JP7491206B2 - 制御装置、制御方法、コンピュータプログラムおよび水素製造システム - Google Patents
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Description
最初に本開示の実施形態の概要を列記して説明する。
(1)本開示の一実施形態に係る制御装置は、再生可能エネルギーを利用した発電機による発電電力と電力系統からの受電電力とを入力電力として水素を製造する水素製造装置を制御する制御装置であって、前記水素製造装置による水素製造時の二酸化炭素排出量の目標値を取得する目標値取得部と、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量を取得する排出量取得部と、前記発電機による発電電力量を取得する発電電力量取得部と、前記目標値と、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量と、前記発電電力量とに基づいて、前記電力系統からの受電電力量を決定する決定部とを備える。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
〔水素製造システムの全体構成〕
図1は、本開示の実施形態1に係る水素製造システムの全体構成を示す図である。
図2は、本開示の実施形態1に係る制御装置51のハードウェア構成および機能構成を示すブロック図である。
制御装置51は、制御部53と、通信部54と、記憶部55とを備える。
<<目的関数>>
水素製造量[Nm3]:TotalH2(tmax)の最大化 …(式1)
式1は、決定部59が最適化する目的関数を示し、ここでは、対象期間0からtmaxまでの水素製造装置42によるトータルの水素製造量TotalH2(tmax)の最大化を目的関数とする。
太陽光発電機21の発電電力量(予測値)[kWh]:PPv(t) …(式2)
系統電力のCO2排出量[kg/kWh]:CO2Grid(t) …(式3)
太陽光発電機21のCO2排出量[kg/kWh]:CO2Pv(t) …(式4)
基準のCO2排出量[kg/Nm3]:CO2Base …(式5)
CO2許容率[%/100]:CO2Rate …(式6)
水素製造効率[Nm3/kWh]:ξ …(式7)
水素製造装置42の定格入力電力量[kWh]:PWE_rate …(式8)
対象期間:t[0,1,…,tmax] …(式9)
受電電力量[kWh]:PGrid(t) …(式10)
水素製造装置42の入力電力量[kWh]:PWE(t) …(式11)
水素製造時の総CO2排出量[kg]:Totalco2(t) …(式12)
水素製造量[Nm3]:TotalH2(t) …(式13)
PGrid(t)+PPv(t)=PWE(t) …(式14)
Totalco2(t)=Totalco2(t-1)
+CO2Grid(t-1)×PGrid(t-1)
+CO2Pv(t-1)×PPv(t-1) …(式15)
TotalH2(t)=TotalH2(t-1)+PWE(t-1)×ξ
…(式16)
CO2Base×CO2Rate≧Totalco2(tmax)/TotalH2(tmax) …(式17)
PWE(t)≦PWE_rate …(式18)
図4は、本開示の実施形態1に係る制御装置51の処理手順の一例を示すフローチャートである。
以上説明したように、本開示の実施形態1によると、CO2排出量の目標値と、太陽光発電機21の発電電力および電力系統6からの受電電力それぞれの製造におけるCO2排出量と、太陽光発電機21による発電電力量とに基づいて、水素製造装置42に入力される受電電力量が決定される。このため、発電電力と受電電力とをバランスよく利用しつつ、目標値に合わせて水素製造時のCO2排出量を決定することができる。これにより、水素製造時のCO2排出量を削減しつつ、効率的な水素製造が可能となる。
上述の実施の形態では、決定部59は、水素製造量を最大化することにより(式1)、受電電力量PGrid(t)を決定したが、目的関数は式1に示したものに限定されない。例えば、目的関数として、以下の式19または式20に示すサブ目的関数を用いてもよい。
<<サブ目的関数>>
水素製造総コスト[円]:TotalCostH2(tmax)の最小化…(式19)
水素製造装置42の稼働率[%/100]:TotalRate(tmax)の最大化
…(式20)
系統電力単価[円/kWh]:Cost(t) …(式21)
タンク容量上限[Nm3]:THL …(式22)
タンク容量下限[Nm3]:TLL …(式23)
水素製造装置42の稼働率上限[%/100]:RHL …(式24)
水素製造装置42の稼働率下限[%/100]:RLL …(式25)
水素貯蔵タンク残量[Nm3]:TANK(t) …(式26)
購入電力金額[円]:TotalCostGrid(t) …(式27)
水素製造装置42の総入力電力[kWh]:TatalPWE(t) …(式28)
