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【5RFb−1202】低分子ポリジメチルシロキサンの高精度分析法開発と環境汚染実態の解明（H24～H26；累計予算額 29,605 千円）

堀井 勇一（埼玉県環境科学国際センター）

### 1. 研究实施体制

(1)低分子ポリジメチルシロキサンの高精度分析法開発と環境汚染実態の解明(埼玉県環境科学国際センター)

### 2. 研究開発目的

水環境中の VMS 濃度に関する知見は国際的に見ても乏しく、環境汚染実態・環境動態を理解するための基礎的情報の整備が必要とされている。そこで本研究では、国内環境データ取得のための分析法開発を行い、これを用いて発生源情報の整備や水環境モニタリングの包括的な研究に取り組んだ。

まず、分析法開発においては、水環境中の汚染実態を理解するために、水質、底質、生物を含む各媒体について検討した。特に水試料分析については、カナダではすでに工場排水について排出目標値が制定されていることから、国際的にも公定法の整備が急務といえる。本研究では、水中 VMS 分析法の公定法提案を目指した高精度かつ汎用性の高い分析法、「パージトラップ（PT）－溶媒溶出－GC/MS 法」の開発を試みた。

VMS は多様なパーソナルケア製品に使用される高生産量化学物質である。そこで排出源情報の整備として、下水処理施設の詳細調査を実施した。具体的には、下水処理施設から公共用水域へのVMS排出傾向調査、処理方式の異なる施設におけるVMSマスバランス調査等である。これにより、VMSの除去率や大気及び公共用水域への排出割合・排出量を推算した。また、代表施設において、VMSの流入量及び排出量の日内及び週内変動の詳細調査を行い、生活サイクルとVMS流入・排出量の関係について考察した。さらに、下水放流水及び周辺河川水について年間調査を行うことで、水環境におけるVMS濃度の季節変動を把握した。

下水処理施設等から公共用水域へ排出された VMS は、河川を介して海域へ流入し、最終的には底質や魚類へ蓄積しているものと予測される。そこで、環境中に排出された VMS の環境動態及び蓄積状況を解明するため、東京湾及びその流域を対象に国内初となる水環境モニタリングを実施した。同水域において水質、底質、魚類を併せて採取・分析することで、VMS の濃度分布や環境残留特性を把握し、さらには流域から東京湾への VMS 負荷量等を推定した。また、東京湾の底質コアを採取・分析することで、湾内における過去80年の VMS 汚染史を復元し、これとシリコーン製品の使用量推移との比較や、VMS 堆積速度（フラックス）の推定を行った。最後に、VMS のリスク評価として、VMS の実濃度データを用いる魚類に対する生物蓄積性評価や VMS の毒性情報との比較による生態リスク評価を行った。

### 3. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

本研究において、これまで分析が困難であった水中 VMS の分析法開発に成功した。本分析法は特殊な器具を必要とせず、一般的な実験器具及び汎用性の高い GC/四重極 MS を用いる方法であり、大学や公的研究機関だけでなく、企業や分析会社の一般的なラボなど幅広い施設で利用できる。さらに、分析法の改良により海水の低濃度試料への適用を可能とし、国際的にも情報が限られる海域の濃度分析に成功した。その検出感度は sub-ppt レベルと従来法のパージトラップ－加熱脱着 GC/MS 法と比較して、10 倍程度の高感度化を達成した。また、これまで底質や生物など固体試料の簡便なクリーンアップ法は確立されていなかったが、本研究で検討した PT 法が固体試料のクリーンアップ法として、着色成分や脂質除去に応用できることを見出した。これにより GC/MS の分析精度向上だけでなく、装置負荷を大幅に低減できることから、GC カラムやインレット部品交換など機器分析のランニングコスト削減に貢献できると考える。上記の確立した分析法を用いて、水質、底質、生物の多媒体について環境
モニタリングを実施することで、東京湾及びその流域における VMS 環境汚染実態を把握し、さらには底質や生物への蓄積特性を評価した。米国では、2012 年に D4 が TSCA 優先化学物質に選定され、現在、EPA と産業界が連携して環境モニタリングを進めている。一方で、本研究を開始した時点では、国内における水環境中 VMS の汚染実態はまったく不明であったが、本研究の推進によりその全容を明らかにすることができた。また、本研究で得られた VMS の排出量や東京湾への負荷量の情報は、今後の VMS 環境影響調査や環境動態解析に大きく貢献できるものと考える。

## (2) 環境政策への貢献（研究者による記載）

＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

・環状 VMS については、カナダ、米国、EU 各国が化学物質リスク評価に取り組んでいる現状から、国内においても近い将来に環境省化学物質実態調査の取組物質に選定される可能性が高い。本研究では、公定法提案を目指した分析法開発を行い、実際に ISO/TC147 への新規提案を進めている。本研究で開発した水質、底質、魚類の各媒体についての分析法は、今後のモニタリング調査に活用されるものと期待される。また、これまで国内での VMS 分析例は、国外と比較して極限られたものであったが、本研究における分析法の整備により、今後、当該分野の活性化による国内環境データの蓄積が期待される。

・下水処理施設の詳細調査において、VMS の排出量を公共用水域だけでなく大気への割合も明らかにすることができた。化学物質の環境への排出量把握は、そのリスク評価において必須であり、今後のモデル計算において環境動態解析や生態系への暴露濃度推定に大いに活用できる。また、下水処理施設からのVMS排出濃度はSS量に依存することから、高度処理等によりSS量を低減することでVMS排出量を削減できると示唆された。

・国内においては、既存化学物質の安全性点検事業において、D4、D5、D6の3物質について分解度試験及び蓄積性試験が行われている。本研究で得られた水質、底質、生物の包括的な環境データやそれを用いた解析結果は、これらラボ試験データの妥当性評価やVMS物性値から推測される環境中予測濃度との比較に利用可能であり、国内におけるVMS環境影響評価の基礎データとしての活用が期待される。実際に、環境省環境保健部の担当と意見交換の場を設け、本研究で得られたデータを直接提供しており、今後の化学物質リスク評価への活用が期待される。

