電力増加率 - 佐藤春樹
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Transcript 電力増加率 - 佐藤春樹
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
2008年11月12日
環境・エネルギー論
「１００億人グローバルサステイナブルビジョン」
システムデザイン工学科教授 佐藤春樹
1
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
Average Temperature of Cities in deg.C
Heat Island in Cities
Tokyo
New York
Paris
Tokyo
New York
Paris
World average
Japan Meteorological Agency (March 2007)
http://www.data.kishou.go.jp/climate/cpdinfo/himr/2006/himr2006.pdf
2
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
104 m× 104 m
＝ 108 m2
太陽熱
0.5 kW/ m2
とすると
5000 万kW
●火力発電所 (2677.1万kW)
01：東京電力（株）横須賀火力発電所 02：東京電力（株）南横浜火力発
電所 03：電源開発 磯子火力発電所 04：東京電力（株）横浜火力発電
所 05：東京電力（株）川崎火力発電所 06：東京電力（株）東扇島火力発
電所 07：東京電力（株）大井火力発電所 08：東京電力（株）品川火力発
電所 09：東京電力（株）千葉火力発電所 10：東京電力（株）五井火力発
電所 11：東京電力（株）姉崎火力発電所 12：東京電力（株）袖ヶ浦火力
発電所 13：東京電力（株）富津火力発電所 14：君津共同火力（株）君津
共同発電所
●製鉄所
15：JFEスチール（株）東日本京浜地区 16：JFEスチール（株）東日本千
葉地区 17：新日本製鐵（株）君津製鉄所●製油所 18：日本石油精製
（株）根岸製油所 19：日本石油精製（株）横浜製油所 20：東亜石油（株）
川崎製油所 21：東燃ゼネラル石油（株）川崎製油所 22：コスモ石油（株）
千葉製油所 23：極東石油（株）製油所 24：出光興産（株）千葉製油所
25：富士石油（株）袖ケ浦製油所
●ガス工場
26：東京ガス（株）根岸工場 27：東京ガス（株）扇島工場 28：東京ガス（
株）袖ヶ浦工場
●造船所
29：（株）IHIマリンユナイテッド 30：住友重機械マリンエンジニアリング（株
）横須賀造船所 31：三井造船（株）千葉事業所
●自動車組立工場
32：日産自動車（株）追浜工場 33：日産自動車（株）横浜工場
東京湾環境情報センター
http://www.tbeic.go.jp/kankyo/sangyo.asp火力発
電所設備概要http://www.tepco.co.jp/tp/list/indexj.html
東京湾にそんなに熱を捨てても大丈夫？
3
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
排熱温度を環境温度と等しくして環境負荷をゼロにできる
カルノーは熱の価値を明らかにした！
熱Qに (1− T0/T ) を掛けたものをエクセルギーと呼びます
e＝Q×(1− T0/T )
※ 解釈：
私の話の内容Qのレベル T が、皆さんの知識のレベル T0 と等しいとき、皆さんに対して私が
した仕事 e はゼロです。
エクセルギーとは熱の中にある本当の（仕事分の）エネルギーです。
Q =1 のとき e = 0.1 ならば，電気(e) 0.1 で，Q =1 の熱をつくることができます。
このとき成績係数 COP = 10 です。
熱は温度というポテンシャルを用いて本当のエネルギーに換算する必要があります。
（人も熱意がないと価値がない？）
前のスライドで廃熱量の大きさで脅かしましたが，環境温度に等しい廃熱は、環境に負荷を
与えません。廃熱エクセルギーがゼロになるからです。
4
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
淡水の必要性
１．地球温暖化防止・海水面上昇防止
２．エネルギー資源の枯渇
３．水の確保：地球温暖化対策を含むサステナビリティの切り札
＝人の生活・衛生・安全（現在でも一人当たり４Lの蒸留水生産）
＝自然環境の安全確保： 都市・大気の水循環確保
＝砂漠の拡大防止： 森林・食料の確保
第１回アジア・太平洋水サミット（２００７．１２．３－４＠大分県別府市）
第５回世界水フォーラム（２００９．３．１６－２２＠イスタンブール、トルコ）
5
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
Water is important?
Under
How
a tree, there is a large water jar.
trees bring water to each leaves?
