研究の概要

グリーン水素は脱炭素化の切り札として期待されているが、再生可能エネルギー主体のオフグリッドシステムでは周波数安定性（周波数セキュリティ）の維持が困難である。特に従来の回転機械（熱発電機）が少ない系統では、周波数偏差を抑えるための予備力確保が水素製造コストを押し上げる。本研究はアルカリ水電解槽（AWE）とプロトン交換膜水電解槽（PEMEL）という2種類の電解槽を協調制御することでこの問題を解決するフレームワークを開発した。

研究チームはシステムレベルの周波数応答モデルを構築し、多段階周波数制御の過渡的制約条件を導出した上で、これを生産スケジューリングの最適化に組み込んだ。風力発電の不確実性も考慮した上で、水素生産量最大化と周波数安定性の同時達成を実現している。

主な発見・成果

  • 電解槽が風力発電タービン（WT）の周波数予備力を55.52%、アンモニア燃料発電機（AFG）の予備力を96.85%代替
  • 年間純利益が平均28.96%向上（従来方式比）
  • 従来の周波数予備力確保コストを大幅削減しながら水素生産目標を維持
  • AWE（低コスト・低応答速度）とPEMEL（高コスト・高応答速度）の特性を活かした役割分担で最適化

実務への応用

グリーン水素製造プロジェクトの開発者・投資家・サプライチェーン脱炭素化担当者にとって、本研究は再エネ電力による水素製造システムの収益性改善に直結する知見を提供する。異種電解槽の組み合わせによるコスト最適化は、大規模グリーン水素製造施設の設計に即座に応用できる。日本の水素サプライチェーン構築（洋上風力＋水電解）プロジェクトの経済性評価においても参考になる。