分散型エネルギーネットワークの研究
燃料電池と電気・熱・水素によるネットワーク
エネルギー技術研究部門 エネルギーネットワークグループ 安芸 裕久概要
本研究では、分散型エネルギーネットワークの具体的な応用として、燃料電池と電気・熱・水素エネ ルギーネットワークに関する研究を行っている。特に、現在は住宅地を対象とし戸建住宅と集合住宅の 両方を対象として、配電線と配管網による電気・熱（温水）・水素の融通及び燃料電池などの機器の共 有によって、省エネルギー、環境負荷低減及び経済性向上等を実現するシステムについて検討を行っ ている。 商用化された家庭用燃料電池システムを戸別に一般住宅に導入するに当たっては、都市ガスや灯 油から水素を製造するための改質器や住宅のエネルギー需要特性などの課題があり、燃料電池の性 能を十分に発揮できない。エネルギー融通と機器の共有によって、それらの課題を解消し、燃料電池 を存分に活用することができる。その結果、省エネルギーと環境負荷低減が実現でき、経済性の向上 も期待できる。 本研究では、燃料電池実機を用いた実験装置、電子計算機シミュレータ及び数理計画モデルを構 築し、それらを相互に連携活用することで、様々な知見と成果を得た。それらをもとに、近い将来に技 術的に実現可能な、街区レベルに適用可能な戸建住宅向けシステムと集合住宅向けシステムとの設 計を行い、システムの運用方法の検討や効果の分析などを行ってきた。研究の背景
近年、固体高分子形燃料電池（PEFC）を用いた家庭用燃料電池システム（FCS）や超小形ガスエン ジン（GE）の開発が進み、住宅への熱電併給装置（CGS）注 1）の設置が始まっており、家庭部門におけ る省エネルギーと二酸化炭素排出削減への貢献が期待されている。しかし住宅用 CGS の導入に際し て次のような問題がある。 現在、商用化されている家庭用燃料電池システムでは、燃料電池の燃料となる水素を都市ガスや 灯油から得るために改質器を内蔵している。改質器は複数の触媒から構成され、各触媒を定められた 温度（80-800℃）に維持し続ける必要がある。このため部分負荷運転が困難で効率低下も大きく、負荷 追従性も悪い。また起動時に触媒温度を上昇させるために 1 時間以上の予熱が必要であり、触媒の寿 命の点から起動停止回数に制約がある。 住宅のエネルギー需要は、ビルやホテルといった業務施設と異なり、需要の熱電比（熱需要と電気 需要との割合）が季節間で大きく変化するだけでなく、日々の生活によっても変化が大きいため、CGS の熱電比との不整合が生じやすい。さらに、電気需要については電子レンジ等の使用時に生じるピー ク負荷が、ベース負荷（主として深夜）の 5 倍以上で継続時間が短いため、ピーク負荷までを賄う容量の CGS を導入すると稼働率が著しく小さくなり設備が無駄になってしまうし、商用系統（電力会社）に依 存するにも様々な議論があり、一概に望ましい対応を決定するのは難しい。 そこで本研究では、図 1 に示すように、一部の住宅に燃料電池を設置し、さらにその一部に改質器を 設置して全住宅で機器を共有し、各住宅の間を配電線と配管で接続して電気・熱（温水）・水素の融通 を行うことを提案してきた。 機器の共有とエネルギー融通とによって全体的な機器容量の削減や効率的な運用が可能となり、 各戸の機器費用の負担を低減できる。水素の貯蔵と融通により改質器の部分負荷運転や起動・停止 を削減できるし、電気と熱（温水）の融通により逆潮流の制限や熱余りによる燃料電池の運用制約が 解消され、燃料電池の稼働率を向上できる。また、電気・熱（温水）・水素という各エネルギー媒体に合 わせた融通範囲を想定しており、融通のための損失や必要な配電線・配管の初期費とを低減できる。 なお、本研究を除いて、これまで水素をも含めたエネルギー融通や燃料電池のネットワーク化に関し て実質的な研究はほとんどなされておらず、現実的に整合の取れたシステムの提示や導入効果の評 価を行った例はない。 本研究では提案システムについて PEFC 実機による実験、電子計算機によるシミュレーション及び数 理計画モデルを用いた分析により、次のような成果を得た。 