家庭用燃料電池のライフサイクルコストに関する研究 - 赤林研究室

新潟大学工学部建設学科建築学コース
卒業研究梗概　平成 27 年度
家庭用燃料電池のライフサイクルコストに関する研究
東北電力管内を対象としたケーススタディ
Ｔ１２Ｋ６８７Ａ　志田　眸
指導教員　赤林　伸一　教授
1　研究目的
家庭用 FCCGS ※１は、各家庭で消費される電力の一部を
発電により賄うとともに、排熱を給湯などに利用するこ
とで総合効率を約 80％に向上させることができる。家庭
用 FCCGS は 2030 年までに全国で 530 万台導入する事が
目標※２とされており、既往の研究文１) では燃料電池が多
数普及した場合の我が国全体における一次エネルギー削
減効果を明らかにしている。しかし、家庭用 FCCGS はイ
ニシャルコストが極めて高価であり、家庭用 FCCGS 導入
時のライフサイクルコストについて検討する必要がある。
本研究では東北電力管内※３の電気・ガス料金を調査し、
既往の研究文１) で算出した FC 住宅※４ における固体酸化
物形燃料電池 (SOFC) 及び固体高分子形燃料電池 (PEFC)
の稼働シミュレーションを基に、戸建住宅の年間エネル
ギーコストの算出を行い、家庭用 FCCGS のライフサイクル
コスト評価を行い、導入を促進させるための料金設定や
イニシャルコストの削減の検討をすることを目的とする。
2　研究概要
2.1　解析対象 : 対象住宅は東北電力管内の戸建住宅と
する。住宅モデルは日本建築学会住宅用標準問題モデ
ルを用いる。熱損失係数は 2.57[W/(m ２・K)] とする。
2.2　電気・ ガス料金 : 図１に東北電力管内の各県にお
３万
使用量4000MJ時の
ガス料金高い順
１ 青森県
２ 岩手県
３ 福島県
４ 山形県
５ 宮城県
６ 秋田県
７ 新潟県
２万５千
30000
ガス料金 [ 円 ]
岩手県
２万
25000
１万５千
宮城県
秋田県
山形県
３万
２万５千
岩手県
福島県
使用量4000MJ時の
ガス料金高い順
１ 岩手県
２ 福島県
３ 秋田県
４ 青森県
５ 宮城県
６ 山形県
７ 新潟県
青森県
ガス料金 [ 円 ]
青森県
２万
１万５千
ける従来住宅※５及び FC 住宅を対象としたガス料金を、
表１に東北電力文２) の電気料金を示す。ガス料金の調査
対象は東北電力管内を管轄する各ガス事業者文３) とす
る。ガス料金はガス種別で単位発熱量当たりの価格に
換算し、各県においてガス事業者の需要家数で加重平
均することにより算出する。又、家庭用 FCCGS からの
逆潮流※６電力の売電単価は買電単価と同じとする。
2.3　解析条件 : 表２に対象住宅の空調・換気条件を、
表３に家庭用 FCCGS と高効率ガス給湯器の性能と価格を、
表４に家庭用 F C C G S の運転条件を、表５に解析 c a s e を
示す。S O F C 及び P E F C の稼働シミュレーションには既往
の研究文１) のデータを使用する。F C 住宅及び従来住宅共
に空調はエアコン（平均 COP:3.0）で行い、給湯は FC 住
宅は家庭用 F C C G S、従来住宅は高効率ガス給湯器（熱効
率 :95％）で賄う。FC 住宅の発電余剰電力は逆潮流させ、
湯量不足時にはバックアップボイラ ( 熱効率 :95％ ) を
用いる。F C 住宅及び従来住宅において年間のエネルギー
コストを算出し、イニシャルコストを含めて評価を行う。
3　解析結果
3.1　新潟県における年間の解析結果 : 図２に新潟県に
表３　家庭用 FCCGS と高効率ガス給湯器の性能と価格
機種
燃料種類
ガス料金は従来住宅と
FC住宅で異なる料金設
定になっている。
性能
岩手県
価格
１万
１万
20000
青森県
５千
新潟県
SOFC
０
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
ガス使用量 [MJ]
10000
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
従量
0
電灯B 電力量
料金
区分
単位
料金
単価[円]
40A
1契約
1,296
1000
0～120kWh
121～300kWh
301kWh～
稼動条件
18.24
1kWh 2000
24.87
1kWh
28.75
1kWh
運転時定格運転
(b) FC 住宅のガス料金
図１ 東北電力管内の各県における
従来住宅※５及び FC 住宅を対象としたガス料金
5000 東北電力文２) の電気料金 表２ 対象住宅の空調・換気条件
表１
0 基本
料金
①終日定格運転
②終日電主運転
③ピーク時定格
運転他電主運転
ガス使用量 [MJ]
(a) 従来住宅のガス料金
設定温度
28[℃]
空調条件 エアコン 冷房
期間
６月～９月
(在室時 （平均COP
設定温度
20[℃]
空調)
：3.0） 暖房
期間
11月～３月
3000
4000
5000
6000
換気回数
