2.8MB - 新エネルギー・産業技術総合開発機構

ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2016
戦略的省エネルギー技術革新プログラム
フェーズ名：実用化開発
＜SiC搭載型マイクロスマートグリッドシステムの開発＞
事業実施法人名：
株式会社アイケイエス、株式会社竹中工務店
研究開発期間：平成２６年１２月～平成２８年６月
１－１．研究開発の背景
2
開発の位置付け
(1) 再生可能エネルギーを無駄なく利用する技術を確立。
（無駄なく作る・蓄える）
(2) 再生可能エネルギー利用プロセスにおけるエネルギー
変換に伴うロスを削減し省エネルギーを図る。
(3) エネルギー輸送／供給手段としてのEV、PHEVの有効
活用を促進する。
１－１．研究開発の背景
3
エネルギーの使用動向
業務用他部門のエネルギー削減が急務
⇒ 建設エンジニアリングへの期待が大
我が国の最終エネルギー消費と実質GDPの推移
出典：エネルギー白書2015
１－１．研究開発の背景
4
市場動向（太陽光発電、EV、PHEV、蓄電池）
市場動向予測
2015年
2020年
2030年
出典
A
太陽光発電市場（累計）
30GW
50GW
100GW
太陽光発電協会
B
EV市場（単年）
20万台
40万台
70万台
経済産業省
C
蓄電池市場（累計）
1GWh
7GWh
34GWh
太陽光発電協会
A
国内累積導入量見通し
（太陽光発電）
出展：太陽光発電協会
B
国内における次世代自動車の普及見通し
出典：経済産業省
C
蓄電池ストックポテンシャル
出展：太陽光発電協会
80%はEV/PHEV
１－１．研究開発の背景
5
市場動向（エネルギーマネジメント（EMS）市場）
出典：富士経済ホームページより抜粋
https://www.fuji-keizai.co.jp/market/15075.html
EMS市場拡大のカギを握るポイント
１－２．研究開発の目的、目標
6
現状システムの問題点と課題
現状システム
● Si型パワーデバイスを使用
● 個々の装置を交流で接続
● 装置専用のエネルギー変換器
を設置
個別接続
課題
● 個別変換器のロスが大きい。
● 変換器通過回数が多くなり、
システムロスが大きくなる。
● 自立運転時（停電時）には、
波形が揃わないため、電力統
合が難しい。
Si型
パワーデバイス
DC/AC変換器
発電機
DC/AC変換器
CHAdeMO変換器
交流接続
１－２．研究開発の目的、目標
7
提案システム
● 高効率SiC型パワーデバイスを使用
● 直流バスへの接続によるマイクロスマートグリッドシステム
SiC型
パワーデバイス
直流バス
への接続
DC/DC変換器
発電機
AC/DC変換器
DC/AC変換器
DC/DC変換器
CHAdeMO変換器
SiC型パワーデバイス利用
マイクロスマートグリッドシステム
１－２．研究開発の目的、目標
8
課題の目的と目標
1. 各種電力変換器のSiCデバイス利用による変換効率の
向上（単体効率）
目標：ロス削減率40％以上
2. SiCデバイス利用マイクロスマートグリッドシステムによるシ
ステム効率の向上
目標：システムロス7％以下
3. SiC化したマイクロスマートグリッドシステムの安定運転
目標：実証施設において30分計画値同量制御の
達成
１－２．研究開発の目的、目標
9
1. 各種電力変換器のSiCデバイス利用による変換効率の
向上（単体効率）
個別の電力変換効率を向上させる。
SiC版
変換器
(目標値)
ロス
削減率
変換器
変換種別
Si版
変換器
① EV、CHAdeMO 変換機
DC/DC
93.8％
96.3％
40.3％
② 蓄電池充放電変換機
DC/DC
96.7％
99.2％
75.8％
③ 太陽光発電変換器
DC/DC
94.6％
96.8％
40.7％
④ 交流／直流変換器
AC/DC
93.0％
96.0％
42.8％
ロス40％削減を目標
１－２．研究開発の目的、目標
10
2. SiCデバイス利用マイクロスマートグリッドシステムによるシ
ステム効率の向上
