WO2016132842A1 - エネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an energy storage and transport method and an energy carrier system characterized in that nitric acid is produced from nitrogen oxides, ammonia is produced from the produced nitric acid, and hydrogen is produced using the ammonia as a raw material.
- energy storage and transport methods and energy carrier systems have been proposed.
- Conventionally known energy storage and transportation methods use electric energy and thermal energy to produce and store hydrogen carriers such as ammonia, organic hydride, methanol, dimethylethane, etc.
- the hydrogen finally produced by the energy storage and transport method becomes an energy source used in the fuel cell vehicle and the fuel cell power generation system.
- Patent Document 1 discloses a method for producing hydrogen using electric power generated by sunlight.
- Patent Document 2 discloses a method for synthesizing ammonia from hydrogen and nitrogen.
- Patent Document 3 discloses a technique for producing hydrogen from ammonia under a heating condition of 400 ° C. or higher using a noble metal catalyst such as Pt, Rh, Pd, or Ru.
- the power generated by sunlight is converted into hydrogen
- ammonia is synthesized using the hydrogen as a raw material, and stored as liquefied ammonia
- the liquefied ammonia can be transported to an energy consuming area, converted from liquefied ammonia to hydrogen at the energy consuming area, and supplied to the fuel cell vehicle or supplied to the fuel cell power generation system.
- the total conversion efficiency from renewable energy to hydrogen is about 7 percent. Therefore, an energy carrier system with higher overall conversion efficiency is desired.
- Patent Documents 4 and 5 The inventors have studied a technique for producing hydrogen from ammonia which is one of hydrogen carriers, and the results are disclosed in Patent Documents 4 and 5.
- hydrogen gas is generated by irradiating a hydrogen source gas containing ammonia gas with ultraviolet light containing light having a wavelength of 200 nm or less at room temperature.
- the hydrogen production apparatus disclosed in Patent Document 5 includes a plasma reactor, a high voltage electrode, and a ground electrode, and discharges between the high voltage electrode and the ground electrode under normal temperature and atmospheric pressure conditions. Ammonia is used as plasma to generate hydrogen.
- These hydrogen production methods can generate hydrogen with higher efficiency than before, and an energy storage and transport method and an energy carrier system can be realized by combining with an optimal ammonia production method.
- the present invention has been made in view of the above-mentioned problems.
- Nitric acid is produced from nitrogen oxides
- ammonia is produced from the produced nitric acid
- hydrogen is produced using the ammonia as a raw material.
- the inventor has created a novel nitric acid production process and a novel ammonia production process, and found that the nitric acid production process and the ammonia production process can be combined with a plurality of hydrogen production processes. It came to complete.
- the energy storage and transport method according to claim 1 includes a nitric acid production process for producing nitric acid from nitrogen oxides, an ammonia production process for producing ammonia by reducing nitric acid, and a hydrogen production process for producing hydrogen by decomposing ammonia. And including.
- the method for storing and transporting energy of the present invention is characterized in that the nitric acid production step irradiates a gas to be treated containing nitrogen oxides, water and oxygen with light containing ultraviolet rays having a wavelength shorter than 175 nm.
- the ammonia production process of the energy storage and transport method according to claim 2 includes a raw material supply process in which an aqueous nitric acid solution and titanium hydroxide are supplied to form a mixed solution, and a reduction process in which ammonia is produced from nitric acid by the reducing action of titanium hydroxide. And producing one or more substances selected from ammonia gas, liquefied ammonia, or aqueous ammonia.
- thermo process here is a gas combustion process, oil combustion process, coal combustion process, waste combustion process, biomass combustion process, gas engine power generation process, diesel engine power generation process, gasoline engine power generation process, carbonization process. It refers to any thermal process that generates waste heat, such as a cement process.
- the present invention also provides a novel energy carrier system.
- the energy carrier system according to claim 4 includes nitric acid production means, ammonia production means, and hydrogen production means.
- the nitric acid production means comprises a photoreactor, nitrogen oxide in the photoreactor, and A processing gas supply means for supplying a processing gas containing water and oxygen; and a light source that is arranged in the photoreactor and generates light containing ultraviolet rays having a wavelength shorter than 175 nm. It is characterized by.
- ammonia production means includes a reactor, a nitric acid supply unit, a titanium supply unit, and a light source that generates light having a short wavelength of 308 nm or less.
- the energy carrier system according to claim 6 further includes nitric acid storage means and nitric acid transport means, wherein nitric acid is used as an energy carrier.
- the energy storage and transport method and the energy carrier system according to the present invention provide a novel nitric acid production technique for producing nitric acid by irradiating light with a wavelength shorter than 175 nm to a gas to be treated containing nitrogen oxides, water and oxygen. .
- the nitric acid production technique of the present invention can produce nitric acid continuously in a short reaction time with higher efficiency and lower cost than conventional ones.
- the nitrogen oxides used as the raw material for nitric acid production can be obtained easily and inexpensively from the exhaust gas etc. of the combustor, and nitric acid can be produced at a lower cost than before. it can.
- the nitric acid production process of the present invention leads to removal of harmful nitrogen oxides from the exhaust gas, it is possible to take environmental measures for the exhaust gas.
- the energy storage and transport method and energy carrier system of the present invention provide ammonia production technology for reducing nitric acid with titanium hydroxide.
- the ammonia production technology of the present invention can produce ammonia in a larger amount, higher efficiency, and lower cost than before.
- the energy storage and transport method of the present invention uses any one of electric power produced by renewable energy, electric power and heat produced by renewable energy, or heat obtained from electric power and thermal process produced by renewable energy. Can be used to produce hydrogen. In the present invention, these energies can be stored as nitric acid or ammonia, transported to a power consuming area, and hydrogen can be produced at the transport destination to generate electricity.
- the energy storage and transport method and the energy carrier system of the present invention enable storage and transport of renewable energy, and can eliminate instability of power supply peculiar to renewable energy.
- FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an energy carrier system 1 of the present invention.
- the energy carrier system 1 includes a gas to be treated supply unit 2, a nitric acid production unit 4, an ammonia production unit 6, and a hydrogen production unit 8.
- the gas supply path 3 is connected between the gas supply means 2 to be treated and the nitric acid production means 4.
- a nitric acid supply means 5 is provided between the nitric acid production means 4 and the ammonia production means 6, and nitric acid is supplied to the ammonia production means 6.
- An ammonia supply unit 7 is provided between the ammonia production unit 6 and the hydrogen production unit 8, and ammonia is supplied to the hydrogen production unit 8.
- a nitric acid storage unit 11 is disposed between the nitric acid production unit 4 and the ammonia production unit 6.
- the nitric acid transport unit 12 can be provided to transport the nitric acid among the nitric acid production unit 4, the nitric acid storage unit 11, and the ammonia production unit 6.
- the nitric acid production means 4, the nitric acid storage means 11, and the ammonia production means 6 may be arranged close to each other, or any of them may be arranged at a remote place.
- transport means such as a vehicle are used.
- the ammonia storage means 13 can be arranged between the ammonia production means 6 and the hydrogen production means 8.
- the ammonia transport means 14 can be provided so that ammonia can be transported among the ammonia production means 6, the ammonia storage means 13, and the hydrogen production means 8.
- the ammonia production means 6, the ammonia storage means 13, and the hydrogen production means 8 may be close to each other, or the hydrogen production means 8 may be disposed in an energy consuming area.
- transport means such as a vehicle is used as piping (pipeline or the like) for interconnecting the ammonia production means 6 and the hydrogen production means 8.
- a hydrogen supply path 9 for supplying the produced hydrogen is connected to the hydrogen production means 8.
- the hydrogen supply path 9 functions as a hydrogen supply path to the fuel cell vehicle and the fuel cell power generation system.
- An energy supply means 15 is connected to the nitric acid production means 4 to supply electric energy necessary for producing nitric acid.
- An energy supply means 16 is connected to the ammonia production means 6 to supply electric energy and heat energy necessary for producing ammonia.
- An energy supply means 17 is connected to the hydrogen production means 8 and supplies necessary energy according to the configuration of the hydrogen production means 8.
- the energy supply means 15, 16, and 17 are preferably means for supplying renewable energy such as sunlight, solar heat, wind power, hydraulic power, and biomass power generation.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the gas supply means 2 and nitric acid production means 4 of the present invention.
- the to-be-processed gas supply means 2 of this embodiment is connected to a combustor (not shown) and supplies exhaust gas containing nitrogen oxides discharged from the combustor to the nitric acid production means 4. Since the exhaust gas of the combustor normally contains nitrogen oxides, water, and oxygen, it can be supplied as it is to the nitric acid production means 4 via the gas supply means 2 to be treated.