0.5[回/h]
換気条件
台所レンジフード
3
300[m /h]
排気風量
SOFC-Ⅱ
(将来仕様)
都市ガス
49.6
27.1
76.7
0.70
0.38
1.41
30
70
PEFC
都市ガス
35.2
50.6
85.8
0.75
1.08
2.13
147
60
高効率ガス
給湯器(24号)
都市・LPガス
―
―
―
―
―
48.4(最大)
―
70
95
10
215
40
195
215
20
40
195
160
35
145
25
3
―
28
表４　家庭用 FCCGS の運転条件
新潟県
５千
０
15000
発電
熱回収
総合
定格出力
発電
[kW]
熱回収
ガス消費量[kW]
貯湯タンク容量[ℓ]
出湯温度[℃]
バックアップボイラ熱効率[％]
耐久年数※８ [年]
希望小売価格[万円]
設置費用[万円]
補助金[万円]
導入価格[万円]
定格効率
(HHV)[％]
新潟県
SOFC-Ⅰ
(現行仕様)
都市ガス
42.0
39.2
81.2
0.70
0.65
1.67
90
70
起動条件
PEFC
停止条件
・定格出力で運転を行う。(逆潮流あり)
・電力需要に追従して運転を行う。(逆潮流なし)
・ピーク時(13:00～16:00)は定格出力で運転を行い、それ以外の時間帯は
電力需要に追従して運転を行う。(ピーク時:逆潮流あり、その他:逆潮流なし)
・SOFCは24時間365日運転し続けるものとする。
・余剰排熱はファンにより大気中に放熱する。
・定格出力で運転を行う。(逆潮流あり)
・起動時刻は給湯需要のピークを迎える20:45から稼働時間を逆算し、決定する。
・発電開始時刻が13時以降になる場合、発電開始時刻は13時とする。
・作湯量が日積算給湯需要を満たした場合、貯湯タンクが満蓄になった場合及び
発電時間が20時間に達した場合に発電を停止する。
・起動停止は１日１回とし、１日当たり４時間は強制的に停止する。
表５　解析 case
解析case
case1
case2
case3
case4
case5
case6
世帯人員数
３人
４人
３人
３人
３人
３人
FC設置条件
SOFC-Ⅰ
SOFC-Ⅰ
SOFC-Ⅱ
PEFC
SOFC-Ⅰ
SOFC-Ⅰ
FC運転条件
終日定格運転
終日定格運転
終日定格運転
運転時定格運転
終日電主運転
ピーク時定格運転他電主運転
従来住宅ガス消費量
FC住宅買電電力量
従来住宅買電電力量
1,500
FC 2012年
従来 FC1,500
従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来
FC 従来 FC 従来
1,500
2013年
住宅 住宅
住宅
住宅 住宅
住宅 住宅
住宅 住宅
住宅 住宅
4月 住宅
5月 住宅 住宅
6月 住宅 住宅
7月 住宅 住宅
8月住宅 住宅
9月住宅 住宅
10月住宅 住宅
11月
12月
1月
2月
3月
1,000
1,000
1,000
2012年
2013年
500
500
500
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
1月
2月
3月
00 0
-500
-500
-500
25,000
25,000
25,000
4　まとめ
①新潟県で世帯人員数が３人の戸建住宅に SOFC- Ⅰを
設置し、終日定格運転を行った場合、年間ランニン
グコストは約８万円削減される。　②家庭用 FCCGS の種類の違い (case1,3,4) で比較すると、
発電効率が高い SOFC- Ⅱを用いる case3 が３case 中
で最も年間ランニングコストの削減額が多くなる。
③運転条件の違い (case1,5,6) で比較すると、case1 で
は逆潮流電力量が多くなり、年間ランニングコスト
削減額が３case の中で最も多くなる。
④耐久年数までに減価償却するためには、イニシャル
コストを SOFC- Ⅰ ・ Ⅱで約 110 万円、PEFC では約 66
万円とする必要がある。
⑤東北電力管内の７県の中では青森県の年間ランニン
グコスト削減額が約 11 万円と最も多い。
※１　家庭用燃料電池コージェネレーションシステム
※２ 「日本再興戦略」
（平成 27 年 6 月 30 日閣議決定）における家庭用燃料電池の普及目標。
全世帯数の約１割を目標とする。
※３　東北電力の供給地域 ( 青森県、岩手県、宮城県、秋田県、山形県、福島県、新潟県 ) の７県とする。
※４　家庭用 FCCGS 導入住宅
※５　家庭用 FCCGS を導入せず、高効率ガス給湯器を使用する住宅。
※６　自家発電により発電した余剰電力を電力会社線側に逆流させること。現在、電力会
社は家庭用 FCCGS からの逆潮流を認めていない。
※７　電気料金は東北電力の従量電灯Ｂを、ガス料金は FC 住宅には家庭用 FCCGS 用ガス料
金を、従来住宅には一般ガス料金を適用させる。
※８　稼働からオーバーホールまでの年数とする。
