地球温暖化対策と経済の活性化は両立できる！～アンビエント・エネルギー社会の実現を目指す～ ― 伊原学

顔東工大の研究者たち vol.40

vol. 40

物質理工学院応用化学系教授
エネルギー・情報卓越教育院教育院長

伊原学（Manabu Ihara）

2020年10月26日、菅義偉首相は国会の所信表明演説で、「国内におけるCO₂などの温室効果ガスの排出を2050年までに全体としてゼロにする」と宣言した。また、続けて「もはや、温暖化への対応は経済成長の制約ではない。積極的に温暖化対策を行うことが、産業構造や経済社会の変革をもたらし、大きな成長につながる」と述べている。

まさに、この実現を目指しているのが、長年、環境エネルギー分野の研究に携わってきた物質理工学院応用化学系の伊原学教授だ。東工大は70名を超える環境・エネルギー関連の研究者を擁している。伊原は、これらの研究者を代表し、ビッグデータ科学とエネルギーにまたがる研究・教育を強化するコンソーシアム「InfoSyEnergy（インフォシナジー）」を2019年11月に始動させた。そのゴールは地球温暖化防止と経済活性化を両立する、持続可能なエネルギー社会（＝アンビエント・エネルギー社会）の実現だ。

発電量や電力消費量などの膨大なデータをAI解析し、電力を無駄なく賢く利用

菅首相の温室効果ガス排出量実質ゼロの表明に対し、伊原はこう意気込む。「歓迎すべき目標です。今後さらに持続可能なエネルギーシステムへの転換が加速していくことでしょう。大学の果たすべき役割は大きく、企業にとっても大きなビジネスチャンスとなります。この課題に産学連携で挑戦していきます」

EEI棟 4,570枚もの太陽電池パネルに覆われた「環境エネルギーイノベーション（EEI）棟」。スマートエネルギーシステム「エネスワロー」により、分散型電源を効率よく運転できるほか、リアルタイムデータに基づく独自の電力予測モデルによりピークカット制御を行っている

東工大の大岡山キャンパスには、東急大井町線沿いに、4,570枚もの太陽光パネルに一面覆われたひときわ目を引く建物がある。これは2012年に竣工した研究棟「環境エネルギーイノベーション（EEI）棟」だ。EEI棟では、太陽電池などの再生可能エネルギー（以下、再エネ）を最大導入し、燃料電池、ガスエンジン、リチウムイオン蓄電池などを統合的に制御することで、電力をほぼ自給自足している。さらに、EEI棟でのエネルギー機器に関するデータをすべて収集して制御するスマートエネルギーシステム「Ene-Swallow（エネスワロー）」も装備する。それにより、エネルギーを効率良く利用できるため、同規模の研究棟と比べCO₂排出量の60%以上削減に成功している。この開発を手掛けたのが、伊原である。

現在、伊原が研究室で取り組んでいるテーマは、次の3つだ。1つ目は次世代太陽電池の開発、2つ目は水素製造技術である水電解セルの開発と水素を使った燃料電池の開発、そして、3つ目は様々なエネルギーデバイスを統合的に制御する新たなスマートエネルギーシステムの開発だ。

まず、1つ目の次世代太陽電池の開発では、ペロブスカイト太陽電池と呼ばれる次世代太陽電池とシリコン太陽電池の二重構造（タンデム構造）にすることで、電気への変換効率のさらなる向上を図り、33%超の変換効率を目指している。これは現在のシリコン太陽電池モジュールの最高変換効率約20%を超える。

また、CO₂排出量削減に向けては、再エネの導入が欠かせない。しかしそのためには、発電した電気を蓄えたり、輸送する技術が不可欠だ。そこで、伊原が2つ目のテーマとして注力しているのが水素エネルギー活用技術の開発だ。

伊原教授

「長期間にわたり、大量のエネルギーを蓄えるという点で水素は最適な物質です。また、電気エネルギーを水素に変換することで、生産地から消費地へのエネルギーの輸送が可能となります。電気エネルギーから水素を製造する方法としては、水の電気分解セル（水電解セル）があり、そして高効率に水素から電気エネルギーに変換する方法に燃料電池があります。しかしそれらの社会実装には、高効率化などによる低コスト化が必要です。それに対し、私の研究室では、高温で動作し、反応速度やイオン伝導が速い固体酸化物、電極や電解質、そして独自の運転方法を開発。それにより、水素の製造コストや発電コストを総合的に低減することを目指しています」

そして、3つ目の新たなスマートエネルギーシステムの開発では、エネスワローに代わる次世代エネスワローとして、「系統協調／分散リアルタイムエネルギーシステム」を開発中だ。後述する東工大インフォシナジー研究／教育コンソーシアムの教員、企業と協力して5年後の完成を目指す。