- the exhaust gas of a coal combustor used for coal-fired power generation includes a nitrogen oxide concentration of 200 ppm, a moisture concentration of 12 vol%, and an oxygen concentration of about 5 vol%, and is suitable as a gas to be treated containing nitrogen oxide, water, and oxygen.
- nitrogen oxide can be easily formed by providing an adjustment unit for adjusting the mixing ratio by supplying water and air to the gas supply means 2 to be treated.
- a gas containing water, water and oxygen can be supplied.
- the exhaust gas containing nitrogen oxides supplied from the gas supply means 2 is supplied to the nitric acid production means 4 through the gas supply path 3.
- the combustor to which the gas supply means 2 to be treated is connected includes a gas combustor, an oil combustor, a coal combustor, a waste combustor, a biomass combustor, a gas engine, a diesel engine, a gasoline engine, a carbonization furnace, and a cement kiln. Any combustor that generates exhaust gas.
- the nitric acid production means 4 in this embodiment includes a cylindrical photoreactor 41, a light source 44 provided at the center of the photoreactor 41, and an energy supply means 15 for supplying electric energy for the light source.
- the photoreactor 41 includes a gas supply port 42 through which gas to be treated is supplied from the gas supply path 3 on one end side, and a gas discharge port 43 on the other end side.
- the exhaust gas from the combustor is usually removed by an electric dust collector, a bag filter, a ceramic filter, etc., it is not necessary to remove the dust in advance, and the gas is supplied from the gas supply port 42 via the gas supply means 2 as it is. It can be supplied into the photoreactor 41.
- the treated gas supply means 2 can be provided with a dust removal unit, and the exhaust gas with less dust can be easily supplied.
- a light source 44 that emits ultraviolet light having a wavelength shorter than 175 nm is used as the light source 44 disposed in the center of the photoreactor 41.
- a deuterium lamp center wavelength 120 to 170 nm
- an ArBr excimer lamp center wavelength 165 nm
- an Xe excimer lamp center wavelength 172 nm
- an ArCl excimer lamp center wavelength 175 nm
- the photon energy of ultraviolet light with a wavelength shorter than 175 nm is larger than 7.1 eV.
- oxygen molecules absorb ultraviolet rays having a wavelength shorter than 175 nm, they are dissociated as shown in Formula 1 to generate highly active O (1D) radicals (singlet oxygen atoms) at a high concentration.
- water absorbs ultraviolet rays having a wavelength of less than 175 nm at a higher ratio than conventional ultraviolet rays having wavelengths of 185 nm and 254 nm.
- Water irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 150 nm or more and less than 175 nm generates OH radicals (hydroxy radicals) represented by Formula 2 at a higher concentration than before.
- O (1D) radicals and OH radicals generated at high concentrations from oxygen and water significantly accelerate the nitric acid generation reaction shown below. That is, the O (1D) radical and the OH radical convert nitrogen oxides, particularly nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ) into nitric acid by radical gas phase reactions of the following formulas 3 to 6. .
- the reaction rate of radical gas phase reaction is remarkably fast even at room temperature.
- the light source 44 uses energy supply means 15 that uses electric power produced by renewable energy as a power source.
- the O (1D) radicals generated by the equations 1 and 2 respectively By adjusting the irradiance of the light source 44, changing the length of the light source 44 and the length of the photoreactor 41, or installing a plurality of light sources 44, the O (1D) radicals generated by the equations 1 and 2 respectively
- the amount of nitric acid produced can be adjusted by changing the amount of OH radical produced.
- the temperature of the exhaust gas supplied to the photoreactor 41 is preferably from room temperature to 200 ° C. in order to make the temperature range that does not adversely affect the material of the light source 44.
- the exhaust gas discharged from the combustor is adjusted to 150 ° C. or lower before being discharged to the atmosphere.
- Such exhaust gas can be supplied as it is to the gas supply port 42 via the gas supply means 2 without being regulated. If the exhaust gas temperature exceeds 200 ° C., it is possible to easily make it 200 ° C. or less by providing a gas cooling unit in the gas supply means 2 to be processed.
- the temperature of the exhaust gas may be room temperature because it does not affect the radical gas phase reaction rate for generating nitric acid of Formulas 3 to 6.
- Nitric acid storage means By adding a gas cooling means downstream of the gas outlet 43 of the photoreactor 41, the produced nitric acid can be recovered as a liquid. By adding a gas cooling means downstream of the gas outlet 43 of the photoreactor 41, the produced nitric acid can be recovered as a liquid. By providing the nitric acid storage means 11, the nitric acid produced by the nitric acid production means 4 can be stored. The storage state of nitric acid is a liquid state (nitric acid water), and the nitric acid concentration can be adjusted by adding a heating means.
- Nitric acid production process By supplying to the photoreactor 41 of the nitric acid production means 4 a gas to be treated containing nitrogen monoxide as moisture, oxygen, and nitrogen oxides at a constant flow rate, and irradiating light from a Xe excimer lamp that is a light source 44, Nitric acid can be produced. From the results of a plurality of experiments, it is clear that the preferable ratio of the H 2 O concentration to the NO concentration is 5 or more, and the preferable ratio of the O 2 concentration to the NO concentration is 4 or more. When nitric acid is produced by supplying the gas to be treated at these ratios, the conversion rate from nitric oxide to nitric acid is 50% or more.
- this nitric acid production process can be said to be a method of converting electric power produced by renewable energy into a chemical substance called nitric acid.
- this nitric acid production process can also be used as a denitration process for exhaust gas.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the ammonia production means 6.
- Nitric acid as a raw material is supplied from the nitric acid production means 4 to the ammonia production means 6 through the nitric acid supply means 5.
- the ammonia production means 6 may receive supply of nitric acid transported from the nitric acid storage means 11 by the nitric acid transport means 12.
- nitric acid is stored, transported and supplied as an aqueous nitric acid solution.
- the ammonia production means 6 includes a reactor 62, a titanium supply unit 66, and a light source 63.
- the ammonia production unit 6 further includes a water supply unit 65, a sodium hydroxide supply unit 67, a heating unit 61, and a stirrer 69.
- the water supply unit 65 supplies water for adjusting the concentration of the supplied nitric acid aqueous solution.
- the titanium supply unit 66 supplies titanium hydroxide or titanium chloride according to the form of the manufacturing process.
- the sodium hydroxide supply unit 67 supplies sodium hydroxide.
- the reactor 62 is a cylindrical container and communicates with a water supply unit 65, a titanium supply unit 66, and a sodium hydroxide supply unit 67, respectively.
- An ammonia gas passage for carrying out the produced ammonia gas is provided at the upper part of the reactor 62, and this passage communicates with the ammonia supply means 7.
- a discharge path for a product containing ammonia is provided in the lower part, and this discharge path also communicates with the ammonia supply means 7.
- the light source 63 is disposed at the center of the reactor 62.
- an excimer light source that emits ultraviolet light having a central wavelength of 308 nm or a low-pressure mercury lamp that emits ultraviolet light including a wavelength of 254 nm is preferably used.
- Ammonia can be more efficiently produced by irradiating the mixed solution with ultraviolet rays from the light source 63.
- the type of light source ultra-high pressure mercury lamp, high pressure mercury lamp, medium pressure mercury lamps, low pressure mercury lamp, XeCl, Br 2, XeBr, Cl 2, HgXe, XeI, KrF, KrCl, KrBr, gas that generates ArF excimer Excimer lamp, xenon lamp, deuterium lamp, UV-LED, ultraviolet fluorescent lamp, ArF excimer laser, KrF excimer laser, XeCl excimer laser, F2 laser, UV solid-state laser (for example, 266 nm of Nd-YAG harmonic) ) And the like.
- the heating means 61 is disposed so as to come into contact with the bottom of the reactor 62, and the supplied aqueous solution is heated.
- the heating means 61 can maintain the temperature of the aqueous solution at 15 ° C. or heat it to 100 ° C. Ammonia can be more efficiently produced by maintaining or heating the aqueous solution using the heating means 61.
- a stirrer 69 is inserted from the upper part of the reactor 62, and the aqueous solution supplied to the reactor 62 is continuously stirred until the reduction step is completed, so that the solute is uniformly distributed and the temperature of the aqueous solution is kept uniform.
- the energy supply means 16 is used as the power source of the light source 63, the power source of the stirrer 69, and the power source or heat source of the heating means 61.
- the energy supply means 16 is preferably means for supplying renewable energy such as sunlight, solar heat, wind power.
