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2021年1月14日

屋根上太陽光発電(PV)と電気自動車(EV)を用いた新たな都市の電力・モビリティーシステムの可能性:
「SolarEVシティー」コンセプト

(筑波研究学園都市記者会、環境省記者クラブ、環境記者会 同時配布)

2021年1月14日(木)
国立研究開発法人国立環境研究所
地球環境研究センター1、福島支部2
小端 拓郎1
ジトラピロム ピーラパン1
吉田 崇紘1
平野 勇二郎2
山形 与志樹1
 

   国立研究開発法人国立環境研究所の研究グループは、建物の屋根上PVとEVを蓄電池として組み合わせることにより、今後、都市の脱炭素化を効率的に行えることを明らかにしました。日本では、都市からのCO2排出は全体の50%を超えます。つまり都市におけるCO2排出を減らすことがネットゼロ排出社会に向けて非常に重要です。
   本研究では、日本の9つの都市(東京都区部、札幌市、仙台市、郡山市、新潟市、川崎市、京都市、岡山市、広島市)において、屋根面積の70%にPVを敷設し、市内の乗用車をEVに変え、都市では特に稼働率の低い車(EV)を蓄電池(40kWhの50%の容量)として用いることで、都市の53-95%の電力需要を賄うことができることが分かりました。また、車と電力消費からのCO2排出の54-95%の削減につながります。2030年には、このシステムの導入により、エネルギーコスト(ガソリンと電気代)が26-41%削減となる可能性があります。この結果は、今後ネットゼロCO2排出の社会を作っていく上で、自然侵略性の低い屋根上PVとEVのシステム(SolarEV City)を、最大限活用することが重要であることを示しています。
   このようなシステムを実現するためには、PVとEVを組み合わせたシステムの普及を進めるのと共に、コミュニティーでのPV電力の自家消費を最大化させる分散型電源システムを発展させていく必要があり、それを可能とする様々な規制改革を行う必要があります。また、個人・コミュニティーの選択・活動が重要となるため、行政、コミュニティー、NGO、企業、研究者らが協力しながら、SolarEV Cityを実現していく必要があります。
   本研究の成果は、2020年12月16日付で環境科学分野の学術誌、「Environmental Research Letters」に掲載されました。
 

1.研究の背景

   2020年10月、日本政府は2050年までに温室効果ガス排出実質ゼロを目指すと発表しました。この実現に向けて、経済効率の高い手法を開発することで脱炭素化を加速させることが求められています。本研究では、近年大きな変革期にある自動車業界とエネルギー業界が協力(セクターカップリング)することで、経済効率の高い都市の脱炭素化が可能になることを示しました。都市の脱炭素化では電化が経済性の高い方法であると言われていますが、自動車も同様で、ガソリン車から電気自動車(EV)へのシフトが有効です。しかし、発電が石炭や天然ガスなど化石燃料を使って行われれば、その脱炭素化効果も減少してしまいます。そこで、屋根上太陽光発電(PV)とEVの充電を組み合わせることで、CO2排出がゼロの電気でEVを充電できます。またその建物でEVをPVの蓄電池として使うことで、CO2排出ゼロのPVからの電気をEVの駆動のみならず建物内の電気製品にも使用することができ、大幅なCO2排出の削減に繋がります。
   今後、PVとEVの価格が大幅に下がることが予想されるため、PVとEVを組み合わせたシステムは新しいモビリティー・電力システムの基盤となる可能性を秘めています。つまり、自然への侵略性が低く送電ロスの少ない屋根上PVを物理的に可能な屋根スペースに最大限敷設し、自動車の稼働率が低い日本の都市部で(家から離れている時間が日平均30分程度)EVをPVの蓄電池として活用することで持続可能な都市を構築できる可能性があります。
   そこで、本研究では、このPVとEVのシステムを都市レベルで活用した際の脱炭素化ポテンシャル、およびそれを実現するための課題を整理しました。分析を行った都市は、新潟市、岡山市、郡山市、仙台市、広島市、京都市、札幌市、川崎市、東京都区部となっています(図1)。

