JP6894022B1 - 熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システム - Google Patents

Abstract

【課題】既存熱併合エネルギーの最適運営（収益を最大化）を具現する、熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システムを提供する。【解決手段】熱併合設備（既存集団エネルギー設備）と新再生エネルギー源が結合されたスマートエネルギー運営システムであって、既存集団エネルギー設備である熱併合設備の最適運営を反映して新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を算定し、新規で投入された熱負荷にエネルギーを供給する時に算定された新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に基づいて新再生エネルギー源の供給量を決定する。【選択図】図２

Description

本発明は熱併合設備（既存集団エネルギー設備）と新再生エネルギー源が結合されたスマートエネルギー運営システムに関し、詳細には、既存集団エネルギー設備である熱併合設備の最適運営を反映して新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を算定し、新規で投入された熱負荷でエネルギーを供給する時に算定された新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に基づいて新再生エネルギー源の供給量を決定して熱併合設備の最適運営を具現する、熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システムに関する。

最近のエネルギーおよび環境問題に対応するために、世界各国は気候変化関連政策を発表しており、その政策の一環として地球温暖化の原因である温室ガスの減縮を推進している。このような国内外の政策および環境変化を勘案する時、熱併合発電と新再生エネルギー源を結合した集団エネルギー事業に対する関心が次第に増加するものと見込まれている。

集団エネルギーは、一般的に住宅団地と産業団地などのように、多数の熱需要家が密集した地域を対象に、熱併合発電機、尖頭負荷ボイラー、資源回収施設などの１箇所またはそれ以上の集中されたエネルギー生産施設で生産されたエネルギーを、住居地域や商業地域または産業団地内の多数の需要家に一括的に供給・販売する形態をいう。

このような集団エネルギー事業は、既存化石エネルギーに比べて総合効率が高いためエネルギーを節減し微細粉塵の排出を減らして環境汚染問題の解決に寄与することができ、送電線路を拡充することなく建設が可能であるため建設による社会的費用と長距離送電による電力損失を最小化できるなどの多様な便益が発生する長所がある。

このように、国内外で新再生エネルギー拡大のために多くの投資が進行されており、温室ガスの減縮義務の施行のような気候変化対策を勘案する時、今後熱併合発電と新再生エネルギー源を結合して既存方式で熱を供給するのではなく、新再生エネルギー源を併合して使用するか、新再生エネルギー源だけで熱を供給して温室ガスの排出量を減らすことができる集団エネルギー事業に対する関心はさらに高まるものと見込まれている。

これに伴い、ハードウェア的な側面で集団エネルギー設備に対する技術開発は多くの進展を見せているが、最適運営方式においては未だ素人の水準に留まっている。特に安定した住宅供給と不動産安定化政策により既存集団エネルギー設備が投入された地域の周辺に、新規宅地地域（新都市）やスマートシティなどの都市開発によって熱負荷が新規に持続的に投入されている状況で、既投入された集団エネルギー設備事業者の収益を最大に保障するための効率的な運営方法を提示できないでいるのが実情である。

ＫＲ １０−１７１５４５１ Ｂ１、２０１７．０３．０６．
ＫＲ １０−２００５２１８ Ｂ１、２０１９．０７．２３．

キム・ヨンハ他４名、「運転モードを考慮した熱併合発電の熱取引最適運転」、エネルギー工学第１８冊第１号、２００９年３月、ｐｐ．３７〜４８．

したがって、本発明は前記の問題点を解決するために提案されたものであって、新規熱負荷の投入により新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を算定する時に既存熱併合設備の最適運営を反映して算定し、新規で投入された熱負荷でエネルギーを供給する時に算定された新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に基づいて新再生エネルギー源の供給量を決定して既存熱併合エネルギーの最適運営（収益を最大化）を具現する、熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システムを提供することにその目的がある。

前記した目的を達成するための一側面に係る本発明は、エネルギーを消費する既存熱負荷；前記既存熱負荷の周辺に新規で構築されてエネルギーを消費する新規熱負荷；熱併合発電機、尖頭負荷ボイラーおよび蓄熱槽を含む設備を構成して既存エネルギーを生産し、生産された既存エネルギーを前記既存熱負荷と前記新規熱負荷に供給する既存熱併合設備；前記既存熱併合設備を構成する熱併合発電機、尖頭負荷ボイラーおよび蓄熱槽の情報と、前記既存熱負荷と前記新規熱負荷を含む需要家の最大および最小熱負荷と総熱負荷量を含む需要家情報の提供を受けて、考慮対象期間の間前記既存熱併合設備の収益が最大となる経路を探索して最適運営を導き出す最適運営導き出し部；前記最適運営導き出し部を通じて導き出された前記既存熱併合設備の最適運営結果を利用して、前記既存熱併合設備の熱的限界容量を算出する熱的限界容量算出部；前記熱的限界容量算出部を通じて算出された前記既存熱併合設備の熱的限界容量を利用して、前記新規熱負荷に投入できる時間帯別新規エネルギーの熱的投入限界容量を算定する熱的投入限界容量算定部；前記熱的投入限界容量算定部で算定された時間帯別新規エネルギーの熱的投入限界容量のうち最大値を有する熱的投入限界容量を、前記新規熱負荷に投入する新規エネルギーの投入量として決定する新再生エネルギー投入量決定部；および新再生エネルギーを生産する少なくとも１箇所以上の生産設備を構成して前記新規熱負荷に供給する新規エネルギーを生産し、前記新再生エネルギー投入量決定部で決定された新規エネルギーの投入量に対応する新規エネルギーを前記新規熱負荷に供給する新再生エネルギー生産設備を含む、熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システムを提供する。

