平成13年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名 エネルギー利用の高効率化と環境影響低減化
 
研究プロジェクト名 環境負荷低減を目的とした新しい自律分散型都市エネルギーシステム
 
(英文名) Distributed Autonomous Urban Energy Systems for Mitigating Environmental Impact
 
研究期間 平成9年度 〜 平成13年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 529,190千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
辻 毅一郎 ・大阪大学 ・大学院工学研究科 ・教授 内訳 平成 9年度106,624千円
平成10年度120,971千円
平成11年度110,881千円
平成12年度90,240千円
平成13年度100,474千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
笠原三紀夫 京都大学・大学院エネルギー科学研究科・教授 総合リサイクルシステム
水野 稔 大阪大学・大学院工学研究科・教授 熱エネルギー流通システム
伊瀬 敏史 大阪大学・大学院工学研究科・助教授 電気エネルギー流通システム
坂 志朗 京都大学・大学院エネルギー科学研究科・教授 バイオマス利用の高度化
石原 慶一 京都大学・大学院エネルギー科学研究科・助教授 マテリアルリサイクル
伊東 弘一 大阪府立大学・大学院工学研究科・教授 熱供給システム最適化
長谷川 淳 北海道大学・大学院工学研究科・教授 電気エネルギー流通システム

2.研究計画の概要

民生部門の集積した「都市」に焦点を当て、快適性、経済性、セキュリティの確保に留意しながら、エネルギーの有効利用、環境への影響を軽減した「自律分散・環境低負荷型の都市」を提案し、その具体像を明らかにする。以下の4分野について研究を行う。

1) 都市の中心部などの比較的小さな地域のエネルギー供給全般を担う、地域特定型の「総合エネルギーサービスシステム」の概念を提案し、そこへ導入すべき新しい電気エネルギー流通システムと熱エネルギー流通システムの提案を行うとともに、総合エネルギーサービスシステムの計画に関する方法論を展開し、実地に即したデータに基づいてその具体像を明らかにする。
2) 使い捨て消費社会から脱却し、環境にやさしい循環型未来社会の構築に資することのできる新しい「総合リサイクルシステム」の概念を提案する。要素技術としてリサイクル時にエネルギー消費を削減可能な金属材料の開発、バイオマス資源の有用ケミカルズ化の技術を開発するとともに、総合リサイクルシステムの導入に伴う環境影響低減効果の評価に関する論理を展開し、実地に即したデータに基づいてその具体像を明らかにする。

3) エネルギー計画に不可欠な需要データのデータベースを作成する。住宅部門については計測調査を行いデータ取得を行うとともに、住宅部門におけるエネルギーの高効率利用や環境影響低減化の方策を論じる。

4) 実地に即した計画の実行を容易にするコンピュータ支援計画システムを開発する。



3.研究目的
1)総合エネルギーサービスシステム:(1-1)計画立案のための学術的方法論を確立するとともに、実際に即したエネルギー計画に適用して、従来システムとの比較の上での優位性を検証する。(1-2)品質別電力供給を可能とする新しい電気エネルギー流通システム(略称:FRIENDS)の概念を取り入れ、その核となる「電力改質センター」のハードウェア構成の開発、および配電ネットワークの計画と運用に関する最適化を行う。(1-3)廃熱の有効利用や上水道を熱搬送に利用する新しい熱エネルギー流通システムを提案する。(1-4)エネルギー計画における入れ子型階層構造を踏まえ、自律分散型都市エネルギーシステムの計画法を確立する。
2)総合リサイクルシステム:(2-1)技術的構成要素として、特殊な条件下で自己粉砕しリサイクル時のエネルギー消費量を低減する新しい金属材料を開発する。(2-2)未利用材や廃材などのバイオマスをエネルギー源や有用な化合物として有効利用するための分解法を確立する。(2-3)都市における生産活動や輸送・日常生活などにより排出される汚染物質の環境への影響評価法を確立し、(2-1)・(2-2)を始めとする高度なリサイクルシステムの導入に伴う環境影響の評価を行う。
3)エンドユースデマンドの計測と分析: 総合エネルギーサービスシステムの計画に不可欠な、冷房、暖房などの用途別最終エネルギー需要(エンドユースデマンド)データを得るため、一般住宅における電力・都市ガス需要の計測調査を行う。得られたデータに基づいて、住宅部門におけるエネルギーの高効率利用、環境負荷低減へ向けての様々な視点からの分析を行う。
4)コンピュータ支援計画システムの開発:総合エネルギーサービスシステムや総合リサイクルシステムの計画を系統的にかつ定量的に行うコンピュータ支援計画システムを開発する。ここでは、都市施設の鳥瞰図、配管図、エネルギーフロー図などを活用し、仮想空間で計画内容の疑似体験が可能な、高度に可視化されたユーザーフレンドリーなシステムの開発を目標とする。

