Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
波数情報によって、従来の自律分散制御と新しい自律分散制御であるSSI（安定供給指標：Stability Supply Index）制御を使用して自動で各設備の出力の開始・停止・出力量調節を行う機構を開発し、「周波数情報を基に自動で出力を調節し、電力を各セルに供給する」新しいエネルギーシステムを「もたせ」型として構築した。この制御機構により、監視制御システムや通信回線のためのコストを大幅に削減することができる。

自律分散制御による電力供給に関しては、サブテーマ1から提供された日時別需要データを用いて、セル内の電力需給解析やセル内における分散型電源導入時の安定度評価を行うことで、電力融通を行う上でセルAとセルBが電力品質を落とさずに安定して運転できることを示した。また、誘導発電機導入時の系統安定度解析として小水力発電を模擬した誘導発電機とディーゼル発電を模擬した同期発電機を用いた自律運転セルを作り、同期発電機に対する誘導発電機の供給割合を変えて発電機の挙動や電圧・周波数の変化を明らかにし、誘導発電機の導入量が30％以下であれば安定した運用ができることを明らかにした。

## 2 ）パワーエレクトロニクス機器の基本機能・構成の検討

セル間の電力融通及び連系に関しては、送電端の交流電流を直流電流に変換し、受電端の周波数に合わせた交流電流に再変換するBTB（Back To Backと呼ばれるパワーエレクトロニクス機器）をベースとした直流送電システム方式によって異周波連系が可能であることを、BTBシミュレーションモデルによる解析と実機を用いた実験から実証した。

## 3 ）電圧変動の発生、無効電力の偏在、などの電力品質の維持方法の抽出・検討

多様な分散型電源使用によるインバータ機器の増加にともなって、高調波成分の除去、電力品質の改善が必要になる。そこで、高調波対策としてアクティブパワーフィルター(APF)を用いることとし、負荷が発生する高調波を高調波検出回路によって検出し、それとは逆位相の電流（=打消し電流）をAPFによって生成、その打消し電流を送電端に注入することで送電端電流の高調波成分をキャンセルし、送電端電流を補正する機能について理論解析および実験から検証を行い、提案手法の有効性を確認した。このような検証結果から、再生可能電源として導入される太陽光発電と最適に組み合わせて使用できるPV-APFシステム構築が可能と判断した。

## 4 ）規程の見直しに注目した課題の抽出・検討

特定供給や特定電気事業に着目し、電力品質レベルの区別化と責任分界点の明確化が必要になるものの、独立型マイクログリッドと基幹系統の共存が制度的にも実現可能であることを明らかにした。

## （４）開発・運営主体の形成と評価

## 1 ）組織の要件と連携の必要性

平成大合併後、地域運営のあり方が模索される中、再生可能エネルギーの取り組みも地域運営の新たな方向性と関連づけて考える必要があることを明らかにした上で、各地の事例を参考に、先ず「地域組織としての伝統的な凝集力の強弱」と「特定地域志向か広域連携を射程にいれた活動か否か」を軸として、地域組織とそのネットワークを次のように類型化した。

「積み上げ型ネットワーク」：従来の社会関係資本を基盤に、広域でステークホルダーを形成

「シングルステークホルダー」: 農山村を中心に多様な活動を展開する従来の地域組織

「マルチステークホルダー」: 地域内の社会関係資本形成に貢献する市民団体等のコア組織

「ハブ型ネットワーク」: 広域発信をしているNPO・市民団体等の求心力のあるコア組織

次に、先行研究のレビューや事例分析に基づき、事業組織の要件を下記のように整理した。

①地域住民が地域課題の発見や議論、解決に向けた活動に参加し得る組織である。

②事業体の意思決定において地域住民の意向を反映できる仕組みがある。

③事業による便益の大部分（orすべて）を地域の福祉向上に活用できる仕組みがつくれる。

④事業に関わる日常的な業務運営（有償）に地域住民が優先的に関わる仕組みがつくれる。

⑤公共性の高い性格の事業である。

⑥将来世代が地域資源を活用できるように配慮している。

さらに、本研究開発が前提とする「もたせ型」分散エネルギーシステムは、資源の管理・利用を共有するそれぞれのコミュニティ（セル）が、自律的に再生可能エネルギーを生みだすと同時に、セル相互の連携・融通によって、安定的かつ適切に需要を充足することを想定していることを整理して、地域社会の変動が急速に進む中、①そこに集う人々の利害の多様化にも目をむける必要があること、②自治体内分権とそのネットワークの仕組みが必須であること、③小規模の限界・デメリットを力バーするネットワーク・コーディネートの仕組み（水平的補完性）と④連携を促進する行政からの支援（垂直補完性）が必要であることを、様々な小規模な取り組み事例等から明らかにした。
## 2 ）コミュニティ機能の維持とコーディネート機関の重要性

多様な地域課題への対応を担い得る組織の具体化にあたり、①地域の課題を多領域にわたって横断的に見渡しながら地域の意思決定と参加のもとで持続的に対応する事業組織と、②エネルギー事業を軸に協同組合の仕組みを活かしつつ、生産者、利用者を包括して事業を支援する組織としてコミュニティ協同組合という発想に立つことの有効性を明らかにした。

さらに、コミュニティ維持に寄与する事業組織を支える仕組みとして、公的支援（条例等）とコーディネート機能の創出が必須であることを示し、地域に根ざした分散型再生可能エネルギー事業の継続的な育成をはかる上で、次のような内容を織り込んだ制度環境が必要となること、専門的な知識をもつコーディネート機関が重要な役目を果たすことを、日本の先進例、基礎自治体および広域自治体が支えるイタリアのコミュニティ協同組合の事例分析や再生可能エネルギー事業支援機関として機能するドイツのアグロクラフト社等の事例から明らかにした。

①環境保全、地域資源の持続的な管理・利用を確保した上で、経済活動との調和をはかる。

②持続可能な地域づくりとして、地域に必要な財・サービスの生産、雇用創出の探究を支援する。

③行政との協働の際は市民や地域に根ざした主体が主導するように配慮する。

④事業が持つ公共性に鑑み、行政の資金的支援や信用付与等は透明性を確保して実施する。

このような検討に基づき、サブテーマ1で示された工学的システム規模や需要側対応の範囲、サブテーマ2と3で提案された設備の所有運用形態等の実現性を社会工学的枠組みから考察し、図2のような地域社会でシステム運用、電力取引などが行える「もたせ」型分散電力システムの体系を工学的社会学的観点から提案した。