一例として、太陽光発電の電力を蓄電しさらにEVへ充電する
過程において変換ロスを7%に削減することを目標する。
現状一般システム
(Si型デバイス使用）
太陽光変換機
98%
効率
直流交流変換器
93% ~
効率
蓄電池変換器
効率
93%
EV充電器
効率
マイクロスマート
グリッドシステム
(Si型デバイス使用）
太陽光変換機
98%
効率
直流直流変換機
93%
~
効率
73%（ロス量27%)
全体効率
蓄電池変換器
蓄
電
池
98%
効率
98%
効率
EV充電器
効率
SiCデバイス搭載型
マイクロスマート
グリッドシステム
93%
蓄電池変換器
蓄
電
池
太陽光変換機
99%
効率
93%
直流直流変換機
87%（ロス量13%)
全体効率
蓄電池変換器
蓄
電
池
99%
効率
99%
効率
EV充電器
効率
96%
93%（ロス量 7%)
全体効率
１－２．研究開発の目的、目標
3. SiC化したマイクロスマートグリッドシステムの安定運転
SiC化したシステムにおける、多種電源の安定的制御技術
の確立
マイクロスマートグリッドシステム
11
２－１．研究開発体制
12
研究開発責任者
株式会社アイケイエス
・装置開発／製造
・装置性能評価
株式会社竹中工務店
・実証施設構築
・実証評価
（エネルギーマネジメント評価）
２－２．研究開発内容
13
装置（マイクロスマートグリッドシステム）の開発
(1)
ドライバー回路の最適化（ゲート抵抗の最適化）
(2)
SiCモジュールの動作温度の適正値検討
(3)
SiCモジュールの並列稼働の動作検討
(4)
複合PCSの入出力電圧変動対応制御検討
２－２．研究開発内容
14
実証建物での検証
(1) 実証建物概要
実証施設として、竹中関連会社本社ビルTAK新砂ビルに、SiC型マイクロスマート
グリッドシステム(MSEG®：Multi-source Energy Gateway)を導入した。
[建物概要]
所在地:
延床面積：
階数：
建物用途：
竣工：
東京都江東区新砂
3,918 m2
地上4階
事務所／一部倉庫
2010年
[設備概要］
受電：
変圧器：
高圧受電
動力 300kVA×1
電灯 100kVA×3
※
発電機：
35kW（低圧ガス）
※
太陽光発電： 20kW（屋上設置）
※
照明：
自動調光システム
給水：
受水槽 4㎥
給湯：
局所式
空調：
EHP（マルチエアコン）
※
一部氷マルチ
エレベータ：乗用11人×1基
※
は今回の実証にあたり付加
２－２．研究開発内容
15
(2) 実証システム
SiC型マイクロスマートグリッドシステム（MSEG®）の入出力を受電量の計画値
同量制御を達成するために、クラウド側から指示・制御するシステムとした。
２－２．研究開発内容
(3)
16
実証環境の整備と実証データの取得
実建物において、エネルギーマネジメントシステムにマイクロスマートグリッド
システム（MSEG®）を組み込んだ設備システムを構築。
天気予報
・室利用状況
・催し等
電力購入
エネルギー
コスト情報
ユーザー
当日朝
前日
負荷予測①
電力、熱負荷
把握
負荷抑制の要請
運転計画
最適化
負荷予測②
パーソナルDR
予備力把握
リアルタイム
リアルタイム
制御
MSEG®
設備システム
建物設備
・熱源／氷蓄熱
・照明制御（照度）
・空調制御（温度）等
マルチ電源
・PCS
・蓄電池
・発電機
・太陽光発電
・EV充放電
２－２．研究開発内容
(4)
17
実証システム外観
パワーコンディショナー
蓄電池
ガス発電機
（リユース）（SiCデバイス搭載型）
EV充放電器
（SiC）
EV
SiC型マイクロスマートグリッドシステム（MSEG®）の設置状況
２－２．研究開発内容
18
開発結果
(1) 各種電力変換器のSiCデバイス利用による変換効率
の向上（単体効率）
Si型からSiC型に変更によるエネルギーロス削減の目標値
（40%）を達成した。
効率［％］
ロス削減率［％］
100
100
98
80
エネルギー
96
60
ロス削減率
94
40
SiC型効率
実績
92
20
90
0
EV
蓄電池
双方向
双方向
充放電器
充放電器
