JPWO2012086071A1 - 燃料製造システム - Google Patents
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Abstract
Description
変動電力を発生する発電装置と、
前記発電装置に接続され、電力を複数の電気負荷に分配する電力分配装置と、
前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置と、
設定時間内に前記発電装置で発生した最小電力よりも小さい所定電力を前記混合ガス生成装置に供給するように前記電力分配装置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする。
前記混合ガス生成装置に接続され、前記混合ガスを貯蔵する混合ガス貯蔵装置と、
前記混合ガス貯蔵装置内の水素と一酸化炭素との物質量比が予め定めた設定比となるように前記所定電力をフィードバック制御するフィードバック制御装置と、
を備えることを特徴とする。
前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて水素を生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素を用いて電力を発生させる水素発電装置と、
を備えることを特徴とする。
前記制御装置により前記電力分配装置を制御して、前記所定電力を前記混合ガス生成装置に供給している際に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合、前記水素発電装置は、発生させた電力を前記電力分配装置に供給することを特徴とする。
前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力を充放電可能な充放電装置を備え、前記充放電装置からの電力により水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置を備えることを特徴とする。
前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、大気中の二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を前記混合ガス生成装置に供給する二酸化炭素供給装置を更に備えることを特徴とする。
前記二酸化炭素供給装置は、二酸化炭素吸収特性を有する電解液を内部に備える二酸化炭素回収装置を備えることを特徴とする。
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置に大気を導入する大気導入装置と、
前記二酸化炭素回収装置内の電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする。
前記二酸化炭素回収装置の下流かつ上方に配置され、前記混合ガス生成装置から排出された電解液を一時的に貯留する電解液貯留装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液により回転するタービンを備え、前記タービンの回転により電力を発生させると共に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する水力発電装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする。
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、二酸化炭素吸収特性を有し、吸収した二酸化炭素を熱により放出すると共に、水により二酸化炭素吸収特性を再生する吸収剤を内部に備える二酸化炭素吸収再生装置を備えることを特徴とする。
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられた回転電機であって、タービンを備え、前記タービンの回転により二酸化炭素を圧縮して前記二酸化炭素回収装置に導入する加圧ポンプとして機能し、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、前記二酸化炭素回収装置内の圧縮二酸化炭素で前記タービンを逆回転させて電力を発生させ、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する発電機として機能する回転電機を備えることを特徴とする。
前記発電装置が、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、風力発電装置、潮力発電装置および地熱発電装置の少なくとも1つを備えることを特徴とする。
[システム構成の説明]
先ず、図1乃至図4を参照しながら、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を示すブロック図である。図1に示すシステムは、自然エネルギー(太陽光発電、太陽熱発電、風力発電、潮力発電、地熱発電など)により発電する発電装置10を備えている。また、図1に示すシステムは、第1の装置12と、第2の装置14とを備えている。
次に、第1の装置12における電気分解反応について説明する。第1の装置12のポテンショスタットを制御してWEとCEとの間に電流を流すと、WE、CEにおいて、下記式(1)〜(3)の電気化学反応が起こる。
WE:CO2+2H++2e−→CO+H2O ・・・(1)
2H++2e−→H2 ・・・(2)
CE:2H2O→O2+4H++4e− ・・・(3)
第1の装置12の比較として、第2の装置14における電気分解反応について説明する。第2の装置14のポテンショスタットを制御してWEとCEとの間に電流を流すと、WE、CEにおいて、下記式(4)、(5)の電気化学反応が起こる。
WE:2H++2e−→H2 ・・・(4)
CE:2H2O→O2+4H++4e− ・・・(5)
つまり、上記式(4)の反応は、上記式(2)と同一であり、上記式(5)の反応は、上記式(3)と同一である。