図2 「もたせ」型分散エネルギーシステム提案

## 3 ）再生可能エネルギー代替シナリオの波及性

現地調査に基づき、ケーススタディ地区のエネルギー需給の実態を取引量・金額から明らかにし、地区を例に、コミュニティレベルの化石燃料から再生可能エネルギー資源への転換の地域への波及を経済的な視点から検討した。その結果、地区内収入が873万円／年、市外流出が7002万円／年である現状に対し、化石燃料を地区内から調達する木質燃料へ代替することで地区内収入を3.9倍に、市外流出を1／5にできることを示し、地域の再生可能エネルギーの創出が循環性（地域内・地域間）を重視した地域経済の形成に有効で、実現可能であることを明らかにした。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## （1） 科学的意義

コミュニティレベルのエネルギー需給分析に使用できる、時間別期別の電力と熱の需要モデルを作成した。

・電力と熱の需給バランス分布を把握する方法を検討し、再生可能エネルギーによりエネルギー自給が可能な領域を抽出する手法を開発・適用した。
・電力のピーク供給容量を供給停止契約などにより削減できるデマンドレスポンス導入の可能性を明らかにした。

・再生可能エネルギーが豊富な中山間地において、余剰電力を融通して地域全体で利用するシステムとして、仲介者が供給グループと需要グループを制御する形態（もたせ機能）が有効に機能することを明らかにした。

・再生可能電源の電力ローカルマーケットにおける最適余剰買取価格は、太陽光発電量を左右する日射量が強く影響することを定量的に示した。

・日射量と需要負荷より、毎月の融通可能電力量を推定できる伝熱アナロジーに基づくモデルを作成した。

誘導発電機導入時の電力系統解析モデルを提案して系統安定度の信頼性を評価することで、独立マイクログリッドの電源構成における誘導発電機の導入上限を明らかにした。

・パワーエレクトロニクス機器を活用した電力系統の運用方法を提案し、実験装置を試作して運用の可能範囲を評価し、電力品質が改善できることを示した。

・地域で取組む分散型、自立型の再生可能エネルギー事業の社会的・経済的意味を明らかにした。

・事業組織の類型化により、農山村における持続可能な地域づくりのための再生可能エネルギー事業体の可能性を考察し、マルチステークホルダーの「共同運営的な事業体（協同組合形式）」であるコミュニティ協同組合的な発想の新しい事業形態の展開可能性を示した。

・再生可能エネルギー利用の拡大にともなう地域へのプラスとマイナスの効果を検証し、地域内の再生可能エネルギー資源利用による地域経済効果がきわめて大きく、コミュニティ機能拡充に貢献できること、大規模な資源移動による非化石燃料利用より小規模移動の利用の方が有効であることを明らかにした。

## （２）環境政策への貢献

・自給型分散エネルギーシステムの研究コンセプトを研究会やシンポジウムで政策決定者に説明することで、地域エネルギー開発の意義と政策的課題に関する認識を広めた。

コミュニティレベルのエネルギー需給の検討を簡便に行える汎用的なコミュニティ・エネルギー設計支援プログラムを開発した。

需要以上の再生可能エネルギー開発が可能な領域の抽出により再エネ開発によるエネルギー自立が可能な領域があることを明らかにし、小水力が中核的な電源になり得ることを示した。

・ デマンドレスポンスによるシステムの過大装備回避およびエネルギー起源の温室効果ガス削減と連動するDRインセンティブ付与方策の可能性を指摘した。

- 周波数情報による自律制御と安定供給指標制御の機構を開発し、50kW規模以上の独立マイクログリッドと電力品質が異なる独立グリッド連系を実現する住民の参加が容易なシステム構成の再生可能電源による電力系統設備の形成および運用方法を提案した。

・電力系統の設備形成と運用に関して法制度の側面から検討を行い、提案する独立マイクログリッドの導入可能性および課題について示した。

再生可能エネルギーが豊富な地域における再生可能エネルギーによるエネルギー自立の実現性を明らかにし、地域主導の再生可能エネルギー事業が農山村再生に貢献できることを示した。

コミュニティレベルの化石燃料から非化石燃料への代替が、地域雇用、地域循環経済の拡大に大きく貢献することを明らかにした。

## ＜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＞

・再生可能エネルギー資源による分散型エネルギーシステムの構想に活用できる独立型電力需給および熱需給のモデルを提示した。

コミュニティレベルで、再生可能エネルギー開発やエネルギー需給検討を行う際に利用できる基礎資料、需要計算ツールを整備した。

・太陽光発電、小水力発電、太陽熱、森林バイオマスの開発可能量を推計し、再生可能エネルギーで電力と熱の需要を充足できる範囲の抽出手法を開発し、市町村～全国規模で適用できるようにした。

農山村型マイクログリッド設備の過大装備回避と安定的運用のための電力ピークカットにデマンドレスポンス(DR)が有効で、分散型電力システム設計とエネルギー起源温室効果ガス削減方策において
てDRが重要なオプションになることを示した。

ICTに頼らない自律制御と安定供給指標制御機構の開発し、独立マイクログリッドとそれらの連系が実現できることを示し、再生可能エネルギーの効率的開発やレジリエントな社会づくりに貢献する大規模災害時等の状況に対応できる独立電力システムを提示した。

・小水力発電が、他の技術と比較して最も導入量を制約する高コスト水準にあることを明らかにし、小水力発電の拡大には初期コスト削減が必須条件になることを示した。

地域において再生可能エネルギー資源の分散型エネルギーシステムを構想する際の参考モデルを提示した。

・再生可能エネルギーが豊富な地域における再生可能エネルギーによるエネルギー自立の実現性を明らかにし、地域主導の再生可能エネルギー事業が農山村再生に貢献できることを示した。

