Transcript （駒場講義資料）(Powerpoint) - 技術経営戦略学専攻 茂木研究室

近未来は変えられるか？
デジタルグリッド：スマートグリッドの未来
特任教授
阿部 力也
東京大学大学院 技術経営戦略学専攻
2011年5月13日
三相交流発電の原理
固定子
R相
冷却用水素ガス
N
回転子
S相
S
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
T相
2
系統連系の意義を理解しよう
• 三相交流
o
３つの単相交流が組み合わされて出来たもの
どの時間断面をとってもA, B, Cの電気の総和は0に
なり帰路に電気が流れないこととなる。
o 三相三線式
o
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
3
電力系統とは（発電＝消費：常に）
http://www.fepc.or.jp/learn/souden/keiro/sw_index_01/index.html
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo. 出典：電気事業連合会
4
系統連系の強化
外輪線の構築 (首都圏）
地球技術研究所
荒川氏作成
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
5
系統連系の強化
外輪線の構築 (首都圏）
地球技術研究所
荒川氏作成
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
6
系統連系の強化
外輪線の構築 (首都圏）
地球技術研究所
荒川氏作成
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
7
系統連系の強化
外輪線の構築 (首都圏）
地球技術研究所
荒川氏作成
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
8
現状：１か所事故があるとその下流は全停電
http://www.fepc.or.jp/learn/souden/keiro/sw_index_01/index.html
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo. 「出典：電気事業連合会」に加筆
9
地域ごとに電源を持ち自給自足（地産地消）
する仕組みが構築できないか？
CELLグリッドの
一例
東電計画
停電区分
北海道地図株式会社提供
http://www.hcc.co.jp/information/report/report-elecplan.html
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10
双方向充放電器の役割
周波数維持制御
電力系統
Master
双方向充電器／
需要家
Slave
・
・
・
指令センター
To Master
Slave
Master
配電損失
軽減制御
双方向充電器／
需要家
Slave
Sla
ve
・
・
・
Master
サーバー
・
・
・
Sla
ve
Slave
電圧維持制御
相互通信
2011/3/18
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11
地域の電力需給を域内でバランスする
サービスプロバイダー
CELLグリッドの
一例
DGR
北海道地図株式会社提供に加筆修正
http://www.hcc.co.jp/information/report/report-elecplan.html
All rights reserved, Rikiya ABE, the University of Tokyo
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
12
新しい電力供給システム ～デジタルグリッド～
太い幹と豊かな葉：
自然エネルギーの変動波及や
連鎖停電事故を抑制
基幹系統
#1
#5
産業
セルグリッド：
発電と貯蔵を持ち，周波数の
ずれを許容する独立性の強い
グリッド
#2
#4
デジタルグリッド
ルーター：
電力制御ルーターによる拡張
性のある接続
#3
#6
#7
サービス
プロバイダー
All rights reserved, Rikiya ABE, the University of Tokyo
2011/5/11
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13
デジタルグリッド
セルとは
– セルは分散形電源･貯蔵装置･負荷を持ち，自立運転可能な
最小グリッド単位．
デジタルグリッドとは
– デジタルグリッドとは，数多くのセルをデジタルグリッドルー
ターで非同期連系した集合セルがさらにルーターで非同期連
系し，アクティブに電力を融通しあう電力系統の進化した姿．
デジタルグリッドにより得られる効用
– 互いに独立したセルは，自然エネルギー発電制御に好適で
停電連鎖が起きにくい．
– 分散したセルが発電源となり，グリッドは取引ルートに変貌し
ていく．
– 電力の発生・伝達・消費行為が情報により実現され，他の電
力と差別化できる．電力以外の価値も付加され，商品のよう
に取引できる自由市場が形成される．
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14
自立可能な分散グリッド（CELL）における電源は？
⇒太陽光由来の発電
自然エネルギーは十分な量があるのだろうか？
2010/4/19
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
15
世界の一次エネルギー消費量と人口増加
65億人⇒
Mtoe)
世
界
の
一
次
エ
ネ
ル
ギ
ー
消
費
（
世界の人口推移
水力
世
界
の
人
口
（
百
万
人
）
原子力
世界の一次エネルギー消費
ガス
原油
石炭
1次エネルギー消費：BP統計
世界人口：IEA
他より作成
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16
化石燃料時代終焉の始まり
世界人口増加に伴う原油需給ギャップは中東の生産政策次第
中長期的には需給ギャップが生まれ始める可能性大
人口増加に伴う
想定需要
中東原油
生産の想定
中東以外の原油生産プロファイル
「油田の生産プロファイルと発見関数に基づく世界原油生産推移の予測」茂木，小池他，日本エネルギー学会，Vol86,pp987-994
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太陽の年間輻射エネルギーと