図2、3から分かるように、第1の装置14は、REに対するWEの電圧によってCO/H2の生成比率やエネルギー効率が変化し、その変化の度合いは第2の装置14に比べて大きい。そのため、本実施の形態のように、自然エネルギー由来の電力を使用する場合、第1の装置14は、その変動の影響を強く受けることになる。そこで、本実施の形態においては、発電した電力のうちの定常分を第1の装置12に供給し、残りの変動分を第2の装置14に供給する電力分配制御を実行している。
次に、図5を参照しながら、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態1のシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する混合比フィードバック制御を実行することをその特徴とする。そのため、システムの各構成要素や電力分配制御については上記実施の形態1と同様であるので、その説明は省略する。
上記実施の形態1においては、電力分配制御を実行することによってエネルギー効率の低下を抑制した。しかしながら、この電力分配制御は、HC製造プロセス全体のうちの電気分解プロセスにおけるエネルギー効率を考慮したものであり、HC製造に関する全体プロセスのエネルギー効率をも考慮したものではない。ここで、FT反応の反応物質であるCO、H2の混合比率がCO/H2=1/2となっていると、FT反応時のエネルギー効率がよいことが分かっている。
次に、図6を参照しながら、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態1のシステムに、H2をエネルギー源として発電するH2発電装置を加えたシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、H2発電装置を除くシステムの各構成要素や、電力分配制御については上記実施の形態1と同様であるので、その説明は省略する。
上記実施の形態1においては、電力分配制御を実行することによってエネルギー効率の低下を抑制した。しかしながら、上記実施の形態1のシステムは、自然エネルギー由来の電力を使用するシステムであるため、電力分配制御の実行中にも関わらず第1の装置12に供給する電力が著しく低下する可能性がある。
次に、図7を参照しながら、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態3のシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する電力供給制御と混合比フィードバック制御とを実行することをその特徴とする。そのため、システムの各構成要素や電力分配制御については上記実施の形態3と同様であるので、その説明は省略する。
上記実施の形態3においては、発電装置10の発電量が低下した際に、H2発電装置22で発電した電力を電力制御分配装置16に供給する電力供給制御を実行することによって、自然エネルギー発電の変動を補償した。これに対し、本実施の形態では、H2発電装置22で発電した電力を恒常的に電力制御分配装置16に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。また、本実施の形態では、上記実施の形態2同様に、CO、H2貯蔵装置18内のCO、H2の混合比率を検出し、その結果を分配する電力にフィードバックする混合比フィードバック制御を実行することとしている。
次に、図8を参照しながら、本発明の実施の形態5について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態1のH2生成装置を、後述するCO、H2生成装置に置き換え、後述する電力分配制御を実行することをその特徴とする。そのため、このCO、H2生成装置を除くシステムの各構成要素については上記実施の形態1と同様であるので、その説明は省略する。
本実施の形態の第2の装置14は、第1の装置12と同一のCO、H2生成装置であって、その電源供給部に蓄電装置を組み合わせたものである。そのため、電力の入出力による損失はあるものの、蓄電装置により第2の装置14に供給される電力の変動をある程度平滑化できる。図8は、本実施の形態における電力分配制御の例を示した図である。図8の曲線は、自然エネルギー電力の変動を示したものである。本実施の形態においては、上記実施の形態1同様の電力分配制御を実行する。ただし、本実施の形態においては、蓄電装置によって、図8の一点鎖線のように平滑化された定常電力が第2の装置14に供給される。従って、第1の装置12のみならず、第2の装置14においてもエネルギー効率良くCO、H2を生成できる。
次に、図9を参照しながら、本発明の実施の形態6について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態1のH2生成装置を後述する送風・送液装置に、H2貯蔵装置20を後述する大気CO2回収装置に、夫々置き換え、後述する電力分配制御および電解液供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、これらの装置を除くシステムの各構成要素については上記実施の形態1と同様であるので、その説明は省略する。
ところで、変動電力を第2の装置14(或いは大気CO2回収装置24)に供給すると、大気CO2回収装置24内の吸収液兼電解液に溶けこませるCO2量や、第1の装置12に送液されるCO2吸収液兼電解液量が変動する。そのため、CO2量やCO2吸収液兼電解液量の変動が第1の装置12におけるCO/H2の生成比率やエネルギー効率に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、CO2量やCO2吸収液兼電解液量の変動による影響は、第1の装置12に供給される電力の変動による影響に比べれば小さい。
また、上述した実施の形態6においては、第2の装置14(送液装置)、または、第2の装置14が送風装置として機能する場合の大気CO2回収装置24が上記第7の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態6においては、第2の装置14(送風装置)が上記第8の発明における「大気導入装置」に、第2の装置14が送風装置として機能する場合の大気CO2回収装置24が上記第8の発明における「送液装置」に相当している。