### 4. 委員の指摘及び提言概要

揮発性メチルシロキサン (VMS)について、パージトラップー溶媒抽出－GC/MS法を用いる高精度分析法を開発し、下水処理施設、河川水、底質、魚類等の試料中のVMS分析データを収集、解析しており、十分な成果発表もされていることは高く評価できる。本研究は詳細かつ多面的に行われており、いずれも質の高い内容となっている。本研究によって、東京周辺の水環境におけるVMSの汚染実態や動態に関する多くの新しい知見が蓄積されており、波及効果も大いに期待できる。今後、我が国で問題となる事項をタイミングよく調査・研究対象に選び、成果を出したと言える。

### 5. 評点

総合評点：A
## 第 21 回 金融庁契約監視委員会の概要

1．開催日時：平成28年12月2日（金）16時00分～17時20分

2．開催場所：中央合同庁舎第7号館西館 9階 共用第3会議室

3. 出席者：赤松委員長、石島委員、大村委員

### 4. 議題：平成28年度上半期に締結された契約について

平成28年度上半期に締結した契約(159件)のうち、各委員の抽出した案件について審議を行った。なお、前回同様、個別契約案件（下記(2)から(3)まで）の審議の前に、特定のテーマ（随意契約の割合が増加した理由、一者応札の状況及び落札率の状況）について事務局より説明を行った（下記(1)）。

(1) 平成 28 年度上半期における金融庁の契約状況等について

(1−1)金融庁における「随意契約見直し」（平成19年1月）後の契約状況

(1–2) 平成 28 年度上半期における契約状況の一覧

(1−3)一者応札の状況及び改善の取組み

① 一者応札の状況

② 一者応札改善のための取組み

③ 公募への移行と価格交渉実施の検討

## (2) システム関係

(2-1) EDINET（有価証券報告書等電子開示システム）

① 次期システムに係るハードウェア等導入業務

② 次期システムに係るハードウェア等保守業務

③ 次期システムに係るプロジェクトマネジメントオフィス支援等業務

(2−2) 業務支援統合システム

○ 業務支援統合システムのハードウェア・ＯＳ及び汎用パッケージソフトウェアに係る賃貸借及び保守

## (3) 業務委託関係等

(3-1) GLOPAC

○ 平成 28 年度グローバル金融連携センター研究員の日本滞在サポート業務

(3-2) サイバーセキュリティ対応

○ 金融業界横断的なサイバーセキュリティ演習

(3-3)情報提供端末

① ロイター・EIKONによる情報の提供

② コンプライアンスWANによる情報の提供
### 5. 主な審議内容

(1) 平成 28 年度上半期における金融庁の契約状況等について

質問・意見	事務局からの説明
·価格交渉による880万円の節約について成果物の品質水準を維持しながらの交渉は難しいと思うが、成功した理由や参考にした事例があったのか。
·公告期間を10営業日に延ばしたことについて、他省庁においても同程度の期間が一般的なのか。	·価格交渉は難しい面があるが、例えば、システム系の契約では、工数や人員等につき、CIO補佐官の助言を参考にして、双方の納得できる着地点を検討している。
·一者応札の改善については、行革事務局から全省庁に向けて指示がされており、公告期間に関しても同様の取組が行われていると認識している。

(2) システム関係

質問・意見	事務局からの説明
(2-1) EDINET(有価証券報告書等電子開示システム)
・一者応札改善への取組みについて、開発成果の満足度や改善点を次回契約時の仕様書に反映させる等の取組みは行われているのか。
・プロジェクトマネジメントオフィス(PJMO)支援等業務を再委託可能とした経緯及び今後も同様の問題が発生する可能性はあるか。	・特定の案件に関わらず、以前より、調達前から複数の業者に声がけを行っているほか、応札に至らなかった業者にもその理由についてヒアリングを行い、必要に応じて当該調達もしくはその後の調達の仕様書等に改善を行っている。
・PJMO業務は本来コンサル業務であることから再委託を不可としていたが、今回は調達内容の一部に開発に類する部分があったため、当初の調達は不調となり、やむを得ず、入札の説明を受けにきた複数の業者にヒアリングを行った上で、一定の条件の下に再委託を可能とした。今後も基本的には認めない方向だが、応札しやすくするために、支障のない範囲で再委託を認めることはあると考えている。
(3) 運営委託関係

質問·意見	事務局からの説明
(3-2)サイバーセキュリティ対応·今回初めて演習を実施したようだが、演習に参加した者の評価を、次回契約の参考にするのか。	·演習のアンケートは現在集計中であるが、その結果において要望等があれば、次回契約に反映することを検討したい。
(3-3)情報提供端末(ロイター・EIKON)·必要な部署、台数に限定した契約となっているか。·(当該情報提供端末に限らず、)情報提供端末の利用申請があった際は、どのように審査を行い、妥当性を判断しているか。	·市場の動向を同時にモニタリングする必要がある部署に限り、契約をしている。·情報提供端末の利用申請については、調達担当において取りまとめや審査を行っており、個別に必要とする理由を確認した上で、妥当性を判断している。

