[スペシャルインタビュー]

動き出すスマートハウス!(第1回)=スタート直前の実証実験の内容を聞く=

第1回 スマートハウスの3つのエネルギー要素
2010/09/13
(月)
SmartGridニューズレター編集部

国際的にスマートグリッドへの取り組みが活発化する中で、その具体的な適用例として、「スマートハウス」が登場し、新しい住環境として注目されている。ここでは、いよいよ2010年10月から開始されるユニークな「スマートハウスの実証実験」(主催:福岡スマートハウスコンソーシアム)を推進する、スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー 中村 良道(なかむらよしみち)氏とdSPACE Japan代表取締役社長 有馬 仁志(ありまひとし)氏に、スマートハウスの定義からスマートハウスの特徴、スマートハウスにおけるエネルギー制御や新しいモデルベース開発の手法などをお聞きした。今回は(第1回)は、中村氏にスマートハウスとは?からスマートハウスを構成する3つのエネルギー要素などについてお話いただいた(聞き手:WBB編集部)。

動き出すスマートハウス!(第1回) =スタート直前の実証実験の内容を聞く=

≪1≫九州の福岡市でスマートハウスの実証実験がスタートへ!

■ スマートエナジー研究所やdSPACE Japanなど8社が九州の福岡市や大学をはじめとする研究機関の協力をえて、福岡スマートハウスコンソーシアムを立ち上げ活動していますね。

中村 はい。2010年6月に、九州の福岡市などの協力を得て、福岡スマートハウスコンソーシアムを設立し、福岡アイランドシティ中央公園内の2階建て住宅で、2010年10月から2011年3月までにわたって、実証実験行う予定です。

〔注。福岡スマートハウスコンソーシアムについては次のスマートエナジー研究所のURLを参照ください。http://www.smartenergy.co.jp/project.html

この住宅、すなわちスマートハウスには、自然エネルギーを活用して発電するシステムとして、太陽光発電(太陽電池)と小型の風力発電を設置し、2次電池(充電可能な畜電池)として、リチウム・イオン畜電池を設置します。「太陽光発電や風力発電」と「蓄電池」の間は直流で配電し,双方向DC-AC(直流−交流)コンバータを介して、系統電源(電力側から供給される電力)や家庭内の家電とつなぐ計画です。

具体的なイメージとしては、このスマートハウスの実証実験を、図1に示すように、

(1)上位層の創電(発電)レイヤ:風力発電、太陽光発電

(2)中間層の制御レイヤ:DC-DC コンバータ、DC-AC コンバータ

(3)下位層の蓄電レイヤ:電気自動車、蓄電池

という3つのレイヤ分けて実験を行います。詳しくは後ほどご紹介します。


図1 スマートハウス実証実験〔創電(発電)レイヤ/制御レイヤ/蓄電レイヤ〕(クリックで拡大)

図1 スマートハウス実証実験〔創電(発電)レイヤ/制御レイヤ/蓄電レイヤ〕


■ ところで、スマートエナジー研究所とはどのような研究所でしょうか。

中村 当研究所簡単なプロフィールを表1に示します。この研究所は、1年前の2009年9月に静岡県三島市近郊に設立されたばかりですが、企業理念として、「持続可能(サステナブル)な低炭素社会の実現」へ向けたスマートエネルギーシステムの「ビジョン創り」や「モデル創り」と「普及活動」を中心としています。事業としては、スマートエネルギーの事業化に関するコンサルティング、教育なども行っています。

表1 株式会社スマートエナジー研究所のプロフィール
項 目 内 容
会社名 株式会社 スマートエナジー研究所
代表者 代表取締役社長 中村 創一郎(なかむらそういちろう)
設 立 2009年9月24日
資本金 9,500千円
所在地 静岡県駿東郡長泉町下土狩33-8 スワベビル30A
TEL:055-943-5700  FAX:055-943-5701
企業理念 「持続可能な低炭素社会の実現」へ向けたスマートエネルギーシステムの「モデル創り」と「普及活動」
事業内容 ① 低炭素社会実現のための「ビジョン創り」と「モデル創り」
② セミナーや展示等による「研究成果」の発表と技術の普及活動
③ 地域産業の支援活動
④ スマートエネルギーの事業化に関するコンサルティング
⑤ 人材育成のための教育機関(大学)での講義
⑥ インテリジェント電源開発におけるモデルベース開発手法の適用推進
⑦ スマートエネルギー技術のトレーニングシステムの開発と販売
⑧ インテリジェント電源の開発に関するコンサルティング