### 6. 研究成果の主な発表状況

## （1） 誌上発表

## く論文（査読あり）>

1) 白波瀬京子、小林久：農村計画学会誌、32,293-298（2013）

「電気の供給停止（停電）に対する需要と属性・省エネ行動との関係—自然エネルギー導入を前提とした電力品質の許容水準—」

2) Abdur Rohman and Hisashi Kobayashi: Energy Procedia, 61, 887-890 (2014) "Estimation on possibility and capacity of residential peak electricity demand reduction by demand response scenario in rural areas of Japan"

3) Nguyen Duc Tuyen, Goro Fujita: IEEE Power and Energy Technology Systems Journal. "PV-Active Power Filter Combination Supplies Power to Nonlinear Load and Compensates Utility Current" (Accepted)

4) Nguyen Duy Dinh, Nguyen Duc Tuyen, Goro Fujita: IET Generation, Transmission & Distribution "Adaptive Notch Filter Solution under Unbalanced and/or Distorted PCC Voltage for 3-phase 4-wire Shunt Active Power Filter with Sinusoidal Utility Current Strategy" (Accepted)

## く査読付論文に準ずる成果発表>

1) 小林久：農村計画学会誌、30,4,573-577（2012）

「自然エネルギーを供給する農山村の可能性と課題」

2) 小林久：農作業研究、47,2,3-13（2012）

「農山村のエネルギー的自立に向けて」

3) 小林久：生活協同組合研究、445,21-30（2013）

「小水力発電の可能性と普及に向けた課題」

4) 後藤真宏、駒宮博男、上坂博亨、小林久、平野彰秀、上田達己、浪平篤、廣瀬裕一：農業農村工学会誌、81,2,93-96（2013）

「小水力発電の導入による農業水利施設の活かし方」

5) 藤谷岳、寺林暁良：環境と公害、43,4（2014）

「再生可能エネルギー事業における地域住民参加と資金調達ードイツ・グロースバールドルフ村の取り組みからー」

6) 小林久：環境技術、44.6（2015）（印刷中）

「地域による地域のためのエネルギー戦略─小水力・森林バイオマスの利用と農山村の生存─」

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 楠野晋一：協同総合研究所 定期理事会（2013年1月19日）

「ドイツにおけるエネルギー協同組合の実態」

2) 管剛文：農都共生全国協議会 サロン講演（2013年2月7日）

「地域自給エネルギーシステムの可能性を考える」

3) 古谷直道：ワーカーズコープ食農環境事業推進部 推進会議（2013年3月1日）

「もたせシステム導入における主体形成」

4) 星野友祐、一松祥右、Arwindra Rizqiawan、藤田吾郎：電気学会平成25年全国大会、No.1-013（2013年3月）

「マイクログリッド検討用実験装置の開発」
5) 金子直樹、星野友祐、越川博文、藤田吾郎：電気学会平成25年全国大会、No.6-145（2013年3月）

6) 白波瀬京子、小林久：農村計画学会2013年春期学術発表会（2013年4月）

「自然エネルギー導入を前提とした電力品質の許容水準－停電の時間と回数の受容に関する意識調査結果－」

7) Abdur Rohman：農村計画学会2013年春期学術発表会（2013年4月）

8) 藤谷岳、古谷直道、管剛文：日本環境学会第39回研究発表会（2013年6月16日）「地域内再生可能エネルギー事業における主体・合意形成」

9) 小林久 : Small Hydropower in Japan、プロジェクト国際ワークショップ（2013年7月）「アジア環太平洋地域の人間環境安全保存保障・水・エネルギー・食物連鎖」

10) 小林久：国立国会図書館調査及び立法考查局（2013年7月）「小水力発電の現状と課題」

11） 小林久：農業農村工学会大会講演会（2013年9月）

「小水力発電からみた持続共生社会創世の可能性－再生可能エネルギーを管理する農山村」

12) 小林久：環境経済・政策学会2013年大会（2013年9月）

「民一官一学連携による地域自然エネルギー政策形成過程に関する一考察ー「水とみどり」を誇る朝倉市小水力発電導入可能性調査を事例としてー」

13) Hoshino, T. & Fujita, G.: 2013 48th International Universities Power Engineering Conference (UPEC2013)', 2-5 Sept. 2013

"Visualization of electric power by module-type power system training device"

14) Kaneko, N. & Fujita, G.: 48th International Universities Power Engineering Conference (UPEC2013)'. 2-5 Sept. 2013

"Autonomous decentralized control of preserving-type distributed energy system"

15) Tuyen, N. D. & Fujita, G. & Funabashi, T. & Nomura, M. : Power Engineering Conference (UPEC), 2013 48th International Universities', 2-5 Sept. 2013

"An integrated function of photovoltaic generator supplying to nonlinear load: Active power filter"

16）藤谷岳、管剛文：日本協同組合学会第33回大会（2013年10月6日）「農山村エリアでのエネルギー地域自給にむけた協同組合の有効性」

18) 白波瀬京子、小林久：農村計画学会2013年度秋期大会（2013年12月）

「電気の供給停止（停電）に対する需要と属性・省エネ行動との関係－自然エネルギー導入を前提とした電力品質の許容水準－」

19) 藤谷岳：一橋大学「自然資源経済論B」（市民公開講義）（2014年1月8日）

「地域住民に開かれた再生可能エネルギー事業—グルースバールドルフ・エネルギー協同組合の例—」

20) Junpei Takehara, Nguyen Duc Tuyen, Goro Fujita: The 20th International Conference on Electrical Engineering (ICEE2014), APE-0670 pp.1462-1467, Jeju, Korea, May. 2014 "Controller Design for PV-Active Power Filter Combination Based on Instantaneous Power Theory"

21) Nguyen Duc Tuyen, Junpei Takehara, Mohd Nabil Bin Muhtazaruddin, Goro Fujita: The 20th International Conference on Electrical Engineering (ICEE2014), APEP-0657, pp.1484-1489, Jeju, Korea, May. 2014

“Adaptive Notch Filter: A Solution for 3-phase 4-wire Shunt Active Power Filter under Non-ideal”

22) Naoki Kaneko, Yuki Saito, Tomohiro Hoshino, Goro Fujita: The 20th International Conference on Electrical Engineering (ICEE2014), PSMSA-1195 pp.105-108, Jeju, Korea, May. 2014