4.研究成果の概要
4−1 研究計画、目的に対する成果
1)総合エネルギーサービスシステム:(1-1)同システムの概念を確立し、対象地域全体にわたって最適なエネルギー計画を行う多目的数理計画モデル、地域熱供給のプラントならびに配管の最適化及び地区の電力供給ネットワークの最適化をそれぞれ行う数理計画モデルの合計3種を構築した。計測調査結果を利用して、4地域(茨木、豊中、千里、精華町)の実データに基づいてエネルギー計画を実施。CO2排出量、一次エネルギー消費量、コストのトレードオフから見た最適エネルギーシステムを明らかにするとともに、結果の普遍性を論じた。CO2排出量、一次エネルギー消費量の半減のシナリオも見いだした。(1-2)品質別電力供給を可能とする電力改質センターの回路構成を数種類提案した。2種類については実験も行い、所期の性能を確認した。三相四線式品質別電力供給装置は日米両国における特許を取得。(1-3)上水道を熱搬送に用いると給湯需要が40%程度が削減されることを示した。(1-4)地域における最適化計画を順次行うことが全体の最適化にも繋がることを明らかにした。
2)総合リサイクルシステム:(2-1)鉄-ミッシュメタル系水素吸蔵合金を用いたネジを作成。予定した条件の下でネジが破壊されることを確認した。リサイクルシステムの環境影響低減効果を評価するための指標を新たに定義し、このネジを家電リサイクルに取り入れた場合の影響を評価。(2-2)超臨界水処理と酵素糖化を組み合わせたエタノール生産プロセスを提案し、小規模なプラントが設計可能であることを示した。バイオマス賦存量のデータベースを作成。(2-3)環境負荷低減効果の定量的評価手法としてLCAを実施するための精度の高いインベントリーデータベースの構築を行い、Webサイトで公開。京都市を対象として、プラスチックリサイクル、間伐材利用をとりあげ具体的評価を行った。
3)エンドユースデマンドの計測と分析:住宅66軒における長期間(1年以上)のエネルギー需要計測を実施。用途別エネルギー需要の推定のためのアルゴリズムを確立、用途別月別日負荷曲線を得た。待機時消費電力・暖房用エネルギー・マイクロコージェネの導入効果の分析、ボトムアップシミュレーションモデルの開発などにも活用。
4)コンピュータ支援システムの開発:都市施設・エネルギーシステム代替案及び需要の設定、都市エネルギー多目的最適化モデル及び配管最適化計画モデルによる最適化支援、地図と3次元景観表示、エネルギーフロー・配管ルートの可視化表示、各種シナリオの管理・データ比較等の機能をもつ実用レベルの支援システムを構築。

4−2 研究計画、目的外の成果
電力需要表示システムを需要家に設置することの省エネ効果

○省エネナビの設置による省エネ効果
(財)省エネルギーセンターが推奨する省エネナビを設置しその効果を実測負荷持続曲線により明らかにした。
○新しい電力消費情報表示システム(ECOIS)の構築と実験
前日までの計測結果を可視化して表示し、需要家への情報提供を図る電力需要表示システムを構築し、9軒の世帯に実際に設置してその効果を検証した。設置前後の負荷持続曲線の分析から、テレビやステレオ等、各電気機器の消費電力が削減される様子を明らかにした。



