第章

5

分散型電源を用いたオンサイト
エネルギーシステム

第５章

分散型電源を用いたオンサイトエネルギーシステム ● 目次

狛江研究所需要家システム部

上席研究員

市川

建美

狛江研究所需要家システム部

上席研究員

七原

俊也

横須賀研究所プラント熱工学部

主任研究員

斎川

路之

経済社会研究所

上席研究員

浅野

浩志

経済社会研究所

主任研究員

今村

栄一

狛江研究所リチウム二次電池プロジェクト

リーダー

岩堀

徹

５−１

オンサイトエネルギーシステムと分散型電源 ………………………………………………………………………… 67

５−２

マイクロガスタービン、固体高分子形燃料電池システムの展望 …………………………………………………… 69

５−３

システムの省エネ・経済性評価 ………………………………………………………………………………………… 72

コラム：リチウム二次電池による分散型電池電力貯蔵 ………………………………………………………………………… 77

市川 建美（22ページに掲載）

斎川 路之（22ページに掲載）

今村 栄一（平成元年入所）
新エネルギー技術をはじめとする各種分散型電源技術の技術評価・経済性評価に関する研究に従事。特に需要家サイドにおけるエネ
ルギー供給利用の最適化分析と普及分析に取り組んできた。現在は，各種分散型電源技
術・電気利用技術間競合を考慮した最適化分
析に取り組んでいる。

66

七原 俊也（昭和54年入所）
主に、需給計画手法の分散型電源の評価、エネルギーシステムの検討などの研究に従事してきた。現在、太陽光・風力発電の出力特性の分析や風力発電の電力系統に及ぼす影響などに関する研究に取り組んでいる。

浅野 浩志（12ページに掲載）

岩堀
徹（昭和46年入所）
原子力、火力の腐食を研究後、昭和59年よりロ−ドコンディショナ−など需要家設置の分散型電池電力貯蔵装置の研究開発に取り組
み、リチウム二次電池などの開発・性能評価などに従事している。

５−１

5-1-1

オンサイトエネルギーシステムと分散型電源

オンサイトエネルギーシステムと分
散型電源

5-1-2

分散型電源の導入見通し

太陽光発電、風力発電、燃料電池発電、民生用コジ
オンサイトエネルギーシステムの構築のために、マェネレーションなどの分散型電源について、既設の設イクロガスタービンや燃料電池などを分散型電源とし備容量、潜在導入量、様々な見通しにおける導入量のて利用することが注目されている。本節では、分散型想定を表 5-1-1 に示す。

電源の側面から見たオンサイトエネルギーシステムの動向と位置づけなどについて概観する。

同表によれば、分散型電源の実際的な潜在導入量としては民生用コジェネレーション（天然ガス利用）が分散型電源という用語は、慣用的に使用されている

2,600 〜 5,200 万 kW、廃棄物発電が 500 〜 730 万 kW、太ものの、定義はきわめて曖昧であり、容量が数 kW の太陽光発電が 4,200 〜 8,400 万 kW、風力発電が 250 〜 500

陽光発電から容量が 10 万 kW を超える火力発電所など

万 kW 程度とされている(2)。一方、既設の電源容量は民まで幅広い設備を指す言葉として使用されているのが生用コジェネレーション（天然ガス利用）が 83 万 kW

実態である。分散型電源に当たる英語は distributed（1998 年）、廃棄物発電が 95 万 kW（1997 年）、太陽光発

generation ないしは dispersed generation であるが、こ電が９万 kW（1997 年）、風力発電が３万 kW（1998 年）

れについても「需要家の近くに分散して配置される多程度である(3)。既設容量と潜在量との格差は、民生用コ

数の小規模な発電機などからなる」程度の意味とされジェネレーションで 2.5 〜５千万 kW、太陽光発電で４

(1)†

ている

。

一方、分散型電源は、コジェネレーションに代表される燃料投入型、太陽光発電や風力発電などの自然エ〜８千万 kW と大きいため、民生需要家への設置が予想されるこれらの動向が今後の分散型電源の導入量を大きく左右すると考えられる。

ネルギー型、廃棄物発電などの未利用エネルギー型、蓄電池などの電力貯蔵型に分けることもできる。連系
技術の観点から見ればこれらには共通する点も多いが、5-1-3

分散型電源を用いたオンサイトエネ
ルギーシステムの位置づけ

オンサイトエネルギーシステムの面から見た特性は非常に異なっている。すなわち多くの場合、オンサイト

分散型電源を用いたオンサイトエネルギーシステム

エネルギーシステムの対象とされるのは燃料投入型のが有効か否か、どのような場合に有効かについては、設備であり、信頼度向上等を主目的とする場合には電様々な意見がある。これは一つには大型計算機がパソ

力貯蔵型の装置も対象となる。自然エネルギーについコンに駆逐されたのと同様の変化が電力システムでもても、たとえば太陽光発電とディーゼル発電など他の起こるなどの議論、さらには small is beautiful に代表さ発電方式と組み合わせることを考える場合には、オンれる情緒的な議論と現実的なデータに基礎をおく技術

サイトエネルギーシステムの一種と見なされることは論が混在しているためである。また、これは精緻な分あるが、一般にはこのような場合は少数であろう。

析を試みようとすると現実的かつ緻密な条件設定が必要となるためでもある。

†

特に区別する場合には distributed generation は電気事業用としての利用を含むどちらかといえば大型の設備 、dispersed
generation は需要家でのオンサイト利用を含むどちらかといえば小型の設備を指すとされている 1。

