JP6564131B2 - 水素エネルギーシステム、水素エネルギーシステムの制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水素エネルギーシステム、水素エネルギーシステムの制御方法、及びプログラムに関する。

太陽光発電、風力発電など自然エネルギー由来の電力が増加している。一方、火力発電所など化石燃料由来の電力が依然主流である。そのため、自然エネルギー由来の電力のみを電力供給源とする電力網や、自然エネルギー由来の電力と化石燃料由来の電力とをミックスして電力供給源とする電力網といった、複数種の電力網が混在していくことになると予想されている。

また、新たなエネルギーとして水素エネルギーが注目されつつある。水素製造装置により水素が生成され、水素貯蔵装置に貯蔵される。この貯蔵装置に貯蔵された水素を、水素発電装置により再び電力に変換することが可能である。このため、これらの装置群を電力網に接続することで、電力網から電力を供給されることも、電力網に電力を供給することも可能である。水素発電装置の例として、燃料電池がある。燃料電池の種類によって生成される熱の温度域が異なっている。この特性を生かすために、燃料電池が熱を供給する先も、高温温水網、低温温水網などが混在していくと予想されている。

さらに将来、水素を燃料とする燃料電池車両の増加や、家庭用の純水素燃料電池の増加などにより、水素自体の需要も増加していくと予想されている。この場合、水素を気体のまま輸送する場合や、液体水素として輸送する場合などが考えられる。そのため、水素は気体（高圧ガスや低圧ガス）、液体など、複数種の形態の流通網が混在していくと予想される。

このように、電力網、温水網、水素流通網がそれぞれ複数種混在することになり、これらのエネルギー網とより効率的にエネルギーの授受を行うことが求められている。

特許第５４９８１９１号公報

本発明が解決しようとする課題は、エネルギー網とより効率的にエネルギーの授受を行うことが可能な水素エネルギーシステム、水素エネルギーシステムの制御方法、及びプログラムを提供することである。

本実施形態に係る水素エネルギーシステムは、水素製造に関して予め定められた時系列な物理量を複数取得する取得部と、前記時系列な物理量毎に優先度を設定する設定部と、相互に関連する複数の時系列な計画値を生成する計画部であって、前記複数の時系列な物理量それぞれに対応する前記計画値を前記物理量毎の優先度に応じて生成する計画部と、を備える。

本実施形態によれば、エネルギー網とより効率的にエネルギーの授受を行うことができる。

一実施形態に係る水素エネルギーシステムの構成を示すブロック図。 水素エネルギー制御装置の構成を示すブロック図。 図３（ａ）は、水素製造装置の時系列な需要量を示す図であり、図３（ｂ）は、時系列な需要量に対応する時系列な計画値を示す図であり、図３（ｃ）は、水素製造装置の時系列な供給量を示す図であり、図３（ｄ）は、時系列な供給量に対応する時系列な計画値を示す図である。 時間毎における予め定められた電力供給量における確率分布の表を示す図。 時間毎における水素製造装置の時系列な需要量値と、ばらつきの範囲を示す図。 水素エネルギーシステムにおける画面の一例を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における水素エネルギーシステム、水素エネルギーシステムの制御方法、及びプログラムについて説明する。

（一実施形態）
一実施形態に係る水素エネルギーシステムは、時系列な物理量毎に優先度を設定することにより、より制御に適した時系列な計画値を取得しようとしたものである。より詳しく、以下に説明する。

まず、図１に基づき、第１実施形態に係る水素エネルギーシステム１の全体構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る水素エネルギーシステム１の構成を示すブロック図である。この図１に示すように、本実施形態に係る水素エネルギーシステム１は、複数のエネルギー網２、４、６、８、１０、１２とエネルギーの授受が可能なシステムであり、水素エネルギー制御装置１００と、水素製造装置１０２と、蓄電池１０４と、気体水素タンク１０６と、気体水素排出装置１０８と、液化装置１１０と、液体水素タンク１１２と、液体水素排出装置１１４と、気化装置１１６と、水素発電装置１１８と、蓄電池１２０とを備えて構成されている。

ここで、複数のエネルギー網２、４、６、８、１０、１２について説明する。この複数のエネルギー網２、４、６、８、１０、１２は、自然エネルギー電力網２と、混成電力網４と、気体水素流通網６と、液体水素流通網８と、高温温水網１０と、低温温水網１２とで構成される。

自然エネルギー電力網２は、自然エネルギー由来の発電設備のみが発電所として接続された電力網である。すなわち、太陽光を用いた太陽光発電装置Ｐ２（ＰＶ：Photovoltaics）、及び風力を用いて発電する風力発電装置Ｗ２などから電力を供給される電力網である。この自然エネルギー電力網２は、化石燃料などの燃料が不要であるが、その発電量は天候や風力などの環境の影響を受けるため不安定であり、発電出力を調整することが難しい。