以上
課題名	E-0903 再生可能エネルギーの大規模導入を可能とする自律協調エネルギーマネジメントシステム
課題代表者名	荻本和彦（東京大学 生産技術研究所エネルギー工学連携研究センター 荻本研究室）
研究実施期間	平成21～22年度
累計予算額	85,795千円（うち22年度 40,640千円）予算額は、間接経費を含む。
研究体制（1）再生可能エネルギー供給量の変動予測に関する研究（独立行政法人産業技術総合研究所）（2）分散型自律協調エネルギーマネジメントに関する研究（東京大学）（3）分散／集中エネルギーマネジメントの協調に関する研究（東京大学）（4）エネルギー需給システム解析評価研究（東京大学）
研究概要1.はじめに地球環境問題、資源・エネルギー問題の顕在化のもと、持続的なエネルギーシステムの構築に向けて、原子力、石炭ガス化発電、再生可能エネルギーなどの研究開発が進められている。このうち大規模電源はその技術特性から、再生可能エネルギーである風力や太陽光発電はその天候による出力の変動特性から、毎時の電力需給バランス調整機能を低下させる要因となることが懸念されている。これに対し、分散電源、ヒートポンプ給湯機、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車の導入に伴い、需要側に貯湯槽やバッテリーなどの蓄熱/蓄電技術が近い将来に導入・普及することが予想され、新しい需要側の調整力として期待されている。2008年10月には経済産業省資源エネルギー庁が、「低炭素電力供給システムに関する研究会」を立ち上げ、太陽光発電等の再生可能エネルギーや原子力などの「ゼロ・エミッション電源」の比率を50％以上とする低炭素社会の構築に向けた電力供給面での対策の検討を開始するなど、既に新しい電力システムの在り方の模索が始まっている。また、エネルギー利用の本来の目的は、エネルギーの消費ではなくそれを用いて得られる効用の増加であり、それにより人間の享受できる快適性、生産性の維持向上である。従って、多様な利用形態を持つ家庭/業務分野において、そこで必要とされる本来のサービスの質と量を把握し、これに対して必要最小限のエネルギー利用をすることで、環境負荷の大幅な低減が期待できる。しかし、現実には省エネルギー促進策としては機器効率の向上に主眼が置かれ、効用そのものについて議論される機会は少ない。これらの状況において、我々が提案する自律協調エネルギーマネジメント（図1参照）は、生活の質の維持、省エネルギーに加え従来の大規模供給側が担ってきた需給調整機能を需要側で分担することで、エネルギーシステムとの協調による再生可能エネルギーの導入拡大と全体の品質向上という、エネルギー問題と環境問題の解決へ新たな道を拓く可能性が高い。また、将来的にこれらの生活に密着した需要側のエネルギー技術を、海外などを含めて地域の条件に合わせて適用することは、エネルギー問題と環境問題の広範な解決に貢献するものと期待される。
2. 研究目的
本研究では、家庭、業務などの民生部門におけるエネルギーサービス水準を維持・向上しつつ再生可能エネルギーの大規模導入を実現するための自律協調エネルギーマネジメントシステムの構築を目的とし4つのサブテーマ（図1参照）により実施した。検討したシステムは、気象予測に基づき広域における変動の平滑化効果（以下、ならし効果）を考慮した発電予測や快適な空間の維持向上に必要なエネルギーサービス量を境界条件として、エネルギーシステム全体と協調的に運用される需要側建物等における自律分散型のエネルギーマネジメントシステムである。ここで言う協調とは、再生可能エネルギーの大規模導入による既存エネルギーシステム（ネットワーク）への負担を軽減するよう、集中／分散のエネルギー貯蔵要素や需要機器制御などを活用し、さらにはネットワーク側の電圧や周波数などの品質維持も分担することをいう。

サブテーマ1では、エネルギーマネジメント等に必要な再生可能エネルギー供給量の変動予測に関する研究として、天気予報や数値予報データを利用した単地点の太陽光発電の発電量予測技術の開発、広域におけるならし効果を考慮した発電量予測技術開発を目的とした。サブテーマ2では、快適性維持と省エネルギーの実現に加えて、電力システム全体に貢献できる建物レベルの分散エネルギーマネジメントシステムの開発を目指し、エネルギーサービス需要量予測に必要な住宅内需要構造解析手法の検討、快適性を損なわない範囲での制御パターンの検討、家庭内機器を制御した場合の効果の評価を行い、装置の実装技術の検証のための装置の試作を行うことを目的とした。サブテーマ3では、分散エネルギーマネジメントと集中エネルギーマネジメントが協調したシステムの開発を目指し、分散発電大量導入時の系統安定化対策に関して、蓄電池システムの必要設置容量の適切な評価手法および電気自動車やヒートポンプ給湯機など他の可制御な需要家機器との協調制御手法の確立を目的とした。サブテーマ4では、再生可能エネルギーの変動性に加え、ヒートポンプ給湯機や電気自動車など需要側機器の普及によるエネルギー需要の変動を考慮した動的エネルギー需給解析モデルを用いて、解決すべき課題分析とその解決のための集中／分散エネルギーマネジメントモデルの開発、および、開発された技術に制度を組み合わせて導入した場合の目的達成の可能性の解析・評価を目的とした。

3. 研究の方法
（1）再生可能エネルギー供給量の変動予測に関する研究
エネルギーマネジメント等に必要な再生可能エネルギー供給量の変動予測に関する研究では、広域におけるならし効果を考慮した太陽光発電システムの発電量予測技術開発として、単地点の日射量予測モデルの開発、発電量予測モデルの検討、広域エリアにおけるアップスケーリングの検討および広域エリアでの予測誤差低減効果について評価を行った。

まず、天気予報および数値予報データを利用し、回帰モデルおよび学習モデルの1つであるサポートベクターマシンを利用した予測モデルの開発を行った。発電量予測については、直接予測と間接予測について比較検討し、両者の特徴について評価を行った。広域の発電量予測技術については、アップスケーリングについて基礎検討を行い、太陽光発電システムの実測データの可観測性や設備情報の有無による影響評価を行った。さらに、広域エリアによる誤差低減の可能性については、2地点間の無相関性の確認を行うことで誤差低減効果について評価を行った。