次に、図10を参照しながら、本発明の実施の形態7について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態6の送風・送液装置を送液装置に置き換え、更に、この送液装置と大気CO2回収装置24との間に、吸収液蓄積タンクと水力タービン発電機とを加え、これらの装置と第1の装置12との間にCO2吸収液兼電解液を循環させるシステムをその特徴とする。また、本実施の形態では、上記電力分配制御および上記電解液供給制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、送液装置、貯留タンクや水力発電装置を除くシステムの各構成要素や、電力分配制御および電解液供給制御については上記実施の形態6と同様であるので、その説明は省略する。
また、上記実施の形態3で述べたように、電力分配制御の実行中に第1の装置12に供給する電力が著しく低下する可能性がある。そこで、本実施の形態においては、発電装置10の発電量が低下した際に、水力タービン発電機28で発電した電力を電力制御分配装置16に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。このような電力供給制御を実行すれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第1の装置12に安定した電力を供給できる。従って、上記実施の形態3とほぼ同様の効果を得ることもできる。
また、上述した実施の形態7においては、大気CO2回収装置24が上記第7の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態7においては、吸収液蓄積タンク26が上記第9の発明における「電解液貯留装置」に、水力タービン発電機28が上記第9の発明における「水力発電装置」に、大気CO2回収装置24が上記第9の発明における「送液装置」に、夫々相当している。
次に、図11を参照しながら、本発明の実施の形態8について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態6の送風・送液装置および大気CO2回収装置を、CO2吸収剤再生装置およびCO2溶解装置に夫々置き換えたことをその特徴とする。そのため、CO2吸収剤再生装置および大気CO2回収装置を除くシステムの各構成要素や電解液供給制御については上記実施の形態6と同様であるので、その説明は省略する。
変動電力を第2の装置14に供給すると、単位時間当たりの加熱量が変動する。しかしながら、CO2吸収剤は熱容量を持っているので、単位時間当たりの加熱量が変動したとしても、経時的に再生温度に到達してCO2を発生できる。そこで、本実施の形態においては、発電装置10で発電した電力のうちの定常分を第1の装置12に供給し、残りの変動分を第2の装置14に供給する電力分配制御を実行している。このような電力分配制御を実行すれば、変動する電力をCO2発生のために有効に利用できる。
また、上述した実施の形態8においては、CO2溶解装置30が上記第7の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態8においては、第2の装置14(CO2吸収剤再生装置)が上記第10の発明における「二酸化炭素吸収再生装置」に相当している。
次に、図12を参照しながら、本発明の実施の形態9について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態6の送風・送液装置を後述するCO2加圧ポンプに、大気CO2回収装置24を後述する高圧CO2蓄積タンクに、夫々置き換え、上記電力分配制御および上記電解液供給制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、CO2加圧ポンプや高圧CO2蓄積タンクを除くシステムの各構成要素や、電力分配制御および電解液供給制御については上記実施の形態6と同様であるので、その説明は省略する。
変動電力を第2の装置14に供給すると、CO2加圧ポンプの駆動が変動する。そこで、本実施の形態においては、電力が増加する場合にはCO2加圧ポンプを送風ポンプとして機能させて、高圧CO2蓄積タンク36にCO2を吸収させる。本実施の形態においては、更に、電力が低下する場合には高圧CO2蓄積タンク36からの圧力の一部によってCO2加圧ポンプを逆方向に駆動して発電機として機能させ、電力を電力制御分配装置16に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。このような電力供給制御を実行すれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第1の装置12に安定した電力を供給できる。従って、上記実施の形態3とほぼ同様の効果を得ることもできる。
また、上述した実施の形態9においては、高圧CO2蓄積タンク36が上記第7の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態9においては、第2の装置14(CO2加圧ポンプ)が上記第11の発明における「回転電機」に、高圧CO2蓄積タンク36が上記第11の発明における「二酸化炭素回収装置」に、夫々相当している。
12 第1の装置
14 第2の装置
16 電力制御分配装置
18 CO、H2貯蔵装置
20 H2貯蔵装置
22 H2発電装置
24、34 大気CO2回収装置
26 吸収液蓄積タンク
28 水力タービン発電機
30 CO2溶解装置
32 低圧CO2蓄積タンク
36 高圧CO2蓄積タンク
図2、3から分かるように、第1の装置12は、REに対するWEの電圧によってCO/H2の生成比率やエネルギー効率が変化し、その変化の度合いは第2の装置14に比べて大きい。そのため、本実施の形態のように、自然エネルギー由来の電力を使用する場合、第1の装置12は、その変動の影響を強く受けることになる。そこで、本実施の形態においては、発電した電力のうちの定常分を第1の装置12に供給し、残りの変動分を第2の装置14に供給する電力分配制御を実行している。
