熱ポンプとEVで家庭エネルギー費を55%以上削減
中国・西南石油大学の王雲龍（ワン・ユンロン）氏らの研究チームは、家庭用燃料電池の熱電供給（DFCCHP）システムに、電気自動車（EV）と熱ポンプを統合することで、家庭のエネルギー購入コストを大幅に削減できる可能性を示した。この画期的な研究は、家庭エネルギー管理システム（HEMS）を通じて、電力、熱、交通のエネルギー需要を最適化する統合エネルギーシステムの新たな可能性を切り開くものだ。
現代社会において、家庭部門のエネルギー消費は全体の大きな割合を占めている。特に電力と熱の需要は、化石燃料への依存度が高く、二酸化炭素（CO2）排出量の削減という観点からも、その効率化と脱炭素化は喫緊の課題となっている。これまで、太陽光発電や蓄電池、高効率のガス給湯器などが家庭に導入されてきたが、それらを個別に最適化するのではなく、全体として連携させることで、より大きな効果が得られると考えられている。
王氏らの研究は、この「統合エネルギーシステム」の概念をさらに進化させた。彼らが提案するのは、既存のDFCCHPシステムに、2つのキーデバイスを追加統合するモデルだ。1つは熱ポンプ、もう1つは電気自動車である。
DFCCHPシステム自体は、天然ガスを燃料として電気を発電し、その際に発生する排熱を家庭の暖房や給湯に利用する、いわゆるコージェネレーション技術である。これにより、燃料のエネルギーを電気と熱の両方で有効利用し、従来の発電と暖房を分けて行う方式に比べて、エネルギー効率を大幅に向上させることができる。
ここに熱ポンプを追加することで、システムの柔軟性が飛躍的に高まる。熱ポンプは、電気を使って外気や地中の熱を汲み上げ、室内に供給する装置で、消費する電力の3倍以上の熱を生み出すことができる。研究チームは、この熱ポンプをDFCCHPシステムの補助的な熱源として位置づけた。電気料金が安い時間帯や、家庭で余剰の太陽光発電がある時間帯には、熱ポンプを積極的に稼働させることで、天然ガスの消費を抑えることができる。逆に、電気料金が高騰する時間帯には、DFCCHPシステムで発電した電気を熱ポンプに使用するよりも、その電気をそのまま家庭で使用したり、売電したりする方が経済的である。このように、電気と熱の需要と供給、そして価格の変動を常に見ながら、最適な熱源を選択する高度なエネルギー管理が可能になる。
もう一つのキーデバイスである電気自動車の役割は、単なる「移動手段」を超えて、「移動式の大型蓄電池」として機能することにある。研究では、EVを双方向充電（V2H：Vehicle-to-Home）対応のものと仮定し、家庭のエネルギー貯蔵と供給の重要な一翼を担わせている。
具体的なシナリオを想像してみよう。EVは通常、帰宅後に家庭で充電される。この充電タイミングを、電気料金が最も安い深夜帯に設定する。つまり、EVは安価な電力でバッテリーを満たす。そして翌日、電気料金がピークとなる昼間や夕方の時間帯に、EVのバッテリーに蓄えた電力を家庭に供給する。これにより、高価な電力を電力会社から購入する必要がなくなる。EVのバッテリーは、まさに家庭の「エネルギーバンク」として機能しているのだ。
このように、熱ポンプとEVという2つのデバイスをDFCCHPシステムに統合することで、家庭のエネルギー流は複雑なネットワークに進化する。電力は、電力網、太陽光パネル、DFCCHPシステム、そしてEVのバッテリーから供給され、家庭の電気機器や熱ポンプに使われる。熱は、DFCCHPシステム、熱ポンプ、そしてガス給湯器（補助燃焼器）から供給され、暖房や給湯に使われる。そして、これらの流れは、時間帯別電気料金（TOU）や時間帯別ガス料金という価格信号をもとに、常に最適化されている。
研究チームは、このような複雑なシステムを最適に運用するための数学モデルを構築した。その目的は、1日間のエネルギー購入コストを最小限に抑えることである。このモデルは、家庭の電気負荷（家電製品）を「調整可能負荷」と「非調整可能負荷」に細かく分類している。冷蔵庫や照明など、いつでも使える必要がある「非調整可能負荷」に対して、洗濯機や掃除機など、使用時間をずらせる「調整可能負荷」は、電気料金が安い時間帯に自動的に稼働するようにスケジューリングされる。
さらに、快適性の指標として「予測平均温冷感申告（PMV）」という国際的な評価指標を導入している。PMVは、室内温度、湿度、風速、着衣量、活動量などを考慮して、人が感じる熱的な快適さを-3（非常に寒い）から+3（非常に暑い）の7段階で数値化する。研究では、PMV値が-0.5から+0.5の範囲内（やや涼しいからやや暖かい）を維持するように、室内温度を制御するようモデルに組み込んでいる。これにより、コスト削減のために住み心地が犠牲になることはない。