小規模電源の活用を図るべきという考え方を辿れば、
古くはクリスチャンセンによる米国における電源のス
ケールメリットへの疑問の提示(4)、エイモリー・ロビン

電中研レビュー No.41 ● 67

表5-1-1
対象
年度
主要な連系電圧
既設設備容量1）

分散型電源導入量の想定例
民生用天然ガスコジェネ

太陽光発電

風力発電

低圧

高圧、特高

高圧

特高

9.13万kW（1998.3）

3.16万kW（1998.12）

82.68万kW（1998.9）

95.4万kW（1998.3）

廃棄物発電

潜在導入量（物理的限界）2）

17,300万kW

3,500万kW

10,326万kW

1,464万kW

潜在導入量（実際的限界）3）

4,200〜8,400万kW

250〜500万kW

2,581〜5,163万kW

500〜732万kW

天然ガスによる供給比率を想定。家庭用
ではガス給湯器と同等の普及度合いとして、業務用では事務所等の需要量をもとに算定。

焼却可能な一般・産業廃棄物の量と発電効率をもとに算定。

潜在量想定の考え方

農地利用、自然公園
住宅用、公共施設用などに分けて積算。
などを考慮し、風況
住宅用は日当たりのが優れた利用可能な
良い一戸建て住宅戸
土地面積をもとに算数などをもとに算定。 定。

総合エネ調（基準ケース）4）

2010

23万kW

4万kW

813万kW

5）

213万kW

4）

2010

500万kW

30万kW

1,002万kW

5）500万kW

総合エネ調（対策ケース）
新エネ導入大網

2000

40万kW

2万kW

1,452万kW

6）200万kW

新エネ導入大網

2010

460万kW

15万kW

1,912万kW

6）400万kW

基本政策小委（新エネ強化ケース）1）

2030

17,000万kW

750万kW

発表
年度

2000

1998

1994
1996

（注）１．新エネルギーデータ集（平成11年度版）
２．総合エネルギー調査会新エネルギー部会資料（2000年１月）
３．物理的限界潜在量の内訳：家庭用1,408万kW、業務用：8,918万kW（産業用4,955万kW）
４．総合エネルギー調査会需要部会中間報告（1998年６月）
５．蒸気タービンを除く全てのコジェネレーション。燃料電池コジェネも含む。
６．産業用を含む。
７．総合エネルギー調査会基本政策小委員会中間報告（平成９年）。現実性に不十分な点のある想定との注釈有り。
石油換算kl値を注３の総合エネ調報告の比率をもとにkW換算。

スの提唱した「ソフト・エネルギー・パス」(5)などに端

サイドのニーズによる導入形態であるが、C、Dと進を発すると考えられる。

むにつれ電力システムサイドからのニーズとも合致し

しかし最近の分散型電源に関わる動きは、マイクロてくると考えている点に特徴がある。ただしオンサイ

ガスタービン発電や固体高分子型燃料電池などの革新

トエネルギーシステムと考えうるのは、AからCまで技術が現れてきていること、その他の技術についてのの使途である。

技術開発が進んできたことに起因していると考えられまた最近、米国では、規制緩和の進行ともあいまっる。このような状況にあって、米国を中心にオンサイて、このような分散型電源の考え方を押し進めた分散

トエネルギーシステムを含む分散型電源の導入ビジョ型電気事業（distributed utility）のような考え方も提唱

ンについての盛んな議論が始められている。たとえばされている(7)。これは当面の問題への対応としても、電米国のコンサルタントであるヨハン・パイフェンバー

力システムサイドからも分散型電源を積極的に利用すガは、分散型電源の導入は次の四段階からなるだろう

ることにより、電気事業全体の設備投資や運用にメリ(6)と予想している 。すなわち分散型電源の導入には、ットを見いだせる有望な選択肢となる可能性があるこAとを指摘している点では上記と同様であるが、さらに熱利用が可能な需要家（コジェネレーション）への導入

B負荷率が（当該用途の一般的な需要家より）高い需要家への導入

C

供給コストの嵩む需要家への導入（発送配電部門

今後、規制緩和の進展に伴い需要家のエネルギー選択の自由が拡がった場合、分散型電源が需要家により選択される可能性があり、いわば「分散型電気事業」と呼ぶような供給形態が出現することを予測している。

