本研究室では，「環境変化に対して順応的な電力・エネルギーシステムの実現」を目指し，電力・エネルギーシステムのシステム技術や経済シミュレーション技術に関する研究を行っています。特にデータサイエンスと呼ばれるデータ駆動の技術を基盤として，複雑化するエネルギー供給システムの運用最適化・制御・意思決定支援システムの研究に注力しています。
研究ビジョン
これまでのエネルギー供給システムは，多数の発電プラントや制御機器とそれらを統合制御するシステムによって成り立ってきました。一方で近年，低炭素社会の実現に向けた再生可能エネルギーの導入や需給調整力確保に向けた需要家側エネルギーデバイスの活用など，エネルギー供給システムのさらなる複雑化が進んでいます。
その中で，短期的な予測情報をもとにエネルギーシステムをどのように運用するか，中長期的な社会環境を見通しながら社会的にどの技術を選択していくかが課題となっています。その一方で，エネルギーシステムに関わる意思決定は一般的に社会的・金銭的なコストが大きいため，社会からの要求や制度の変化に対して柔軟にシステムを適応させることが困難です。
そこで，短期あるいは中長期的な環境変化に対してエネルギーシステム自身が順応的に制御・運用の最適化を行えるような機能を持たせることができれば，これらのコストを大きく削減できると考えています。では，どのようなシステム技術があれば，自律的な制御・運用最適化の機能を持たせることができるのでしょうか。
このような問いのもと「不確実性」と「マルチタイムスケール」をキーワードに「環境変化に対して順応的な電力・エネルギーシステムの実現」を目指した研究プロジェクトに取り組んでいます。
研究プロジェクト
ローカルフレキシビリティの最適運用手法の開発
従来の電力系統では，電力の供給側（火力や水力などの様々な電源・蓄電池などのエネルギー機器）のみをコントロールする対象としてきました。その一方で，近年，需要家側に設置されているエネルギー機器を電力系統の需給状況に合わせてコントロール（デマンドレスポンス）することで，電力需要のピークカットや再生可能エネルギー電源の出力抑制回避などの電力需給調整に役立てる技術開発が行われるようになってきています。このような調整資源をローカルフレキシビリティ（local flexibility）と呼びます。
ローカルフレキシビリティの活用には，需要家の電気・熱需要への供給支障を避けつつ，配電網もしくは送電網の物理的制約を踏まえた運用手法が必要です。さらに，需要家の数は膨大になりこれらを束ねることで大きな需給調整力を得るため，手法のスケーラビリティも必要となります。
このような背景を踏まえて本研究では，ローカルフレキシビリティの活用を実現する運用手法の創出を行っています。具体的には需要家側機器のエネルギーマネジメントシステムを対象としたモデリングや，配電網の物理的制約を踏まえた分散型最適制御計画手法の開発を行っています。本研究室ではこれまでに，スマートハウスや家庭用ヒートポンプ，上水道の送水ポンプを対象としたモデリングを行ってきています。また，これらを配電網の中で活用するシミュレーション技術を保有しています。
（関連）NEDO 若手研究者産学連携プラットフォーム：「カーボンニュートラル社会に資するエネルギー需要家アグリゲーション手法の開発」
プロジェクトの成果
- 永野亨一，根岸信太郎：「ヒートポンプ給湯機の確率的経済モデル予測制御手法に関する基礎検討」，電気学会電力系統技術研究会資料，PSE-24-010 (2024)
- S. Negishi, and T. Ikegami: “Robust Scheduling for Water Pumping in Water Distribution System under Uncertainty of Activating Regulation Reserves,” Energies, 14(2), 302 (2021)
- 根岸信太郎，池上貴志：「電力系統への周波数調整力の提供を行う上水道送水ポンプの最適運用計画手法」，電気学会論文誌B，Vol.139，No.12，pp.757-766 (2019)
電力需給のディスパッチシミュレーションによる電力経済分析
温室効果ガスの排出量を実質ゼロとするカーボンニュートラル社会を実現するため，電力システムの需給運用に対して再生可能エネルギー（RE: Renewable Energy）電源や需要家側のエネルギー機器の活用など様々なリソースの導入が計画されています。
しかし，これらのリソースをいつごろどれくらいの規模で導入すれば経済的に環境的にメリットがあるのかは明らかではありません。これらのリソースの導入が電力システムの運用に対してもたらす運用的・経済的なメリットについて定量的な評価を行うためには，1時間・月間・季節・年間など様々な時間粒度で検証できるシミュレーションモデルが必要です。
