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燃料電池と電気自動車 - 自動車技術展 – 人とくるまのテクノロジー展
人とくるまのテクノロジー展２０１５ 講演資料 低炭素化の取組み スマートエネルギーハウスの実証と将来 2015年 5月 21日 大阪ガス株式会社 リビング事業部 商品技術開発部 丹羽 哲也 本日の内容 １．スマートエネルギーハウスの概要 ２．居住実験① ～３電池活用によるCO２ゼロ実証～ ３．居住実験② ～くるま活用によるCO２ゼロ実証～ ４．将来に向けた検討 ～くるまとスマートエネルギーハウスの連携～ 2 １．スマートエネルギーハウスの概要 ２．居住実験① ～３電池活用によるCO２ゼロ実証～ ３．居住実験② ～くるま活用によるCO２ゼロ実証～ ４．将来に向けた検討 ～くるまとスマートエネルギーハウスの連携～ 3 スマートハウスの普及が期待される背景 「スマートハウス」は地球温暖化対策としてIT技術を活用した省エネ住宅を指したが、 震災以降はセキュリティが注目され、分散電源・蓄電池などの期待が高まる。 ◆地球温暖化対策 ①温室効果ガス排出量の削減、省エネルギーの推進 ⇒ 家庭用部門は大幅なＣＯ２排出量の削減が求められる重要分野 ②我慢するエコではなく、快適・便利な生活と省エネの両立が普及には必須 ⇒ 情報通信技術を活用し効率的なエネルギー利用＋様々なサービス提供を実現 ◆エネルギーセキュリティ ①電力供給力不足対応 ⇒ 燃料電池や太陽電池等の分散型電源や蓄電池に対する期待が高まる ⇒ デマンドレスポンスによるピークカット ②停電時対応 ⇒ 創エネ（太陽電池・燃料電池等）、蓄エネ（蓄電池・貯湯槽等）を有し、 非常時にも最低限の自立運転で対応 ２０１１年春以降、各ハウスメーカー様からＨＥＭＳ付住宅、蓄電池付住宅が 続々と発売されている 4 大阪ガスが推進するスマートハウスとは ・家庭では、電力需要に熱需要も含めた効率的なエネルギー利用が重要。 ・大阪ガスではその実現に向け、燃料電池に代表される家庭用コージェネレーション を核としたスマートハウスを普及促進。 ・またその構成要素として、太陽光発電やHEMSも積極的に普及推進。 エネファームをご採用いただいた お客様のうち約45%以上が ダブル発電 創エネ 蓄エネ 省エネ 燃料電池 太陽光発電 創エネ ・エネルギー使用量の見える化 ・省エネアドバイス ・住宅設備を遠隔操作 ・ガスメーターを遮断 見える化 5 スマートハウスの核となる家庭用ｺｰｼﾞｪﾈﾚｰｼｮﾝの特長 ・発電時の熱を給湯などに有効活用する高効率システム。 ・高効率に創り出した電気と排熱の利用により、省エネ・省CO2に大きく貢献。 ■エネルギー利用率 従来システムによる発電 ＜低位発熱量基準＞ ■一次エネルギー比較 年間の一次エネルギー削減量は約20GJ/年・戸 20GJ/年・戸 約 92.6 GJ/年 72.5 GJ/年 従来システム 燃料電池（SOFCの場合） 22％削減 約 燃料電池 ■環境性比較 年間のCO2削減量は約1.9t-CO2/年・戸 約 5.75 t-CO2/年 3.87 t-CO2/年 1.9t-CO2/年・戸 33％削減 約 6 ３電池を活用した「スマートエネルギーハウス」 ・燃料電池・太陽電池・蓄電池(定置型・電気自動車)の３電池をICT制御。 ・「省エネと快適性の両立」、「電力系統負荷軽減・非常時自立運転」を実現。 