- ammonia production process As one form of the process for producing ammonia, a process of supplying an aqueous nitric acid solution and an equivalent amount of titanium hydroxide to nitric acid in the reactor 62 can be applied. Nitrate ions in the aqueous solution are reduced by titanium hydroxide to produce ammonium ions. After completion of the reduction step, ammonia gas can be obtained by adding sodium hydroxide to a weakly acidic aqueous solution containing the produced ammonium ions to neutralize or weakly alkaline.
- an aqueous nitric acid solution, titanium chloride and sodium hydroxide are supplied into the reactor 62 to form a mixed solution, and titanium hydroxide is converted from titanium chloride and sodium hydroxide in the mixed solution.
- It consists of the process of producing and supplying to nitric acid.
- the nitric acid aqueous solution is neutralized with sodium hydroxide equivalent to nitric acid, and at the same time, a reduction reaction of nitric acid is carried out while producing titanium hydroxide.
- the concentration of the aqueous nitric acid solution to be supplied can be increased, and a larger amount of ammonia can be produced.
- the aqueous solution of nitric acid supplied from the nitric acid production means 4, titanium chloride supplied from the titanium supply unit 66, and sodium hydroxide supplied from the sodium hydroxide supply unit 67 are simultaneously supplied to the reactor 62.
- Nitric acid, water, titanium chloride, and sodium hydroxide supplied into the reactor 62 are mixed and stirred by the stirrer 69 to form a uniform mixed solution, and the nitric acid is neutralized by the equation (7).
- Titanium chloride is converted to titanium hydroxide according to Formula 8.
- a reduction process for generating ammonium ions from the nitrate ions proceeds by the reaction of Formula 9.
- the overall reduction reaction is represented by Equation 10.
- Formula 7 is a reaction in which nitric acid is neutralized with sodium hydroxide, and the pH of the mixed solution is maintained at about 5-6.
- the neutralization reaction of Formula 7 prevents the titanium hydroxide particles generated by the reaction of Formula 8 from being dissolved in a strongly acidic nitric acid aqueous solution and impairing the action of the reducing agent. Further, the concentration of nitric acid can be increased by the neutralization reaction of Formula 7, and a large amount of ammonia can be generated.
- Formula 8 is a reaction in which titanium hydroxide, which is a reducing agent, is generated in the mixed solution by the reaction between titanium chloride and sodium hydroxide.
- Formula 9 is an ionic formula (semi-reactive formula) that generates ammonium ions from nitrate ions, and represents the mechanism of the reduction reaction.
- the ionized term H + is supplied from nitric acid.
- Equation 10 is a reduction reaction equation for generating ammonia from nitric acid. Titanium hydroxide has a strong reducing action, increases the reduction rate of nitric acid, and can produce ammonia with high efficiency.
- the production rate of titanium hydroxide can be increased by heating the mixed solution to a temperature higher than room temperature, for example, 100 ° C. under normal pressure. Moreover, by irradiating the mixed solution with light having a short wavelength of 308 nm or less, the amount of H + generated in Formula 9 increases due to the photocatalytic effect, and the reduction rate in Formula 10 can be increased.
- ammonia storage means By providing the ammonia storage means 13, the ammonia produced by the ammonia production means 6 can be stored.
- the storage state of ammonia may be a gas state (ammonia gas), a liquid state (liquid ammonia), or ammonia water.
- the two hydrogen production means 8a and 8b are collectively referred to as the hydrogen production means 8.
- Ammonia as a raw material is supplied from the ammonia production means 6 through the ammonia supply means 7 to the hydrogen production means 8.
- the hydrogen production means 8 may receive supply of ammonia transported from the ammonia storage means 13 by the ammonia transport means 14.
- the configuration of the hydrogen production means 8a is schematically shown in FIG.
- the hydrogen production means 8a includes a double tubular gas flow path member 70 having a cylindrical outer tube portion 73 and a cylindrical inner tube portion 74 disposed concentrically with the outer tube portion 73. .
- a gas flow path R formed of an annular space is formed between the outer tube portion 73 and the inner tube portion 74.
- Side wall portions 75 a and 75 b formed to connect and seal the outer tube portion 73 and the inner tube portion 74 are provided at both ends of the gas flow path member 70.
- a gas introduction port 76 having a gas mixing portion 71 is formed on one end side (right end side in FIG. 4) of the gas flow path member 70.
- the gas mixing unit 71 mixes the ammonia supplied from the ammonia production means 6 and the carrier gas made of an inert gas such as a rare gas or nitrogen supplied from the carrier gas supply source 72 to obtain a mixed gas.
- a gas discharge port 77 is formed on the other end side (the left end side in FIG. 4) of the gas flow path member 70. The gas discharge port 77 is connected to the hydrogen supply path 9 through a hydrogen permeable membrane.
- the inner tube portion 74 of the gas flow path member 70 is provided with an ultraviolet transmission window 78 made of, for example, a circular quartz glass tube that transmits ultraviolet light including light having a wavelength of 200 nm or less (hereinafter also referred to as “specific ultraviolet light”). It has been.
- a light source composed of a rod-shaped lamp (hereinafter also referred to as “specific ultraviolet radiation lamp”) 79 that emits specific ultraviolet rays 79 is disposed inside the inner tube portion 74.
- a specific ultraviolet ray from the ultraviolet radiation lamp 79 is irradiated.
- the energy supply means 17 is used as a power source for supplying electricity to the specific ultraviolet radiation lamp 79 and a heat source for adjusting the temperature of the mixed gas of the raw material.
- the energy supply means 17 is preferably means for supplying renewable energy such as sunlight, solar heat, and wind power.
- the configuration of the hydrogen production means 8b is schematically shown in FIG.
- the hydrogen production means 8 b includes a plasma reactor 83, a high voltage electrode 85 accommodated in the plasma reactor 83, and a ground electrode 87 disposed in contact with the outside of the plasma reactor 83.
- the plasma reactor 83 is made of quartz and has a cylindrical shape.
- the high voltage electrode 85 includes a cylindrical hydrogen separation membrane 92 and a disk-like support 93 that supports both ends of the hydrogen separation membrane 92.
- a suitable material for the hydrogen separation membrane 92 is a palladium alloy thin film.
- the high voltage electrode 85 is connected to a high voltage pulse power source that is the energy supply means 17, and a high voltage is applied thereto.
- An O-ring 94 is fitted between the plasma reactor 83 and the support 93 so that the hydrogen separation membrane 92 is concentrically arranged with respect to the inner wall of the plasma reactor 83.
- a discharge space 84 is formed between the inner wall of the plasma reactor 83 and the hydrogen separation membrane 92 so as to maintain a constant distance.
- an inner chamber 86 that is surrounded by the hydrogen separation membrane 92 and the support 93 and is a closed space is formed inside the hydrogen separation membrane 92.
- the ground electrode 87 is arranged concentrically with the plasma reactor 83 and the hydrogen separation membrane 92.
- the ammonia supplied from the ammonia production means 6 is ammonia gas, and the ammonia gas is supplied to the discharge space 84 of the hydrogen production means 8b.
- the power source 17 that applies a high voltage to the high voltage electrode 85 applies a voltage having a waveform holding time T 0 as short as 10 ⁇ s.
- the energy supply means 17 shown in FIG. The energy supply means 17 is preferably means for supplying renewable energy such as sunlight, solar heat, and wind power.
- the hydrogen production method using the hydrogen production means 8a is as follows. Ammonia and a carrier gas composed of an inert gas such as a rare gas or nitrogen are mixed in the gas mixing unit 71 and introduced into the gas flow path R of the gas flow path member 70 to emit ultraviolet light containing light having a wavelength of 200 nm or less. Irradiate. In particular, at this time, hydrogen can be produced at a high production rate by irradiating the mixed gas with ultraviolet rays under the condition satisfying the following Expression 11.
- the hydrogen production method using the hydrogen production means 8b includes the following first to fourth steps.
- the first step is a step in which the ammonia production means 6 supplies ammonia gas to the discharge space 84 through the ammonia supply means 7 at a predetermined flow rate.
- the second step is a step of adjusting the applied voltage and frequency of the high-voltage pulse power source based on the ammonia gas flow rate.
- the third step is a step of generating an atmospheric pressure non-equilibrium plasma of ammonia in the discharge space 84 by generating a dielectric barrier discharge between the hydrogen separation membrane 92 of the high voltage electrode 85 and the ground electrode 87. It is.
- the fourth step is a step of separating hydrogen gas generated from the atmospheric pressure non-equilibrium plasma of ammonia by passing it through the hydrogen separation membrane 92 and moving it to the inner chamber 86.