混成電力網４は、自然エネルギー由来の発電設備Ｐ２と化石燃料由来の発電設備Ｆ２が発電所として接続された電力網である。化石燃料由来の発電設備Ｆ２の発電量は安定しており、自然エネルギー由来の発電設備Ｐ２の発電量の変動は、化石燃料由来の発電設備Ｆ２の発電量で補われる。このため、混成電力網４の方が自然エネルギー電力網２よりも電力供給をより安定して行うことが可能である。一方で、混成電力網４は、化石燃料由来の発電設備Ｆ２により発電を行うため、二酸化炭素の排出量がより多くなる。

気体水素流通網６は、水素を気体のまま輸送して、水素需要に対して供給する流通網であり、液体水素流通網８は、水素を液体として輸送して、水素需要に対して供給する流通網である。また、高温温水網１０は、高温温水需要に対して、高温の温水を供給する水路網であり、低温温水網１２は、低温温水需要に対して、低温の温水を供給する水路網である。

水素エネルギー制御装置１００は、水素製造に関する装置の制御を行う。また、水素エネルギー制御装置１００は、時系列な複数の物理量と、それぞれの優先度とに基づき、これらの時系列な複数の物理量の内の少なくとも一つに対応する物理量の時系列な計画値を得ることが可能である。すなわち、水素エネルギー制御装置１００は、各装置に対応する計画値に従い、水素製造装置１０２と、気体水素タンク１０６と、気体水素排出装置１０８と、液化装置１１０と、液体水素タンク１１２と、液体水素排出装置１１４と、気化装置１１６と、水素発電装置１１８とを制御する。より詳細な構成に関しては、後述する。

水素製造装置１０２は、電気と水から、水電解により水素を製造する。すなわち、この水素製造装置１０２は、自然エネルギー電力網２、及び混成電力網４の少なくともいずれかから供給された電力を用いて、水の電気分解により水素を製造し、この製造した水素を気体水素タンク１０６に蓄える。水素製造装置１０２は、例えば、アルカリ性の溶液に電流を流すことにより、水素と酸素とを製造する電気水分解装置である。すなわち、水素製造装置１０２は、水素配管を介して、生成した水素を気体水素タンク１０６に蓄える。より詳細には、水素製造装置１０２は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い水の電気分解を行い、水素を製造する。このように、水素製造装置１０２は、自然エネルギー電力網２、及び混成電力網４のいずれからも電力供給を受けることが可能である。

蓄電池１０４は、水素製造装置１０２への電力供給が不足する場合に、水素製造装置１０２への供給電力を補う。これにより、水素製造装置１０２の水素製造をより安定的に行うことが可能である。

気体水素タンク１０６は、水素製造装置１０２により製造された気体の水素及び、気体水素流通網６から供給された気体の水素を貯蔵する。この気体水素タンク１０６は、水素製造装置１０２と、気体水素排出装置１０８と、液化装置１１０とに配管を介して接続されている。より詳細には、気体水素タンク１０６は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、水素製造装置１０２、気化装置１１６及び気体水素流通網６の少なくともいずれかから供給された水素を、気体水素排出装置１０８と、液化装置１１０とに供給する。これから分かる様に、気体水素タンク１０６に蓄えられる気体水素の量は、水素製造装置１０２、気化装置１１６及び気体水素流通網６から供給される気体水素の量と、液化装置１１０及び水素発電装置１１８に供給する気体水素量との差に応じて変動する。

気体水素排出装置１０８は、気体水素タンク１０６から供給された気体水素を気体水素流通網６に供給する。より詳細には、気体水素排出装置１０８は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、気体水素タンク１０６から供給された水素を、気体水素流通網６に供給する。なお、気体水素排出装置１０８は、気体水素タンク１０６と一体に構成してもよい。これらから分かる様に、気体水素タンク１０６、気体水素排出装置１０８、及び気体水素流通網６は、気体水素の循環系を構成している。

液化装置１１０は、例えば圧縮機であり、気体水素タンク１０６から供給された気体水素を液体水素に変換する。より詳細には、液化装置１１０は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、気体水素タンク１０６から供給された水素を液体水素に変換し、液体水素タンク１１２に供給する。なお、液化装置１１０は、気体水素の循環系から得られた気体水素を、液体水素として、後述する液体水素の循環系に供給している。

液体水素タンク１１２は、液化装置１１０及び液体水素流通網８の少なくともいずれかから供給された液体水素を貯蔵する。より詳細には、液体水素タンク１１２は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、液化装置１１０及び液体水素流通網８の少なくともいずれかから供給された液体水素を蓄えると共に、液体水素排出装置１１４に液体水素を供給する。

