回生装置

回生装置とは、自動車や電車、産業機械などの減速・制動時に生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収・再利用する装置のこと。

ハイブリッド車や電気自動車の車載ブレーキシステムとして実用化が進んだほか、近年では回収した電力を蓄電・融通する地上側の定置式設備や工場・ビル設備を含むシステム全体を指すケースが増えている。

車載技術から地上インフラ・産業設備へ拡大する回生装置

従来の回生装置は、主に車両に搭載されたインバータと主電動機（モーター）を制御し、ブレーキ時の回転力を発電機として機能させる車載システムが中心であった。しかし、回収した電力を走行車両単体で消費しきれない場合があることから、地上側のインフラ設備として電力を受け止める定置式回生電力貯蔵装置や、駅舎設備へ電力を融通する駅舎補助電源装置の導入が拡大している。

適用範囲は運輸部門にとどまらず、垂直方向の昇降運動や頻繁な加減速を伴うビル用エレベーター、港湾・工場のクレーン、立体駐車場、大型工作機械などにも広がっている。特に高低差の大きいビル用エレベーターでは、カゴと釣合重りの重量差による降下・上昇エネルギーを電力に変換して建物内の共用電源へ戻す電源回生コンバータが普及しており、一般的に約30〜35％の消費電力削減効果が見込める。

「回生失効」の克服と最新の変電・蓄電制御

鉄道分野における回生システムの大きな技術的課題が「回生失効（回生絞り込み）」である。回生電力を架線に戻す際、近隣に加速（力行）中の別車両や受電可能な負荷が存在しないと架線電圧が過剰に上昇するため、保護機能によって回生ブレーキがカットされ、エネルギーが摩擦ブレーキの熱として無駄に廃棄される。

この損失を防ぐため、変電所や線路沿いに大容量・高レート充放電が可能なリチウムイオン蓄電池や電気二重層キャパシタを併設し、余剰電力を一時的に吸収する地上蓄電システムの整備が進められている。さらに近年では、設備側のハードウェアだけでなく、変電所のき電電圧をリアルタイムに低減制御して架線電圧の上昇を抑える実証実験や、駅補助電源装置の電圧波形検知を高精度化して回収電力量を約40％引き上げる技術など、き電系統全体の最適化制御が実用化されている。

GX推進と実務導入における留意点

2023年4月に施行された改正省エネ法において、報告対象が従来の化石エネルギーから「非化石エネルギーを含むすべてのエネルギー」に拡大された。これにより、自家消費型の回生エネルギーを有効活用して受電量を抑え、エネルギー消費原単位を改善する取り組みの評価軸としての重要性が一段と高まっている。国土交通省や環境省による鉄軌道事業者向け脱炭素化設備補助においても、回生電力貯蔵装置や駅舎融通装置の導入支援が継続されている。

企業の設備導入やインフラ設計の実務においては、平時の省エネだけでなくBCP（事業継続計画）との統合設計が進んでいる。蓄電池併設型の回生装置であれば、停電発生時に列車を最寄り駅まで自力走行させる電源や、エレベーターの閉じ込め防止・非常用電源として兼用できるメリットがある。一方で、工場やビル設備にインバータ式の電源回生コンバータを導入する際には、配電系統へ流出する高調波ノイズへの対策規格を満たす設計が不可欠である。

参考

• 資源エネルギー庁 ― 省エネ法の概要
• 環境省 ― エレベータへの回生電力システム等の高効率装置の導入（技術解説資料）
• 国土交通省 ― 鉄道分野のGXに関する官民研究会（第2回 配布資料）
• 東日本旅客鉄道 ― 電車の回生電力エネルギーの有効活用について