“Stability analysis of Preserving-type energy system

(23) Abdur Rohman and Hisashi Kobayashi: The 6th International Conference on Applied Energy (ICAE2014), May. 2014

“Estimation on possibility and capacity of residential peak electricity demand reduction by
demand response scinario in rural areas of Japan"

24) Nguyen Duc Tuyen, Toyokawa Keisuke, Goro Fujita: Grand Renewable Energy 2014, P-PV-2 20, Tokyo, Japan, Jul. 2014

"PV Unit Supplies Non-Linear Load"

25) Kenta Katano, Naoki Kaneko, Nguyen Duc Tuyen, Goro Fujita: Grand Renewable Energy 2014, P-Sh-5, Tokyo, Japan, Jul. 2014

"Verification of Small Hydroelectric Generation Model Using the Measured Value"

26) Abdur Rohman, Kyoko Shirahase, Hisashi Kobayashi: Grand Renewable Energy 2014 International Conference and Exhibition, Jul. 2014

“Formulation of Energy Demand Model And Development of GIS Based Application to Estimate Energy Demand at Community Level”

27) G. Fujiya, K. Shirahase, H. Kobayashi: Grand Renewable Energy 2014 International Conference and Exhibition, Jul. 2014

"Scenario analysis of regional energy supply-demand structure transformation by renewable energy: Case study of the T city"

28) 小林久、伊東明彦、白波瀬京子: 平成 26 年度 農業農村工学会大会講演会（2014 年 7 月 28 日）「再生可能エネルギーによる需要充足度の分布図作成」

29) Nguyen Duc Tuyen, Goro Fujita, Mohd Nabil Bin Muhtazaruddin: IEEE PES General Meeting Conference & Exposition, Washington, USA, Aug. 2014

"3-Phase 4-Wire Shunt APF under Non-Ideal PCC Voltage Using Adaptive Notch Filter"

30）後藤真宏、小林久、白波瀬京子：環境経済・政策学会2014年大会（2014年9月14日）「地域用水路を利用する小水力開発の計画と合意のプロセスーF地区の事例一」

31）藤谷岳：環境経済・政策学会2014年大会（2014年9月14日）

32）田中夏子：環境経済・政策学会2014年大会（2014年9月14日）

33) A. Akisawa, H. Kobayashi: International Workshop on Environment and Engineering, Tsukuba, 18-29 Nov. 2014

"Optimal Behavior of Local Energy Supply System with Sharing Excess Renewable Power among Communities"

### 7. 研究者略壓

課題代表者：小林久

東京農工大学大学院連合農学研究科修了、博士（農学）、茨城大学農学部教授

研究分担者

1）小林久（同上）

2）木下 嗣基

東京大学大学院工学系研究科博士課程修了、博士（工学）、茨城大学農学部 准教授

## 3 ) 秋澤 淳

東京大学大学院工学系研究科博士課程修了、博士（工学）、東京農工大学大学院工学研究院教授

## 4 ）藤田 吾郎

法政大学大学院工学研究科電気工学専攻博士課程修了、博士（工学）、芝浦工業大学工学部電気電子学群電気工学科教授

## 5 ）管 剛文

東京電機大学理工学部卒業、特定非営利活動法人協同総合研究所

## 6 ）楠野 晋一

東京農工大学大学院連合農学研究科修了、博士（農学）、特定非営利活動法人協同総合研究所研究員
## （１）再生可能エネルギー需給区（「セル」）のモデル化と分類

茨城大学 農学部 教授

小林 久

茨城大学 農学部 准教授

木下 嗣基

平成24～26年度累計予算額：42,968千円

（うち、平成26年度予算額：13,559千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

本研究開発において前提とする、再生可能エネルギーを活用した自立分散的エネルギー需給区「セル」が太陽光発電（PV）と小水力を電源、太陽熱と木質バイオマスを熱源として実現可能であることを、ケーススタディ地区の現地調査に基づき各エネルギー資源の開発可能量を推計し、期別用途別時別エネルギー需要モデルを作成することで明らかにした。さらに、「セル」の成立領域をエネルギーの需要分布と供給可能量の分布をオーバーレイすることで、分布図として示す方法を開発・適用して、成立範囲を抽出した。また、「セル」の大きさについて検討し、50kW～100kW（20戸～50戸）以上の電力システム容量が適正で、電源設備は建物設置型PVと小水力をそれぞれ数10kW出力で導入すること、熱源は建物設置型太陽熱集熱器と木質バイオマス利用による数GJ／年の開発が実用的であることを示した。

作成した期別時別需要モデルは、任意の「セル」（コミュニティ）を対象にしたエネルギー需要推計に活用できるように、GISベースのGUIアプリケーションに時別日射量などともに搭載し、コミュニティ・エネルギー計画を支援できるツールとして開発・整備した。

この他、導入する電力システムの安定化と過剰な設備整備を回避するための方策として、デマンドレスポンス（DR）の可能性を、全国レベルのアンケート調査を実施して検討・分析し、経済的インセンティブを与えてDRを導入した場合コストと削減可能なピーク需要に対応する給電コストを比較することで、年数時間分のピーク需要をまかなうための設備容量削減が経済的に成り立つことを明らかにした。

## [キーワード]

分散型エネルギー需給システム、太陽光発電、太陽熱、小水力、木質バイオマス、デマンドレスポンス（DR）、需給充足分布

### 1. はじめに

本研究は、再生可能エネルギー資源によるエネルギー自立の需給区が成り立つことを前提にしている。仮にこの前提が成り立つのであれば、どのような再生可能エネルギー生産・供給と需要のマッチングが可能で、合理的か？再生可能エネルギー需給の単位「セル」はどのような形態になるか？を明らかにする必要がある。サブテーマ1は、これらの課題に対する解答を得るために、
再生可能エネルギー資源量の推計と開発シナリオの設定、需要モデルの作成、需給マッチングの検討、「セル」の成立条件・分布の分析に取り組んだ。