水素製造総コスト[円]:TotalCostH2(t) …(式29)
水素製造装置42の稼働率[%/100]:TotalRate(t) …(式30)
TotalCostGrid(t)=TotalCostGrid(t-1)
+Cost(t-1)×PGrid(t-1) …(式31)
TotalCostH2(t)=TotalCostH2(t-1)
+Cost(t-1)×PGrid(t-1)
…(式32)
TotalRate(t)=TatalPWE(t)
/(t×PWE_rate) …(式33)
TANK(t)=TANK(t-1)+PWE(t-1)×ξ …(式34)
TANK(t)≧TLL …(式35)
TANK(t)≦THL …(式36)
TatalPWE(t)=TatalPWE(t-1)+PWE(t-1)
…(式37)
TotalRate(tmax)≧RLL …(式38)
TotalRate(tmax)≦RHL …(式39)
式17の制約条件の代わりに、以下の式17Aの制約条件を用いてもよい。
CO2Base×CO2Rate≧Totalco2(t)/TotalH2(t)
…(式17A)
式2に示した太陽光発電機21の発電電力量として予測値の代わりに実測値を用い、リアルタイムで電力系統6からの受電電力量を決定するようにしてもよい。
実施形態1では、水素製造システム1は蓄電池を備えない構成としたが、実施形態2では水素製造システム1が蓄電池を備える構成について説明する。
図5は、本開示の実施形態2に係る水素製造システムの全体構成を示す図である。
図5に示す水素製造システム1は、実施形態1に係る水素製造システム1の構成において、DC/ACコンバータ24の代わりにパワーコンディショナー26を備え、さらに、蓄電池23を備える。
制御装置51は、外部I/F装置25を介して蓄電池23を制御する。
<<パラメータ>>
充放電効率[%/100]:μ …(式40)
SOC上限[kWh]:SOCHL …(式41)
SOC下限[kWh]:SOCLL …(式42)
蓄電池AC出力電力量[kWh]:PBat_ac(t) …(式43)
蓄電池DC出力電力量[kWh]:PBat_dc(t) …(式44)
蓄電池放電運転:SBat_dcrg(t) [0,1] …(式45)
蓄電池充電運転:SBat_crg(t) [0,1] …(式46)
蓄電池残量[kWh]:SOC(t) …(式47)
蓄電池のCO2排出量[kg/kWh]:CO2Bat(t) …(式48)
蓄電池電力によるCO2排出量[kg]:COutput_Bat(t)…(式49)
系統と太陽光のCO2排出量[kg/kWh]:CO2in(t) …(式50)
式43から式50は、目的関数または制約条件を算出する際に用いられる変数を示す。
PBat_dc(t)=SBat_dcrg(t)×(PBat_ac(t)/μ)
+SBat_crg(t)×(PBat_ac(t)×μ)
…(式51)
SOC(t)=SOC(t-1)-PBat_dc(t-1) …(式52)
CO2in(t)=(CO2Grid(t-1)×PGrid(t-1)
+CO2Pv(t-1)×PPv(t-1))
/(PGrid(t-1)+PPv(t-1)) …(式53)
CO2Bat(t)=SBat_dcrg(t-1)×CO2Bat(t-1)
+SBat_crg(t-1)×
{(CO2Bat(t-1)×SOC(t-1)
-CO2in(t-1)×PBat_dc(t-1))/SOC(t) …(式54)
COutput_Bat(t)=CO2Bat(t)×PBat_ac(t)
…(式55)
SBat_dcrg(t)+SBat_dcrg(t)=1 …(式56)
SOC(t)>=SOCLL …(式57)
SOC(t)<=SOCHL …(式58)
図8は、本開示の実施形態2に係る制御装置51の処理手順の一例を示すフローチャートである。
以上説明したように、本開示の実施形態2によると、蓄電池23を備える構成においても、太陽光発電機21の発電電力と電力系統6からの受電電力とをバランスよく利用しつつ、目標値に合わせて水素製造時のCO2排出量を決定することができる。
上記の制御装置51を構成する構成要素の一部または全部は、1または複数のシステムLSIなどの半導体装置から構成されていてもよい。
2 電力供給エリア
3 配管エリア
4 水素製造エリア
5 制御エリア
6 電力系統
7 受電点
21 太陽光発電機
22 DC/DCコンバータ
23 蓄電池
24 DC/ACコンバータ
25 外部I/F装置
26 パワーコンディショナー
31 バルブ
32 水素貯蔵タンク
33 バルブ
34 バルブ
35 外部I/F装置
41 AC/DCコンバータ
42 水素製造装置
43 バルブ
44 外部I/F装置
51 制御装置
52 表示装置
53 制御部
54 通信部
55 記憶部
56 目標値取得部
57 排出量取得部
58 発電電力量取得部
59 決定部
60 指令送信部
61 表示制御部
71 グラフ
