第 5 章 地域電力ネットワーク運用における経済性と環境性の検証
5.4 クラスター拡張型グリッドにおける適正規模の検証
5.4.4 導入する機器の仕様とデータの取り扱い
(2) ガ ス 温 水 機 器 ・ 高 効 率 給 湯 器, エ コ ジ ョ ー ズ(ガ ス → 熱)
給 湯 器 は コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム の よ う な 貯 湯 タ ン ク は な く 、給 湯 需 要 が あ る と き に ガ ス を 燃 や し て お 湯 を 作 る シ ス テ ム で あ る 。そ の た め シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 、他 の シ ス テ ム で 賄 え な か っ た 給 湯 需 要 を こ の 給 湯 器 で 賄 う よ う に す る 。一 時 間 に 44.2kWh の 給 湯 熱 エ ネ ル ギ ー を 供 給 で き る た め 、 一 台 44.2kWh 単 位 で 計 算 さ れ る 。つ ま り 、一 時 間 に 70kWh の 給 湯 熱 需 要 が あ る 場 合 、一 台 で は 賄 い き れ な い た め 二 台 導 入 さ れ る 。 表 5-12 に 本 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 用 い る エ コ ジ ョ ー ズ の 仕 様 を 示 す 。
表 5-12 エ コ ジ ョ ー ズ の 仕 様
(3) 自 然 冷 媒 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 器, エ コ キ ュ ー ト(電 気 → 熱)
表 5-13 に シ ス テ ム の 仕 様 を 示 す 。 シ ス テ ム 全 体 の 価 格 は 、 ヒ ー ト ポ ン プ ユ ニ ッ ト 性 能 や 貯 湯 タ ン ク 容 量 に よ っ て 異 な る が 、表 5-13 の よ う な 仕 様 で は 、80 万 円 程 度 で あ る 。 ヒ ー ト ポ ン プ ユ ニ ッ ト の 加 熱 能 力 と し て 、9kW と 12kW を 手 動 で 設 定 す る こ と が で き る 。本 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 内 で も 季 節 毎(中 間 期 、夏 期 、冬 期)に 設 定 が 可 能 で あ る 。沸 き 上 げ 温 度 も 同 様 に 手 動 で 設 定 す る こ と が で き る 。夏 期 は 給 湯 熱 の 消 費 量 が 少 な い た め 、貯 湯 す る お 湯 の 沸 き 上 げ 温 度 を 下 げ て 貯 め る と 効 率 が 良 い 。 ヒ ー ト ポ ン プ の 成 績 係 数 COP(Coefficient Of Performance)を 表 5-14 に 示 す 。 こ れ は 季 節 や 加 熱 能 力 な ど の 条 件 の 違 い に よ る COP を 示 し て い る が 、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 汎 用 性 を 持 た せ る た め 、 各 条 件 を 変 数 と し た 算 出 式(5-4)～(5-6)を 求 め た 。 こ の 算 出 式 に よ り 、各 季 節 別 に 沸 き 上 げ 温 度 や 加 熱 能 力 を 変 え て 運 用 す る こ と が で き る 。
設置コスト[5-15] 50万円
寿命 15年
効率 95.0%
ガス消費量[5-15] 44.2kW(38000kcal/h)
表 5-13 エ コ キ ュ ー ト の 仕 様
表 5-14 各 条 件 に よ る 成 績 係 数 COP
※ 給 水 温 度 中 間 期:17℃ 夏 期:24℃ 冬 期:9℃ COPMid = (−0.0450 × Tboil+ 7.2083) + (−0.0778 × (Pboil− 9)) (5-4)
COPSum= (−0.0600 × Tboil+ 8.7000) + (0.0067 × Tboil− 0.6333) × (Pboil− 9) (5-5) COPWin= (−0.0350 × Tboil+ 6.1583) + (0.0050 × Tboil− 0.4639) × (Pboil− 9) (5-6)