≪2≫注目されるスマートハウスにおけるエネルギー制御の部分

■ スマートエナジー研究所が取り組んでいる、福岡スマートハウスコンソーシアムのスマートハウスについては、どのようにお考えですか。

中村 スマートハウスについては、ホーム・ネットワーク(HAN:Home Area Network)のような通信技術も重要な構成要素ですが、それを生かすうえでは、エネルギーの制御をどのようにやるかということが非常に大事だと思っています。電気のエネルギー使うことを考えたとき、あまり普段意識はしないかもしれませんが、電力会社から家(需要家)へという流れでエネルギーを使用していました。

しかし、これからは新たなエネルギー源として、太陽光発電や風力発電など自然エネルギーがたくさん導入されることになるでしょうし、電気自動車やプラグインハイブリッド車が数を増やしていくと思います。その結果、電気エネルギーがたくさん必要となります。低炭素社会を実現するために積極的に進めている、自然エネルギー導入と電気自動車の導入には、後ほどお話ししますが、それぞれ課題があります。私は、スマートハウスの役割は自然エネルギーの導入と電気自動車の普及の課題を解決する代表選手として、スマートハウスを考えています。

中村 良道氏(スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー)
中村 良道氏
(スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー)

 

■ なるほど、そのスマートハウスについて簡単に説明していただけますか。

中村 スマートハウスとは、簡単に言うと、バッテリーをもっており、ただもつだけでなく、そのバッテリーを生かせるシステムをもっている家であると、考えています。もちろん、今の時点の議論として、家にバッテリーシステムを導入については、まだ先のことと考えている方もおられると聞いています。価格が高すぎると考えているからでしょう。しかし、実際にバッテリーをもつシステムを上手に作り上げていくことができたら、あるいはさまざまな試験を自由に行える環境があったなら、認識が変わるかもしれません。思ったよりも、バッテリーの容量は少なくても良いかもしれません。そこで、私たちが立ち上げた福岡スマートハウスコンソーシアムで、実証試験を進めたいと考えています。

■ それはとても興味深いお話ですね。

中村 考えてみますと、スマートハウスのような家が作られると「系統や自然エネルギーやバッテリー」などのように、複数のエネルギー源が存在することになるわけです、こうしたエネルギー源や充電が可能な要素をダイナミックに結びつけることができたら、瞬時に電力を出したり、吸収したりできて、しかもコンパクトなものとなるような気がしています。この結果、エネルギーをそれぞれ補いながら電力を供給するシステムができあがります。これが、家庭用のバッテリーが意外と小さくてすむような気がしている理由でもあります。


≪3≫3つのエネルギー要素をダイナミックに結合

■ エネルギーをダイナミックに結びつけるとは、どういうことですか。

中村 スマートハウスにおいて、3つのエネルギー要素である「系統電力(電力会社から供給される電力のこと)」、「自然エネルギー」、そして「バッテリー」の3つをうまく活用して、エネルギーシステムをつくるためにはエネルギーを合成しダイナミックに結びつける必要があります。実際には、主に高電圧の直流給電を用いて行われます。

さて、ダイナミックなエネルギーの流れについて説明しますと、たとえば、

(1)太陽光発電や風力発電など自然エネルギーから発生した大きなエネルギーを瞬時にバッテリーに蓄積すること
(2)バッテリーのエネルギーの一部を使って、例えば料理する際に、IHクッキングヒーター(電磁誘導加熱による調理器具)を使用すること

などを、考えると面白いですね。このとき、IHヒーターへ供給されるエネルギーは、系統からも供給されるし、バッテリーからも供給されるということです。

こうした自然エネルギーやバッテリーの追加によって、エネルギーシステムの振る舞いはいっそう複雑になります。こうしてみると、エネルギーは、まるで生き物のようです。エネルギーはある装置からある装置へ移ったり、あるいはバッテリーに蓄電したり、放電させたりさせたりすることができます。スマートハウスにおいては、このように生き生きとしたダイナミックな流れが可能になってはじめて、意味のあるエネルギーシステムとなりえると考えています。

■ すごいエネルギーシステムですが、身近な例で何かありますか?

