エネルギーマネージメント と パワーエレクトロニクス · ネットワーク技術（家電） 分散・コジェネーション 直流配電 エネルギー マネージ

エネルギーマネージメントとパワーエレクトロニクス

武蔵工業大学機械システム工学科

深尾　正

講演内容

電力・エネルギーを取り巻く環境新技術とエネルギーマネージメント

パワーエレクトロニクス技術への期待

トリレンマ

経済成長資源消費環境保全

迫りくる人類の危機

出典：電力中央研究所、依田直監修人類の危機トリレンマ　電力新報社　ｐ．３３

電気エネルギーを取り巻く環境電力需要の伸び（特に開発途上国）電力化率の増加電力消費の形態　集中型から分散型へ

資源の枯渇

地球環境問題

設備建設の用地難

高品質化の要求

低価格化の要求　規制緩和

新技術

02,0004,0006,0008,000

10,00012,00014,00016,00018,000

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

Fina

l Ene

rgy

Con

sum

ptio

n [P

J]部門別最終エネルギー消費の推移

産業部門

業務/家庭部門

運輸部門

1次石油危機

2次石油危機

year

2010

出典：総合エネルギー統計　(2001)

一次エネルギー総供給の推移

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2010

year

prim

ary

ener

gy[P

J]

Coal OilNatural Gas Hydroelectric powerNuclear power New energy

７７％ ４８％

出典：総合エネルギー統計(2001)

05

101520253035

中国

日本

香港

台湾

韓国

シンガポールブルネイ

インドネシア

マレーシア

フィリピン タイインド

ベトナム

国・地域

電力

化率

（消費

）［％

］

最終消費エネルギーに対する電力化率［２０００年］

２００３エネルギー・経済統計要覧から作成

国民一人当たりの電力消費量　(2000)

出典：総合エネルギー統計(2001)

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Canada

U.S.A.

France

Japan

Germ

any U.K.

Korea

Russi

aIta

lyCh

ina India

Elec

tric

Pow

er G

ener

atio

n[kW

h pe

r ca

pita

]

８５００ｋWh

0 1 2 3 4 5 6

中国

フランス

イタリア

ＥＵ

日本

イギリス

ドイツ

ロシア

カナダ

オーストラリア

アメリカ

炭素換算トン／人

世界の一人当たりの二酸化炭素排出量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［２０００年］

２００３エネルギー・経済統計要覧から作成

地球温暖化防止

国連気候変動枠組条約第３回締約国会議（COP3)　京都議定書

温室効果ガスの削減目標　　日本：2008～2012年の平均値で1990年比　　　　　－６％

ＣＯＰ６再開会合（ボン　閣僚級会合　０１／７／２３）京都議定書の運用ルールの大枠について政治的合意ＣＯＰ7モロッコ会議　京都議定書の運用ルール最終合意（01/11/10）2002.3．19　日本政府　「地球温暖化対策推進大綱」決定2002.6.4　　　京都議定書批准を閣議決定（74番目の批准国）

資源の可採年数

石油　　　　45年（Oil & Gas Journal 1996)

天然ガス　63年（Oil & Gas Journal 1996)

石炭　　　231年(世界エネルギー会議１９９５）

ウラン　　　73年（OECD/NEA/IAEA URANIUM 1995）

燃料として使い尽くすべきではない可能な限り子孫に残すべきである

高速増殖炉の開発も含めて有効活用を図るべきである

原子力発電

燃料の安定供給　100万kWの発電所を１年間運転するに必要な燃料

　　・石油　１４０万トン　・LNG　１１０万トン　　・濃縮ウラン　３０トン

技術進歩の期待廃棄物処理技術の進歩　　核種変換技術

　高温ガス炉、小型原子炉

化石燃料の消費・ＣＯ２の削減

エネルギー変換･輸送効率の向上　　　

再生可能エネルギーの活用　　　エネルギーの有効利用／省エネルギー　　　

コンバインドサイクル、超電導技術など

パワーエレクトロニクス技術など

新エネルギー技術など

新エネルギー

太陽光発電　　　　4、280MW風力発電　　　　　3、000MWバイオマス発電 　330MW燃料電池 2、200MW

2010年度までの導入目標

電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法(2003.4施行）（RPS-Renewables Portfoｌio Standard-法）

