JP6997022B2 - 水素製造制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素製造制御システムに関する。
従来より、水素供給ステーションが知られている。例えば、太陽光エネルギーに基づいて発電する太陽光発電装置と、電気事業者の系統電源から供給される電力を受電する受電装置と、太陽光発電装置により発電された電力又は受電装置により受電された電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、太陽光発電装置における発電量に基づいて、太陽光発電装置と水素製造装置とが電気的に接続される第１の接続態様と、受電装置と水素製造装置とが電気的に接続される第２の接続態様とを切り替え可能に構成された電力切替装置とを備える水素製造システムが知られている（特許文献１）。
この特許文献１に記載の従来技術では、太陽光発電装置により発電された電力又は受電装置により受電された電力を用いて水素を製造する。
特開２０１７－３４８４３号公報
しかしながら、従来の水素供給ステーションでは、太陽光発電がない場合には、蓄電池に充電電力がなければ、卸電力市場価格に関わらず、電力系統からの電力を用いることになり、コストが高くなってしまう可能性がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、最適な電力コストで水素を製造することができる水素製造制御システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために第１の発明に係る水素製造制御システムは、水電解式により水素を製造して水素消費設備へ供給する水素製造装置と、太陽光エネルギーに基づいて発電する太陽光発電器と、蓄電池と、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が閾値より高い場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が前記閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電すると共に、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給し、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記蓄電池に充電がある場合には、前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給する電力管理装置と、を含んで構成されている。
第１の発明によれば、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が閾値より高い場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給する。また、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が前記閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電すると共に、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給する。
また、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給する。
また、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記蓄電池に充電がある場合には、前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給する。
このように、太陽光発電器により発電された電力を水素製造装置へ供給し、電力価格が閾値以下であれば、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電し、太陽光発電器による発電がない場合に、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給するか、又は前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給することにより、最適な電力コストで水素を製造することができる。
第２の発明に係る水素製造制御システムは、水電解式により水素を製造して水素消費設備へ供給する水素製造装置と、水素を貯蔵しておくための水素貯蔵設備と、太陽光エネルギーに基づいて発電する太陽光発電器と、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電がある場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給し、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記水素貯蔵設備に水素貯蔵がある場合には、前記水素貯蔵設備からの水素を、前記水素消費設備へ供給する電力管理装置と、を含んで構成されている。
第２の発明によれば、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電がある場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給する。
また、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給する。
また、電力管理装置が、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記水素貯蔵設備に水素貯蔵がある場合には、前記水素貯蔵設備からの水素を、前記水素消費設備へ供給する。