6
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
自然環境では目に見えない水（水蒸気ガス）が
熱を運んでいます
ポンプ無しに膨大な数の木の葉の
葉面の隅々に水が供給され蒸散しています
汗をかく車？
葉脈：the veins of leaves
7
7
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
２．自然エネルギーに加えて、自然の仕組みに着目する
木陰の快適さ
外気温より低温で
蒸散により排熱
外部も涼しく
（外気温−3)℃
冷却塔
8
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
Heat Island
Transpiration
(water vaporization)
waste heat of
cooling tower
waste heat
from indoors
sensible heat from wall
retain water
lower temperature
sewage
dry
high temperature
9
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
within
house
natural
environment
Amenity
space will
require
energy
consumption.
Artificial Environment
community
for people’s Life
minimum
completely
conditioned
space
Safe and
Secure
symbiosis
human being
Energy consumption
nature
Energy conservation
keeping
to be gentle
10
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
焦点１＝人 ： 焦点２＝自然
ヒートアイランド
地球温暖化
水＋食料＋エネルギー資源
11
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
これからはーインタフェース環境の創造ー自然に学ぶ
人に優しい ： 内部的インターフェース環境
自然に優しい ： 外部的インターフェース環境
Transpiration
(water vaporization)
外部的
waste heat of
cooling tower
waste heat
from indoors
内部的
sensible heat from wall
＋
内部（屋内）環境
retaining water
sewage
dry
high temperature
lower temperature
インターフェース環境
外部（野生・自然・地球）環境
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水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
Experiments
of decompression boiling
13
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
Delicate phenomena
for natural-energy utilization
20
15
15
(T -T cool) / K
(T -T cool) / K
20
10
Heater
10
5
Evaporator
5
Condenser
0
0
0
1
time/ h
2
0
1
2
time / h
14
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
エネルギーの利用：「低温廃熱空調は可能です」
35℃
冷たい空気で排気
外はより熱く
陽が当たっても
熱くならない
屋根と壁
屋根も道路も60℃
35℃
熱い空気で換気
陽が当たっても
熱くならない
水の蒸散
建物内部
エアコン
陽が当たっても
熱くならない
水の蒸散
27℃
27℃
厨房用
6%
冷房用
9%
この部分は
排熱
および
太陽熱を利用
熱を右から左
へ移動
給湯用
21%
電力用
一次エネルギー 43%
CEMS：
二酸化炭素排出量
５０％削減に向けて
消費量
暖房用
21%
熱が必要なときは
発電も行う
＝電力託送
15
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
クラスター型エネルギー管理システム
Cluster Energy Management System
＜民生用エネルギー消費削減のための具体的提案＞
•
家庭や事業用のいわゆる民生用エネルギー需要のうち５０％以上は熱需要： 発電時の排熱およ
び再生可能エネルギーで、給湯・暖房・冷房など熱需要を賄い大幅な省エネルギーを実現するシ
ステム
–
空調、飲食店給湯、銭湯など、あらゆるボイラーの発電機化
• 熱需要のあるところに熱需要容量に合わせた大きさの発電機を設置
–
排熱は近くで消費、電力は距離に関係なく思い切って融通し合う
• 電力の過不足は商用系統電力を含む外部電力と融通し合う
–
熱電比・需要時間のずれ・需要空間（距離）を問題としない
• 電源コジェネレーション＋蓄熱槽（隣組？）＋電力託送
–
社会認知とソフトウエア整備を行えば，現在の技術ですぐに実行可能
• 寒冷地では５０％以上の省エネルギー＋二酸化炭素削減
16
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
冷暖給湯
モビリティ
冷暖給湯
モビリティ
2000年度日本の家庭部門用途別CO2排出割合
（全国地球温暖化防止活動推進センターホームページより）
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水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
二酸化炭素排出量５０％削減に向けてのCEMS
（クラスター型エネルギー管理システム）
厨房用
6%
冷房用
9%
この部分は
発電時等の排熱
および
太陽熱を利用
給湯用
21%
対策1：