電気事業者は販売する電力量の一定割合を新エネルギーから供給しなければならない

新エネルギー太陽光、風力、バイオマス、小水力、地熱

目標値2010年　122億ｋWｈ　全電力会社が発電量の1.35％を新エネルギーから供給

Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ＰＶ　Ｐｏｗｅｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　２００２

Ｊａｐａｎ６３６．８MW

Germany２７７．３MW

total １３２７．７MW

U.S.A２１２MW

AustraliaThe Netherland

Italy Switzerland

MexicoFrance Others

Source:http://www.euronet.nl/users/oke/PVPS/stats

0

100

200

300

400

500

600

700

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Cumulative installed PV power in Japan

cum

ula

tive

pow

er [

MW

]

yearsource:http://www.oja-services.nl/iea-pvps/statistics/jpn.htm

Prospect for 2010: 4,820MW

Grid-connected distributed

Off-grid non-domestic

Residential PV system

3-4kW solar module/each house

Inverter system

Operational Wind Power Capacity Worldwideas of the end of 2002

Germany12,001MW

total: 31,234MW

Spain4,830MWUSA

4,645MW

Denmark

IndiaItaｌy

NetherlandsUKChina

Japanothers

Iwaya　32,800kW

Tomamae　52,800kW(total)

Tomamae Winvilla30,600kW

Horonobu 21,000kW

Mutsuogawara 33,000kW

Iwaya

Kuzumaki 21,000kWNikaho 24,750kW

under constructionin operation

Major Wind Power Generation Plants in Japan

0

100

200

300

400

500

600

700

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

0

50

100

150

200

250

300

350

Num

ber

　of

units

inst

alle

d

Cum

ula

tive

Cap

acity

[MW

]

Changes in Wind Generation Volume in Japan

number

capacity

year

Prospect for 2010: 3,000MW

前処理設備

ガスエンジン

100kW燃料電池（2台）

排熱回収ユニット

消化ガス 下水処理場用電力利用

温水循環

ｶﾞｽﾀﾝｸ脱硫塔

汚泥消化タンク

熱利用加温

特　長　●高効率（発電効率40％，熱利用効率47％）　　　　●LNG，バイオガス等の多様な燃料が利用可能　　　　●低NOx，低SOxで、クリーンな排気

適用例　●ホテル，病院，研修施設でのコージェネ利用　　　　●生ごみを利用したバイオガス発電　　　　●オフィスビル電源

りん酸形燃料電池（PAFC）

FP-100Fの主な仕様?定格出力　１００kW（交流送電端）?発電効率　４０％（LHV，交流送電端）?熱利用の効率／形態　４７％(LHV)／90℃，50℃温水?排気特性　NOx：5ppm以下，SOx：検出限界以下?代表寸法／重量　2.2m(W)×3.8m(L)×3.0m(H)／10ton

図２．適用例　下水処理場消化ガス利用コージェネレーション

図１．第二次商品機（FP-100F）の設置例（㈱富士電機能力開発センター）

Sewage Treatment Plant in YokohamaAnaerobic Digester Gas generated from sludge isused as fuel to PAFC - commercialized in 1999

ref:2002/10/11 EMSD Technology Day Toshiba International Fuel Cells Co.

ref:2002/10/11 EMSD Technology Day Toshiba International Fuel Cells Co.

燃料電池の普及

　燃料電池自動車

燃料電池車に搭載される燃料電池の容量　　　　　　　　　２０ｋW－５０ｋW2010年度クリーンエネルギー自動車導入目標　348万台

（もし燃料電池自動車で実現したら　17，400万ｋW)　平成15年8月の最大電力需要想定値　17，233万ｋW世界中の普通サイズの自動車　５億台　　全部が５０ｋWの電池を持った燃料電池車

　　になったら　　総発電量　２５０億ｋW　　→　全世界の総発電量の１０倍

出力変動に対してエネルギー貯蔵システムとの組み合わせたときのLCAは?