- the nitric acid production means 4 produces nitric acid from nitrogen oxides
- the ammonia production means 6 reduces nitric acid to produce ammonia
- the hydrogen production means 8 decomposes ammonia to produce hydrogen. According to the energy storage and transport method and the energy carrier system of the invention, it is possible to produce hydrogen with high efficiency and low cost by using renewable energy.
- nitric acid was produced from nitrogen oxides in the exhaust gas using nitric acid production means 4.
- one Xe excimer lamp 44 is disposed as a light source in the center of a photoreactor 41 having an inner diameter (R1) of 52.9 mm and a length (L1) of 847 mm.
- the Xe excimer lamp 44 used is a lamp that generates light having a center wavelength of 172 nm.
- a Xe excimer lamp having a lamp diameter (R2) of 20 mm, a light emission length (L2) of 800 mm, and a lamp surface output of 36 mW / cm 2 is used.
- the gas to be processed supplied from the gas supply means 2 to the nitric acid production means 4 is a gas having a temperature of 150 ° C. containing 1200 ppm of nitric oxide, 8.3 vol% of oxygen, and 14.9% of water. .
- the supplied flow rate was 20 L / min, and the light from the Xe excimer lamp 44 was irradiated.
- the HNO 3 conversion rate at this time was 81.4%. That is, 3.3 g / h of HNO 3 was obtained as 100% conversion.
- the nitric acid concentration of the obtained nitric acid aqueous solution was 36.9 wt%, and the amount of nitric acid aqueous solution was 179 mL / h.
- the HNO 3 conversion rate is calculated by the following Equation 12.
- the power consumption of the nitric acid production means was 185 Wh.
- electric power generated with renewable energy or electric power generated with waste heat of a thermal process can be used.
- the power generated by the photovoltaic power generation module is stored in a lithium ion battery (BTP-1000, manufactured by Sanwa Supply Co., Ltd.).
- the nitric acid production means 4 was operated by discharge.
- ammonia was produced from the aqueous nitric acid solution obtained by the nitric acid production means 4 using the ammonia production means 6.
- the ammonia production means 6 used in this example includes a reactor 62 having an inner diameter of 95 mm and a height of 175 mm. In the center of the reactor 62, a light source 63 composed of one low-pressure mercury lamp was disposed.
- the low-pressure mercury lamp used is a lamp (G8T5VH / 4 manufactured by Heraeus Co., Ltd.) that generates ultraviolet rays including a wavelength of 254 nm.
- a low-pressure mercury lamp having a lamp diameter of 10 mm and a light emission length of 100 mm is used.
- the power consumption of the ammonia production means 6 was 8 Wh.
- electric power generated with renewable energy or electric power generated with waste heat of a thermal process can be used.
- the power generated by the photovoltaic power generation module is stored in a lithium ion battery (Sanwa Supply Co., Ltd., BTP-1000) and discharged to produce ammonia. 6 was started.
- the hydrogen production means 8b includes an atmospheric pressure plasma reactor 83 having an inner diameter of 45 mm and a length of 490 mm.
- the high voltage electrode 85 of the atmospheric pressure plasma reactor 83 includes a hydrogen separation membrane 92 made of palladium alloy.
- the hydrogen separation membrane 92 is concentrically arranged in the plasma reactor 83 with a distance of 1.5 mm from the inner wall of the plasma reactor 83.
- the raw material supplied to the hydrogen production means 8b is ammonia gas having a concentration of about 100%.
- the ammonia gas produced by the ammonia production means 6 and used as the ammonia storage means 13 was stored in a polyvinyl fluoride tedra bag having a capacity of 2.0 L.
- Ammonia gas was supplied to the hydrogen production means 8b at a flow rate of 0.8 L / min (48 L / h).
- the hydrogen production flow rate at this time was 1.2 L / min (72 L / h), and the conversion efficiency from ammonia to hydrogen was about 100%.
- the conversion efficiency from ammonia to hydrogen is calculated by the following equation (14).
- the power consumption of the hydrogen production means 8b was 300 Wh.
- the power generated by the photovoltaic power generation module is stored in a lithium ion battery (BTP-1000, manufactured by Sanwa Supply Co., Ltd.), and the discharge produces hydrogen production means. 8b was activated.
- Table 1 summarizes the energy balance when the hydrogen production means 8b is operated for 1 hour to produce 72 L of hydrogen.
- ammonia production means 6 produced 48 L / h of ammonia gas and supplied it to hydrogen production means 8 b.