自然エネルギーを 最大限活用 太陽電池 電気と熱を 高効率利用 燃料電池 エネルギーの 利用効率を向上 PHV・EV 蓄電池 HEMS 宅内機器を一元管理 エネルギーの見える化 省エネアドバイス 7 （参考）蓄電池のメリット・ディメリット 蓄電池はピークシフト、セキュリティなどにメリットを発揮するが、直流で使用するため 単純に系統につないで充放電させるだけではその都度エネルギーロスが生じる。 ＜蓄電池のメリット＞ ・ ピークシフト 需要ピーク時に蓄電池の電気を使用してピークを抑制できる ・ セキュリティー 万一の停電時でも電気を使用することができる ・ 経済性（ランニング） 単価の安い深夜電力で充電し、昼間の光熱費を抑制できる しかし、省エネルギーの観点で見てみると、、、、 充電ロス ごく僅か～数＋％ 交流 交流 充電 放電 直流 蓄電池 系統電力 負荷 蓄電池 負荷（家電機器） 交流 ⇒ 直流 ⇒ 交流 変換ロス 変換ロス １０％～ １０％～ ＜蓄電池のディメリット＞ 充電時・放電時の交直変換ロスなどにより、 充放電で２０％～数十％のエネルギー損失 が発生してしまう 8 燃料電池と蓄電池の親和性 （組合せ制御) 定置型蓄電池の導入により、エネルギー利用効率の高い燃料電池をより有効に活 用することで、家庭における省エネや節電を実現。 ■燃料電池＋太陽電池＋定置型蓄電池 ■燃料電池＋太陽電池 制御未実施 燃料電池で賄い 切れない分は買電 制御実施 夕方～夜間に放電 深夜に充電 燃料電池は 深夜に低出力 で運転 【燃料電池(SOFC)発電効率特性】 発電効率（％） 46.5 0 定格運転 低出力運転 700 発電出力（W） 9 １．スマートエネルギーハウスの概要 ２．居住実験① ～３電池活用によるCO２ゼロ実証～ ３．居住実験② ～くるま活用によるCO２ゼロ実証～ ４．将来に向けた検討 ～くるまとスマートエネルギーハウスの連携～ 10 スマートハウスの技術開発・居住実証・情報発信拠点 技術 技術評価住宅（大阪市此花区） 開発 ・要素技術開発、実証予備試験・フィードバック ３電池制御、ＥＶへの充電、燃料電池の排熱有効利用 ＨＥＭＳ関連、自立運転システム 等 居住 居住実験住宅（奈良県王寺町） 実証 ・戸建住宅長期居住実証 (2011.2～2014.5 第１ﾌｪｰｽﾞ) ３電池、HEMS関連、くるま実証 等 情報 hu+gﾐｭｰｼﾞｱﾑ（大阪市京セラドーム前） 居住 NEXT21（大阪市天王寺区） 発信 ・スマートハグハウス展示 実証 ・集合住宅長期居住実証 (2013～ 第４ﾌｪｰｽﾞ) 「ちょっと未来」のスマートハウス提案 エネルギー融通、デマンドレスポンス 等 11 居住実験の実証フィールド （奈良県王寺町） 省エネと利便性と快適性の評価を行うため、３電池によるエネルギーシステムへの 工夫に加え、住宅・家電・自動化機器を導入。 ■ダブル発電に蓄電池を加えた３電池 積水ハウス様との 共同研究 王寺居住実験住宅（奈良県王寺町） ＜主な導入設備＞ ・燃料電池(SOFC)、太陽電池(5.1ｋW) ・蓄電池(定置型3.5kWh、電気自動車) ■住宅・家電・自動化機器 （代表例） 電動シャッター／カーテン 自動水栓（節湯型） LED照明(人感センサ付) 住宅の断熱性能の向上だけでなく、省エネ性や 利便性を向上する機器を導入 ＜概要＞ ・床面積 139m2（４ＬＤＫ+納戸） ・家族構成 ３人家族（父（大阪ガス社員）・母・子） ・2011年２月から約３年間の居住実験を完了 ・外部認証 CASBEE Sランク ★★★★★ 12 実証試験の変遷 （２０１１年２月～２０１４年５月） ・試験期間：2011年２月～2014年５月 ・３電池を中心としたエネルギーシステムの省エネ・省CO2効果と、 HEMSの利便性・省エネ行動への効果を検証。 