JP2021065041A - エネルギーシステム最適化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーシステムにおけるＣＯ２排出量やコストに配慮した最適なエネルギー流量及び設備容量を算出することができるエネルギーシステム最適化装置を提供する。【解決手段】エネルギーシステムは、エネルギー需要部／供給部、その間に介在する機器から成るエネルギー設備と、エネルギー設備系外の余剰再エネ供給部／需要部と、を有する。エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を最適化するエネルギーシステム最適化装置１は、情報記憶部１０に記憶されたエネルギー需要データ、エネルギー供給データ、機器特性データ、余剰再エネ供給部に関する余剰再エネ供給データ、余剰エネルギー需要部に関する余剰エネルギー需要データから、エネルギーシステムのＣＯ２排出量又はコストを目的関数とする最適化計算を行い、ＣＯ２排出量又はコストが最小となるエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出する流量・容量算出部１４を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を最適化するエネルギーシステム最適化装置に関する。

近年、エネルギーシステムの運転計画の立案等を行うために、所定の制約条件のもとで、所定の目的関数の最適化を行う装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、需要家にエネルギーを供給するために、コージェネレーションシステムの発電及び発熱、並びに伝熱変換設備の伝熱交換に関するスケジュールを含む運転スケジュールを作成するエネルギー需給調整装置が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化するエネルギーマネジメントシステムが開示されている。

特開２０１７−２０４２６号公報 特開２０１６−４２７４８号公報

ところで、エネルギーシステムの運転計画の立案等に当たっては、エネルギーシステムのエネルギー流量や設備容量を最適化することが望まれている。また、エネルギーシステムを運用する事業者は、エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量やコストを抑えたいというニーズがある。

そこで、本発明では、エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量やコストに配慮した最適なエネルギー流量及び設備容量を算出することができるエネルギーシステム最適化装置を提供することを目的とする。

本実施形態は、エネルギー需要部、前記エネルギー需要部にエネルギーを供給するエネルギー供給部、前記エネルギー供給部と前記エネルギー需要部との間に介在し、前記エネルギーの貯蔵、変換、或いは合流を行う機器、を有するエネルギー設備と、前記エネルギー設備の系外に位置し、再生可能エネルギーにより発電したエネルギーのうちの余剰エネルギーを前記エネルギー設備に供給する余剰再エネ供給部と、前記エネルギー設備の系外に位置し、前記エネルギー設備で生じた余剰エネルギーを需要する余剰エネルギー需要部と、を有するエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を最適化するエネルギーシステム最適化装置であって、前記エネルギー需要部におけるエネルギー需要データ、前記エネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、前記機器における機器特性データ、前記余剰再エネ供給部から前記エネルギー設備に供給する前記余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰再エネ供給データ、前記エネルギー設備から前記余剰エネルギー需要部に供給する前記余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰エネルギー需要データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記エネルギー需要データ、前記エネルギー供給データ、前記機器特性データ、前記余剰再エネ供給データ、前記余剰エネルギー需要データから、前記エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストを目的関数とする最適化計算を行い、前記ＣＯ_２排出量又はコストが最小となる前記エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出する算出部と、を備える。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記エネルギー供給部は、バイオマスエネルギー供給部、再生可能エネルギー供給部、系統電力供給部、及びガス供給部のうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記再生可能エネルギー供給部における前記エネルギー供給データは、再生可能エネルギーのコスト、ＣＯ_２排出係数、利用可能量を含む第１データ群、又は再生可能エネルギーの発電量、コスト、ＬＣＣＯ_２排出量、効率、耐用年数、容量、運転条件を含む第２データ群を含み、前記バイオマスエネルギー供給部における前記エネルギー供給データは、バイオマスエネルギーのコスト、ＣＯ_２排出係数、及び利用可能量を含み、前記系統電力供給部における前記エネルギー供給データは、電力のコスト、及びＣＯ_２排出係数を含み、前記ガス供給部における前記エネルギー供給データは、ガスのコスト、及びＣＯ_２排出係数を含むことが好ましい。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記エネルギー需要データは、エネルギー需要量、及びデマンドレスポンス設定値を含むことが好ましい。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記機器特性データは、機器のコスト、ＬＣＣＯ_２排出量、効率、耐用年数、容量、運転条件を含むことが好ましい。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記算出部による最適化計算は、線形計画法により行われることが好ましい。

また、前記エネルギーシステム最適化装置において、前記算出部は、前記エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量及びコストの目的関数に重み付けした和で表される評価値を目的関数として最適化計算を行い、前記評価値が最小となる前記エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出することが好ましい。

本発明によれば、エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量やコストに配慮した最適なエネルギー流量及び設備容量を算出することができる。