現在、EEI棟では、エネスワローにより、1秒～1分の間に約8,000ものデータを取得している。今後はEEI棟だけでなく、大岡山キャンパス全体に次世代エネスワローを導入し、そこに、燃料電池や電気自動車など様々なエネルギーデバイスを接続できるようにし、データを取得していく。そのビッグデータをAIを使って解析することで、各機器の高精度な制御や、電力の高精度需要予測を実現しようというのだ。再エネの導入拡大には、このシステム開発と社会実装によって、再エネの変動を調整できる信頼性の高い調整電力を、現在整備の進む電力市場に供給することが不可欠だと伊原は語る。さらに、このシステムを使ったエネルギー研究者がデータを共通化できる「エネルギー情報プラットフォーム」も構築する計画だ。

再エネを中心とした次世代エネルギーシステムを提案
世界中の大学や企業の研究者1,000人で挑む

「エネルギーシステムは、産業や市民生活に直結しています。次世代エネルギーシステムの設計に当たっては、我々は今後、どのような社会を目指すべきか、そのためにはどのようなステップを踏んで、どのような課題をクリアしていかなければならないのかを明確化し、それを広く社会と共有していく必要があります。また、地球温暖化防止と経済性の両立（アンビエント・エネルギー社会）は1つの大学や1つの企業、1つの国だけで解決できる問題ではありません。世界中の大学や研究機関、企業と強固に連携していくことが重要です」

そこで、2019年11月、伊原が中心となり東工大内に新たな組織を設置した。研究と教育のコンソーシアム「インフォシナジー」だ。現在、コンソーシアムには、東工大の全学からエネルギー関連の70名以上の教授／准教授が参画しているほか、国内外から16大学、25社の企業などが連携しており、学生も含めると約1,000人が9つの研究テーマに取り組んでいることになる。

低炭素大規模電源と分散システムが共存するエネルギー社会

1系統協調／分散リアルタイムエネルギーシステム

「これまでのエネルギーシステムは、遠くの発電所で作られた電力が送電線を通して各地域に送られてくる構造でした。しかし、今後は、各地域で再エネを使って発電し利用する、地産地消の分散型が増えていきます。分散型のエネルギーを情報通信技術（ICT）によりネットワーク化することで、1つの発電所のように機能させます。さらに各地域のネットワーク同士がつながり整備が進む電力自由市場の仕組みを使って、電力を融通し、系統の安定性を維持します。ここでは、電力がどこでどれだけ作られ、使われたかに関するデータに加え、人や自動車の動きなどのデータも収集し、AIを使って解析します。それにより、電力市場での売買を前提とした需要と供給の最適化を図り、経済的優位性と脱炭素化を両立します。社会実装を前提に、大岡山キャンパスを1つの地域と見立て、研究開発および実証実験を進めていきます。」

2再エネベースロード化技術

「現在、海外では、再エネの発電量が多い場合、様々なベースロード電源^※を抑制しています。日本でも同様の制御をすることで、電力全体の経済的合理性とCO₂排出量の削減を図ることができます。」

※季節、天候、昼夜を問わず、一定量の電力を安定的に低コストで供給できる電源。

3光エネルギー変換デバイス・システム

「太陽電池の変換効率の向上技術、光触媒による水素製造技術の開発などに取り組んでいます。」

4H2・燃料電池／水電解／蓄電池蓄エネルギー

「水電解により水素を製造したり、製造した水素を燃料電池に使う技術や、余った電力を蓄える蓄電池技術の開発を進めます。次世代エネルギーシステムでは、『グローバル水素』と『ローカル水素』の導入が想定されます。グローバル水素とは、中東やオーストラリアなど日照時間の長い地域で、安価な電力を使って大量に水素を製造し輸送してくるというもの。それを燃料に発電所でタービンを回し、CO₂フリーの電力を大量に作ろうというわけです。一方、ローカル水素とは、国内において小規模な電力ネットワーク内で再エネから水素を製造し、燃料電池などで利用するというものです。」

5電力自由マーケット・学内仮想取引

「現在、電力はキロワットアワー（kWh）という単位、電力量の価値のみで売買されています。しかし、近い将来、発電量の少ない時間帯の電力の価値、電力を急峻に変化させる調整力の価値、低炭素電力量の価値など、多様化が予想されます。そのため、次世代の電力自由市場の設計を進めています。」

6エネルギーキャリア・脱炭素触媒技術

「グローバル水素においては、海外から大量の水素を輸送してくることになります。そこで、輸送しやすいように、液体水素、もしくは水素を一旦アンモニア（NH₃）やメチルシクロヘキサン（MCH）などのエネルギーキャリアに変換することが検討されています。ここでは、それに不可欠な触媒の研究などを進めています。」