た だ し 、COPM i dは 中 間 期 の COP、COPS u mは 夏 期 の COP、COPWi nは 冬 期 の COP、
Tbo i lは 沸 き 上 げ 温 度[℃]、Pb o i lは 加 熱 能 力[kW]を 示 す 。
ま た 、貯 湯 タ ン ク の お 湯 は 水 量 で は な く エ ネ ル ギ ー 量 と し て 計 算 す る 。そ の 最 大 貯 湯 エ ネ ル ギ ー 量 算 出 式 を 式(5-7)に 示 す 。 こ の 式 に よ り 、 季 節 毎 の 最 大 貯 湯 エ ネ ル ギ ー を 決 定 す る こ と が で き る 。
設置コスト[5-16] 80万円
寿命 15年
加熱能力[5-17] 9kW/12kW
沸き上げ温度[5-17] 65℃～85℃
容量[5-17] 0.46m3
システム全体
ヒートポンプユニット
貯湯ユニット
中間期 夏期 冬期 中間期 夏期 冬期 中間期 夏期 冬期 中間期 夏期 冬期 加熱能力
65℃
沸き上げ 2.09 1.88 2.30 2.93 2.85 3.43 4.3 4.8 3.9 4.1 4.2 3.5 75℃
沸き上げ 2.37 2.16 2.57 3.40 3.18 3.70 3.8 4.2 3.5 3.5 3.8 3.2 85℃
沸き上げ 2.65 2.50 2.83 3.75 3.53 3.87 3.4 3.6 3.2 3.2 3.4 3.1
9kW 12kW 9kW 12kW
消費電力 [kW] COP
Emax = Wmax× (Tboil− Tseason) × 4.184 ÷ 3.6 (5 − 7)
但 し 、Em a x は 貯 湯 タ ン ク に 貯 め ら れ る 最 大 の エ ネ ル ギ ー[kWh]、Wm ax は 貯 湯 タ ン ク に 貯 め ら れ る 最 大 の 水 の 重 さ[g]、Tb o i lは 沸 き 上 げ 温 度[℃]、Ts e as o nは 季 節 毎 の 給 水 温 度[℃]、 水 の 密 度 は 1[g/cm3]、 水 の 比 熱 容 量 は 1[cal/g/℃]、1cal=4.184J、 3.6MJ=1kWh と す る 。
(4) 燃 料 電 池 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム, エ ネ フ ァ ー ム(ガ ス → 電 気 、 熱)
表 5-15 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い た エ ネ フ ァ ー ム の 仕 様 を 示 す 。 シ ス テ ム 全 体 と し て は 280 万 円 と 高 価 な も の で あ る が 、 国 か ら の 補 助 金 制 度 な ど も あ る 。 発 電 出 力 は 0.25～0.75kW、熱 出 力 は 0.2～0.94kW と 変 更 可 能 で あ る 。そ の た め 、電 気 に 合 わ せ て 運 転 す る 場 合 と 熱 に 合 わ せ て 運 用 す る 場 合 の ど ち ら か を 選 択 す る こ と が 可 能 で あ る 。 図 5-54 に 熱 負 荷 を 変 化 さ せ た 時 の 発 電 効 率 と 排 熱 回 収 率 を 示 す 。 熱 負 荷 が 0.94kW、 つ ま り エ ネ フ ァ ー ム 定 格 運 転 時 に は 発 電 率 36%・ 排 熱 回 収 率 45%と 排 熱 回 収 率 の 方 が 上 回 る が 、 熱 負 荷 0.2kW の 最 低 出 力 運 転 時 で は 、 発 電 効 率 32%・ 排 熱 回 収 率 26%と 逆 転 す る 。 ま た 、 最 低 出 力 運 転 時 に お け る ガ ス 消 費 量 は 0.78kW で あ る 。貯 湯 タ ン ク に つ い て は 、エ コ キ ュ ー ト と 同 様 の 計 算 方 法 で エ ネ ル ギ ー を 蓄 え る も の と す る 。
表 5-15 エ ネ フ ァ ー ム の 仕 様
設置コスト[5-18] 280万円
寿命 15年
発電出力[5-18] 0.25～0.75kW
熱出力[5-18] 0.2～0.94kW
効率[5-18] 発電36% 熱回収45% (HHV基準)