中村 そうですね。いい例がありました。家というよりもむしろ、車(自動車)を考えるのがわかりやすいかもしれません。走行中のハイブリッドカーのような感じです。あるときは、エンジンで、あるときは、モータで、そして同時にも動きますね。そのような感じです。瞬時にエネルギーの流れを変えながら、燃費のよい走行を実現しています。系統のエネルギーとバッテリーのハイブリッドで家のエネルギーをまかなうことが、スマートハウスの大きな目的といえるでしょう。

■ なるほど。

中村 現在、世の中で注目されているのは、第1に、IT側から見たエネルギー制御の部分、すなわち電力会社から提供される電力(つまり系統電力)とエアコンなどの家電製品という関係です。これから電力と情報がより深く結びつくことになりますから、電力会社から、エアコンの設定を変えることということが可能にわけですよね。これがアメリカで進められているスマートグリッドのデマンドコントロール(電力需要の制御)の例です。もちろん、電力会社と契約したうえでのことです。

しかし、本質的なエネルギーの利用を考えたとき、スマートハウスの可能性はかなり広範囲なものと考えています。スマートハウスに関する実験を行う中で、例えば、

(1)系統や自然エネルギーから、電気を貯めたり(蓄電したり)、出したり(放電したり)すること
(2)家庭の電気製品の負荷と連携して電力をコントロールすること
(3)また、電気自動車の普及などの急な電力消費へ対応すること

などのように情報で電力を管理するばかりでなく、エネルギーの流れを理解し上手に活用するシステムをつくることが、ITシステム構築と同じように重要なのだということが、だんだん分かってきました。

■ そのような時代を迎えて、スマートハウスにおいて実際は、どのようなことが課題となってきているのでしょうか。

中村 良道氏(スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー)
中村 良道氏
(スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー)

 

中村 そうですね。スマートハウスで私たちが注目しているのはエネルギーに関する扱いとエネルギーの流れです。エネルギーをつくり、貯めて、賢く使うことをいかに上手に行うか、ということです。ところで、エネルギーというのは、物理的な現象ですね。重いものを移動させたり、熱を発したりします。電気は目に見えないため、わかりにくいところがありますが、たとえ目に見えなくても、実際にそこに存在しています。電気にさわると感電しますから存在はわかります(笑い)。

さて、テレビや照明など小電力消費の機器のスイッチをオン・オフするような場合は別として、たとえば、IH製品、電気ポット、起動直後のエアコンなど比較的電力消費が多い家電を、同時に使用していたときに、外部(例:電力会社側)からの命令一つで簡単に電力を抑制することは、そう簡単ではないような感じがしますよね。すなわち、エネルギーの流れを急に止めることは、利用状況を考えた場合、難しいときもあるのです。

■ なるほど

中村 そこで、大切なのは、太陽電池やバッテリー、そして、系統と家庭の負荷を全体としてひとつのエネルギーシステムとしての見つめる視点が必要であるこということです。それを間違えると、スマートハウスの電力供給システムはとても効率が悪いものになるか、装置間の相性がわるいと、システム全体が上手に機能しないということも考えられます。身勝手に停止してしまうような機器や装置が、直流給電バスに接続されているのは、システム上はよくないのです。

周りのエネルギーの振る舞いを、互いに感じながら自律的に動作することができない装置は、電源システムになることができません。自然エネルギーの変化、たとえばエネルギーの急激な上昇をうまく吸収できる応答性のある双方向コンバータ(電圧変換器)などを使い、バッテリーへ速やかに充電することを可能にするなど、新しい技術的な課題をいくつもクリアしなくてはなりません。

■ むずかしそうですね

中村 技術的なむずかしさを感じるかもしれませんが、私は、むしろ取り組み方や見方の問題と考えています。すなわち、エネルギーシステムを俯瞰的に見ることが大切なのです。エネルギーを取り扱う機器や装置は、それぞれが単独で存在しても、そのもてる力を存分に発揮できない場合があります。個々の要素(機器や装置)を組み合わせてシステムとして、意味をもつものを作る必要がありますね。そして、私個人的にとくに重要と思っていることは、それをできるなら無理なく実現することです。自然に、そうなってしまうような装置をつくる必要があるのです。エネルギーを合成するための新しい概念を理解することのほうが、技術よりもむずかしいところもありますが、これが重要なところなのです。


≪4≫ミニスマートハウスをつくって実証実験

■ 具体的には、スマートエナジー研究所では、どのような研究をされているのでしょうか。

中村 そうですね。現在、国際的にも注目されている、低炭素社会実現のためのスマートエネルギーの在り方を研究しています。手はじめにdSPACEJapan社やアバール長崎の協力を得て、最近話題のモデルベース(システム開発期間を短縮する開発手法)で開発した実際の50分の1の電力量のミニスマートハウス(プロットタイプ)を作成しました。これは、dSPACE社のユーザー会で発表されて、大変好評でした。現在、このミニスマートハウスを実際に動作させて、dSPACE社の道具を使ってエネルギーの流れを検証しています。

このように、私たちは、実物のスマートハウスの作る前に、小さなモデル(ミニスマートハウス:図2)をつくり、実証実験を開始したのです。実物をつくる前に、「こうすればうまくエネルギーを活用できます」といえるように、ミニハウスで何度も試し、効果をたしかめています。その成果はセミナーなどでデモを頻繁に行い発表しています。


図2 ミニスマートハウスによる実証実験(クリックで拡大)

図2 ミニスマートハウスによる実証実験


■ おもしろいですね。ミニスマートハウスは、どのようなコンセプトのもとに開発されたのですか?