## 2 ．研究開発目的

サブテーマ1「自然エネルギー需給区単位（セル）のモデル化と分類」は、サブテーマ2「需給システムとエネルギー相互融通システムの開発」およびサブテーマ3「分散型電力系統・融通システムの開発」の研究に必要な需給量推計値と需給シナリオの提供を主要な研究目的とした。そのために、第一に妥当な再生可能エネルギー資源を特定したうえで、それぞれの開発可能量の推計手法を開発し、エネルギー生産・供給技術を決めて開発シナリオを設定すること、第二にエネルギー需要の実態を調査把握して用途別需要モデルを作成すること、第三に需要調整の可能性を明らかにした上で、妥当な需給協調による再生可能エネルギー利用手法を提案することを課題とした。また、開発する再生可能エネルギー開発量推計手法や需要モデルを用いて、研究の前提としたエネルギー自立が成り立つ需給区「セル」の適正な規模を明らかにすること、「セル」成立域を定量的に示す手法を開発し、自立の成立条件・分布を明らかにすることを課題に含めた。

## 3 ．研究開発方法

どのような再生可能エネルギー生産・供給と需要のマッチングが可能で、合理的であるかを検討するための①開発シナリオの設定、②エネルギー別需要モデルの作成は、対象地を選定し、ケーススタディを通して以下のような方法で実施した。なお、ケーススタディの対象地には、山梨県都留市上大幡地区と静岡県伊豆市上船原地区を選定した。

①開発シナリオの設定：対象地において資源量推計に必要な資料・データ収集、現地調査、流量観測等を行い、推計手法を検討・開発して開発可能量を推計して、開発シナリオを検討・設定した。

②用途別需要モデルの作成：冬期（1～2月）、春期（4～5月）、夏期（7～8月）の戸別電力消費量の計測、熱需要（暖房、給湯、廚房）に関する実態調査（聞き取りを含む）を実施し、家屋・世帯情報、生活パターンなどとの関係を分析して、需要別期別の時間需要モデルを作成した。続いて、任意の建物や「セル」を対象に時間需要が計算できるように、作成したモデルを搭載した建物や区画ごとに需要計算を行うためのツール（コミュニティ・エネルギー設計支援ツール）を開発し、サブテーマ2、サブテーマ3等へ需要データを提供できるようにした。さらに、電力需要パターンから、時間需要の変動が予測しやすい群需要の大きさを検討することで、技術工学的立場から妥当な「セル」サイズを検討した。

さらに、需給協調の利用手法およびエネルギー自立の成立可能性は、次のような方法で検討した。

③需給協調のエネルギー利用手法の提案：瞬時対応が必要な電力を対象に、全国レベルの需要側対応（DR：デマンドレスポンス）に関するアンケート調査を実施し、DRの許容水準、導入可能性や受容率を分析した上で、DRによる設備容量削減およびシステム安定化へ寄与できる需要抑制方策を検討した。

④エネルギー自立の成立可能性と成立条件・範囲：①及び②で開発・作成したシナリオやモデルを簡素化し、再生可能エネルギーの供給可能量／需要量および両者のバランスを分布（エネ
ルギー需給充足分布図）として表す手法を開発し、事例地域を対象にエネルギー需給充足分布図を作成することで、成立可能範囲を明らかにした。

## 4 ．結果及び考察

## （１）開発シナリオの設定

## 開発資源と開発可能量

通年調査に基づく資源量推計、ワークショップ等により確認した技術の地域への親和性・適用性などを考慮して、開発対象資源を表(1)-1のように選定した。

表(1)-1 利用可能な再生可能エネルギー資源

上大幡(都留市)	上船原(伊豆市)
太陽光発電	日射量*:3.67kWh/日·m²(～100kW)	日射量*:3.90kWh/日·m²(～100kW)
太陽熱	1,929MJ/年·m²	2,050MJ/年·m²
小水力	0.2m³/s**	0.1m³/s**
木質バイオマス***	19,990GJ/年(4,062m³/年)	393,800GJ/年
温泉	-	(可)

$ ^{*} $ 平均日射量、 $ ^{**} $ 最大使用水量、 $ ^{***} $ 市内の開発可能量

太陽光発電（PV）および太陽熱集熱量の開発可能量は、建物フットプリント面積に対して上限で50％のパネル設置を行うものとして、下式 $ ^{1} $ で時間ごとに求めることとした。

時別発電量[kWh]=1[kW]×パネル面積[m²]/9*×日射量[kW/m²]**×総合設計係数[0.7/kW]×1hr*出力1kWに必要なパネル面積は9m²とする。

**NEDO年時別日射量データ $ ^{2)} $ を使用し、0.2778を乗じ単位[MJ/m²]を[kW/m²]に変換して計算する。

太陽熱の開発可能量は、建物フットプリント面積に対して最大20％の集熱器設置を行うものとして、下式 $ ^{1} $ で求めることとした。

$$ 時別太陽熱集熱量 [MJ]= 集熱面積 [m^{2}]\times 日射量 [MJ/m^{2}]\times 集熱効率 [0.4]\times1hr $$

このような設定で、住宅、事務所などがある区画の時間別の太陽光発電量と太陽熱集熱量を求めると図(1)-1のようになり、晴れの日と曇りの日で供給可能なエネルギー量が大きく異なることが分かる。

図(1)-1 太陽エネルギーによる時間別の発電と熱生産の推計
図(1)-2 小水力開発計画のための流量長期観測結果

図(1)-3 開発選定地点の水路断面と流況（左：都留、右：伊豆）

現地調查と開発計画概略検討

写真(1)-1 小水力開発計画のための

伊豆市上船原地区農業用水路の発電候補地点

図(1)-4 小水力発電開発計画の概略検討（伊豆）
小水力に関しては、通年の流量観測結果（図(1)-2）、写真(1)-1のような現地調査等に基づく概略計画（図(1)-4）を検討して、出力、発電量を求めることとし、発電容量は都留上大幡地区で20kW、伊豆市上船原地区で15kWとした。なお、数haの水田面積がある農山村集落には0.1m³／s程度の通水が可能な既設水路が存在することが多く、多くの農山村地域で10〜数10kW出力の開発が可能性であると考えられた。

木質バイオマスの開発可能量は、熱需要に応じて、需要点から数100m以内にある樹木系植生の土地利用から調達するものとし、エネルギー量としてのバイオマス蓄積量を100GJ/haとして求めることとした。