文１） 赤林ら「家庭用燃料電池による一次エネルギー削減効果に関する研究　その３, ４」
日本建築学会大会学術講演梗概集、2015 年
文２) 東北電力　http://www.tohoku-epco.co.jp
文３）ガス事業便覧：平成 26 年度版
表６　新潟県においてイニシャルコストを
変化させた場合の減価償却までの年数 (case1,3,4)
20,000
20,000
20,000
15,000
15,000
15,000
2012年
2012年
2012年
4月
4月4月
5月
5月5月
6月
6月6月
7月7月
7月
8月8月
8月
9月9月
9月
10月
10月
10月
11月
11月
11月
2013年
2013年
2013年
12月
12月
1月1月
12月
1月
5,000
5,000
5,000
2月2月
2月
( 世帯人員数３人、FC 住宅 :SOFC- Ⅰ ( 終日定格運転）、
従来住宅 : 高効率ガス給湯器 (24 号 ))
3月3月
3月
図２　新潟県における一世帯あたりの電気・ガス消費量
とランニングコスト※７の月積算値の推移（case1)
FC住宅買電電力量
FC住宅買電電力量
FC大気放熱量
FC大気放熱量
20,000
85,914
16,000
20,000
12,000
16,000
8,000
12,000
4,000
8,000
0
4,000
0
80,219
FC逆潮流電力量
FC住宅ガス消費量
FC逆潮流電力量
FC住宅ガス消費量
年間ランニングコスト削減量
年間ランニングコスト削減額
100,000
83,454
113,162
88,212
109,285
37,802
68,580
43,552
case1
case2
世帯人員数:
３人
設置条件:
青森県
SOFC-Ⅰ
世帯人員数:
４人
設置条件:
岩手県
SOFC-Ⅰ
運転条件:
終日定格
運転
運転条件:
終日定格
運転
case3
case4
64,888
67,914
80,219
55,706
case5
case6
世帯人員数:
世帯人員数:
世帯人員数:
世帯人員数:
３人
３人
３人
３人
設置条件: 秋田県
設置条件:
宮城県
山形県 設置条件:
福島県 設置条件:
新潟県
SOFC-Ⅱ
PEFC
SOFC-Ⅰ
SOFC-Ⅰ
運転条件:
運転条件:
運転条件:
運転条件:
ピーク時
終日定格
運転時
終日電主
定格運転
運転
定格運転
運転
他電主運転
60,000
120,000
40,000
90,000
図３　新潟県における各 case の
電気・ガス消費量と年間ランニングコスト削減額
0
解析条件
SOFC-Ⅰ
SOFC-Ⅱ
PEFC
高効率ガス給湯器
SOFC-Ⅰ
年間ランニングコ
SOFC-Ⅱ
スト削減額[万円]
PEFC
SOFC-Ⅰ
減価償却までの
SOFC-Ⅱ
FC住宅買電電力量
年数[年]
FC住宅買電電力量
FC大気放熱量 PEFC
イニシャルコスト
[万円]
80,000
150,000
20,000
60,000
030,000
caseA
解析case
10,000
10,000
10,000
逆潮流電力量
逆潮流電力量
FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従 FC
従
従来
従来
従来
従来
従来
住FC FC従来
来
住FC FC従来
来
住FC FC従来
来
住FC FC従来
来
住FC FC従来
来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住FC FC従来
来従来
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
住宅
宅 住宅
住
宅 住宅
住
宅 住宅
住
宅 住宅
住
宅 住宅
住
宅 住宅
住住宅
宅 住宅
住住宅
宅
住住宅
宅
住住宅
宅
住住宅
宅
住住宅
宅
住住宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
宅
20,000
20,000
16,000
16,000
20,000
12,000
12,000
16,000
8,000
8,000
12,000
4,000
4,000
8,000
0
0
4,000
0
FC大気放熱量
FC住宅買電電力量
FC大気放熱量
113,162
113,162
43,552
43,552
88,212
109,285
109,285
68,580
68,580
109,285
68,580
岩手県
caseD
宮城県
秋田県
55,706
55,706
FC住宅ガス消費量
80,219
80,219
80,219
55,706
43,552
青森県
青森県
caseC
年間ランニングコスト削減額
FC逆潮流電力量
年間ランニングコスト削減額
88,212
88,212
113,162
caseB
イニシャルコス イニシャルコス イニシャルコス
現状料金設定 ト低下(2016年 ト低下(2030年 ト低下(10年で