また、前記既存熱併合設備から前記新規熱負荷に供給される既存エネルギーの投入量を感知して前記既存エネルギーの投入量の変動量を算定する投入変動量検出部；および前記投入変動量検出部の検出結果、前記既存熱併合設備から前記新規熱負荷に供給される既存エネルギーが減少した場合、減少量だけ補償する追加投入量を決定して前記新再生エネルギー投入量決定部に提供する変動量補償決定部をさらに含み、前記新再生エネルギー投入量決定部は前記熱的投入限界容量算定部で算定された新規エネルギーの熱的投入限界容量に対応する新規エネルギーの投入量と、前記変動量補償決定部で決定された新規エネルギーの追加投入量とを合算して、前記新再生エネルギー生産設備から前記新規熱負荷に投入する新規エネルギーの投入量を決定し、前記新再生エネルギー生産設備は前記新再生エネルギー投入量決定部で決定された新規エネルギーの熱的投入限界容量に対応する新規エネルギーの投入量と、前記変動量補償決定部で決定された新規エネルギーの追加投入量の合算に対応する投入量で新規エネルギーを前記新規熱負荷に供給することができる。

また、前記最適運営導き出し部は、前記既存熱併合設備の収益が最大化される目的関数を定義する過程と、前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定する過程と、前記既存熱併合設備の収益が最大化される前記目的関数の最適経路を探索する過程と、探索された最適経路から前記既存熱併合設備の収益が最大となる最適運営結果を導き出す過程を通じて前記既存熱併合設備の収益が最大となる最適運営を導き出すものの、
前記目的関数を定義する過程は前記目的関数を［数式１］のように定義し、
［数式１］

ここで、ＣＨＰは熱併合発電機、ＰＬＢは尖頭負荷ボイラーを表し、
前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定する過程では、前記既存熱併合設備で生産した熱量は前記既存熱負荷と前記新規熱負荷で要求する熱量と同じでなければならないという熱需給制約条件を［数式２］のように設定し、前記既存熱併合発電機の熱生産上限値と下限値の制約は［数式３］のように設定し、前記尖頭負荷ボイラーの熱出力上限値と下限値の制約は［数式４］のように設定し、前記蓄熱槽は熱出力中に直ぐに最大熱出力で運転することはできず、単位時間当り一定の熱出力限度内でのみ蓄熱と放熱をし、単位時間当り蓄熱と放熱の限度は［数式５］のように設定し、
［数式２］

ここで、ＡＣＣは蓄熱槽であり、
［数式３］

［数式４］

［数式５］

前記既存熱併合設備の収益が最大化される前記目的関数の最適経路を探索する過程は、
前記熱併合発電機の熱生産と前記尖頭負荷ボイラーの熱出力を算定し、前記蓄熱槽の初期温水の水位と最終時点での前記蓄熱槽の温水の水位が同じとなるようにして、前記既存熱併合設備の収益が最大となる経路を探索するものの、前記蓄熱槽の初期温水の水位からｔ＝１の時間帯に遷移する時に変動する熱負荷

は［数式６］で計算しｔ＝１の時間帯に遷移される熱負荷

の増減から前記［数式１］で

と

を算定し、各熱負荷から遷移された熱負荷が前記蓄熱槽の熱出力となり、各ｓｔａｔｅの初期収益を計算し、遷移される経路のうちで総収益が最も大きいｓｔａｔｅ値のみを記憶し、［数式７］のように最終時点まで前記蓄熱槽の温水の水位による各収益を算定し、最終ｓｔａｇｅであるｔで［数式７］から算定された結果で前記目的関数が最適な経路を探索することができる。
［数式６］

［数式７］

また、前記熱的投入限界容量算定部は、１年運転模擬中のｔ時間であるときに発生した最大熱負荷が、［数式８］のように前記熱併合発電機の熱生産上限値と前記尖頭負荷ボイラーの熱出力上限値の和と同じであれば、ｔ時間であるときに前記既存熱併合設備の最適運営による熱的限界容量が満たされたと判断して前記新規エネルギーの熱的投入限界容量を［数式９］で算定することができる。
［数式８］