2011年２月開始 エネルギー システム HEMS システム 2011年度 2012年度 2013年度 2014年度 省エネ ３電池システム 制御確認・改良 定置型３電池 実証 ＥＶ版３電池 実証 省CO２ 快適性 効果まとめ 利便性 見える化 評価 省エネアドバイス 評価 自動制御 評価 快適性 省エネ 効果まとめ 13 実証の様子 採光制御（日射遮蔽）試験 LDK温熱環境測定 気密測定試験 HEMS利用状況観察（ビデオカメラ撮影） NHK取材風景 14 実証結果：３電池（定置型）の導入効果（生データ） 昼間の購入電力を抑制するダブル発電に加え、定置型蓄電池の導入により、 夜間の購入電力ピークの抑制効果がある。 購入電力（2011年12月7日） 電力[W] 3,000 2,000 ダブル発電住宅 ３電池住宅 一般住宅 1,000 0 3:00 6:00 9:00 12:00 購入電力（一般ガス住宅） 15:00 18:00 購入電力（W発電住宅） 21:00 0:00 時刻 購入電力（３電池住宅） 15 実証結果：３電池（定置型）の導入効果 通年 年間で▲90％の節電、▲106％のCO2排出量削減、30万円のコストメリット (光熱費)を確認。 （2012年2月1日から2013年1月31日） 購入電力量（節電） 4,521 kWh/年 kWh/年 一般ガス住宅 （３電池なし） 光熱費 186,030 円/年 4,617 kg-CO2/年 ▲284 kg-CO2/年 443 ３電池住宅 （定置型蓄電池） CO2排出量 一般ガス住宅 ３電池住宅 （３電池なし） （定置型蓄電池） ▲114,020 円/年 一般ガス住宅 （３電池なし） ３電池住宅 （定置型蓄電池） 16 １．スマートエネルギーハウスの概要 ２．居住実験① ～３電池活用によるCO２ゼロ実証～ ３．居住実験② ～くるま活用によるCO２ゼロ実証～ ４．将来に向けた検討 ～くるまとスマートエネルギーハウスの連携～ 17 電気自動車を蓄電池として活用した組合せ制御 ・定置型蓄電池の代わりに電気自動車 で燃料電池を最大活用する制御。 ・余剰電力を充電し走行利用しつつ、 放電で購入電力を削減し、燃料電池 の稼働率を上げ、電気と熱の両方の 高効率利用を行う。 走る蓄電池に充電 余剰電力で充電 (走行分＋蓄電池代替) 最大活用 (電気・熱) 深夜 夕方～夜 購入電力削減 余剰電力 外出 余剰電力で走行 電気 燃料電池 昼 太陽電池 節電 放電で購入電力削減 (蓄電池代替) 高効率な 電気・熱を利用 熱 18 定置型蓄電池と電気自動車 ＥＶとＰＨＶ搭載の蓄電池を活用して、定置型蓄電池と同様の居住実験を実施。 電池容量、電力の活用先などが異なり、制御の考え方も異なる。 定置型蓄電池 （実証用試作機） ＥＶ（i-MiEV） ＥＶ（ＬＥＡＦ） ＰＨＶ（プリウス） 電池容量 ３．５ｋＷｈ １６ｋＷｈ ２４ｋＷｈ ５．５ｋＷｈ インバータ １ｋＷ 別途充放電器に搭載 電力活用先 住宅への放電 走行および住宅への放電 充放電制御 内蔵 外部制御（試作ＨＥＭＳ使用） 定置型蓄電池 外観 ＨＥＭＳ 19 燃料電池によるＥＶ/ＰＨＶへの充電 小電力充電 ＥＶへの充電電力を絞ることで、電力負荷ピークを抑制するとともに、燃料電池の 有効活用によって、より省エネな充電が実現。 