JP6874713B2

JP6874713B2 - ガスエネルギー需給システムの最適化装置及び最適化プログラム

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Publication number: JP6874713B2
Application number: JP2018029104A
Authority: JP
Inventors: 良介片岡; 石川　裕幸; 裕幸石川
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Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2021-05-19
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Description

本発明は、ガスエネルギー需給システムの最適化装置及び最適化プログラムに関する。

エネルギーを供給する供給側の設備と、エネルギーを消費する需要家の設備とを含むエネルギー需給システムにおいて、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技術が知られている。

特許文献１には、電力需給計画と燃料需給計画を立案するエネルギー需給計画装置であって、電力取引市場での取引計画と発電計画を立案する電力需給計画部と、燃料取引市場での取引計画と発電修正計画と燃料タンクの運用計画を立案する燃料需給計画部との間で相互のデータを受け渡しするとともに、電力需給計画部および燃料需給計画部における演算の開始と収束の判定を行うエネルギー需給計画装置が記載されている。

特許文献２には、複数の資源供給設備と、１以上の資源需要家設備とを含む需給系統を制御する制御装置であって、資源の総需要量が入力されると、資源を供給する際に必要なコストと前記総需要量とに基づいて、総需要量の資源の供給に必要な最小コストを算出する最小コスト算出手段と、最小コストと、総需要量と、１以上の資源供給設備から供給される資源の供給量とに基づいて、資源供給設備それぞれの最適な供給量を算出する供給量算出手段と、を有する制御装置が記載されている。

特開２０１７−１３４５５６号公報特開２０１７−１４２６７４号公報

太陽光や風力に代表される再生可能エネルギーを利用して発電し、生じた電力を用いて水素やメタンなどのガスエネルギーを生成し、貯蔵するＰ２Ｇ（パワーツーガス）技術が知られている。Ｐ２Ｇ技術で生成されたガスエネルギーの供給及び需要に関するエネルギー需給システムにおいても、従来と同様、システムの最適化が求められる。ところが、従来のシステム最適化手法では、再生可能エネルギーを利用した発電の時間変動に起因する電力及びガス供給の過不足や、輸送によるエネルギーの生成と消費との時間差に対する考慮がされていない。このように、システムに含まれる要素の時間変動による影響が十分考慮されずにエネルギーフローが計算されるため、計算精度が低く、非現実的なエネルギーフローを算出する可能性があるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、再生可能エネルギーからＰ２Ｇ技術により生成されたガスエネルギーの生成、輸送及び消費を含むガスエネルギー需給システムにおいて、再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを順守し、なお且つ、ガスエネルギー需給システムにおける収益最大化を実現し得る最適化装置及び最適化プログラムを提供することにある。

本発明に係るガスエネルギー需給システムの最適化装置は、再生可能エネルギーを用いて発電し、得られた電力を用いてガスエネルギーを生成し、生成されたガスエネルギーを輸送し、輸送されたガスエネルギーを消費するガスエネルギー需給システムの最適化装置であって、それぞれが記憶装置に記憶された、再生可能エネルギーによる発電の発電量に関する情報を記憶した発電量データベースと、ガスエネルギーの需要量に関する情報を記憶した需要量データベースと、ガスエネルギーを輸送する輸送手段に関する情報を記憶した輸送手段データベースと、ガスエネルギー需給システムを構成する設備に関する情報を記憶した設備データベースと、エネルギー単価に関する情報を記憶したエネルギー価格データベースとを参照して、再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを考慮したエネルギーフローの最適化手法を用いて、ガスエネルギーを生成する供給側の収益、ガスエネルギーを消費する需要家の収益、又は、ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化するための、供給側及び需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、輸送におけるガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出する。

本発明に係るガスエネルギー需給システムの最適化プログラムは、再生可能エネルギーを用いて発電し、得られた電力を用いてガスエネルギーを生成し、生成されたガスエネルギーを輸送し、輸送されたガスエネルギーを消費するガスエネルギー需給システムの最適化プログラムであって、再生可能エネルギーによる発電の発電量に関する情報を記憶した発電量データベースと、ガスエネルギーの需要量に関する情報を記憶した需要量データベースと、ガスエネルギーを輸送する輸送手段に関する情報を記憶した輸送手段データベースと、ガスエネルギー需給システムを構成する設備に関する情報を記憶した設備データベースと、エネルギー単価に関する情報を記憶したエネルギー価格データベースと、を記憶した記憶手段にアクセス可能なコンピュータを、発電量データベース、需要量データベース、輸送手段データベース、設備データベース及びエネルギー価格データベースを参照して、再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを考慮したエネルギーフローの最適化手法を用いて、ガスエネルギーを生成する供給側の収益、ガスエネルギーを消費する需要家の収益、又は、ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化するための、供給側及び需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、輸送におけるガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出する手段として機能させる。