エネルギー密度が低いことに対してスケールメリットは？遠隔の発電サイトからの送電システムのLCAは？

コジェネシステムの電気と熱のバランスは？

化石燃料を用いるコジェネシステムの意味は？

商品としての新エネルギーの魅力は？

新エネルギー・新技術　あれこれ

新エネルギー・新技術に対して ２

単に個々の機器やシステムの特性や、費用対効果だけで判断すべきでなく、

　　LCA（Life　Cycle　Assessment)は勿論、　　技術的観点/社会的観点からも検討が

　　必要

エネルギーシステムの評価

ライフサイクル評価エネルギーフローによるシステムの検討

発電システムのエネルギー収支比

出典：原子力図書館げんしろう　

http://mext-atm.jst.go.jp/pesco/ENERGY/WORK47.HTM

発電システムの正味エネルギー収支

出典：原子力図書館げんしろう　

http://mext-atm.jst.go.jp/pesco/ENERGY/WORK48.HTM

発電システムの化石燃料消費量

出典：原子力図書館げんしろう　

http://mext-atm.jst.go.jp/pesco/ENERGY/WORK50.HTM

発電システムのCO２排出量

出典：原子力図書館げんしろう　

http://mext-atm.jst.go.jp/pesco/ENERGY/WORK58.HTM

集中システム エネルギー資源

分散システム

高機能・柔軟な電力系統FACTS・電力貯蔵

燃料電池自動車

電源

変換・制御

負荷

電力貯蔵

太陽電池風力発電マイクロタービン燃料電池

オフィス工場店舗家庭

ネットワーク技術（家電）分散・コジェネーション

直流配電

エネルギーエネルギーマネージマネージ

メントメント

発電

送電・変電

配電

原子力火力水力

電力貯蔵

・資源問題(枯渇・偏在）・環境　・コスト

・規制緩和　・託送　・IPP・逆潮流　・分散電源

広義のベストミックス（大容量集中／小規模分散）

電力品質

デマンドサイドマネージメント

リスクマネージメント

エネルギーセキュリティー

環境型社会に向けた

電力・ｴﾈﾙｷﾞｰｼｽﾃﾑ

エネルギーマネージメント

国際協力

開発途上国支援

雇用促進

新規産業創出

原子力

石油

天然ガス

石炭

風力

太陽光

水素

バイオマス

ヒートポンプ

エネルギーの有効利用と

　　パワーエレクトロニクス技術

パワーエレクトロニクスとその役割

パワーエレクトロニクスとはスイッチングによる電力の変換

パワーエレクトロニクスの成果と特徴、適用上の制約拡大する応用領域

パワーエレクトロニクスとは

　電力・電子および制御の技術を総合した、　電力変換および電力開閉に関する　技術分野

　補足説明電子バルブデバイスを用いて、スイッチングによって電力変換・制御および電力開閉を行う技術とその応用分野

[電力]変換とは

電子バルブデバイスを用いて、電圧・電流・周波数（直流を含む)・位相・

相数・波形などの電気的特性のうちの一つ以上を実質的な損失なしに変えること。

スイッチングによる電力変換直流チョッパの原理

? ?

Si1

RLid

i2

L

DF

Ton Toff

t

t

E1

Edave

i2 i1 id

Ed Son Soff

11 kEETT

TE

offon

onave ?

??

スイッチングによる電力変換　　　　　　　　シミュレーション例

20

0

0

100

i2[A]

Vd[V]

5 15 2010t[ms]

k=0.1 k=0.9

E1=100[V],L=5[mH],RL=5[Ω]

パワーエレクトロニクスを支える技術

　　　　　　バルブデバイスの進歩

サイリスタ（Thyristor）の出現Silicon Controlled Rectifier 　1957.12

オンオフ制御デバイスの大容量化バイポーラパワートランジスタ 1970Gate Turn Off (GTO)　サイリスタ1970-80Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) 1990

Intelligent Power Module (IPM)

パワーエレクトロニクス技術の成果と特徴

電力の分野に周波数の自由度を導入・電力の利用領域を大幅に拡大した

小容量でも高効率・高精度のシステムの実現を可能にしたそしてパワーエレクトロニクス機器の大きな特徴は

スケールメリットより量産効果が高い

電磁機器の　　　　スケールメリットについて電磁機器の形状を保って寸法を２倍にしたら　　面積：４倍→磁束：４倍→起電力　４倍　　　　　　　 →電流　　　４倍　　　　　　　　　　　　　　　　出力・容量　１６倍

