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古くて新しいゼロ・カーボン対策・省エネルギー<4>新技術導入への潮流

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POINT
■デジタル技術の進展に伴い、センサーや複数の機器をネットワークにつないで制御し、エネルギーの供給から利用まで管理・運用することで省エネルギーを実現するEMS(エネルギーマネジメントシステム)の開発が進んでいる。

■IoTやAI(人工知能)などを駆使した省エネ技術は、スマートコミュニティ、自動走行、交通流制御、スマート物流への活用や省エネ型データセンター、省エネ型広域網などに開発分野を広げている。

■地球温暖化の緩和、資源の有効活用の観点からも、省エネ技術を積極的に導入し、自動的に効率良くエネルギーを利用できる環境を整備することが重要だ。あわせて、エネルギー利用の「見える化」を進め、われわれの行動を「省エネファースト」へと変えていかなければならない。

写真はイメージです
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 省エネルギー(省エネ)に関する連載の最終回となる今回は、デジタル技術を活用したエネルギーマネジメントシステムや、次世代電力システムとして実証段階にあるVPP(バーチャルパワープラント)やDR(ディマンドレスポンス)といった新たな省エネルギー技術の潮流について解説する。

日本エネルギー経済研究所 主任研究員 岩井雅美  

省エネ技術のカギを握る「デジタル」

 省エネを進めるには、大きく分けて<1>エネルギー資源の消費量を節約する<2>エネルギー利用機器の効率を向上させる<3>消費者に省エネ行動を促す――という三つの方法がある(注1)が、いずれの方法も省エネ技術がなければ実現できない。例えば<1>の実現には、発電所や電力供給ネットワークなど、エネルギー供給時のロスを低減する燃料消費量の削減技術が欠かせない。<2>の手段としては、エアコンのエネルギー効率を改善するヒートポンプ技術などが有効だ。<3>には、消費者を節電行動へ誘導する「ナッジ」を使った技術がある。以前この連載でも取り上げたが、家族構成などがよく似た近隣の世帯との電力消費量の比較ができる「省エネ成績表」を送るなどして、節電を「そっと後押しする(nudge)」手段に応用されているのだ。

 日本ではこれまで、建物の断熱や省エネ家電など、効率改善による省エネが進められてきた。トップランナー基準対象製品をはじめとした家電製品などのエネルギー効率で、日本は世界のトップクラスにある。だが、エネルギー効率の高い製品に買い替えが進んだとしても、省エネが進むかどうかは、その製品の使用状況によっても変わる。10年以上前に製造された冷蔵庫を新製品に買い替えると、電力消費は目に見えて減少するが、白熱電灯をLEDに交換しても、誰もいない部屋で照明を()けたままにすれば、省エネ効果は弱まってしまう。

 つまり、消費者の日々の省エネ行動が重要になるわけだが、時々刻々と変わる状況に応じて、手動でスイッチのオン・オフをしたり、機器の設定を適切に変更したりすることにはおのずと限界がある。さらに省エネを進めるために、近年は自動で機器を管理し、最適に運用・管理を行うデジタル技術の開発が進んでいる。

 デジタルデータはかつてはパソコンだけで扱われていたが、今ではスマートフォン、家電製品、自動車をはじめとする交通機関などにも搭載され、通信ネットワークを使ってそれらの機器を連携させることもできる。デジタル技術で様々な機器を連携させることによって、エネルギーの供給から利用までのすべての局面で、さらなる省エネが可能な時代になったわけだ。

 エネルギー供給の段階では、火力をはじめとする発電所や送電ネットワーク設備のメンテナンスや修理にデジタル技術を導入すれば、これまで人が目視や経験で判断してきたことを、より正確に、より早く、より安く実施できる。問題が早く修復できれば、エネルギー生産の効率も高まり、省エネに寄与できる。

 先進諸国と比べても日本のエネルギー供給インフラの効率は高いレベルにあり、需要に応じて必要量を絶やさず供給する「供給の信頼性」にも優れているが、これは定期的な検査・保守作業や部品交換にあたる担当者が長年蓄積してきた経験と技能によるところが大きい。日本に比べてひとつの電力ネットワークがカバーするエリアが広く、老朽化したインフラが多い欧米では、広範囲のインフラを効率的に検査したり、効率の低下や経年劣化を防いだりするため、ドローンによる遠隔検査や、修理データの綿密な分析を基にした計画的な部品交換が、すでに行われている。