［数式９］

以上で説明した通り、本発明に係るスマートエネルギー運営システムによると、既存熱併合設備の最適運営を反映して新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を算定し、これに基づいて新規で投入される新規熱負荷に対してエネルギーを供給する時、熱併合設備の最適運営を害しない範囲（収益を最大化する範囲）内で新再生エネルギー源の供給量を決定して熱併合設備を最適運営するように提供することができる。

本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムの事業概念図。 本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムの構成を図示した図面。 本発明に係る既存熱併合設備の最適運営を導き出す過程を図示したフローチャート。 既存熱負荷が最大熱負荷を発生させる時にそれぞれの熱負荷を時間帯別に図示したグラフ。 既存熱負荷が最大熱負荷を発生させる４週目の２０１８年ＳＭＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｒｉｃｅ）時間帯別価格を図示したグラフ。 本発明に係る既存熱併合設備の最適運営結果グラフを示した図面。 各時間帯別新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を示した図面。

以下、添付された図面を参照して本発明の技術的特徴を具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムの事業概念図である。

図１を参照すると、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、既存熱併合設備１を通じて生産された熱エネルギー（以下、「既存エネルギー」という）を既存熱負荷３に供給運営中に、既存熱併合設備１が投入された地域の周辺に新規開発によって新規で投入される新規熱負荷４が構築された場合、既存熱併合設備１の収益を最大化する範囲内で新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に投入される新再生エネルギーの投入量を効率的に運用できるスマートエネルギー運営を提供する。

既存熱併合設備１は既存集団エネルギー設備であって、熱および／または電気エネルギーを生産して供給する生産施設として、熱併合発電機（ＣＨＰ、Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ）、尖頭負荷ボイラー（ＰＬＢ、Ｐｅａｋ Ｌｏａｄ Ｂｏｉｌｌｅｒ）、蓄熱槽（ＡＣＣ、ＡＣＣｕｍｕｌａｔｏｒ）および焼却炉を含む。その他にも、排熱回収装置（ＨＲＳＧ、Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）等のように通常の熱併合発電システムに備えられている付随的な設備をさらに含むことができる。

図１のように、新再生エネルギー生産設備２は、太陽光エネルギー、地熱エネルギー、海洋エネルギー、バイオエネルギー、燃料電池エネルギーなどのうち少なくともいずれか一つの親環境新再生エネルギーを生産する設備であって、太陽光発電機、地熱発電機、海洋発電機、バイオ発電機、燃料電池発電機のうち少なくとも１箇所以上を含むことができる。そして、新再生エネルギー生産設備２内には熱と電力を貯蔵するために蓄熱槽とＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）等が設置され得る。

新再生エネルギー生産設備２は、既存熱併合設備１内に構築されるか既存熱併合設備１と別途に新規熱負荷４にエネルギーを供給するための新再生エネルギー源として、既存熱併合設備１と結合して新しい集団エネルギー設備を構成することができ、このように構成された集団エネルギー設備内で既存熱併合設備１と併合して運営されてもよい。

新規熱負荷４が新しく構築されて新再生エネルギー生産設備２からエネルギーを供給する時、既存熱併合設備１の収益を保存することが何より重要である。すなわち、新再生エネルギー生産設備２を通じて新規熱負荷４にエネルギーを供給する時、既存熱併合設備１の最適運営を害しない範囲内でエネルギー投入量が決定されなければならない。

新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に供給されるエネルギー投入量は新再生エネルギー源の熱的投入限界容量で決定される。すなわち、新再生エネルギー源の熱的投入限界容量は、既存熱併合設備１の収益が最大化される範囲内で新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に供給されるエネルギー投入量を意味する。新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４にエネルギーを供給する時、既存熱併合設備１の最適運営を害しないために、新再生エネルギー源の熱的投入限界容量算定時に既存熱併合設備１の収益が最大となる最適運営を導き出し、これを反映して算定しなければならない。

既存熱負荷３は既存熱併合設備１が投入された地域内または周辺に設置されて既存熱併合設備１から既存エネルギーの供給を受けて消費する施設である。新規熱負荷４は既存熱併合設備１が投入された地域（あるいは区域）周辺に新規開発を通じて形成された施設であって、既存熱併合設備１で生産される既存エネルギーと新再生エネルギー生産設備２の新再生エネルギー源から生産されたエネルギー（以下、「新規エネルギー」という）の供給を受けて消費する。例えば、既存熱負荷３と新規熱負荷４は住宅団地（アパートなど）、商店街、ビルディング、病院、産業団地、業務、商業用建物、公共機関などを含む。

既存熱負荷３は既存熱併合設備１から既存エネルギーの供給を受けて消費し、新規熱負荷４は既存熱負荷３と同様に既存熱併合設備１を通じて既存エネルギーの供給を受けるとともに、既存熱併合設備１の熱的限界容量を超過する容量に対して新再生エネルギー生産設備２から新規エネルギーの供給を受けて消費するように構成される。