72 グラフ
Claims (10)
- 再生可能エネルギーを利用した発電機による発電電力と電力系統からの受電電力とを入力電力として水素を製造する水素製造装置を制御する制御装置であって、
前記水素製造装置による水素製造時の二酸化炭素排出量の目標値を取得する目標値取得部と、
前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量を取得する排出量取得部と、
前記発電機による発電電力量を取得する発電電力量取得部と、
前記目標値と、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量と、前記発電電力量とに基づいて、前記電力系統からの受電電力量を決定する決定部とを備える、制御装置。 - 前記決定部は、前記水素製造装置に入力される前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量の合計が前記目標値を超えないという制約条件のもと、所定の目的関数を最適化することにより、前記受電電力量を決定する、請求項1に記載の制御装置。
- 前記制御装置は、さらに、前記発電電力および前記受電電力を充電する蓄電池を制御し、
前記排出量取得部は、さらに、前記蓄電池の充電電力の製造における二酸化炭素排出量を取得し、
前記決定部は、前記目標値と、前記発電電力、前記受電電力および前記充電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量と、前記発電電力量とに基づいて、前記受電電力量を決定する、請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記排出量取得部は、前記蓄電池への充電前の状態における前記蓄電池に充電済みの電力の製造における二酸化炭素排出量と、前記蓄電池に充電される電力の製造における二酸化炭素排出量とに基づいて、前記蓄電池への充電後の状態における前記蓄電池に充電済みの電力の製造における二酸化炭素排出量を算出する、請求項3に記載の制御装置。
- 前記目標値に対する、前記水素製造装置による水素製造において消費される電力の製造における二酸化炭素排出量の割合を画面に表示させる表示制御部をさらに備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記表示制御部は、さらに、前記水素製造装置に入力される前記発電電力および前記受電電力を前記画面に表示させる、請求項5に記載の制御装置。
- 前記表示制御部は、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量を前記画面に表示させる、請求項6に記載の制御装置。
- コンピュータにより、再生可能エネルギーを利用した発電機による発電電力と電力系統からの受電電力とを入力電力として水素を製造する水素製造装置を制御する制御方法であって、
前記コンピュータが、前記水素製造装置による水素製造時の二酸化炭素排出量の目標値を取得するステップと、
前記コンピュータが、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量を取得するステップと、
前記コンピュータが、前記発電機による発電電力量を取得するステップと、
前記コンピュータが、前記目標値と、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量と、前記発電電力量とに基づいて、前記電力系統からの受電電力量を決定するステップとを含む、制御方法。 - コンピュータを、再生可能エネルギーを利用した発電機による発電電力と電力系統からの受電電力とを入力電力として水素を製造する水素製造装置を制御する制御装置として機能させるためのコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータを、
前記水素製造装置による水素製造時の二酸化炭素排出量の目標値を取得する目標値取得部、
前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量を取得する排出量取得部、
前記発電機による発電電力量を取得する発電電力量取得部、および、
前記目標値と、前記発電電力および前記受電電力それぞれの製造における二酸化炭素排出量と、前記発電電力量とに基づいて、前記電力系統からの受電電力量を決定する決定部として機能させる、コンピュータプログラム。 - 再生可能エネルギーを利用した発電機と、
前記発電機による発電電力と電力系統からの受電電力とを入力電力として水素を製造する水素製造装置と、
前記水素製造装置を制御する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の制御装置とを備える、水素製造システム。
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