目的と手段が多様化する工場省エネ、
デジタル活用がカギ

日本の製造業は、1973年から2020年度までの間に生産額を1.4倍に増加させてきましたが、その間エネルギー消費は0.8倍に低下しています。省エネルギー化の取り組みは、エネルギーの調達に対する不安が生じることで進む傾向がありました。

まず、1973年の第一次石油危機以降1983年度までの10年間、GDPが増加する一方でエネルギー消費は年平均2.5％減少。その後、再び増加に転じたのですが、2011年の東日本大震災において電力供給への不安が広がり、その際に省エネルギー化の取り組みが進んだことから、エネルギー消費は再び減少基調となっています。2020年は、大きく消費量が減ったのですが、新型コロナウイルスの影響で製造業での生産活動自体が減ったためであり、特異な例だと言えます。

国内でのエネルギー消費の経過を俯瞰すると、日本の製造業は、既にある程度の省エネルギー化の取り組みを進めてきたことがわかります。主なエネルギー源となる石油などの化石燃料を輸入に頼っていることと、国内で省電力技術を積極的に発達がさせてきたことを背景にして、海外の工場に比べてエネルギー効率が高い機器や設備が多く導入されてきました。

ただし、脱炭素化に向けた省エネルギー化では、もう一歩突っ込んだ対策が必要になってきます。これまでの省エネルギー化では、化石燃料を直接燃やして利用していたエンジンやタービン、ボイラーなどは、装置・設備の基本原理はそのままで、燃焼効率の向上といった対策が行われてきました。これからは脱炭素化が求められますから、化石燃料を燃やして利用していた動力源や熱源のうち電化できる部分を最大限まで電化し、電化した装置・設備の省電力化を推し進めながら、再生可能エネルギーなどで利用していく必要があります。

ただし、電化によって、エネルギーの利用効率が大きく低下するようなことは許されません。このため、これらの省エネルギー化では、効率的な電化と省電力化をセットで進めていくことが極めて重要になると言えそうです。

現在、製造業が省エネルギー化に取り組む際の目的の中心となっているのが、電気代などエネルギーコストの削減、エネルギー調達リスクの軽減、そして脱炭素化など環境負荷の低減です。そして近年には、限りある資源の有効活用という観点からの省エネルギー化も重要になってきました。

さらに、製造業などでの省エネルギー化を促す法規制を遵守するために、省エネルギー化に取り組んでいるという企業も多いことでしょう。

代表的な規制例として、1999年の「エネルギーの使用の合理化に関する法律（省エネ法）」の改正によって開始された「トップランナー制度」と呼ばれる規制があります。この制度は、エネルギーを多く消費する特定機器を対象にエネルギー消費効率の基準値を設定し、目標年度までにクリアしていない製品は販売できないというものです。2013年には、工場で多用されている三相誘導電動機（産業用モーター）にも適用されるようになり、さらにその効率基準が2015年には国際電気標準会議（IEC）の効率基準値である「IE3（プレミアム効率）」に引き上げられました。

世界の中で、何らかのモーターを駆動するために消費されている電力は、総消費電力の40～50％を占めていると言われています。そして、日本国内では、大出力な産業用モーターが約1億台使われており、国内の総消費電力量のうちの約37％を占めている産業領域での主要消費先となっています。この領域での低電力化に向けた技術開発は、省エネルギー化の効果が大きいとともに、開発された技術を他分野に応用することによる経済効果も大きいと言えます。

トップランナー制度は、モーターの製造・販売事業者に対して省エネ基準の達成を求める制度です。利用者側への直接的な罰則などは設けられていません。ただし、総合資源エネルギー調査会の報告書の中で、利用側にもエネルギー消費効率に優れたモーターの選択と適切な使用を推進するよう求める提言が記されています。

現在、資源の有効活用や廃棄物の削減という観点から、積極的にリサイクルを推し進める「循環型社会」への移行の重要性が指摘されています。素材産業でのリサイクル原料の活用拡大では、省エネルギー化と循環型社会の構築推進の2つの効果が期待できます。現時点では、リサイクル原料で生産できる素材製品は限定されています。また、市場から再利用可能な素材を回収し、適切に分別・利用する仕組み作りを進め、さらなる低コスト化を実現する必要もあります。これからのさらなる技術の発展が望まれています。

デジタルツインとは、現実空間内にある装置・設備などの状態や挙動をデジタルモデル化し、そこに装置などに設置したセンサーで収集した現在状況に関するデータを入力し、装置などを仮想空間上で再現する技術です。現実では試せないような条件での試行動作や時間の進行を進めることによる未来予測などができます。FEMSに適用することによって、以下のような効果が得られます。

まず、省エネ効果を最大化するための装置・設備・ラインの最適稼働条件を効率的に探ることができます。FEMSで発見したエネルギー消費の無駄を解消するための条件を、QCDの悪化を招くことがないかデジタルツインをシミュレーションで確認しながら、試行錯誤して見つけることができます。

さらに、工場内に設置した太陽光発電システムや蓄電池などの設備をデジタルツインに組み込むことで、天候や需要変動に応じた最適な電力利用計画を策定することもできます。これによって、再生可能エネルギーの有効活用とコスト削減も実現できます。