既存熱併合設備１の熱的限界容量は既存熱併合設備１の収益が最大となる範囲、すなわち最適運営を害しない範囲内で決定されなければならず、既存熱併合設備１の地域の周辺に新規で新規熱負荷４が構築される時、既存熱併合設備１を運営する事業者の収益を保存する側面で非常に重要な要素として考慮されなければならない。

図２は、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムの構成を図示した図面である。

図２を参照すると、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、既存熱併合設備１内に構築された各種設備の情報と、既存熱負荷３と新規熱負荷４を含む需要家の最大および最小熱負荷と総熱負荷量に基づいて既存熱併合設備１の収益が最大化される最適運営を導き出す最適運営導き出し部５を含む。

最適運営導き出し部５は既存熱併合設備１の情報、すなわち設備の情報（熱併合発電機／尖頭負荷ボイラー／蓄熱槽の情報）と、需要家の最大および最小熱負荷と需要家の総熱負荷量を含む需要家情報の提供を受けて、考慮対象期間（設定期間）の間既存熱併合設備１の収益が最大となる経路を探索して最適運営を導き出す。

既存熱併合設備１に対する情報は、熱併合発電機ＣＨＰの熱生産上限値および下限値と、尖頭負荷ボイラーＰＬＢの熱出力上限値および下限値と、蓄熱槽ＡＣＣの容量および時間当り蓄熱・放熱量と、熱併合発電機ＣＨＰの燃料費と、尖頭負荷ボイラーＰＬＰの燃料費と、既存熱併合設備１の熱販売費用および電力逆送費用などを含むことができる。

図３は、本発明に係る既存熱併合設備の最適運営を導き出す過程を図示したフローチャートである。

図３を参照すると、最適運営導き出し部５は一例として、本発明者によって提案された大韓民国登録特許第１０−１７１５４５１号（登録日：２０１７．０３．０６．）を通じて獲得したシミュレーターを利用して、既存熱併合設備１の収益が最大化される最適運営を導き出すことができる。

最適運営導き出し部５は既存熱併合設備１の収益が最大化される目的関数を定義し（Ｓ１１）、前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定し（Ｓ１２）、収益が最大となる前記目的関数の最適経路を探索し（Ｓ１３）、探索された最適経路から既存熱併合設備１の収益が最大となる最適運営を導き出す（Ｓ１４）。

前記目的関数を定義する過程（Ｓ１１）で、前記目的関数は既存熱併合設備１の収益が最大となる収益最大値を算出するための関数であって、［数式１］のように定義することができる。
［数式１］

ここで、ＣＨＰは熱併合発電機、ＰＬＢは尖頭負荷ボイラーを表す。

その後、既存熱併合設備１の収益が最大化される最適運営を導き出すために、既存熱併合設備１の熱併合発電機ＣＨＰ、尖頭負荷ボイラーＰＬＢ、蓄熱槽ＡＣＣを制約する。このために、前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定する（Ｓ１２）。

等号制約条件と不等号制約条件は［数式２］〜［数式５］のように設定する。

熱需給制約条件
既存熱併合設備１で生産する総熱量は熱負荷で要求する総熱量と同じでなければならない。すなわち、既存熱併合設備１で生産した熱量は需要家で要求する熱量と同じでなければならないという熱需給制約条件は［数式２］で表すことができる。
［数式２］

ここで、ＡＣＣは蓄熱槽である。

ＣＨＰ（熱併合発電）制約条件
ＣＨＰの熱生産上限値（最大熱出力）と下限値（最小熱出力）の制約は［数式３］の通りである。
［数式３］

ＰＬＢ（尖頭負荷ボイラー）制約条件
ＰＬＢの熱出力上限値（最大熱出力）と下限値（最小熱出力）の制約は［数式４］の通りである。
［数式４］

ＡＣＣ（蓄熱槽）の制約条件
ＡＣＣの制約条件は熱出力中に直ぐに最大熱出力で運転することはできず、単位時間当り一定の熱出力限度内でのみ蓄熱と放熱をすることができる。この時、単位時間当り蓄熱・放熱の限度は［数式５］の通りである。
［数式５］

そして、ＡＣＣを最適に運転するために動的計画法を使い、１週（１６８時間）単位でシミュレーションを遂行した。

その後、収益が最大となる前記目的関数の最適経路を探索する（Ｓ１３）。この過程では、ＣＨＰとＰＬＢの熱出力を算定し、ＡＣＣの初期温水の水位と最終時点のＡＣＣの温水の水位が同じであるようにして、既存熱併合設備１の収益最大化経路を下記のように探索する。

ＡＣＣの初期温水の水位からｔ＝１の時間帯に遷移する時に変動する熱負荷は［数式６］で計算する。
［数式６］

ｔ＝１の時間帯に遷移される熱負荷の増減から［数式１］の

を算定する。この時、各熱負荷から遷移された熱負荷がＡＣＣの熱出力となる。

その後、各Ｓｔａｔｅの初期収益を計算し、遷移される経路のうちで総収益が最も大きいＳｔａｔｅ値のみを記憶し、［数式７］のように最終時点までＡＣＣの温水の水位による各収益を算定する。
［数式７］