AC/DC
AC/DC
① 10kW
② 50kW
50kW
50kW
絶縁型
非絶縁型
絶縁型
絶縁型
各コンバータ変換効率実績
SiC型効率
目標
Si型効率
２－２．研究開発内容
(2)
19
SiCデバイス利用マイクロスマートグリッドシステムによる
システム効率の向上
目標に掲げた、太陽光発電の電力を蓄電しさらにEVへ充電する
過程において変換ロスを約7%に削減することができた。
効率（％）
100
80
変換ロス
＝約7％
60
40
一体化システム(SiC型デバイス）
一体化システム(Si型デバイス）
現状一般システム(Si型デバイス）
20
0
20
40
60
出力（％）
出力別のシステム効率
80
100
２－２．研究開発内容
20
(3) SiC化したマイクロスマートグリッドシステムの安定運転
30分計画値同量制御についてデータを取得し想定どおりの運転が
行われていることを確認した。
積算電力量
[kWh]
30分毎の計画受電量
1分毎に制御
時刻[min]
1分毎の制御により30分毎の
計画値同量を達成
３－１．成果
21
● SiC型デバイス単体での運転効率について装置組込状
態で当初目標を確保することができた。
● SiC型デバイスを組み込んだマイクロスマートグリッドシス
テムのシステム効率について当初目標を確保することが
できた。
● SiC型デバイスを組み込んだマイクロスマートグリッドシス
テムの安定運転を確認した。また、同システムを利用し
た実建物において、電力受電量の30分計画値同量
制御を行うことができた。
３－２．今後の展望
22
(1) 開発品の優位性
・複数の電源が接続可能、かつ直流で安定的に制御できる機能はこのクラ
スでは競合製品が無い。
・ BEMSからの制御が容易。
・ SiC型デバイスの利用により高効率な省エネルギー機器。
・ PCSの共有化およびユニット化されたMSEG®による価格競争力が期待で
きる。
(2) 課題
・海外においてはUL規格の取得を要求されるが、SiCモジュールがUL未取
得であり、メーカーでの対応が必要。
・現時点では価格が高く、ランニングコストの削減との比較によるメリットをだ
すために、さらにコストダウンを進める必要がある。
３－２．今後の展望
23
(3) 国内に於ける事業展開
・既に製品の供給は可能。
・エネルギーマネジメントの手段が手薄な10,000㎡前後の中規模ビルにニー
ズがあると考えられる。
・ BCP目的、EV充電ステーションの設置、多棟間でのエネルギーマネジメント
等機会を捉えた営業によりニーズの掘り起しが可能。
(4) 海外に於ける事業展開
・北米・欧州において複合型かつ高効率な装置に対するニーズが存在。
・特に50kWクラスの競合製品が無い。
・当面は輸出で対応するが、将来的には現地生産が必要となる。
(5) 実績について
・実証建物の他、自社ビル（既存ビルのZEBへの改修）へ導入した。
・設置提案を推進中であり、既に導入予定の建物が複数ある。
３－２．今後の展望
24
システム導入への誘導例
御提案対象の顧客ニーズの例：
「電力自由化に対応したい」
「BCP対応を考えたい」
「停電の時にエレベータが停まって困った」
「EV利用が増えた」「EV用充電器を設置したい」
「太陽光発電を設置したい」
規模： 5,000㎡～20,000㎡程度
建種：事務所（役所）、商業、学校、集合住宅、
いつでも聞かれる
ニーズ
これらのニーズをエネル
ギーマネジメントに繋
げる。
ほぼ全ての建種で導
入の検討可。
駅ビルなど
太陽光発電(40～100kW)
太陽光発電
(20～50kW)
事務所ビル
20,000～40,000㎡
事務所ビル
5,000～20,000㎡
MSEG
(50kW)
EV Sta.
～5台
MSEGの
複数台設置可
MSEG
(50kW)
EV Sta.
～10台
MSEG
(50kW)
複数台設置で大規模建物にも設置可能
３－３．省エネルギー効果
2020年時点： 3.44万kL/年(累計：
25
6.64万kL )
2030年時点： 34.4万kL/年(累計：192.13万kL )

Download Report