中村 それでは、ミニスマートハウスの開発のもととなった考え方をお話ししましょう。スマートエネルギーシステムの開発は、実はとても難しく、順を追った高度な開発プロセスが必要でした。手始めに、まず、エネルギーの通り道である電気回路がどのように動くかどうかを検証する必要があります。

ここでは、国内で電源の中心的な活動をしている熊本の崇城(そうじょう)大学エネルギーエレクトロニクス研究所の中原先生が開発した「SCALE」というソフトウエアを使っています。このソフトウエアで、回路動作が正しいか、制御ソフトウエアが正しいかどうかを確認します。これは、もともとアナログの電源回路をシミュレーションするものだったのですが、2年ほど前に中原先生に「アナログ回路とDSPのプログラムを連動させてシミュレーションができるといいですね」と話したところ、驚くことにDSPの動作検証用のソフトウエアが追加されたのです(DSP:Digital Signal Processor、デジタル信号処理に特化したプロセッサ)。

これは、世界に誇る非常に素晴らしいソフトウエアで、アナログと制御モデル(プログラム)の高速なシミュレーションを可能にします。制御におけるDSPのプログラム検証用としても威力を発揮すると思います。また、DC/DCコンバータやDC/ACインバータなどのエネルギー制御変換ユニットのプロセッサには、テキサスインスツルメンツ社の32ビット・ハイスピードマイコンC2000(TM)を使用しています。


≪5≫植物細胞のエネルギーの完結性にヒントを得て

■ そうしたミニハウスあるいはスマートハウスを開発する基礎となっている考え方がありますか?

中村 はい、ちいさな範囲でエネルギーを「創る」「貯める」「賢く使う」というコンセプトを全面に出しています。突飛かもしれませんが、図3に示すように、植物細胞のエネルギーの完結性にヒントを得たシステムづくりです。スマートハウスは人間社会におけるエネルギー使用の最小単位と位置付けて、とくに重要な研究対象と考えております。


図3 植物細胞のエネルギーの完結性にヒントを得たスマートハウス(クリックで拡大)

図3 植物細胞のエネルギーの完結性にヒントを得たスマートハウス


すなわち、

(1)太陽電池や風力発電が生み出すエネルギーをどのように充電するか
(2)その充電したエネルギーをどのように使うか(家電での消費)
(3)このようなダイナミックなエネルギーの流れを、どのように制御するか

ということです。これは、簡単なようにみえて、実はかなり大変な技術が必要となるのです。

(第2回へつづく)


バックナンバー

<動き出すスマートハウス! =スタート直前の実証実験の内容を聞く=>

第1回 スマートハウスの3つのエネルギー要素 スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー 中村 良道氏

第2回 スマートハウスの定義と3つの特徴 スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー 中村 良道氏

第3回:最終回 スマートハウスの定義と3つの特徴 dSPACE Japan代表取締役社長 有馬 仁志氏


プロフィール

中村良道(なかむらよしみち)氏(スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー)

中村良道(なかむらよしみち)氏

現職:
スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー

【略歴】
分散電源(太陽光発電、燃料電池)など、インテリジェントな電源の設計開発におよそ20年携わる。その経験をもとに、持続可能な低炭素社会の実現へ向けて、エネルギー供給と消費における「自律したシステム」を目指し、「思想と技術」の両面から思索、スマートグリッド関連の企画立案や電源装置のためのコンサルティングを行っている。
現在、スマートエナジー研究所 CTO ファウンダー、芝浦工業大学電気工学科 非常勤講師、福岡スマートハウスコンソーシアム 代表。


有馬 仁志(ありまひとし)氏(dSPACE Japan 代表取締役社長)

有馬 仁志(ありまひとし)氏

現職:
dSPACE Japan 代表取締役社長

【略歴】
1982年、国内機器メーカーで産業用ロボットやiTRONの開発を担当。
1993年よりウィンドリバー社、Integrated Systems社、米国SDS社など外資系企業の日本法人の上級管理職を歴任。
2000年にMontaVista Software Japan社を設立して代表取締役社長へ就任。
2006年2月よりdSPACE Japan株式会社の代表取締役社長に就任。東海大学専門職大学院 組込み技術修士(専門職)修了。
2009年より九州工業大学情報工学部非常勤講師も兼任。

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