人類の1次エネルギー使用量
太陽表面エネルギー（1.2x1013eJ)
地表の気温維持 ＋ 海水・氷への蓄熱
約23％：130万eJ
約47％：260万eJ
=
地表面に達する
太陽エネルギー
約70%：390万eJ
人類の1次エネルギー使用量
0.05万eJ
1.4kW/m2(太陽定数）
大気圏での総輻射
エネルギー量：約560万eJ
消費エネルギーの8,000倍が
毎年地表に達する。
風力・波力
約0.2%：1.2万eJ
バイオ・生体系
約0.02%：0.12万eJ
（1eJ=1018J）
Wikipedia等より作成
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18
太陽エネルギーは、人類のエネルギー需要
を100％満たす
太陽エネルギーは、人類のエネルギー消費に対し、ふんだんにある
原油およびオイルサンドの確認埋蔵量 (8,550eJ）*
天然ガス確認埋蔵量 (8,040 eJ)*
埋蔵量
ウラニウム鉱石推定埋蔵量(20,220 eJ)**
世界の風力資源量
（1,000 eJ/year）***
石炭確認埋蔵量 (23,100 eJ)*
世界の一次エネルギー消費量
（500 eJ/year）*

世界の水力資源量
（11eJ/year）*
毎年供給される
世界の太陽光発電資源量(11,700 eJ/year)
- 10% 発電効率を仮定
- 大陸の10%の土地に設置したと仮定
* : BP world energy 2009
** : OECD nuclear energy data 2008
*** : World energy council survey of energy resources 2007
eJ : exajoule (10^18 J)
All rights reserved, Rikiya ABE, the University of Tokyo
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19
米国の電力をすべて賄う太陽光発電
•
米国エネルギー省（DOE）によると 100 mile x 100 mile の太陽電池をNevada 州
の砂漠地帯に設置したら、米国の全電力 (800 GW) を賄うことができる。
(10% 効率の一般的な太陽電池を仮定)
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20
それには理由がある（スペインの1週間）
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21
風力の増加をガスタービンと輸出でしのぐ
E.ON(2006)
REE
UK
風力増大
輸出急増
E.ON, USA
Integration of large scale wind in the grid – The Spanish Experience : RED
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22
スマートグリッドとデジタルグリッドの違い
スマートグリッド ⇒ 受動的な電力系統（需要の計測，制御）
デジタルグリッド ⇒ 送配電系統の能動的制御
2010/4/19
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23
自然エネルギー電源は制御不可能
スマートグリッドは負荷を制御する試み
従来の電源系統
再生可能エネルギー導入
スマートグリッド
発電設備
制御可能
制御不可能
送配電設備
受動的制御
受動的制御
電気料金で制御、負荷の直接制御
需要
制御不可能
制御不可能
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24
送配電制御を行うのがデジタルグリッド
従来の電源系統
再生可能エネルギー大量導入
デジタルグリッド
発電設備
制御可能
制御不可能
送配電設備
受動的制御
能動的制御
需要
制御不可能
制御不可能
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25
発電変動を抑える電力潮流：連系線増強
太陽光発電の大量導入は
出力変動をもたらし、周波数維持のためには
系統連系の強化が必要になる。
周波数維持
連系線増強
しかし、系統連系強化は
大停電のリスクを増加させる。
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26
佐久間周波数変換所(50Hz/60Hz)
275kV, 50HzAC
275kV, 60HzAC
DC125kV
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27
サイリスタバルブ
Arm
Module
Arrester
Thyristor device
函館変換所 No.2 Valve
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Sources supplied by J-POWER
28
デンマークで起こったこと
従来の集中管理型
電力システムでは
管理困難に
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29
電力系統の分割（先進国）
グリッドを電圧系統別，消費単位別などに分割セル化し，デジタルグリッドルーターで非同期連系する。
電圧レベルごとにセル化(デンマークの例）した系統に デジタルグリッドルータ設置して非同期連系する
デジタルグリッドルーター
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30
制御できない電力潮流
＜基幹系統問題＞
・ＲＥは、発電制御ができない。
・周波数維持のために、大電力潮流が東西に融通されなければならない。
・小さな変動が、小さな故障を起こし、連鎖的大規模停電を引き起こす。
そのほか、配電系統にも問題が生じる。
＜配電系統問題＞
・電圧逸脱問題：配電系統末端で発電するので、末端側の電圧が上昇する。
・単独運転問題：上流側が停電しても、下流側で発電できるので、作業員の安全確
保に問題がある。
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31
デジタルグリッドの概念
巨大同期電力系統
細分化された非同期電力系統
IP アドレス
デジタルグリッドルーター
小さな同期系統
(Cell)
-電圧源自励イン
バータ
-非同期連系
-複数接続端子
入れ子構造
セルのサイズ: 地方単位, 州単位, 市単位, 工場単位, 家庭単位, etc.