最終Ｓｔａｇｅであるｔで前記［数式７］から算定された結果に基づいて、［数式１］で定義された目的関数が最適な経路を算定する（Ｓ１３）。そして、このように算定された目的関数の最適経路から最適なＣＨＰ、ＰＬＢ、ＡＣＣの最適運営結果を導き出す（Ｓ１４）。

図２のように、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、最適運営導き出し部５を通じて導き出された既存熱併合設備１の最適運営結果を利用して、既存熱併合設備１の熱的限界容量を算出する熱的限界容量算出部６を含む。

熱的限界容量算出部６は既存熱併合設備１の最適運営結果に基づいて、下記のように既存熱併合設備１の収益が最大化される範囲内で熱的限界容量を算定する。

例えば、既存熱併合設備１の最適運営結果を通じてｔ時間ごとに最適運営を遂行した時、ＣＨＰの熱生産上限値を

とし、ＰＬＢの熱出力上限値を

とし、ＡＣＣの時間当り蓄熱・放熱量を

とし、１年のうち考慮対象期間のうち運転模擬しようとする該当週のＷｅｅｋ番号に最大熱負荷が発生する週の「Ｗｅｅｋ番号」を入力し、この時、該当最大熱負荷を

とする。

需要家の最大熱負荷が、ＣＨＰの熱生産上限値およびＰＬＢの熱出力上限値と、ＡＣＣの時間当り蓄熱・放熱量を足した値より小さいか同じである場合

を充足する時には既存熱併合設備１は熱負荷を充足する。しかし、前記最大熱負荷がＣＨＰの熱生産上限値およびＰＬＢの熱出力上限値とＡＣＣの時間当り蓄熱・放熱量を足した値より大きい場合

には熱負荷を充足させることができない。

すなわち、前記最大熱負荷がＣＨＰの熱生産上限値およびＰＬＢの熱出力上限値と、ＡＣＣの時間当り蓄熱・放熱量を足した値と同じである場合

がｔ時間であるとき、ＣＨＰ、ＰＬＢおよびＡＣＣの熱的限界容量となる。つまり、最大熱負荷がＣＨＰの熱生産上限値およびＰＬＢの熱出力上限値とＡＣＣの時間当り蓄熱・放熱量を足した値と同じである場合

がｔ時間であるとき、既存熱併合設備１の熱的限界容量となる。

一方、ＡＣＣは熱負荷供給に必要な熱を「一時」貯蔵する施設であって、熱の需要が低い時間に熱を蓄熱し、熱の需要が高い時間に熱を放熱する機能をする。したがって、ＡＣＣは完全な熱生産設備とは言えないので、ＡＣＣが放熱する量を新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に含まなければならない。すなわち、ｔ時間であるとき、既存熱併合設備１の最適運営による熱的限界容量

は［数式８］を充足する場合である。
［数式８］

一方、需要家の最大熱負荷が既存熱併合設備１の熱的限界容量

を超過すると、既存熱併合設備１だけでは熱供給が不可能であるため、新再生エネルギー生産設備２を利用して新規エネルギー（新再生エネルギー）を供給しなければならない。

これに伴い、図２のように、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、熱的限界容量算出部６を通じて算出された既存熱併合設備１の熱的限界容量を利用して新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に投入できる新再生エネルギー源（新規エネルギー）の熱的投入限界容量を算定する熱的投入限界容量算定部７を含む。

熱的投入限界容量算定部７は、既存熱併合設備１の熱的限界容量に基づいて時間帯別新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

を算定する。例えば、時間帯別新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

は既存熱併合設備１の熱的限界容量

を超過する熱負荷量とＡＣＣの放熱量を合算した値となり得る。

この時、熱的投入限界容量算定部７は新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

を時間帯別算定値のうち最大値を利用すると、他の時間帯の既存熱併合設備１の熱的限界容量

を超過する熱負荷量を充足することができるので、新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

を［数式９］のように算定することができる。
［数式９］

したがって、熱的投入限界容量算定部７は基本熱併合設備１の収益が最大となる最適運営結果を反映して新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を算定することによって、既存熱併合設備１の収益を最大化する範囲内で新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に投入される新再生エネルギーの投入量を効率的に決定することができる。

新再生エネルギーの投入量、すなわち新規エネルギーの投入量は新再生エネルギー投入量決定部８により決定される。新再生エネルギー投入量決定部８は熱的投入限界容量算定部７を通じて算定された新再生エネルギー源（新規エネルギー）の熱的投入限界容量に基づいて、新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に供給される新規エネルギーの投入量を決定する。

