••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••特 集
第 4 世代地域熱供給とスマートエネルギー

地域熱供給とスマートエネルギー
District heating systems and smart energy

中田俊彦 *自治体等）が経済合理的なエネルギーシステムを設

1．はじめに計するために不可欠な基礎情報となる，エネルギー

政 府 は， 統 合 イ ノ ベ ー シ ョ ン 戦 略（ 内 閣 府，2019）にて「SDGs 達成のための科学技術イノベー

る．

ション」を掲げて，「多様なエネルギー源の最適活再生可能エネルギーは，地産地消を含む地域エネ用を可能にする世界最先端のエネルギーマネジメン

ルギーシステムとの親和性が高く，従来型の大規模トシステムの実現」を唱っている．今世紀後半に脱集約型のエネルギーシステムを補完し，災害時のエ炭素社会を実現する具体的な方策として，パリ協定

ネルギー途脱を抑制するレジリエンス機能に優れる「2℃目標」の達成，水素社会（経済産業省資源エネ利点がある．地域熱供給システムは，この再生可能

ルギー庁），地域循環共生圏（環境省）を提唱する

エネルギーを熱エネルギーとして利用可能な，古くものの，社会実装を進めるための方策とその効果はて新しいエネルギーシステムである，明確ではない．他の産業分野と異なって，エネルギーは公共の社会資本であり，産業革命以降続いた大量

2．日本のエネルギーフロー消費の時代から持続可能な社会への大きな転換（パ今後の持続可能なエネルギーシステムを考える上ラダイムシフト）のなかでその再定義が求められてでは，日本のエネルギー利用の現状を把握するため，いる．

エネルギーフローの全体を俯瞰することが重要であ

従来のエネルギーシステムは，双方向のシステムる．

よりはむしろ，化石資源や電気を需要家に供給するはじめに日本のエネルギーフロー図（図 1）を供ワンウェイのエネルギーフローに留まっていて，研給側から見る．OECD（経済協力開発機構）の国際究の主体は採掘，変換，輸送の各要素プロセスの損エネルギー機関（International Energy Agency）の失を低減する技術開発であった．しかし，このアプ統計データによると，2018 年の一年間に日本で供ローチでは，プロセス毎の効率を向上させても，バ給されたエネルギー量（一次エネルギー供給量，イオマスや再生可能エネルギーのような基本特性のTPES）は 18 EJ（エクサジュール：10 の 18 乗，低異なる資源に適用するには限界があり，実際に最近位発熱量ベース）である．需要部門別に見ると，産の再生可能エネルギー導入に伴って生じている新た業部門に 3.46 EJ，業務部門に 2.05 EJ，家庭部門にな問題は，従来のエネルギーフローや既設エネル

1.77 EJ，運輸部門に 2.94 EJ のエネルギーが供給さギーインフラに再エネを吸収させるインターフェイれて，これらの合計である最終エネルギー消費量はスから生じている．つまり，優れたイノベーション

10.2 EJ である．しかし，各需要部門で有効に利用やエネルギー変換技術が生まれても，それが既設のされたのは 5.83 EJ のみで，実に一次エネルギ−供社会システムに受け入れられない限り実装されな給量全体の 57％にあたる 10.4 EJ が熱として廃棄さい，というロックイン状況が生まれている．また，れた．全需要家の年間エネルギー支払総額は約 40

今後，地域のエネルギーシステム設計の担い手とな兆円なので，その 57％に相当する 23 兆円が煙ととる地方自治体，あるいは地域での新たなエネルギー* 東北大学大学院工学研究科

システムの構築に参加する民間事業者（以下，地方
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統計の市区町村地域版が存在しないという問題があ中田.indd

11－ 11 －教授

太陽エネルギー

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中田俊彦：

賦存量
32.3 EJ

導入ポテンシャル20.9 EJ

日本のエネルギーフロー (2018年度)