次に、図11を参照しながら、本発明の実施の形態8について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態6の送風・送液装置および大気CO2回収装置を、CO2吸収剤再生装置およびCO2溶解装置に夫々置き換えたことをその特徴とする。そのため、CO2吸収剤再生装置およびCO 2 溶解装置を除くシステムの各構成要素や電解液供給制御については上記実施の形態6と同様であるので、その説明は省略する。
Claims (12)
- 変動電力を発生する発電装置と、
前記発電装置に接続され、電力を複数の電気負荷に分配する電力分配装置と、
前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置と、
設定時間内に前記発電装置で発生した最小電力よりも小さい所定電力を前記混合ガス生成装置に供給するように前記電力分配装置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料製造システム。 - 前記混合ガス生成装置に接続され、前記混合ガスを貯蔵する混合ガス貯蔵装置と、
前記混合ガス貯蔵装置内の水素と一酸化炭素との物質量比が予め定めた設定比となるように前記所定電力をフィードバック制御するフィードバック制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料製造システム。 - 前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて水素を生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成した水素を用いて電力を発生させる水素発電装置と、
を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料製造システム。 - 前記制御装置により前記電力分配装置を制御して、前記所定電力を前記混合ガス生成装置に供給している際に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合、前記水素発電装置は、発生させた電力を前記電力分配装置に供給することを特徴とする請求項3に記載の燃料製造システム。
- 前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力を充放電可能な充放電装置を備え、前記充放電装置からの電力により水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置を備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料製造システム。
- 前記電気負荷のうちの1つであって、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、大気中の二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を前記混合ガス生成装置に供給する二酸化炭素供給装置を更に備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料製造システム。
- 前記二酸化炭素供給装置は、二酸化炭素吸収特性を有する電解液を内部に備える二酸化炭素回収装置を備えることを特徴とする請求項6に記載の燃料製造システム。
- 前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置に大気を導入する大気導入装置と、
前記二酸化炭素回収装置内の電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料製造システム。 - 前記二酸化炭素回収装置の下流かつ上方に配置され、前記混合ガス生成装置から排出された電解液を一時的に貯留する電解液貯留装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液により回転するタービンを備え、前記タービンの回転により電力を発生させると共に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する水力発電装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料製造システム。 - 前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、二酸化炭素吸収特性を有し、吸収した二酸化炭素を熱により放出すると共に、水により二酸化炭素吸収特性を再生する吸収剤を内部に備える二酸化炭素吸収再生装置を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料製造システム。 - 前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられた回転電機であって、タービンを備え、前記タービンの回転により二酸化炭素を圧縮して前記二酸化炭素回収装置に導入する加圧ポンプとして機能し、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、前記二酸化炭素回収装置内の圧縮二酸化炭素で前記タービンを逆回転させて電力を発生させ、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する発電機として機能する回転電機を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料製造システム。 - 前記発電装置が、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、風力発電装置、潮力発電装置および地熱発電装置の少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載の燃料製造システム。
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