4−3 研究成果の展望
1)都市におけるエネルギー計画の方法は、その視点の捉え方により多様である。本研究では、総合エネルギーサービスシステムという新しい形態のエネルギー事業が可能であるとの想定のもとに、その有効性を論じた。開発したモデルは汎用性があり、自治体、エネルギー事業者、コンサルなどに利用されることが期待できる。エネルギー・資源学会では、都市エネルギーに関するセッションが設けられる機会が増えた。また、開発したコンピュータ支援計画システムは、ユーザがその中核となる計画モデルの意図さえ理解すれば、モデル開発の手間やデータ収集の手間が省け、極めて短時間に種々の前提条件の想定に対応した解を示すことができる。国際シンポジウムでは2時間にわたるデモを実施した。今後、コンサルなどを通し各地自治体のエネルギービジョン策定等に用いられるようになると期待できる。
2)自己粉砕するネジを開発、製作したこと自体に大きな意義があるが、そこに止まらずその技術が総合リサイクルシステムに及ぼす影響を評価するというシステムアプローチを積極的に行ったことは、エネルギー科学という複合領域における新機軸を確立する意味でインパクトが大きい。超臨界水処理によるバイオマス資源の有効利用に関しても、技術開発はむろんのこと、その技術のもつ社会的意義について、システム的アプローチで評価を行ったことも同様の意味でインパクトが大きい。さらに、LCAによる評価の重要性は論を待たないが、それを実施するには精度の高いインベントリーデータベースが不可欠である。本研究ではそのデータベースを構築しURLで公開した。そのダウンロード利用数はすでに107を数えている。
3)一般住宅66軒における電力・都市ガス需要の自動計測は、これまでに例をみない大規模なもので、得られたデータに対し、都市ガス会社、電力会社、住宅メーカ、自治体、空気調和衛生工学会、建築学会、IEA(国際エネルギー機関)、BRANZ(ニュージーランド建築研究所)、LBNL(ローレンスバークレー研究所)などから関心が寄せられている。エネルギー資源学会でも計測に関する研究発表数が増加しており、本研究が与えたインパクトは大きい。本計測調査が契機となり今後計測がより広く行われるようになるとともに、学術的基盤に基づいた省エネ方策立案に役立つものと期待される。
4)電力自由化に伴い品質別電力供給のニーズがここ2年ほどの間に高まってきている。FRIENDSはこれに応えるものでありエネルギー事業やユーザーサイドから大きな関心が寄せられている。本研究の技術的・システム論的インパクトは大きく、外国における学会でFRIENDSに関する特別セッションが設けられる機会も増加している。