- 452 mL of a 36.9% nitric acid aqueous solution was supplied to the ammonia production means 6 and the ammonia production means 6 was operated for 1.5 hours.
- the exhaust gas of 20 L / min containing 1200 ppm nitrogen oxide was supplied to the nitric acid manufacturing means 4, and the nitric acid manufacturing means 4 was allowed to pass through for 2.5 hours.
- the conversion efficiency of converting renewable energy into ammonia using the energy carrier system of this embodiment can be calculated by Equation 15 below. As a result of the calculation, the total ammonia conversion efficiency in this example was 47.5%. It is clear that this value is significantly higher than the overall conversion efficiency with conventional energy storage methods.
- the total conversion efficiency for converting renewable energy into hydrogen using the energy carrier system of this example is given by the following equation: 16 can be calculated.
- the total hydrogen conversion efficiency of this example was 32.5%. This value is significantly higher than the total conversion efficiency in the conventional method.
- the effects of the energy carrier system of the present invention and the energy storage and transport method using the energy carrier system are obvious.
- the energy storage and transport method and energy carrier system of the present invention enable storage and transport of renewable energy and can eliminate the instability of power supply peculiar to renewable energy, especially using renewable energy. Applicable to power generation facilities. Further, the present invention is not limited to renewable energy and can be applied to various power generation facilities. Furthermore, it can be applied to a facility having a combustor that generates nitrogen oxides, and denitration and hydrogen production can be simultaneously performed.
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Abstract
アンモニアを高効率に製造し、最終的にはアンモニアから水素を製造してエネルギーとして用いるエネルギーキャリアシステムとそれを用いたエネルギー貯蔵輸送方法とを提供する。 本発明のエネルギーキャリアシステムは、硝酸製造手段と、アンモニア製造手段と、水素製造手段とを備えている。硝酸製造手段は、光反応器と、光反応器に窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段と、光反応器内に配置されており175nmよりも短い波長の紫外線を含む光を発生させる光源とを備えている。本発明のエネルギー貯蔵輸送方法は、窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造工程と、硝酸を還元してアンモニアを製造するアンモニア製造工程と、アンモニアを分解して水素を製造する水素製造工程と、を含んでいる。
Description
本発明は、窒素酸化物から硝酸を製造し、製造した硝酸からアンモニアを製造し、さらにそのアンモニアを原料として水素を製造することを特徴とするエネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステムに関する。
太陽光、風力等の再生可能エネルギーを含む各種エネルギーの利用効率を高める試みが種々なされている。しかしながら、再生可能エネルギーは、その多くが自然現象に由来するために季節や時間によって供給量の変動が激しく、電力需要と供給のピークが一致しないという本質的な課題がある。また、大規模太陽光発電は広大な土地面積を必要とすること、風力発電は適する地域が洋上であったり沿岸部であることから、両者ともにエネルギー消費地と距離的に離れており、その送電線の敷設もコスト面で課題を有する。
これらの課題を解決するために、エネルギー貯蔵輸送方法とエネルギーキャリアシステムが提案されている。従来から知られているエネルギー貯蔵輸送方法は、電気エネルギーや熱エネルギーを用いて、アンモニア、有機ハイドライド、メタノール、ジメチルエタン等の水素キャリアを製造して貯蔵する工程と、製造した水素キャリアを電力消費地に輸送する工程と、必要に応じて水素キャリアから水素を製造する工程とを備えている。エネルギー貯蔵輸送方法によって最終的に製造される水素は、燃料電池車や燃料電池発電システムに利用されるエネルギー源となる。
エネルギーキャリアシステムを具現化する技術として、例えば特許文献1では、太陽光で発電した電力で水素を製造する方法が示されている。また例えば特許文献2では、水素と窒素からアンモニアを合成するための方法が示されている。また例えば特許文献3には、Pt,Rh,Pd,Ruなどの貴金属触媒を用いて400℃以上の加熱条件で、アンモニアから水素を製造する技術が開示されている。特許文献1の方法と特許文献2の方法と特許文献3の方法を組み合わせることによって、太陽光で発電した電力を水素に変換し、その水素を原料としてアンモニアを合成して液化アンモニアとして貯留し、液化アンモニアをエネルギー消費地に輸送し、エネルギー消費地で液化アンモニアから水素に転換して、燃料電池車に供給したり、燃料電池発電システムに供給することができる。しかしながら、特許文献1と特許文献2と特許文献3の技術を組み合わせた場合、再生可能エネルギーから水素への総合変換効率は7パーセント程度である。そこで、より総合変換効率の高いエネルギーキャリアシステムが望まれている。
発明者らは、水素キャリアの一つであるアンモニアから水素を製造する技術についての検討を行っており、その成果を特許文献4および特許文献5で開示している。特許文献4に開示した水素製造方法は、アンモニアガスを含有する水素源ガスに、常温で波長200nm以下の光を含む紫外線を照射して水素ガスを発生させる。特許文献5に開示した水素製造装置は、プラズマ反応器と、高電圧電極と、接地電極とを備えており、常温大気圧の条件下で高電圧電極と接地電極との間で放電を行ってアンモニアをプラズマとし、水素を生成する。これらの水素製造方法は、従来よりも高効率に水素を生成することが可能であり、最適なアンモニア製造方法と組み合わせることによって、エネルギー貯蔵輸送方法とエネルギーキャリアシステムを実現することができる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、窒素酸化物から硝酸を製造し、製造した硝酸からアンモニアを製造し、さらにそのアンモニアを原料として水素を製造する各々の工程の全てを、従来よりも効率よくしかも安価に実現するエネルギー貯蔵輸送方法を提供すること、および窒素酸化物から硝酸とアンモニアとを経由して水素を従来よりも効率よく作ることが可能なエネルギーキャリアシステムを提供することを解決すべき課題としている。
本発明者は、新規な硝酸製造工程および新規なアンモニア製造工程を創作し、さらにこの硝酸製造工程およびアンモニア製造工程に複数の水素製造工程とを組み合わせることが可能なことを見いだして、本発明を完成させるに至った。請求項1記載のエネルギー貯蔵輸送方法は、窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造工程と、硝酸を還元してアンモニアを製造するアンモニア製造工程と、アンモニアを分解して水素を製造する水素製造工程と、を含む。本発明のエネルギー貯蔵輸送方法は、その硝酸製造工程が、窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスに175nmよりも短い波長の紫外線を含む光を照射することを特徴とする。
請求項2記載のエネルギー貯蔵輸送方法のアンモニア製造工程は、硝酸水溶液と水酸化チタンとを供給して混合液とする原料供給工程と、水酸化チタンの還元作用によって硝酸からアンモニアを製造する還元工程と、を備えており、アンモニアガス、液化アンモニア、またはアンモニア水から選択される一以上の物質を製造することを特徴とする。
