総合自然エネルギーシステム設計法の構築と実証試験

総合自然エネルギーシステム設計法の構築と実証試

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著者

新妻 弘明

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如レギーシステム設計法の構築と実証試験

∴･二-  ∴ヽ∼ JIJ--IH pi二 ー- L＼二 二㌧-平成1 5年度∼L＼二 二㌧-平成1 7年度科学研究費補助金 h gi 革盤研究(A)研究成果報告者 へ (研究課題番号15206097) 亀ii 一一′一 也H ,

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研究組練_二

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研究代表者:新妻 弘明 (東北大学･大学院環境科学研究科･教授)

研究分担者 :浅沼

東北大草･大学院環境科学研究科.助教授)

中田 俊彦 (東北大学･大学院工学研究科･助教授). 新堀 捷- (東北大学･大学院工学研究科･助教授) 土屋 範芳 (東北大学･大学院環境科学研究科･教授) )一灯

総合自然エネルギーシステム設計法の構築と実証試験

平成1 5年度∼平成1 7年度科学研究費補助金

基盤研究(A)研究成果報告書

(研究課鹿番号15206097)

研究組織

研究代表者:新妻 弘明

研究分担者: 浅沼  宏 中田 俊彦 新堀 雄一 土屋 範芳

(東北大学･大学院環境科学研究科･教授)

(東北大学･大学院環境科学研究科･助教授)

(東北大学･大学院工学研究科･助教授) (東北大学･大学院工学研究科･助教授)

(東北大学･大学院環境科学研究科･教授)

研究経費(千円) 直接経費   間接経費  永井 平成15年度   12, 300    3, 690 /tア?0 平成16年度     6, 800    2, 040   8′旨W 平成17年度     2, 600      780   3.畠gO 計 21, 700    6, 510   ⊥8′jJO

【本研究の背景と目的】

榔軌風九太陽光,バイオマス,中小水力等の再生可能エネルギーは,再生可能かつ 低環境負荷であるため,その導入が進められつつある｡しかし,それらのエネルギー密度 は高くないことに加え,エネルギー生産量は気象条件等による変動が大きい｡さらに,発 電所あたりの発t容量および発t単価は原子力発電や火力発電には及ばない｡このため再 生可能エネルギーの特長を生かすためには,各地域の自然条件,社会･経済システム,需 ′ 要に適合した形で再生可能エネルギーを組み合わせ,経済性および環境負荷の面から最適 なエネルギー供給システム(稔合再生可能エネルギーシステム)として利用することが合 理的である｡ 本研究の申請者らは,平成1 3年度科研費一般研究(C)(企画調査)により,これからの 再生可能エネルギーのあり方について地熱エネルギーを中心に検討を行い,耗合再生可能

エネルギーシスJfムを中心とした新たな地域システム(E /〟y: Energy Jn Ny Yard)

の実現を目指すべきであるとの錯輪に遷した｡ 本研究は,地中熟ヒートポンプ(GeoHP) ,太陽光(給湯,発t) ,風力発電を組み合 わせた再生可能エネルギーシステムを対象として,システム設計法の構築とその実証試族 を行うことを目横として実施した｡ここでは以下のアプローチにより研究を行った｡ ①G eoH Pの抽熟･蓄熱特性,過渡応答を検討し,そのモデルを構築する｡ ②熟t併給型総合 再生可能エネルギーシステムをコスト,エネルギー生産量, CO2排出量の観点から最適化し, 具休的なシステム構成とその負荷変動特性を提示可能なモデルを構築する｡ ③東北地方の 数ヶ所のモデル地域におけるエネルギー源とエネルギー消兼に関するデータを収集し,そ れを用いて各モデル地域での最適なシステム構成を提示するとともに性能をシミュレー トする｡ ④モデル地域に実証設備を設置し,エネルギー供給,コスト,過渡応答,負荷変 動特性, CO2排出量削減効果等の実デ-タを取得するとともに実用上の操溝を明らかにする｡ 本研究の特長は,非線形性の強い再生可能エネルギーを組み合わせ,エネルギーのフロ I,経済性, 602排出量および負荷変動特性の親点から最も優れた熟竃併給型再生可能エネ ルギーシステムを設計可能にすることにある｡従来の手法と比較すると本研究で扱うモデ ルは以下の特長を有する｡ 従来の手法      本 研 究 エネルギー生産形態 再生可能エネルギーの取扱 エネルギーの一時貯蔵 解析モデル 状態量 解析可能な期間 環境影響 需給の事前予測 t力,熟のいずれか 独立な取扱い 考慮しない 線形モデル エネルギー量 数日から1遺間程度 考慮しない 考慮しない 熟電併給 太陽光(&.発t).風九地熱を同時に連系 熟または化学エネルギ-として考慮 非線形モデル エネルギー量,エネルギー価格,穀傭責,運転 費,002排出量 1時間ステップで1年間 定量化,考慮する 基本的な概念を導入 本研究によれば,地域の特性に応じた再生可能エネルギーシステムの最適構成とその性舵 を提示できることに加え,今後, (a)各地域でのCO2排出量削減日額が提示された場合におけ る,最適システム構成の設計技術の開発, (b)気象情報等を利用したエネルギー生産量と系 統連系の数値予測･制御技術の開発. (C)水素をエネルギー貯蔵媒体とする,燃料電池への ェネルギー供給を含めたエネルギーシステムの構築等,再生可能エネルギーを中心とする新