4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
1)総合エネルギーサービスシステムの概念は、本研究の開始当初ではまだ一般的にはなじみがなかった。本研究ではそうした新しい概念のもとでの計画論を展開し、それが一次エネルギー消費やCO2排出削減に効果的であることを、数理計画モデルによる解析によって明らかにすることができた。各地の自治体において未来に繋がるエネルギービジョンの策定が行われているが、本研究の成果はそうした策定を論理的根拠を持って行えるようにした。これまで、種々の観点からの都市エネルギー計画モデルが開発されてきたが、構築されたモデルが広く利用された形跡は余り見えない。本研究では開発したモデルをコンピュータ支援システムの中核に据え、計画に必要なデータベースをも備えることで汎用性を持たせ、当事者が実地に使用しやすい環境を開発できた。
2)総合エネルギーサービスシステムの構成要素の一つとして考えたFRIENDSは、現在でも配電システムが既に整備された現場ではなかなか受け入れられにくい近未来的電力流通システムである。本研究において、技術面における基礎的な検討は当初の予想よりはるかに速やかに進行し、適切な新規フィールドがあれば、実証研究の実施も直ちに可能である状況にまで達した。分散型電源の大量普及をスムースに進行させるには、既存の配電システムに替わる新しい形の電力流通システムが必要であり、その実現形態の一つを明示できた意義は大きい。
3)本研究における総合リサイクルシステムという共通概念を通して、単発的に行われてきた個別技術の開発が、つねにその効果を評価しつつ行われるようになった。システム的アプローチが有効であることを本研究を通じて実践的に示したことは複合領域の学問形成に資するところが大きい。また、インベントリーデータベースの構築は、LCAを一般的に普及させるのに極めて有効である。
4)未来の住宅においては、各種の家庭内情報ネットワークが常備され、情報家電が普及している。そのような新しい情報インフラのもとで、住宅における省エネ制御は極めて高度になるであろう。またエネルギー消費のオンライン計測も安価に行えるようになる。本研究におけるエネルギー需要の本格的計測は、大型の支援によって始めて可能となったものであるが、それによって得られた多くのデータは将来の住宅における省エネ制御及び方策の策定に有益である。現在では各方面で計測調査が計画されている様子で、本研究の計測調査がその先駆けとして果たした役割は極めて大きい。

5.キーワード

(1)都市エネルギー計画、(2)FRIENDS、(3)地域熱供給
(4)コージェネレーション、(5)マテリアルリサイクル、(6)バイオマス
(7)インベントリーデータ、(8)環境負荷評価、(9)エンドユースモデル

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
K. Nansai, S. Tohno, M. Kono and M. Kasahara Effects of electric vehicles (EV) on environmental loads with consideration of regional differences of electric power generation and charging characteristic of EV users in Japan
学術雑誌名 ページ 発行年
Applied Energy 71 ??? 111-125 2002

全著者名 論文名
R. Holler, S. Tohno, M. Kasahara and R. Hitzenberger Long-term characterization of carbonaceous aerosol at Uji, Japan.
学術雑誌名 ページ 発行年
Atmos. Environ 36 ??? 1267-1275 2002

全著者名 論文名
佐々木孝志,北 裕幸,原 亮一,田中英一,長谷川淳 SMESによるパワーコンディショニング機能を考慮した電力改質センター低圧側内部構成
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B分冊 121-B 10 1353-1360 2001

全著者名 論文名
Takashi Sasaki, Hiroyuki Kita, Ryoichi Hara, Eiichi Tanaka, Jun Hasegawa Interior Structurre of Quality Control Center at the Low Voltage Side Considering the Power Conditioning by SMES
学術雑誌名 ページ 発行年
The Transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 121-B 10 1353-1360 2001

全著者名 論文名
原清信、石原慶一、嵐紀夫、稲葉敦 都市への太陽、未利用エネルギー、コジェネレーション導入時のCO2 削減可能量評価
学術雑誌名 ページ 発行年
エネルギー・資源 22 ??? 475-481 2001

全著者名 論文名
原 亮一,北 裕幸,田中英一,長谷川淳,伊与田功 FRIENDSにおける系統構成変更のためのサイリスタスイッチの強制消弧方式
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B分冊 121-B 12 1642-1649 2001

全著者名 論文名
Ryoichi Hara, Hiroyuki Kita, Eiichi Tanaka, Jun Hasegawa, Isao Iyoda Turn Off Scheme of the Thyristor Switches for the Network Reconfiguration In FRIENDS
学術雑誌名 ページ 発行年
The transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 121-B 12 1642-1649 2001

全著者名 論文名
林祐輔、伊瀬敏史、辻毅一郎 三相四線式交流を用いた品質別電力供給装置
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B分冊 121-B 12 1777-1785 2001

全著者名 論文名
Yusuke Hayashi, Toshifumi Ise, Kiichiro Tsuji Unbundled Power Quality Supply System with Three-Phase Four-Wire ac System
学術雑誌名 ページ 発行年
The Transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 121-B 12 1777-1785 2001