総供給量18.12 EJ

洋上

水力
0.29
風力0.06

風力陸上
地熱
0.52

損失
エネルギー

電気事業者・自家発
4.40
3.74
8.18

原子力
0.71

鉄鋼業

送電ロス
0.16

0.04

0.89
化学工業
0.80
非鉄金属
0.09
窯業土石
0.35
輸送用機械
0.14
機械
0.28
鉱業
0.01

統計誤差

地熱
0.02

0.33

太陽光
1.33

木質バイオマス
0.88

廃棄物
0.28
太陽光0.53
太陽熱
0.01
木質バイオマス
0.39

ガス業
0.06

業務・公共サービス

品種振替
0.01

熱供給業者
0.02
石油化学
0.20

石油製品
0.61

2.03

業務ほか

分類不明
0.02

2.05
家庭

原油

石油精製

6.34

6.49

1.77
貨物輸送

高炉
0.73

コークス・
練豆炭

0.09

1.19

運輸

旅客輸送

2.94

1.74

エネルギー産業
自家消費

0.63

4.79
在庫変動

輸出
0.78

5.83

その他
0.15

4.08

国際航空バンカー
0.30

輸入
17.01

正味利用
エネルギー

漁業
0.05

天然ガス

0.03

3.46

農林業
0.14

統計誤差
0.06

石炭

産業

食料品・たば
0.2
こ2
製紙パルプ
0.38
木製品
0.02
建設業
0.08
衣類・革製品
0.03

国内生産
0.85

国際海運バンカー
0.19

10.37

産業・転換・エネルギー産業 1.33

0.05

0.21

運輸

0.04

統計誤差

統計誤差

その他

0.05

化学・石油化学
1.21

1.41

Reference :[全体] 資源エネルギー庁, 総合エネルギー統計 (詳細表, IEA準拠表), 2018年度[再エネ]瀧田ら，再生可能エネルギーのポテンシャルを考慮したエネルギーフローの作成と分析，日本機械学会論文集 Vol.81 No.827,2015[産業部門] Dincer et al. EXERGY Energy, Environment and Sustainable Development, Elsevier, 2007
[業務・家庭部門] Kondo, Energy and exergy utilization efficiencies in the Japanese residential/commercial sectors, Energy Policy Vol.37 Issue 9:Pages 3475-3483, 2009
[運輸部門] Bandivadekar, et al., On the Road in 2035_MIT, 2008

図1

非エネルギー利用

Jul. 27, 2020 Y.Kusumoto@Nakata Lab.

日本のエネルギーフロー（2018 年度）｝

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都東｀}:

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図2
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日本のガスインフラの現状－ 12 －

2020 年

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地域熱供給とスマートエネルギーもに去ったことになる．廃棄エネルギーが多いおも

ガスのパイプラインの整備は全国の主要都市部のな要因は，発電効率の低さと，自動車の燃費の低さみに留まり，都市ガスが利用できるエリアは市街地にある．とその周辺に限定されている．都市間のパイプラン

次に 2018 年の日本のエネルギー消費量を利用形等も整備が進んでいないため，地方で都市ガスを供態（キャリア）別に見ていくと，熱が電力と並んで給する企業はローリー車などを使って原料を調達し最も多く，全体の 36％を占めて，輸送用燃料がている．輸送コストがかかるので家庭用小売単価は28％と続いている．

高くなる．例えば宮城県気仙沼市の単価は東京の 1.9

これらのデータから，日本はエネルギーを熱とし倍である．て利用することが多いにもかかわらず，いっぽうで都市ガスのパイプラインが行き届いていない地域

発電と運輸のためにその熱を大量に廃棄している現では，暖房・給湯用のエネルギーとして，都市ガス状が浮き彫りになる．

よりも単価が高い LP ガスが使われている．現在，過去に遡ると，日本の一次エネルギー供給量日本の一般世帯の約 45％にあたる約 2,410 万世帯が（TPES）は，過去最大であった 21.95 EJ（エグザ

LP ガスを利用しているが，地域別に見ると近畿がジュール，10 の 18 乗）（2004 年）から 17.87 EJ（201823％，関東が 38％，東北・四国が 72％で，大都市年）まで，18％減少し，この傾向がさらに続いてい圏から離れるほど LP ガスの割合が高くなっている．