液体水素排出装置１１４は、液体水素タンク１１２から供給された液体水素を液体水素流通網８、及び気化装置１１６に供給する。より詳細には、液体水素排出装置１１４は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、液体水素タンク１１２から供給された水素を液体水素流通網８、及び気化装置１１６に供給する。なお、液体水素排出装置１１４は、液体水素タンク１１２と一体的に構成されてもよい。これらから分かる様に、液体水素タンク１１２、液体水素排出装置１１４、及び液体水素流通網８は、液体水素の循環系を構成している。

気化装置１１６は、液体水素排出装置１１４から供給された液体水素を気体の水素に変換する。より詳細には、気化装置１１６は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、液体水素排出装置１１４から供給された液体水素を気体の水素に変換し、気体水素タンク１０６に供給する。このように、気化装置１１６は、液体水素の循環系から得られた液体水素を、気体水素として、気体水素の循環系に供給している。

水素発電装置１１８は、気体水素タンク１０６から供給される水素を用いて、電力と、熱とを生成する。ここでの熱は、例えば温水として供給される。水素発電装置１１８は、高温タイプの燃料電池１１８ａと、低温タイプの燃料電池１１８ｂとを、備えて構成されている。すなわち、水素発電装置１１８は、水素エネルギー制御装置１００と接続され、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、酸素と、気体水素タンク１０６から供給される水素とを用いて電気を発電すると共に、熱を生成する。酸素は空気中の酸素を利用してもよいし、水素製造装置１０２が水素製造に伴い出力する酸素を酸素タンクに蓄積したものを使用してもよい。また、高温タイプの燃料電池１１８ａは、例えば固体酸化物形型燃料電池であり、高温タイプの燃料電池１１８ａにより製造される例えば７５０〜１０００℃の高温温水は、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、高温温水網１０に供給される。一方で、低温タイプの燃料電池１１８ｂは、例えば固体高分子型燃料電池であり、低温タイプの燃料電池１１８ｂにより製造される例えば４０〜９０℃の低温温水は、水素エネルギー制御装置１００の制御に従い、低温温水網１２に供給される。なお、これらの温度域は、他の温度域を用いて定義してもよい。また、中温や超高音などの温度域があってもよい。

蓄電池１２０は、水素発電装置１１８の発電電力が不足する場合に、電力網２、４への供給電力を補う。これにより、水素発電装置１１８の電力供給をより安定的に行うことが可能である。なお、電力網２、４、水素流通網６、８、温水網１０、１２に対して、水素エネルギーシステム１以外の需要家はいてもよいし、いなくても良い。

図２は、水素エネルギー制御装置１００の構成を示すブロック図で有り、この図２に基づき、水素エネルギー制御装置１００の詳細な構成を説明する。水素エネルギー制御装置１００は、予め定められた複数の物理量毎に定められた優先度に従い、予め定められた複数の物理量毎に対応する時系列な計画値を生成する。すなわち、この水素エネルギー制御装置１００は、例えばコンピュータであり、記憶部１２２と、取得部１２４と、設定部１２６と、計画部１２８と、制御部１３０とを、備えて構成されている。

ここでは、水素製造に関する時系列な複数の物理量が予め定められている場合について説明する。また、時系列な物理量の時間範囲は、例えば現時点から２４時間後まである。つまり、水素エネルギー制御装置１００は、例えば現時点から２４時間後までの、予め定められた複数の物理量毎に対応する時系列な計画値を生成する。

記憶部１２２は、水素エネルギー制御装置１００にて行われる各処理機能をコンピュータによって実行可能なプログラム形態で、記憶している。また、記憶部１２２は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有している。

取得部１２４は、水素製造に関する時系列な物理量を複数取得する。例えば、装置毎に予め定められた時系列な物理量を取得する。すなわち、装置に供給される予め定められた時系列な需要量、及び装置が供給する予め定められた時系列な供給量を装置毎に取得する。ここでの需要量は、例えば消費される電力量、熱量、水素量などである。また、供給量は、例えば生成される電力量、熱量、水素量などである。

設定部１２６は、予め定められた時系列な物理量毎に優先度を設定する。この設定部１２６は、電力網、温水網、水素流通網がそれぞれ複数種混在する場合に、それぞれを優先する度合いを意味する基本優先度を設定する。本実施形態では、自然エネルギー電力網２及び、混成電力網４の第１組み合わせ、気体水素流通網６、及び液体水素流通網８の第２組み合わせ、高温温水網１０、及び低温温水網１２の第３組み合わせそれぞれに基本優先度を設定する。