の分離なども契機となる）
D

電力輸送設備への設備投資節減のための導入

5-1-4

む す び

の四段階があり、番号が若い使途ほど早期の導入が見込まれる形態、番号が大きい使途ほど市場規模の大き

技術的に見る限り電力設備には規模の経済が存在す

い導入形態としている。これらのうちA、Bは需要家る。しかし小型ガスタービン、燃料電池、太陽光発電

68

のように比較的、規模の経済の効果が小さく、技術のの１つの選択肢となる可能性がある。このような状況

進歩が著しい技術が現れてきていること、上記ではあにあって、オンサイトエネルギーシステムの将来展望

まり触れなかったが分散型電源・貯蔵を設置する誘因について、様々な側面から広範な検討を実施することとして信頼度向上などありうることを考えると、分散が必要となろう。

型電源を用いたオンサイトエネルギーシステムも将来

５−２

マイクロガスタービン、固体高分子形燃料電池システムの展望

分散型電源の多くは、得られる電力だけでなく熱エされた技術であり、民生用としては新規技術であるたネルギーを有効に利用することが省エネルギーの観点

め、MGT 全体の信頼性とともに、空気軸受の信頼性等から重要であり、このような利用が実現しやすい需要の確認が必要と考えられる。

地（都市部地域）に偏在して設置されるものと予想する。

なお、タービン軸に発電機を直結させるタイプの電気出力は、空気軸受けが支え得るタービン発電機重量

ここでは、需要地内に分散的、かつ数多く導入されの制約から、100 〜 150kW が上限と考えられている。

る可能性のあると考えられているマイクロタービンと開発・実用化動向、運用特性、利用形態の調査・分析

固体高分子型燃料電池を取り上げた。

の結果を述べる(8)(9)。

_ マイクロガスタービン¸

MGT の開発･実用化動向
米国では、開発が進められてきた一部の機種が商品

マイクロガスタービンは、小容量のガスタービンととして市場に投入され、メーカとユーザによる試験運発電機を組合せたもの（以下、MGT と略記）であり、用を通しての性能や長期信頼性の確認・検証の段階に現在までに実用化されているのは、電気出力で概ね入ったと見なされる。
一方、国内では、電力会社およびガス会社が、技術30kW 級〜 300kW 級である。さらに排熱回収装置を組み合わせたコージェネレーションシステムもある。
タービン本体の軸構成には、一つのタービンで空気的、経済的な成立性を評価するために、商用機あるいはプレ商用機を用いた運転試験を進めている。

圧縮機と発電機を駆動する一軸式と、空気圧縮機と発また、関連機器メーカなどは、海外から導入した発電機を別々のタービンで駆動する二軸式とがある。タ

電専用機をベースに、コージェネレーションシステム

ービンと発電機は、軸直結のものと、減速器を介してなどの開発を進めている。特に 50kW 前後の小容量機に結合されるものとがある。

ついては、様々な形態のシステムの開発を計画してい発電機を駆動するタービンの定格軸回転数は、概ねる。

４〜 12 万 rpm と機種により異なるが、ほとんどのもの
が、10 万 rpm 前後の高速である。電気出力 75kW 以下の米国製機種のなかには、従来の潤滑油軸受に必要な¹

MGT の運用特性
Capstone の 28kW を例として、これまでに報告され

油循環や冷却用の補機系統の省略によるシステムの簡ている結果をまとめると以下の通りである。

略化、コンパクト化を目的に、空気軸受を使った機種

・起動ボタンを押してから指令の後、定格出力に達すもある。空気軸受けは、軍事用に開発され民間に開放る迄の時間は約４分と短い。

電中研レビュー No.41 ● 69

・０〜 28kW まで約 40 秒間と、極めて高速で上昇する。

的に高い効率ではない。

・発電効率は設計値 26 ％に対してやや低い。

このため MGT は、省エネ性の観点から、以下のよう・高調波は基準値と同程度である。

に排熱を有効に活用するコージェネレーションシステ

・ NOx は約 60 ％以上の出力において設計値（9ppm 以

ムを指向する必要がある。

下）より極めて少ない。

・単純サイクル MGT からのホットな排ガス(約 600 ℃)

今後、環境制約が強まるため、MGT についても NOxを活用する。

の排出を極力抑制した運転、すなわち、NOx 排出が相・単純サイクルと比較して発電効率は高いが排ガス温対的に高くなる低出力領域の運転を避けることが望ま度の低い再生サイクル MGT でも、例えば、効率の高いしいと考える。

排熱回収装置の開発、排熱回収ボイラへの助燃バーナ

MGT の仕様概要を、他の化石燃料を使用する分散型の付加、などにより排熱回収効率を向上させ、総合熱電源と比較して表 5-2-1 に示す。

効率の向上を図る。

単純サイクル型 MGT は、発電効率は低いが、構成が`シンプルであり、タービンからの排ガス温度が高いた

固体高分子形燃料電池

め、排熱利用が容易であるなどの特徴がある。
一方の再生サイクル型 MGT は、タービンからの排ガス

一部実用化が始まっているリン酸形燃料電池（PAFC）

を用いてタービンへの給気温度を高めるための熱交換をはじめとする燃料電池は、今後導入が進む分散型電器（再生器）を備えている。これにより、発電効率が源の一つと考えられている。
各種の燃料電池の特徴は表 5-2-2 に示すと通りであり、向上するが、再生器の排ガス温度は必然的に低くなる
ため、排熱の効率的な利用には技術開発が必要である。

需要地における分散型電源の観点からは、中容量電源としての溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）、住宅用コーº