新再生エネルギー投入量決定部８で決定された新規エネルギーの投入量、すなわち新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に供給される新規エネルギーの投入量は、熱的投入限界容量算定部７で算定された熱的投入限界容量算定部７で算定された時間帯別新規エネルギーの熱的投入限界容量のうち、最大値を有する熱的投入限界容量と同じである。

一方、図２のように、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、既存熱併合設備１から新規熱負荷４に既存エネルギーを供給（投入）する途中で既存エネルギー投入量が変動する場合、これを感知する投入変動量検出部９をさらに含む。

既存熱併合設備１を構成する熱併合発電機や尖頭負荷ボイラーなどの各種設備の故障および修理、その他の多様な原因によって１００％の稼動が難しくなり生産量が減少し得るが、この場合、新規熱負荷４に供給される既存エネルギーの投入量が減少する。

新再生エネルギー生産設備２は、新再生エネルギー投入量決定部８で決定された新規エネルギー投入量だけ新規熱負荷４に供給する。このため、既存熱併合設備１で既存エネルギー投入量が減少する場合、新規熱負荷４は既存エネルギー投入量減少分だけ必要とするエネルギーの供給を受けることができず、運営に問題が発生する可能性がある。

投入変動量検出部９は既存熱併合設備１から新規熱負荷４に投入される既存エネルギー投入量を感知してその変動量、すなわち、減少量を感知する。例えば、既存エネルギー投入量の変動量は、既存熱併合設備１の設備稼動率情報に基づいて算定する方式で感知するか、あるいは既存熱併合設備１の既存エネルギー生産量に基づいて算定する方式で感知するか、既存熱併合設備１から新規熱負荷４に既存エネルギーを輸送する熱輸送施設を通じて輸送される輸送量に基づいて感知することができる。

図２のように、本発明の実施例に係るスマートエネルギー運営システムは、投入変動量検出部９を通じて既存熱併合設備１から新規熱負荷４に投入される既存エネルギーの減少量に基づいて補償する変動量を決定する変動量補償決定部１０をさらに含む。

変動量補償決定部１０は投入変動量検出部９を通じて検出された変動量、すなわち既存エネルギーの減少量に対応して新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に追加で投入する新規エネルギーの追加投入量を決定して新再生エネルギー投入量決定部８に提供する。この時、新規エネルギーの追加投入量は既存エネルギーの減少量と同じである。

そして、新再生エネルギー投入量決定部８は熱的投入限界容量算定部７で算定された新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に対応する新規エネルギーの投入量と、変動量補償決定部８で決定された新規エネルギーの追加投入量とを合算して新再生エネルギー生産設備２から新規熱負荷４に投入する新規エネルギーの投入量を決定する。

新再生エネルギー生産設備２は、既存熱併合設備１の既存エネルギー減少量に対応して新再生エネルギー投入量決定部８で新しく決定された新規エネルギーの投入量だけ新規エネルギーを新規熱負荷４に供給して安定したエネルギーの供給が行われるようにする。

一方、既存熱併合設備１が正常に稼動する場合には、投入変動量検出部９を通じて感知し、新再生エネルギー投入量決定部８は追加の投入量なしに熱的投入限界容量算定部７で算定された新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に対応するように新規エネルギー投入量を決定する。つまり、新再生エネルギー生産設備２は新再生エネルギー源の熱的投入限界容量に対応する投入量で新規エネルギーを新規熱負荷４に供給する。

実験条件
１．ＣＨＰ、ＰＬＢ、ＡＣＣ入力データ
既存集団エネルギー設備１は、ＣＨＰ ２台、ＰＬＢ １台、ＡＣＣ １台で構成した。

ＣＨＰは５つの運転モードのうち、ガスタービン単独運転（Ｍｏｄｅ２）を除いた４つの運転モード（熱負荷追従運転モード、電気負荷追従運転モード、最大熱負荷追従運転モード、熱負荷／電気負荷混合運転モード）で運転中であり、その時の熱生産下限値と上限値は［表１］の通りである。
［表１］

ＰＬＢの熱出力下限値と上限値は［表２］の通りである。
［表２］

ＡＣＣの容量と時間当り蓄熱・放熱量は［表３］の通りである。
［表３］

ＣＨＰとＰＬＢの燃料費関数は熱出力の２次関数で構成したし、係数は［表４］の通りである。
［表４］

２．既存熱併合設備の最適運営分析および結果
このような負荷入力データと設備入力データに基づいて需要家熱負荷の特性を分析すると、［表５］の通りである。
［表５］

図４は前記条件で既存熱負荷が最大熱負荷を発生させる時にそれぞれの熱負荷を時間帯別に図示したグラフであり、図５は既存熱負荷が最大熱負荷を発生させる４週目の２０１８年ＳＭＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｒｉｃｅ）時間帯別価格を図示したグラフである。