注目されるEMS

 エネルギー利用の局面では、これまで建物の断熱や省エネ家電など、設備の性能改善による省エネが進められてきた。さらなる効率化のためには、エネルギー供給の段階も含めて利用までの状況を的確に把握し、非効率や無駄を見つけて改善して最適に運用・管理を行うEMS(エネルギーマネジメントシステム)が注目を集めている。

 EMSには<1>接続された各機器を自動制御して、機器の使用エネルギー量をコントロールする<2>機器の動作状況やエネルギー使用量をリアルタイムに「見える化」する――という二つの側面がある。EMSの導入が本格化すれば、自動制御によって機器単体のエネルギー効率を高めたり、昼夜別電気料金プランに応じて電気代を節約したりできる。エネルギー消費量などが数値で確認できるようになれば、さらに省エネによるコストメリットも実感できる。「見える化」も進み、消費者に、より省エネに関心を持ってもらう効果も期待できる。

 HEMS(ホームエネルギーマネジメントシステム)は、エアコンや給湯器、照明や情報家電など、家庭内機器のエネルギー消費量を可視化する仕組みだ。人感センサーによって在室人数を感知し、エアコンや照明を自動制御することで、家庭での効果的なエネルギー利用や需要のピークカット、快適な生活空間の実現などが可能になる(注2)。

出所:経済産業省・資源エネルギー庁 https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/what/(2021年5月21日アクセス)
出所:経済産業省・資源エネルギー庁 https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/what/(2021年5月21日アクセス)

HEMSの実証事例

 福島県会津若松市は、2014~15年に市内500世帯にHEMSを設置し、18年6月まで、ほぼリアルタイムに時間別・日別の消費電力使用量が見える「会津地域電力の見える化」サービスを実施した。省エネによるCO2排出量の削減を目指す経済産業省の「大規模HEMS情報基盤整備事業」に同市が参加し、会津若松スマートシティ推進協議会(現・会津地域スマートシティ推進協議会)が主導した「地方発スマートシティプロジェクト」の一環として行われた。

 このプロジェクトの最大の特徴は、異なるメーカーのHEMSデータを各メーカーから集めてつなぎ合わせるのではなく、メーカー各社がデータ連携用のアプリケーションを提供し、推進協議会がそれを使って各家庭の複数のメーカーのHEMSデータを直接収集した点にある。つまり、地域単位で一元的なデータ管理を実現することを目指したわけだ。

 一元的なデータ管理の効果は大きかった。メーカーを横断する形でデータを収集し、各家庭にリアルタイムに電力の使用情報がフィードバックできたことで、効果的に市民の行動変容を促すことが可能となり、27%の消費電力を削減できた家庭もあったと報告されている(図2)。

出所:会津地域スマートシティ推進協議会
出所:会津地域スマートシティ推進協議会

 ビルに人感センサーや気温、湿度、照明のセンサーを設置し、ビル全体の在室人数、外気温、湿度、日照などを計測して照明や空調機器を自動で最適に制御する仕組みをBEMS(ビルエネルギーマネジメントシステム)という。オフィスビルや工場ではこれまで、始業時間になるとフロア全体の照明、空調をつけ、終業時に消灯するのが一般的で、細かな空調や照明の変更はほとんど行われてこなかった。BEMSを導入すれば人の手を介さずにビル内の設備を最適運転し、省エネが実現できるため、新築ビルだけでなく、ビルの改修時などにも導入が進んでいる。

 オフィスビル賃貸業を営む昌平不動産総合研究所(本社・東京都千代田区)は、本郷瀬川ビル(東京都文京区本郷)の改修にあわせてBEMSを導入し、フロア別に空調、電灯の使用電力量を把握できるようにした(図3)。空調の出力を自動制御することで、1か月の電力使用量を最大14.7%削減できたという(注3)。

 エネルギーマネジメントの対象を工場など産業施設に広げた仕組みをFEMS(ファクトリーエネルギーマネジメントシステム)と呼び、家庭やビル、工場などを含めて対象をさらに地域全体にまで広げた仕組みが、CEMS(コミュニティエネルギーマネジメントシステム)だ。

出所:公益財団法人 東京都環境公社 中小テナントビルにおけるBEMS導入事例https://www.tokyo-co2down.jp/wp-content/uploads/2021/02/honngousegawabiru-BEMS-dounyuujirei-.pdf(2021年5月20日アクセス)
出所:公益財団法人 東京都環境公社 中小テナントビルにおけるBEMS導入事例https://www.tokyo-co2down.jp/wp-content/uploads/2021/02/honngousegawabiru-BEMS-dounyuujirei-.pdf(2021年5月20日アクセス)