MGT の利用形態

ジェネレーションシステムとしての固体高分子形燃料

MGT の燃料費は海外と比較して高いこと、また、発電池（PEFC）、さらに将来的には MGT と組み合わせた

電効率は再生サイクル式でも約 25 ％であることから、

ハイブリッドコージェネへの適用も含め固体酸化物形

従来型発電システムに比べて省エネ性がかなり低く、燃料電池（SOFC）にも注目する必要があると考えられわが国において MGT を発電専用として利用することはる。

一般的ではない。なお、セラミック技術の適用により以下では、PEFC の開発・実用化動向、運用特性、利用形態の調査・分析の結果を述べる(9)。

発電効率を高める研究開発を支援しているが、その目標は 40 ％であり、従来型発電システムと比較して飛躍

表5-2-1

マイクロガスタービンなどの小容量分散型電源の仕様概要（燃料投入型、発電出力：概ね30〜300kW）
マイクロガスタービン
単純サイクル

70

再生サイクル

ガスエンジン

ディーゼル
エンジン

発電効率（％）

約15

約25

約30

約35

排熱回収効率（％）

約40〜60

約55

約50

約35

総合効率（％）

約55〜75

約80

約80

約70

排ガス温度（℃）

約600

約260

約500〜600

約400

主な排熱回収形態

蒸気

温水

温水＋蒸気

温水
左記と同等
発電機

起動時間

約４分

約30秒

系統連系形態インバータ
または発電機

発電機

燃料

都市ガス、LPG、灯油など

都市ガス、LPG

重油

NOx（ppm）

約10〜30約40

約700

表5-2-2¸

各種燃料電池の特徴、分散型電源としての位置付け

燃料電池

主な発電容量

発電効率

技術開発状況
（技術課題）

分散型電源としての主な位置付け

PAFC

100kW〜1MW

36％（常圧）42％（加圧）実用化には目処
低コスト化
信頼性向上

小型・中型分散型電源
ただし、他方式の燃料電池の優位性が高い。

MCFC

1〜1000MW

45〜65％

実証試験段階高性能化、長寿命化、低コスト化

中型・大型分散型電源、
集中型火力

SOFC

数kW〜数十kW45〜65％

基礎研究〜
モジュール開発

住宅用コージェネ等、
マイクロGTとの組み
合わせも

PEFC

1kW〜300kW級

30〜40％（改質ガス使用）開発が急速に進展
低コスト化
信頼性向上

住宅・業務用コージェネ

PEFC の運用特性

統との連系保護装置、給湯用ポンプ等となろう。

住宅用に限られたことではないが、PEFC システムに

住宅用 PEFC コージェネレーションシステムには貯共通な運転上の問題となりうる事項の一つとして、起湯槽は不可欠と考える。例えば、発電出力１ kW の動特性がある。

PEFC の熱出力を１ kW と仮定すると、15 ℃の水道水かPEFC 本体は、常温での起動が可能であり、出力変更

ら 50 ℃の温水を得る場合の湯量は 0.4 リットル/分程度の応答性が速い。しかし燃料改質器については、例えであり浴槽の給湯栓からの通常の湯量 10 リットル/分とば水蒸気改質方式によるメタノール改質器の起動時間比較して極めて少なく、浴槽のための必要量に厨房等は 20 分以上と長く、適用対象によっては制約となる。

での利用分も含めて大容量の貯湯槽に予め貯湯をして加温して温態停止状態を維持するには、そのためのエおく必要がある。

ネルギーが別途必要となる。このため、数分オーダへ

ちなみに、水温 15 ℃の場合、湯温 40 ℃、湯量 16 リッの短縮を目指し、部分酸化改質方式（POX）の開発がトル/分の給湯が可能な 16 号ガス給湯器の熱出力は約行われている。

28kW である。また、貯湯容量 460 リットルの電気温水

また、PEFC 本体の寿命には、改質後の水素燃料に残器の沸上げヒータの容量は 5.4kW である。

存する微量の CO が大きく影響するため、改質特性向上など長寿命化のための技術開発も行われている。

貯湯槽の容量を小さくし、小容量のガス給湯器等の追い焚き装置を付加する方法も考えられるが、システムが複雑になるばかりではなくスペースがさらに増え¹

PEFC の利用形態
PEFC も、従来型発電システムに比べて現状では発電ることとなる。現状のガス給湯器や電気温水器と省エ
ネ性、経済性、スペース性等の観点から総合的に検討

効率が低く、排熱回収技術を組み合わせて、コージェする必要がある。

ネレーションシステムとして利用するのがわが国ではB一般的と考える。
A

個別住宅への適用

業務用等への適用業務用としては、250kW 級の PEFC であれば、湯量も 50 ℃で 100 リットル/分程度となるため、多量の給湯

戸別住宅用については、米国では発電出力が３〜７を要する業務への適用が考えられる。また、低温吸収

kW のシステムが開発されている。日本では一般に住宅

冷凍機と組み合わせたコージェネレーションシステム

における最大電力は概ね１〜２ kW 程度であることを考の開発も行われており、事務所ビル等の空調システム

慮して、高い設備利用率を確保するため、米国より発への適用も予想される。

電出力の小さい 1kW 級 PEFC を用いたコージェネレー
ションシステムが開発されている。

a

今後の展望と課題

その基本構成は、PEFC のほか、燃料改質装置、インバータ、排熱回収装置、貯湯槽、補機としての商用系

需要地に次第に導入されると考えられる分散型電源

電中研レビュー No.41 ● 71

については、ここで述べた MGT と PEFC だけでも、発一方で、近年進歩の著しい IT 技術を用いて需要家と電専用、コージェネレーション利用として種々のシスエネルギー供給者（またはプロバイダ）を結んで分散テムの開発が進められている。

型電源群を集約化し、双方に便益のある省エネ性や経分散型電源の大半は個々の需要家により導入される済性も高いバーチャルな集中型電源を構成し、運用すと予想されることから、電源の設置・運用管理を集中ることが考えられる。また、集中型電源と分散型電源