## （２）用途別需要モデルの作成

2012年にエネルギー消費の概要に関する聞き取り調査を実施し、電力需要に関しては、電力計測の予備調査を行い、2013年の冬期（1月～2月上）、中間期（5月）、夏期（7月～8月上）に、それぞれ1週間以上の各戸1分電力消費の連続計測を実施した。計測結果は、戸別に集計し、期別10分間電力消費データとして整備した。さらに、都留市を対象に計測戸数を増やして、2014年夏期2週間と2015年冬期2週間の戸別2分間電力の連続計測を行い、2013年度に作成した10分間データの妥当性を確認した。

熱需要に関しては、熱利用に関わる設備の所有・利用状況およびエネルギー消費量を、使用量のわかる書類等の収集整理および各戸の平日・休日の使用状況や燃料等に消費等のアンケート調査、聞き取り調査により把握した。家電の使用率は、必要に応じてワットチェッカーを用いて一定期間の消費電力量を計測し、カタログ出力に対する常時消費の割合として推計した。推計した消費量は、使用量を把握することのできる領収書等を収集して妥当性を比較することで、確認・確定した。なお、聞き取り調査では、可能な範囲で家族数・構成、生活パターン、建坪・延べ床面積、収入なども調べた。

## 1 ）エネルギー消費の概要

調査結果に基づいて推計した戸平均の年間用途別エネルギー消費量は、都留市大幡地区が149MJ／日、伊豆市船原地区116MJ／日で、それぞれ全国平均（105MJ／日） $ ^{3)} $ の1.4倍、1.1倍であった（図(1)-5）。総エネルギー需要がより大きい冬期の平均用途別エネルギー消費は、都留が厨房27MJ/日（9%）、給湯72MJ/日（24%）、暖房91MJ/日（30%）、動力・照明等109MJ/日（37%）で合計302MJ/日、伊豆が厨房15MJ/日（8%）、給湯52MJ/日（29%）、暖房54MJ/日（31%）、動力・照明等57MJ/日（32%）で合計178MJ/日となり、都留地区は伊豆地区の1.6倍となった。

実測による家庭の日電力消費は、朝夕の気温と弱い負の相関が、また家族数および延べ床面積との間には弱い正相関が認められた。しかし、電力需要は、都留では冬期1.1～42.7kWh、中間期3.0～28.6 kWh、夏期4.2～25.5 kWh、伊豆では冬期8.0～64.2kWh、中間期6.8～20.9kWh、夏期9.2～37.2kWhのように、両地区とも各家庭で大きな差があった。

一方、地区全体の群としての電力需要は図(1)-6のようになり、表(1)-2のように都留（18戸群）が冬期で最少6.5kW、最大23.1kW、夏期で最少6.0kW、最大15.7kW、伊豆（10戸群）が冬期で最少3.3kW、最大14.6kW、夏期で最少3.6kW、最大11.8kWとなり、変動がある程度予測が可能と考えられた。とくに、ピーク時の電力需要は、両地区とも表(1)-2の戸当たり最大需要と最大需要の
50％を下限とする変動幅の中に収まった。

熱需要量は、より寒冷な気候の都留地区の方が常に大きくかった。なお、本調査で推計した熱需要は全国平均（38,358MJ／世帯） $ ^{3)} $ 、 $ ^{4)} $ より大きく、両地区とも給湯の割合が高かった。使用する熱需要用の機器は、図(1)-7のように地区による違いが著しく、消費される燃料も異なった。

図(1)-5 年間用途別エネルギー消費（左:都留、右:伊豆）

図(1)-6 家庭の群需要パターン（冬期、左:都留、右:伊豆）

表(1)-2 群としての電力需要

都留	伊豆
冬期	中間期	夏期	冬期	中間期	夏期
最小（kW）	6.5	5.2	6.0	3.3	1.9	3.6
最大（kW）	23.1	18.2	15.7	14.6	7.8	11.8
最大の戸当たり需要（kW/戸）	1.3	1.0	0.9	1.6	1.0	1.3

### a. 暖房（冬期）

暖房機器は、両地区とも石油ファンヒーターとこたつが主流であった。オール電化やPV設置の家庭では、ホットカーペット・蓄熱暖房も使用していた。都留では、平日の日中に在宅者がいる家庭（「在」）といない家庭（「不在」）を比較すると、「不在」は平均73MJ／日（31～124MJ／日）に対し、「在」は平均85MJ／日（53～122MJ／日）で、明らかに「在」の消費量が大きい傾向を示した。一方、伊豆は「在」と「不在」に大きな差はなく平均50MJ／日（16～

図(1)-7 熱需要機器の所有使用状況
88MJ／日）で、より寒冷なO地区に比べ需要量は小さい傾向を示した。

### b. 給湯

都留では、石油給湯器を使用する家庭が約60%、ガス給湯器とエコキュートがそれぞれ約20%であった。消費量の算定が困難なエコキュートと薪使用を除いて推定した冬期の戸平均消費量は「在」が93MJ／日、「不在」が70MJ／日となった。休日の消費量は67MJ／日で、平日より低かった。

伊豆は、全体の約30％の家庭が温泉、約10％がエコキュートを使用し、ガス給湯機の使用割合がたかかった。温泉利用とエコキュート利用の家庭を除いて推定した戸平均消費量は、「在」、「不在」の差が少なく、冬期は62MJ／日、休日は65MJ／日となった。両地区とも、表(1)-3のように給湯の熱需要は冬期＞中間期＞夏期であった。

### c. 厨房

厨房の熱消費要は、表(1)-3のように冬期＞中間期＞夏期であったが、両地区の一人当たり消費量に大きな違いはなかった。ただし、需要パターンは「在」と「不在」で異なっていた。

表(1)-3 期別熱エネルギー消費の概要（戸当たり平均、単位MJ／日）

都留	伊豆
冬期	中間	夏期	平均	冬期	中間	夏期	平均
暖房	103	-	-	34	50	-	-	17
給湯	79	56	47	61	59	49	31	46
厨房	20	17	16	18	17	16	13	15
合計	202	73	63	113	126	65	44	78

