[論文レビュー] Green Hydrogen Plant: Optimal control strategies for integrated hydrogen storage and power generation with wind energy

Arjen T. Veenstra, Albert H. Schrotenboer+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2021

Hybrid Renewable Energy Systems参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、風力エネルギー、水素貯蔵、電力市場参加を統合したグリーン水素プラントの最適制御戦略を、マーカフ決定過程（MDP）を用いて提案する。動的管理による水素貯蔵と市場取引の統合は、年間収益を最大51％、つまり1基の4.5 MWタービンあたり年間12万6000ユーロ増加させることを示している。特に、戦略的電力調達契約（PPA）および水素引き取り契約の支援がある場合に顕著である。

ABSTRACT

The intermittent nature of renewable energy resources such as wind and solar causes the energy supply to be less predictable leading to possible mismatches in the power network. To this end, hydrogen production and storage can provide a solution by increasing flexibility within the system. Stored hydrogen can either be converted back to electricity or it can be used as feed-stock for industry, heating for built environment, and as fuel for vehicles. This research examines the optimal strategies for operating integrated energy systems consisting of renewable energy production and hydrogen storage. Using Markov decision process theory, we construct optimal policies for day-to-day decisions on how much energy to store as hydrogen, or buy from or sell to the electricity market, and on how much hydrogen to sell for use as gas. We pay special emphasis to practical settings, such as contractually binding power purchase agreements, varying electricity prices, different distribution channels, green hydrogen offtake agreements, and hydrogen market price uncertainties. Extensive experiments and analysis are performed in the context of Northern Netherlands where Europe's first Hydrogen Valley is being formed. Results show that substantial gains in operational revenues of up to 51\% are possible by introducing hydrogen storage units and competitive hydrogen market-prices. This amounts to a \euro 126,000 increase in revenues per turbine per year for a 4.5 MW wind turbine. Moreover, our results indicate that hydrogen offtake agreements will be crucial in keeping the energy transition on track.

研究の動機と目的

• 風力エネルギー、水素貯蔵、電力市場参加を統合したグリーン水素プラント（GHP）の最適運用戦略を開発すること。
• 風力エネルギーの間歇的特性を補うために、長期間の柔軟性と収益最適化を実現する水素貯蔵を活用することによる課題に対処すること。
• 電力調達契約（PPA）、水素引き取り契約、市場価格の不確実性といった実務的制約がGHPの収益性に与える影響を分析すること。
• 水素流通経路と季節的貯蔵契約が運用意思決定と財務パフォーマンスに与える影響を評価すること。
• GHP運用者が長期的な収益性を最大化するためにPPAおよび水素契約をどのように構築すべきか、実務的インサイトを提供すること。

提案手法

• 電力貯蔵、市場取引、水素販売に関する逐次的で確率的な意思決定をモデル化するため、GHP運用をマーカフ決定過程（MDP）として定式化する。
• 不確実性下での利益最大化ポリシーを決定するために、後向き動的プログラミングを用いてMDPを最適に解く。
• 実世界の制約を組み込む：固定されたPPA義務、変動する電力価格、水素市場価格の不確実性、複数の水素流通経路。
• 北オランダの実際の風況を再現するため、月ごとにフィッティングされたワイブル分布を用いた風速データを採用する。
• 異なるPPAタイミング構造および水素引き取り契約条件を含む、さまざまな市場および契約条件下でシステムをシミュレートする。
• 季節的貯蔵および動的在庫管理がコスト削減と収益増加に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風力発電と電力市場参加を統合した水素エネルギー貯蔵が、グリーン水素プラントの運用収益性に与える影響は何か？
• RQ2 電力および水素価格の不確実性、PPA義務、水素引き取り契約を伴う条件下で、GHPの最適制御ポリシーは何か？
• RQ3 異なるPPA構造、特に電力供給のタイミングと量が、プラントの長期的収益性に与える影響は何か？
• RQ4 低変換効率下でも、水素引き取り契約がグリーン水素プラントの財務的持続可能性を向上させる役割は何か？
• RQ5 季節的水素貯蔵および動的在庫管理は、システム収益をどの程度向上させ得るか？

主な発見

• 水素貯蔵の導入と積極的な市場参加により、GHPの運用収益は最大51％増加し、1基の4.5 MW風力タービンあたり年間12万6000ユーロに相当する。
• 水素変換効率が低くても、水素価格が電力価格を1 MWhあたり11～13ユーロ上回る場合、収益性は達成可能である。
• 電力供給を1つの支払期限に集中させるのではなく、期間にわたって分散させることで、利益が向上する。これは、柔軟なPPA設計の価値を示している。
• 水素引き取り契約は、収益の安定化と、価格変動下でも収益性のある運用を可能にするために不可欠である。
• 季節的貯蔵契約は、貯蔵コストを低減させ、年間収益配分を改善するため、長期的貯蔵計画の戦略的利点を示している。
• MDPに基づく最適制御ポリシーは、電力および水素価格の変動に動的に応答することで、静的戦略を上回り、長期的な収益性を最大化する。