度の目標値)
度の目標値)
減価償却)
195.0
80.0
60.0
108.2
195.0
80.0
60.0
111.5
145.0
70.0
50.0
65.8
28.0
28.0
28.0
28.0
8.0
8.0
8.0
8.0
8.3
8.3
8.3
8.3
3.8
3.8
3.8
3.8
20.8
6.5
4.0
10.0
20.0
3.8
10.0
FC逆潮流電力量6.2
FC住宅ガス消費量
FC逆潮流電力量11.1
FC住宅ガス消費量
31.0
5.8
10.0
年間ランニングコスト削減額
山形県
福島県
新潟県
岩手県
宮城県
秋田県
福島県
新潟県
( 世帯人員数３人、FC
住宅
:SOFC-山形県
Ⅰ ( 終日定格運転）
、
従来住宅
: 高効率ガス給湯器
(24 号 ))
青森県
岩手県
宮城県
秋田県
山形県
福島県
新潟県
年間ランニングコスト削減額 [ 円 ]
FC住宅ガス消費量
FC 従来 FC 従来 FC逆潮流電力量
FC 従来 FC 従来 FC 従来
FC 従来 FC 従来 従来住宅料金
FC 従来 逆潮流電力量
FC 従来 FC 従来 FC 従来 FC 従来
FC住宅料金
2,000
30,000
30,000
30,000
2,000
住宅 住宅 2,000
住宅
住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅 住宅
10 年で減価償却 (caseD) するためには SOFC- Ⅰ ・ Ⅱを約
110 万円、PEFC を約 66 万円とする必要がある。
3.3　東北電力管内の各県における解析結果 : 図４に東
北電力管内の各県における電気 ・ ガス消費量と年間ラン
ニングコスト削減額 (case1) を示す。最も年間ランニン
グコストの削減額が多い県は、従来住宅のガス料金が最
も高く、FC 住宅のガス料金が比較的安い青森県であり、
約 11 万円削減される。また、最も削減額が少ない県は岩
手県であり、約４万円の削減にとどまる。青森県と岩手県
の年間ランニングコストの削減額の差は約７万円となる。
電気・ガス消費量 [kWh]
-500
料金 [ 円 / 月 ]
0
-500
0
年間ランニングコスト削減額 [ 円 ]
500
電気・ガス消費量 [kWh]
500
1,000
電気・ガス消費量 [kWh]
2,000
1,500
2,000
1,000
1,500
おける一世帯あたりの電気 ・ ガス消費量とランニングコ
スト※７ の月積算値の推移 (case1) を示す。SOFC- Ⅰを導
入し終日定格運転を行った場合、従来住宅と比較して燃
料電池の稼働によりガス消費量は増加するが、燃料電池
の発電により買電電力量は減少し、逆潮流による売電を
含めると年間ランニングコストは約８万円削減される。
3.2　新潟県における各 case の解析結果 : 図３に新潟
県における各 case の電気 ・ ガス消費量と年間ランニン
グコスト削減額を示す。世帯人員数の違い (case1,2) で
比較すると、case2 では case1 と比較して給湯の需要量
が多いため、燃料電池の大気放熱量が減少し、総合効率
が向上するため、年間ランニングコスト削減額は多くな
る。今回の解析 case では case2 が最も年間ランニング
コスト削減額が多く、約８万５千円削減される。家庭用
FCCGS の機種の違い (case1,3,4) で比較すると、発電効
率の高い SOFC- Ⅱを用いる case3 が３case の中で最も年
間ランニングコスト削減額が多い。家庭用 FCCGS の運転
条件の違い (case1,5,6) で比較すると、case1 では逆潮
流電力量が比較的多いため、年間ランニングコスト削減
額が３case の中で最も多くなる。
表６に新潟県においてイニシャルコストを変化させた
場合の減価償却までの年数 (case1,3,4) を示す。caseA
を基準とし、caseB ではイニシャルコストを 2016 年度の
目標値 (SOFC- Ⅰ ・ Ⅱ :80 万円、PEFC:70 万円 ) とし、
caseC ではイニシャルコストを 2030 年度の目標値 (SOFCⅠ・Ⅱ :60 万円、PEFC:50 万円 ) とする。caseD は耐久年
数※８までに減価償却するためのイニシャルコストを算出
する。caseA の場合、減価償却するために SOFC- Ⅰ ・ Ⅱ
では約 20 年、PEFC では約 30 年かかる。caseB では約６
～ 11 年、caseC では約４～６年で減価償却が可能となる。
逆潮流電力量
150,000
150,000
120,000
120,000
150,000
90,000
90,000
120,000
60,000
60,000
90,000
30,000
30,000
60,000
0
030,000
0
図４　東北電力管内の各県における電気・ガス消費量と
年間ランニングコスト削減額 (case1)