 近年、注目を集めている「スマートコミュニティ」(図4)は、HEMSが導入されたスマートハウスやBEMSで内部のエネルギーを統合管理するスマートビル、さらに交通システムなどをネットワークでつなぎ、CEMSを中心に地域全体のエネルギーを統括管理する次世代の社会システムだ。スマートコミュニティでは電力だけでなく、地域内の様々なエネルギーが活用され、例えば工場や発電所の廃熱は、地域冷暖房に使われる。ITS(高度道路交通システム)によって、自動車は交通情報をもとに最適なルートを走るように制御され、渋滞の緩和や、自動運転機能による安全なエコドライブが可能になる。

横浜市で進められている横浜スマートシティプロジェクト(注4)では、家庭部門3500世帯、ビル10拠点、電気自動車や充電スタンドなどを対象としたCEMSの実証事業が行われ、家庭部門で最大15.2%、ビル部門で最大22.8%の電力消費量を削減できたという。

出所:経済産業省 https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/smart_community/(2021年5月7日アクセス)
出所:経済産業省 https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/smart_community/(2021年5月7日アクセス)

 スマートコミュニティなどで実証試験が進められている次世代の電力システムには、VPP(バーチャルパワープラント)、DR(ディマンドレスポンス)、P2P(ピア・トゥ・ピア)電力取引といったDER(分散型エネルギー資源)と電力供給システムの統合技術が利用されている。

 VPPは「仮想発電所」とも呼ばれ、工場や住宅に設置された太陽光、風力発電などの再生可能エネルギーや、家庭用燃料電池や蓄電池、電気自動車といった小規模な分散型エネルギー資源をまとめて遠隔制御する仕組みだ。全体をあたかもひとつの発電所のように機能させるため、この名がある。電力は常に需要と供給のバランスを取る必要があるが、太陽光、風力発電は天候など自然条件によって発電量が左右される。安定性に欠ける分散型エネルギー資源を、その保有者や第三者が束ねたうえで統合制御することで、電力負荷を平準化し、不足時の電力を補うことができる。

 VPPの実現には、分散する機器を遠隔で制御するための優れたIoT技術や、電力需要量や太陽光発電量をより正確に予測する技術など様々な要素技術が欠かせない。事業化へ向けた実証事業は、すでに全国各地で始まっている(注5)。

 DRとは、電力を利用する需要家側が電力消費量を制御し、電力需要(ディマンド)全体を増減させることをいい、電力需要を増やす「上げDR」と、減らす「下げDR」がある。上げDRは、再生可能エネルギーが過剰に出力した電力を、需要家が電気機器を稼働させて消費したり、蓄電池に充電して吸収したりして制御する。下げDRは、需要家が電力需要がピークを迎えたタイミングで電気機器の出力を落とし、需要と供給のバランスを取る。

 需要のピークをDRによって削減(ピークカット)すれば、需給のひっ迫を防ぐことができる。ピークに備えた火力発電の出力増強は不要になるし、中・長期的には、効率的な電力システムを構築することにもつながる。2017年4月からは、企業や家庭が節電した電力に対し、発電した場合と同等の価値があるとみなして報酬金などを支払う「ネガワット取引」が始まったが、これも下げDRの一手法といえる。

 P2P(ピア・トゥ・ピア)電力取引とは、太陽光発電や蓄電池など、DERを所有する電力の使い手(個人・法人の需要家=ピア)が、同じ立場の需要家に直接電力を供給することをいう。従来の「電力会社と需要家」ではなく、「需要家と需要家」が電力を取引するため、「ピア・トゥ・ピア」の名がついた。DERを共有して相互に融通し合うことで、必要に応じた無駄のない電力利用ができる。新たな電力流通の方法として期待されており、東京都などで実証事業が始まっている(注6)。

 IoTやAIといったデジタル技術は、このほかにも自動車の自動走行(注7)、交通流制御、スマート物流への活用、省エネ型データセンター(注8)や省エネ型広域網など、様々な省エネ技術の開発に役立っている。