本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置の構成の一例を示すブロック図である。 最適化計算処理の対象となるエネルギーシステムのモデルの一例を示す図である。 本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置における最適化計算処理の流れを示すフロー図である。 図２に示すエネルギーシステムのエネルギー設備に設定される制約条件を説明するための図である。 図２に示すエネルギーシステムの余剰再エネ供給部及び余剰エネルギー需要部に設定される制約条件を説明するための図である。 本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置の構成の他の一例を示すブロック図である。 式１９におけるＣＯ_２排出量とコストのトレードオフ関係を示す曲線を示す。

図１は、本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すエネルギーシステム最適化装置は、後述するように、エネルギー需要部、前記エネルギー需要部にエネルギーを供給するエネルギー供給部、前記エネルギー供給部と前記エネルギー需要部との間に介在し、前記エネルギーの貯蔵、変換、或いは合流を行う機器、を有するエネルギー設備と、前記エネルギー設備の系外に位置し、再生可能エネルギーにより発電したエネルギーのうちの余剰エネルギーを前記エネルギー設備に供給する余剰再エネ供給部と、前記エネルギー設備の系外に位置し、前記エネルギー設備で生じた余剰エネルギーを需要する余剰エネルギー需要部と、を有するエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を最適化するものである。

図１に示すエネルギーシステム最適化装置１は、ＣＰＵ等を含む情報処理装置、ＲＡＭ等を含む記憶装置等から構成され、機能ブロックとして、情報記憶部１０、目的関数記憶部１２、流量・容量算出部１４、算出結果記憶部１６を有する。エネルギーシステム最適化装置１には、入力装置１８、表示装置２０が接続されている。入力装置１８は、ユーザーからの入力操作を受け付けるためのユーザインターフェースであり、例えば、マウスやキーボード等である。表示装置２０は、エネルギーシステム最適化装置１が出力する情報や計算結果等を表示するためのユーザインターフェースであり、例えば、ディスプレイなどである。

情報記憶部１０には、入力装置１８を介して入力された、エネルギー需要部におけるエネルギー需要データ、エネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、機器における機器特性データ、余剰再エネ供給部からエネルギー設備に供給する余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰再エネ供給データ、エネルギー設備から余剰エネルギー需要部に供給する余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰エネルギー需要データが記憶される。これらの各種データについては後述する。

目的関数記憶部１２には、入力装置１８を介して入力された、目的関数に関するデータが記憶される。目的関数に関するデータは、エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストを求める関数、及び制約条件を含む。

流量・容量算出部１４は、情報記憶部１０に記憶された各データから、目的関数記憶部１２に記憶された目的関数及び制約条件を用いた最適化計算を行い、エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストが最小となるエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出する。最適化計算には、例えば、線形計画法、混合整数計画法、又は非線形計画法等が用いられる。

算出結果記憶部１６には、流量・容量算出部１４により算出されたエネルギーシステムのエネルギー流量、設備容量が記憶される。また、算出結果記憶部１６には、最小化されたＣＯ_２排出量又はコストも記憶される。

情報記憶部１０、目的関数記憶部１２、流量・容量算出部１４、算出結果記憶部１６等は、例えば、ＣＰＵ等の情報処理装置がＲＡＭにロードした所定のプログラムを実行することにより実現される。情報記憶部１０、目的関数記憶部１２、算出結果記憶部１６等のデータは、例えば、ＲＡＭ等の情報記録装置に格納される。

次に、図１に示すエネルギーシステム最適化装置１の動作、すなわちエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量の最適化計算処理について説明する。

以下では、最適化計算処理の対象となるエネルギーシステムの具体的モデルを例に挙げて説明する。

図２は、最適化計算処理の対象となるエネルギーシステムのモデルの一例を示す図である。図２に示すエネルギーシステム１００は、例えば、工場及び工場周辺の地域を含むエネルギーシステムを想定したものである。エネルギーシステム１００は、エネルギー設備１０１、エネルギー設備１０１の系外に位置する余剰再エネ供給部１０２及び余剰エネルギー需要部（１０４ａ，１０４ｂ）を有する。エネルギー設備１０１は、エネルギー供給部、エネルギー需要部、エネルギー供給部とエネルギー需要部との間に介在する機器を有する。図２に示すエネルギー設備１０１は、エネルギー供給部として、系統電力供給部、再生可能エネルギー供給部、ガス供給部としての水素供給部及び都市ガス供給部、バイオマスエネルギー供給部を備えている。また、図２に示すエネルギー設備１０１は、エネルギー需要部として、電力需要部、熱需要部、ガス需要部を備えている。また、図２に示すエネルギー設備１０１は、これらのエネルギー供給部とエネルギー需要部との間に介在する機器として、エネルギーを貯蔵する貯蔵機器（図２では貯蔵と表記）、エネルギーを変換する変換機器（図２では変換と表記）、エネルギーを合流する合流機器（図２では合流と表記）を備えている。