好適な態様では、発電量データベース、需要量データベース、輸送手段データベース及び設備データベースが記憶する情報に基づいて、ガスエネルギー需給システムにおいて実行可能なエネルギーフローを計算するエネルギーフロー計算部と、エネルギー価格データベースが記憶する情報に基づいて、実行可能なエネルギーフローのうち、供給側、需要家又はガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化する最適エネルギーフローを計算して、供給側及び需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、ガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出する最適エネルギーフロー計算部とを備える。更に好適な態様では、エネルギーフロー計算部による実行可能なエネルギーフローの計算及び最適エネルギーフロー計算部による最適エネルギーフローの計算が、線形計画法又は混合整数計画法により行われる。

他の好適な態様では、輸送手段データベースが、輸送手段における所要時間、ガスエネルギーの輸送コストの情報を少なくとも記憶する。他の好適な態様では、設備データベースが、供給側及び需要家が有する各設備の効率、運転条件及びコストの情報を少なくとも記憶する。他の好適な態様では、再生可能エネルギーが風力又は太陽光を含む。他の好適な態様では、ガスエネルギーが陸路又は海路で輸送される。

本発明によれば、再生可能エネルギーからＰ２Ｇ技術により生成されたガスエネルギーの生成、輸送及び消費を含むガスエネルギー需給システムにおいて、再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを順守し、なお且つ、ガスエネルギー需給システムの収益最大化を実現することができる。

本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムの最適化装置の構成を示す図である。本発明の実施形態における最適化装置を実現するコンピュータの構成を示す図である。本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムの構成を示す図である。本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムにおいて設定される制約条件を説明する図である。本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムにおける輸送のエネルギーフローを説明する図である。本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムにおける供給側及び需要家の収支を説明する図である。

本発明の実施形態におけるガスエネルギー需給システムの最適化装置１００は、図１に示すように、データベース入力手段１０２、エネルギーフロー計算部１０４及び最適エネルギーフロー計算部１０６を含んで構成される。すなわち、最適化装置１００は、データベース入力、エネルギーフローの計算及び最適エネルギーフローの計算を順に行うことによってガスエネルギーの需給関係を有するガスエネルギー需給システムを最適化する処理を行う。

最適化装置１００は、図２に示すように、処理部２０２、記憶部２０４（記憶装置）、入力部２０６、出力部２０８及び通信部２１０を含む一般的なコンピュータ２００によって実現することができる。

処理部２０２は、ＣＰＵ等の演算処理を行う手段を含む。処理部２０２は、記憶部２０４に記憶されている熱源機器の最適化プログラムを実行することによって、本実施の形態における最適化装置１００を実現する。記憶部２０４は、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶手段を含む。記憶部２０４は、処理部２０２とアクセス可能に接続され、最適化プログラム、発電量データベース（以下「発電量ＤＢ」と記載する）１０２ａ、需要量データベース（以下「需要量ＤＢ」と記載する）１０２ｂ、輸送手段データベース（以下「輸送手段ＤＢ」と記載する）１０２ｃ、設備データベース（以下「設備ＤＢ」と記載する）１０２ｄ、エネルギー価格データベース（以下「エネルギー価格ＤＢ」と記載する）１０２ｅ、ガスエネルギー需給システムの制約条件及び目的関数等に関するデータ等、最適化装置１００での処理に必要な情報を記憶する。入力部２０６は、コンピュータ２００に情報を入力する手段を含む。入力部２０６は、例えば、ユーザからの入力を受けるタッチパネルやキーボード等を備える。出力部２０８は、ユーザから入力情報を受け付けるためのユーザインターフェース画面（ＵＩ）等やコンピュータ２００での最適化結果を出力する手段を含む。出力部２０８は、例えば、ユーザに対して画像を呈示するディスプレイを備える。コンピュータ２００は、その機能の一部をインターネット等の通信部２１０によって外部サーバに接続されてもよい。また、コンピュータ２００は、その機能の一部を外部サーバ等にて実現してもよい。

次に、最適化装置１００の動作、すなわちガスエネルギー需給システムのエネルギーフローの最適化処理について、図３に示すガスエネルギー需給システムの具体的モデルを例に挙げて説明する。