（2）分散型自律協調エネルギーマネジメントに関する研究
不規則な変動を有する太陽光発電システム等の大規模導入を実現するためには、追加的な需給バランス調整力を確保することが今後必要となる。住宅やオフィスビル等の需要側建物においても、快適性維持・省エネルギー実現と並行して需要機器の制御等による調整力確保が実現できれば、系統の安定化に大きく貢献できる。需給バランス調整力確保を担う建物レベルの分散エネルギーマネジメントに関する検討を行った。

需要構造を把握し、需要予測が可能になれば、太陽光発電量予測等と合わせることで太陽光発電システムや太陽熱温水器などを含めた家庭内機器の適切な運転計画が立案できる。また、需要構造の把握は、需要家の効用の増加に寄与しないエネルギー消費量の抽出にもつながる。分電盤における電流計測による需要予測の可能性を検討するため、集合住宅を中心とした50世帯における実測を開始し、LAN回線を通じてデータ収集するシステムの構築を行った。計測器を設置した家庭から順次データ収集を行い、収集データに基づくエネルギー需要構造の解析を行った。回路別データより機器別稼働状況を推計するために、自己組織化マップを活用したクラスタリング手法を用いたエネルギー需要構造把握手法を提案した。
次に、家庭ごとのエネルギー需要構造の把握によって予測された翌日のエネルギーサービス需要量や、太陽光発電量の予測等に加え、電力システム側からの需要調整インセンティブ情報によって、最適に家庭内機器が運転された場合の効果を定量的に評価するため、混合整数線形計画法を用いた家庭内機器最適運転計画モデルおよび建物エネルギーマネジメントシミュレーションモデルの開発を行った。これらのモデルを用いることで、エネルギー需要機器やエネルギー貯蔵装置の運転スケジュールを調整することによって、電力需給バランスの調整に貢献できる可能性の評価を行った。
さらに、将来、住宅やオフィスビルなど多くの建物への導入が想定されるエネルギーマネジメント装置の実装技術の検証を行うため、機器の運転制御など必要な仕様を決定し、太陽光発電システム、蓄電池、需要を模擬するシステムを構築し、基本的な制御に関する試験を行った。
(3) 分散／集中エネルギーマネジメントの協調に関する研究
風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギー電源は出力が一定でなく、火力発電や水力発電のように可制御な電源でないため、大規模な風力発電および太陽光発電システムを電力系統に連系する際は、その出力変動に伴う配電電圧逸脱問題と系統周波数変動問題の2点が懸念される。本研究では、電力系統モデルを用いたシミュレーションによって蓄電池容量評価手法、周波数制御手法、および需要家機器群のモデルリング手法を検討した。
まず、需要家に導入されている太陽光発電システムに対して制御できる蓄電池を適切な場所に設置することで太陽光発電余剰電力を貯蔵し、配電線電圧を適正に維持することを想定し、住宅地域配電系統モデルを参考にした配電系統モデルを用いて、電圧や潮流などの系統制約のもとで配電系統全体に必要な蓄電池容量の評価を行った。
次に、周波数制御については、需要家に設置された制御可能なヒートポンプ給湯機の制御運転によって周波数変動を抑制することを想定し、電力需給バランスから周波数偏差を解析する周波数解析モデルを用いて、限られたエネルギー量の湯を沸き上げる過程におけるヒートポンプ給湯機群の運転制御による周波数変動抑制効果の検証を行った。
電力系統としては、需要家個々の機器の制御の結果ではなく、多数台の機器の制御による影響が重要になってくる。多数台の需要家機器の集約モデルを、ヒートポンプ給湯機と電気自動車それぞれについて開発し、機器1台1台の動作を模擬する詳細モデルの積み上げと比較して評価を行った。
(4) エネルギー需給システム解析評価研究
サブテーマ1～3で研究される需要側建物における分散エネルギーマネジメントシステムが、自律・協調的な運用を行い、需要を調整することで再生可能エネルギーの大量導入に貢献する可能性について、エネルギー需給システム全体での解析評価を行った。
既存系統側の原子力、石炭ガス化発電などの新しい供給技術、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、ヒートポンプ給湯機、分散電源コジェネなどの新しい需要側機器の導入が今後期待される。そこで、再生可能エネルギーの変動に加えて、これらの需要機器の導入普及によるエネルギー需要の調整を考慮した動的エネルギー需給解析モデルを用いて、解決すべき課題の解析・評価を行い、求められる電力システム需給調整力確保の要件を満たすことのできる能動化需要による集中／分散エネルギーマネジメントモデルを考案した。この分散エネルギーマネジメントモデルはサブテーマ2で個々に分析・評価を行う一方、本サブテーマでは、ヒートポンプ給湯機、電気自動車、バッテリーなど本技術を適用できる将来モデルを設定し、動的需給解析モデルを用いて再生可能エネルギー発電大量導入につき、電力システムの需給調整力確保を含む解析・評価を行った。また、サブテーマ2で研究された分散エネルギーマネジメントの多数（500万台）導入を想定し、積み上げ型の分散エネルギーマネジメント導入効果の分析・評価モデルを作成し、分析・評価を行った。
4. 結果及び考察
(1) 再生可能エネルギー供給量の変動予測に関する研究
単地点の予測モデルでは、天気予報利用モデルにおいてステップワイズ法の結果、天気および湿度を説明変数として用いた単純多重回帰モデルが有効であることを示した。数値予報データを利用したモデルについては、5kmメッシュのメソスケールモデルデータを利用し、サポートベクターマシンを利用したモデルの開発を行った。全国各地点の日射量予測結果より、東京における日射量予測誤差は、2乗平均平方根誤差において、約0.134 kWh/m²であり、各地点の2乗平均平方根誤差における全国平均は、0.136 kWh/m²であることを示し、現状の予測誤差範囲の把握および一定の地域差
がある知見を得た。発電量予測については、実測の太陽光発電システムデータを利用して、直接予測と間接予測の比較検討を行い、直接予測が0.105 kWh/kW、間接予測が0.104～0.110 KWh/kWの予測誤差であり、両者の差が大きくないことが示され、実用化に向けた基礎的な知見が得られた。