熱を有効に利用する省エネ技術

 最近は給湯器やエアコンにも組み込まれるようになったヒートポンプは、その名の通り空気中の熱(ヒート)を集め、()み上げて(ポンプ)移動させる装置だ。空気熱エネルギーを回収して循環利用することで、機器のエネルギー効率を改善する。圧縮されると温度が上昇し、膨張させると温度が下がるという気体の性質を利用して、冷媒を圧縮したり膨張させたりして温度を上昇・低下させ、熱を移動させる。熱を移動させる方向を変えることで、冷やすことも暖めることもできる。

 空気を圧縮する際には電気を使うが、大気や排水・排熱などの熱を取り込んで有効利用することで、使用する電気エネルギーの300~700%に相当する熱エネルギーを取り出すことができる(標準的な条件下で使用した場合)(注9)。空気中の熱を集めて利用する電動ヒートポンプは、エアコンやエコキュート(図5)だけでなく、冷蔵・冷凍庫や洗濯機の乾燥機能などに使われている。効率が良く、大規模設備にも対応可能なヒートポンプは、オフィスビルなどの空調や病院・ホテルなどの給湯にも利用されている。今後は工場などへの普及拡大が見込まれる。

出所:(一社)日本冷凍空調工業会「家庭用ヒートポンプ給湯機・ヒートポンプ給湯機とは」(注10)
出所:(一社)日本冷凍空調工業会「家庭用ヒートポンプ給湯機・ヒートポンプ給湯機とは」(注10)

 エアコンの冷房は室内を冷やす一方、室外機から温熱が排出されているが、この温熱と冷熱の両方を利用する技術(冷温同時供給システム)も普及しつつある。例えば食品工場では、冷凍・冷蔵や冷房のための冷却と、食品加工や暖房のための加熱が同時に行われている。両方の熱を同時に利用できれば、大きな省エネ効果が期待できる。

省エネ技術のゆくえ

 大きな恩恵が期待できる一方で、デジタル省エネ技術の導入には課題もある。国際エネルギー機関(IEA)は、「HEMSの導入によって家庭のエネルギー効率は8~20%向上する」と試算しており、EMSの効果は大きいわけだが(注11)、現状ではHEMSやBEMSの導入は新築の建物が中心で、とても普及が進んでいるとはいえない状況だ。

 EMS導入の主な課題として、第一に互換性、第二にプライバシー保護、第三にサイバーセキュリティーへの対応が挙げられるが、いずれも技術的な指針が示されつつあると言えるだろう。互換性については、HEMSと家庭内機器の通信インターフェース規格として、ECHONET Lite(注12)が国際標準になっている。プライバシー保護とサイバーセキュリティーについては、EMSで収集した在室人数や外出頻度などのデータが目的外に利用されない仕組みが必要となるが、EMSデータなどの取り扱いについては、主に省庁が主導する検討会がいくつか開催されており、データの取り扱いについてマニュアル(注13)や指針の整備が進められている。

 すでに述べた三つのほかに、EMSそのものがあまり知られていないこと、省エネによるメリットが導入コストより小さいと認識されていること(注14)も、EMS導入に向けた課題となっている。いずれもその解決には消費者の意識改革が求められており、様々なメディアや手段を通じて省エネの重要性やメリットの浸透を図る必要がある。2021年4月、政府は30年度の温室効果ガス(GHG)削減目標を46%に上積みする方針を発表した。徹底した省エネが果たす役割は、今後ますます大きくなるだろう。

 4回にわたって省エネについて解説してきた。省エネは古くて新しいゼロ・カーボン対策であり、世界のエネルギーシステムを持続可能なものとする随一の「燃料」ともいえる。EMS(注15)に代表される新たな省エネ技術を積極的に導入し、自動、快適、高効率なエネルギー利用環境を整備しなければならない。エネルギー利用の「見える化」を進め、われわれの行動を「省エネファースト」へと変えていくことも、未来に向けた重要な課題である。

(注1)新田義孝、省エネルギーの考え、環境調和型エネルギーシステム,化学工業会他

(注2)U.S.Department of Energy,Innovation in Sensors and Controls for Building Energy Management,February 2020
https://www.nrel.gov/docs/fy20osti/75601.pdf(2021年4月27日アクセス)

(注3)(公財)東京都環境公社 ホームページ掲載 株式会社昌平不動産総合研究所 本郷瀬川ビル改修事例
https://www.tokyo-co2down.jp/wp-content/uploads/2021/02/honngousegawabiru-BEMS-dounyuujirei-.pdf(2021年5月21日アクセス)