急速充電 4,000 2600W 400W 充電 3000Ｗ 電力［W］ 購入電力 2600Ｗ 3,000 2,000 電力負荷ピーク大 購入電力 住宅消費電力 燃料電池出力 1,000 燃料電池 700Ｗ 300W ＦＣ→住宅 0 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 時刻 住宅300Ｗ 充電600Ｗ 4,000 電力［W］ 購入電力 200Ｗ 200W 400W 充電制御器 小電力充電：充電電力を６００Ｗまで絞る 3,000 2,000 1,000 ＦＣ→住宅 300W 燃料電池 700Ｗ 電力負荷ピーク緩和 住宅消費電力 燃料電池有効活用 購入電力 燃料電池出 力 住宅300Ｗ 0 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 時刻 20 燃料電池を用いた小電力充電の配慮すべきポイント 小電力充電によって、充電時間が長くなることを踏まえ、利便性を損なわないよう 利用状況に対応した充電方法を選択できるようにする。 【各充電モードの考え方】 充電ﾓｰﾄﾞ エコ充電 600W 時刻指定充電 600W/ 1200W お急ぎ充電 1200W 考え方 FCから車両への充電最大化を目指し、住宅 電力負荷が 小さい時間帯に限り充電実施 【時刻指定充電のイメージ】 EV充電残量 指定時刻までに車の充電が満タンになるよ うに、可能な範囲でエコ充電を実施 100 1200W充電 600W充電 接続直後から住宅電力負荷に関係なく、最 大容量で充電 限界ライン 30 時刻 充電開始 指定時刻 限界ラインに到達したため それ以降は1200Wで強制充電 21 充電システム 車への充電電力を0.6～1.5kWに制御する充電制御器を設置。充電制御器及び 宅内のＨＥＭＳのどちらでも充電モードの選択が可能。 ＥＶ充電制御器 燃料電池 700Ｗ 通信 ＨＥＭＳ 充 電 制 御 器 ＡＣ １００Ｖ 充電 0.6～1.5ｋＷ 通信 ＥＶ 充電モード選択 スイッチ 22 ＨＥＭＳ充電モード入力画面 充電モードを選択 充電完了時刻を入力 23 実証結果：小電力充電搭載による充電実態の変化 小電力充電（エコモード）搭載によって、１回あたりの充電時間が長くなる一方で １回あたりの充電量が減り、充電が頻繁になる。利便性はほぼ同等の評価。 ＬＥＡＦについては、充放電制御を搭載して小電力充電（エコモード）も含めた実証。 Ｉ-ＭｉＥＶ、プリウスについては、走行実験のみ実施し、走行データ及び充電データを取得。 ＥＶは旅行等長距離外出時はガソリン車使用、ＰＨＶは全ての用途に使用。 EV 項目 1日あたり走行距離 （km/日） 1回あたり充電時間 （h/回） 1回あたり充電電力量 （kWh/回） 平均充電間隔 （日） 車載蓄電池容量 （kWh） 車両利用期間 PHV i-MiEV LEAF プリウス 14.4 14.9 23.7 7.2 13.1 2.5 10.0 6.2 2.9 3.5 1.6 1.6 16.0 24.0 5.5 2011年2月 ～2012年8月 （約19か月間） 2013年4月 ～2014年5月 （約14か月間） 2012年9月 ～2013年3月 （約7か月間） 24 実証結果：小電力充電（エコモード）の使用状況 全体平均では小電力充電（エコモード）が４割、時刻指定とお急ぎが２割、充電 しない日が４割。