例えば、自然エネルギー電力網２から電力供給を受ける場合の自然エネルギー電力需要量と、混成電力網４から電力供給を受ける場合の混成電力需要量のそれぞれに基本優先度が設定される。この基本優先度には、例えば需要量の割合を示す０．６、０．４などが割り振られる。これにより、水素エネルギーシステム１が対応できる電力のうち、６０％を自然エネルギー電力網２に対して割り振り、４０％を混成電力網４に割り振る。すなわち、水素製造装置１０２は、供給を受ける電力の内、自然エネルギー電力網２から６０％の電力の供給を受け、混成電力網４から４０％の電力の供給を受けるように調整される。

同様に、自然エネルギー電力網２に供給する自然エネルギー電力供給量と、混成電力網４に供給する混成電力供給量のそれぞれに基本優先度を設定する。

同様に、高温温水網１０へ供給する高温温水供給量と、低温温水網１２へ供給する低温温水量と、に基本優先度を設定する。同様に、気体水素流通網６、及び液体水素流通網８からそれぞれ供給される気体水素需要量、及び液体水素需要量のそれぞれに基本優先度を設定し、気体水素流通網６、及び液体水素流通網８のそれぞれに供給する気体水素供給量、及び液体水素供給量のそれぞれに基本優先度を設定する。なお、ここでの基本優先度には、割合を示す０．０、１．０を割り振ってもよい。この場合、単一種のエネルギー網が優先的に選択される。

また、設定部１２６は、装置毎の予め定められた時系列な需要量、及び供給量に稼働優先度を設定する。例えば水素製造装置１０２の時系列な需要量である電力需要量、及び時系列な供給量である気体水素供給量に稼働優先度を設定する。水素製造装置１０２では、水素製造装置１０２に供給される電力需要量に一定の係数Ｋ１を乗算した値に対応する気体水素供給量を製造する。ところが、ここでの予め定められた時系列な電力需要量は、自然エネルギー電力需要量と、混成電力需要量との加算値である。一方で、予め定められた気体水素供給量は、自然エネルギー電力需要量及び混成電力需要量とは独立に、水素エネルギーシステム１内で設定された気体水素供給量である。このため、予め定められた時系列な電力需要量に係数Ｋ１を乗算して得られる気体水素供給量と、予め定められた気体水素供給量との間に差が生じてしまう。このような差が生じた場合に、どちらをどの程度優先するかを定めた割合が、稼働優先度である。ここでの稼働優先度は、操作者により設定される。

また、基本優先度として、１番目、２番目などの順番を設定してもよい。例えば、自然エネルギー電力網２に１番目、混成電力網４に２番目を設定する。この場合、自然エネルギー電力需要量をまず受電し、不足する電力需要量を混成電力需要量から受電する。このように、設定部１２６は、基本優先度として、順番を設定してもよい。

計画部１２８は、時系列な複数の物理量と、それぞれの優先度とに基づき、時系列な複数の物理量の内の少なくとも一つに対応する時系列な計画値を得る。すなわち、この計画部１２８は、相互に関連する複数の時系列な計画値であって、複数の時系列な物理量それぞれに対応する複数の時系列な計画値を、物理量毎の優先度に応じて得るのである。

例えば、計画部１２８は（１）式に示す目的関数Ｅに基づき計画値を演算する。すなわち、この計画部１２８は、Ｅを例えば最小にするように、計画値Ｓａｉｊ、Ｓｂｉｊを生成する。ここでの目的関数Ｅは、単一の物理量が用いられている。ここでは、例えば電力量ＭＷｈを用いる。このため、水素量、熱量、などは全て電力量ＭＷｈに換算されている。

ここで、ｉは計画値を求める装置を示している。例えば、水素製造装置１０２、気体水素タンク１０６、気体水素排出装置１０８、液化装置１１０、液体水素タンク１１２、液体水素排出装置１１４、気化装置１１６、及び水素発電装置１１８毎の計画値を求める場合、水素製造装置１０２、気体水素タンク１０６、気体水素排出装置１０８、液化装置１１０、液体水素タンク１１２、液体水素排出装置１１４、気化装置１１６、及び水素発電装置１１８のそれぞれに１〜９を割り振る。

また、ｊは、各時間を示している。例えば１時間を基本の時間単位として、２４時間分の計画値を生成する場合、ｊには１〜２４が割り振られている。すなわち、０時間後から１時間後までがｊ＝１、１時間後から２時間後までがｊ＝２、２時間後から３時間後までがｊ＝３などである。

