作者：AIpatent认证专家库成员
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摘 要：本文旨在评估固体氧化物燃料电池（SOFC）为电力系统提供调节能力的可能性。在此评估中，考虑到光伏输出预测的误差，首先在日本九州电力公司的所有发电厂建立了机组组合随机规划模型。利用上述机组组合随机规划模型，估算调节电价。接着，开发了一个模型，试图通过SOFC尽量减少家庭能源成本。然后，基于调峰电价，对提供调节能力时有/无收益的情况下SOFC的最佳输出模式之间的差异进行说明。研究结果表明，有收益时，SOFC的最佳输出模式发生变化，可提供调峰能力。因此，SOFC有望用于为电力系统提供调节能力。预计该系统将在不久的将来得以实际采用。
关键字：固体氧化物燃料电池、光伏输出预测误差、机组组合随机规划模型、调节能力、可再生能源
1. 前言
2015年在《气候变化框架公约》第21届缔约方会议（COP21）上通过的《巴黎协定》，成为2020年以后减少温室气体排放的新国际框架。自《巴黎协定》签署以来已经过去了将近四年，在此期间，全球对气候变化的认识不断提高，同时应对措施也变得更加紧迫。另一方面，日本政府于2016年5月决定制定全球变暖应对计划，目标是到2030年，温室气体排放量比2013年减少26.0％；到2050年，温室气体排放量减少80％。此外，2019年6月，日本内阁会议通过了《基于巴黎协定的成长战略的长期战略》，并将应对全球变暖定位为经济成长的战略。
纵观世界范围内的温室气体减排目标，均对到2050年的温室气体减排率设定了高标准。此做法的原因不仅在于应对气候变化认识的提高，还在于伴随着成本降低大量引入了太阳能和风能等再生可能电源。在能源系统中，特别是电力部门的可再生能源的增加值得注意。考虑到上述温室气体减排目标值，有必要在2050年达成电力部门每kWh的CO2原单位净零。这在技术上和经济上都相当困难，非常具有挑战性。
为实现这一目标，2050年以后的电力系统需要拥有大量可再生能源以及核能发电。另外，在可再生能源中，就经济效率和能源储备而言，风力发电和太阳能发电很有可能占据主要位置。风力发电和太阳能发电的输出会根据气象条件而产生波动，因此有必要消纳其波动。这涉及多个领域，包括为补偿输出预测值与实际值之间的偏差而进行调峰调谷，以及为消纳短期波动而进行调频。但总的来说，这意味着调节电力供需平衡的电力系统调节能力十分重要。
目前，该调节能力主要由火电提供。例如，为平衡太阳能发电输出预测的误差，采用多个处于部分负荷运行的火电厂并联，当太阳能发电的实际输出高于或低于预测值时，增大或减小并联火电的输出，从而补偿由于预测误差引起的供需之间的偏差1）。然而，如果到2050年大部分电力系统都转变为核能发电和波动的可再生能源，那么由火电提供调节能力的空间将变小。在这种情况下，利用燃料电池和氢气等技术提供调节能力就变得尤为重要。
2. 调节能力对于电力系统的必要性
在电力系统中，需要时刻保持电力供需平衡，无论是瞬时波动或是缓慢波动。如第1章所述，随着太阳能和风力发电等可变可再生能源的大量引入，尤其是瞬时波动发生的情况下，供需平衡变得难以实现。此外，由于主要提供调节能力的火电数量减少，越来越需要从电力系统外部获取调节能力。因此，下文介绍了目前正在审议的日本电力系统供需调整市场的概况。
目前，日本电力广域运营推进机关（OCCTO）正在讨论供需调整市场中每种调节能力的概要和必要条件2）。按照响应时间由快到慢的顺序，分别定义为一次调节能力、二次调节能力①、二次调节能力②、三次调节能力①、三次调节能力②。例如，负荷调频被划分为二次调节能力①，而经济负荷分配控制被分为二次调节能力②或三次调节能力①。随着可再生电源的大量导入，预计从2021年开始，可以按以上顺序从供需调整市场中获得调节能力。然而以上各类调节能力目前都面临供给不足的问题。下面将着眼于其中响应速度较慢的三次调节能力②，对SOFC等燃料电池提供调节能力的可能性进行分析。
下文将介绍能提供三次调节能力②的候选技术系统。如第1章所述，随着可再生电源的大量引入，该类别的调节能力也变得不足。下面将列举提供该类别调节能力的候选技术系统。
例如，作为不并入广域电力系统，仅用于为特定工厂内部提供电力的自家发电和热电联产的相关设备，以燃气发动机、燃气轮机、柴油发动机等火力发电为主的发电技术，是提供该类别调节能力的候选。作为现实案例，小宫山等人进行了一项评估热电联产潜力的研究3）。此外，可以通过并联多台已广泛家用的SOFC、PEFC等来提供调节能力。越智等人的分析例可作为燃料电池提供该类别调节能力的研究例4）。
另一方面，当并联家用燃料电池以提供调节能力时，明确不提供