たなエネルギーシステム技術へ展開できる｡ 従来の再生可能エネルギーに関する研究では,単一のエネルギー源を取扱い,エネルギー 量のみに着目した解析を行っている｡本研究では再生可能エネルギーが連系した熟t併給シ ステムを取扱い,さらに,エネルギーの一時貯蔵も考慮することにより,出力特性が異なる 各エネルギーの相互補完や,安定,安価かつ負荷変動特性に優れたエネルギー供給を実現で きる｡また,実証杖挨により,システムの過渡応答,負荷変動特性,局所的な環境影響等, これまでに得られていない実データを取得できる｡ 【本研究の主な成果】 ①GeoHPのモデル化 一地下水が流動する地層からの熟抽出性能を評価するために,移流拡散方程式をベースとし た有限要素法シミュレーションソフトを作成した｡本シミュレ｢タにより推定された抽熟 特性は長野県大町地域で取得した実データと比較的よく対応しており,本シミュレータに より地下水流動がある場合の抽熟特性の評価,システム設計が行えることが明らかになっ た｡ 一抱合再生可能エネルギーシステムシミュレ-タ(E/Myシミュレ-タ)のためにGe o H Pをモデル化した｡ここでは地中熱交換部分を1次元拡散方程式により表し,また, 数値モデルによりヒートポンプ部分を記述した｡これにより, GeoHPシステムの過 渡応答,抽軌 蓄熱特性を評価することができた｡ (公表始文: ll,12) 一基礎杭を利用したGe o H Pシステムの性能についてモデルを作成し,東北大学キャン パス-の適用可能性を検討した｡ ②総合再生可能エネルギーシステムのモデル化 一各エネルギー機器の原理,過去の研究事例,実測データ等をもとに,太陽光発電,風力 発電, Geo-HP,バッテリーによる蓄電,ボイラー,貯沸タンクを要素とし,各々 の間でエネルギーの接受を行う抱合再生可能エネルギ-システムシミュレータ(E /M yシミュレータ)を作成した｡本シミュレ-タへ,モデル地域の気象条件,需要等を入 力し, 10分/サンプル程度の高時間分解能でシステムの応答,エネルギーフロー,コス ト,環境効果等を模擬可能にした｡ (公表論文: 5,6,9,ll,12) 一上記シミュレーターにより,仙台市青葉山地区(東北大学) ,福島県天栄村における仮 想のシステムの動特性を評価した｡ ③モデル地域でのシステム設計 一岩手県奥州市(温泉保養施設) ,岩手県二戸町(児童福祉施設) ,岩手県葛巻町,宮城 県栗駒市(農業施設) ,宮城県仙台市(東北大学,県庁)において,再生可能エネルギ ー量,エネルギー需要等の調査を行ない, 1年間以上のデータを収集した｡ -上記地域,施設について再生可能エネルギー横合利用システムを設計し,エネルギー供 給量,初期/ランニングコスト,環境効果等を明らかにするとともに問題点を明らかに した｡ (公表論文:4,6,7) -福島県天栄村において,古来のエネルギーシステムが近代的エネルギーシステムへ移行 した際のエネルギー,社会,経済システムの変遷について調査を行った｡これに基づき, 中山間地域の今後のエネルギ-･社会システムのあり方について検討した｡ (公表論文:

3,13,14,19,20) 一東北大学雷葉山新キャンパスへの再生可能エネルギーの導入可能性調査を行った｡この 結果と建築物の構造をモデル化し,本地域における建築物の投計ツールを作成した｡本 ッールを用いて,基礎杭利用Ge OHP,下水廃熱利用,断熱性の向上等を行うことに ょり環境負荷を妥当なコストで実現可能であることを見出した｡ (公表輸文:8,15, 18) -東北大学東八幡平美浜フィールドにおける,中小水力と人工熱交換面を利用した熱供給 ′ システムを設計し,その運用方法と性能をシミュレーションした｡ 一岩手県奥州市において河川エネルギーを運動,電気,熟エネルギーとして抽出するシス テムの基本投計を行い,そのエネルギーを利用したメタノ-ル発辞プラントの実現可能 性を検討した｡ ④実証社旗 一東北大学キャンパス内に,太陽光発t装置(2.4kW),風力発電装置(500Wx2台) , Ge ｡HP (2.4kW) ,バッテリーからなるモデルシステムを放置し,再生可能エネルギー による自立型熱供給システムのシステム構成,運用法,性能等について実検的研究を実 施した｡ (公表輸文:10,17) 【本研究に関連した公表論文】