全著者名 論文名
R. Yokoyama and K. Ito A Novel Decomposition Method for MILP and Its Application to Optimal Operation of a Thermal Storage System
学術雑誌名 ページ 発行年
Energy Conversion and Management 41 16 1781-1795 2000

全著者名 論文名
奈良宏一、三島裕樹、田口晃 高柔軟・高信頼電気エネルギー流通システム(FRIENDS)の最適系統構成決定手法
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B 120-B 8/9 1091-1097 2000

全著者名 論文名
Koichi Nara, Yuji Mishima, Akira Taguchi Determination Method for Optimal Network Configuration of Flexible, Reliable and Intelligent Electrical Energy Delivery System(FRIENDS)
学術雑誌名 ページ 発行年
The Transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 120-B 8/9 1091-1097 2000

全著者名 論文名
安芸裕久、大山力、辻毅一郎 都市域の総合エネルギー供給におけるエネルギー料金とその環境負荷低減効果に関する分析
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B 120 12 1671-1680 2000

全著者名 論文名
Hirohisa Aki, Tsutomu Oyama, Kiichiro Tsuji Analysis on Energy Pricing of Total Energy Supply Systems In Urban Area and Its Reduction Effect on Environmental Impact
学術雑誌名 ページ 発行年
The Transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 120 12 1671-1680 2000

全著者名 論文名
T. Yamamoto, S. Ito, A. Otsuki, K. N. Ishihara and P. H. Shingu Synthesis of New Recyclable Materials based on the Active Disassembly
学術雑誌名 ページ 発行年
Trans. MRS-J ??? ??? ??? 2000

全著者名 論文名
黒田知宏、中村厚志、眞鍋佳嗣、千原國宏 エネルギー消費のインタラクティブ情報視覚化システム
学術雑誌名 ページ 発行年
可視化情報 20 2 55-56 2000

全著者名 論文名
横山良平,伊東弘一 ミニマックス機会損失基準によるエネルギー供給システムの多目的ロバスト最適設計
学術雑誌名 ページ 発行年
日本機械学会論文集C 66 650 3413-3420 2000

全著者名 論文名
横山良平,長谷川泰士,伊東弘一 混合整数線形計画法の一分解法によるエネルギー供給システムの機器構成最適化
学術雑誌名 ページ 発行年
日本機械学会論文集C 66 652 4016-4023 2000

全著者名 論文名
坂志朗 超臨界水による木材の化学変換
学術雑誌名 ページ 発行年
APAST 35 4 5-10 2000

全著者名 論文名
南斎規介,安座間信暁,東野達,森口祐一,笠原三紀夫 産業連関表を用いたわが国における人為起源の粒子状物質排出量の推計と解析
学術雑誌名 ページ 発行年
エアロゾル研究 15 4 353-363 2000

全著者名 論文名
南斎規介,公野元貴,東野達,笠原三紀夫,森口祐一 電気自動車のインフラストラクチャーに関するライフサイクル分析
学術雑誌名 ページ 発行年
エネルギー・資源 21 3 274-281 2000

全著者名 論文名
伊藤傑,山本武志,大槻徴,石原慶一,新宮秀夫 鉄製粉末冶金材料におけるアクティブディスアセンブリー志向のリサイクル技術の開発
学術雑誌名 ページ 発行年
粉体および粉末冶金 47 ??? 364-368 2000

全著者名 論文名
原亮一,北裕幸,田中英一,長谷川淳 FRIENDSにおける多品質電力供給を考慮した電力改質センター低圧側内部構成
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌B分冊 120-B 11 1451-1458 2000

全著者名 論文名
Ryoichi Hara, Hiroyuki Kita, Eiichi Tanaka, Jun Hasegawa Interior Structure of Quality Control Center at the Low Voltage Side for the Customized Power Quality Service In FRIENDS
学術雑誌名 ページ 発行年
The transactions of The Institute of Electrical Engineers of Japan 120-B 11 1451-1458 2000

