セクターカップリングによる
新しいエネルギーシステムへの取り組み

情報科学研究院
システム情報科学部門 システム融合学分野
電力システム研究室・教授

博士（工学）北　裕幸

プロフィール

1988年、北海道大学大学院工学研究科修士課程修了。1989年、北海道大学大学院工学研究科博士後期課程中退。1989年、北海道大学工学部 助手。1995年、北海道大学大学院工学研究科 助教授。2004年、北海道大学大学院情報科学研究科 助教授。2005年、同 教授。2012年、同 副研究科長（教育担当）。2014年、同 副研究科長（総務・研究担当）。2018年、同 研究科長。

北　2020年10月、政府は2050年までに温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする、カーボンニュートラルを目指すことを宣言しました。この宣言を受け、わが国の脱炭素化へ向けた流れが一気に加速しており、二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギー（以下、再エネ）の電力系統への大量導入が期待されています。しかし、太陽光発電や風力発電は間欠的な出力変動特性を持ち、また出力を制御することも難しいことから、電力系統全体の需要と供給（＝発電）のバランスが取れなくなるという問題があります。その解決策として、電気エネルギーを化学エネルギーの形態に変換して蓄える蓄電池を活用するという考え方があります。

ただし、蓄電池は低価格化が進んできてはいるものの依然として高価であることから、蓄電池に代わる対策も求められています。その一つとして、需要家側の応答・制御を期待するという考え方（デマンドレスポンス）があります。具体的には、再エネの発電量が予定よりも減少したとき（発電＜需要）には需要も一緒に減らし、再エネの発電量が予定よりも増加したとき（発電＞需要）には需要も一緒に増やすことで需要と供給のバランスを保とうとするものです。 とはいえ、単に電力需要を変化させるだけでは、需要家に不便や不快を強いる可能性があるため好ましくありません。無理なく需要を調整できるものが求められます。

需要家は、電気、熱、ガスといったエネルギーキャリアそのものを求めているわけではなく、安価で安定に「サービス」が提供されていれば、そのサービスがどのエネルギーからどのように提供されているかについては重要とは考えない傾向にあります。複数の代替エネルギー手段があれば、そのポートフォリオ（組み合わせ）を適切に調整することによって、需要家に不便・不快を与えることなく柔軟にデマンドレスポンスを需要家側から引き出すことができる可能性があります。これは、電気エネルギーを扱うセクターに、他のセクターの持つ優れた特性を融合（カップリング）することによって、電力系統の限界を突破しようとする考え方であり、一般に「セクターカップリング」と呼んでいます。

北　まず、都市ガス・LP ガスを燃料とし自宅で発電できるコジェネレーションシステム（以下、コジェネ）を家庭内に導入した例があげられます（解説1）。家庭内の電力需要は、電力会社からの商用電力とコジェネからの電力で賄い、熱需要はコジェネからの排熱とガスボイラ（バックアップ熱源機）からの熱で賄うものです。実際には電力需要そのものは変化していないにもかかわらず、コジェネの出力を調整すれば電力系統側からは電力需要が増えたように見えます。

一方、ヒートポンプとコジェネの両方を並列につないで電力と熱を供給するシステムでは、ヒートポンプとコジェネの割合を変えているだけであり、トータルの熱需要は変わっていません（解説2）。このように、ヒートポンプとコジェネの分担割合を変えるだけで、電力系統から電力が出たり入ったりし、蓄電池と同様の効果を得ることができます。これも熱需要に対して複数の供給手段があることを利用して、熱需要に影響を与えることなく電力系統から見た電力需要を調整していると考えることができます。

従来は、電気は電力会社、熱はガス会社と個別に供給され、他のセクターと組み合わせて利用する考え方は一般的ではありませんでしたが、電気も熱もひとつの大きなエネルギーシステムとして捉え、それぞれが協調してサービスを提供できるようになればエネルギー需給のバランスをコントロールしやすくなると考えられます。

北　近年、電力系統と一点で連系し、地域の中に存在する再エネの電力を地域の中の需要家群が消費する、地産地消型のエネルギーシステムに注目が集まっており、これを地域マイクログリッド（MG）と呼んでいます。地域MGは、供給側と需要側が近接しているため、熱配管等を通して熱エネルギーを供給することも重要な機能となります（解説3）。電気エネルギーシステムが、熱エネルギーシステムや水素エネルギーシステムとセクターカップリングされ、全体のシステムを一体化して最適化することによって、より柔軟に多くのデマンドレスポンスを調達できることが期待できます。

また、脱炭素化への動きが加速するにつれ、将来的にはガソリン車から電気自動車（EV）や燃料電池自動車(FCV)に取って代わるものと予想されます。しかも、個人が所有・運転するのではなく、カーシェアリングやバスなどのシェアモビリティを主体とする形態(Mobility as a Service(MaaS))へパラダイムシフトしていく可能性が高いと考えられます。
以上のような背景から本研究室では、シェアリングされたEV群の利用予約対応や自動運転といった車両の移動マネジメントと、地域MG間のエネルギー融通を含めたエネルギーマネジメントとを協調計画する手法(“EV and Energy” Management System、E2MS)の開発を行っています（解説4）。

供給側についても同様に、セクターカップリングすることによって新しいエネルギー供給の姿を模索することが可能となります（解説5）。火力発電所から排出されるCO₂を回収し、再エネから製造されたグリーン水素と合成することでメタン(以下、合成メタン)として利用する方法です。再エネの余剰電力からグリーン水素を製造する水素エネルギーシステムや、CO₂と水素から合成メタンを製造するガスエネルギーシステムを考慮し、電気エネルギーシステムとカップリングして全体として最適化することで、供給側のカーボンニュートラルを実現するための新しい解が得られる可能性があります。本研究室では、こうした点についても研究を行っています。

本研究室はカーボンニュートラルを前提とした研究を行っており、2050年には温室効果ガスの排出をゼロにすることを目指しています。2050年頃は、現在高校や大学で学んでいる学生の方々が社会に出て活躍する時代なので、今からカーボンニュートラルについて関心を持ち、社会の第一線で対応・対策に取り組める人材として成長してほしいと思います。

(2022/3/17)