既存熱併合設備１が既存エネルギーを投入していた既存熱負荷３が最大熱負荷を発生させる週目は４週目と確認されたし、この時、熱負荷のそれぞれの構成は図４の通りである。

前記入力データに基づいて前述した方法で既存熱併合設備１の特性を反映して最適運営を遂行した時、ＣＨＰとＰＬＢの熱生産量、ＡＣＣの放熱量を求めると、［表６］の通りである。この時、供給しなければならない熱負荷量は３６，５１０．９９［Ｇｃａｌ］である反面、生産される熱は３４，０６０．０８［Ｇｃａｌ］であるので、４００［Ｇｃａｌ］が足りなくなり、ＡＣＣに蓄熱された熱を放熱するようになる。
［表６］

既存熱併合設備１の最適運営結果は図６の通りである。

図６は、本発明に係る既存熱併合設備の最適運営結果グラフを表す。

図６のように、２時間から５１時間までだけＡＣＣが放熱され、ＣＨＰ２台とＰＬＢ１台が運転することを確認することができる。これは燃料費関数に基づいて熱負荷量、ＳＭＰ（系統限界価格）および既存集団エネルギー設備１の特性を考慮した時、各設備が同時に運転されるのがより経済的であると算定されたためである。しかし、１〜２、７〜９、２２〜２５、４１〜５８、６５〜８１、９０〜９６、１０３〜１０４、１１５〜１１９、１４０〜１４２時間帯のように、総６９時間帯に亘って既存集団エネルギー設備１が最適運営した時に熱負荷を充足させないことを確認することができるが、これはＣＨＰ、ＰＬＢおよびＡＣＣのそれぞれの熱生産量の合計が熱負荷を充足できないことを意味する。この時、既存熱併合設備１の熱的限界容量は２３０［Ｇｃａｌ／ｈ］と算定された。

以上で説明した通り、本発明では熱負荷に対して既存熱併合設備１の最適運営を算定し、既存熱併合設備１の最適運営を害しない範囲内で新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を決定する。これを通じて、既存熱併合設備１の最適運営を遂行した時の結果が

であると、既存熱併合設備１だけでは熱負荷を充足できる程エネルギーを供給することができないので、新再生エネルギー生産設備２を通じて既存熱併合設備１の熱的限界容量を超過した部分だけを新再生エネルギーを供給しなければならない。

図７は、各時間帯別新再生エネルギー源の熱的投入限界容量を示した図面である。

図７のように、各時間帯別新再生エネルギー源の熱的投入限界容量は

を利用して算定することができる。新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

は、他の時間帯の

を超過する熱負荷量を充足できるため、最大熱負荷である４６時間である時の新再生エネルギー源の熱的投入限界容量が新再生エネルギー源の熱的投入限界容量として決定され得る。すなわち、本例示において、新再生エネルギー源の熱的投入限界容量

は８３．０５［Ｇｃａｌ／ｈ］と算定される。

以上のように、本発明の技術的思想は好ましい実施例で具体的に記述されたが、前記した好ましい実施例はその説明のためのものであって、その制限のためのものではない。このように、この技術分野の通常の専門家であれば本発明の技術思想の範囲内で本発明の実施例の結合を通じて多様な実施例が可能であることが理解できるであろう。

１：既存熱併合設備
２：新再生エネルギー生産設備
３：既存熱負荷
４：新規熱負荷
５：最適運営導き出し部
６：熱的限界容量算出部
７：熱的投入限界容量算定部
８：新再生エネルギー投入量決定部
９：投入変動量検出部
１０：変動量補償決定部

Claims (4)