全著者名 論文名
水野稔 水の活用による都市エネルギーシステムの改善
学術雑誌名 ページ 発行年
都市問題研究 51 8 32-44 1999

全著者名 論文名
S. Saka, T. Ueno Chemical Conversion of Various Celluloses to Glucose and Its Derivatives in Supercritical Water
学術雑誌名 ページ 発行年
Cellulose 6 3 177-191 1999

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
Hideharu Sugihara, Ryo Takao, Kiichiro Tsuji, Ryohei Yokoyama, Koichi Ito and Koichi Nara A Planning Model of Integrated Energy Service Systems for a Specific Area
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
IFAC on Large Scale Systems: Theory and Applications Romania ??? 164-169 2001

全著者名 論文名
R. Yokoyama and K. Ito Evaluation of Operational Performance of a Gas Turbine Cogeneration Plant With Intake Air Cooled by Ice Storage
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
the 45th ASME Gas Turbine and Aeroengine Technical Congress, Exposition and Users Symposium Munich 2000-GT-304 1-8 2000

全著者名 論文名
Aki, Oyama, and Tsuji Analysis on the Energy Pricing and its Reduction Effect on Environmental Impact in Urban Area including DHC
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
IEEE Power Engineering Society, Winter Meeting Singapore ??? ??? 2000

全著者名 論文名
M. Kasahara, S. Akashi, C.J. Ma and S. Tohno Fixation and chemical analysis of single liquid particle
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Nucleation and Atmospheric Aerosols 2000 (Ed. Hale and Kulmala) Am. Institute of Ph AIP Conference Proce 736-739 2000

全著者名 論文名
Masakazu Takami, Toshifumi Ise and Kiichiro Tsuji Studies toward a Faster, Stabler and Lower Losses Transfer Switch
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
IEEE-PES Winter Meeting Singapore ??? ??? 2000

全著者名 論文名
K. Nara, Y. Mishima, J. Nakamura and H. Omi, Loss Minimum Operation of Flexible, Reliable and Intelligent Electrical Energy Delivery System
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
the International Conference on Electrical Engineering '00 ??? ??? 314-317 2000

全著者名 論文名
K. Tsuji, O. Saeki, A. Suzuhigashi, F. Sano, T. Ueno An End-Use Energy Demand Monitoring Project for Estimating the Potential of Energy Savings in the Residential Sector
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings USA ??? .No.2-311-322 2000

全著者名 論文名
Kiichiro Tsuji, Koichi Nara, Jun Hasegawa and Tsutomu Oyama Flexible, Reliable and Intelligent Electric Energy Delivery System: Concepts and Perspectives
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
American Power Conference ??? 61-I 504-511 1999

全著者名 論文名
K. Nara and J. Hasegawa, Configuration of New Power Delivery System for Reliable Power Supply
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
IEEE PES Summer Meeting ??? ??? 248-253 1999

C.著書(Books)
全著者名 書名
笠原三紀夫,東野達 坂志朗編 バイオマス・エネルギー・環境
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
アイピーシー出版 ??? ??? 21-48 2001

全著者名 書名
南英治, 坂志朗 坂志朗編 バイオマス・エネルギー・環境
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
アイピーシー出版 ??? ??? 60-103 2001

全著者名 書名
江原克信, 坂志朗 坂志朗編 バイオマス・エネルギー・環境
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
アイピーシー出版 ??? ??? 251-260 2001

全著者名 書名
坂志朗 坂志朗編 バイオマス・エネルギー・環境
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
アイピーシー出版 ??? ??? 291-313 2001

D.特許等取得状況
特許等名称 発明者名
品質別電力供給装置 辻 毅一郎、伊瀬 敏史
権利者名 種類 出願番号 出願年月日 設定登録年月日
大阪大学長 発明 特願平11-027286 平成11年2月4日 平成11年11月5日


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