[論文レビュー] Cost-Optimal Power-to-Methanol: Flexible Operation or Intermediate Storage?

Simone Mucci, Alexander Mitsos+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電解水素と蓄電池を併用したメタノール合成プラントの統合的設計とスケジューリング最適化を定式化し、メタノール生産コストを最小化することを目的としている。結果から、特にメタノール合成ユニットにおける中程度の柔軟性が、コスト削減に顕著に寄与することが示された。また、電力価格が高くかつ変動が激しい状況下では、蓄電池よりも水素貯蔵がより大きな経済的利点をもたらすことが明らかになった。

ABSTRACT

The synthesis of methanol from captured carbon dioxide and green hydrogen could be a promising replacement for the current fossil-based production. The major energy input and cost driver for such a process is the electricity for hydrogen production. Time-variable electricity cost or availability thus motivates flexible operation. However, it is unclear if each unit of the process should be operated flexibly, and if storage of electricity or hydrogen reduces the methanol production cost. To answer these questions, we modeled a Power-to-Methanol plant with batteries and hydrogen storage. Using this model, we solved a combined design and scheduling optimization problem, which provides the optimal size of the units of the plant and their optimal (quasi-stationary) operation. The annualized cost of methanol was minimized for a grid-connected and a stand-alone case study. The optimization results confirm that storage, especially hydrogen storage, is particularly beneficial when the electricity price is high and highly fluctuating. Irrespective of the presence of storage, the whole Power-to-Methanol plant should be operated flexibly: even moderate flexibility of the methanol synthesis unit significantly reduces the production cost.

研究の動機と目的

• 電力からメタノールを合成するプラントにおける、柔軟な運用と中間貯蔵（蓄電池または水素貯蔵）のどちらがメタノール生産コストを低減するかを特定すること。
• 電力価格の変動下において、蓄電池貯蔵と水素貯蔵の相互作用が年間平均化されたメタノールコストを最小化する仕組みを調査すること。
• 特に貯蔵が利用可能な状況下で、メタノール合成ユニットの柔軟性レベルを変化させた場合の経済的影響を評価すること。
• 電力価格プロファイルおよび再生可能エネルギーの変動が、最適なプラント設計と運用に与える影響を評価すること。
• 現実のグリッド接続およびオフグリッド運用条件の下で、電力からメタノールを合成するシステムの包括的かつ統合的な設計とスケジューリング最適化フレームワークを提供すること。

提案手法

• GAMSを用いて、同時にプラント設計（ユニットサイズ決定）と運用スケジューリングを最適化する混合整数非線形計画（MINLP）問題を定式化した。
• 質量収支およびエネルギー収支に基づき、電解、メタノール合成、蓄電池貯蔵、水素貯蔵の詳細な性能モデルを統合した。
• 非凸性を有するMINLP問題を解くために、BARONグローバル最適化ソルバを用い、単一のスケジューリングシナリオにおいても高い解の品質を確保した。
• 電力価格および再生可能エネルギー発電プロファイルを変化させたグリッド接続型およびオフグリッド型の両方の構成について、ケーススタディを実施した。
• リムレート（1時間あたり10%まで）を含む、さまざまな柔軟性レベルの影響がコストおよび設計意思決定に与える影響を評価した。
• 時間分解能を導入することで、電力コストおよび供給の時間的変動を捉え、動的スケジューリング最適化を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力からメタノールを合成するプラントにおける柔軟な運用は、定常運転に比べてメタノール生産コストを低減するか？
• RQ2 電力価格が変動する状況下で、蓄電池と水素貯蔵はどちらがよりメタノール生産コストを低減するか？
• RQ3 貯蔵が利用可能な状況下で、メタノール合成ユニットに必要な最適な柔軟性レベルは何か？
• RQ4 どのような電力価格プロファイルおよび発電プロファイル下で、水素貯蔵が蓄電池貯蔵よりも経済的に優位になるか？
• RQ5 グリッド接続型とオフグリッド型の運用モードの違いが、設計およびスケジューリング意思決定にどのように影響するか？

主な発見

• すべてのシナリオにおいて、電力からメタノールを合成するプラント全体の柔軟な運用が、中間貯蔵が存在する場合でさえも、顕著にメタノール生産コストを低減することが示された。
• メタノール合成ユニットにおける中程度の柔軟性（例：リムレート ≤10%/h）がすでに顕著なコスト削減をもたらし、この閾値を超えるとリターンの逓減が見られた。
• 水素貯蔵が蓄電池貯蔵よりも大きなコスト削減効果をもたらすのは、水素生成とメタノール合成を分離可能にすることで、メタノールユニットの小型化が可能になるためである。
• 電力価格が高くかつ著しく変動する状況下では、蓄電池と水素貯蔵の併用がメタノールコストを最小化するが、その主な貢献は水素貯蔵に起因する。
• オフグリッド構成では、メタノールユニットが柔軟に運転されても定常負荷でも、貯蔵が不可欠であり、広く利用される。
• 最適なプラント設計は、電力価格および再生可能エネルギー発電プロファイルに極めて敏感であるため、正確な設計には長期的な時系列データまたはマルチペリオド最適化が必要である。