(注4)平成22年度から実証事業が開始され、26年度までの実証事業によりHEMSや太陽光パネル、電気自動車が導入された。同プロジェクトは27年度からは実証から実装へ向けた取り組みが始まっている。
https://www.city.yokohama.lg.jp/kurashi/machizukuri-kankyo/ondanka/etc/yscp/yscp02.files/0003_20190312.pdf(2021年5月21日アクセス)

(注5)令和2年度バーチャルパワープラント構築実証事業成果報告
https://sii.or.jp/vpp02/conference.html(2021年5月12日アクセス)

(注6)東京都 次世代電力システムによる電力データ利用モデル構築に向けた実証実験プロジェクト 株式会社エナリス P2P 電力取引プラットフォームの社会実装に向けた実証事業を開始
https://www.eneres.co.jp/news/release/20200730.html (2021年5月12日アクセス)

(注7)経済産業省製造産業局自動車課 ITS・自動走行推進室、高度な自動走行・MaaS等の社会実装に向けた研究開発・実証事業
https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/sangyo_gijutsu/kenkyu_innovation/hyoka_wg/pdf/056_h02_00.pdf(2021年4月30日アクセス)

(注8)富士通 館林データセンター 省エネ運転マネジメントシステムの導入など
https://www.fujitsu.com/jp/services/infrastructure/data-center-services/idc/tatebayashi/green/index.html(2021年4月30日アクセス)

(注9)(一財)ヒートポンプ・蓄熱センター ヒートポンプについて
https://www.hptcj.or.jp/study/tabid/101/Default.aspx(2021年4月30日アクセス)

(注10)(一社)日本冷凍空調工業会
https://www.jraia.or.jp/product/heatpump/p_about.html(2021年5月7日アクセス)

(注11)IEA Energy efficiency 2019
https://iea.blob.core.windows.net/assets/8441ab46-9d86-47eb-b1fc-cb36fc3e7143/Energy_Efficiency_2019.pdf(2021年5月21日アクセス)

(注12)エコーネット規格 https://echonet.jp/spec_g/(2021年5月24日アクセス)

(注13)経済産業省スマートハウス・ビル標準・事業促進検討会 HEMSデータ利用サービス市場におけるデータ取扱マニュアル
https://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/shoujo/smart_house/pdf/009_s14_00.pdf(2021年5月24日アクセス)

(注14)リンナイ調べ「省エネ」に関する意識調査(2017年4月)
https://www.rinnai.co.jp/releases/2017/0522/(2021年5月24日アクセス)
内閣府世論調査 省エネルギー・新エネルギーに対する意識・関心について(2005年12月)
https://survey.gov-online.go.jp/h17/h17-energy/2-2.html(2021年5月24日アクセス)

(注15)IEA Energy efficiency The first fuel of a sustainable global energy system
https://www.iea.org/topics/energy-efficiency(2021年4月30日アクセス)

参考文献

IEA,Energy efficiency 2020 Report
https://www.iea.org/topics/energy-efficiency

IEA,Energy efficiency and digitalization
https://www.iea.org/articles/energy-efficiency-and-digitalisation

IEA,Case Study:Artificial Intelligence for Building Energy Management Systems
https://www.iea.org/articles/case-study-artificial-intelligence-for-building-energy-management-systems

化学工学会&環境パートナーシップCLUB共編『環境調和型エネルギーシステム』(槇書店、2002年11月)

IRENA,Innovation landscape for a renewable-powered future
https://www.irena.org/publications/2019/Feb/Innovation-landscape-for-a-renewable-powered-future

IEA,Digitalization and Energy
https://iea.blob.core.windows.net/assets/b1e6600c-4e40-4d9c-809d-1d1724c763d5/DigitalizationandEnergy3.pdf

プロフィル
岩井 雅美氏( いわい・まさみ
 1965年生まれ。東京理科大学工学部工業化学科卒業。2019年より日本エネルギー経済研究所勤務。


  古くて新しいゼロ・カーボン対策:省エネルギー <1>省エネはなぜ重要なのか? へ 
  古くて新しいゼロ・カーボン対策:省エネルギー <2>日本の省エネ政策 へ 
  古くて新しいゼロ・カーボン対策:省エネルギー <3>海外の省エネ政策 へ 

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2109886 0 経済・雇用 2021/06/08 16:24:00 2021/06/09 12:31:56 2021/06/09 12:31:56 https://www.yomiuri.co.jp/media/2021/06/20210607-OYT8I50067-T.jpg?type=thumbnail

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