図３は、最適化処理の対象となるガスエネルギー需給システムのモデルの一例を示す図である。需給システム３００は、供給側３０２の設備として、発電設備３１０、電力を貯蔵する電力貯蔵設備３１２、電力からガスに変換する（Ｐ２Ｇ）変換設備３１４、生成したガスを貯蔵する貯蔵設備３１６、ガスを輸送形態に変換する変換設備３１８、輸送形態のガスを貯蔵する貯蔵設備３２０を備えている。また、需給システム３００は、需要家３０６の設備として、輸送形態のガスを貯蔵する貯蔵設備３２２、ガスを使用形態に変換する変換設備３２４、使用形態のガスを貯蔵する貯蔵設備３２６、ガスを使用（消費）するガス需要部３２８、輸送形態のガスを電力に変換する変換設備３３０、電力を使用（消費）する電力需要部３３２を備えている。また、図３に示すように、需給システム３００では、輸送手段３０４により輸送形態のガスが供給側３０２から需要家３０６へと輸送される。なお、図３に示す需給システム３００では、説明のために供給側３０２及び需要家３０６が所有する各設備並びに輸送手段３０４をそれぞれ１つずつ記載したが、当該各設備及び輸送手段３０４は複数であってもよい。

図３に示す需給システム３００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、実線の矢印はガスの流れを表し、破線の矢印は電力の流れを表している。需給システム３００では、発電設備３１０で生成された電力が変換設備３１４でガスエネルギーに変換され、供給側３０２及び需要家３０６の各設備並びに輸送手段３０４を介して、需要家３０６のガス需要部３２８等に供給される。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。

図３に示す発電設備３１０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する設備であって、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置等が挙げられる。発電設備３１０で生成された電力は、一部が変換設備３１４に送られ、残部が電力貯蔵設備３１２に送られて貯蔵されるか、或いは、電力買取業者に送られる（図３では売電と表記）。電力貯蔵設備３１２は、電力を貯蔵及び供給可能な設備であり、例えば二次電池等が挙げられる。変換設備３１４は、電力をガスエネルギーに変換する施設であり、例えば、電力により水を電気分解して水素を生成し、或いは、得られた水素と二酸化炭素との反応によりメタンを生成し、これら水素又はメタンをガスエネルギーとして供給する。貯蔵設備３１６、３２０、３２２及び３２６は、各種ガスエネルギーを貯蔵及び供給可能な設備であり、例えばタンク及びコンテナ等が挙げられる。変換設備３１８は、Ｐ２Ｇ技術により生成されたガスエネルギーを輸送により適した形態に変換する設備であり、例えば、水素の圧縮化、冷却及び圧縮による液体化、トルエンへの溶解（有機ハイドライド法）、金属への吸蔵等が挙げられる。

輸送手段３０４は、輸送形態のガスエネルギーを供給側３０２から需要家３０６に輸送するものであり、例えば、タンクローリー、鉄道又はタンカ等による陸路又は海路での遠隔地輸送が挙げられる。需要家３０６が有する変換設備３２４は、輸送形態のガスエネルギーを、使用により適した形態に変換する設備である。ガス需要部３２８は、ガスエネルギーを消費する設備であり、例えば水素ステーションの供給設備等が挙げられる。変換設備３３０は、ガスエネルギーを電力に変換する設備であって、例えば燃料電池等が挙げられる。電力需要部３３２は、例えば従来の電力を消費する設備である。

本実施形態に係る最適化装置１００は、需給システム３００におけるエネルギーフローの最適化処理を、以下の手順にて行う。

まず、データベース入力手段１０２は、発電量ＤＢ１０２ａ、需要量ＤＢ１０２ｂ、輸送手段ＤＢ１０２ｃ、設備ＤＢ１０２ｄ及びエネルギー価格ＤＢ１０２ｅに記憶される情報のデータ入力を受け付ける。以下、下付きの「ｉ」は各設備等から出力されるエネルギーの番号（ＩＤ）を示し、下付きの「ｊ」は各設備や輸送手段等の番号（ＩＤ）を示す。

発電量ＤＢ１０２ａには、供給側３０２が所有する発電設備３１０による再生エネルギーを用いた発電の時刻ｔ毎の発電量に関する情報が含まれる。時刻ｔは、例えば１０分毎、３０分毎、１時間毎等の単位時間である。発電量ＤＢ１０２ａに記憶される情報は、例えば発電設備３１０の時刻ｔにおける単位容量あたり発電量（Ｐ（ｔ））等である。

需要量ＤＢ１０２ｂには、需要家３０６における時刻毎のガスエネルギーの需要量に関する情報が含まれる。図３に示すように需要家３０６がガスエネルギーから電力に変換する変換設備３３０を有し、得られた電力を電力需要部３３２で消費する場合は、需要量ＤＢ１０２ｂには、需要家３０６における時刻毎の電力の需要量に関する情報が含まれていてもよい。時刻は、例えば１０分毎、３０分毎、１時間毎等の単位時間である。需要量ＤＢ１０２ｂに記憶される情報は、例えばガス需要部３２８の時刻ｔにおける単位容量あたり需要量（Ｄ_ｉ（ｔ））及び電力需要部３３２の時刻ｔにおける単位容量あたり需要量（Ｄ_ｉ（ｔ））等である。