1. H. Niitsuma, T. Nakata, I/NY(Energy ln My Yard) - a concept for practical usage

of reneyrable energy from local sources, Geothermics, 32, 767-777･ 2003 2.新妻, Enerw /n Ny Yard 再生可能エネルギー利用拡大の戦略,日本地熱学会誌, 1-10, 2004 3.新妻,持続可能な文明への転換と再生可能エネルギーの利用拡大,地学雑誌, 114, 4, 614-618 4.池上,浅沼,新妻,新堀,エ#,武田,東北地方の温泉保養施設における総合再生可 能エネルギーシステム導入可能性調査,第2 1回エネルギーシステム･経済･環境コ ンファレンス講演論文集, 257-260, 2005 5.駒庭,森谷,浅沼,新妻,再生可能エネルギー横合利用における動特性解析のための シミュレ-タの開発,第2 1回エネルギーシステム･経済･環境コンファレンス詐演 輪文集, 26卜264, 2005 6.多田,中田,新妻,浅沼,バイオマスを考慮した地域稔合再生可能エネルギーシステ ムの設計および中人促進策の検討,エネルギ- ･資源, 26, ll-20, (2005)

7. H. Asanuna, H. Niitsuna, T. Nakata, Y･ Niibori, H･ Noriya, Y･ Komaniwa･ TheRole .f Geothernal Energy in the Loca一 ly Distributed Renevrable Energy Sytem (I/W Energy ln My Yard), Proc. WGC 2005 (2005) (CDROM)

8.宇鉄,浅沼,杉山,新妻,東北大学新キャンパスにおける再生可能エネルギーシステ

ムの導入可能性調査,第2 4回エネルギー･資源学会研究発表会講演論文集, 291-294,

2005

9.駒庭,森谷,浅沼,新妻,再生可能エネルギー複合利用システムの動特性解析用シミ ュレータの開発 一個別要素のモデリングと実測データを用いたモデルの妥当性評価

-,第2 4回エネルギー･資源学会研究発表会講演論文集, 295-298, 2005

10.田上,浅沼,新妻,非定常な再生可能エネルギーを電力源とするヒートポンプシステ ムの開発 -システムの設計-,第2 4回エネルギI.資源学会研究発表会計演輪文

集, 307-310, 2005

ll. Y, Komaniyra. H. Moriya, H. Asanuna. H. Niitsuma. Development of a simulator for evaluating the dynanlic behavior of an integrated renevrable energy system yrith

′

geothernal heat pump, GRC Transactions, 71-75, 2005

12.駒庭,森谷,浅沼,新妻,地中熟ヒートポンプを用いた再生可能エネルギー複合利用 システムの動特性解析用シミュレータの開発,日本地熱学会平成1 7年度学術講演会 講演論文集, A26, 2005 13.新妻,池上,福島県天栄村湯本地区における温泉の活用とその社会的意義,日本地熱 学会平成1 7年度学術講演会講演輪文集, B2 4, 2005 14.池上,新妻,福島県天栄村湯本地区における古来のエネルギーシステムの持続可能性, エネルギー･資源, (印刷中), 2∞6 15.宇鉄,浅沼,新妻,東北大学雷葉山新キャンパスでの再生可能エネルギー利用と建築 物の低環境負荷化,エネルギー.資源, (投稿中), 2006

16. Y. Komaniyra, H. Moriya, H. Asanuma, H. NHtsuma. Application of an integrated

renewable energy system simulator for rural and mountainous area in Tohoku Region.

Japan, Proc. RE2006 (submitted)

17. H, Asanuna, S. Tagami. H. Niitsuma, A geothernal heat pump system povrered by non-stationary reneyrable energy, Proc. RE2006 (submitted)

18. H. Asanuma, K. Utetsu. H. Niitsuma. Feasibility study on introduction of

reneyrable energy system to a neyr campus of Tohoku University, Japan. Proc. RE2006 (subni tted)

19･ H･ Niitsuma, M. lkegami, 〟Energy ln My Yardw : A concept of reneyrable energy

usage for a sustainable civi I ization, Proc. RE2006 (2006) (submitted)

20. M. lkegami, H. Ni itsuma, The o一d reneyrable energy system and its sustainabH ity

in Yumotol0nsen district, Fukushima Prefecture, Japan, Proc. RE2006

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