戸建住宅（住宅地の一角）と集合住宅との両方について、技術的に実現可能な具体的なシステムの 設計を完了し、システムの提示を行った。いずれも戸別に家庭用燃料電池システムを導入する場合と 比較して、省エネルギーと二酸化炭素排出削減が達成できるだけでなく経済的にも優れている。さらに、 戸建住宅向けシステムでは、既存の住宅にも最小限の設備追加で適応可能であるし、集合住宅向け システムでは、ガスエンジンと PEFC との組合せにより、熱電比の需給バランス改善が実現できる。 電力 水素 湯 エネルギー融通 既存の配電網 隣との間に配管 貯湯槽 水素貯蔵 改質器 燃料電池 電力 水素 湯 エネルギー融通 既存の配電網 隣との間に配管 貯湯槽 水素貯蔵 改質器 燃料電池貯湯槽 水素貯蔵 改質器 燃料電池 図 1 住宅地でのエネルギーネットワーク概念図
注 1）熱電併給装置（CGS：Co-generation System 又は Combined Heat and Power System）とは、発電の際の排熱 を有効に利用することでシステム効率の向上を図るシステムである。一般に、火力発電や燃料電池では発電の際 に電気と共に熱が発生する。電力会社の大規模発電所ではこの熱は使い道がないので海などに捨てている。ビ ルやホテルなどに設置される発電設備では、発生した熱を捨てずに空調や給湯に用いることで有効利用できる。
構築した研究設備
提案システムの導入効果や機器とエネルギーの運用・融通方策などを分析・評価するために実験装 置、シミュレータ及び数理計画モデルを構築した。 これらの設備を互いに連携して運用することでシナジー効果を発揮し様々な知見を得ることができる。 例えば、実験装置により燃料電池の特性（効率、動特性など）を取得し、シミュレータと数理計画モデル に与え、各々のモデルに反映させる。数理計画モデルでシステムや運用の最適化及びシステムの効 果（二酸化炭素排出削減量など）を分析・評価し、シミュレータではより実用的な運用方策（制御アルゴ リズム）について試行錯誤を繰り返して検討を行う。それらの結果を元に実験装置で実機検証を行う。 近い将来（2010-2020 年頃）に技術的に実現可能なシステムについて戸建住宅と集合住宅の両方に ついて検討を行いシステムの例を提示した。これらのシステムは水素や燃料電池に関する技術開発が 順調に進み、規制緩和（又は安全基準の確立）がなされるという条件の下で成立可能である。さらに適 切に運用される限りにおいて現状よりも省エネルギーや二酸化炭素排出削減に寄与することを確認し ている。 実験装置 当所内に図 2 に示す実験装置を構築した。PEFC4 台と電子負荷装置とを接続し、電子負荷装置をパ ソコンで制御することにより燃料電池の発電量を制御できる。このように複数の燃料電池をネットワー ク化した実験装置は他に類を見ないものである。 図 2 実証試験設備電子計算機シミュレータ 様々な模擬実験を容易に行うためにパソコンシミュレータを MATLAB/Simulink 上に構築した（図 3）。 燃料電池や改質器をモジュール化して表現でき、モジュール内部に特性を記述できる。現在は実験で 取得した燃料電池の発電効率曲線などが組み込まれている。図 3 では 4 台のみの燃料電池を想定し ているが必要に応じて拡張し、さらにモジュール化して拡張を繰り返すこともできる。これまで 100 台程 度まで拡張したシミュレーションも行っている。 図 3 シミュレータ（スクリーンショット） 数理計画モデル 目的関数は一年又は複数年のエネルギー費、初期費、二酸化炭素排出量又は一次エネルギー消 費量の最小化であり、またそれらを組み合わせて多目的問題とすることもできる。各機器の容量だけ でなく燃料電池と改質器の部分負荷効率や出力変動追従性などの特性及びエネルギー融通補機の 消費電力までを考慮し、混合整数問題として定式化した。最適化対象は機器の運用方策とエネルギー 需給である。 住宅の需要データ 実験やシミュレーションなどによる分析には、別途、計測した住宅の実測データを共通に用いた。サ ンプリング間隔は 1 分である。但し、数理計画モデルへは電力需要のスパイクを考慮しながら加工した データを用いた。