季節別に見ると、夏場にはエコモードの使用頻度が減る。 【充電モードの実施割合（回）】 充電頻度 約６割 （３９％） （３９％） 【各月の実施充電モード（回）】 充電しない頻度は月毎に大きな変化は無し 時刻指定・お急ぎ は夏場増加 エコ充電は 夏場減少 （７％） （１４％） 母数：２１４ 25 実証結果：ユーザー評価 ～居住者の日記より～ 燃料電池の稼働向上によりお得感を実感。頻繁に充電をするため、１回の作業負 荷軽減が必要。翌日の走行予定に応じて充電モードが柔軟に選択されている。 ご主人 今年度はEVを含めた実証により電気の負荷が増えたことで、燃料電池が作る排 熱の量が明らかに増えた。特に、家で電気をあまり使わない中間期がその傾向 が顕著だった。 もともとは捨てるべき排熱で、お風呂に入ったりシャワーを浴びたりするのはとて もお得感がある。 EVで帰宅した際は、家に入る前に充電操作を行うことが多い。充電ケーブルが 鍵のかかったボックスの中に収納されているため、毎度鍵を開けて充電ケーブ ルを取り出さないといけないのが、若干面倒である。 ケーブルのみはボックスの外でもよいような気はするが、充電ボタンは外では厳 しい気もする。ケーブルのみを外に出しておき、充電モードの選択はHEMSもしく はスマホで行うというのもありかもしれない。 奥さま 充電の設定は３つのモードがあり、”エコ充電”を毎回使っている。 時々、時刻指定モードを使う。朝からいつもより少し遠くに行く予定がある場合、 充電がFULLになっていないと不安な為だ。 急速充電モードはほとんど使用しなかった。 26 実証結果：３電池（電気自動車）の導入効果 通年 年間で▲82％の節電、▲103％のCO2排出量削減、31万円のコストメリット (光熱費＋車両燃料費)を確認。 （2013年6月1日から2014年5月31日） 購入電力量（節電） CO2排出量 光熱費＋車両燃料費 1,248 kg-CO2/年 （ｶﾞｿﾘﾝ車分） 3,898 kWh/年 719 kWh/年 ３電池住宅 （電気自動車） 4,243 kg-CO2/年 （住宅分） 85,923 円/年 （ｶﾞｿﾘﾝ車分） 173,027 円/年 （住宅分） ▲55,244 円/年 ▲145 一般ガス住宅 ＋ガソリン車 （３電池なし） kg-CO2/年 ３電池住宅 （電気自動車） 一般ガス住宅 ＋ガソリン車 （３電池なし） ３電池住宅 （電気自動車） 一般ガス住宅 ＋ガソリン車 （３電池なし） 27 １．スマートエネルギーハウスの概要 ２．居住実験① ～３電池活用によるCO２ゼロ実証～ ３．居住実験② ～くるま活用によるCO２ゼロ実証～ ４．将来に向けた検討 ～くるまとスマートエネルギーハウスの連携～ 28 燃料電池と電気自動車の親和性１ 省エネ性 （再掲） 省エネ性に優れた燃料電池で発電し、充電することにより、電力負荷ピークの緩和、 省エネ・省CO２に貢献する。 29 燃料電池と電気自動車の親和性２ Ｖ２Ｈ 燃料電池と電気自動車を組み合わせることにより、停電時における電気自動車から の放電量を抑え、停電の長期化にも対応可能、走行分も確保。 停電時におけるＶ２Ｈ＋走行の比較例 ＥＶのみによる給電 ＥＶ＋燃料電池による給電 ＥＶだけだとＥＶの電池が早く減る 燃料電池があるとＥＶの電池が長持ち １００W ８００W ＥＶ 住宅 ８００Ｗ 使用時 ７００W ＥＶ 住宅 ８００Ｗ 使用時 燃料電池 １４時間停電後の走行可能距離１６ｋｍ １４時間停電後の走行可能距離１１４ｋｍ 計算条件 ＥＶ電池容量１６ＫＷＨ、ＳＯＣ＝８０％（残量１２．