## 2 ）電力需要モデルの作成

需要モデルは、図(1)-8のように平日と休日で需要パターンが異なること、作成した戸別期別10分間電力消費データと聞き取り調査で把握した生活パターン、家族数、延べ床面積、収入などとの関係を分析したところ、平日の日中在宅と不在でパターンが異なることを考慮し、平日と休日、「在」と「不在」を区分して作成することとした。

モデルは、表(1)-4のような床面積との相関を考慮して、床面積当たり需要量として作成することとし、冬期、中間期、夏期に分けて、図(1)-9のような地区別の在宅・不在、平日・休日モデルを作成した。

図(1)-8 平日と休日の電力需要（W）パターンの違い
「在」

「不在」

図(1)-9 電力需要モデル（都留）

表(1)-4 電力需要との相関に関する検討結果（kWh/日）

都留	伊豆
冬期	夏期	冬期	夏期
家族数	R²=0.303	R²=0.327	R²=0.013	R²=0.002
床面積	R²=0.316	R²=0.372	R²=0.428	R²=0.575
年間収入	R²=0.203	R²=0.456	R²=0.224	R²=0.869

## 3 ）熱需要モデルの作成

家電、給湯・暖房機器等のカタログ出力に使用時間等から推定した使用率とカタログ出力に対する使用出力割合（消費率）を乗じて、冬期、中間期、夏期に分けて、可能な限り30分間単位で機器別に推計し、平均値を求めて戸別1時間需要とした。

需要モデルは、世帯人数、床面積、行動パターン（平日日中在宅／不在、休日）と需要パターンの関係等を分析し、一人当たりまたは平均の期別熱需要モデルとして作成した。

### a. 暖房（冬期）

暖房は、世帯人数との相関を分析し、相関が認められた平日（不在）と休日に関しては、図(1)-10のように一人当たりの需要モデルとした。世帯人数と需要量の線形近似の数式で世帯人数別需要量を算出した。相関が認められない平日（在）に関しては戸平均値をモデルとして採用した。

### b. 給湯

給湯は、都留市・伊豆市それぞれ、平日（在宅）・平日（不在）・休日それぞれ、図(1)-11のように世帯人数と需要量を線形近似し、一人当たり需要のモデルとした（図(1)-12）。

### c. 厨房

厨房は、都留市・伊豆市それぞれに大きく数値の差がなかったため、両地区共通のモデルとし、世帯人数と需要量の関係を線形近似することで、一人当たり需要モデルを作成した（図(1)-13）。
図(1)-10 熱（暖房）需要モデル

図(1)-11 需要モデル数値（給湯－都留市）

図(1)-12 熱（給湯）需要モデル（左：都留、右：伊豆市）
図(1)-13 熱（厨房）需要モデル

## 4 ）コミュニティ・エネルギー設計支援ツール開発

コミュニティレベルの再生可能エネルギー需給分析、より効率的な再生可能エネルギーの利用や融通のモデル検討を簡便に行えるよう、作成した建物別・期別・用途別の時間需要モデルと時間日射量データを搭載（あるいは1時間単位で設定できるように）し、任意の範囲（エネルギー需給区「セル」）単位および複数セルのエネルギー需給を、1日～1年の任意の日単位の期間について、繰り返し計算できる図(1)-14のような操作ウィンドウ構成のGIS連携型のGUIアプリケーションを開発した。

このアプリケーションは、次の①～⑤の機能を提供し、規定のユーザーインターフェイスに従って、エネルギー需給量の計算を実行することができる。

①GISデータ設定機能：家屋、各種施設などのエネルギー消費箇所、PV、風力、太陽集熱、小水力などの自然エネルギーの供給箇所をGISデータとして設定する機能（図(1)-14）

②エネルギー需給シミュレーションの条件・制約等の設定とシミュレーション機能：エネルギー需給箇所の配置条件など、エネルギー需給シミュレーションに関わる需要条件、需要モデル、制約条件計算、集計する日付、期間を設定し、セル内のシミュレーションを行う機能

③条件・制約等の修正・追加機能：ディスプレイ上の設定パネルを使用して、需要条件、需要モデルを変更、修正、追加する機能

④集計範囲の設定機能：個別の需要や供給を集計する範囲（セルおよびセル群の範囲）を設定する機能

⑤エネルギー需給シミュレーション結果の可視化と繰り返し修正機能：シミュレーション結果をもとに、需給バランス、生産過不足などを可視化し、消費・供給の位置、パラメータ・属性情報を変更して、再度エネルギー需給シミュレーションを繰り返し実行する機能

プログラムの開発環境として、OSはWindows7もしくは8を用い、言語はPython、インターフェースフレームワークはQt、さらにGISはQuntumGIS（QGIS）を使用した。計算結果は、アプリケーション上で確認することができるとともに、テキストファイルとしての出力が可能で、図(1)-15、16、17などのデータ作成や他のプログラム等で使用することができる。
本研究開発では、ケーススタディ地区の複数のコミュニティ（小字、班）を選び、必要な情報を収集したうえで、このツールを用いて時間単位の期別需要データを作成し、サブテーマ2の最適化、サブテーマ3の電力需給マッチングの検討に使用した。

図(1)-14 操作ウインドウの構成

図(1)-15 各「セル」の期別・時間別電力需要量の計算結果（kW）

図(1)-16 各「セル」の期別・時間別熱需要量の計算結果（MJ）
図(1)-17 建物の電力需要と建物設置PVの発電ポテンシャルの計算例（左：夏、右：冬）

## 5 ）エネルギー需給単位「セル」の工学的に適正な規模

瞬時瞬時の需給マッチングが不可欠な電力システムの構成・運用に適した「セル」の規模に関する工学的要求について検討した。検討は、日電力需要パターンが予測しやすいこと、ピークカットなどの需要側対応に必要な時間帯の特定ができることを条件に、以下のような手順で行った。