る．このうち発電電力量は，過去最大の 4.22 EJ（2010

東日本大震災の被災三県の割合は宮城県 56％，福年）から 3.69 EJ（2018 年）まで 12％減少した．今後，

島県 76％，岩手県 80％といずれも LP ガスの割合

電気自動車が運輸部門（旅客）に普及すれば，そのが高い．

燃料を代替する電力量は電力需要量全体の約 11％

現在，電力市場の全面自由化を契機に，以前にもに達すると見込まれる．これは，過去 10 年間の電増して電力への関心が高まっている．しかし，発電力需要の減少分と同量なので，供給電力量の総量不のために大量の熱を廃棄している現状，また，熱供足を懸念する必要はない．大事なのは，電力量給に関するインフラ整備が不十分な地域で単価の高kWh よりはむしろ，充電需要を賄うための時間といエネルギーを利用している現状などをふまえる

空間の調整力価値ΔkWh と容量価値 kW，電力品と，今後は電力を中心とした大規模集約型のエネル質のグリーン化である．

ギー供給システムから，熱エネルギーを有効に活用

これらエネルギー需給に伴うエネルギー損失を大幅に低減し，災害時のエネルギー自給機能を併せ持つ自律分散型の地域エネルギーシステムが期待されている．情報通信技術（ICT）を活用する地域エネする地域分散型へとシフトさせていくことが重要なのは明らかだろう．

4．欧州の先進モデル

ルギー事業であるスマートシティ構想が躓いている

欧州では暖房や給湯などに使う温水や水蒸気などのは，地域社会の特徴を客観的に分析することなしの熱エネルギーを効率的に供給するための熱導管に，全国ブランドの導入を御旗に挙げているからでネットワークの整備が進んでいる．この地域熱供給あろう．1,745 の市町村毎に，地域の歴史，気候，の歴史は古く，1875 年にドイツで始まり，1896 年風土，くらしがある．そこに鉄鋼，化学，窯業土石，には熱電併給方式の地域暖房システムを使った市庁

紙・パルプなどの素材系製造業が立地していれば，舎への熱と電気の供給が始まった．米国でも，1876産業部門のエネルギー消費量は，家庭・業務・運輸

年にニューヨーク州ロックポートでの実証を経て部門を併せても一桁大きいのがふつうである．

1882 年に大規模な商用化が始まり全国に拡大した．
同時期に，米国トーマス・エジソンによる電球の3．国内のエネルギー供給インフラの偏在発明（1879）を契機にして電力エネルギーの導入もこうした状況は，日本ではエネルギー供給インフ進み，1888 年（明治 21）には，仙台市三居沢にてラの整備が電力を中心に進んできたことが影響して宮城紡績（株）が小水力発電によってアーク灯を点いると考える．戦後，日本では大規模な火力発電が灯し，これが日本の最初の商用水力発電となった．

全国に建設され，発電した電気を供給するための送日本で地域熱供給システムが初めて導入されたの電線の整備も進んだ．一方，もっとも必要とする熱は，千里中央（1970），札幌市（1971）と欧米の 1を作り出すのに使われるガスのインフラ整備は十分世紀後である．に進んでこなかった（図 2）．
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特に熱インフラの整備が進んでいるのが北欧や中－ 13 －太陽エネルギー

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中田俊彦：

欧の寒冷地域である．暖房度日の区分で色づけして力や太陽光などで作った電気を水素に変え，さらに（図 3a），地域熱供給システムを実装する都市を赤

それを二酸化炭素と反応させてメタンに変換し，既丸で示した（図 3b）．同地域では給湯や暖房などの設のガスパイプラインに混入するのである．

エネルギー供給機能は重要な社会資本の一つと考えられ，公的な整備が進められている．街中には水蒸5．地域熱供給システムの変革

気や温水を供給するネットワーク設備が整備され，海外では地域熱供給のバージョンアップが進んで近年は温水等を作り出す使うボイラーの燃料に，ゴいる．従来は高温の蒸気や温水を鋼管のパイプライミや廃材，泥炭など多様な燃料を混ぜ合わせる取りンで供給していたが，給湯や暖房にはそれほど高温組みも行われている．