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32
電気の識別
電気を識別するには、連系点にアドレスを付与し，アドレス情報を含んだ電力情報と電力本体
を同期させて流せばよい。
IP0004
Power and Information Link
IP0001
自立した
CELL #1
IP0005
IP0002
IP0003
デジタル
グリッドルー
ターCPU
デジタル
CPU
グリッドルー
ター
自立した
CELL #2
IP0006
IP Footer
PWM Power
IP Header
CPU
CPU
自立した
CELL #3
IP0007
デジタル
CPU
グリッドルー
ター
IP0008
Smaller CELL
DC/AC
Inverter
基幹系統
Ex. CELLs: 125kV, 600MW or larger
Smaller CELLs: 66kV, 30MW
Micro CELL: 6.6kV, 6MW
House: 240V/110V, 10kW
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自立した
CELL #4
デジタルグリッドＴＭ
33
デジタルグリッドルーターの役割
電気を識別するには、連系点にアドレスを付与し，アドレス情報を含んだ電力情報と
電力本体を同期させて流す。
IP0004
Power and Information Link
IP0001
自立した
CELL #1
IP0005
IP0002
IP0003
CPU
CPU
IP0006
IP Footer
自立した
CELL #2
AC
AC
PWM Power
IP Header
DC
Back to back
電力変換
CPU
CPU
自立した
CELL #3
IP0007
CPU
IP0008
Smaller CELL
DC/AC
Inverter
自立した
CELL #4
Ex. CELLs: 125kV, 600MW or larger
Smaller CELLs: 66kV, 30MW
Micro CELL: 6.6kV, 6MW
House: 240V/110V, 10kW
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34
電気の同期識別
アドレスによるルーティングで電気識別が可能になる。
IP0004
既存の送・配電線
IP0001
IP0005
IP0002
IP0003
電力のインターネット
CELL
#1
CPU
CELL #2
CPU
Battery1
セルの自立を乱さない
電力と情報の融合
IP0006
IP Footer
PWM Power
IP Header
電力制御
CPU
CPU
Battery2
CELL #3
IP0007
Battery
CPU
IP0008
Smaller CELL
DC/AC
Inverter
Ex. CELLs: 125kV, 600MWor larger
Smaller CELLs:66kV, 30MW
Micro CELL: 6.6kV, 6MW
House: 240V/110V, 10kW
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CELL #4
⇒電気に色を付ける
35
デジタルグリッドルーター
多端子型非同期連系の実現により、対象・タイミングを問わない柔軟なネットワーク接続が可
能になる。
Digital Power
Router
Common Computer Control
& Protection
Inverter Control &
Protection
Trade Recording
Inverter Control &
Protection
PLC Terminal
End
系統Ａ
系統Ｂ
AC Filter &
Reactor
Inverter Control &
Protection
・
・
・
・
・
・
・
・
系統Ｎ
Circuit Breaker
Control
IP Communication
Control
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36
能動的電力融通シミュレーション
DGR
Cell A
60Hz
AC
Voltage
DC
Current
AC
AC
Cell B
50Hz
Cell C
40Hz
（Ａ）
（Ｂ）
（Ｃ）
電力要求信号(A)
制御信号
電力要求信号(B)
電力要求信号(C)
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37
デジタルグリッド試験計画簡略図
AC200V1φ
A
～
DC
AC200V1φ
dGrid Router1
cRIO-9024×1
NI9225x2(V)
NI9215x2(I)
NI9401x2
AC200V1φ
dGrid Router2
cRIO-9144×1
NI9225x2(V)
NI9215x2(I)
NI9401x2
B
～
AC200V1φ
dGrid Router3
cRIO-9144×1
NI9225x2(V)
NI9215x2(I)
NI9401x1
C
～
AC200V1φ
dGrid Router4
cRIO-9144×1
NI9225x2(V)
NI9215x2(I)
D
～
IGBT記号簡略化 DC側と定義
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
AC側と定義
38
2011/5/11
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
39
我々の歩み
2011/5/11
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
40
デジタルグリッドにおける電力融通
2010/4/19
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