7水素・バイオガス燃焼／熱利用

「現在は石炭や天然ガスを燃焼させて作った熱によって水蒸気を生成し、タービンを回し発電しています。しかし、今後はCO₂排出量削減を目的に、天然ガスに水素を混ぜる混焼や、水素のみを使う専焼への移行が想定されます。そのため、ここでは、水素を安定的に燃焼させるための技術開発やシステム設計、熱の有効利用技術の開発を進めています。」

8将来技術

「ここ10年で社会実装のシナリオが必ずしも見通せない将来技術、基礎研究に取り組むのは、大学の大切な役割です。これらの研究から、将来、社会実装につながる研究が出てくると考えています。」

9エネルギーシナリオ／技術動向分析／サービス／エネルギービジョン

「エネルギー理工学や情報科学に加え社会学や経済学など幅広い分野の研究者が集まり、エネルギー社会のあるべき姿を議論し、その実現に向けたシナリオを提案・発信していきます。」

コンソーシアムの目指すべき未来社会として、伊原は「アンビエント・エネルギー社会」を提唱する。これは、再エネを中心とするエネルギーを、IoT、ICTおよびビッグデータのAI解析などによって賢く利用したり、多彩なサービスを創出したりすることで、エネルギーコストやCO₂排出といったエネルギー利用の制約から解放された人間中心のエネルギー社会と定義している。すなわち過剰な意識やストレスを感じずにエネルギーをごく自然に使える（＝アンビエント）社会のことだ。

「次世代エネルギー社会を実現する上では、CO₂排出量削減と経済活動の両立が不可欠です。AIを使ったビッグデータ解析によるシステムの様々なスケールの最適化技術（マルチスケール-エネルギー最適化技術）と高精度かつ汎用的なエネルギー予測（知識の構造化／AI融合エネルギー予測）によるエネルギーマネジメントにより、分散エネルギーシステムの経済的優位性を高めつつ、電力市場に系統を安定化させる調整電力を供給することで、自律・分散・協調的なエネルギー社会へのボトムアップな転換を推進できます。さらに、収集したデータを基に、画期的なサービスが生まれれば、新たな価値によって、エネルギーシステム転換の社会的コストの創出も期待できます。例えば、宅急便の荷物を配送する際に、エネルギーコストが最も低い経路を算出できれば、そのデータはビジネスになります。すなわち、エネルギー利用の最適化を図るデータには、省エネという観点だけではなく、ビジネスとして大きなチャンスがあると言っても過言ではありません。これが本当の意味での持続可能性だと思います。このような社会を実現するまでには、まだ時間がかかりますが、強い信念をもって挑戦していきたいですね。そのために、今まさに、研究者や技術者は最善を尽くすべきときなのです」

未来のエネルギー社会を担うマルチスコープ人材を育成

伊原教授

東工大インフォシナジー研究／教育コンソーシアムと協業して、人材育成にも注力している。本学では、修士／博士一貫でエネルギー人材を育成する文科省プログラムの一環として「エネルギー・情報卓越教育院」を2020年12月1日に創設し、伊原は教育院長を務めている。その狙いは、多元的にエネルギー分野を見ることができる「マルチスコープ・エネルギー卓越人材」の育成だ。具体的には専門分野を効率良く、横断的に学習するための「多元的エネルギー学理スコープ」、ビッグデータの規則性から学理を導く「ビッグデータ科学スコープ」、未来のエネルギー社会をデザインできる「社会構想スコープ」の3つのスコープ力を養っていく。伊原は「マルチスコープ人材の輩出は、世界トップレベルの総合理工系大学を目指す東工大の役割であると考えています」と語る。

マルチスコープ・エネルギー卓越人材

そんな伊原が、未来を担う若者たちに向けメッセージを送る。「私は博士課程修了後、地球環境工学講座の助手（現在の助教）となったことをきっかけに、特に地球温暖化を抑制する「エネルギー変換研究」に興味と重要性を感じ、自分が取り組むべき一生の研究テーマにすることを決めました。当時、社会は地球温暖化には懐疑的でしたが、私は自身の考察とその直感を信じたのです。ですから、未来を担う若い人たちには、勇気を持って、新しい研究分野を開拓する研究を目指してほしいと思います。分野を開拓する研究の推進には、学理に基づく論理的考察と情熱が必要です。特に研究者を目指す若い人には、学理の習得とともに、心底楽しい、必要だ、と思えるような研究テーマを見つけてほしいと願っています」

伊原学教授