 分析を行った9つの都市を示した図
図1. 分析を行った9つの都市

2.研究手法

   分析を行った9つの都市は、東京都区部の様に人口密度が高く公共交通が発達し、多くの高層ビルで形作られた都市から、郡山市の様に比較的低層ビルの多い地方都市が含まれています。これらのスケールが大きく異なる都市を比較するために、一人当たり屋根面積、一人当たり自動車数等を用いて比較を行いました。一人当たり屋根面積と一人当たり自動車数は、強い比例関係にあります。これらの都市の年平均一人当たりCO2排出量は、7.3 ± 4.8 トンであり、産業部門の排出が多い都市ではこの一人当たりCO2排出が大きくなる傾向があります。
   本研究では、再エネ(PVのみ、PV+EV)プロジェクトの可能性を評価するために、技術経済性分析という手法を用いました。技術経済性分析を用いることで、再エネの変動性、日射変動、気温変動、技術のコスト、整備費、劣化などを考慮したうえで、既存のエネルギーシステム(系統の電気とガソリン車)との比較で再エネプロジェクトを評価することができます。計算には、プロジェクト期間25年、割引率3%(将来の価値を現在の価値へ換算する際に用いる年率)を用いました。
   都市の分析を行うにあたって、すべての建物の屋根面積の最大70%をPV敷設に用いること、PV変換効率は20%を想定しました。技術経済性分析の中で、実際のPV容量は経済性が最も高くなるPV容量を計算しています。分析は、2018年と2030年で行い、PVおよびEVのコストが変化する以外は同じ条件で計算しています。
   EVは、40kWhのバッテリーが搭載されていることを想定し、その半分をPVの蓄電池として使うことを想定しました。また、自動車のオーナーが買い替え時にEVに乗り換えることを想定し、EVのガソリン車に対する追加的コスト(価格差)をEVのコストとして見積もっています。EVの台数は、すべての個人所有の乗用車がEVとなったことを想定しています。
   分析は、3つのシナリオに基づいて計算しました。一つは、2018年にPVのみを設置したケース。2つ目は、2030年にPVのみを設置したケース。3つ目は、2030年にPV+EVを設置したケースです(図2、図3)。また、余剰電力の固定価格買取(9円/kWh)の有り(図2)か、無し(図3)でも分析を行いました。

3.分析結果

   分析結果を、6つの指標で評価しました。1番目の指標は、経済性が最も高くなる屋根上PVの容量(最大値は70%の屋根上面積)です(図2F、図3F)。2番目の指標は、CO2排出削減率で、再エネ技術の既成のエネルギーシステムと比較した削減率です(図2E、図3E)。3番目の指標は、エネルギー経費節約率で、既成のエネルギーシステムからのコスト削減率です(図2D、図3D)。4番目の指標は、エネルギー充足率で、屋根上PVの年間発電量と、都市の年間消費電力量と比較した率です(図2A、図3A)。5番目は、自己充足率で、電力の同時同量を考慮しつつ、屋根上PVの発電(とEV)でどの程度都市の電力を賄えるか示した率です(図2B、図3B)。6番目は、自家消費率で、屋根上PVで発電された電気が、どの程度都市の中で消費されたか示した率です(図2C、図3C)。
   PVの最適容量の変化を見ると、2018年はまだPVのコストが高いため、最適PV容量は小さいです(図2F、図3F)。どの都市でも一人当たり容量が、余剰電力買取のあるなしに関わらず1-2kW程度にとどまります(図2F、図3F)。しかし2030年になると、PVのコストの下落に伴い余剰電力の固定価格買取(9円/kWh)がある場合(図2F)、屋根面積を最大使用するPV容量まで増加します。買取がない場合でも(図3F)、2018年に比べて「PVのみ」は1kW程度増加します。「PV+EV」システムの場合、買取ありで「PVのみ」と同様、ほぼ最大値に増大し、買取がない場合でも(図3F)蓄電池により余剰電気を自家消費に使うことが可能となることで経済性が改善し、PV容量も「PVのみ」より増加します。一人当たり屋根面積、一人当たり自動車数が多い地方都市の方が、PV容量の増加率が大きくなり、最大一人あたり5kWを超えます(図3F)。
   エネルギー充足率を見ると、2018年にはどの都市も30-40%程度ですが、2030年には、PVのみ、PV+EVともに、買取ありで50-200%近く(図2A)、買取なしでもPVのみで40%前後、PV+EVで60-100%近くとなります(図3A)。自己充足率では、固定価格買取ありの場合、2018年にPVのみで、20-30%、2030年には、PVのみで40%前後まで上昇します(図2B)。PV+EVでは、50-90%となります(図2B)。買取なしでは、2018年PVのみで20-30%、2030年に30-40%となります(図3B)。PV+EVは、50-80%です(図3B)。自家消費は、2018年買取ありで、PV容量が少ないことを反映して、80-100%近く自家消費が可能です(図2C)。2030年にPV容量が増加すると、PVのみでは20-60%しか自家消費できないが、PV+EVでは、50-100%の自家消費が可能となります(図2C)。買取なしの場合、2030年においてもPV容量が少ないため80%以上自家消費が可能で、PV+EVでは、2030年PVのみより10ポイント程度改善します(図3C)。
   コスト節約率をみると、買取ありの場合、2018年PVのみですでに、5%前後の節約となります(図2D)。これは、2018年の時点でPVシステムはグリッドパリティーに到達していたことを意味します。2030年には、PVのみで20%程度の節約、PV+EVでは、25-45%の節約となります(図2D)。買取なしの場合、PVのみの場合2018年5%前後の節約で、2030年には5ポイント程度さらに大きな節約となります(図3D)。PV+EVの場合、25-40%程度の節約となります(図3D)。最後に、CO2排出削減率は、買取ありの2018年に、PVのみで20-30%の削減となり、2030年には40%前後の削減となります(図2D)。2030年にPV+EVは、50-100%近くの削減となります(図2D)。買取なしの場合、2018年PVのみで20-30%の削減となり、2030年で30%前後の削減です(図3D)。PV+EVでは、50-90%の排出削減が可能となります(図3D)。
   分析結果から、PV+EVシステムは、屋根面積の70%を活用することで、都市の消費電力(EV駆動用含む)のかなりの部分(53-95%)を賄うことができることがわかりました。これは、電気とガソリン消費にともなうCO2排出の54-95%の削減となります。東京都区部や産業都市の川崎以外では、年間消費電力の100%-200%の電力を屋根上PVで発電することができ、EVと組み合わせることで、すべての指標において大幅に改善します。エネルギーコストにおいても、26-41%削減(固定価格買取)に繋がる可能性があります。地方都市では、消費電力より多くの電気を発電できるため、余剰電力を給湯、暖房など(電化)で用いることや、東京などの大消費地に送るなどして追加の収入とすることができます。