である必要がないことから，60℃〜 70℃程度の温発電時に出る排熱の有効活用も行われている．た

水を送るようにし，複合樹脂材の高い断熱性能とあとえば，デンマークの首都コペンハーゲンでは，火わせて総合エネルギー効率を高める工夫なども始力発電所の多くが熱電併給（CHP, Combined Heat

まっている．

and Power）機能を併設し，発電時に出る排熱を使っ当初の高温蒸気を熱キャリアとする第 1 世代地域て温水を作り，熱導管を通して供給している．この

熱供給システム（1GDH, First Generation District

CHP では，電力と熱の二種のエネルギー市場を監Heating System）から，中温度の温水を利用する第視して，エネルギー価格の変動や需要量の変動に応

4 世代（4GDH），低温水を供給して需要家が電気温じて発電量や供給熱量を変えて，需要家の利便性と水器やヒートポンプで昇温する第 5 世代
（5GDH）と，事業者利益の最大化を同時に実現するといった高度変化や進化は甚だしい．
以上のように熱のエネルギーインフラは，機能をなシステムも登場している．
導入量を国別でみると（図 4），ロシア，中国，バージョンアップできることも大きな強みになる．

米国は別格にして，日本の実績はアイスランド，オこうしたバージョンアップを通し，エネルギーシスランダ，スイスよりも少ない．しかも，冷熱供給量テムが地域社会に及ぼす産業創出の効果も大きい．

が温熱供給量よりも大きい．これは，国内の地域熱

また，日本の各地域にこうしたエネルギーシステム供給は，おもに業務用オフィスビルの空調機器を集約した事例が主体で，結果として冷房需要が大きい(0)(0)
6,886 3,197500からである．海外では，地域熱供給システムの60％以上が家庭部門向けを対象にしているが，日本(89)355(冷熱)温熱

400

は 98％が業務部門向けである（図 5a）．熱源構成を

300(0.6) (0.3)
255 249

見ると，海外では火力発電の排熱（Excess heat），太陽熱，バイオガス，地熱などの再生可能エネルギー(3.4) (1.3)
176 172200（Renewable heat）への依存度が高いが，日本は(0.6)
114 (0)106

10080％を化石燃料に依存している（図 5b）．

(0) (3.2) (0) (0.3)
89 86 83 81(0.4) (0)33 31(8.9)
13(0)
28(0)
26(0)
180

ドイツでは，廃棄物由来のバイオガスをガスのパイプラインへの混入も試行されているほか，パワー

図4

地域熱供給システムの国別導入状況

00.6

庭Iceland

100.2

0.4

0.2

(a) 需要部門

図3 欧 州の（a）暖房度日と（b）地域熱供給システムの実装都市
Journal of JSES

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中田.indd

140.8
Finland

Japan

0.6

業務

0.8

FrancePoland0.4

Hungary
EU average

Austria Norway

Denmark
FranceEstonia料

0.4

燃EU average

0.6

石家

0.4

Slovakia
Czech Rep.

0.8

0.8

化

RussiaSwitzeland

業

0.6

0.6

Korea

Japan

0.2

産

0.4

0.8

1

熱0.2

01

排トゥーガス（P2G）という取り組みも始まった．風01

Germany

100.2

0.2

Austria
Switzeland
Sweden Denmark

0.4

0.6Iceland

0.801

再生可能エネルギー(b) 熱源図5 地
 域熱供給システム，（a）需要部門別（b）熱源別のシェ
ア比較－ 14 －

2020 年

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地域熱供給とスマートエネルギーが出現すれば，従来の大規模集中型のエネルギー供態を見ない設備投資といわざるを得ない．

給インフラの中では末端の毛細血管に過ぎなかった

他にも課題がある．現状の総合エネルギー統計で脆弱な地域社会に，自律機能が付加され，レジリエは，家庭や業務等で自家消費する太陽光発電量は，ンス機能が備わることにもなるだろう．