８ＫＷＨ）で停電開始したと仮定。 ＥＶのみ自立時のＥＶ電池残量 １２．８ＫＷＨ－０．８ＫＷ×１４時間＝ １．６ＫＷＨ ＥＶ＋燃料電池併用時のＥＶ電池残量 １２．８ＫＷＨ－０．１ＫＷ×１４時間＝１１．４ＫＷＨ 電費 １０ｋｍ／ｋＷＨ として走行距離算出。 30 （参考）エコ充電と停電時Ｖ２Ｈの両立 エコ充電は蓄電池を燃料電池の下流側、停電時Ｖ２Ｈは蓄電池を燃料電池の上 流側に接続する必要があり、連系・自立切替器で回路を切り替えることで対応可能。 通常時（エコ充電） 停電時（Ｖ２Ｈ） 太陽電池 太陽電池 連系・自立 切替器 × 燃料電池 自立コンセント 連系・自立 切替器 燃料電池 PHV・EV 通常時は蓄電池を燃料電池の下流側に接続 PHV・EV 停電時は蓄電池を燃料電池の上流側に接続 31 将来に向けて 超小型モビリティへの期待 コンパクトでより省エネな超小型モビリティ（マイクロＥＶ）は燃料電池、ＨＥＭＳ との組み合わせにより、住宅の省エネ、レジリエンス向上に貢献する可能性を秘めて いる。 32 将来に向けて エネルギー・モビリティ・情報の融合 燃料電池、電気自動車、宅内情報技術の組み合わせにより、新しい価値を提案 するため、住宅での実証試験を開始。 33 将来に向けて エネルギー・モビリティ・情報の融合 燃料電池と電気自動車、家電等がECHONET Liteを介してつながることで、利便 性や快適性など新たな価値を提供する。 洗濯機 冷蔵庫 HEMS サービス Feminity 照明 モニタリング • 発電、充電、家電利用状況の把握 コントロール • 発電、充放電、家電コントロール 最適コントロール エアコン HEMS マルチベンダー対応を ECHONET Liteで実現 スマートメータ MEV • 発電、充放電、家電制御の自動化 燃料電池と電気自動車、家電等を 組み合わせることで、実現できる価 値と実現方法について具体化する。 例えば・・・ 自動車での帰宅に合わせて床暖 とエアコンが立ち上がる など 34 実験フィールド （大阪市此花区） スマートエネルギーハウスの技術評価に使用していた大阪ガスの実験住宅を活用。 エネルギーと情報の統合・制御 標準通信(ECHONET-Lite) PV SOFC 充電・V2H Smart e-Mix コントローラ Manager ﾏｲｸﾛEV(V2H対応) 各種組合せ実験を実施中！ 35 （参考）コンセプト展示 所在地：大阪市西区 京セラドーム大阪 横 展示物：スマートハグハウス 各種家庭用機器・業務用機器 キッチンスタジオ リビング・バスギャラリー 他 36 まとめ １．燃料電池、太陽電池、蓄電池（定置型、電気自動車） の３電池を搭載した住宅での長期居住実験でCO2ゼロ、 ８～９割の節電効果を実証。 ２．電気自動車の家庭での充電において、燃料電池からの小 電力充電（エコ充電）を提案。充電不足、利便性の低下 などの懸念材料も、時刻指定モードなどの設定により特に 顕在化せず、結果的にエコ充電が最も使用された。 ３．長期の居住実験を通じて明らかとなった燃料電池と電気 自動車の親和性に着目し、燃料電池・電気自動車・情報 システムを組み合わせた新しいエネルギーシステムの検討を 開始。 37 以 上 ご清聴ありがとうございました 38