的、統一的に実施してきた従来と異なり、例えば省エ（上述の集約化された分散型電源群を含む）の協調運用

ネルギーが後退するなどの好ましくない状況が懸念さも重要である。

れる。

５−３

システムの省エネ・経済性評価
で、再生器バイパス機能により、高温排ガスが得られ

5-3-1

分析評価の概要

る MGT による熱電可変型のシステムを検討対象とした。
図 5-3-1 に再生器バイパス付 MGT の概要を示す。

ここでは、一例として MGT を取り上げ、事務所ビル

MGT 熱電併給システムの適用対象は、事務所ビルとの空調システムに適用することを想定し、その省エネした。これまで事務所ビルでは、その熱負荷が冷熱を性と経済性の概略評価を行う。

主体とすることなどのため、熱電併給システムはほと先に述べたように MGT には単純サイクル型と再生サんど導入されていない。しかしながら、MGT のようなイクル型とがあり、再生サイクル型は発電効率は比較

新技術の出現により、事務所ビルに熱電併給システム

的高いが排熱温度が低くなるため主に温水回収となるが普及する可能性がある。また、現行の空調方式は事という制約がある。次項の評価例では、以下の２つの務所ビルの規模によって大きく異なり、小規模ビルでシステム構成例を対象に評価を行なっている。

はビルマルチエアコン等による冷媒直接搬送方式、大∏MGT に再生器バイパス機能をもたせ、可能な限り規模ビルではガス吸収式等による冷温水搬送方式が主高温の排ガスを得られるような運用を行い、排熱は流である。このため、大規模ビルの代表として延床面蒸気として回収し、効率的に空調に利用する。

積１万 m2、小規模ビルの代表として３千 m2 を評価の対

π再生サイクル型 MGT の排熱は温水で回収し、温水直接利用および温水吸収式冷凍機の利用により空調象とした。
評価においては、はじめに供給対象建物の月代表日を行なう。吸収式冷凍機は、性能的に、コスト的に既存の大容量機並みのものが開発されているとする。

5-3-2 評 価 例

排ガス
（熱回収）
排ガス温度
≒600−700℃（再生器バイパス）
200−300℃（再生器有り）

再
生
器

ガス昇圧用
圧縮機

¸

蒸気熱回収による空調用熱電併給システムの評価
一般に、これまでに実用化されてるガスタービンは、

バイパス
バルブ

燃
料
空
気

つその温度も高い。しかし、MGT は、再生サイクルの

インバータ

燃焼器

発電効率は低いが、排熱が全て排ガスから得られ、か
圧縮機

タービン

電気出力

発電機

採用により発電効率を向上させているため、排ガス温度が低く効率的な冷熱供給は困難と考えられる。そこ

72

図5-3-1

再生器バイパス機能付MGTの概要

およびピーク日の電力負荷および熱負荷を計算し、次MGT の発電効率は 15 ％（再生無）〜 30 ％（再生有）にピーク日等の負荷を基に、MGT 熱電併給システムおLHV と低く、系統電力の需要端での効率 35 ％ HHV によび従来システムの試設計を行い、システムの設備コ

はるか及ばないため、システムの省エネ性は低い。単ストを算定した。なお、MGT の設備コストは、メーカ

純償却年数の限界を５年程度とすると、今回の条件でー情報等から、10 万円/kW と設定した。

ある MGT 設備コスト 10 万円/kW、ガス平均単価 41.7

つぎに、試設計したシステムの各月代表日における

円/Nm3 が成立すれば、競合の可能性は十分にあると判エネルギーバランスを計算し、ガス・系統電力の使用断された。ただし、系統連系用リレー盤や機械室等が量を求め、各月の運転日数を与えて年間の値を算出し、必要と判断された場合や、安価なガス料金（空調 A 契

システムの省エネ性や経済性を評価した。なお、MGT約）が利用できない場合には、経済性が悪化し、競合による熱電併給システムは、複数台の MGT からなり、が困難となる。

先ず、熱負荷を賄えるように、再生器バイパスを行う○延床面積３千 m2 の事務所ビルの場合

MGT の運転台数を決め、これにより、高温の排ガスを経済性が成立する可能性は極めて低いという結果と得て蒸気を生成、吸収式冷凍機により冷房を行う（暖なった。これは、MGT 熱電併給システムのうち、熱供房の場合は蒸気と温水を熱交換する）。不足する電力は、給を行う部分の設備コストが非常に高くなっているのベースを系統電力で賄い、残りを再生器有の発電専用に対し、従来システム（ビルマルチエアコン等）が安

2

MGT により賄う。図 5-3-2 に 1 万 m 事務所ビル用の熱価なためである。なお、省エネ性は 1 万 m2 の場合と同電可変 MGT 熱電併給システムの概要を示す。MGT の様に低い。

発電容量は、対象建物のピーク負荷をほぼ賄える容量とした。

¹○延床面積１万 m2 の事務所ビルの場合(10)・評価手法の概要

経済性の指標である単純償却年数（設備コストの差

温水吸収式冷凍機と温水利用による空調(11)MGT の経済性を評価するに際して、以下の 2 点を念を年間のランニングコスト差で割った値。この値が５年程度以内であれば経済性が成立するとされている）