成果 - 街区レベルに適用可能な戸建住宅向けシステム
CO2：6-8%減、エネルギー費：20%減 設備費：家庭用燃料電池システム戸別設置の半分 小規模からでも十分な効果を発揮、拡張も容易 戸建住宅向けシステム の提示と最適化 [IHEJ 2006] 燃料電池、改質器及び水素純化装置等に関する今後の技術開発の進展を見極め、2020 年頃に技 術的に実現可能なシステムを提示した。例として 8 世帯からなる住宅地の一角を対象とした戸建住宅 向けシステムを図 4 に示す。8 戸の住宅に対し、燃料電池 4 台と改質器 3 台とを設置し、各住宅を配電 線と配管とで接続し、電気・熱（温水）・水素の融通を行う。 このシステムの特徴は、柔軟な運用によりシステム効率の向上と環境負荷低減が実現できること、 及び全体の機器容量を削減することで初期費を低減できることである。 部分負荷運転でも効率低下の小さい燃料電池は負荷に追従して運転され、改質器は定格運転を維 持して高効率で水素を製造できる。温水を近隣に供給することで湯余りによる燃料電池の運用制限が 緩和され、燃料電池の稼働率が向上できる。この際、温水の融通範囲を左右 4 戸ずつに制限すること で、温水の融通に必要なポンプ動力を抑えている。 8 戸に対し、燃料電池 4 台と改質器 3 台とで十分であることから、戸別に家庭用燃料電池システムを 設置する場合と比較して、初期費が約半分で済む。また、必ずしも燃料電池 4 台が必要ではなく、2 台 程度の小規模であっても十分な効果を発揮でき、徐々に機器を追加しながら拡張していけば良い。拡 張に当たっても、4-10 戸程度の基本ブロックを相互接続していくことでより大きなネットワークへ拡張で きる。さらに、燃料電池や改質器を導入する住宅以外は、既存のシステムをほぼそのまま流用できるこ とから、新規開発住宅地に限らず既存の住宅地においても導入できる。 世帯#5 世帯#6 世帯#1 世帯#2 世帯#7 世帯#8 世帯#3 世帯#4 改質器 ボイラ 燃料電池 貯湯槽 湯ポンプ 水素貯蔵 水素ポンプ 配電網 都市ガス 水素融通網 未利用水素 湯融通網 世帯#5 世帯#6 世帯#1 世帯#2 世帯#7 世帯#8 世帯#3 世帯#4 改質器 改質器 ボイラボイラ 燃料電池 燃料電池 貯湯槽貯湯槽 湯ポンプ湯ポンプ 水素貯蔵水素貯蔵 水素ポンプ水素ポンプ 配電網 配電網 都市ガス都市ガス 水素融通網水素融通網 未利用水素未利用水素 湯融通網湯融通網 図 4 街区レベルに適用可能な戸建住宅向けシステムの例（8 戸用）この戸建住宅向けシステムを対象として、エネルギー融通による効果及び燃料電池と改質器の台数 に関する分析の結果の一例として、数理計画モデルにより得られたパレート最適解を図 5 に示す。エネ ルギー融通無（図中の右側）に比べてエネルギー融通有は左下に最適解が位置しており、エネルギー 融通がエネルギー費と二酸化炭素との両方を同時に削減できることを示している。例えば、燃料電池 と改質器が共に 4 台の時、エネルギー融通によってエネルギー費は約 20%、二酸化炭素排出量は約 6-8%削減され（4-4-y と 4-4-n との差）、図には示していないが一次エネルギーは約 15%低減される。エ ネルギー融通有の中では燃料電池が 4 台、改質器が 4 台又は 3 台の場合に両方の指標が最小となり、 戸建住宅 8 世帯に対する燃料電池と改質器の最適な台数は各々4 台と 3 台であることがわかった。従 って初期費は戸別に家庭用燃料電池システムを導入する場合の約半分で済む。 以上の利点により、提案システムは家庭用燃料電池システムと比較して、一般住宅への早期普及 が期待できる。早期普及により、中期的（30 年間）には、家庭用燃料電池システムより二酸化炭素を 5% 以上低減できる見込みである[IHEJ 2003]。
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
0.9
1
1.1
1.2
1.3
エネルギー費用（百万円/年）
CO
2排出
量
（C
-t/
年
）