請求項3記載のエネルギー貯蔵輸送方法は、硝酸製造工程、前記アンモニア製造工程、または前記水素製造工程から選択される少なくとも一つの工程が、再生可能エネルギーによって製造される電力、再生可能エネルギーによって製造される電力および熱、または再生可能エネルギーによって製造される電力および熱プロセスから得られる熱、のいずれかを使用することを特徴とする。なお、ここでいう「熱プロセス」とは、ガス燃焼プロセス、油燃焼プロセス、石炭燃焼プロセス、廃棄物燃焼プロセス、バイオマス燃焼プロセス、ガスエンジン発電プロセス、ディーゼルエンジン発電プロセス、ガソリンエンジン発電プロセス、炭化プロセス、セメントプロセスなど、廃熱が発生する任意の熱プロセスのことを指す。
本発明はまた、新規なエネルギーキャリアシステムを提供する。請求項4記載のエネルギーキャリアシステムは、硝酸製造手段と、アンモニア製造手段と、水素製造手段と、を備えており、その硝酸製造手段が、光反応器と、当該光反応器に窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段と、前記光反応器内に配置されており175nmよりも短い波長の紫外線を含む光を発生させる光源と、を備えていることを特徴とする。
請求項5記載のエネルギーキャリアシステムは、アンモニア製造手段が、反応器と、硝酸供給部と、チタン供給部と、波長308nm以下の短波長の光を発生する光源と、を備えていることを特徴とする。
請求項6記載のエネルギーキャリアシステムは、硝酸保管手段と硝酸輸送手段をさらに備えており、硝酸をエネルギーキャリアとすることを特徴とする。
請求項7記載のエネルギーキャリアシステムは、アンモニア保管手段とアンモニア輸送手段とをさらに備えており、アンモニアガス、液化アンモニア、またはアンモニア水から選択される少なくとも一つの物質をエネルギーキャリアとすることを特徴とする。
本発明のエネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステムは、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスに175nmよりも短い波長の光を照射することで硝酸を製造する新規な硝酸製造技術を提供する。本発明の硝酸製造技術は、短時間の反応時間で連続的に、従来よりも高効率かつ安価に硝酸を製造することができる。
本発明のエネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステムにおいて、硝酸製造の原料となる窒素酸化物は、燃焼器の排ガス等から容易且つ安価に得ることができ、硝酸を従来よりも安価に製造することができる。同時に、本発明の硝酸製造工程は、排ガスから有害な窒素酸化物を除去することにつながるため、排ガスの環境対策を行うことができる。
本発明のエネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステムは、硝酸を水酸化チタンで還元するアンモニア製造技術を提供する。本発明のアンモニア製造技術は、従来よりも大量に、高効率に、かつ安価にアンモニアを製造することが可能となる。
本発明のエネルギー貯蔵輸送方法は、再生可能エネルギーによって製造される電力、再生可能エネルギーによって製造される電力および熱、または再生可能エネルギーによって製造される電力および熱プロセスから得られる熱、のいずれかを使用して、水素を製造することができる。本発明は、これらのエネルギーを硝酸またはアンモニアとして貯蔵し、電力消費地に輸送して、輸送先で水素を製造して発電を行うことができる。本発明のエネルギー貯蔵輸送方法とエネルギーキャリアシステムは、再生可能エネルギーの貯蔵と輸送を可能として、再生可能エネルギー特有の電力供給の不安定さを解消することができる。
(エネルギーキャリアシステムの構成)
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る好適なエネルギーキャリアシステムについて説明する。図1は、本発明のエネルギーキャリアシステム1の構成を模式的に示すブロック図である。エネルギーキャリアシステム1は、被処理ガス供給手段2と、硝酸製造手段4と、アンモニア製造手段6と、水素製造手段8とを備えている。被処理ガス供給手段2と硝酸製造手段4との間は、ガス供給路3によって接続されている。硝酸製造手段4とアンモニア製造手段6との間には、硝酸供給手段5が設けられておりアンモニア製造手段6に硝酸が供給される。アンモニア製造手段6と水素製造手段8との間には、アンモニア供給手段7が設けられており、水素製造手段8にアンモニアが供給される。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る好適なエネルギーキャリアシステムについて説明する。図1は、本発明のエネルギーキャリアシステム1の構成を模式的に示すブロック図である。エネルギーキャリアシステム1は、被処理ガス供給手段2と、硝酸製造手段4と、アンモニア製造手段6と、水素製造手段8とを備えている。被処理ガス供給手段2と硝酸製造手段4との間は、ガス供給路3によって接続されている。硝酸製造手段4とアンモニア製造手段6との間には、硝酸供給手段5が設けられておりアンモニア製造手段6に硝酸が供給される。アンモニア製造手段6と水素製造手段8との間には、アンモニア供給手段7が設けられており、水素製造手段8にアンモニアが供給される。
好ましくは、硝酸製造手段4とアンモニア製造手段6との間に硝酸保管手段11が配置される。硝酸保管手段11を配置する場合、硝酸輸送手段12を設けて、硝酸製造手段4と硝酸保管手段11とアンモニア製造手段6との間で硝酸の輸送を行うことができる。ここで、硝酸製造手段4と硝酸保管手段11とアンモニア製造手段6は、互いに近接して配置されていても、あるいはいずれかが遠隔地に配置されていても良い。硝酸供給手段5と硝酸輸送手段12としては、硝酸製造手段4とアンモニア製造手段6とを相互接続する配管(パイプライン)等のほか、車両等の輸送手段が用いられる。
同様に、アンモニア製造手段6と水素製造手段8との間にアンモニア保管手段13を配置することができる。アンモニア保管手段13を配置する場合、アンモニア輸送手段14を設けることで、アンモニア製造手段6とアンモニア保管手段13と水素製造手段8との間でアンモニアの輸送を行うことができる。アンモニア製造手段6とアンモニア保管手段13と水素製造手段8とは互いに近接していてもよく、あるいは水素製造手段8がエネルギー消費地に配置されていても良い。アンモニア供給手段7とアンモニア輸送手段14としては、アンモニア製造手段6と水素製造手段8とを相互接続する配管(パイプライン等)のほか、車両等の輸送手段が用いられる。
水素製造手段8には、製造した水素を供給する水素供給路9が接続される。水素供給路9は、燃料電池車や燃料電池発電システムへの水素の供給路として機能する。
硝酸製造手段4にエネルギー供給手段15が接続されており、硝酸の製造に必要な電気エネルギーを供給する。アンモニア製造手段6にはエネルギー供給手段16が接続されており、アンモニアの製造に必要な電気エネルギーと熱エネルギーとを供給する。水素製造手段8にはエネルギー供給手段17が接続されており、水素製造手段8の構成に応じて必要なエネルギーを供給する。エネルギー供給手段15,16,17は、好ましくは、太陽光、太陽熱、風力、水力、バイオマス発電などの再生可能エネルギーを供給する手段である。
(被処理ガス供給手段)
図2は、本発明の被処理ガス供給手段2および硝酸製造手段4の構成を模式的に示す図である。本実施形態の被処理ガス供給手段2は、図示されない燃焼器に接続されて、燃焼器から排出される窒素酸化物を含む排ガスを硝酸製造手段4に供給する。燃焼器の排ガスは、通常、窒素酸化物と水と酸素を含むため、被処理ガス供給手段2を経由して、そのまま硝酸製造手段4に供給することができる。例えば、石炭火力発電に利用される石炭燃焼器の排ガスは、窒素酸化物濃度200ppm、水分濃度12vol%、酸素濃度5vol%程度を含み、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスとして適している。もし、水や酸素を含まない排ガスを被処理ガスとして用いる場合には、被処理ガス供給手段2に水と空気を供給して混合比を調整する調整部を設けることで、容易に窒素酸化物と水と酸素とを含むガスを供給することができる。被処理ガス供給手段2から供給される窒素酸化物を含む排ガスはガス供給路3を経由して、硝酸製造手段4に供給される。
図2は、本発明の被処理ガス供給手段2および硝酸製造手段4の構成を模式的に示す図である。本実施形態の被処理ガス供給手段2は、図示されない燃焼器に接続されて、燃焼器から排出される窒素酸化物を含む排ガスを硝酸製造手段4に供給する。燃焼器の排ガスは、通常、窒素酸化物と水と酸素を含むため、被処理ガス供給手段2を経由して、そのまま硝酸製造手段4に供給することができる。例えば、石炭火力発電に利用される石炭燃焼器の排ガスは、窒素酸化物濃度200ppm、水分濃度12vol%、酸素濃度5vol%程度を含み、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスとして適している。もし、水や酸素を含まない排ガスを被処理ガスとして用いる場合には、被処理ガス供給手段2に水と空気を供給して混合比を調整する調整部を設けることで、容易に窒素酸化物と水と酸素とを含むガスを供給することができる。被処理ガス供給手段2から供給される窒素酸化物を含む排ガスはガス供給路3を経由して、硝酸製造手段4に供給される。
被処理ガス供給手段2が接続される燃焼器とは、ガス燃焼器、油燃焼器、石炭燃焼器、廃棄物燃焼器、バイオマス燃焼器、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、炭化炉、セメントキルンなど、排ガスが発生する任意の燃焼器である。
(硝酸製造手段)
本実施形態における硝酸製造手段4は、円筒状の光反応器41と、光反応器41の中心に設けられる光源44と、光源用の電気エネルギーを供給するエネルギー供給手段15とを備えている。光反応器41は、一端側にガス供給路3から被処理ガスが供給されるガス供給口42を備えており、他端側にガス排出口43を備えている。
本実施形態における硝酸製造手段4は、円筒状の光反応器41と、光反応器41の中心に設けられる光源44と、光源用の電気エネルギーを供給するエネルギー供給手段15とを備えている。光反応器41は、一端側にガス供給路3から被処理ガスが供給されるガス供給口42を備えており、他端側にガス排出口43を備えている。
排ガス中のダストは、光源44に付着して光の照射を妨げる可能性があるため、事前に除去しておくことが望ましい。燃焼器からの排ガスは、通常は、電気集塵機やバグフィルター、セラミックフィルターなどで除塵されているためダストを事前除去する必要がなく、そのまま被処理ガス供給手段2を経由してガス供給口42から光反応器41の内部に供給できる。排ガスにダストが多く含まれる場合には、被処理ガス供給手段2に除塵部を設け、容易にダストの少ない排ガスを供給することができる。