補足できていない．だから，日本の太陽光発電量はこうした熱を有効利用するエネルギーシステムな過小に評価している．木質バイオマスになると，統どで構成される全体システムこそ，今後，日本がめ計ではさらに厄介である．大量に海外から調達してざすべき持続可能なエネルギーシステムである．

いる EFB，PKS 等の燃料区分自体が存在しないの日本の多くの事例がいまだに第 1 世代から 3 世代だ．そもそも総合エネルギー統計は，貿易統計（一地域熱供給に留まっていて，内外の変化を直視しな般統計，財務省）に根ざしているので，化石燃料のい現状を鑑みると，遅れている原因の分析こそが，種別毎の輸入データは精度が高いが，バイオマスをキャッチアップする原点になる．

含む再生可能エネルギーには手薄である．

1 ．熱供給事業法（1972）と熱供給事業法施行規則（1972）によれば，熱供給事業の定義として

6．地域エネルギーシステムのデザイン

ボイラー等加熱能力を 21 GJ/h 以上と定めてい地域熱供給システムは，単に排熱利用に留まらず，る．これは熱出力 75,600 kWh に相当するので，エネルギーシステムの複層化を意味する．再生可能

山形県最上町や岩手県紫波町で始まったコミュ

エネルギーの間欠性電源の受け皿として，水素に加ニティー単位の中小規模の家庭向け地域熱供給

えて熱が加われば，自然界の変動成分を調整して需システムは，日本では対象に含まれておらず，要家が活用できる．脱炭素社会デザインに向けた持実態が正確に把握できていない．

続可能なエネルギーシステムのデザインにて，重要2 ．総合エネルギー統計における熱のデータは，な役割を担うのである．

上記の熱供給事業法による認定事業に基づいて地域のエネルギーシステムの最適化を達成するた

集計しているので，データ捕捉が一部に留まる．

めには，まず地域エネルギー需給の実態を把握する

さらに，火力発電所の排熱，ゴミ焼却場の排熱ことが重要となる．日本列島は南北に長い．地域ごなど，欧州で主流の排熱としての熱エネルギーとに使用できる燃料も，需要パターンも，再エネ資の存在を無視している．

源もまったく異なる．それを把握するために，エネ

3 ．全国に 1745 ある地方公共団体には，エネル

ルギー消費量の地域空間分布と時間変動データ取得

ギー統計が存在しない．エネルギーの生産，流し，電力，熱，輸送用燃料などのキャリアごとのレ通，消費に係る信頼性のあるデータがないし，イヤー構造のデータベースを作成するのである．

公式統計があっても，その信頼性と精度は低い．

海外では，21 世紀初頭から，持続可能な社会シ都道府県別エネルギー消費統計の精度も低い．

ステム構築のために，国単位から地域単位の分析と，4 ．地方公共団体の多くは，エネルギー関連政策それに必要なデータベース整備へと主軸が移行し，に関する優先順位が低いために，専門職員はおデータ分析の空間解像度が飛躍的に向上している．

ろか，問題意識と能力のある担当者も少ない．

たとえば，米国オバマ政権下の復興・再投資法（2009）

経済産業省では，自治体に対する意識啓発からでは，エネルギーのインフラ整備，高効率化と再生取り組んでいる状況だが，まだまだ理解度は低可能エネルギー導入が計画的に進められた．その後，い．

米国エネルギー省では，各州のエネルギー需給統計

5 ．熱エネルギーのシステム利用の高等教育が欠データベースの整備とあわせて，化石燃料と再エネけている．教科書に記載もなく，自力で英文のの賦存量分布，エネルギーインフラ配置等の全国版資料読解や，海外フィールド調査で見聞を得るの電子地図情報（U. S. Energy Mapping System）がのが唯一の学びである．

公開されている．近年では，
国立再生可能エネルギー

東日本大震災後，全国でスマートシティやスマー研究所（NREL）が主導して，再生可能エネルギートコミュニティーの構築に向けたさまざまなプロのデータセット，電子地図，モデル，分析ツールなジェクトが進んでいる．なかには太陽光発電設備をど研究者の支援環境を整備するとともに，これらの設置し，発電した電力を地元の公共施設等で消費す研究成果を活用した社会実装の利便性も高めているといった取り組みもある．しかし，熱の供給インる．