広域エリアの予測の検討については、特定の可観測地点から全量を推定する予測（アップスケーリング）について実測データを用いて基礎的な検討を行った。図2に各ケースにおける予測誤差結果を示し、すべての可観測日射量データ利用のケースは、単地点データ利用のケースと比較して、約30%予測誤差が低いことが確認できた。また、方位傾斜データの有無については、極端な例（例えば西向きに設置されている）を除きサイトの方位、傾斜情報の有無に大きく依存しない結果を示した（2乗平均平方根誤差にて0.02 kWh/kW以下）。また、広域エリアの予測誤差低減効果としては、予測誤差の地点間の無相関性を検討し、図3に示すように地点数増加による予測誤差低減効果の評価を行った。評価の結果、広域による予測誤差については、単地点の約5～4割程度、誤差を低減できる可能性を示した。

図２ アップスケーリングの評価結果

図３ 地点数と予測誤差の標準偏差との関係

## （２）分散型自律協調エネルギーマネジメントに関する研究

本研究では「分電盤」における短時間間隔の実測によって電力消費構造把握を行う手法を提案した。分電盤電流データによる将来の分散エネルギーマネジメントのための電力需要予測に向けた住宅電力消費構造把握の可能性について検討するため、千葉県柏の葉キャンパス駅周辺のマンションを中心とした50世帯でエネルギー消費量の実測を行った。実測の主目的は分電盤データの収集であるが、最終的な分析結果の検証、住宅のエネルギー全体の構造把握を合わせて行うために、分離が比較的難しいと思われる一部の家電製品、空調室温湿度、非空調室温度及びガス消費量の計測も合わせて実施した。計測システムの構成を図4に示す。

分電盤電流データを用いた機器別稼働状況の推定手法として、自己組織化マップを用いた手法の検討を行った。世帯Aのリビング回路における解析を行った結果、回路に接続している機器の情報を用いずに、消費電流の非常に小さいクラスタ（CL1）、5アンペア前後の電流が長い時間流れるクラスタ（CL2）、ピーク分クラスタ（CL3）、ベース分クラスタ（CL4）の4つのクラスタに分解することができた。これに加えて接続されている機器の出力に関する情報が得られれば、回路に接続されている機器が少ない場合には、この解析により機器別の電流消費量が推計できることを示した。

本研究成果により、分電盤電流データからの機器別稼働状況把握の基礎的な見通しを得ることができた。

さらに、室内環境の快適性を損なわない範囲でどの程度省エネルギー余地があるのか検討するため、実測を行っている世帯を対象に質問紙調査法を用いた調査を実施した。家庭内の省エネルギー行動は情報フィードバックで省エネルギー可能、エネルギーマネジメントで省エネル

図４ 計測システムの構成
ギー可能、省エネルギー不可能の3つに分類できる見通しが示された。
次に、需給バランス調整力を担うエネルギーマネジメント装置の開発を目指し、電力システム側から与えられた需要調整のためのインセンティブ情報（時刻別の電力価格）によって家庭内のエネルギー需要機器やエネルギー貯蔵装置の運転スケジュールを計画する混合整数線形計画法を用いたモデルを開発した。対象とした家庭内機器およびモデルで扱ったエネルギーフローを図5に示す。モデルを用いた計算結果より、価格設定によるヒートポンプ給湯機の運転時間の違いを図6に示す。天候に応じた価格設定V0～V3によって、需要家のヒートポンプの運転量を調整できることを示した。以上により、適切な電力価格の設定によって、家庭内においては電力料金が最小となる需要機器の運転を行いつつ、電力システム全体の需給バランス調整に貢献できることを確認した。
図5 モデルの対象機器とエネルギーフロー 図6 価格設定によるヒートポンプ給湯機の 運転時間の違い
さらに、このような運転制御を行うエネルギーマネジメント装置の実装技術の検証のため、太陽光発電システム、蓄電池、需要を模擬するシステムを構築し、基本的な制御に関する試験を行った。試作した装置を用いて、各種の運転切り替え動作の確認を行った。その結果、懸念されたような制御の不安定性や、システム特性のカギを握るバス電圧の大きな変動も見られず、正常に動作することが確認でき、分散エネルギーマネジメント装置の実用レベルでの安価な製造について技術的な見通しを得ることができた。
（3）分散／集中エネルギーマネジメントの協調に関する研究
配電系統において需要家に設置される太陽光発電システムに対して、配電系統に蓄電池を導入し適切に運用することで余剰電力の貯蔵および配電線電圧を適正範囲内に維持する電圧制御手法について検討した。蓄電池の設置場所は、各ノードに太陽光発電システム導入量に比例して分散して設置するパターンA、フィーダの末端に集中的に設置するパターンB、フィーダの中点に集中的に設置するパターンCの3通りとして検討を行った。それぞれの設置パターンにおいて、各ノードの時間断面における潮流・電圧を制約条件とし、蓄電池容量を最小化する最適化問題を解くことで蓄電池の必要最小容量を求めた。その結果を表1に示す。蓄電池を太陽光発電システム導入箇所に分散的に設置するよりも配電線上の相応しい地点に集中して設置する方が小さな蓄電池容量で電圧逸脱問題を解消できることを確認した。
表1 蓄電池の必要最小容量
パターン	kW容量[kW]	kWh容量[kWh]
A（分散設置）	708	2,506
B（末端集中設置）	423	1,937
C（中点集中設置）	429	1,943
次に、従来の火力や水力などの可制御電源や蓄電池システムだけでなく、需要家機器であるヒートポンプ給湯機群を系統周波数制御に利用することを検討し、新たな制御システムを提案した。ヒートポンプ給湯機は想定エリア内の10%の需要家に設置されているものとし、ヒートポンプ給湯機運転時に出力の±10%の範囲で消費電力を制御できるものとして、電気学会東30機系統モデルの一部である8機系統モデルを用いて周波数偏差の評価を行った。ヒートポンプ給湯機を導入しない場合、ヒートポンプ給湯機を導入して制御に利用しない場合、ヒートポンプ給湯機を制御する場合の3通りについて、周波数偏差の評価を行った。各ケースにおける周波数偏差の最大値を図7に示す。
ヒートポンプ給湯機を導入しない場合と比較して、ヒートポンプ給湯機を導入することで制御運転を行わなくても周波数変動が抑制され、制御運転によりさらに周波数変動を抑えることが確認できた。需要家の利便性に配慮して制御時間と制御容量が制限されている場合においても、ヒートポンプ給湯機を適切に制御することで周波数変動を抑制できることが分かった。