本実施形態では、光反応器41内の中心部に配置される光源44として、175nmよりも短い波長の紫外線を放射する光源44を用いている。光源44の具体例として、重水素ランプ(中心波長120~170nm)、ArBrエキシマランプ(中心波長165nm)、Xeエキシマランプ(中心波長172nm)、ArClエキシマランプ(中心波長175nm)などが適用可能である。
発明者らは、175nmよりも短い波長の光のエネルギー(以下、フォトンエネルギーとも言う)が、被処理ガスに含まれる酸素と水とに吸収されたとき、以下に示す特有の反応でOラジカルとOHラジカルとを生成し、このOラジカルとOHラジカルとが硝酸の生成反応の反応速度に大きく寄与することを見いだして、光源として最適な光の波長を特定するにいたった。
175nmより短い波長の紫外線のフォトンエネルギーは7.1eVより大きい。酸素分子は、175nmより短い波長の紫外線を吸収したとき、式1に示すように解離して、非常に活性度の高いO(1D)ラジカル(一重項酸素原子)を高濃度で生成する。
一方、水は、従来多用される波長185nmと254nmの紫外線よりも、175nm未満の波長の紫外線をより高い比率で吸収する。150nm以上175nm未満の波長の紫外線を照射された水は、式2に示すOHラジカル(ヒドロキシラジカル)を、従来より高濃度で生成する。
175nmよりも短い波長の紫外線を照射することで、酸素と水とからそれぞれ高濃度で生成されるO(1D)ラジカルとOHラジカルとは以下に示す硝酸生成反応を著しく加速する。すなわち、O(1D)ラジカルとOHラジカルは、以下の式3~式6のラジカル気相反応によって、窒素酸化物、特に一酸化窒素(NO)と二酸化窒素(NO2)とを硝酸に転化させる。ラジカル気相反応の反応速度は常温においても著しく速い。このためガス供給口42から供給された排ガスが光反応器41を通過する間に、排ガスに含まれる窒素酸化物は瞬時に硝酸に転化し、結果、連続的に硝酸を高効率に製造することができる。NOとNO2の濃度に対して、O(1D)ラジカルおよびOHラジカルの濃度が十分に高ければ式3~式6の反応速度が増す。そこで、O(1D)ラジカルおよびOHラジカルの濃度を高めるために、排ガス中の水分濃度と酸素濃度とを、窒素酸化物の濃度に対して十分に高くなるように制御することが好ましい。
なお、175nmよりも短い波長の紫外線が酸素に照射された場合、上記したように、O(1D)酸素原子を高濃度に生成されるが、O(3P)酸素原子(三重項酸素原子)も生成される。よって、従来から知られている硝酸を生成する反応も発生する。しかしながら、上記したように、O(1D)ラジカル、OHラジカルによる反応からなる硝酸生成反応は急速に発生するため、結果的に175nmよりも短い波長の紫外線を用いる場合、式3~式6による硝酸生成反応が支配的となる。
光源44には、電源として、再生可能エネルギーによって生産される電力を利用するエネルギー供給手段15が使用される。
光源44の放射照度を調節したり、光源44の長さと光反応器41の長さを変更したり光源44を複数設置することによって、式1と式2でそれぞれ生成するO(1D)ラジカルとOHラジカルの生成量を変化させることで、硝酸の生成量を調整することができる。
光反応器41に供給される排ガスの温度は、光源44の材質に悪影響を及ぼさない温度範囲とするために、常温から200℃であることが望ましい。通常、燃焼器から排出される排ガスは、大気に排出される前に150℃以下に調整されている。このような排ガスは、調温することなくそのまま被処理ガス供給手段2を経由してガス供給口42に供給できる。もし排ガス温度が200℃を超えている場合は、被処理ガス供給手段2にガス冷却部を設けることで、容易に200℃以下とすることができる。排ガスの温度は、式3~式6の硝酸を生成するラジカル気相反応速度に影響を及ぼさないため、室温であってもよい。
(硝酸保管手段)
光反応器41のガス排出口43の下流に、ガス冷却手段を付加することによって、生成した硝酸を液体で回収することができる。光反応器41のガス排出口43の下流に、ガス冷却手段を付加することによって、生成した硝酸を液体で回収することができる。硝酸保管手段11を設けることで、硝酸製造手段4で製造した硝酸を保管することができる。硝酸の保管状態は、液体状態(硝酸水)であり、加熱手段を付加することによって硝酸濃度を調節できる。
光反応器41のガス排出口43の下流に、ガス冷却手段を付加することによって、生成した硝酸を液体で回収することができる。光反応器41のガス排出口43の下流に、ガス冷却手段を付加することによって、生成した硝酸を液体で回収することができる。硝酸保管手段11を設けることで、硝酸製造手段4で製造した硝酸を保管することができる。硝酸の保管状態は、液体状態(硝酸水)であり、加熱手段を付加することによって硝酸濃度を調節できる。
(硝酸製造工程)
硝酸製造手段4の光反応器41に、水分と酸素と窒素酸化物として一酸化窒素を含む被処理ガスを一定の流量で供給し、光源44であるXeエキシマランプの光を照射することで、硝酸を製造することができる。複数の実験の結果から、NO濃度に対するH2O濃度の好ましい比は、5以上であり、またNO濃度に対するO2濃度の好ましい比は、4以上であることが明らかとなっている。これらの比率で被処理ガスを供給して硝酸を製造したとき、一酸化窒素から硝酸への転化率は50%以上となる。
硝酸製造手段4の光反応器41に、水分と酸素と窒素酸化物として一酸化窒素を含む被処理ガスを一定の流量で供給し、光源44であるXeエキシマランプの光を照射することで、硝酸を製造することができる。複数の実験の結果から、NO濃度に対するH2O濃度の好ましい比は、5以上であり、またNO濃度に対するO2濃度の好ましい比は、4以上であることが明らかとなっている。これらの比率で被処理ガスを供給して硝酸を製造したとき、一酸化窒素から硝酸への転化率は50%以上となる。
光源44に供給するエネルギーを再生可能エネルギーとすることで、この硝酸製造工程は、再生可能エネルギーによって生産される電力を硝酸という化学物質に変換する方法とも言える。また、排ガス中の窒素酸化物を硝酸として除去することにもなるため、この硝酸製造工程は、排ガスの脱硝工程としても利用できる。
(アンモニア製造手段)
図3は、アンモニア製造手段6の構成を模式的に示す図である。アンモニア製造手段6に対して、原料となる硝酸が、硝酸製造手段4から硝酸供給手段5を介して供給される。あるいはアンモニア製造手段6は、硝酸輸送手段12によって硝酸保管手段11から輸送される硝酸の供給を受けても良い。通常、硝酸は硝酸水溶液として、保管、輸送、供給が行われる。
図3は、アンモニア製造手段6の構成を模式的に示す図である。アンモニア製造手段6に対して、原料となる硝酸が、硝酸製造手段4から硝酸供給手段5を介して供給される。あるいはアンモニア製造手段6は、硝酸輸送手段12によって硝酸保管手段11から輸送される硝酸の供給を受けても良い。通常、硝酸は硝酸水溶液として、保管、輸送、供給が行われる。
アンモニア製造手段6は、反応器62と、チタン供給部66と、光源63とを備えている。アンモニア製造手段6はさらに、水供給部65と、水酸化ナトリウム供給部67と、加熱手段61と、攪拌機69とを備えている。水供給部65は、供給された硝酸水溶液の濃度の調整のための水を供給する、チタン供給部66は、製造工程の形態に応じて、水酸化チタンまたは塩化チタンを供給する。水酸化ナトリウム供給部67は、水酸化ナトリウムを供給する。
反応器62は円筒状の容器であって、水供給部65、チタン供給部66、および水酸化ナトリウム供給部67とそれぞれ連通している。反応器62の上部には製造されたアンモニアガスを搬出するアンモニアガス通路が設けられており、この通路はアンモニア供給手段7と連通している。下部にはアンモニアを含む生成物の排出路が設けられており、この排出路もまたアンモニア供給手段7に連通している。
光源63は、反応器62の中心に配置されている。本実施形態における光源63には、中心波長308nmの紫外線を発するエキシマ光源または波長254nmを含む紫外線を放射する低圧水銀ランプが好適に用いられる。混合液に光源63からの紫外線を照射することによって、より効率よくアンモニアを製造することができる。光源の種類としては、超高圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、中圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、XeCl,Br2,XeBr,Cl2,HgXe,XeI,KrF,KrCl,KrBr,ArFエキシマを生成するガスを夫々封入したエキシマランプ、キセノンランプ、重水素ランプ、UV-LED、紫外線蛍光ランプ、ArFエキシマレーザー、KrFエキシマレーザー、XeClエキシマレーザー、F2レーザー、UV固体レーザー(たとえばNd-YAGの高調波の266nm)等が挙げられる。
反応器62の底部に接するように加熱手段61が配置されており、供給された水溶液を加熱する。加熱手段61は、たとえば、水溶液の温度を15℃に維持したり、100℃まで加熱することができる。加熱手段61を使用して水溶液の保温又は加熱を行うことで、アンモニアをより効率よく製造することができる。攪拌機69が反応器62の上部から挿入されており、反応器62に供給された水溶液を還元工程が終了するまで攪拌し続けて、溶質を均一に分布させ、水溶液の温度を均一に保つ。
光源63の電源と、攪拌機69の電源と、加熱手段61の電源または熱源として、エネルギー供給手段16が用いられる。エネルギー供給手段16は、好ましくは、太陽光、太陽熱、風力などの再生可能エネルギーを供給する手段である。
(アンモニア製造工程)
アンモニアを製造する工程の一つの形態として、反応器62中に、硝酸水溶液と、硝酸と当量の水酸化チタンとを供給する工程が適用可能である。水溶液中の硝酸イオンは、水酸化チタンによって還元されてアンモニウムイオンを生成する。還元工程の終了後、生成したアンモニウムイオンを含む弱酸性の水溶液に水酸化ナトリウムを加えて中和または弱アルカリ性とすることで、アンモニアガスを得ることができる。
アンモニアを製造する工程の一つの形態として、反応器62中に、硝酸水溶液と、硝酸と当量の水酸化チタンとを供給する工程が適用可能である。水溶液中の硝酸イオンは、水酸化チタンによって還元されてアンモニウムイオンを生成する。還元工程の終了後、生成したアンモニウムイオンを含む弱酸性の水溶液に水酸化ナトリウムを加えて中和または弱アルカリ性とすることで、アンモニアガスを得ることができる。