4-3-y 2-2-y 3-2-y 3-3-y 4-4-y 4-4-n 1-1-y 2-1-y 3-3-n 2-2-n 1-1-n 0-0-n a-b-c b: 改質器台数 a: FC台数 c: エネルギー融通可否（y/n） （従来ケース） 図 5 提案システムの効果の分析（エネルギー費用と CO2排出量） 燃料電池の最適な運用方策[IEEE 2006] PEFC は電気と熱で相反する効率特性を持っており、発電効率は定格の 30-60%の負荷時に最高と なり排熱回収効率は定格運転時に最高となる。そのため複数の住宅に複数の燃料電池を導入する場 合、電力供給のみを考慮すると、できるだけ各燃料電池に負荷を分散させた方が良く、熱（温水）需要 を考慮すると、できるだけ一部の燃料電池に負荷を集中させた方が良い。 この問題に着目し最適な運用方策について検討を行った。その結果、熱需要の少ない夏期は発電 を重視して全ての燃料電池で均等に負荷を分担し、それ以外の季節は台数制御を行って、稼働中の 燃料電池はできるだけ定格運転をするのが望ましいことがわかった（例を図 6 に示す）。 また改質器と燃料電池との連携についても検討が必要である。これについては、例えば燃料電池が 4 台で改質器が 3 台の場合、熱需要が小さい夏期は排熱を捨てないよう燃料電池の運用を熱需要によって制限し改質器は 3 台のうち 1 台を停止して 2 台を定格運転とすべきであり、それ以外の季節では 改質器は 3 台とも定格運転を続けるべきであることがわかった。 0 1 2 3 4 5 0 4 8 12 16 20 24 時刻 FC出力（ kW ） FC2 FC5 FC3 FC7 水曜日, 夏期, wcost = 0.5, 4-3-y 0 1 2 3 4 5 0 4 8 12 16 20 24 時刻 FC出 力 （ kW） FC2 FC5 FC3 FC7 水曜日, 冬期, wcost = 0.5, 4-3-y 夏期 冬期 図 6 燃料電池の最適運用方策の例
成果 - 集合住宅向けシステム
ガスエンジン/SOFC と PEFC との組合せで熱電比の需給バランス改善を実現 PEFC と温水とを各階で共有、ガスエンジン/SOFC と電気・水素は集合住宅全体で共有 水素は一括製造 集合住宅向けシステム注 2） 集合住宅向けシステムについては民間企業と共同で設計を行った（図 7）。集合住宅内に水素インフ ラ、即ち都市ガスから水素を製造するための装置（改質器と純化装置（PSA））、水素貯蔵及び水素配 管を設置し、水素を各階に供給する。各階には PEFC と貯湯槽とを集中して設置し温水を循環させる。 さらに熱電比の需給バランスを可変とするため原動機や固体酸化物形燃料電池（SOFC）といった PEFC とは熱電比の異なる CGS を設置する。 このシステムの特徴は、PEFC 及び SOFC や GE など複数の熱電比の異なる CGS を設置することで、 CGS で常に大きな課題となっている熱電比の需給バランスの改善が図られ、より一層の省エネルギー が期待できることである[特許出願済]。さらに一般の CGS を備えた集合住宅における省エネルギー効 果や機器共有による初期費の低減効果に加えて、入居状況や需要状況に応じてシステムの一部（例 えば PEFC の台数）が変更可能であり実用化しやすい。以上のように、このシステムは集合住宅への CGS 導入に関する諸問題の解決に貢献する。 中規模の集合住宅（100 戸）において、GE（10kW）2 台と PEFC（1kW x 10-100 台）との組合せについ て分析を行った結果、PEFC の代数が 20-40 の時が最も一次エネルギー消費が少なく、家庭用燃料電 池システムを戸別に導入するよりも約 15%の省エネルギーが達成できることがわかった[IEEJ 2005]。 注 2）本研究課題は大阪ガス株式会社様との共同研究である。