多数台のヒートポンプ給湯機全体に対して周波数制御信号を与えたときの応答性は、1台1台の詳細ヒートポンプ給湯機モデルの積み上げによって得ることができるが、台数が増加すると計算量が膨大となる。本研究では、多数台のヒートポンプ給湯機を集約した集約ヒートポンプ給湯機モデルを提案した。このモデルでは、多数のヒートポンプ給湯機を30分間でランダ

ムに起動するとして設計している。また、ヒートポンプ給湯機の運転時間は沸き上げ量によるが、この沸き上げ量は正規分布に従うものとして設計している。運転時の合計定格消費電力の±10%の範囲で消費電力を制御できるものとして、1000台のヒートポンプ給湯機を模擬した集約モデルの場合と、個々の詳細モデルを1000台用いた場合で、周波数制御信号に対する応答性の比較を行った。ヒートポンプ給湯機の消費電力のうち、周波数制御信号によって変動している成分を合計

図7 ヒートポンプ給湯機と制御の有無による周波数偏差の最大値

図８ 合計制御電力の詳細モデルと集約モデルの比較

した合計制御電力の時間変化を図8に示す。図から分かるように、制御電力についての差異が非常に小さく、周波数制御信号に対する応答性を非常に良く近似できていることが確認できた。

電気自動車は、走行が終わってプラグインすると充電状態（SOC: State of Charge）が85%になるまで充電し、その後、80～90%の範囲で周波数制御信号に応じて充放電制御を行うこととし、電気自動車のインバータ容量制約およびバッテリー容量制約のもとで、周波数制御信号によって充放電を行うモデルを開発した。多数台の電気自動車を扱う場合に、充放電の制御信号をSOCの大きさによって優先順位をつけて与え、電気自動車群のSOCのばらつきが小さくなるようなSOC同期制御を行うこととした。100台の電気自動車を想定し、SOC同期制御を行う場合と、一律に充放電制御信号を与える場合（SOC同期制御を行わない場合）とで比較を行った。SOCの時間変化の結果を図9に示す。色の違いはそれぞれが別のEVであることを示し、各図では100台のEVのSOC変化をプロットしている。SOC同期制御を行った場合では、多数の電気自動車のSOCが同期して変化していることが確認できた。以上より、電気自動車群を1つの蓄電池モデルとして集約モデル化できることを示した。

図9 電気自動車群の SOC の変化（左：SOC 同期制御なし、右：SOC 同期制御あり）
## （４）エネルギー需給システム解析評価研究

本研究においては、電力需給解析によりこれらの課題を定量的に評価し（図10、図11）、これを克服するために需要の能動化を核とした集中／分散のエネルギーマネジメントの協調制御モデル（図12）を開発した。本モデルは、電力会社などの集中エネルギーマネジメントからシステム全体の需給状況を反映した直接あるいは間接的な信号を送り、これに対して住宅など需要側の分散エネルギーマネジメント装置が快適性、省エネルギー・省CO₂の視点を加えて自律的に判断し、需要を制御することによって電力システム全体の需要の形が変わるという考え方である。この協調制御モデルを組み込んだ電力需給解析により、既設発電機に加えて電気自動車やヒートポンプ給湯機、定置用バッテリーなど新たな需要機器による需給調整を想定し、再生可能エネルギーの大量導入時の需給調整力の評価を行う手法を確立した。本手法では、追加対策の設備量と運用方法の想定の下で、電力システムの需給調整が難しくなる時間帯を特定し、再生可能エネルギー発電の抑制量などを算出した。

また、実規模の電力システムの特性に基づき協調制御のための制御パラメータを解析し、それに基づく需要の能動化による協調制御の効果としての電力システムの電力需要の変化を解析し、需要の能動化を核とする集中／分散エネルギーマネジメントの協調による導入効果を分析・評価する手法を確立し、試算によりシステム全体の需要が多数の分散エネルギーマネジメントの応動により変化することを確認した。これらにより、再生可能エネルギー発電の大量導入の障害となる電力システムの需給調整力の低下の課題を需要の能動化を核とする集中／分散のエネルギーマネジメント

図 10 太陽光発電導入時の等価負荷曲線（5月、オフピーク負荷期）

図１１ 太陽光発電・蓄電導入時の等価負荷曲線（８月、ピーク負荷期）

図１２　集中と分散のエネルギーマネジメントの協調

の協調により解決する仕組みに見通しを得た。

以上の解析手法や需要の能動化による集中／分散エネルギーマネジメントの協調モデルを用いて、再生可能エネルギー発電の導入量について、例えば太陽光発電の導入量については長期エネルギー需給見通しの53GWのケース、その50％増の80GWのケースなどについて検討を行った。この検討では太陽光発電、風力発電の大量導入時の「ならし効果」を含めた変動特性がまだ観測データとして得られていない
ため、需要の変動とともに3、5、7、10%などと変動率をパラメータとした解析・評価を行った。この結果、太陽光発電の発電量抑制と需要の能動化を組み合わせることで、発電電力量の数%の抑制とそれによる経済性低下を許容すれば、技術的には安定な導入が可能であることを示した。計算結果より、図13に10電力システム全体における需給調整力不足時間と必要抑制電力量を月別に示した。