図２に示す系統電力供給部は、需要部側に電力を供給する装置であり、例えば、受電設備（変圧器、避雷器、変流器）等が挙げられる。図２に示す再生可能エネルギー供給部は、例えば、風力、太陽光、地熱、潮力、波力等の再生可能エネルギーを使用して発電し、需要部側に電力を供給する発電設備、或いは、再生可能エネルギー発電事業者等から買い受けた電力を、需要部側に供給する設備に分けられる。上記発電設備は、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置等が挙げられ、以下、再生可能エネルギー発電設備と称する場合がある。再生可能エネルギー発電事業者等から買い受けた電力を、需要部側に供給する設備は、例えば、受電設備等が挙げられ、以下再生可能エネルギー受電設備と称する場合がある。水素ガス供給部や都市ガス供給部は、水素ガスや都市ガスを需要部側に供給する装置である。また、バイオマスエネルギー供給部は、木質チップやペレット、バイオガス等のバイオマスエネルギーを需要部側に供給する装置である。

図２に示すエネルギー設備１０１を構成する貯蔵機器は、供給されるエネルギーを貯蔵し、貯蔵したエネルギーを需要部側に供給（放出）するものであり、例えば、二次電池、ＰｔＧ（水電解、メタン製造、アンモニア製造）、ＣＡＥＳ等が挙げられる。図２に示す合流機器は、供給される複数のエネルギーを合流し、需要部側に供給するものであり、例えば、自営線、ガス配管等が挙げられる。なお需要部側への供給は複数のエネルギーに分岐して供給する場合も含まれる。図２に示す変換機器は、供給されたエネルギーを別種のエネルギーに変換（供給されたエネルギーを使用して別種のエネルギーを生成）して、需要部側に供給するものであり、例えば、コージェネレーションシステム、燃料電池、ガス変換装置（例えば、水素からメタン）等が挙げられる。

図２に示すエネルギー設備１０１を構成する電力需要部、ガス需要部、熱需要部はそれぞれ、電力を需要する各種電気設備、ガスを需要する発電設備、熱を需要する加熱設備等である。

図２に示す余剰再エネ供給部１０２は、例えば、風力、太陽光、地熱、潮力、波力等の再生可能エネルギーにより発電する発電設備である。発電設備は、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置等である。余剰再エネ供給部１０２は、例えば、エネルギー設備１０１の系外に位置する一般住宅、商業施設、各種のエネルギー施設、複合業務施設、スポーツ施設等の建物等に設置されている再生可能エネルギーにより発電する発電設備である。余剰再エネ供給部１０２は、再生可能エネルギーにより発電したエネルギーのうちの余剰エネルギーをエネルギー設備１０１に供給する。余剰再エネ供給部１０２における余剰エネルギーとは、再生可能エネルギーにより発電したエネルギーのうち、余剰再エネ供給部１０２が設置された建物内で消費されることなく余剰するエネルギーを指す。

図２に示す余剰エネルギー需要部１０４ａは、例えば、エネルギー設備１０１で生じる余剰電力を需要する電気設備であり、図２に示す余剰エネルギー需要部１０４ｂは、例えば、エネルギー設備１０１で生じる余剰熱を需要する加熱設備である。余剰エネルギー需要部は、余剰エネルギーを需要する設備であり、例えばガスを需要する発電設備等でもよい。余剰エネルギー需要部は、例えばエネルギー設備１０１の系外に位置する建物等に設置される。

図２に示すエネルギーシステム１００において、各設備間の矢印はエネルギーの流れを表している。矢印のうち、実線の矢印は電力の流れを表し、一点鎖線の矢印は熱の流れを表し、破線の矢印は、その他のエネルギー（ガス、バイオマスエネルギー等）の流れを表している。図２に示すエネルギーシステム１００では、例えば、系統電力供給部、再生可能エネルギー供給部等のエネルギー供給部から供給されるエネルギー（電力、ガス、バイオマスエネルギー）が、貯蔵機器、変換機器、合流機器を介して、電力需要部、熱需要部、ガス需要部に供給される。また、図２に示すエネルギーシステム１００では、余剰再エネ供給部１０２から供給される余剰エネルギーが、エネルギー設備１０１内の合流機器に供給される。また、図２に示すエネルギーシステム１００では、電力需要部で消費されることなく余剰する電力が、余剰エネルギー需要部１０４ａに供給され、熱需要部で消費されることなく余剰する熱が、余剰エネルギー需要部１０４ｂに供給される。このような設備間のエネルギーの流れを、エネルギーフローと称する。

エネルギーシステムにおいては、エネルギーコストやＣＯ_２排出量を抑えたエネルギーフローとすることが望まれる。そして、本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置１を用いれば、ＣＯ_２排出量又はコストが最小となるエネルギーシステムのエネルギー流量（すなわち、各設備間を流れるエネルギー流量）及び設備容量が算出されるため、ＣＯ_２排出量又はコストを抑えたエネルギーフローを作成することが可能となる。

