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ひろきふしはら
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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 )

1 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) や超小形ガスエン注 1) ジン (GE) の開発が進み住宅への熱電併給装置 (CGS) 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 ( ) 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 1

2 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湯水素隣との間に配管改質器貯湯槽水素貯蔵燃料電池電力既存の配電網エネルギー融通図 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 2

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

3 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 ( 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 3

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

4 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 4

5 成果 - 街区レベルに適用可能な戸建住宅向けシステム CO 2 :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 #1 世帯 #2 世帯 #3 世帯 #4 世帯 #5 世帯 #6 世帯 #7 世帯 #8 配電網都市ガス水素融通網未利用水素湯融通網燃料電池改質器ボイラ貯湯槽湯ポンプ水素貯蔵水素ポンプ図 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 ) 5

6 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] CO2 排出量 (C-t/ 年 ) a-b-c a: FC 台数 b: 改質器台数 c: エネルギー融通可否 (y/n) 4-4-y 4-3-y 3-3-y 3-2-y 2-2-y 4-4-n 3-3-n 2-2-n 1-1-n 2-1-y 0-0-n ( 従来ケース ) 1-1-y エネルギー費用 ( 百万円 / 年 ) 図 5 提案システムの効果の分析 ( エネルギー費用と CO 2 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 6

7 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 5 水曜日, 夏期, w cost = 0.5, 4-3-y 5 水曜日, 冬期, w cost = 0.5, 4-3-y FC 出力 (kw) FC7 FC5 FC3 FC 時刻 FC 出力 (kw) FC7 FC5 FC3 FC 時刻夏期図 6 燃料電池の最適運用方策の例冬期成果 - 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注 2) 集合住宅向けシステム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 台 ) との組合せについて分析を行った結果 PEFC の代数が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 7

8 原動機配電網都市ガス水素配管温水配管 PEFC 改質器 PSA 貯湯槽温水ポンプ水素貯蔵今後の予定と課題図 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 [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 [IHEJ 2003] Penetration of Residential Fuel Cells and CO 2 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 [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 , PSE /3/2R0

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<4D F736F F D2089C692EB BF B C838C815B CC AF834B E2895BD90AC E368C8E29> 運転音に配慮した家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの据付けガイドブック平成 28 年 6 月燃料電池実用化推進協議会目次エネファームの運転音について 1 エネファームの据付け要領 2 1. 据付け場所の選定 2 2. 据付け方法 2 3. 試運転時の確認 2 4. 据付け後の対応 2 表 1 の据付け場所に関する配慮点 3 表 2 据付け推奨例 4 エネファームの運転音について家庭用燃料電池コージェネレーションシステム