今後、太陽光発電を始めとする出力の変動する再生可能エネルギー発電の大量導入に向けては、今回想定した変動特性の実績データによる解析・評価を進める一方、本研究で想定した様々な要素を実運用に耐えるものに完成してゆく必要がある。安定供給、経済性、環境性など多角的な条件を満足できるものに、計画してゆく必要がある。

再生可能エネルギー発電の出力の予測精度向上は、需給運用の難しさを一定割合低減する重要な役割を果たす。予測に基づき、電力システムの計画・運用の構造を修正あるいは変化させる必要も出てくる。さらに、現在、急速な要素技術、応用技術の技術開発が行われている蓄電池について、将来、経済性、機能性が大幅に向上すれば、同時同量、運転予備力、需給調整力確保、負荷平準化などの概念を大きく変化させる影響を持つと考えられる。電力システムの計画・運用の構造は、最初は徐々に、最終的に大きく変化する可能性もある。

再生可能エネルギー発電の導入に向けては、需要側を含めた構成要素の変化、対策技術の進展に沿って、電力システムの運用構造も、ニーズを先取りした技術開発、制度の整備が今後行われ、より柔軟で高品質な電力需給を実現することが可能となる。これらの検討を継続し、需要と供給両側から電力システム全体の運用を高度化することで、再生可能エネルギー発電の大量導入が実現する

図13 各月の10電力システムの需給調整力の不足時間と必要抑制電力量（需要変動5％・太陽光発電変動5%）

見通しが得られたと考えられる。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

広域エリアにおける発電量予測の基礎検討として、日射量予測における多地点の予測誤差低減の効果を国内で初めて示した。特に、広域エリアにおける予測誤差低減効果の要因分析を行い、2地点間の距離と予測誤差の相関関係を示したことにより、今後の広域における太陽光発電システムの総発電量予測手法の実用化に向けた、基礎的な知見を得ることができた。

既存住宅におけるエネルギー・温熱環境計測システムを開発し、LAN回線を通して収集する環境を構築した。また、需要や電力価格が与えられた場合の太陽光発電システム、太陽熱温水器、蓄電池、ヒートポンプ給湯機、貯湯槽等の最適運用方策を決定する家庭内機器運転計画モデルを作成し、実運用の目安となる最適な分散エネルギーマネジメントが得られた。エネルギーマネジメント装置のプロトタイプを試作し、蓄電池や太陽電池シミュレータ、模擬需要等を用いて、これらの機器が接続された環境を模擬し、エネルギーマネジメント装置の動作の一部を検証した。

太陽光発電システムが分散的に導入された配電系統に蓄電池を設置して配電線電圧管理を行う場合には、蓄電池を太陽光発電導入箇所に分散的に設置するのではなく、配電線上の相応しい地点に集中的に設置して操作することで、より小さい蓄電池容量でも電圧逸脱問題を解消可能であることを確認した。また、タンク貯湯量に応じて運転時間が制限されても、ヒートポンプ給湯機群を制御運転することで系統の周波数変動抑制効果を高めることができることを明らかにした。

太陽光発電など、出力が変動する再生可能エネルギーの大規模導入の実現に向けては、変動量の増加と需給調整を担う火力発電所の割合の低下から、電力システムの需給調整力の確保が究極的課題となる。この課題に対し、家庭等における自律分散エネルギーマネジメントが、エネルギー使用
の最適化と電力系統全体の需給バランスに協調した需要の調節を行う「集中／分散のエネルギーマネジメントの協調モデル」を考案し、需給調整力の確保に有効に機能することを検証することができた。本モデルは、スマートグリッドを含む今後の再生可能エネルギー導入を含む電力・エネルギーシステムの構造変化において革新的役割を果たすと考えられる。

## （２）環境政策への貢献

発電量予測は、太陽光発電システムの大量導入には必須の技術課題であり、環境省「地球温暖化対策に係る中長期ロードマップ検討会」においても「再生可能電力出力予測」が挙げられている。本研究では、電力システムの安定運用に不可欠の広域の発電量予測の予測誤差は明確になっていないため、導入可能量や必要対策費など定量化が難しいのが現状であった。電力需給の低炭素化に向けた再生可能エネルギー導入について、導入可能量および対策を明らかにすることで、環境政策目標である再生可能エネルギーの導入拡大に貢献できると考えられる。

太陽光発電等の出力が不安定な低炭素分散電源を大規模に導入するには、需給バランス調整という観点から家庭等の需要を能動化する集中／分散のエネルギーマネジメントの協調は不可欠である。将来、低コストでこの機能を有する装置を家庭に大量に普及させるための基礎的研究であり、太陽光発電の高い普及率目標の実現を後押しする技術としての貢献が今後期待される。

配電系統に必要な安定化対策としての蓄電池容量の評価手法は、今後の家庭用太陽光発電システム導入に係るコスト試算に際して有効である。また、ヒートポンプ給湯器が系統制御に貢献することで大量の再生可能エネルギー電源導入につながる可能性を明らかにしたことは、ヒートポンプ給湯機の普及促進という点でも期待できる。

以上の要素を組み合わせた、再生可能エネルギー発電量予測の下での、需要側と供給側の双方の調整力を電力システムの需給調整力確保に活用する集中／分散のエネルギーマネジメントの協調は、「スマートメーターや気象情報と連動したエネルギーマネジメント装置の導入」および「ヒートポンプ、電気自動車等の需要家設備への協調制御機能の導入」、「再生可能エネルギー・需要家と系統とのあらたな協調制御の実現」などとして環境省中長期ロードマップ検討会および同エネルギー供給WG報告書（平成22年3月）、中長期ロードマップ小委員会および低炭素社会づくりのためのエネルギーの低炭素化検討会（エネルギー供給WG）の報告書（平成22年12月）に取り入れた（図14参照）。