輸送手段ＤＢ１０２ｃには、ガスエネルギーを輸送する輸送手段３０４に関する情報が含まれる。輸送手段ＤＢ１０２ｃに記憶される情報は、例えばガスエネルギーの輸送にかかる所要時間（Ｔ_ｔｒ）、単位輸送量あたりの輸送コスト（Ｃ_ｔｒ）、輸送手段３０４が貯蔵し得る最大容量等である。

設備ＤＢ１０２ｄには、需給システム３００を構成する設備であって、再生可能エネルギーを用いた発電からガスエネルギーの消費までのエネルギーフローを形成する設備に関する情報が含まれる。そのような設備としては、例えば、発電設備３１０、電力貯蔵設備３１２、変換設備３１４及び３１８、ガスの貯蔵設備３１６及び３２０等の供給側３０２の設備、並びに、ガスの貯蔵設備３２２及び３２６、変換設備３２４、電力への変換設備３３０等の需要家３０６側の設備が挙げられる。設備ＤＢ１０２ｄに記憶される情報は、例えば、これら設備の変換効率（η_ｊ）、運転条件の一例である負荷制限（最小負荷：ｘ_ｊ ^ｍｉｎ、最大負荷：ｘ_ｊ ^ｍａｘ、負荷変動下限：Δｘ_ｊ ^ｍｉｎ、負荷変動上限：Δｘ_ｊ ^ｍａｘ）、運転条件の一例である最大設備容量（Ｃ_ｊ）、設備コストの一例であるＯＰＥＸ（運用コスト：ＯＰＥＸ_ｊ）、設備コストの一例であるＣＡＰＥＸ（設備投資：ＣＡＰＥＸ_ｊ）等の情報である。

エネルギー価格ＤＢ１０２ｅには、ガスエネルギー又は電力を購入又は販売する場合のエネルギー単価に関する情報が含まれる。エネルギー価格ＤＢ１０２ｅに記憶される情報は、例えば、供給側３０２が発電設備３１０で発電した電力を売電するときの売電単価（Ｃ_ｅ１）、供給側３０２が需要家３０６にガスエネルギーを販売するときのガス販売単価（Ｃ_ｇ１）、需要家３０６が需給システム３００以外の外部からガスエネルギーを購入するときのガス購入単価（Ｃ_ｇ２）、及び、需要家３０６が需給システム３００以外の外部から電力を購入するときの売電単価（Ｃ_ｅ２）等である。

次に、エネルギーフロー計算部１０４により、発電量ＤＢ１０２ａ、需要量ＤＢ１０２ｂ、輸送手段ＤＢ１０２ｃ及び設備ＤＢ１０２ｄの情報に基づいて、ガスエネルギー需給システムにおける再生可能エネルギーを用いた発電からガスエネルギーの消費に至るエネルギーフローが作成される。具体的には、エネルギーフロー計算部１０４は、記憶部２０４に記憶された、各設備及び各時刻でのエネルギーフローの制約条件を表す式を呼び出し、これらの式を制約とする実行可能解を導出する。実行可能解として導出する変数は、時刻ｔにおける設備ｊへの入力エネルギー（ｘ_ｊ（ｔ））、時刻ｔにおけるｉ番目の出力エネルギー（ｘ_ｉ（ｔ））、設備ｊの容量（ｙ_ｊ）、時刻ｔにおける輸送手段の輸送量（ｚ_ｊ（ｔ））、輸送手段の輸送間隔（輸送スケジュール：Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）等である。制約条件を表す式は、記憶部２０４に予め記憶されていてもよく、入力部２０６を介して入力されて記憶部２０４に記憶されたデータであってもよい。

図４及び図５は、ガスエネルギー需給システムに設定される制約条件を説明する図である。なお、図３に示す需給システム３００では説明の便宜上、各工程に１つの設備を設けた単純なモデルを示したが、図４、図５及び以下の説明に示すように、エネルギーフローの作成においては、複数の設備が並列して設けられ、分岐点及び合流点が含まれる、より一般化したモデルに基づいて制約条件が設定される。

（ア）発電の制約
図４（ａ）に示すように、発電設備による再生エネルギーを用いて発電された電力の他の設備への供給について、下記式（１）に示す制約条件が設定される。ｙ_ｊは発電設備の容量を示し、Ｐ（ｔ）は発電設備の時刻ｔにおける単位容量あたり発電量を示し、ｘ_ｉ（ｔ）は発電設備の時刻ｔにおける出力エネルギーを示す。