41
オンデマンド供給(問い合わせと返信）
第一段階
問い合わせ
返信
Energy Storage Device
CELL
A Digital Grid Router
Distributed Generator
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42
オンデマンド供給(予約と確定：契約成立）
第二段階
交渉と予約
確定：契約成立
Energy Storage Device
CELL
A Digital Grid Router
Distributed Generator
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43
経路多重化電力融通方式
電力融通段階
送電セル
（Ａ）
IP Footer
PWM Power
IP Header
複数の経路
受電セル
目的の電力
貯蔵装置
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44
カリフォルニア州でエネルギー貯蔵法案成立
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45
電気の記録・取引・決済
電気の融通記録をすべてデジタルグリッドルーターの中に記録する。
取引の決済は，銀行のような決済機関が行う。
サービスプロバイダーの大きな役割となる。
年月日 開始時間 終了時間 From To
入力
出力
Loss 残容量 残高
kWh tariff money kWh tariff money （ｋWh) (kWh) (円）
2009/12/10 9:01:25 10:05:46 A
256.56 15.62 4007.47
12.8 243.76 -4007.47
2009/12/12 15:32:14 18:23:41
B
125.63 14.32 1799.02 6.3 111.83 -2208.45
2010/1/3 21:36:30 23:25:46 C
4687.12 8.36 39184.3
234.35 4564.6 -41392.77
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46
デジタルグリッドのもたらすもの
2010/4/19
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47
常識を覆す
世界が直面する問題に対する本質的な課題は、電気の時間的制約をなくし，
識別すること、これが可能な世界をアナロググリッドに対比してデジタルグ
リッドと呼ぶ。
原因はこの「常識」
同時同量性
解決すべき課題
電気の時間
制約をなくす
（貯蔵を導入）
＝ デジタルグリッド
同質性
電気を識別する
（情報の付与）
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48
電力の需給曲線
価格（円/kWh）
需要曲線
需要曲線
(生活必需品)
供給曲線
電気は需要に対し
常に過不足なく，かつ一定価格で
供給することが義務付けられている
供給曲線
（総括原価主義）
品質に時間や発電源による差が
生じることにより，交差する需給曲
線が描かれ競争市場が機能する
ようになる
需要（kWh）
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49
電力仮想交換
電力系統Ａ
電力系統Ｂ
PV
PV
x
DG
DG
Load
顧客販売
電力貯蔵
装置
(A)
電力貯蔵
装置(A)
PV
時刻別
ケース
(t0)
電力貯蔵
装置(B)
DG
x
DG
(t1)
PV
DG
PV
DG
PV
仮想交換
(t2)
PV
DG
DG
電力貯蔵
装置
(B)
顧客販売
PV発電・充電
DG
PV
DG
PV
Load
PV
DG
(t3)
ＤＧ発電・充電
PV
(t4)
仮想交換
PV
DG
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50
提案：欧州電力系統におけるデジタルグリッド
Cells
段階的導入
連鎖型大規模停電を
抑制することができる
Digital Grid Router
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51
米国電力系統での適用
電力変換装置
（ＢＴＢ）
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52
デジタルグリッドのイメージ（先進国）
選択的に電力を送れる
USA
Cells
Digital Grid Routers
50Hz
AC/DC/A
C
Link
段階的に進められる
60Hz
Frequency
Conversion
Japan
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53
電気系統の結合（新興国・開発途上国）
大規模発電⇒長距離送電⇒変電⇒配電の先進国型ビジネスモデルは，成立しにくい。
自立したセル状の電力系統をデジタルグリッドルーターで非同期連系する。
D
G
G
D
G
G
city
D
G
G
city
city
D
G
G
city
D
G
G
B
D
G
G
city
B
D
G
G
PV
city
B
B
B
B
PV
デジタルグリッドルーター
city
B
D
G
G
PV
city
B
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54
デジタルグリッドのもたらす効用
分散型電力供給が中心となっている新興国・途上国などにおけるグリッド構築
⇒成長度合いに応じて，
適切なグリッド間を非同
期に連系する，柔軟でア
ドホックなグリッド構築が
できる。
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55
始まりは身近なところから・・・
ソーラー
パネル
自然エネルギー由来の電力をふんだんに使う