そこで，広域的なエリアの電力需給や供給コストを長期的に模擬・評価できる長期的エネルギーミックス最適化モデル・広域的電力需給解析モデルの開発を行っています。
長期的エネルギーミックス最適化モデルは，CO2排出量の削減目標や設備投資など長期的な運用制約を踏まえたうえで最適なエネルギーミックスを求めることができるモデルです。
広域的電力需給解析モデルは，任意の設備容量のもとで1日ごとに個別の発電機の運用を最適化することで全体的な発電コストを評価できるモデルです。
これらのモデルに想定するシナリオや制約に関する入力データを与えることで，1時間・月間・季節・年間等，様々な時間スケールの電力システム運用の評価が可能です。
本研究プロジェクトでは，最適化モデルを高速に解くためのアルゴリズムやモデリング方法の開発や，RE電源の普及目標や燃料価格などの様々な将来シナリオに基づいたシミュレーション分析を行っています。
プロジェクトの成果
- N. Yumae, S. Negishi, and M. Noto: “Energy-mix Optimization including Technology Selection of Battery Energy Storage System,” Proceedings of The International Conference on Electrical Engineering 2024 (ICEE2024), O-099 (2024)
- Y. Akimoto, S. Negishi, and T. Ikegami: “Evaluation of Effect of Providing Balancing Reserves to Power System in Japan Through Operational Control of Water Pumps,” Energy Reports, 11, pp.3424-3435 (2024) [Elsevier]
- S. Negishi: “A Study of Long-term Energy-mix Optimization Model: A Case Study in Japan,” Proceedings pf The International Conference on Electrical Engineering 2022 (ICEE2022), 1-0150 (2022) [arXiv]
- S. Negishi, K. Kimura, I. Suzuki, and T. Ikegami: “Cross-regional power supply-demand analysis model based on clustered unit commitment,” Electrical Engineering in Japan, 215(1), e23368 (2022)
洋上風力発電の発電出力推計
カーボンニュートラル社会の実現に向けて太陽光発電や陸上風力発電も導入が進んでいます。その次に導入が期待されているのが洋上風力発電です。環境省の調査では，日本の風力発電の導入可能容量について，陸上風力483GW，洋上風力1,120GWと推計されており，洋上風力発電には大きなポテンシャルがあることが分かります。
そこで本研究では，過去の気象データ（GPV）や地理情報システム（GIS）を活用して，将来設置される日本近海の洋上風力発電の広域的発電出力プロファイルや変動特性を推計することを目的として研究プロジェクトを推進しています。
プロジェクトの成果
- 軽込健吾，根岸信太郎：「地理情報システムを用いた浮体式洋上風力発電の発電出力推計」，令和6年電気学会電力・エネルギー部門大会，P60，大阪公立大学，2024年9月
- 根岸信太郎：「局地客観解析データを用いた風力発電出力の時系列推定手法の精度検証」，電気学会電力技術/電力系統技術/半導体電力変換合同研究会資料，PE-23-067，PSE-23-006，SPC-23-123 (2023)
再生可能エネルギー発電プラントの数理モデリング
再生可能エネルギーの発電技術は，さまざまな場所・環境で利用されつつあります。その環境によって最適な設備設計や運用計画は変化します。本研究プロジェクトでは，利用環境と再生可能エネルギー発電プラントの数理モデル化，最適な運用計画・制御手法の開発を行っています。現在は，主に透明電池を活用した営農型太陽光発電や，宇宙太陽光発電の発電出力を推計する数理モデルの開発を行っています。
関連するグラント
- 神奈川大学分野横断型研究推進事業「営農サンルーフ型／ビル窓用透明太陽電池の実用化検証研究（研究代表者：松木伸行准教授）」，実施期間：2024年4月～2027年3月
プロジェクトの成果
- 西田隼人，根岸信太郎：「宇宙太陽光発電システムのコスト評価に基づく導入可能性の検討」，令和5年電気学会電力・エネルギー部門大会，P78，愛知工業大学，2023年9月
根岸研究室 