発・送電損失 407

発電所 628

空調二次系消費電力 268

系統電力 221は、3.6 年となった。一方、一次エネルギー消費は、1.2

MGT発電電力 704

電力 657倍と大きい（図 5-3-3）。
試算対象の MGT 熱電併給システムでは、年間を通し入力合計
4314 MWhth

MGT
3686

損失 2175て一定量以上のガスが消費されるため安価なガス料金483

制度を利用でき、経済性が高くなっている。一方、

暖房 324

MGT

冷房
580

1063

a）MGT熱電併給システムの年間エネルギーフロー
燃空
料気

系統電力

電気出力

再生器無MGT
発・送電損失 1854
再生器バイパス付MGT
再生器バイパス付MGT

排ガス
ボイラ

蒸気
吸収式
冷凍機

排ガス

再生器バイパス付MGT
再生器バイパス付MGT
再生器バイパス付MGT
再生器バイパス付MGT

排ガス
ボイラ

蒸気
吸収式
冷凍機

冷房

入力合計
3685 MWhth

発電所
2856
系統電力 1002
冷房熱源補機電力 71

熱電可変型MGT熱電併給システム

暖房 324
損失 63

冷房
580

1100

暖房

b）ガス吸収式＋系統電力システムの年間エネルギーフロー

図5-3-3
図5-3-2電力 657
暖房熱源補機電力 6

ガス吸収式冷温水器 829

熱交換器

１万m2事務書ビルの電力・空調用、発電出力50kWのMGT ７台で構成

空調二次系消費電力 268

各システムの年間エネルギーフロー（１万m2事務所ビル用）

電中研レビュー No.41 ● 73

頭に置きつつ評価を行う。

空調システムの変更を伴わずに MGT を設置しようとすA

ると、MGT 排熱の利用方法は限定されたものとなるか、需要家におけるエネルギー利用を「受電、ガス受入」から「需要(電力、冷房、暖房、給湯)」に至るプ

発電専用のシステムとして利用するしかなくなる。

ロセスとして捉え、B

２点目の最適設計による需要家の年間総経費最小化

MGT をはじめとする各種機器類の規模と運用を最については、需要家の年経費構成を以下の様に目的関適に設計することで、需要家の年間総経費を最小と数として定義し、0-1 混合整数計画手法 †による分析を

する。

行う。

１点目の需要家におけるエネルギー利用をプロセスとして捉えた場合のエネルギーフローは図 5-3-4 の様に［エネルギーコスト支出(電気料金、ガス料金）］表すことができる。ここで、２種類のシステム構成を＋［各種構成機器（MGT、空調機器等）の年経費］

提示したのは、既に空調機が設置されている既設建物と空調機器構成を自由に設計できる新設建物とでは、より正確な評価を行うためには、MGT などの保守費

MGT の利用方法や空調機器構成には差が生じると考え用を考慮する必要があるが、保守費については情報がる事が出来る。

†

設計変数がすべて連続変数である場合の線形計画問題にたいして、設計変数の一部に不連続な整数変数が含まれるものを混合整数計画問題と呼び、不連続な整数変数の一部に０または１しかとらない、特殊な変数（0-1 変数）を含むときに 0-1 混合整数計画問
題と呼ぶ。

既設建物では、ヒートポンプやビルマルチといった機器を中心に既に空調システムが構築されており (12) 、この構成を大きく変更することは難しい。したがって、

NE
EP
受電設備
FF

ED
EE
マイクロガス
タービン発電機 GTn
E
FGTn

FP

GTn

ガス受入設備

冷房専用
EER ヒートポンプ
QER
ER
ヒート
EHP ポンプ
HP

QGTn

QGTn

EB
F
電力
ガス
熱

QGTW

QDC
冷房需要

QHP/C
QHP/H

B

電力需要

ガスボイラ
QBH
GB
QBW

ERD 放熱器

QDH
暖房需要
QDW
給湯需要
QRD
熱廃棄

RD

a）既設建物向システム構成
NE

ED

EE

EP

E

受電設備
マイクロガス
タービン発電機
FGTn
FF

FP

EGTn

冷凍機
RW

ガス吸収
ERG 冷温水機
RG

FRG

QGTH

F

B

QRW
QDC
冷房需要
QRG/C
Q

EB

ガス受入設備

電力
ガス
熱

QGTC

QGTn

GTn

電力需要

RW 温水吸収 放熱器

RG/H

ガスボイラ
QBH
GB
QBW

GTW
ERD 放熱器 Q

RD

QDH
暖房需要
QDW
給湯需要
QRD
熱廃棄

b）新設建物向システム構成

図5-3-474

MGTを利用した需要家におけるエネルギーシステムフロー

90.0%

80.0%

小規模ホテル
MGT導入比率：46.2%
MGT依存率：16.8%
MGT排熱利用率：23.8%
省エネルギー性：1.0%
コスト低減：10.2%

中規模病院
MGT導入比率：78.1%
MGT依存率：77.5%
MGT排熱利用率：85.1%
省エネルギー性：22.6%
コスト低減：24.7%

小規模店舗
MGT導入比率：40.4%
MGT依存率：30.0%
MGT排熱利用率：76.3%
省エネルギー性：9.3%
60.0%
コスト低減：9.8%
70.0%