（イ）エネルギー変換の制約
図４（ｂ）に示すように、各設備において、下記式（２）に示す変換効率（η_ｊ）の制約条件が設定される。

（ウ）設備負荷の制約
図４（ｃ）に示すように、各設備の運転条件に関して、下記式（３）〜式（５）に示す制約条件が設定される。図４（ｃ）に示す設備は、各貯蔵設備又は各変換設備である。式（３）において、Ｃ_ｊは各設備の最大設備容量を示す。式（４）において、Δｘ_ｊ ^ｍｉｎは各設備にかかる負荷変動の下限を示し、Δｘ_ｊ ^ｍａｘは各設備にかかる負荷変動の上限を示す。式（５）において、ｘ_ｊ ^ｍｉｎは各設備にかかる負荷の下限を示し、ｘ_ｊ ^ｍａｘは各設備にかかる負荷の上限を示す。

（エ）合流、分岐点の制約
図４（ｄ）に示すように、エネルギーの合流及び分岐点において、下記式（６）に示す制約条件が設定される。

（オ）貯蔵の制約
図４（ｅ）に示すように、各貯蔵設備でのガスエネルギー又は電力の貯蔵において、下記式（７）に示す制約条件が設定される。式（７）において、Ｓ_ｊ（ｔ）は各設備の時刻ｔにおけるエネルギー貯蔵量を示す。

（カ）エネルギー需要の制約
図４（ｆ）に示すように、各需要部でのエネルギー需要において、下記式（８）に示す制約条件が設定される。式（８）において、Ｄ_ｉ（ｔ）は各需要部の時刻ｔにおける単位容量あたりの需要量を示す。

（キ）エネルギー輸送の制約
図５は、本実施形態に係るガスエネルギー需給システムにおいて、輸送手段による供給側から需要家への輸送に関するエネルギーフローを説明する図である。図５に示すように、まず供給側から供給量ｘ_ｊ（ｔ）のガスエネルギーが各種輸送手段に供給された後、当該輸送手段が時刻ｔ＝ｎ＊Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}のタイミングで供給側から出発し、ｎ回目の輸送が実施される。輸送手段によるガスエネルギー輸送の所要時間はＴ_ｔｒであるので、時刻ｔ＝（ｎ＊Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}＋Ｔ_ｔｒ）のタイミングでガスエネルギーは需要家に到着する。このときに需要家に輸送されたガスエネルギーｘ_ｉ（ｔ）は、時刻（ｔ−Ｔ_ｔｒ）において供給側から供給されたガスエネルギーｘ_ｊ（ｔ−Ｔ_ｔｒ）に等しい。また、本実施形態では、輸送手段によるガスエネルギーの輸送は、輸送間隔Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}を置いて定期的に行われる。即ち、図５に示すように、ｎ回目の輸送便の出発から輸送間隔Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}が経過した時刻ｔ＝（ｎ＋１）＊Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}において、（ｎ＋１）回目の輸送便が出発する。このような輸送手段による供給側から需要家へのガスエネルギー輸送において、下記式（９）及び式（１０）に示す制約条件が設定される。式（９）及び（１０）において、ｚ_ｊ（ｔ）は各輸送手段の時刻ｔにおける輸送量を示し、Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}は輸送手段による輸送間隔を示し、ｎは供給側から需要家への輸送回数を示し、Ｔ_ｔｒは供給側から需要家への輸送にかかる所要時間を示す。

エネルギーフロー計算部１０４は、上記の各制約条件に基づいて、実行可能なエネルギーフローを算出する。これにより、再生可能エネルギーを用いたＰ２Ｇ技術によるガスエネルギーの生成、輸送及び消費を含むガスエネルギー需給システムに対して、再生可能エネルギー用いた発電状況、輸送によるガス生成と消費との時間差、並びに需要家の消費状況等が及ぼす影響が考慮された、実行可能なエネルギーフローを算出することができる。

次に、最適エネルギーフロー計算部１０６は、エネルギーフロー計算部１０４が算出した実行可能なエネルギーフローのうち、収益を最大化する最適エネルギーフローを作成する。具体的には、最適エネルギーフロー計算部１０６は、エネルギー価格ＤＢ１０２ｅが記憶する情報を参照しながら、記憶部２０４に記憶された目的関数を用いて最適化計算を行い、本実施形態に係るガスエネルギー需給システムにおいて、供給者、需要家又はガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化する最適解を算出する。最適化計算は、例えば線形計画法又は混合整数計画法により行われる。