都市におけるPVのみとPV+EVによるエネルギー指標と脱炭素化ポテンシャル、固定価格買取(9円/kWh)がある場合の分析結果の図
図2. 都市におけるPVのみとPV+EVによるエネルギー指標と脱炭素化ポテンシャル。
固定価格買取(9円/kWh)がある場合の分析結果。
都市におけるPVのみとPV+EVによるエネルギー指標と脱炭素化ポテンシャル、固定価格買取なし場合の分析結果の図
図3. 都市におけるPVのみとPV+EVによるエネルギー指標と脱炭素化ポテンシャル。
固定価格買取なし場合の分析結果。

4.どのように実現するのか?

   現在、日本ではEVの台数が極めて少ないため、PV+EVシステムを構築することが難しい状況です。しかし、日本政府も2035年にはすべての新車販売を電動車とすることを発表しました。つまり、EVの台数は今後急速に伸びることが予想され、PVとEVを統合するシステム(Vehicle to HomeやVehicle to Building)の普及も同時に促進していく必要があります。また、コミュニティー内での自家消費を最大限高めるため、コミュニティー内でエネルギーシェアリングを可能とする規制改革(託送料金等)も進める必要があります。まずは、デジタル化やスマートシティーの構築と共に、実証試験等を通じた新たなビジネスモデルの構築が必要です。SolarEV Cityコンセプトは環境省が推進する地域循環共生圏とも整合性のあるコンセプトであり、地域自治体とコミュニティーの活動としてSolarEV Cityを構築するための環境省の補助金事業等(https://rcespa.jp/【外部サイトに接続します】)を活用することも可能です。

5.最後に

   本研究は、PVとEVを統合した都市の新しいモビリティー・パワーシステムを構築することで、費用対効果の高い都市の脱炭素化が可能となることを示しました。日本は世界を代表する自動車メーカーと電気メーカーを有し、SolarEV Cityの構築に向けて、まれな好条件がそろっています。これらの企業が協力することで、他の発電手法(例えば、原子力等)と比べ安全でレジリアンスの高い電力システムを構築し、日本の脱炭素化のみならず、世界の都市の脱炭素化、特に、太陽光資源の豊富な低緯度地帯の新興国の都市の脱炭素化に貢献することが期待されます。

6.発表論文

T. Kobashi, P. Jittrapirom, T. Yoshida, Y. Hirano, Y. Yamagata, SolarEV City concept: Building the next urban power and mobility systems, Environmental Research Letters, doi:10.1088/1748-9326/abd430.
URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abd430【外部サイトに接続します】

7.研究グループ

国立環境研究所 地球環境研究センター1、福島支部2
小端拓郎1 (特別研究員)、Jittrapirom Peraphan1(特別研究員)、吉田崇紘1(特別研究員)、平野勇二郎2(主任研究員)、山形与志樹1(主席研究員)

8.問い合わせ先

【研究に関する問い合わせ】
国立環境研究所 地球環境研究センター
気候変動リスク評価研究室 特別研究員 小端 拓郎
Kobashi.takuro (末尾に@nies.go.jpをつけてください) 

【報道に関する問い合わせ】
国立研究開発法人国立環境研究所 企画部広報室
kouhou0(末尾に@nies.go.jpをつけてください) / 029-850-2308

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