コージェネレーションの省エネ活用
①熱需要地に設置＋②電力託送
一次エネルギー
消費量
暖房用
21%
電力用
43%
対策2：
自然エネルギー
風力発電
太陽電池
太陽熱
バイオマス
2002年度日本の業務部門用途別一次エネルギー消費
（省エネルギーセンター資料よりの概算）
18
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
日本の発電設備稼働率は低い
＝ 電力消費の平準化が必要
電源高稼働率が課題
ドイツ
フランス
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ •
ÅB
英国
米国
日本
縦軸（負荷率）＝（年平均需要電力）／（最大需要電力）
19
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
CEMSの持続型エネルギー供給イメージ
コージェネレーション電源
負荷変動用火力サイクル
電
力
消
費
電力
電力
熱利用
廃熱
廃熱
外気温度に依存して変動する分は主に暖房・冷房・給湯である。これらの熱
需要は、発電時の排熱で賄うようにすべきである。
＝ 熱需要のあるところには、熱需要に見合う分散電源を設置。電力は、買
電あるいは電力託送で需要に合わせる。
熱利用
原子力や石炭を含む火力コンバインドサイクルの
年間定格運転を基礎とする系統電力供給分
冬
中間期
夏
中間期
20
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
商用系統電力の電源構成
揚水式水力
供ピ
給ー
用ク
電力 [kW]
石油
LNG、LPG、
その他ガス
揚水式動力
供ミ
給ド
用ル
石炭
供ベ
給ー
用ス
原子力
一般水力
1
3
5
7
9
11 13
時刻 [h]
15
17
19
21
23
東京電力、電源構成比の推移、
http://www.tepco.co.jp/corp-com/db/supplyFacilities/GeneCapacity-j.html
21
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
３６５日購入ピーク電力 [kW]
慶應義塾大学湘南藤沢キャンパス（SFC）の電力消費量
2004年11月から
2005年10月までの
毎日のピーク電力消費量
ＣＧＳ無し
現状600 kW CGS
電力託送無し 2550 kW ＣＧＳ
電力託送有り 3800 kW ＣＧＳ
温熱でも冷熱でも熱を使うところは、できる限り発電もする。
熱は輸送が難しい、電気は輸送が簡単
地域冷暖房はエクセルギーの小さな熱を高価な配管で輸送する無駄
例えば「銭湯を発電所にしましょう。」
22
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
7
慶應義塾大学湘南藤沢キャンパス（SFC）の電力消費量
3,000
T = 日平均気温 [℃]
電力需要 [kWh]
2,500
2,000
1,500
最大電力消費
2005年4-7月（平日）
15 ≦ T < 20 （4月のみ）
20 ≦ T < 25
分散電源の
排熱と自然
エネルギーで
賄う
15 ≦ T < 20
25 ≦ T < 30
1,000
500
購入電力が約１０００ ｋＷで平準化され
基本契約電力が１／３になる可能性
分散電源の発電分
30 ≦ T < 35
電源容量は排熱利用量で定める
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
時間 [h]
23
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
慶應義塾5キャンパスの熱需要と電力需要
24
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
矢上キャンパスの設備とエネルギー消費実態
• 設備状況
受電電力
ガス（空調用）
300
25
20
200
15
150
10
100
50
5
0
0
6月
8月
10月 12月
2月
空調用はガス依存率が高い
25
月平均気温 [ ℃ ]
250
4月
期間 2005.4-2006.3
30
2
300kW、CGS2台
中央熱源
・14棟・・・温水吸収式冷温水発生機、
冷温水発生機2台、
ヒートポンプ冷凍機等2台
・11棟・・・吸収式冷温水発生機(ガス)
個別熱源
・ガスヒートポンプ(GHP)・・・153台
・パッケージエアコン(PAC)・・・15台
一次エネルギー消費量 [MJ/( m ・月）]
350
ガス（発電用）
月平均気温
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
4月
7月
8月
9月
10月
電力需要
11月
2
冷房需要 [kJ/m ]
5月
6月
12月
1月
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
時 刻 [h]
冷房需要
300
4月
40
35
30
25
20
15
10
5
0
250
5月
6月
200
7月
8月
150
9月
100
10月
11月
50
12月
1月
0
2月
1
3
5
7
3月
9
11 13 15 17 19 21 23
時 刻 [h]
電力需要
・空調用電力を含まない
・季節変動少ない
冷暖房需要
・電力による熱量を加算
2月
3月
4月
300
暖房需要 [kJ/m2]
電力需要 [Wh/m2]
平日の需要推定結果
暖房需要
250
5月
6月
200
7月
150
9月
8月
10月
100
11月
12月
50
1月
0
2月
1
3
5
7
26
9 11 13 15 17 19 21 23
時 刻 [h]
3月
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
５キャンパスにおける平日需要推定結果-電力
電力消費量
電力需要
７月
電力需要 [kWh]
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1
3
5
7
時刻 [h]
キャンパスにより需要が異なる
ピーク削減
季節変動が少ない
電力需要 [kWh]
電力消費量 [kWh]
■信濃町 ■三田 ▲日吉 ●矢上 ▲湘南藤沢
9 11 13 15 17 19 21 23