図６は、本実施形態に係るガスエネルギー需給システムにおいて、供給側及び需要家の収支関係を説明する図である。図６に示すように、供給側には、収入として需要家へのガス販売収入（Ｍ_１）及び売電による収入（Ｍ_４）があり、支出として、供給側が負担する輸送コスト（Ｍ_２）及び供給側が有する設備のコスト（Ｍ_３）がある。また、需要家には、支出として、供給側からのガス購入コスト（Ｍ_１）、需要家が負担する輸送費コスト（Ｍ_５）、需要家が有する設備のコスト（Ｍ_６）及び供給側以外の外部から購入するエネルギーのコスト（Ｍ_７）がある。よって、供給側の収益を表す関数、需要家の収益を表す関数、並びに、供給側及び需要家を含むガスエネルギー需要システム全体の収益を表す関数は、それぞれ下記式（１１）〜式（１３）のように定義される。これら式（１１）〜式（１３）を目的関数として、これらの値を最大化する最適化計算が実行される。

ここで、供給側のガス販売収入Ｍ_１は、下記式（１４）によって求められる。式（１４）において、Ｃ_ｇ１は供給側が需要家にガスエネルギーを販売するときのガス販売単価を示し、ｚ_ｊ（ｔ）は時刻ｔにおけるガスエネルギーの輸送量を示す。

供給側が負担する輸送コストＭ_２は、下記式（１５）によって求められる。式（１５）において、Ｒａｔｅは供給側と需要家との輸送コストの負担割合を示し、Ｃ_ｔｒは単位輸送量あたりの輸送コストを示し、ｚ_ｊ（ｔ）は時刻ｔにおけるガスエネルギーの輸送量を示す。

供給側が有する設備のコストＭ_３は、下記式（１６）によって求められる。式（１６）において、ＣＡＰＥＸ_ｊは供給側が有する設備ｊのＣＡＰＥＸを示し、ＯＰＥＸ_ｊは供給側が有する設備ｊのＯＰＥＸを示し、ｙ_ｊは供給側が有する設備ｊの容量を示す。

供給側の売電による収入Ｍ_４は、下記式（１７）によって求められる。式（１７）において、Ｃ_ｅ１は供給側が発電設備で発電した電力を売電するときの売電単価を示し、ｘ_ｊ（ｔ）は時刻ｔにおける供給側の売電量を示す。

需要家が負担する輸送費コストＭ_５は、下記式（１８）によって求められる。式（１８）において、Ｒａｔｅは供給側と需要家との輸送コストの負担割合を示し、Ｃ_ｔｒは単位輸送量あたりの輸送コストを示し、ｚ_ｊ（ｔ）は時刻ｔにおけるガスエネルギーの輸送量を示す。

需要家が有する設備のコストＭ_６は、下記式（１９）によって求められる。式（１９）において、ＣＡＰＥＸ_ｊは需要家が有する設備ｊのＣＡＰＥＸを示し、ＯＰＥＸ_ｊは需要家が有する設備ｊのＯＰＥＸを示し、ｙ_ｊは需要家が有する設備ｊの容量を示す。

需要家が供給側以外から購入するエネルギーのコストＭ_７は、下記式（２０）によって求められる。式（２０）において、ｘ_ｇ（ｔ）は時刻tにおいて需要家が外部から購入するガスエネルギーの購入量を示し、Ｃ_ｇ２はその購入するガスエネルギーの購入単価を示し、ｘ_ｅ（ｔ）は時刻tにおいて需要家が外部から購入する電力の購入量を示し、Ｃ_ｅ２はその購入する電力の購入単価を示す。

このように、最適エネルギーフロー計算部１０６により、式（１１）〜式（１３）のいずれかで示される収益を最大化するエネルギーフローが求められる。例えば、エネルギーフロー計算部１０４により実行可能なエネルギーフローの初期状態を設定した後、最適エネルギーフロー計算部１０６により最適化計算を行うことによって、本実施形態に係るガスエネルギー需給システムの時刻ｔにおけるエネルギーフローの最適解を導出することができる。最適化計算により最適解として導出される変数は、例えば、時刻ｔにおける設備ｊへの入力エネルギー（ｘ_ｊ（ｔ））、時刻ｔにおけるｉ番目の出力エネルギー（ｘ_ｉ（ｔ））、設備ｊの容量（ｙ_ｊ）、時刻ｔにおける輸送手段の輸送量（ｚ_ｊ（ｔ））、輸送手段の輸送間隔（Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）、供給側と需要家との輸送コストの負担割合Ｒａｔｅ等である。なお、ある１つの設備ｊの運転計画は、当該設備ｊにおける入力エネルギー（ｘ_ｊ（ｔ））及びｉ番目の出力エネルギー（ｘ_ｉ（ｔ））により表される。また、最適化計算により、式（１１）で表される供給側の収益、式（１２）で表される需要家の収益、及び、式（１３）で表されるガスエネルギー需給システム全体の収益がそれぞれ出力される。