図１４ 環境省の報告書に掲載された集中／分散エネルギーマネジメントの協調の図
### 6. 研究者略

課題代表者：荻本和彦

1956年生まれ、東京大学工学部卒業、現在、東京大学生産技術研究所エネルギー工学連携研究センター特任教授

## 研究参画者

（1）: 高島工

1968年生まれ、筑波大学大学院理工学研究科修了、現在、独立行政法人産業技術総合研究所太陽光発電研究センター主任研究員

（2）:岩船由美子

1968年生まれ、北海道大学工学部卒業、博士（工学）、現在、東京大学生産技術研究所エネルギー工学連携研究センター准教授

（3）：横山明彦

1956年生まれ、東京大学工学部卒業、工学博士、現在、東京大学大学院新領域創成科学研究科先端エネルギー工学専攻教授

（4）：荻本和彦（同上）

## 7 ．成果発表状況（本研究課題に係る論文発表状況。）

## (1) 查読付き論文

1) Joao Gari da Silva Fonseca Jr., Takashi Oozeki, Takumi Takashima, Kazuhiko Ogimoto: "Solar Irradiation Forecasts with Neural Networks and Numerically Predicted Cloudiness Data", Proceeding of 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition /5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 5007-5010 (2010)

2) Takashi Ikegami, Yumiko Iwafune, Kazuhiko Ogimoto: “Optimum Operation Scheduling Model of Domestic Electric Appliances for Balancing Power Supply and Demand”, Proceedings of 2010 International Conference on Power System Technology (POWERCON2010), 1-8, DOI: 10.1109/POWERCON.2010.5666592 (2010)

3) Kei Inoue, Yumiko Iwafune: “Operation of Heat Pump Water Heaters for Restriction of Photovoltaic Reverse Power Flow”, Proceedings of 2010 International Conference on Power System Technology (POWERCON2010), 1-7, DOI: 10.1109/POWERCON.2010.5666074 (2010)

4) Yumiko Iwafune, Yoshie Yagita, Kazuhiko Ogimoto: “Estimation of Appliance Electricity Consumption by Monitoring Currents on Residential Distribution Boards”, Proceedings of 2010 International Conference on Power System Technology (POWERCON2010), 1-6, DOI: 10.1109/POWERCON.2010.5666076 (2010)

5）池上貴志，岩船由美子，荻本和彦：「電力需給調整力確保に向けた家庭内機器最適運転計画モデルの開発」，電気学会論文誌B，Vol.130，No.10，877-887（2010）

6）岩船由美子：「住宅用分電盤電流データを用いた機器稼働状況推定手法」，電気学会論文誌B，Vol.131，No.7（2011）（in press）

7) 荻本和彦，片岡和人，池上貴志，野中俊介，東仁，福留潔：「将来の電力システムの需給調整力の解析手法」，電気学会論文誌C, Vol.131, No.10 (2011) (in press)

(2) 査読付論文に準ずる成果発表（「持続可能な社会・政策研究分野」の課題のみ記載可）特に記載すべき事項はない。
# Creating and Preserving a Beautiful and Healthy Environment

## Section 1

## Promoting Global Warming Countermeasures

## 1 Implementing Global Warming Countermeasures

At the twenty-first session of the Conference of the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate, change (COP21) which was held in Paris, France, in December 2015, the Paris Agreement was adopted as a new international framework for reducing greenhouse gas emissions to replace the Kyoto Protocol.

Based on the Paris Agreement, Japan was called upon to formulate “the Plan for Global warming Counter measures” by the spring of 2016. In response, the MLIT studied global-warming countermeasures (mitigation measures) to be incorporated into a new plan according to discussions held by the Council for Infrastructure Environment Committee and the Council for Transport Policy Transport System Subcommittee; Environment Committee.

Even if mitigation measures were to be implemented to the maximum extent possible, it is widely believed that the impact of climate change cannot be completely avoided. As the importance of implementing adaptation measures to prepare for the negative impact of climate change has been indicated, we will promote adaptation measures to the utmost in addition to adopting energy-conservation measures and ushering in an era of renewable energy.

Figure II-8-1-1
bio-gas and solid fuel, as well as the use of sewage heat as renewable energy heat.

## Column

## Hydrogen production from sewage sludge, which can power cars!

The Sewerage Law amended in May, 2015, incorporates the obligation of public sewerage system administrators to make efforts to utilize sewage sludge as energy. The utilization of sewage sludge energy includes biogas power generation, solid fuel production, etc., but in recent years, the hydrogen production from sewage sludge has attracted attention.

The sewage sludge-derived hydrogen has various merits in multiple aspects, such as reduction of environment loads because hydrogen production from fossil fuel emits $ CO_{2} $ , and contribution to local production and local consumption of energy through the use of regional resources, so people place big hopes on the hydrogen production from sewage sludge.

■ Efforts to produce and utilize hydrogen from sewage sludge :

## [Hydrogen Leader City Project - Demonstration of hydrogen generation from sewage biogas source -]

Under this project, four parties, including Mitsubishi Kakoki Kaisha, Ltd., Fukuoka-city, Kyushu University, and Toyota Tsusho Corporation, have constructed facilities at real-scale level for demonstrations and been conducting verification tests on whether hydrogen can be stably produced from sewage sludge. They have also been studying the use of $ CO_{2} $ generated in the process.

The project started in FY 2014, and so far, the test results have shown stable production of hydrogen.

## [Consideration of the use of hydrogen derived from sewage sludge]

In the “Review Committee on the utilization of sewerage resources in ‘Hydrogen Society’”, convened in FY 2015, the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism (MLIT) carried out feasibility studies on the production and utilization of hydrogen from sewage sludge, while using wastewater treatment facilities of Hirosaki-city, Saitama prefecture, and Yokohama-city as models, and had discussions on issues in technical, institutional, and financial aspects, and on the solutions.