時 刻 [h]
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
4月
1
3
5
7
27
9 11 13 15 17 19 21 23
時刻 [h]
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
５キャンパスにおける平日需要推定結果-熱
■信濃町 ■三田 ▲日吉 ●矢上 ▲湘南藤沢
熱需要
７月
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
熱需要 [MJ]
熱消費量 [MJ]
熱消費量
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
時刻 [h]
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
時刻 [h]
キャンパスにより需要が異なる
空調用電力の換算により需要増加
季節変動が大きい
28
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
150000
140000
130000
120000
110000
100000
90000
80000
70000
60000
信濃町
◊
◊
■
▲
●
◊
●
0
日電力消費 [kWh/日 ]
■ 平日冬期
60000
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5
10 15 20 25 30
日平均気温 [℃]
矢上
0
5
平日夏期
非授業期間冬期
非授業期間夏期
土曜冬期
土曜夏期
休日冬期
休日夏期
35
日電力消費 [kWh/日 ]
日電力消費 [kWh/日 ]
5キャンパスにおける相関分析結果
10 15 20 25 30 35
日平均気温 [℃]
60000
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
日吉
0
5 10 15 20 25
日平均気温 [℃]
30 35
29
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
日電力消費 [kWh/日 ]
5キャンパスにおける電力需要予測
150000
140000
130000
120000
110000
100000
90000
80000
70000
60000
電力増加率
・キャンパスにより異なる・・・導入機器の影響
・夏期＞冬期→夏期にＣＧＳ排熱、自然エネル
ギー等によりエネルギー消費量低下させる必要
信濃町、平日
0
5
10
15
20
25
30
35
日平均気温 [℃]
電力増加率 [%/℃]
夏期
気温
冬期
過去の電力消費量
6
電力増加率
キャンパス
4
2
0
電力消費量予測
エネルギー需要予測
-2
-4
信濃町 三田
日吉
矢上
湘南藤沢
気温1℃上昇に伴う電力増加率(平日)
ＣＥＭＳ：設備、運転方法の検討
30
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
CEMS 2
CGS＋蓄熱槽
三田
矢上
日吉
湘南藤沢
供給電力量
蓄熱量[MJ]
電 力 量 [kWh]
20,000
15,000
10,000
5,000
熱需要
蓄熱量
250,000
80,000
200,000
60,000
150,000
40,000
100,000
20,000
50,000
0
0
1
4
7
10
13
16
19
22
時 刻 [h]
CGS送電電力・電力需要
余剰電力 →他4キャンパスに託送
更なる余剰 →商用系統に売電
0
1
4
7 10 13 16 19 22
時刻[h]
8 蓄熱スタート
CGS供給熱量・熱需要・蓄熱量
8:00から運転開始
翌日8:00に蓄熱 0
31
熱量[MJ/h]
CGS供給熱量
信濃町
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
持続可能社会＋情報社会の未来ビジョン
課題
地球環境問題
ユビキタスＩＴ社会
ヒートアイランド
人口問題
エネルギー資源
情報･智慧
自然環境調和型エネルギー資源
（太陽・バイオ＋メタン＋石炭＋核）
世界の視点
水
循環型社会
食料と文化
安心・安全な社会
知的社会
多様型
自然環境調和型社会
未来社会の選択
集約型
32
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
33
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
街
街
コ ンベンショ ン
都市
コ ンベンショ ン
街
都市
W eb 社会シ ス テ ム
34
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
異分野コラボレーションによるイノベーション
• 人間をひとつの分子とするならば、分子はグ
ループを作り、仲良くなり一緒になり、喧嘩し別れ、
ダイナミックな時空間をかたちづくる。
• 例えば、文化的な人と自然を愛する人が協力し
て街をデザインするとき，文化と自然が調和する
幸せな暮らしのできる街のビジョンを提示するこ
とができるのではないでしょうか。
35
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
異分野コラボレーションによるイノベーション
正しい情報を求め自分で判断する（独立）
そのためには異分野コラボレーション（協生）
要素をシステムの視点から取り組む
要素をシステムにする（未来）
素晴らしい技術も使い方を間違えれば害になる
「素晴らしい要素技術」の主張から，「人の幸せを造るシステム」へ
36
水・食料・エネルギー資源の確保と災害に強い100億人が生活できる環境づくり
知的環境共生コミュニティ建設の方針
１．人工環境建設前のアルベド（反射率）の回復
瑞々しい街づくり宣言
（森のアルベドは0.2以下で太陽熱を吸収している）
２．人工環境建設前の自然環境と同じ量の水を蒸散
し，水循環を取り戻す．
３．エネルギー消費はすべて熱（エントロピー）になる．
水の蒸散などをもちいて，熱のエクセルギー収支
をゼロかマイナスとする努力をしたい．
水があれば温度は上がり過ぎない
水がないと温度は異常に上がる
37