1. エネルギーを消費する既存熱負荷；
   前記既存熱負荷の周辺に新規で構築されてエネルギーを消費する新規熱負荷；
   熱併合発電機、尖頭負荷ボイラーおよび蓄熱槽を含む設備を構成して既存エネルギーを生産し、生産された既存エネルギーを前記既存熱負荷と前記新規熱負荷に供給する既存熱併合設備；
   前記既存熱併合設備を構成する熱併合発電機、尖頭負荷ボイラーおよび蓄熱槽の情報と、前記既存熱負荷と前記新規熱負荷を含む需要家の最大および最小熱負荷と総熱負荷量を含む需要家情報の提供を受けて、考慮対象期間の間前記既存熱併合設備の収益が最大となる経路を探索して最適運営を導き出す最適運営導き出し部；
   前記最適運営導き出し部を通じて導き出された前記既存熱併合設備の最適運営結果を利用して、前記既存熱併合設備の熱的限界容量を算出する熱的限界容量算出部；
   前記熱的限界容量算出部を通じて算出された前記既存熱併合設備の熱的限界容量を利用して、前記新規熱負荷に投入できる時間帯別新規エネルギーの熱的投入限界容量を算定する熱的投入限界容量算定部；
   前記熱的投入限界容量算定部で算定された時間帯別新規エネルギーの熱的投入限界容量のうち最大値を有する熱的投入限界容量を、前記新規熱負荷に投入する新規エネルギーの投入量として決定する新再生エネルギー投入量決定部；および
   新再生エネルギーを生産する少なくとも１箇所以上の生産設備を構成して前記新規熱負荷に供給する新規エネルギーを生産し、前記新再生エネルギー投入量決定部で決定された新規エネルギーの投入量に対応する新規エネルギーを前記新規熱負荷に供給する新再生エネルギー生産設備；を含む、熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システム。
2. 前記既存熱併合設備から前記新規熱負荷に供給される既存エネルギーの投入量を感知して前記既存エネルギーの投入量の変動量を算定する投入変動量検出部；および
   前記投入変動量検出部の検出結果、前記既存熱併合設備から前記新規熱負荷に供給される既存エネルギーが減少した場合、減少量だけ補償する追加投入量を決定して前記新再生エネルギー投入量決定部に提供する変動量補償決定部；をさらに含み、
   前記新再生エネルギー投入量決定部は前記熱的投入限界容量算定部で算定された新規エネルギーの熱的投入限界容量に対応する新規エネルギーの投入量と、前記変動量補償決定部で決定された新規エネルギーの追加投入量とを合算して、前記新再生エネルギー生産設備から前記新規熱負荷に投入する新規エネルギーの投入量を決定し、
   前記新再生エネルギー生産設備は前記新再生エネルギー投入量決定部で決定された新規エネルギーの熱的投入限界容量に対応する新規エネルギーの投入量と、前記変動量補償決定部で決定された新規エネルギーの追加投入量の合算に対応する投入量で新規エネルギーを前記新規熱負荷に供給する、請求項１に記載の熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システム。
3. 前記最適運営導き出し部は、
   前記既存熱併合設備の収益が最大化される目的関数を定義する過程と、前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定する過程と、前記既存熱併合設備の収益が最大化される前記目的関数の最適経路を探索する過程と、探索された最適経路から前記既存熱併合設備の収益が最大となる最適運営結果を導き出す過程を通じて前記既存熱併合設備の収益が最大となる最適運営を導き出すものの、
   前記目的関数を定義する過程は、前記目的関数を［数式１］のように定義し、
   ［数式１］
   

   

   ここで、ＣＨＰは熱併合発電機、ＰＬＢは尖頭負荷ボイラーを表し、
   前記目的関数に対する等号制約条件と不等号制約条件を設定する過程では、前記既存熱併合設備で生産した熱量は前記既存熱負荷と前記新規熱負荷で要求する熱量と同じでなければならないという熱需給制約条件を［数式２］のように設定し、前記既存熱併合発電機の熱生産上限値と下限値の制約は［数式３］のように設定し、前記尖頭負荷ボイラーの熱出力上限値と下限値の制約は［数式４］のように設定し、前記蓄熱槽は熱出力中に直ぐに最大熱出力で運転することはできず、単位時間当り一定の熱出力限度内でのみ蓄熱と放熱をし、単位時間当り蓄熱と放熱の限度は［数式５］のように設定し、
   ［数式２］
   

   

   ここで、ＡＣＣは蓄熱槽であり、
   ［数式３］
   

   

   ［数式４］
   

   

   ［数式５］
   

   

   前記既存熱併合設備の収益が最大化される前記目的関数の最適経路を探索する過程は、
   前記熱併合発電機の熱生産と前記尖頭負荷ボイラーの熱出力を算定し、前記蓄熱槽の初期温水の水位と最終時点での前記蓄熱槽の温水の水位が同じであるようにして、前記既存熱併合設備の収益が最大となる経路を探索するものの、前記蓄熱槽の初期温水の水位からｔ＝１の時間帯に遷移する時に変動する熱負荷
   

   

   は［数式６］で計算し、ｔ＝１の時間帯に遷移される熱負荷
   

   

   の増減から前記［数式１］で
   

   

   と
   

   

   を算定し、各熱負荷から遷移された熱負荷が前記蓄熱槽の熱出力となり、各ｓｔａｔｅの初期収益を計算し、遷移される経路のうちで総収益が最も大きいｓｔａｔｅ値のみを記憶し、［数式７］のように最終時点まで前記蓄熱槽の温水の水位による各収益を算定し、最終ｓｔａｇｅであるｔで［数式７］から算定された結果で前記目的関数が最適な経路を探索する、請求項１に記載の熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システム。
   ［数式６］
   

   

   ［数式７］
   

   
4. 前記熱的投入限界容量算定部は、１年運転模擬中のｔ時間であるときに発生した最大熱負荷が［数式８］のように前記熱併合発電機の熱生産上限値と前記尖頭負荷ボイラーの熱出力上限値の和と同じであれば、ｔ時間であるときに前記既存熱併合設備の最適運営による熱的限界容量が満たされたと判断して前記新規エネルギーの熱的投入限界容量を［数式９］で算定する、請求項３に記載の熱併合設備と新再生エネルギー源結合型スマートエネルギー運営システム。
   ［数式８］
   

   

   ［数式９］
   

   

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