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随伴エネルギー利用と精緻化されたPower-to-Gasモデリングを考慮した炭鉱統合エネルギーシステムの経済的低炭素最適運用

Optimal Economic-Low-Carbon Dispatch of a Coal Mine Integrated Energy System Considering Associated Energy Utilization and Stepwise Carbon Trading With Refined Power-to-Gas Modeling (原題)

Yi Liu, Shang Liu

IEEE Access📚 査読済 / ジャーナル2026-01-01#炭素価格Origin: CN経営インパクト: コスト削減対象セクター: power
DOI: 10.1109/access.2026.3748052
原典: https://doi.org/10.1109/access.2026.3748052
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🤖 gxceed AI 要約

日本語

炭鉱で発生するCBM・MDW・VAMなどの随伴資源を回収し、再生可能エネルギーと組み合わせた炭鉱統合エネルギーシステム(CMIES)の最適運用フレームワークを提案。電解槽・メタン化反応器・水素燃料電池からなる二段階Power-to-Gasと、限界価格が段階的に上昇する炭素取引メカニズムを統合した。中国西部の実炭鉱でのケーススタディにより、完全統合システムはベースライン比でコスト66.1%削減・排出25.4%削減を達成し、二段階P2Gは単段階比でコスト53.6%削減・排出4.1%削減となることを示した。

English

This paper proposes an optimal dispatch framework for a coal mine integrated energy system (CMIES) that recovers associated resources (CBM, MDW, VAM) and integrates renewables. It combines a refined two-stage power-to-gas process (electrolyzer, methanation reactor, hydrogen fuel cell) with a stepwise carbon trading mechanism featuring escalating marginal prices. A real coal mine case in western China shows the fully integrated system cuts daily cost by 66.1% and emissions by 25.4% versus baseline, while two-stage P2G outperforms single-stage by 53.6% cost and 4.1% emission reduction.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

日本では炭鉱閉山後の跡地利用や地域エネルギーシステムの脱炭素化が課題であり、段階的炭素取引の設計はGX推進法下の炭素価格制度設計を考える上で参考になる。水素・P2Gの多目的配分最適化は日本の水素戦略にも示唆を与える。

In the global GX context

The stepwise carbon trading design with escalating marginal prices offers empirical evidence relevant to ISSB-era carbon pricing debates and transition finance. The refined P2G modeling contributes to global hydrogen and sector-coupled decarbonization scholarship, though the coal-mine-specific resource assumptions limit direct transferability.

👥 読者別の含意

🔬研究者:段階的炭素価格とP2G多段化が運用コスト・排出に与える影響を定量化した統合最適化モデルの実例として参考になる。

🏢実務担当者:炭鉱・重工業の脱炭素投資判断において、随伴資源回収とP2G導入の費用対効果を評価する枠組みを提供する。

🏛政策担当者:炭素価格パラメータの変曲点分析は、排出削減を実効化する炭素取引制度設計の参考になる。

📄 Abstract(原文)

Coal mining generates substantial associated resources—CBM, MDW, and VAM—that contain considerable recoverable energy yet remain largely underutilized. Simultaneously, the integration of renewable energy in coal mine areas faces significant barriers due to output variability and limited flexible resources. This paper proposes a novel optimal dispatch framework for a coal mine integrated energy system (CMIES) that integrates three core innovations: a multi-resource recycling architecture harnessing mine-associated energy through dedicated device models; a refined two-stage power-to-gas (P2G) process comprising an electrolyzer (EL), methanation reactor (MR), and hydrogen fuel cell (HFC), enabling differentiated hydrogen allocation between high-efficiency power generation and methane synthesis; and a stepwise carbon trading mechanism with progressively escalating marginal prices to enforce emission reduction. A unified mathematical formulation is developed, integrating energy balance constraints across four energy carriers (electricity, heat, cooling, hydrogen) with an objective function minimizing total operating cost. A five-scenario progressive comparison framework is designed to disentangle the individual and synergistic contributions of each technology. Case studies based on a real coal mine in western China demonstrate that: 1) the fully integrated system with refined two-stage P2G and stepwise carbon trading achieves a daily total cost of 71,469 CNY and carbon emissions of 730,189 kg, corresponding to a 66.1% cost reduction and 25.4% emission reduction versus the baseline; 2) the refined two-stage P2G reduces total cost by 53.6% and emissions by 4.1% compared with conventional single-stage P2G under the same carbon trading mechanism; 3) sensitivity analysis reveals critical inflection points in carbon pricing parameters that delineate effective emission reduction ranges.

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。