図３は、本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置における最適化計算処理の流れを示すフロー図である。

まず、入力装置１８を介して入力された、エネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、エネルギー需要部におけるエネルギー需要データ、機器における機器特性データ、余剰再エネ供給部からエネルギー設備に供給する余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰再エネ供給データ、及びエネルギー設備から余剰エネルギー需要部に供給する余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰エネルギー需要データが、情報記憶部１０に記憶される（ステップＳ１０）。

図２に示すエネルギーシステム１００の場合、エネルギー供給部におけるエネルギー供給データとして、バイオマスエネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、再生可能エネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、系統電力供給部におけるエネルギー供給データ、都市ガス供給部におけるエネルギー供給データ、水素供給部におけるエネルギー供給データが、情報記憶部１０に記憶される。バイオマスエネルギー供給部におけるエネルギー供給データは、例えば、任意期間の単位時間ごとの任意地域における、バイオマスエネルギーの利用可能量（ＡＳ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのコスト（Ｐ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのＣＯ_２排出係数（Ｐ’_ｉ ^ｔ）等である。また、再生可能エネルギー供給部が再生可能エネルギー受電設備の場合におけるエネルギー供給データは、例えば、任意期間の単位時間ごとの任意地域における、再生可能エネルギーの利用可能量（ＡＳ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのコスト（Ｐ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのＣＯ_２排出係数（Ｐ’_ｉ ^ｔ）等である。また、再生可能エネルギー供給部が再生可能エネルギー発電設備の場合におけるエネルギー供給データは、任意期間の単位時間ごとの任意地域における、再生可能エネルギー供給部の発電量（Ｓ_ｉ ^ｔ）、再生可能エネルギー供給部の単位容量あたりのコスト（初期コスト及び維持コスト：Ｐ_ｉ）、ＬＣＣＯ_２排出量（ライフサイクルＣＯ_２排出量：Ｐ’_ｉ）、効率（η_ｉ）、耐用年数（Ｔ_ｉ）、容量（Ｃ_ｉ又はｙ_ｉ）、運転条件（最低負荷：Ｌ_ｉ、負荷の上げ幅：ｕＷ_ｉ、負荷の下げ幅：ｄＷ_ｉ）等である。また、系統電力供給部におけるエネルギー供給データは、例えば、任意期間の任意時間における、電力の単位量当たりのコスト（Ｐ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのＣＯ_２排出係数（Ｐ’_ｉ ^ｔ）等である。また、都市ガス供給部及び水素ガス供給部におけるそれぞれのエネルギー供給データは、例えば、任意期間の任意時間における、ガスの単位量当たりのコスト（Ｐ_ｉ ^ｔ）、単位量当たりのＣＯ_２排出係数（Ｐ’_ｉ ^ｔ）等である。なお、上記は、図２に示すエネルギーシステム１００の場合であり、計算対象となるエネルギーシステムにおいて使用されるエネルギー供給部に対応したエネルギー供給データが情報記憶部１０に記憶されればよい。

図２に示すエネルギーシステム１００の場合、エネルギー需要部におけるエネルギー需要データとして、電力需要部におけるエネルギー需要データ、熱需要部におけるエネルギー需要データ、ガス需要部におけるエネルギー需要データが、情報記憶部１０に記憶される。電力需要部、熱需要部、ガス需要部それぞれのエネルギー需要データは、例えば、任意期間の任意時間における、エネルギー需要量（Ｄ_ｉ ^ｔ）、デマンドレスポンス設定値（ＤＲ設定値：Ｒ_ｉ ^ｔ）等である。なお、デマンドレスポンスを利用しない系では、ＤＲ設定値は不要である。

図２に示すエネルギーシステム１００の場合、機器における機器特性データとして、貯蔵機器における機器特性データ、変換機器における機器特性データ、合流機器における機器特性データが、情報記憶部１０に記憶される。機器特性データは、例えば、任意期間の任意時間における、機器のコスト（初期コスト及び維持コスト：Ｐ_ｉ）、ＬＣＣＯ_２排出量（ライフサイクルＣＯ_２排出量：Ｐ’_ｉ）、効率（η_ｉ）、耐用年数（Ｔ_ｉ）、容量（Ｃ_ｉ又はｙ_ｉ）、運転条件（最低負荷：Ｌ_ｉ、負荷の上げ幅：ｕＷ_ｉ、負荷の下げ幅：ｄＷ_ｉ）等である。

図２に示すエネルギーシステム１００の場合、余剰再エネ供給部における余剰再エネ供給データとして、任意期間の任意時間における、余剰再エネ供給部１０２からエネルギー設備１０１に供給される余剰エネルギーの上限量（ＶＲＥ_ｉ ^ｔ）及びコスト（ＰＶＲＥ_ｉ ^ｔ）等である。