エレベーター
パワー増大 ｘ 時間短縮 ＝ 省エネ
コミュニティ単位の電力融通
洗濯・乾燥室
乾燥
機
パワー水栓
隣家との
ネットワーク
エアコン
隣ビルとの
ネットワーク
エアコン
サンライト
電気シャワー
６．６ｋＶ
系統より
キッチン・ＩＨクッキング
費用負担者はエンドユーザー
⇐ Benefitの供給を
冷
蔵
庫
掃除機
100／200Ｖ
系統より
電力変換
器配電盤
エアコン
電力変換
器配電盤
電
池
冷凍庫
ＩＨ
IHクッキング
100／200
Ｖに降圧
映写機
電
池
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56
デジタルグリッドの世界
・デジタルグリッドルーターを使って、電力をインターネットメールのように目
的地に送り込む。
・系統強化や直流送電のように新たな送電線を作らず、既存の送電線の利
用率を向上させる。
・電力に情報を付けて、識別可能にし、商品のように取引を行う。
・先物・デリバティブなどが生まれる。CO2価値、RPS価値など様々価値が
取引される。
・REをふんだんに取り込んだ分散型のCELLグリッド化していき電力の自給
自足を行う。
新興国では、
・大規模発電所、長距離送電線、同期系統化ではなく、
・すでにある都市や郡単位のCELLグリッドにデジタルグリッドルーターを設
置し、網目状に交流送電線を接続していく。
・お互いに電力を融通しあい、共に成長していく。
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
57
成長の限界の先へ
デジタルグリッドで可能となる無尽蔵エネルギーの分散供給は、世界の人々の暮らしを変え、
経済活動を活性化し、世界に持続可能な成長をもたらす。
電力の世界に真の意味の競争市場経済が持ち込まれ
効率的な成長が始まる
無尽蔵な自然エネルギーの利用により、エネルギー制
約がなくなり、持続的経済成長が図れる
世界電化によって、人類全体の教育・生活水準が向上
し、南北問題の解決につながる。
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58
デジタルグリッド：スマートグ
リッドの未来
This presentation was prepared by:
特任教授
阿部 力也
2011年4月19日
東京大学大学院 技術経営戦略学専攻
社会戦略投資学寄附講座 （アドバンテッジ・パートナーズLLP）
〒113-0033 東京都文京区本郷7-3-1 工学部3号館
Tel
: 03-5841-0479
Mail : [email protected]
URL : http://www.sselab.t.u-tokyo.ac.jp/kifu/index.html
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© 2010 Socio-Strategic Engineering/ Investment Labo. All rights reserved.
歴史が教えてくれること
／未来は突然生まれない
電話通信事業で起こったこと
・ローゼットからモジュラージャックへ
・電話機自由化
・電話交換機自由化
・通信事業自由化
エンドユーザー密着の太陽光発電・蓄電は
だれがやるのか？
トータルユーティリティサービスを担う
サービスプロバイダーは
だれがやるのか？
すでに芽生え始めている未来の萌芽
・固定買取価格制度の導入⇒太陽光、風力増大
・電気自動車実用化の兆し⇒バッテリー技術の進展
・日米共同スマートグリッド実証試験⇒スマートメータ仕様標準化
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
60
デジタルグリッドコンソーシアム組織（案）
情報と電力の融合した電力
グリッドを広く普及すること
を目的としたコンソーシアム
の設立
（2011年9月1日目途）
社員総会
事務局
理事会
アドバイザリボード
（戦略WG）
Public Sector
（公共部会）
標準化部会
作業
部会
広報渉
外
2011/5/11
HW
OS
Feedback
政策部会
対政府
政策補助
規制緩和
Private Sector
（ビジネス部会）
電力セクター
電力A
産業セクター
電力B
資金獲得
普及広報
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
産業A
・・・・
Feedback
61
ダイナミックビジネスモデル
研究委託
研究コンテスト
アカデミア
個人
報奨金・
対価
個別共同研究も可能
電力会社
サービス
提供
成果
対価
フランチャイズ
ビジネス部分分離
（サービスプロバイダー）
ビジネス部会
公共部会
コンソーシアム
成果報告（規格
・標準化・OS）
プログラム
サービス 対価
参加費
購入
会員企業群
ユーザー
製品群
販売
販売
手数料
ユーザー
間取引
ユーザー
・プログラム参加費：300万円/年
・会員はいずれかの部会に属し活動
できる
・成果は共有できる
・守秘性の高い研究は、個別共研で
実施
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
2011/5/11
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課題：講義内容にとらわれず、日本における社会システムの閉そく性を打破
するのに最も重要だと思われることを一点取り上げて具体的に解決する
新しい仕組みについて提案せよ。（年代の違う人物3人以上との対話を
元に構築すること）
2010/4/19
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
63
Fin
2010/4/19
© Socio-Strategic Engineering/Investment Labo.
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