• • • 1001 1002 1010 • • • • • • 201 202 210 • • • • • • 101 102 110 • • • • • • • • • 改質器 PEFC 貯湯槽 温水ポンプ 水素貯蔵 配電網 都市ガス 水素配管 温水配管 PSA 原動機 • • • 1001 1002 1010 • • • • • • 201 202 210 • • • • • • 101 102 110 • • • • • • • • • • • • 1001 1002 1010 • • • • • • 10011001 10021002 • • •• • • 10101010 • • • • • • 201 202 210 • • • • • • 201201 202202 • • •• • • 210210 • • • • • • 101 102 110 • • • • • • 101101 102102 • • •• • • 110110 • • • • • • • • • • • • 改質器 PEFC 貯湯槽 温水ポンプ 水素貯蔵 配電網 都市ガス 水素配管 温水配管 PSA 原動機 PEFCPEFC 改質器改質器 貯湯槽貯湯槽 温水ポンプ温水ポンプ 水素貯蔵水素貯蔵 配電網 配電網 都市ガス都市ガス 水素配管水素配管 温水配管温水配管 PSA PSA 原動機 原動機 図 7 集合住宅における複合エネルギーネットワークの構成図（例）
今後の予定と課題
今後は提案システムの実用化に向けて次に示す取り組みを行っていく。 実際の住宅での検証 大阪ガス（株）様の実験住宅 NEXT21（集合住宅、18 戸）の一部において戸建住宅向けと集合住宅 向けとの両方のシステムを構築し、実際に人々が日常生活を送る状況下で運用を行い、運用方策や 効果の検証を行う予定である。集合住宅内に実際に水素配管を敷設し燃料電池を設置してネットワー クで接続し、エネルギー融通を行う。 ビジネスモデル構築 民間機企業や NPO 法人などが主体となって提案システムの導入・管理・運営を行えるようなビジネ スモデルの構築を行い、経済的実現性についても評価を行っていく予定である。参考文献
[IEEE 2006] Operational Strategies of Networked Fuel Cells in Residential Homes, Hirohisa Aki, Shigeo Yamamoto, Yoshiro Ishikawa, Junji Kondoh, Tetsuhiko Maeda, Hiroshi Yamaguchi, Akinobu Murata, Itaru Ishii, IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 21, No. 3, 2006, pp.1405-1414.
[IHEJ 2006] Fuel cells and energy networks of electricity, heat, and hydrogen in residential areas, Hirohisa Aki, Shigeo Yamamoto, Junji Kondoh, Tetsuhiko Maeda, Hiroshi Yamaguchi, Akinobu Murata, Itaru Ishii, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 31, No. 8, 2006, pp.967-980.
[IHEJ 2003] Penetration of Residential Fuel Cells and CO2 Mitigation -Case Studies in Japan by Multi-Objective Models-, Hirohisa Aki, Akinobu Murata, Shigeo Yamamoto, Junji Kondoh, Tetsuhiko Maeda, Hiroshi Yamaguchi, Itaru Ishii, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 30, No. 9, 2003, pp.943-952.
[IEEJ 2005] 集合住宅におけるハイブリッドエネルギーシステムの研究，田村，毛笠，安芸，前田，山 口，山本，電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会，PE-05-125, PSE-05-132