余剰エネルギー需要部における余剰エネルギー需要データとしては、任意期間の任意時間における、エネルギー設備１０１から余剰エネルギー需要部（１０４ａ、１０４ｂ）に供給される余剰エネルギーの上限量（ＯＤ_ｉ ^ｔ）及びコスト（ＰＯＤ_ｉ ^ｔ）等である。

次に、入力装置１８を介して入力された、エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストを求める関数及び制約条件を含む目的関数に関するデータが、目的関数記憶部１２に記憶される（ステップＳ１２）。

図４は、図２に示すエネルギーシステムのエネルギー設備に設定される制約条件を説明するための図であり、図５は、図２に示すエネルギーシステムの余剰再エネ供給部及び余剰エネルギー需要部に設定される制約条件を説明するための図である。以下、ｘ_ｉ ^ｔはエネルギーシステムの設備間を流れるエネルギー流量を示し、上付きのｔは単位時間、下付きｉは設備間ＩＤを示す。以下の他の記号の上付きのｔは単位時間を示し、下付きｉは設備ＩＤを示す。

（１）エネルギー供給の制約
図４（１）に示すエネルギー供給部から、他の設備へのエネルギー供給において、下式（１）に示す制約条件が設定される。ＡＳ_ｉ ^ｔは、エネルギー供給部のエネルギーの利用可能量を示し、上記のバイオマスエネルギーの利用可能量等である。また、再生可能エネルギー供給部が再生可能エネルギー受電設備の場合には、再生可能エネルギーの供給に対しても下式（１）の制約条件が設定され、ＡＳ_ｉ ^ｔは、上記の再生可能エネルギーの利用可能量（ＡＳ_ｉ ^ｔ）である。また、なお、エネルギーシステムの設備間を流れるエネルギー流量ｘ_ｉ ^ｔの下付きｉにおいては、説明の便宜上、数字を当てはめている。以下同様である。
ｘ_１ ^ｔ≦ＡＳ_ｉ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１）

（２）再生可能エネルギー供給の制約
再生可能エネルギー供給部が再生可能エネルギー発電設備の場合には、図４（２）に示す再生可能エネルギー供給部から、他の設備へのエネルギー供給において、下式（２）に示す制約条件が設定される。Ｓ_ｉ ^ｔは、上記の再生可能エネルギー供給部の発電量である。また、Ｃ_ｉは、上記の再生可能エネルギー供給部の固定された設備容量を示している。設備容量を算出する場合は、Ｃ_ｉを最適化する設備容量ｙ_ｉに置き換えればよい。以下同様である。
ｘ_１ ^ｔ≦Ｃ_ｉ×Ｓ_ｉ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （２）

（３）変換機器の制約
図４（３）に示すエネルギーを変換する変換機器において、式（３）〜（６）に示す制約条件が設定される。η_ｉは、上記のエネルギー変換機器の効率である。図４（３）に示す変換機器は、１つのエネルギーの供給から２つ以上のエネルギーの出力があるコージェネレーションシステムの場合の例であり、この場合には、式（３）〜（４）に示すようにそれぞれの効率をかける。また、変換機器の設備容量Ｃ_ｉが入力側エネルギーを基準としている場合、式（５）のように設定され、変換機器の設備容量Ｃ_ｉが出力側エネルギーを基準としている場合、式（６）のように設定される。
ｘ_２ ^ｔ＝ｘ_１ ^ｔ×η_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （３）
ｘ_３ ^ｔ＝ｘ_１ ^ｔ×η_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （４）
ｘ_１ ^ｔ≦Ｃ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （５）
ｘ_２ ^ｔ≦Ｃ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （６）

（４）エネルギーの合流・分岐の制約
図４（４）に示すエネルギーを合流する合流機器でのエネルギーの合流・分岐において、式（７）に示す制約条件が設定される。図４（４）に示すエネルギーの合流・分岐は、２つのエネルギーが合流し、２のエネルギーに分岐している場合の例であるが、合流・分岐するエネルギーの数は特に制限されるものではない。
ｘ_１ ^ｔ＋ｘ_２ ^ｔ＝ｘ_３ ^ｔ＋ｘ_４ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （７）

（５）エネルギーの貯蔵の制約
図４（５）に示すエネルギーを貯蔵する貯蔵機器でのエネルギーの貯蔵において、式（８）及び（９）に示す制約条件が設定される。図４（５）に示すｘ_３ ^ｔは、時刻ｔに貯蔵機器に貯蔵されたエネルギー流量であり、ｘ_３ ^ｔ−１は、時刻ｔ−１に貯蔵機器に貯蔵されたエネルギー流量である。なお、１つ前の時刻（ｔ−１）のエネルギー流量を入力側に持ってくることで、貯蔵機器でのエネルギー貯蔵を表現している。また、二次電池のような蓄電装置の場合には、充放電効率の制約条件を設定することが好ましく、この場合には、貯蔵機器の前後に変換設備を追加し、上式（３）及び（４）を貯蔵の制約条件として追加する。
ｘ_１ ^ｔ＋ｘ_３ ^ｔ−１＝ｘ_２ ^ｔ＋ｘ_３ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （８）
ｘ_３ ^ｔ≦Ｃ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （９）