Ａｉは、装置ｉの予め定められた時系列な需要量の稼働優先度を示し、Ｂｉは、装置ｉの予め定められた時系列な供給量の稼働優先度を示している。例えば、Ａ１は水素製造装置１０２の予め定められた時系列な需要量の稼働優先度を示し、Ｂ１は水素製造装置１０２の予め定められた時系列な供給量の稼働優先度を示す。水素製造装置１０２の予め定められた時系列な需要量は、複数種の電力網２、４からの電力供給量であり、電力供給量の割合を示す基本優先度に従い、電力網２、４それぞれから電力の供給を受ける。水素製造装置１０２の予め定められた時系列な供給量は、複数種の水素網６、８への水素供給量と水素発電装置１１８への水素供給量とを加算した水素供給量である。水素製造装置１０２は、気体水素タンク１０６を介して、複数種の水素網６、８へ水素を供給する場合に、水素供給量の割合を示す基本優先度に従い、複数種の水素網６、８それぞれに水素を供給する。

同様に、例えば、Ａ２は気体水素タンク１０６の予め定められた時系列な需要量の稼働優先度を示し、Ｂ２は気体水素タンク１０６の予め定められた時系列な供給量の稼働優先度を示す。気体水素タンク１０６の場合、気体水素タンク１０６の需要量は、気体水素タンク１０６に蓄積される気体水素量を意味し、気体水素タンク１０６の供給量は、気体水素タンク１０６から供給される水素量を意味する。

また、Ｐａｉｊは装置ｉのｊ時間における予め定められた時系列な需要量を示し、Ｓａｉｊは、Ｐａｉｊに対応する計画値を示している。すなわち、Ｓａｉｊは、装置ｉのｊ時間における予め定められた時系列な需要量に対する計画値である。同様に、Ｐｂｉｊは装置ｉのｊ時間における予め定められた時系列な供給量を示し、Ｓｂｉｊは、Ｐｂｉｊに対応する計画値を示している。すなわち、Ｓｂｉｊは、装置ｉのｊ時間における予め定められた時系列な供給量に対する計画値である。

さらにまた、計画部１２８は、記憶部１２２に保存された制約式に従い計画値Ｓａｉｊ、Ｓｂｉｊを求める。例えば、需要量の計画値Ｓａｉｊと、供給量の計画値Ｓｂｉｊとは互いに関連する量である。このため、Ｓｂｉｊ＝Ｋｉ×Ｓａｉｊ、又はＳｂｉｊ＜Ｋｉ×Ｓａｉｊなる制約式であらわすことが可能である。Ｋｉは１未満の係数である。例えば、水素製造装置１０２の需要量に対する計画値Ｓａ１ｊである電力需要量と、水素製造装置１０２の供給量に対する計画値Ｓｂ１ｊである水素供給量とは、上述のようにＳｂ１ｊ＝Ｋ１×Ｓａ１ｊなる関係を有する。ここで、Ｋ１は単位電力量に対して生成される単位水素量を意味する。

また、例えば水素発電装置の需要量に対する計画値Ｓａ９ｊである水素需要量と、水素発電装置の供給量に対する計画値Ｓｂ９ｊである電力供給量とは、Ｓｂ９ｊ＜Ｋ９×Ｓａ９ｊなる関係を有する。ここで、Ｋ９は、単位水素量に対して生成される単位エネルギー量であり、電力量と熱量との加算値を意味する。

このように計画部１２８は、目的関数Ｅを最小化するために、制約式を満たす中で、各計画値を調整する。最小化の方法として、混合整数計画問題として厳密解を求めてもよい。或いは、メタヒューリスティックにより準最適解を求めてもよい。また、これらの方法以外の一般的な方法で解を求めてもよい。

次に、異なる観点から定めた目的関数の例を説明する。例えば、水素製造装置１０２が電力網２、４からの需要要求に対して応えられないエネルギーを０以上の連続変数「x_gr_dem_unacc」として表現する。すなわち、自然エネルギー電力需要量、及び混成電力需要量の加算値との差分を連続変数「x_gr_dem_unacc」とする。また、水素発電装置が電力網２、４からの供給要求に対して応えられないエネルギーを０以上の連続変数「x_gr_sup_unacc」として表現する。すなわち、水素発電装置の予め定められた供給水素量との差分を「x_gr_sup_unacc」とする。

この場合、水素製造装置１０２が電力網から別途供給されなければならないエネルギーを０以上の連続変数「x_gr_in_add」として表現し、気体水素タンク１０６が、気体水素流通網６に与えずに捨ててしまうエネルギーを０以上の連続変数「x_gas_throw」として表現し、液体水素タンク１１２が、液体水素を液体水素流通網８には与えずに捨ててしまうエネルギーを０以上の連続変数「x_liq_throw」として表現し、それぞれの重み係数を「C_gr_dem_unacc」「C_gr_sup_unacc」「C_gr_in_add」「C_gas_throw」「C_liq_throw」として、目的関数は、以下の（２）式で示すＥで表現される。
Ｅ＝C_gr_dem_unacc×x_gr_dem_unacc + C_gr_sup_unacc×x_gr_sup_unacc +C_gr_in_add×x_gr_in_add + C_gas_throw×x_gas_throw +C_liq_throw×x_liq_throw
（２）式