- 計測した戸別時別電力消費データ（夏期、平日10日分）を用いて、群（個別需要の集合、戸数）の大きさ別に需要パターンをランダムに作成する（図(1)-18）。

- 各群の各需要パターンについて日

需要の戸当たり「最大-最小の差」

を求める。

各群の全需要パターンのピーク時の最大値から最小値を引き、戸数で割って戸当たり「ピーク変動幅」とする。

「最大-最小の差」および「ピーク変動幅」が充分に小さいと評価できる群の大きさを「セル」の最小サイズとする。

図(1)-18 電力群需要の日変動パターン（50戸群）

図(1)-19 日電力需要の戸当たり「最大-最小の差」図(1)-20 日需要ピークの戸当たり変動幅

群の大きさと「最大-最小の差」および「ピーク変動幅」の関係は、図(1)-19、20のとおりで、本研究開発では、戸当たり最小で20戸、30～50戸以上を適正と判断し、ピーク需要の2倍になる50kW～100kW以上を「セル」システム容量の「工学的適正サイズ」とした。
## （３）需給協調のエネルギー利用方策の提案

自然エネルギーによる不安定な電源の拡大が確実視されるなか、需要側が求める電力品質を低下させることで、過大装備を避けて安定供給を行うような電力システムを構築することができれば、自然エネルギーによる電力供給の経済性は大幅に改善される可能性がある $ ^{5} $ 。このような認識に基づいて、デマンドレスポンス（DR）による電力需給協調の可能性を検討するために、自然エネルギー拡大を前提としたときに受容できる停電条件や停電の受容と電力価格との関係に関するアンケート調査を実施した。

調査の内容は、対象者の属性（性別、年齢、住居形態、居住地、世帯人数、世帯年収）、省エネ行動・意識、自然エネルギー導入が大幅に進むことを前提としたときに電気代削減なしで受容できる停電時間の長さ・回数、停電を避けたい時間帯、限られた電力で優先して使いたい家電の選択などとした。

なお、停電受容の設問に関しては、“自然エネルギーによる電力を安定的に供給する電力として保持するためには、過大な電力品質設備が必要であり、停電を受容できれば、こうした安定供給の為に必要となる設備を小さくできる可能性がある”こと、“日本の電力品質は極めて高品質である”ことなどの説明をつけ、事前に停電受入の効用やサービスレベルを理解したうえで、回答できるように配慮した。

調査の対象者は、北海道電力と沖縄電力を除く8電力管内からそれぞれ、青森県、神奈川県、静岡県、石川県、兵庫県、岡山県、愛媛県、熊本県を選び、各県内のDID（Densely Inhabited District）および非DIDの20歳以上の調査協力者リストを用意し、リストから無作為に各県の対象者数が200程度になるように選定した。管内別の回答数は、それぞれ東北電力179、東京電力269、北陸電力251、中部電力214、関西電力185、中国電力187、四国電力185、九州電力196であった。選定に当たっては、性別、年齢別、居住地別に対象者数が大きく偏らないように配慮した。

## 1 ）受入率の概要

### a. 停電時間の長さ、回数と受入率

電力料金の削減なしに受け入れられる停電の回数と時間の組合せについての回答結果は図(1)-21のようにまとめられ、停電を受け入れられるという回答の割合（受入率）は停電時間の長さおよび年間回数のどちらとも明瞭な負相関が認められた。

図(1)-21 受入れ可能な停電時間の長さ別の回数と受入率の関係

図(1)-22 電力会社管内別の受入率（停電時間1時間）
とくに、停電時間の増加は、受入率を著しく低下させる傾向があった。たとえば、30分の停電を年4回まで許容すると答えた人の割合は56%であったが、停電時間が2時間および3時間の場合は年1回でも受入率はそれぞれ26%、16%にすぎなかった。電力料金削減なしで過半数が受け入れられると回答した停電の時間と回数の組合せは、30分・年1～4回と1時間・年1回までであった。また、1時間の停電であれば30%が、2時間の停電であれば12%が年4回までの停電を受け入れると回答した。一方、どのような条件であっても、電気料削減なしでは停電を受け入れられないとする回答の割合は23%であった。

### b. 属性と受入率

属性の違いが受入率に影響するかを、母比率の差の検定などを行って検討した。比較した属性は、性別、年齢（20代、30代、40代、50代、60代、70歳以上）、世帯年収、居住地の違い（電力会社管内別、DIDと非DID、計画停電地域と非経験地域）とした。なお、母比率の差の検定には、「エクセル統計2012 Ver.1.02」を使用した。分析の結果、DIDと非DIDおよび計画停電経験地域・非経験地域の違い、年齢は受入率にほとんど影響しないと考えられた。一方、性差と年収は、受入率に影響すると考えられた。

### i. 性别与受入率

設定した停電時間の長さ・回数のすべての組み合わせにおいて、女性の受入率は男性に比べて8％～10％高くなった（表(1)-5）。

男女による受入率に差があるかを、母比率の差の検定を行って確認したところ、表(1)-5のように停電2時間・年2～3回、3時間・年1～4回には有意な差を認められなかったが、停電の長さが30分と1時間の場合は年1～4回のすべて、2時間の場合は年1回が1％の危険率で男女の受入率には差があるといえた。この結果から、女性は男性に比べ停電を受容する傾向が強いと考えられた。

表(1)-5 男女の受入率

停電回数停電時間	年1回	年2回	年3回	年4回
30min	M	70.2%	**	61.3%	**	52.0%	**	49.3%	**
F	80.3%	74.0%	65.1%	62.7%
1hr	M	46.2%	**	39.0%	**	30.0%	**	25.1%	**
F	55.0%	48.6%	38.4%	34.4%
2hr	M	23.7%	**	17.5%	—	12.1%	—	11.3%	—
F	29.4%	21.2%	14.1%	12.9%
3hr	M	14.6%	—	8.3%	—	7.1%	—	7.1%	—
F	17.2%	9.3%	7.3%	7.7%
否	M	28.2%	**	36.6%	**	45.5%	**	48.5%	**
F	18.2%	24.7%	33.1%	36.2%

注）否：どの条件でも停電を受け入れられない。

M：男性、F：女性、 $ ^{*} $ 5%有意、 $ ^{**} $ 1%有意

### ii. 世帯年収と受入率

世帯年収を500万円未満（733）、500〜999万円（552）、1,000万円以上（191）の3グループに分けて、受入率に違いがあるかを比較した。その結果、世帯年収500万円未満と500〜999万円の受入率には、差を認めることができなかった。しかし、すべての停電時間と回数の組合せにおいて、年収1,000万円以上の受入率は他2グループのそれに比べ低くなる傾向があった。そこで、年収500