（６）エネルギー需要の制約
図４（６）に示すエネルギー需要部でのエネルギー需要において、式（１０）及び（１１）に示す制約条件が設定される。図４（６）に示すｘ_２ ^ｔ及びｘ_２ ^ｔ−１は、ＤＲしたエネルギー流量を表現しており、下げＤＲを正の値、上げＤＲを負の値として入れる。Ｄ_ｉ ^ｔは、上記のエネルギー需要量であり、Ｒ_ｉ ^ｔは、上記のＤＲ設定値である。
ｘ_１ ^ｔ−ｘ_２ ^ｔ−１≧Ｄ_ｉ ^ｔ−ｘ_２ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１０）
ｘ_２ ^ｔ＝ｘ_１ ^ｔ×Ｒ_ｉ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１１）

（７）各種設備の運転条件の制約
図４（７）に示す各設備における運転条件において、式（１２）〜（１４）に示す制約条件が設定される。ここで、図４（７）の各種設備は、発電設備、貯蔵機器又は変換機器である。上記発電設備は、再生可能エネルギー供給部が再生可能エネルギー発電設備の場合に適用される。Ｌ_ｉは、上記の最低負荷を示し、ｕＷ_ｉは、上記の負荷の上げ幅、ｄＷ_ｉは、上記の負荷の下げ幅を示す。式（１２）〜（１４）は、運転条件が、入力側エネルギーを基準とする場合であるが、運転条件が、出力側エネルギーを基準とする場合には、式（１２）〜（１４）のｘ_１ ^ｔをｘ_２ ^ｔ、ｘ_１ ^ｔ−１をｘ_２ ^ｔ−１と読み替えればよい。
ｘ_１ ^ｔ≧Ｃ_ｉ×Ｌ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１２）
ｘ_１ ^ｔ≦ｘ_１ ^ｔ−１＋Ｃ_ｉ×ｕＷ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１３）
ｘ_１ ^ｔ≦ｘ_１ ^ｔ−１−Ｃ_ｉ×ｄＷ_ｉ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１４）

（８）余剰再エネ供給部の制約
図５（１）に示す余剰再エネ供給部において、エネルギー設備に供給する余剰エネルギーの上限量（ＶＲＥ_ｉ ^ｔ）の制約条件は式（１５）で設定される。
ｘ_１ ^ｔ≦ＶＲＥ_ｉ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１５）

（９）余剰エネルギー需要部の制約
図５（２）に示す余剰エネルギー需要部において、エネルギー設備から供給される余剰エネルギーの上限量（ＯＤ_ｉ ^ｔ）の制約条件は式（１６）で設定される。
ｘ_１ ^ｔ≦ＯＤ_ｉ ^ｔＶＲＥ_ｉ ^ｔ （ｔ＝１，２，３・・・ｎ） （１６）

エネルギーシステムのＣＯ_２排出量を目的関数とする式は、以下の式（１７）のように定義される。式（１７）の右辺の第１項はエネルギーのＣＯ_２量を表し、第１項におけるＰ’_ｉ ^ｔは、エネルギーのＣＯ_２排出係数であり、第１項におけるｘ_ｉ ^ｔは、エネルギーシステムの設備間を流れるエネルギー流量である。また、式１７の右辺の第２項は設備のＣＯ_２量を表し、第２項におけるＣ_ｉは、上記の各設備の容量であり、第２項におけるＰ’_ｉは、上記の各設備のＬＣＣＯ_２排出量である。

（１７）

エネルギーシステムのコストを目的関数とする式は、以下の式（１８）のように定義される。式（１８）の右辺の第１項は、エネルギー購入コストを表し、第１項におけるＰ_ｉ ^ｔは、上記の各種エネルギーのコストであり、第１項におけるｘ_ｉ ^ｔは、エネルギーシステムの設備間を流れるエネルギー流量である。また、式（１８）の右辺の第２項は、設備コストを表し、第２項におけるＣ_ｉは、上記の各設備の容量であり、第２項におけるＰ_ｉは、上記の各設備の単位容量あたりのコスト（初期コスト及び維持コスト）であり、Ｔ_ｉは、上記の各設備の耐用年数であり、ＡＴは、例えば、１年に相当する単位時間である。また、式（１８）の右辺の第３項は、余剰再エネ供給部から供給される余剰エネルギーの購入コストであり、第３項におけるＰＶＲＥ_ｉ ^ｔは、余剰再エネ供給部における余剰エネルギーのコストであり、ＶＲＥ_ｉ ^ｔは、余剰再エネ供給部からエネルギー設備に供給するエネルギー上限量である。式（１８）の右辺の第４項は、エネルギー設備から供給される余剰エネルギーの購入コストであり、第４項におけるＰＯＤ_ｉ ^ｔは、エネルギー設備から余剰エネルギー需要部に供給する余剰エネルギーのコストであり、ＯＤ_ｉ ^ｔは、エネルギー設備から余剰エネルギー需要部に供給するエネルギー上限量である。