このように、太陽光発電器により発電された電力を水素製造装置へ供給し、電力価格が閾値以下であれば、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電し、太陽光発電器による発電がない場合に、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給するか、又は前記水素貯蔵設備からの水素を、前記水素消費設備へ供給することにより、最適な電力コストで水素を製造することができる。
以上説明したように、本発明の水素製造制御システムによれば、最適な電力コストで水素を製造することができる、という効果が得られる。
本発明の第１の実施の形態に係る水素製造制御システムを示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力管理装置における水素製造制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る電力管理装置におけるデマンドレスポンス対応処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
[第１の実施の形態]
＜水素製造制御システムのシステム構成＞
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水素製造制御システム１００は、電力管理装置１０と、蓄電池２０と、太陽光発電器３０と、水素製造装置４０と、水素貯蔵設備５０とを備えている。水素製造制御システム１００は、水素消費設備を持つ事業所や工場などに設置される。
水素製造装置４０は、高分子膜型／アルカリ型の水電解式により水素を製造して、水素消費設備へ供給する。なお、水素消費設備へ水素を供給すべき期間が予め定められており、例えば、常時である。また、水素製造装置４０が、高分子膜型／アルカリ型の水電解式により水素を製造するのは一例であって、他の方法により水素を製造してもよい。
水素貯蔵設備５０は、水素製造装置４０により製造された水素を貯蔵しておくための設備である。太陽光発電量がある時間帯に、水素製造装置４０により需要を上回る量の水素を製造するようにして、水素貯蔵設備５０に水素を貯蔵する。これにより、太陽光発電量がない場合にも貯蔵していた再エネ由来の水素を供給することができる。なお、ボンベやカードルなどの水素貯蔵設備を用いてもよい。
太陽光発電器３０により発電された電力は、電力管理装置１０を介して、水素製造装置４０や他の負荷に供給される。また、太陽光発電器３０により発電された電力は、蓄電池２０にも供給され、蓄電池２０が充電される。特に、需要を上回る電力が発電された場合に、蓄電池２０に供給される。
電力管理装置１０は、電力価格や太陽光発電量を参照して、水素製造装置４０へ供給する電力を切り替えたり、水素消費設備へ供給する水素を切り替えたりする。なお、参照する電力価格としては、予め定められた料金テーブル（電力供給約款の価格）や、卸電力市場価格が考えられる。
具体的には、電力管理装置１０は、太陽光発電がある場合には、太陽光発電の電力を水素製造装置４０へ供給する。これにより、再エネ由来の水素を製造することができる。また、電力管理装置１０は、太陽光発電があり、かつ、電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて、蓄電池２０を充電する。
太陽光発電がない場合には、電力管理装置１０は、電力価格が閾値以下であるか否かを判断し、電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を水素製造装置４０へ供給する。電力価格が閾値より高い場合には、電力管理装置１０は、水素貯蔵があれば、水素貯蔵設備５０からの水素を、水素消費設備へ供給し、蓄電池２０の充電電力があれば、蓄電池２０の放電電力を水素製造装置４０へ供給する。
一方、水素貯蔵がなく、かつ、蓄電池２０の充電電力がない場合には、電力管理装置１０は、電力系統の電力を水素製造装置４０へ供給する。
また、水素供給期間でない場合に、電力管理装置１０は、太陽光発電があれば、太陽光発電の電力で蓄電池２０を充電するか、又は太陽光発電の電力を水素製造装置４０へ供給して水素貯蔵設備５０に貯蔵する。一方、太陽光発電がない場合には、電力価格が閾値以下であるか否かを判定し、電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて蓄電池２０を充電するか、又は電力系統の電力を水素製造装置４０へ供給して水素貯蔵設備５０に貯蔵する。
＜水素製造制御システム１００の動作＞
次に、本実施の形態に係る水素製造制御システム１００の動作について説明する。
電力管理装置１０により、図２に示す水素製造制御処理ルーチンが繰り返し実行される。
まず、ステップＳ１００において、水素消費設備へ水素を供給すべき期間であるか否かを判定する。水素消費設備へ水素を供給すべき期間である場合には、ステップＳ１０２へ移行し、一方、水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合には、ステップＳ１２３へ移行する。
ステップＳ１０２では、太陽光発電器３０による太陽光発電があるか否かを判定する。太陽光発電器３０による太陽光発電がある場合には、ステップＳ１０４において、太陽光発電器３０による太陽光発電の電力を水素製造装置４０へ供給する。
ステップＳ１０６では、電力価格が閾値以下であるか否かを判定し、電力価格が閾値以下である場合には、ステップＳ１０８において、電力系統の電力を用いて、蓄電池２０を充電し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。
太陽光発電器３０による太陽光発電がない場合には、ステップＳ１１０では、電力価格が閾値以下であるか否かを判定する。
電力価格が閾値以下である場合には、ステップＳ１１２において、電力系統の電力を、水素製造装置４０へ供給し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。
一方、電力価格が閾値より高い場合には、ステップＳ１１４において、水素貯蔵設備５０に水素の貯蔵があるか、又は蓄電池２０に充電電力があるかを判定する。