ガス消費量[5-18] 2.1kW(定格運転時)
貯湯温度[5-18] 60℃
貯湯タンク容量[5-18] 0.20m3 システム全体
燃料電池ユニット
貯湯ユニット
図 5-54 エ ネ フ ァ ー ム の 熱 需 要 変 化 時 に お け る 効 率 算 出 式
(5) 蓄 電 池
現 在 蓄 電 池 は 、 一 般 住 宅 用 に 市 販 さ れ て い る も の で 80 万 円/kWh と 未 だ 大 変 高 価 で あ る 。 し か し 、 ニ ー ズ が あ り 量 産 を 想 定 し た 急 激 な 価 格 低 下 が あ れ ば 、5～10 万/kWh が 期 待 で き る 。な お 、PCS は kWに よ っ て コ ス ト が 定 ま る が 、本 研 究 の 蓄 電 池 に 関 す る コ ス ト は エ ネ ル ギ ー 容 量 の み 注 目 し 決 定 す る 。 充 放 電 損 失 は 、PCS の 損 失 が 一 番 大 き い 。 本 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 、 総 合 的 に み て 90%の 充 放 電 効 率 と し た 。 こ れ は 、 入 出 力 電 力 に 依 存 せ ず 、 常 に 一 定 で あ る 。 表 5-16 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い る 蓄 電 池 の 仕 様 を 示 す 。
表 5-16 蓄 電 池 の 仕 様
(6) 系 統 連 系
発 電 設 備 を ク ラ ス タ ー に 導 入 せ ず 、系 統 か ら 電 力 や ガ ス を 購 入 す る 場 合 は 公 共 料 金 を 考 慮 し て 経 済 性 を 評 価 す る 必 要 が あ る 。電 気 料 金 や ガ ス 料 金 に は 大 き く 分 け て 、 契 約 の 大 き さ(電 力)や 総 使 用 量(ガ ス)に よ っ て 定 ま る 基 本 料 金 と 、 使 用 量 の 単 価 よ る 従 量 料 金 の 二 つ が あ る 。 各 公 共 料 金 計 算 法 に 関 し て 以 下 で 述 べ る 。
η = 0.2568x + 0.2086 η = 0.0541x + 0.3092
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
効率 η
熱需要 [kW]
排熱回収効率 発電効率
設置コスト [kWh当り] 5万円 寿命 10年 充放電効率 90.0%
(6-1) 電 気 料 金[ 5 - 1 9 ]
① 従 量 電 灯 プ ラ ン
一 般 家 庭 で 最 も 多 く 契 約 さ れ て い る 。電 気 料 金 は 式(5-8)と 表5-17で 計 算 さ れ る 。 た だ し 、本 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 燃 料 費 調 整 額 や 太 陽 光 発 電 促 進 付 加 金 、口 座 振 替 割 引 額 等 は 除 く 。 ま た 、60A を 超 え る 契 約 に 関 し て 本 来 で あ れ ば 契 約 種 別 が 異 な る が 、 本 研 究 で は 同 一 の 料 金 体 系 を 用 い る 。
電 気 料 金 は 三 段 階 料 金 制 度 で あ り 、一 か 月 の 使 用 電 力 量 に よ っ て 従 量 料 金 単 価 が 変 わ る 。こ の 制 度 は 、省 エ ネ ル ギ ー 推 進 な ど を 目 的 に 電 気 の 使 用 量 に 応 じ て 、料 金 格 差 を 設 け た 制 度 で あ る 。 第 1 段 階 は 国 が 保 障 す べ き 最 低 生 活 水 準 の 考 え 方 を 導 入 し た 比 較 的 低 い 料 金 、 第 2 段 階 は 標 準 的 な 家 庭 の 1 カ 月 の 使 用 量 を 踏 ま え た 平 均 的 な 料 金 、第 3 段 階 は 割 高 に な っ て い る 。例 え ば 、一 か 月 の 電 力 使 用 量 が 150kWh と す る と 、 従 量 料 金[円]は 17.87 円/kWh×120kWh+ 22.86 円/kWh×30kWh と な り 、2830 円 と な る 。 図 5-55 に 三 段 階 料 金 制 度 の 概 要 を 示 す 。