この（２）式で示す目的関数Ｅを最小化の対象としてもよい。なお、本実施形態では、重み係数が優先度に対応する。このように、目的に応じた目的関数を定めて、解を計画値として求めることが可能である。また、水素エネルギー制御装置１００は、装置毎に、関連する物理量を満たすように、時系列な計画値を生成してもよい。なお、優先度である基本優先度及び稼働優先度を決定するための指標として、ＣＯ２排出量、事業者優先度、環境上の影響度などを考慮してもよい。

制御部１３０は、計画部１２８で得られた時系列な計画値に従って、当該計画値に関連する装置を制御する。すなわち、制御部１３０は、装置毎に得られた計画値に従った制御を行う。このように、制御部１３０は、計画部１２８で得た計画値に対応する装置に、計画値に従ったエネルギーが入出力されるよう、制御する。例えば、水素製造装置１０２に対しては１時間あたりの気体水素製造量Ｎｍ^３／ｈを計画値に合わせて制御し、水素発電装置に対しては１時間あたりの発電量ＭＷｈを計画値に合わせて制御する。

また、制御部１３０は、各装置におけるセンシングデータを定期的に取得している。これにより、制御部１３０は、運転を実施中に、各装置が想定とは異なる状態になっている場合に、運転計画を再度、計画部１２８に作成させてもよい。例えば、制御部１３０は、各機器のセンシングデータ毎に予め設けた閾値を超えた場合に、運転計画を再度、計画部１２８に作成させる。

再び（１）式を参照して、制御部１３０は、例えば、装置ｉのｊ時間における予め定められた需要量Ｐａｉｊと、計画値Ｓａｉｊとの差分を、需要量Ｐａｉｊを供給するエネルギー網２、４、６、８、１０、１２を管理するシステムに送信する。同様に、制御部１３０は、例えば、装置ｉのｊ時間における予め定められた供給量Ｐｂｉｊと、計画値Ｓｂｉｊとの差分を、供給量Ｐｂｉｊの供給を受ける外部のエネルギー網を管理するシステムに送信する。このように、制御部１３０は、計画部１２８による運転計画の結果によっては、需給要求に応えられない場合に、各要求元であるエネルギー網を管理するシステムに対して応答を行う。これにより、エネルギー網を管理するシステムは、エネルギーの発生状態を調整可能である。

次に図１、２を参照にしつつ、図３に基づき、計画部１２８における計画値の時間変化量に制約を加える場合について説明する。ここでは、上述の（１）式において装置番号ｉ＝９の水素製造装置１０２における計画値Ｓａ１ｊ、Ｓｂ１ｊについて説明する。上述のように、制約条件として、Ｓｂ１ｊ＝Ｋ１×Ｓａ１ｊなる関係を有する。

また、水素製造装置１０２では、供給される電力量が急峻に増加しても、水素製造の製造が追いつかない。このため、更に、計画値の時間変化量に制約を加える。ここで、（３）式は、水素製造装置１０２単体に関する目的関数Ｅを示している。ｊは１〜６であり、３時間分に相当する。すなわちここでの時間単位は３０分である。また、Ｐａ１ｊは、時系列の需要量、すなわち電力網２、４から供給される予め定められた電力供給量であり、Ｐｂ１ｊは、時系列の供給量、すなわち気体水素タンク１０６に供給する予め定められた水素供給量であり、Ａ１、Ｂ１は稼働優先度である。

計画部１２８は、（３）式を最小にする計画値Ｓａ１ｊ、Ｓｂ１ｊを算出する。

図３（ａ）は、水素製造装置１０２の時系列な需要量Ｐａ１ｊを示す図であり、図３（ｂ）は、時系列な需要量Ｐａ１ｊに対応する時系列な計画値Ｓａ１ｊを示す図であり、図３（ｃ）は、水素製造装置１０２の時系列な供給量Ｐｂ１ｊを示す図であり、図３（ｄ）は、時系列な供給量Ｐｂ１ｊに対応する時系列な計画値Ｓｂ１ｊを示す図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）内のグラフにおける縦軸は電力量の換算値を示し、横軸は時間を示している。ここでの図３（ｂ）、（ｄ）は、（３）式の解を求める途中の状態であり、上述の制約条件をまだ満たしていない。

また、図３（ｂ）内で示す３ａ、ｂの四角形は、需要量Ｐａ１ｊと計画値Ｓａ１ｊの差を示している。同様に、図３（ｄ）内で示す３ｃ、ｄ、ｅの四角形は、供給量Ｐｂ１ｊと計画値Ｓｂ１ｊの差を示している。さらにまた。線Ｌ２、Ｌ４の傾きは、計画値Ｓａ１ｊの時間変化量を示している。