フラが従来のままでは，地域のエネルギー需給の実
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15－ 15 －欧 州 で は，EU の 国 際 プ ロ ジ ェ ク ト RE太陽エネルギー

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中田俊彦：INVESTMENT（2017）によるエネルギーインフラの バ ー ジ ョ ン ア ッ プ と 再 投 資 計 画，THERMOS（2020）による地域熱供給の設計支援ツール開発等明瞭である．

著者紹介がプロジェクトとして進行中である．それらの研究【名 前】中田俊彦（なかたとしひこ）

成果として，エネルギーデータ分析やシステム設計【生年月日】
1960 年 10 月 12 日
（満 59 歳）など，数理モデルとフィールドデータを重ね合わせ【現 職】東北大学

たデザイン手法が生み出されて，欧州各都市の再開

科 教授

大学院工学研究発計画の立案に反映されている．
地理情報システム（GIS）を利用したこのデータ【略歴】

ベースは「熱需要マップ」または「エネルギー需要1983 年 東 北大学 工学部 機械工学科 卒業マップ」と呼び，1990 年代から欧米では先行して1985 年 同大学院 修士課程 修了整備が進んでいる．客観的データに基づいてエネル

1985 年

財 団法人電力中央研究所勤務（92 年に同主査研究員）

ギーインフラを地域内に最適配置する投資をサポー
1993 年トする優れものである（図 6）．欧州では，こうし東北大学 博士（工学）たマップを利用し，地域の需要に見合うエネルギー

東北大学工学部 助教授

システムを，それぞれの地域の担い出がデザインし1995 年	東北大学大学院工学研究科 助教授て実現している．日本はこれまで，そうした地域の1997−1998 年に米国ローレンス・	この間，需要実態に合ったエネルギーシステムに対する認識

リバモア国立研究所にフルブライト研究が希薄だった．大都市圏での資本投資を先進事例と員として留学．
2002 年	東北大学大学院工学研究科技術社会シして，その経験を地方部に波及させるという水平展

ステム専攻 助教授

開モデルは通用しない．
2006 年

欧州でのエネルギーインフラを組み込んだ街づく

現 職

りと，その運用実態を深く学ぶことが重要だ．また，	エネルギーシステムの統合デザインと分【専門分野】

エネルギーシステムを俯瞰しデザインできるシステ

析，エネルギー経済工学ムエンジニアの育成が重要となるだろう．気候変動	政府復興推進委員会委員，仙台市環境監【委員等】に始まる持続可能性への追求を国際社会の新たな普査委員会委員長，福島県環境創造セン

遍性とすれば，日本社会が輸入油漬けシーチキンとター部門長，福島市環境審議会委員長，して，特異性溢れる国に留まってはならない．地域

みちのく環境管理規格代表，宮古市ス

社会が乗り越えるべきハードルは高いが，道のりはマートコミュニティ推進協議会会長等．	電力中央研究所所長表彰（1991 年）【主な表彰】，日本燃焼学会技術賞（1993 年），米国機械学会論文賞（2000 年），日本エネルギー学会論文賞（2005 年，2017 年）ほか．
【主な著作等】 岐 路 に 立 つ 震 災 復 興［ 東 大 出 版 会（2016）］（共著）．	エネルギーの貯蔵・輸送 .［（株）エヌ・ティー・エス，（2008）］（共著）．	電気事業の構造改革 .［技術経済研究所 ,（2002 年）］（翻訳）．	リスク解析学入門－環境・健康・技術問

図6

題におけるリスク評価と実践 .［シュプ地域熱供給システムを実装する社会デザイン

リンガーフェアラーク東京 ,（2001 年）］（翻訳）．	不確実性と人類の未来－リスクに挑む新サービス経済 ［. 日科技連，（2000 年）］（共著）ほか．

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16－ 16 －2020 年

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