消
費
電
力
日
負
荷
率

中規模事務所
MGT導入比率：52.1%
MGT依存率：44.5%
MGT排熱利用率：66.8%
省エネルギー性：10.6%
コスト低減：10.6%

50.0%
小規模事務所
MGT導入比率：46.1%
MGT依存率：30.5%
MGT排熱利用率：63.4%
省エネルギー性：6.9%
コスト低減：7.4%

40.0%

30.0%
10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

熱需要比率（総エネルギー需要に占める熱需要の割合）
・MGT導入比率 ＝MGT最適導入容量（kW）／年最大電力負荷（kW）
・MGT依存率＝MGT年間総発電電力量／年間総電力消費量
・MGT排熱利用率＝総利用熱量／MGT年間総排熱量
・省エネルギー性 ＝（従来システムでの年間１次エネルギー使用量・MGT最適導入時の年間
１次エネルギー使用量）／従来システムでの年間１次エネルギー使用量

図5-3-5新設モデル需要家における需要特性とMGT導入の関係

少なくここでは考慮していない。また、MGT の部分負小さい）、日負荷率と熱需要比率の高い（右上に寄っ荷特性が不明確であること、現状の市販 MGT がコンピている）新設需要家（病院）では MGT 導入比率はューターインターフェースを用いての台数制御が行え

78 ％と大きくなる。熱需要の比率が高くても、季節ることを踏まえて、MGT の部分負荷運転は行わず、台間での負荷特性の差が大きい（図 5-3-5 中の三角形が数制御を行うこととして、分析を行った。したがって、

大きい)需要家（ホテル）では最大電力負荷の 46 ％程

以下に述べる分析結果は MGT にとってかなり有利な条度が最適導入規模になる。
π

件の下での評価例となる。
・分析評価の結果

事務所のように、施設規模が大きくなると MGT の台数制御による電力追従運用が容易になり、MGT の

上述した、最適化手法を用いて単機容量 28kW の
MGT の最適導入容量およびコスト低減・省エネ性を分析した。対象とした建物は小規模（延床面積： 3000m

最適導入規模は数ポイント上昇する。
∫

熱電併給型 MGT 導入による年間総経費低減効果は

27 ％〜 24 ％と需要家によって大きな差が生じる。省エ程度）及び中規模（延床面積： 7000m2 程度）のモデル
需要家とし、MGT 価格は将来目標価格の 10 万円/kW、
温水吸収式冷凍器等の価格は大容量機の価格(13),(14)と同

ネルギー性についても４％〜 21 ％となった（図 5-3-5）。
ª

主として既設建物に設置される発電専用 MGT の場
合には、MGT 排熱利用による経費低減効果が期待で程度であると想定した。

きないため、MGT 最適導入容量は小さくなる。導入

分析評価の結果、得られた知見は以下の通りである。

比率・依存率共に排熱利用タイプの 30 ％〜 50 ％程度∏

MGT 最適導入容量は、需要特性により異なり、最となる（表 5-3-1）。また、排熱利用タイプの場合と大電力負荷の 40 ％〜 80 ％程度の容量となる。季節間異なり、日負荷率・熱需要比率の低い需要家での導での負荷特性の差が少なく（図 5-3-5 中の頂点が夏入可能性が高くなる。

期・冬期・中間期各々の代表日の値を表す三角形が電中研レビュー No.41 ● 75

表5-3-1

MGTタイプによる導入規模への影響
小規模店舗

小規模ホテル

発電専用タイプ

熱電併給タイプ

発電専用タイプ

熱電併給タイプ

MGT年間稼働率

16.5％

35.1％

3.4％

15.1％

MGT依存率

21.4％

69.8％

2.1％

19.1％

MGT導入比率

35.3％

65.7％

18.0％

42.0％

MGT排熱利用率

−

6.8％

−

5.8％

一方、省エネ性については、吸収式冷凍機など排熱

5-3-3

分析評価のまとめを回収･利用するための機器の性能によって左右される結果となった。

以上に示した事務所ビルを対象とした評価例では、

また、ここに示した評価例は、一事例を対象とした経済性については規模が大きいほどメリットのある結

概略的な評価の結果であり、実際に導入を検討する場

果となった。しかし、MGT の系統連系装置に要する費

合には、実機の効率や長期信頼性評価を十分に行うと用、運転・保守に要する費用を除外した評価であるたともに、各種条件（利用用途、建物条件、適用エネル

め、これらの費用の要否、程度によっては経済性が左

ギー料金他）等を個別に考慮する必要がある。

右されることとなることに注意を要する。

76

コラム リチウム二次電池による分散型電池電力貯蔵
1970 年代に入ると社会のあらゆる分野で電化が用による CO 2 排出抑制などの「環境改善」も期待進み始め、昼夜間、季節間の電力需要の差が見らされるようになっている。

れるようになり、負荷平準化のために夜間電力貯分散型電力貯蔵用候補電池として、当研究所は蔵の必要性が認識される様になった。1970 年後半

リチウム二次電池に着目し、その性能評価と大容から 1980 年代に米国の BEST 計画や日本のムーン

量化・長寿命化に取り組んできた。リチウム二次

ライト計画で、負荷平準化を目的にナトリウム−

電池は原理的に常温作動で高い変換効率、軽量・硫黄、亜鉛−塩素、亜鉛−臭素、レドックス・フ

コンパクトが望めるものであるが、1984 年当時ボロ−電池などの「新型電池」による電力貯蔵装置

タン型電池が開発途上であり､そのエネルギー貯蔵の開発が開始された。それらは大規模（1000kW 級）用への大容量化は夢の話しであった。当研究所はで、電気事業用の配電用変電所への設置を目的と