すなわち、本実施形態では、線Ｌ２、Ｌ４の傾きが、水素製造装置１０２の製造能力で定まる時間変化量Ｄ１以下になるように、計画値Ｓａ１ｊ、Ｓｂ１ｊが演算される。

これにより、水素製造装置１０２の実際の水素製造能力を反映した計画値Ｓａ１ｊを得ることが可能である。

次に図１、２を参照にしつつ、図４、５に基づき、設定部１２６が設定する稼働優先度に確率分布を反映する場合と、計画部１２８が用いる水素製造装置１０２の時系列な需要量に確率分布を反映する場合とについて説明する。

まず、（３）式で説明した水素製造装置１０２の時系列な需要量Ｐａ１ｊに対する稼働優先度Ａ１に確率分布を反映する場合について説明する。図４は、時間ｊ＝１、２、３、４における予め定められた電力供給量における確率分の表を示す図である。図５は、時間ｊ＝１、２、３における水素製造装置１０２の時系列な需要量Ｐａ１ｊ値と、ばらつきの範囲６ａ、６ｂ、６ｃを示す図である。この図４に示すように、電力網２、４を管理するシステムから送信される予め定められた電力供給量に確率分布が付与されている場合がある。ｊ＝１、２、３、４における電力供給量の分散値は、それぞれ２、３、２、１である。換言すると時間ｊ＝２の場合に、電力供給量の値が一番ばらつく可能性が高く、変動確率が高い。一方で、時間ｊ＝４の場合に、電力供給量の値が一番ばらつく可能性が低く、変動確率が低い。

このため、設定部１２６は、稼働信頼度Ａ１、２、３、４の中において、変動確率が一番低い時間ｊ＝４に対応する稼働信頼度Ａ４の値を一番高くし、変動確率が一番高い時間ｊ＝２に対応する稼働信頼度Ａ２の値を一番低くする。これにより、変動の生じる可能性の高い電力供給量の影響を低減可能である。

次に、（３）式で説明した水素製造装置１０２の時系列な需要量Ｐａ１ｊに確率分布を反映する場合について説明する。ここでは、計画部１２８は、電力供給量の値のばらつきが大きくなるに従い、電力供給量の値を大きくする。すなわち、計画部１２８は、需要量Ｐａ１１、Ｐａ１２、Ｐａ１３、Ｐａ１４の中において、時間ｊ＝２に対応する需要量Ｐａ１２の値に対する加算値を一番大きくし、時間ｊ＝４に対応する需要量Ｐａ１４の値に対する加算値を一番小さくする。例えば、需要量Ｐａ１１、Ｐａ１２、Ｐａ１３、Ｐａ１４のそれぞれに分散値２、３、２、１を加算する。これにより、時間ｊ＝１に対応する需要量Ｐａ１１＝１０＋２＝１２とし、時間ｊ＝２に対応する需要量Ｐａ１２＝５＋３＝８とし、時間ｊ＝３に対応する需要量Ｐａ１３＝２＋２＝４とし、時間ｊ＝４に対応する需要量Ｐａ１４＝０＋１＝１とする。これにより、変動の生じる可能性の高い電力供給量の値を予めより大きくしておくことで、変動が生じた場合にも、計画に即した水素量の供給が可能になる。

図６は、水素エネルギーシステム１における画面の一例を示す図であり、この図６に基づき、計画部１２８がモニター上に表示する水素エネルギーシステム１の監視画面の一例を説明する。この図６に示すように、監視画面上では、設定値、各装置への制御指令値、各装置の状態情報が表示される。これにより、システムの稼働に必要な設定値が明確になる。また、運転計画に従って出力されている制御指令値の確認、及びの制御指令値によって各装置がどのような状態にあるかの確認も容易となる。なお、監視画面に表示する設定対象、制御指令対象、状態監視対象はこれら以外を含んでもよく、例えば蓄電池１０４、１２０への制御指令値や状態監視を表示してもよい。

以上のように本実施形態では、設定部１２６が、時系列な物理量毎に優先度を設定し、計画部１２８が、複数の時系列な物理量それぞれに対応する複数の時系列な計画値を物理量毎の優先度に応じて得ることとした。これにより、より制御に適した時系列な計画値を取得可能であり、エネルギー網とより効率的にエネルギーの授受を行うことができる。

本実施形態による水素エネルギーシステム１におけるデータ処理方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、データ処理方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、データ処理方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

Claims (10)