最適エネルギーフロー計算部１０６により算出された最適解は、記憶部２０４に格納される。供給側及び需要家等のユーザは、ガスエネルギー需給システムにおけるエネルギーフローの最適化計算の結果から、ガスエネルギー需給システムの設備構成、各設備の運転計画、設備導入計画等を策定することができる。また、策定したガスエネルギー需給システムにおける各設備の運転計画等を実行するための処理プログラムを有する制御装置をガスエネルギー需給システムに設置して、運転計画に基づいた各設備の自動運転を行うことも可能である。

なお、上記の説明では、所定の輸送間隔Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}にて定期的にガスエネルギーを輸送する例を示したが、輸送手段によるガスエネルギーの輸送スケジュールはこれに限定されず、例えば、日毎、週毎又は月毎等の所定期間毎に輸送便の出発時刻を適宜設定してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、再生可能エネルギーからＰ２Ｇ技術により生成されたガスエネルギーの生成、輸送及び消費を含むガスエネルギー需給システムに対して、再生可能エネルギーを用いた発電状況やガスエネルギーの生成状況、輸送によるガス生成と消費との時間差、並びに需要家の消費状況等が及ぼす影響を考慮して、エネルギーフローの最適化計算を行うことができる。すなわち、再生可能エネルギーを用いた発電のタイミング、並びに、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを順守し、なお且つ、ガスエネルギーの供給側の収益、当該ガスエネルギーを消費する需要家の収益、又は、ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化するエネルギーフロー、より詳しくは、供給者及び需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、供給者輸送におけるガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールの算出を行うことができる。その結果、再生可能エネルギー由来のＰ２Ｇ技術を利用したサプライチェーンに関して、ガスエネルギーの供給側（生産側）と需要家の両者を含む事業の経済性と、収益最大化を実現するシステム構成とをより正確に評価することができる。

１００最適化装置、１０２データベース入力手段、１０２ａ発電量ＤＢ、１０２ｂ需要量ＤＢ、１０２ｃ輸送手段ＤＢ、１０２ｄ設備ＤＢ、１０２ｅエネルギー価格ＤＢ、１０４エネルギーフロー計算部、１０６最適エネルギーフロー計算部、２００コンピュータ、２０２処理部、２０４記憶部、２０６入力部、２０８出力部、２１０通信部、３００需給システム、３０２供給側、３０４輸送手段、３０６需要家、３１０発電設備、３１２電力貯蔵設備、３１４，３１８，３２４，３３０変換設備、３１６，３２０，３２２，３２６貯蔵設備、３２８ガス需要部、３３２電力需要部。