水素貯蔵設備５０に水素の貯蔵がある場合、又は蓄電池２０に充電電力がある場合には、ステップＳ１１６において、水素貯蔵設備５０に貯蔵された水素を、水素消費設備へ供給するか、又は蓄電池２０の充電電力を、水素製造装置４０へ供給し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。この場合には、水素製造装置４０への電力供給は行わない。
水素貯蔵設備５０に水素の貯蔵がなく、かつ、蓄電池２０に充電電力がない場合には、ステップＳ１２２において、電力系統の電力を、水素製造装置４０へ供給し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。このとき、将来の太陽光発電器３０による発電量又は将来の電力価格を予測し、予測結果に基づいて、蓄電池２０の充電電力や水素貯蔵設備５０の水素貯蔵量を考慮し、現在の電力価格が閾値より高い場合であっても、電力系統の電力を、水素製造装置４０へ供給して水素貯蔵設備５０へ貯蔵するか、又は電力系統の電力を用いて蓄電池２０を充電する。
また、ステップＳ１２３では、太陽光発電器３０による太陽光発電があるか否かを判定する。太陽光発電器３０による太陽光発電がある場合には、ステップＳ１２８において、太陽光発電器３０による太陽光発電の電力を用いて、蓄電池２０を充電するか、又は太陽光発電器３０による太陽光発電の電力を水素製造装置４０へ供給し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。
上記ステップＳ１２３において太陽光発電器３０による太陽光発電がない場合には、ステップＳ１２４で、電力価格が閾値以下であるか否かを判定し、電力価格が閾値以下である場合には、ステップＳ１２６において、電力系統の電力を用いて、蓄電池２０を充電するか、又は電力系統の電力を、水素製造装置４０へ供給して水素貯蔵設備５０へ貯蔵し、水素製造制御処理ルーチンを終了する。
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る水素製造制御システムによれば、太陽光発電器により発電された電力を水素製造装置へ供給し、電力価格が閾値以下であれば、電力系統の電力を用いて、蓄電池を充電し、太陽光発電器による発電がない場合に、電力系統の電力を水素製造装置へ供給するか、又は水素貯蔵設備からの水素を水素消費設備へ供給するか、又は蓄電池の放電電力を水素製造装置へ供給することにより、最適な電力コストで水素を製造することができる。
また、水素製造装置と、蓄電池及び水素貯蔵設備の最適運用により、再生可能エネルギーの出力変動に伴う需給バランスの変動を平準化することができる。
また、再エネ由来の水素を活用することで、事業所・工場から排出するＣＯ２排出量を削減できる。また、送電容量が限られた送電線に太陽光発電設備が設置される場合に、出力変動の平準化により送電網の増強が不要になる。
[第２の実施の形態]
次に、第２の実施の形態に係る水素製造制御システムについて説明する。なお、第２の実施の形態に係る水素製造制御システムは、第１の実施の形態に係る水素製造制御システムと同様の構成となるため、同一符号を付して説明を省略する。
第２の実施の形態では、デマンドレスポンスに対応している点が、第１の実施の形態と異なっている。
第２の実施の形態に係る水素製造制御システム１００の電力管理装置１０は、電力需要を減らすデマンドレスポンスがあった場合に、水素製造装置４０の負荷を下げると共に、蓄電池２０の放電電力を、水素製造装置４０又は他の負荷へ供給する。
また、電力管理装置１０は、電力需要を増やすデマンドレスポンスがあった場合に、水素製造装置４０の負荷を上げて水素貯蔵設備５０へ貯蔵すると共に、電力系統の電力を用いて蓄電池２０を充電する。
＜水素製造制御システム１００の動作＞
次に、第２の実施の形態に係る水素製造制御システム１００の動作について説明する。
電力管理装置１０により、上記図２に示す水素製造制御処理ルーチンが繰り返し実行される。また、並行して、電力管理装置１０により、図３に示すデマンドレスポンス対応処理ルーチンが繰り返し実行される。
まず、ステップＳ２００において、デマンドレスポンスがあったか否かを判定する。デマンドレスポンスがあった場合には、ステップＳ２０２へ進み、電力需要を増やすデマンドレスポンス（上げＤＲ）であるか、電力需要を減らすデマンドレスポンス（下げＤＲ）であるかを判定する。
電力需要を減らすデマンドレスポンスである場合には、ステップＳ２０４において、水素消費設備へ水素を供給すべき期間であるか否かを判定する。水素消費設備へ水素を供給すべき期間である場合には、ステップＳ２０６において、水素製造装置４０の負荷を低減する。これにより、水素製造装置４０の電力需要を減少させる。一方、水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合には、ステップＳ２０８へ移行する。
ステップＳ２０８では、蓄電池２０の放電電力を、水素製造装置４０又は他の負荷へ供給し、デマンドレスポンス対応処理ルーチンを終了する。ここで、水素消費設備へ水素を供給すべき期間である場合には、蓄電池２０の放電電力を、水素製造装置４０及び他の負荷へ供給し、水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合には、蓄電池２０の放電電力を、他の負荷へ供給する。これにより、水素製造装置４０や他の負荷の電力需要を減少させる。
電力需要を増やすデマンドレスポンスである場合には、ステップＳ２１０において、水素消費設備へ水素を供給すべき期間であるか否かを判定する。水素消費設備へ水素を供給すべき期間である場合には、ステップＳ２１２において、水素製造装置４０の負荷を上げる。これにより、水素製造装置４０の電力需要を増加させる。一方、水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合には、ステップＳ２１４へ移行する。
ステップＳ２１４では、電力系統の電力で蓄電池２０を充電するか、又は電力系統の電力を水素製造装置４０へ供給して水素貯蔵設備５０に貯蔵し、デマンドレスポンス対応処理ルーチンを終了する。