1. 電力網、温水網、水素流通網の少なくとも１つが複数種混在するエネルギー網に接続する装置を備える水素エネルギーシステムであって、
   水素製造に関して予め定められた時系列な物理量を複数取得する取得部と、
   前記予め定められた時系列な物理量毎に、複数種混在するネルギー網の基本優先度を設定し、前記装置の予め定められた時系列な物理量に稼働優先度を設定する設定部と、
   相互に関連する複数の時系列な計画値を生成する計画部であって、前記複数の時系列な物理量それぞれに対応する前記計画値を前記物理量毎の前記基本優先度、及び、前記稼働優先度に応じて生成する計画部と、
   前記複数の時系列な計画値の内の少なくとも一つに従って、当該少なくとも一つの計画値に関連する前記装置を制御する制御部と、を備え、
   前記予め定められた時系列な物理量は、前記エネルギー網から前記装置に供給される予め定められた時系列な需要量、または、前記装置のいずれかから前記エネルギー網へ供給する予め定められた時系列な供給量であり、
   前記設定部は、前記予め定められた時系列な物理量の確率分布に応じて前記稼働優先度を変更する、水素エネルギーシステム。
2. 前記設定部は、前記物理量の変動確率が大きくなるに従い前記稼働優先度を下げる請求項１に記載の水素エネルギーシステム。
3. 前記計画部は、前記予め定められた時系列な物理量の確率分布に応じて、前記予め定められた時系列な物理量の大きさを変更する請求項１又は２に記載の水素エネルギーシステム。
4. 前記計画部は、前記計画値の時間変化量に制約を加える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水素エネルギーシステム。
5. 前記複数の計画値の内の一つは水の電気分解による水素製造装置の水素製造量であり、
   前記予め定められた時系列な物理量は、単一種、又は複数種の水素網への水素供給量と、単一種、又は複数種の電力網からの電力供給量、及び単一種、又は複数種の温水網への温水供給量の内のいずれか一つ以上の物理量である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素エネルギーシステム。
6. 前記水素製造装置は、
   前記複数種の水素網へ水素を供給する場合に、水素供給量の割合を示す前記基本優先度に従い水素を供給し、
   前記複数種の電力網から電力の供給を受ける場合に、電力供給量の割合を示す前記基本優先度に従い電力の供給を受け、
   前記複数種の温水網へ温水を供給する場合に、熱量の割合を示す前記基本優先度に従い温水を供給する請求項５に記載の水素エネルギーシステム。
7. 前記複数種の電力網は、自然エネルギーを用いて発電を行う電力網と、自然エネルギーを用いての発電、及び化石燃料を用いて発電を行う電力網とを、少なくとも含み、
   前記複数種の温水網は、高温の温水を高温温水需要に対して供給する高温温水網と、低温の温水を低温温水需要に対して供給する低温温水網とを、少なくとも含み、
   複数種の水素流通網は、気体水素を水素需要に対して供給する気体水素流通網と、液体水素を水素需要に対して供給する液体水素流通網とを、少なくとも含み、
   前記関連する装置は、気体水素タンク、気体水素排出装置、液化装置、液体水素タンク、液体水素排出装置、気化装置、蓄電池、水素製造装置の少なくともいずれかである請求項６に記載の水素エネルギーシステム。
8. 前記計画部は、前記時系列な複数の物理量を電力量に換算し、当該時系列な複数の電力量と、それぞれの優先度とに基づく目的関数を用いて前記計画値を得る請求項１乃至７のいずれか一項に記載の水素エネルギーシステム。
9. 電力網、温水網、水素流通網の少なくとも１つが複数種混在するエネルギー網に接続する装置を備える水素エネルギーシステムの制御方法であって、
   水素製造に関して予め定められた時系列な物理量を複数取得する取得工程と、
   前記予め定められた時系列な物理量毎に、複数種混在するネルギー網の基本優先度を設定し、前記装置の予め定められた時系列な物理量に稼働優先度を設定する設定工程と、
   相互に関連する複数の時系列な計画値を生成する計画部であって、前記複数の時系列な物理量それぞれに対応する前記計画値を前記物理量毎の前記基本優先度、及び、前記稼働優先度に応じて生成する計画工程と、
   前記複数の時系列な計画値の内の少なくとも一つに従って、当該少なくとも一つの計画値に関連する前記装置を制御する制御工程と、を備え、
   前記予め定められた時系列な物理量は、前記エネルギー網から前記装置に供給される予め定められた時系列な需要量、または、前記装置のいずれかから前記エネルギー網へ供給する予め定められた時系列な供給量であり、
   前記設定工程は、前記予め定められた時系列な物理量の確率分布に応じて前記稼働優先度を変更する、水素エネルギーシステムの制御方法。
10. 請求項９に記載の水素エネルギーシステムの制御方法をコンピュータに実行させるプログラム。

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