（１８）

図３に戻り、流量・容量算出部１４は、目的関数記憶部１２から、上記制約条件及び目的関数を含む目的関数に関するデータを取得すると共に、情報記憶部１０から、エネルギー需要データ、エネルギー供給データ、機器特性データ、余剰再エネ供給データ、余剰エネルギー需要データを取得する（ステップＳ１４）。そして、上記制約条件及び目的関数に、情報記憶部１０から取得したデータを当てはめて、例えば線形計画法による最適化計算を行い、エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストが最小となるエネルギー流量及び設備容量を算出する（ステップＳ１６）。

流量・容量算出部１４により算出されたエネルギー流量及び設備容量は、算出結果記憶部１６に格納される（ステップＳ１８）。

本実施形態により算出されたエネルギーシステムのエネルギー流量、具体的にはエネルギーシステムにおける各設備間のエネルギー流量、及び設備容量の結果は、エネルギーシステムのエネルギーフローにおいて、ＣＯ_２排出量或いはコストを配慮した最適なエネルギーフローを示すこととなる。特に、本実施形態では、工場等のエネルギー設備外に位置する余剰再エネ供給部及び余剰エネルギー需要部を含めたエネルギーシステムの最適なエネルギーフローを示すことができるため、エネルギー設備及びエネルギー設備外の地域のエネルギーコストの削減を実現できる。

また、ユーザーは、本実施形態により算出されたエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量の結果から、エネルギーシステムの設備構成、エネルギーシステムの各設備の運転計画、設備導入計画、又はエネルギー購入計画等を作成することが可能である。ひいては、作成したエネルギーシステムの各設備の運用計画を実行するための処理プログラムを有する制御装置をエネルギーシステムに設置して、各設備の運用計画に基づいた各設備の自動運転も可能である。さらには、想定地域や工場において、運用前に、事業性やＣＯ_２削減効果を評価したり、導入すべきエネルギー種を選定したり、デマンドレスポンス効果を評価したりすることも可能である。

図６は、本実施形態に係るエネルギーシステム最適化装置の構成の他の一例を示すブロック図である。図６に示すエネルギーシステム最適化装置２において、図１に示すエネルギーシステム最適化装置１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６に示すエネルギーシステム最適化装置２は、図１に示すエネルギーシステム最適化装置１の構成に加え、エネルギーフロー図作成部２２、パラメータ作成部２４を備える。エネルギーフロー図作成部２２は、エネルギーシステムのエネルギーフロー図を作成するためのインターフェースであり、例えば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｉｏのマクロプログラム等によって構成される。エネルギーフロー図作成部２２は、例えば、図２に示すようなエネルギー供給部、変換、貯蔵、合流等の機器、エネルギー需要部、余剰再エネ供給部、余剰エネルギー需要部等のオブジェクト、設備間のエネルギーの流れ等のオブジェクトを図形として備えている。エネルギーフロー図作成部２２は、例えば、ユーザーにより、上記オブジェクトを示す図形が作業シート上に配置され、エネルギーシステムのエネルギーフロー図（例えば、図２）が作成されると、エネルギーフロー情報として、パラメータ作成部２４に出力する。

パラメータ作成部２４は、エネルギーフロー図作成部２２からエネルギーフロー情報を取得すると、エネルギーフロー情報に対応する制約条件を入力するための作業シートを生成する。例えば、エネルギーフロー情報として、図２に示す再生可能エネルギー供給部から他の設備へのエネルギー供給を示す情報が含まれていれば、上式（２）に示す制約条件を入力するための作業シートが生成される。

ユーザーにより、作業シートを介してエネルギーフロー情報に対応する制約条件が入力されると、制約条件のデータとして、流量・容量算出部１４に出力する。

流量・容量算出部１４は、パラメータ作成部２４から制約条件のデータを取得すると共に、情報記憶部１０に格納されている各種データを取得し、また、目的関数記憶部１２に格納されている目的関数に関するデータを取得する。なお、目的関数記憶部１２には、式（１７）、式（１８）等の目的関数のみが格納されていればよい。流量・容量算出部１４では、パラメータ作成部２４から取得した制約条件及び目的関数記憶部１２から取得した目的関数に、情報記憶部１０から取得したデータを入力し、前述の最適化計算を行う。