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る水素製造制御システムによれば、デマンドレスポンスがあった場合に、水素製造装置と、蓄電池・水素貯蔵設備の最適運用により、再生可能エネルギーの出力変動に伴う需給バランスの変動を平準化すると共に、電力系統への調整力を提供することができる。例えば夕方の太陽光発電電力の急激な低下と需要の増加に伴う、電力系統の調整力（瞬動予備力等）が不足する時間帯に、水素貯蔵設備または蓄電池の運用により、電力系統の電力を使わずに水素を供給することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、事業所・工場等において停電が発生した場合に、上記の実施の形態で説明した方法を適用して、充電池や水素貯蔵設備を活用して、安定的に水素を供給できるようにしてもよい。
また、水素製造制御システムが、蓄電池と水素貯蔵設備との双方を備えている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、水素製造制御システムが、蓄電池と水素貯蔵設備との少なくとも一方を備えていればよい。
１０ 電力管理装置
２０ 蓄電池
３０ 太陽光発電器
４０ 水素製造装置
５０ 水素貯蔵設備
１００ 水素製造制御システム

Claims (6)

  1. 水電解式により水素を製造して水素消費設備へ供給する水素製造装置と、
    太陽光エネルギーに基づいて発電する太陽光発電器と、
    蓄電池と、
    前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、
    電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が閾値より高い場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が前記閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電すると共に、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記蓄電池に充電がある場合には、前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給する電力管理装置と、
    を含む水素製造制御システム。
  2. 水電解式により水素を製造して水素消費設備へ供給する水素製造装置と、
    水素を貯蔵しておくための水素貯蔵設備と、
    太陽光エネルギーに基づいて発電する太陽光発電器と、
    蓄電池と、
    前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、
    電力価格及び前記太陽光発電器による発電量に基づいて、前記太陽光発電器による発電がある場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記水素貯蔵設備に水素貯蔵がある場合には、前記水素貯蔵設備からの水素を、前記水素消費設備へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電があり、かつ、前記電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて、前記蓄電池を充電し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記電力価格が閾値より高く、かつ、前記蓄電池に充電がある場合には、前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給する電力管理装置と、
    を含む水素製造制御システム。
  3. 前記電力管理装置は、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間において、前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記水素貯蔵設備に水素貯蔵がなく、かつ、前記蓄電池に充電がある場合には、前記蓄電池の放電電力を前記水素製造装置へ供給し、
    前記太陽光発電器による発電がなく、かつ、前記水素貯蔵設備に水素貯蔵がなく、かつ、前記蓄電池の充電電力がない場合には、電力系統の電力を前記水素製造装置へ供給すると共に、将来の前記太陽光発電器による発電量又は将来の前記電力価格を予測し、予測結果に基づいて、現在の前記電力価格に関わらず、前記水素貯蔵設備へ貯蔵するか、又は前記電力系統の電力を用いて前記蓄電池を充電する請求項２記載の水素製造制御システム。
  4. 前記電力管理装置は、電力需要が逼迫していることによるデマンドレスポンスがあった場合に、前記水素製造装置の負荷を下げると共に、前記蓄電池の放電電力を、前記水素製造装置又は前記水素製造装置とは異なる負荷へ供給し、
    電力供給が過多であることによるデマンドレスポンスがあった場合に、前記水素製造装置の負荷を上げて前記水素貯蔵設備へ貯蔵すると共に、電力系統の電力を用いて前記蓄電池を充電する請求項２又は３記載の水素製造制御システム。
  5. 前記電力管理装置は、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合であって、かつ、電力価格が閾値以下である場合には、電力系統の電力を用いて前記蓄電池を充電する請求項２～請求項４の何れか１項記載の水素製造制御システム。
  6. 前記電力管理装置は、前記水素消費設備へ水素を供給すべき期間でない場合であって、かつ、前記太陽光発電器による発電がある場合には、前記太陽光発電器により発電された電力を前記水素製造装置へ供給して前記水素貯蔵設備へ貯蔵するか、又は前記太陽光発電器により発電された電力を用いて前記蓄電池を充電する請求項２～請求項５の何れか１項記載の水素製造制御システム。
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