　　体積：８倍→質量：８倍　損失：８倍

　　　単位面積あたりの損失は増加→温度上昇大

　　　単位容量当たりの質量、損失→小

　　　　　　　　　　　　　　　　低価格、高効率　　

バルブデバイス・電池など

出力は面積に比例、電圧を増すには直列接続、積み重ねが必要

パワーエレクトロニクス機器：バルブデバイスを用いた主回路とゲート駆動装置から構成される。

拡大するパワーエレクトロニクスの応用領域

電力系統集中系統　　直流送電、可変速揚水発電、FACTS

　分散系統　　自然エネルギー用変換装置

交通・輸送　鉄道、電気自動車

産業　　　可変速駆動システム、誘導加熱、ＦＡ機器

公共事業・オフィス・家庭　無停電電源、OA機器

医療・福祉　電源装置、介護機器　宇宙　電源装置、姿勢制御装置

交流電動機の可変速駆動

可変電圧・可変周波数電源で交流機を駆動　　交流機の特長

　　　－無保守、小型・軽量、容量・回転速度限界が大－

　　を生かした、可変速ｼｽﾃﾑを実現

　　→生産性・製品の品質向上、省エネルギーを実現

可変電圧・可変周波数電源

交流機

Ｍ

ｖ、ｆ

商用電源負荷

100

50

30（50）0 60（100）

消費電力

［％］

［Hz］（［％］）周波数（流量）

バルブによる流量制御

インバータによる流量制御

揚程による無効分

省エネ効果分

インバータによる省エネルギー

消費電力は回転速度の３乗に比例

電力系統への応用　　　　　　　大規模集中システム

可変速揚水発電システムFACTS機器

直流送電、BTB(非同期連系、異周波連系）

無効電力補償装置・アクティブフィルタその他のFACTS機器

Flexible　AC　Transmission　System

日本の電力系統

出典：電気事業連合会http://www.fepc.or.jp/hatsuden/network.html

直流送電システム

紀伊水道直流連系設備

出典：http://www.kepco.co.jp/pressre/2000/0622-1_j.htm

送電容量：140万kW電圧：±250kV（海底ケーブル500kV設計）

紀伊水道直流連系設備

紀北変換所

　サイリスタモジュール

　サイリスタバルブ

可変速揚水発電システム

ｲﾝﾊﾞｰﾀ　または

ｻｲｸﾛｺﾝﾊﾞｰﾀ

電気入力　P

機械出力　（１－ｓ）P

ωｒ=（1-s）ω１

ｓP発電電動機

変換器での処理電力 ｓP

s=±０．０５程度

電力系統への応用　　　　　　　小規模分散システム

-電力消費の形態が集中型から分散型に変化

-小容量でも高効率・高精度の特徴が生かせる-量産効果が期待できる

-電気と熱を同時に利用することにより資源の有効利用が図られるｰｰCO２の削減に貢献

　　新エネルギー用変換器（ＡＣ-ＤＣ変換器）　　風力/太陽光/燃料電池/　　　　　　　　　　マイクロタービン発電用　　電池/フライホイールエネルギー貯蔵用

交通・運輸への応用

電気鉄道・高速電気鉄道・新交通システム電気自動車・ハイブリッド自動車

電気推進船舶ロープレスエレベータ

700系新幹線

ハイブリッド自動車

出典：http://www.toyota.co.jp/eco/ths/gijutsu-c/overview_c1/system_c1.htmlhttp://www.toyota.co.jp/Showroom/All_toyota_lineup/prius/index.html

おわりに

　２１世紀はエネルギーと環境の世紀である。　クリーンで制御の容易な電気エネルギーの　重要性はますます高まる。

　電気エネルギーの発生から消費まで、パワ　ーエレクトロニクスは基盤になる技術である。　環境･エネルギー問題の解決、国際貢献、　新規産業の創出･雇用の促進に大いに期待　したい。

ご清聴をありがとうございます。

深尾　正