再生可能エネルギーシステムにおける水素生産のコスト及びCO2排出量の同時最適化

Core Concepts

再生可能エネルギーシステムに接続された水素生産プラントの日々の運転において、コストとCO2排出量を同時に最小化するための長期的な計画手法を提案する。

Abstract

本研究では、再生可能エネルギーシステムに接続された水素生産プラントの運転を分析している。プラントは太陽光発電、風力発電、電解装置、インバーターから構成される。
長期的な計画手法として、以下の特徴を持つ:

日々の運転において、コストとCO2排出量を同時に最小化する
過去のデータと短期予測を活用し、長期的な予測を必要としない
水素生産量の目標達成期間(1日、1週間、1ヶ月、1年)に応じて柔軟に対応する
分析の結果:

長期的な目標期間が長いほど、コストとCO2排出量のトレードオフが改善される
日々の運転を考慮しない場合、CO2排出量を最大60%過小評価する可能性がある
現行の「グリーン水素」定義では、一部の水素が「グリーン」とみなされないが、他の水素生産方法と比べてCO2排出量は低い
「グリーン水素」の定義を改善するため、時間単位のCO2排出量に基づく透明性の高い会計方式の採用、およびCO2排出量の上限値の引き下げが提案される

Stats

水素1kgあたりのCO2排出量は、ベンチマークで2.65-4.12 kg CO2、日々の運転で2.64-3.49 kg CO2である。
水素の均等化コストは、ベンチマークで0.16-0.34 €/kg、日々の運転で0.12-0.19 €/kgである。

Quotes

「再生可能エネルギーシステムに接続された水素生産プラントの日々の運転を考慮しない場合、CO2排出量を最大60%過小評価する可能性がある」
「現行の「グリーン水素」定義では、一部の水素が「グリーン」とみなされないが、他の水素生産方法と比べてCO2排出量は低い」

Key Insights Distilled From

Cost and CO2 emissions co-optimisation of green hydrogen production in a grid-connected renewable energy system

by Sleiman Fara... at arxiv.org 04-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.11995.pdf

Deeper Inquiries

水素生産プラントの運転最適化において、電力価格と電力系統のCO2排出原単位の相関関係がどのように影響するか

水素生産プラントの運転最適化において、電力価格と電力系統のCO2排出原単位の相関関係がどのように影響するか?
水素生産プラントの運転最適化において、電力価格と電力系統のCO2排出原単位の相関関係は重要な要素です。強い正の相関がある場合、電力価格を最小化することでCO2排出量も削減できます。しかし、強い負の相関がある場合、電力価格を最小化することでCO2排出量が増加する可能性があります。このような場合、水素生産プラントは電力コストとCO2排出量の両方を最小化する必要があります。デンマークのような地域では、電力価格とCO2排出量の相関が弱いことが示されており、単純な電力価格最小化だけではCO2排出量の削減が十分に実現されないことが示唆されています。したがって、水素生産プラントの運用においては、電力価格とCO2排出量の相関関係を適切に考慮することが重要です。

「グリーン水素」の定義を改善するために、どのような代替的な基準を検討できるか

「グリーン水素」の定義を改善するために、どのような代替的な基準を検討できるか?
「グリーン水素」の定義を改善するためには、以下の代替的な基準を検討することができます。

時間ごとのCO2排出量の透明な計算：水素生産に関連する時間ごとのCO2排出量を透明に計算し、年間平均の再生可能エネルギー浸透率やCO2排出量の平均値に関係なく、時間ごとのCO2排出量を基準として「グリーン水素」を定義する。
特定のCO2排出量の下限値の導入：現在の3.6 kg CO2/kg H2の上限値に代わる下限値を導入し、水素生産時の特定のCO2排出量を1.5 kg CO2/kg H2とする。このような下限値の導入により、より環境に配慮した「グリーン水素」の生産が促進される。

これらの代替的な基準の導入により、「グリーン水素」の定義がより透明で環境に配慮したものになり、水素生産プロセスの持続可能性が向上します。

水素生産プラントの運転最適化を、再生可能エネルギーの変動性や電力系統の制約条件などをさらに詳細に考慮して分析することはできないか

水素生産プラントの運転最適化を、再生可能エネルギーの変動性や電力系統の制約条件などをさらに詳細に考慮して分析することはできないか?
水素生産プラントの運転最適化を、再生可能エネルギーの変動性や電力系統の制約条件などをさらに詳細に考慮して分析することは可能です。例えば、再生可能エネルギーの変動性をより詳細にモデル化し、短期予測と実際のデータの差異を考慮することで、より現実的な運用シナリオを構築することができます。さらに、電力系統の制約条件や再生可能エネルギーの利用率などを考慮して、水素生産プラントの運用最適化をより精緻に行うことが可能です。これにより、より効率的で持続可能な水素生産プロセスを実現し、再生可能エネルギーの活用を最大限に引き出すことができます。