この高度な最適化モデルを解くには、膨大な計算が必要となる。研究チームは、MATLABというソフトウェアと、高性能な商用ソルバー「CPLEX」を用いて、この混合整数線形計画問題を解いた。
そのシミュレーション結果は、非常に誘人的なものだった。研究では、晴天と曇天の2つの天候条件を想定し、それぞれ「熱ポンプとEVなし」と「熱ポンプとEVあり」の2つのシナリオを比較した。
晴天の条件下では、熱ポンプとEVを導入した場合、1日のエネルギー購入コストは、導入前と比べて55.12%も削減された。具体的には、32.33ドルから14.51ドルにまで低下した。曇天の条件下でも、太陽光発電量が減少する不利な状況下で、コストは47.97%削減され、34.27ドルから17.83ドルとなった。
この劇的なコスト削減の背景には、複数の要因が絡み合っている。まず、EVが深夜の安価な電力で充電し、昼間の高価な時間帯に放電することで、電力購入費を大幅に節約している。次に、熱ポンプが太陽光発電の余剰電力を吸収して暖房に利用することで、天然ガスの使用量を減らしている。さらに、DFCCHPシステム自体の稼働も、電気料金が高い時間帯に集中させることで、発電による収益を最大化している。これらの効果が相乗的に働き、全体のコストを押し下げている。
驚くべきことに、この経済的なメリットは、環境面でも大きな恩恵をもたらしている。シミュレーションによると、晴天の日には1日あたり0.96kg、曇天の日には0.86kgのCO2排出量を削減できる。これは、熱ポンプの高効率と、EVが電力ピーク時の火力発電の需要を抑えることで、全体のエネルギー効率が向上し、化石燃料の燃焼が減少したためだ。
この研究の意義は、単に「家庭の光熱費が安くなる」ということだけではない。それは、家庭という小さな単位が、エネルギーシステムの「受動的な消費者」から、「能動的なエネルギーマネージャー」へと変貌する可能性を示している。EVのバッテリーは、個人の財産であると同時に、地域の電力網を安定化させるための分散型エネルギー貯蔵装置（DER）としても機能する。家庭が自らのエネルギーを最適化することで、大規模な送電網の負担を軽減し、再生可能エネルギーの導入をより容易にすることができる。
もちろん、このシステムを現実の家庭に導入するには、いくつかの課題がある。まず、DFCCHPシステム、高性能の熱ポンプ、双方向充電に対応したEVと充電器、そして高度なHEMSを導入するには、非常に高額な初期投資が必要となる。政府の補助金や、新しいビジネスモデル（例：エネルギー管理サービスのサブスクリプション）の普及が不可欠だろう。
また、電力会社の料金体系も大きなカギを握る。このシステムの経済性は、時間帯別料金制度（ピーク・オフピーク料金）の差が大きいほど、より効果を発揮する。料金差が小さい地域では、EVの充放電や負荷のシフトによる節約効果が薄れ、投資回収が難しくなる。
しかし、これらの課題は時間と共に解決されていく可能性が高い。EVの普及が進むにつれ、双方向充電技術は標準装備となり、コストも下がっていくだろう。また、再生可能エネルギーの導入が進むほど、電力需給の変動が大きくなり、時間帯別料金の価格差は必然的に拡大する。そのような未来において、王氏らの研究が示したような「スマートな家庭エネルギーシステム」は、もはや選択肢ではなく、必然の方向性となるだろう。
この研究は、自動車産業にとっても重要な示唆を与えている。自動車メーカーは、もはや「車体」だけを売るのではなく、「移動サービス」や「エネルギーサービス」を提供する企業へと進化を迫られている。EVのバッテリーを家庭や社会のインフラに活用するV2HやV2G（Vehicle-to-Grid）技術は、その最たる例だ。車を売るだけでなく、その車が家庭のエネルギーコストを削減し、環境負荷を低減する「スマートホームのハブ」となる価値を提供することで、新たな顧客価値を創出できる。
結論として、西南石油大学のこの研究は、家庭のエネルギー問題に対する画期的な解決策を提示した。熱ポンプとEVという、一見すると異なる分野の技術を、DFCCHPというコア技術と統合することで、経済性と環境性を両立する高度なエネルギーマネジメントが可能になることを実証した。これは、脱炭素社会の実現に向けた、家庭という最小単位からのアプローチの力強さを示しており、今後のスマートホームやエネルギーシステムの設計に、大きな影響を与えることだろう。
王雲龍、韓璐、羅樹林、呉涛、西南石油大学 電気情報学院、中国電力、DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305056