MJ][JPY/year]

Costfuel： Fuel[JPY/year]

CostO&M： O&M cost

[JPY/year]23

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
3. 導入可能性の評価

24

排熱ポテンシャルの地域分布(a) Waste incineration plants(b) Thermal power plants

25熱需要の地域分布
札幌市: 1,110 TJ/km2/year

熱需要密度

熱需要[PJ]

需要割合

面積面積割合

[%]

[km2]

[%]

Zero00137,507

70.3

0 – 15105

25.0

52,08626.6

15 – 50

107

25.5

3,893

2.0

50 – 150

143

34.0

1,756

0.9

150 -

65

15.5

224

0.1

Total

420-

195,466-[TJ/km2/year]26

10都道府県毎の分析結果

Prefecture
Unit Hokkaido

Number of DH

Aomori

Iwate

Miyagi

Akita Yamagata Fukushima

Tochigi

NigataNagano-26

9111413617

152216

Total heat supply (A)

PJ

12.7

3.7

2.4

18.1

6.7

3.1

7.4

3.8

8.9

3.9

TPES for systems (B)

PJ

15.6

4.5

3.1

20.4

7.7

3.8

9.2

5.0

10.74.9

Average efficiency (A/B)

-0.81

0.81

0.77

0.89

0.87

0.81

0.80

0.77

0.83

0.79

Excess heat consumption PJ

8.3

2.8

1.1

16.0

5.8

2.1

5.3

1.8

7.0

1.7

2639

1159

807

4690

1717

996

3153

1169

3125

901

126

47

34

166

68

46

122

45

116

33

Energy property

Systems' network
Total pipeline lengthDistrict heated areakm
2km

149 DHS in ten prefectures includes;
Hokkaido: 26 DHS with 12.7 PJ
Miyagi prefecture: 14 DHS with 18.1 PJ
27

東北3地域のケーススタディ

3 WIP
2 TPP
129 meshes
15,800 TJ

1 WIP0 TPP
6 meshes
252 TJ(a) Sendai city(b) Kakuda city

0 WIP
2 TPP
47 meshes
1,970 TJ(c) Iwaki city28

東北3地域のシステム性能
Energy efficiency[%]

CO2 emission[g-CO2/MJ]

Cost[JPY/MJ]

Total heat supply[TJ/year]

Average LHD[GJ/m]

Sendaicity

95.4

7.9

1.2

18085

4.4

Kakudacity

79.9

7.9

2.9

251

3.0

Iwaki city

87.4

6.8

1.9

1970

1.7

29

費用内訳の比較

30

第4世代地域熱供給の国内での課題と可能性
4. 今後の展開

31

日本への地域実装に向けて
地域熱供給システムは、生活の質QoLの向上、地産エネルギーの熱利用、脱炭素社会の実現、地域経済の効果が期待できる。
• 地域のエネルギー需給フローの把握（エネルギーフロー図の作成）• 地域のエネルギー需給の分散の分析（エネルギー密度マップの作成）• システム構成のデザイン
32