(5-8)
表 5-17 従 量 電 灯 用 電 気 料 金 体 系
一カ月の 基本料金
電気料金
= ＋
料金単価電力量×
使用電力量一カ月の－
料金単価電力量売電×
売電電力量一カ月の従量料金 余剰電力買取料金
単位 料金
10A 1契約につき 273円00銭
20A 1契約につき 409円50銭
30A 1契約につき 546円00銭
40A 1契約につき 819円00銭
50A 1契約につき 1365円00銭
60A 1契約につき 1638円00銭
上記超過 1kVAにつき 273円00銭
第1段階料金 ～120kWh 1kWhにつき 17円87銭 第2段階料金 120～300kWh 1kWhにつき 22円86銭 第3段階料金 上記超過 1kWhにつき 24円13銭
1契約につき 273円00銭
基本料金
電力量料金単価
料金種別
最低月額料金
図 5-55 三 段 階 料 金 制 度 の 概 要
② お ト ク な ナ イ ト 8 プ ラ ン(時 間 帯 別 電 灯[夜 間 8 時 間 型])
深 夜 時 間 帯(23~7 時)に 消 費 電 力 量 が 多 い 需 要 家 や 、 夜 間 蓄 熱 式 機 器 を 使 用 し て い る 需 要 家 向 け の 契 約 方 式 で あ る 。こ の 方 式 で 契 約 す る と 、夜 間 時 間 帯 は 従 量 料 金 単 価 が 落 ち る が 、昼 間 の 従 量 料 金 単 価 は 上 が る 。エ コ キ ュ ー ト な ど 、夜 間 に 深 夜 電 力 を 用 い て お 湯 を 蓄 え 昼 間 な ど の 給 湯 需 要 と す る こ と が で き 、電 気 料 金・ガ ス 料 金 削 減 に 繋 が る と 考 え ら れ て い る 。こ の 契 約 の 従 来 料 金 単 価 も 三 段 階 料 金 制 度 が 用 い ら れ て い る 。 式(5-9)と 表 5-17 に 計 算 方 法 と 料 金 体 系 を 示 す 。
(5-9)
※ 余 剰 電 力 買 取 料 金 は 省 略
表 5-18 お ト ク な ナ イ ト 8 用 電 気 料 金 体 系 第1段階
第2段階
第3段階
24円13銭 22円86銭
17円87銭
0kWh 120kWh 300kWh
一カ月の 基本料金
電気料金
= ＋
料金単価電力量昼間×
使用電力量昼間の一カ月昼間従量料金
＋
電力量夜間×
料金単価
夜間の 一カ月 使用電力量 夜間従量料金
単位 料金
～6kVA 1契約につき 1260円00銭 7kVA～10kVA 1契約につき 2100円00銭 11kVA～ 1契約につき 2100円00銭+(273円00銭
×(契約容量-10kVA))
～90kWh 1kWhにつき 21円87銭
9kWh～230kWh 28円07銭
上記超過 1kWhにつき 29円64銭
1kWhにつき 9円17銭
1契約につき 306円60銭 電力量料金単価
最低月額料金 昼間時間
夜間時間 料金種別
基本料金 契約容量
(6-2) ガ ス 料 金[ 5 - 2 0 ]
ガ ス 料 金 も 基 本 的 な 概 念 は 電 気 料 金 と 同 じ で あ る が 、一 カ 月 の ガ ス 使 用 量 に よ っ て 毎 月 基 本 料 金 が 変 化 す る こ と が 特 異 点 で あ る 。ま た 、使 用 量 の 増 加 に 伴 い 従 量 料 金 単 価 が 安 く な る こ と も 特 徴 で あ る 。 式(5-10)と 表 5-19 に 料 金 計 算 式 と ガ ス 料 金 体 系 を 示 す 。電 気 料 金 の 燃 料 費 調 整 額 と 同 じ よ う に 原 料 費 調 整 制 度 と い う も の が あ り 、 毎 月 従 量 料 金 単 価 の 調 整 が 行 わ れ る 。 本 研 究 で は 原 料 費 調 整 額 は 無 視 し 、 表 5-18 の 基 準 従 量 料 金 単 価 に 則 っ て 計 算 す る 。 ま た 、 ガ ス 料 金 に 関 し て も い く つ か の プ ラ ン が あ り 、 エ ネ フ ァ ー ム 導 入 時 に は 他 の プ ラ ン に 変 更 し た 方 が 得 に な る が 、 本 研 究 で は 本 料 金 プ ラ ン に 限 る 。
(5-10)
表 5-19 ガ ス 一 般 契 約 料 金 体 系