LC 用の 1/5 スケールの 25Wh セルの試作に成功ししたものであった。それらの開発と東京電力（株）（90 年）、鉛電池の３倍のエネルギー密度を達成しなどの開発成果により近年ナトリウムー硫黄電池たことなどより負荷平準化用リチウム二次電池の等による電力貯蔵装置が配電用変電所などに設置

開発が国のニューサンシャイン計画で「分散型電されるようになった。

池電力貯蔵技術開発」として採り上げられ、一方、電気事業側設置ではなく家庭など需要家

NEDO/LIBES 研究組合の受託研究で本格的な開発

側設置の小規模分散型電池電力貯蔵装置の概念

が 1992 年より 10 年計画として開始された。当研究「ロードコンディショナー（LC）」を当研究所は所は受託研究ではトータルシステム研究を分担し、1984 年に提案し、その開発を進めてきた。分散型

赤城試験センターにおいては性能評価試験を実施

電池電力貯蔵は「需要家は安価な夜間電力を昼間中である。プロジェクト後半の平成 10 年度に「性に利用でき、電気事業は夜間電力需要創出と昼間能評価」が実施され、表は当研究所が明らかにしのピーク抑制による負荷平準化」が期待できるコたモジュールの到達性能である。開発目標は研究ンセプトであるが近年、電力の規制緩和・自由化

開発基本計画で定められたものであり、例えば定を背景とした種々の電力品質を有する電源の導入

置型（家庭用 LC）では 20kWh 級の LC システムを可能性、情報化に伴う無停電へのニーズ等から想定し、基本構成単位電池とし、２ kWh 級モジュ「電力品質確保」、さらには「自然エネルギー発電ール、システム重量・体積とし各々が 400 Î温水器

出力の平滑化」、夜間電力貯蔵や電気自動車への利の半分程度に収まる様な電池の重量・体積エネル

表

リチウム電池モジュールの性能評価結果
電池系

ニッケル・コバルト系

開発目標

試験結果

達成度

試験結果

電池電力容量（kWh）

2

2.14

達成

2.04

達成

重量エネルギー密度（Wh/kg）

120

116

97％

100

84％

体積エネルギー密度（Wh/1）

240

174

73％

213

89％

エネルギー変換効率（％）

90

96.7

達成

97.1

達成

サイクル寿命（サイクル）

3500

700（継続中）＊

定置型

マンガン系
達成度

700（継続中）電池系

ニッケル・コバルト系

開発目標

試験結果

達成度

試験結果

電池電力容量（kWh）

3

3.55

達成

3.17

達成

重量エネルギー密度（Wh/kg）

150

142

95％

107

72％

体積エネルギー密度（Wh/1）

300

229

76％

198

66％

出力密度（W/kg）

400

592

達成

416

達成

エネルギー変換効率（％）

85

96.3

達成

96.6

達成

サイクル寿命（サイクル）

1000

600（継続中）

移動体用

マンガン系
達成度

400（継続中）＊：１セル取換

電中研レビュー No.41 ● 77

ギー密度、10 年間毎日運用の 3500 サイクル、シスより小規模な中容量電池システムによる「早期実テム効率として、揚水を上回るための電池効率な用化」が追加され、受託で開発した電池系の中容どとして電池性能目標が決められた。移動体用

量電池を搭載したミニ LL（ロードレベリング）装（電気自動車用）では、ガソリン乗用車なみの一充

置や小型 EV などの運転試験研究も 12 年度後半か

電走行距離（400km）、生涯走行距離（10 〜 20 万ら赤城試験センターで開始準備中である。夜間電km）、加速性能を達成可能な電池性能を想定した。

力貯蔵により CO 2 排出抑制効果を得るためには、定置型と移動体用で、各々正極材料としてニッケ

現行の昼・夜間発電の CO 2 排出原単位を考慮する

ル・コバルト系とマンガン系を用いるリチウム電と、貯蔵装置全体の効率として、75 〜 80 ％以上が池（４電池系）を開発した結果、家庭用 LC

望ましいとされていることから、電池として 96 ％（20kWh）や電気自動車（45kWh）の基本モジュー以上の高効率のリチウム二次電池による分散型電ル電池（２〜３ kWh）が製作でき、まずまずの軽池電力貯蔵は環境調和型電池電力貯蔵装置の最有量・コンパクト化が達成されており、電気自動車

力候補として注目されている。

（EV）用の加速性能を支配する出力密度も高いこと

所内研究では、リチウムイオン電池を搭載したが示されている。さらに、電池の変換効率が鉛や超小型 EV を用い走行時電池性能評価手法を確立し、ニッケル・水素電池の 75 〜 85 ％にくらべ 96 ％以上

走行試験を開始するとともに電池材料に着目したと極めて高いことが特筆される。図は開発した４劣化機構の解明、短期間に寿命を推定する方法な

種類のリチウム電池モジュール写真を示す。最終ども開発中であり、リチウム電池の特徴を活かし評価の 13 年度にむけて、さらに改良が図られておた分散型電池電力貯蔵の実用化支援研究を推進しり確実に開発目標に近づいている。さらに、11 年ている。

度には基本計画に、20kWh 級 LC や 45kWh 級 EV

定置型ニッケル・コバルト系

定置型ニマンガン系

移動体用ニッケル・コバルト系

移動体用マンガン系

図78

評価試験を行ったモジュール電池