以下に、他の実施形態について説明する。

エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量及びコストを目的関数として最適化計算を実施することが好ましい。この場合には、更に、ＣＯ_２排出量及びコストそれぞれの目的関数に重み付けした和で表される評価値を目的関数として最適化計算を行い、評価値が最小となるエネルギーシステムの流量及び設備容量を算出することが好ましい。評価値の目的関数は、例えば、式（１９）で表される。式（１９）の右辺の第１項は、エネルギーシステムのコストの目的関数をその最小値で除して正規化し、重み付け（ｗ）を掛けた関数である。式（１９）の右辺の第２項は、エネルギーシステムのＣＯ_２排出量の目的関数をその最小値で除して正規化し、重み付け（１−ｗ）を掛けた値である。なお、図７に、式１９におけるＣＯ_２排出量とコストのトレードオフ関係を示す曲線を示す。

（１９）

上記式（１９）に示す評価値を目的関数として最適化計算を行うことで、ＣＯ_２排出量及びコスト両方のバランスがとれた最適なエネルギーフローを示すことが可能となる。

本実施形態では、１つのエネルギーシステムに対して最適化計算処理を実行する例について説明したが、複数のエネルギーシステム間で電力融通する複合型のエネルギーシステムに対して最適化計算処理を実行してもよい。複合型のエネルギーシステムは、例えば、複数の工場それぞれに設置されたエネルギーシステム間で電力融通するエネルギーシステムが考えられる。

１，２ エネルギーシステム最適化装置、１０ 情報記憶部、１２ 目的関数記憶部、１４ 流量・容量算出部、１６ 算出結果記憶部、１８ 入力装置、２０ 表示装置、２２ エネルギーフロー図作成部、２４ パラメータ作成部、１００ エネルギーシステム、１０１ エネルギー設備、１０２ 余剰再エネ供給部、１０４ａ，１０４ｂ 余剰エネルギー需要部。

Claims (7)

1. エネルギー需要部、前記エネルギー需要部にエネルギーを供給するエネルギー供給部、前記エネルギー供給部と前記エネルギー需要部との間に介在し、前記エネルギーの貯蔵、変換、或いは合流を行う機器、を有するエネルギー設備と、前記エネルギー設備の系外に位置し、再生可能エネルギーにより発電したエネルギーのうちの余剰エネルギーを前記エネルギー設備に供給する余剰再エネ供給部と、前記エネルギー設備の系外に位置し、前記エネルギー設備で生じた余剰エネルギーを需要する余剰エネルギー需要部と、を有するエネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を最適化するエネルギーシステム最適化装置であって、
   前記エネルギー需要部におけるエネルギー需要データ、前記エネルギー供給部におけるエネルギー供給データ、前記機器における機器特性データ、前記余剰再エネ供給部から前記エネルギー設備に供給する前記余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰再エネ供給データ、前記エネルギー設備から前記余剰エネルギー需要部に供給する前記余剰エネルギーの上限量及びコストを含む余剰エネルギー需要データを記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶されている前記エネルギー需要データ、前記エネルギー供給データ、前記機器特性データ、前記余剰再エネ供給データ、前記余剰エネルギー需要データから、前記エネルギーシステムのＣＯ_２排出量又はコストを目的関数とする最適化計算を行い、前記ＣＯ_２排出量又はコストが最小となる前記エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出する算出部と、を備えることを特徴とするエネルギーシステム最適化装置。
2. 前記エネルギー供給部は、バイオマスエネルギー供給部、再生可能エネルギー供給部、系統電力供給部、及びガス供給部のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のエネルギーシステム最適化装置。
3. 前記再生可能エネルギー供給部における前記エネルギー供給データは、再生可能エネルギーのコスト、ＣＯ_２排出係数、利用可能量を含む第１データ群、又は再生可能エネルギーの発電量、コスト、ＬＣＣＯ_２排出量、効率、耐用年数、容量、運転条件を含む第２データ群を含み、
   前記バイオマスエネルギー供給部における前記エネルギー供給データは、バイオマスエネルギーのコスト、ＣＯ_２排出係数、及び利用可能量を含み、
   前記系統電力供給部における前記エネルギー供給データは、電力のコスト、及びＣＯ_２排出係数を含み、
   前記ガス供給部における前記エネルギー供給データは、ガスのコスト、及びＣＯ_２排出係数を含むことを特徴とする請求項２に記載のエネルギーシステム最適化装置。
4. 前記エネルギー需要データは、エネルギー需要量、及びデマンドレスポンス設定値を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギーシステム最適化装置。
5. 前記機器特性データは、機器のコスト、ＬＣＣＯ_２排出量、効率、耐用年数、容量、運転条件を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギーシステム最適化装置。
6. 前記算出部による最適化計算は、線形計画法により行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギーシステム最適化装置。
7. 前記算出部は、前記エネルギーシステムにおけるＣＯ_２排出量及びコストの目的関数に重み付けした和で表される評価値を目的関数として最適化計算を行い、前記評価値が最小となる前記エネルギーシステムのエネルギー流量及び設備容量を算出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギーシステム最適化装置。
   

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