Claims

再生可能エネルギーを用いて発電し、得られた電力を用いてガスエネルギーを生成し、生成されたガスエネルギーを輸送し、輸送されたガスエネルギーを消費するガスエネルギー需給システムの最適化装置であって、
それぞれが記憶装置に記憶された、前記再生可能エネルギーによる発電の発電量に関する情報を記憶した発電量データベースと、前記ガスエネルギーの需要量に関する情報を記憶した需要量データベースと、前記ガスエネルギーを輸送する輸送手段に関する情報を記憶した輸送手段データベースと、前記ガスエネルギー需給システムを構成する設備に関する情報を記憶した設備データベースと、エネルギー単価に関する情報を記憶したエネルギー価格データベースとを参照して、
前記再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを考慮したエネルギーフローの最適化手法を用いて、
発電設備において再生可能エネルギーを用いて発電される電力量の制約と、
電力変換設備における変換効率に投入エネルギーを乗算することによって得られる電力変換設備のエネルギー変換の制約と、
貯蔵設備及び電力変換設備の負荷に関して最大設備容量、負荷変動の下限及び上限、負荷の下限及び上限の制約と、
エネルギーの合流及び分岐の制約と、
貯蔵設備でのガスエネルギーと電力の貯蔵の制約と、
エネルギーの需要家におけるエネルギー需要の制約と、
輸送手段によるガスエネルギーを供給する供給側から前記需要家へのガスエネルギーの輸送の制約と、
を満たすと共に、
前記供給側の収益、前記需要家の収益、又は、前記ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化するように、前記供給側及び前記需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、前記輸送におけるガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出することを特徴とする、ガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記ガスエネルギー需給システムにおいて実行可能なエネルギーフローを計算するエネルギーフロー計算部と、
前記エネルギー価格データベースが記憶する情報に基づいて、前記実行可能なエネルギーフローのうち、前記供給側、前記需要家又は前記ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化する最適エネルギーフローを計算して、前記供給側及び前記需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、前記ガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出する最適エネルギーフロー計算部とを備えることを特徴とする、
請求項１に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記エネルギーフロー計算部による前記実行可能なエネルギーフローの計算及び前記最適エネルギーフロー計算部による前記最適エネルギーフローの計算が、線形計画法又は混合整数計画法により行われることを特徴とする、
請求項２に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記電力量の制約は、各時刻において発電設備の単位容量当たりの発電量に当該発電設備の容量を乗算することによって得られる再生可能エネルギーを用いて発電される電力量の制約であり、
前記エネルギー変換の制約は、各時刻において電力変換設備における変換効率に投入エネルギーを乗算することによって電力変換設備のエネルギー変換の制約であり、
前記最大設備容量の制約は、各時刻における貯蔵設備及び電力変換設備の負荷に関する最大設備容量の制約であり、
前記負荷変動の下限及び上限の制約は、各時刻における貯蔵設備及び電力変換設備の負荷変動の下限及び上限の制約であり、
前記負荷の下限及び上限の制約は、各時刻における貯蔵設備及び電力変換設備の負荷の下限及び上限の制約であり、
前記エネルギーの合流及び分岐の制約は、各時刻におけるエネルギーの合流点及び分岐点での投入エネルギーと出力エネルギーの制約であり、
前記ガスエネルギーと電力の貯蔵の制約は、各時刻における貯蔵設備での投入エネルギーから出力エネルギーを減算することによって得られるガスエネルギーと電力の貯蔵の制約であり、
前記エネルギー需要の制約は、各時刻における需要部へ供給される投入エネルギーの需要量の制約であり、
前記ガスエネルギーの輸送の制約は、各時刻における前記供給側から前記需要家へのガスエネルギーの輸送量の制約である、
請求項１又は２に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記供給側の収益は、前記供給側から前記需要家へ供給されたガスエネルギーの量に販売単価を乗算した収入と前記供給側の売電による収入の和から、当該ガスエネルギーの量に対して輸送に掛かった輸送コストのうち前記供給側が負担する供給側輸送コスト及び前記供給側が有する設備の設備コストを減算した値であり、
前記需要家の収益は、前記供給側から前記需要家へ供給されたガスエネルギーの量に購入単価を乗算した購入コスト、当該ガスエネルギーの量に対して輸送に掛かった輸送コストのうち前記需要家が負担する需要家輸送コスト及び前記需要家が有する設備の設備コストを減算した値を加算した値であり、
前記ガスエネルギー需給システム全体の収益は、前記供給側の収益と前記需要家の収益とを加算した値である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記再生可能エネルギーが風力又は太陽光を含む、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
前記輸送において、前記ガスエネルギーが陸路又は海路で輸送される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスエネルギー需給システムの最適化装置。
再生可能エネルギーを用いて発電し、得られた電力を用いてガスエネルギーを生成し、生成されたガスエネルギーを輸送し、輸送されたガスエネルギーを消費するガスエネルギー需給システムの最適化プログラムであって、
前記再生可能エネルギーによる発電の発電量に関する情報を記憶した発電量データベースと、前記ガスエネルギーの需要量に関する情報を記憶した需要量データベースと、前記ガスエネルギーを輸送する輸送手段に関する情報を記憶した輸送手段データベースと、前記ガスエネルギー需給システムを構成する設備に関する情報を記憶した設備データベースと、エネルギー単価に関する情報を記憶したエネルギー価格データベースと、を記憶した記憶手段にアクセス可能なコンピュータを、
前記発電量データベース、前記需要量データベース、前記輸送手段データベース、前記設備データベース及び前記エネルギー価格データベースを参照して、前記再生可能エネルギーを用いた発電、ガスエネルギーの生成、輸送及び需要のタイミングを考慮したエネルギーフローの最適化手法を用いて、
発電設備において再生可能エネルギーを用いて発電される電力量の制約と、
電力変換設備における変換効率に投入エネルギーを乗算することによって得られる電力変換設備のエネルギー変換の制約と、
貯蔵設備及び電力変換設備の負荷に関して最大設備容量、負荷変動の下限及び上限、負荷の下限及び上限の制約と、
エネルギーの合流及び分岐の制約と、
貯蔵設備でのガスエネルギーと電力の貯蔵の制約と、
エネルギーの需要家におけるエネルギー需要の制約と、
輸送手段によるガスエネルギーを供給する供給側から前記需要家へのガスエネルギーの輸送の制約と、
を満たすと共に、
前記供給側の収益、前記需要家の収益、又は、前記ガスエネルギー需給システム全体の収益を最大化するように、前記供給側及び前記需要家が有する設備の容量及び運転計画、並びに、前記輸送におけるガスエネルギーの輸送量及び輸送スケジュールを算出する手段として機能させることを特徴とする、ガスエネルギー需給システムの最適化プログラム。