固定式および追尾式PVシステムを用いたグリーン水素生産の技術経済ベンチマーキング：PVsyst–MATLAB統合解析

日光をクリーンな燃料へ変える

強い日射を持つ多くの国が、炭素汚染を出さずに工場やトラック、さらには都市全体を動かせるクリーンな燃料への変換方法を模索しています。本研究は、再生可能電力を用いて水から作る燃料であるグリーン水素を生成するために、太陽光パネルをどのように最適に使うかを検討します。固定設置と太陽を追う追尾の二つの一般的な取り付け方法を比較することで、アフガニスタンのカンダハールのような強い日射地域において、どちらの構成がより多くの水素をより低コストで供給するかを示します。

太陽をとらえる二つの方法

本研究の中心は、太陽光発電システムが電解槽と呼ばれる産業装置に電力を供給する際の並列比較です。電解槽は水を水素と酸素に分解します。一方のシステムでは、太陽光パネルは一定の傾斜で固定されています。他方では、パネルが一日の間に太陽の方を向くことができる二軸追尾構造で動きます。両システムとも定格出力は同じ10キロワットで、電力は日射が十分に強いときのみ稼働する水素ユニットへ直接供給されます。これにより、送電網のバックアップがない遠隔の独立型グリーン水素プロジェクトに現実的で公平な比較が可能になります。

太陽—水素プラントのデジタルツイン

性能を詳細に理解するために、著者らは日光から水素までの全連鎖のデジタルツインを構築します。専門の太陽光設計ツールを用いて、カンダハールにおける各太陽光配置が一年間の時間ごとにどれだけの電力を生むかを、現地の日射量、気温、システム損失を考慮して算出します。得られた電力プロファイルはMATLABで構築した第二のモデルに渡され、電力を水素出力に変換し、機器のライフタイムにわたるコストを合算します。この統合アプローチにより、太陽側の設計選択が燃料生産、総合効率、エネルギー単位あたりの費用にどのように波及するかを追跡できます。

可動部が多いほど、はるかに多くのエネルギー

シミュレーション結果は、日射が豊かな気候ではソーラートラッキングが大きく有利であることを示しています。固定パネルは年間約11,253キロワット時の電力を生成するのに対し、追尾システムは約15,300キロワット時に達し、同じ定格サイズで36%の増加です。可動パネルは冬季と夏季の両方でより長時間にわたり有効な日射を捕捉するため、電解槽をより長く安定して稼働させます。その結果、年間の水素生産量は固定パネルで約240キログラム、追尾で約320キログラムに増加します。機械的なシステムはやや複雑で内部損失がわずかに増えるものの、総合的な利点は明確です。

コストとカーボンフットプリントの比較

追加機構により追尾システムは建設・維持費が高くなりますが、供給する追加エネルギーが時間とともにそれを上回ります。投資、保守、交換費用を機器の全寿命にわたる出力で割り振ると、固定パネルの電力単価はおよそ0.048米ドル／kWh（約4.8セント／kWh）になるのに対し、追尾は約0.036米ドル／kWh（約3.6セント／kWh）に下がります。燃料面では、グリーン水素のコストは固定パネルで約5.82ドル／kg、追尾で約4.37ドル／kgに低下します。追尾システムはより多くのクリーン電力を生むため、年間で回避される二酸化炭素排出量も増加し、固定配置の約3.6トンに対してほぼ5トンのCO2排出を防ぎます。

日射の豊かな地域にとっての意義

日光を貯め必要な場所へ移す方法に関心がある読者にとって、本研究は明確なメッセージを提供します。強く安定した太陽資源を持つ地域では、太陽を追うパネルを用いて水から水素を作ることは、同じ規模の単純な固定パネルシステムに比べて、より多くの燃料をより低い長期コストで供給し、より多くの炭素汚染を削減できます。追尾は初期投資が大きく設計に注意を要しますが、太陽を追う能力により土地面積や投資一ドルあたりの効果が高まります。日射に恵まれた発展途上地域の政策立案者や計画担当者にとって、追尾式ソーラーフィールドと水素ユニットの賢明な組合せは将来のクリーンエネルギーシステムの実用的な基盤になり得ることを示唆しています。

引用: Irshad, A.S., Hilali, A., Ahmadullah, A.B. et al. Techno-economic benchmarking of green hydrogen production using fixed and tracking PV systems: a PVsyst–MATLAB integrated analysis. Sci Rep 16, 15620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w

キーワード: グリーン水素, ソーラートラッキング, 太陽光発電システム, エネルギー経済学, CO2削減