アンモニアを製造する工程の他の形態は、反応器62中に、硝酸水溶液と塩化チタンと水酸化ナトリウムとを供給して混合液とし、混合液中で塩化チタンおよび水酸化ナトリウムから水酸化チタンを生成して硝酸に供給する工程からなる。このアンモニア製造工程では、硝酸水溶液を硝酸と当量の水酸化ナトリウムで中和すると同時に、水酸化チタンを製造しながら硝酸の還元反応を行なう。このアンモニア製造工程は、供給する硝酸水溶液の濃度を高くすることが可能で、より多量のアンモニアを製造することができる。以下では、反応器62に硝酸水溶液と塩化チタンと水酸化ナトリウムとを供給してアンモニアを製造する工程について、より詳細に説明する。
反応器62に、硝酸製造手段4から供給される硝酸水溶液と、チタン供給部66から供給される塩化チタンと、水酸化ナトリウム供給部67から供給される水酸化ナトリウムとが同時に供給される。反応器62内に供給された硝酸と水と塩化チタンと水酸化ナトリウムとは攪拌機69によって混合攪拌されて均一な混合液となり、硝酸は式7によって中和される。また、塩化チタンは式8によって水酸化チタンとなる。水溶液中の硝酸イオンは,式9の反応によって、硝酸イオンからアンモニウムイオンを生成する還元工程が進行する。総括の還元反応は、式10で表わされる。
式7は硝酸を水酸化ナトリウムによって中和する反応であり、混合液のpHを5~6程度に保つ。式7の中和反応によって、式8の反応で生成する水酸化チタン粒子が、強酸性の硝酸水溶液に溶解し還元剤の作用を損なうことが防止される。また、式7の中和反応によって硝酸濃度を高くすることができ、大量のアンモニアを生成することが可能となる。
式8は、塩化チタンと水酸化ナトリウムの反応により、還元剤である水酸化チタンを混合液中で生成する反応である。
式9は、硝酸イオンからアンモニウムイオンを生成するイオン式(半反応式)であり、還元反応のメカニズムを表わした式である。イオン式左項のH+は、硝酸から供給される。式10は、硝酸からアンモニアを生成する還元反応式である。水酸化チタンは還元作用が強く、硝酸の還元速度を高め、高効率にアンモニアを生成することが可能となる。
還元工程では、混合液を室温より高い温度、例えば常圧下で100℃に加熱することにより、水酸化チタンの生成速度を速めることができる。また、混合液に波長308nm以下の短波長の光を照射することで、光触媒効果により式9のH+生成量は増加し、式10の還元速度を高めることができる。
(アンモニア保管手段)
アンモニア保管手段13を設けることで、アンモニア製造手段6で製造したアンモニアを保管することができる。アンモニアの保管状態は、気体状態(アンモニアガス)であってもよく、液体状態(液体アンモニア)であってもよく、またアンモニア水であってもよい。
アンモニア保管手段13を設けることで、アンモニア製造手段6で製造したアンモニアを保管することができる。アンモニアの保管状態は、気体状態(アンモニアガス)であってもよく、液体状態(液体アンモニア)であってもよく、またアンモニア水であってもよい。
(水素製造手段)
本発明の硝酸製造手段4およびアンモニア製造手段6と組み合わせることで、好適に水素を製造することのできる水素製造手段8について、以下に水素製造手段8aと水素製造手段8bの二つの実施形態を挙げて説明する。なお、二つの水素製造手段8a、8bを総称して水素製造手段8と言う。水素製造手段8に対して、原料となるアンモニアが、アンモニア製造手段6からアンモニア供給手段7を介して供給される。あるいは水素製造手段8は、アンモニア輸送手段14によってアンモニア保管手段13から輸送されるアンモニアの供給を受けても良い。
本発明の硝酸製造手段4およびアンモニア製造手段6と組み合わせることで、好適に水素を製造することのできる水素製造手段8について、以下に水素製造手段8aと水素製造手段8bの二つの実施形態を挙げて説明する。なお、二つの水素製造手段8a、8bを総称して水素製造手段8と言う。水素製造手段8に対して、原料となるアンモニアが、アンモニア製造手段6からアンモニア供給手段7を介して供給される。あるいは水素製造手段8は、アンモニア輸送手段14によってアンモニア保管手段13から輸送されるアンモニアの供給を受けても良い。
水素製造手段8aの構成を、図4に、模式的に示す。水素製造手段8aは、円筒状の外管部分73と、この外管部分73と同心円状に配置される円筒状の内管部分74とを有する二重管状のガス流路部材70を備えている。外管部分73と内管部分74との間には、環状空間よりなるガス流路Rが形成されている。ガス流路部材70の両端に、外管部分73および内管部分74を連結して封鎖するように形成された側壁部分75a、75bが設けられている。ガス流路部材70の一端側(図4における右端側)には、ガス混合部71を備えたガス導入口76が形成されている。ガス混合部71は、アンモニア製造手段6から供給されたアンモニアと、キャリアガス供給源72から供給された希ガスまたは窒素などの不活性ガスからなるキャリアガスとを混合して、混合ガスとする。ガス流路部材70の他端側(図4における左端側)には、ガス排出口77が形成されている。ガス排出口77は、水素透過膜を介して水素供給路9に接続される。
ガス流路部材70の内管部分74に、波長200nm以下の光を含む紫外線(以下、「特定紫外線」ともいう。)を透過する、例えば円管状の石英ガラス管よりなる紫外線透過窓78が設けられている。内管部分74の内部には、特定紫外線を放射する棒状のランプ(以下、「特定紫外線放射ランプ」ともいう。)79よりなる光源が配設されており、ガス流路部材70には、特定紫外線放射ランプ79からの特定紫外線が照射される。ここで、特定紫外線放射ランプ79に電気を供給する電源と、原料の混合ガスの温度を調整する熱源として、エネルギー供給手段17が用いられる。エネルギー供給手段17は、好ましくは、太陽光、太陽熱、風力などの再生可能エネルギーを供給する手段である。
水素製造手段8bの構成を、図5に、模式的に示す。水素製造手段8bは、プラズマ反応器83と、このプラズマ反応器83の中に収容された高電圧電極85と、プラズマ反応器83の外側に接して配置された接地電極87とを備えている。プラズマ反応器83は、石英製であり、円筒形に形成されている。高電圧電極85は、円筒形の水素分離膜92と、水素分離膜92の両端を支持する円盤状の支持体93とを備えている。水素分離膜92の好適な素材は、パラジウム合金の薄膜である。
高電圧電極85は、エネルギー供給手段17である高電圧パルス電源に接続されており、高電圧が印加される。プラズマ反応器83の内壁に対して水素分離膜92が同心円状に配置されるように、プラズマ反応器83と支持体93との間にはOリング94が嵌め合わされている。この結果、プラズマ反応器83の内壁と水素分離膜92との間には、一定の間隔が維持された放電空間84が形成されている。また、水素分離膜92の内側には、水素分離膜92と支持体93とでとり囲まれて閉空間となっている内室86が形成されている。接地電極87は、プラズマ反応器83および水素分離膜92と同心円状に配置されている。本実施形態において、アンモニア製造手段6から供給されるアンモニアはアンモニアガスであり、アンモニアガスは、水素製造手段8bの放電空間84に供給される。
水素分離膜92と接地電極87が対向しており、且つその間に石英製のプラズマ反応器83を配置したことで、プラズマ反応器83が誘電体として機能して、高電圧電極85の水素分離膜92に高電圧を印加すると誘電体バリア放電を発生させることができる。高電圧電極85に高電圧を印加する電源17は、波形保持時間T0が10μsと極めて短い電圧を印加する。電源17には、図1で示したエネルギー供給手段17が適用される。エネルギー供給手段17は、好ましくは、太陽光、太陽熱、風力などの再生可能エネルギーを供給する手段である。
(水素製造方法)
水素製造手段8aを使用した水素製造方法は、以下のとおりである。
アンモニアと、希ガスまたは窒素などの不活性ガスからなるキャリアガスとをガス混合部71で混合し、ガス流路部材70のガス流路Rに導入して、波長200nm以下の光を含む紫外線を照射する。特にこのとき、下記の式11を満たす条件で混合ガスに紫外線を照射することで、高い生成率で水素を製造することができる。
水素製造手段8aを使用した水素製造方法は、以下のとおりである。
アンモニアと、希ガスまたは窒素などの不活性ガスからなるキャリアガスとをガス混合部71で混合し、ガス流路部材70のガス流路Rに導入して、波長200nm以下の光を含む紫外線を照射する。特にこのとき、下記の式11を満たす条件で混合ガスに紫外線を照射することで、高い生成率で水素を製造することができる。
水素製造手段8bを使用した水素製造方法は、以下の第一から第四の工程を備えている。第一の工程は、アンモニア製造手段6がアンモニア供給手段7を経由して放電空間84に所定の流量でアンモニアガスを供給する工程である。第二の工程は、アンモニアガスの流量に基づいて、高電圧パルス電源の印加電圧と周波数とを調整する工程である。第三の工程は、高電圧電極85の水素分離膜92と、接地電極87との間で誘電体バリア放電を発生させて、放電空間84の中にアンモニアの大気圧非平衡プラズマを発生させる工程である。第四の工程は、アンモニアの大気圧非平衡プラズマから発生した水素ガスを、水素分離膜92を通過させて内室86に移動させることで分離する工程である。
以上説明したように、硝酸製造手段4によって窒素酸化物から硝酸を製造し、アンモニア製造手段6によって硝酸を還元してアンモニアを製造し、水素製造手段8によってアンモニアを分解して水素を製造する本発明のエネルギー貯蔵輸送方法およびエネルギーキャリアシステムによれば、再生可能エネルギーを利用して、高効率かつ安価に水素を製造することが可能となる。
以下では、本発明の実施形態を具現化したエネルギーキャリアシステムを用いて、エネルギー貯蔵輸送方法を実施した例について説明する。
第一の工程として、硝酸製造手段4を用いて、排ガス中の窒素酸化物から硝酸を製造した。硝酸製造手段4は、内径(R1)52.9mm、長さ(L1)847mmの光反応器41の中央に、光源として1台のXeエキシマランプ44を配置している。使用したXeエキシマランプ44は、中心波長が172nmの光を発生するランプである。ここでは、ランプ径(R2)20mm、発光長(L2)800mm、ランプ面出力36mW/cm2のXeエキシマランプを用いている。
本実施例において被処理ガス供給手段2から硝酸製造手段4に供給した被処理ガスは、一酸化窒素1200ppmと酸素8.3vol%と水分14.9%とを含む、温度150℃のガスである。供給する流量は20L/minとし、Xeエキシマランプ44の光を照射した。この時のHNO3転化率は81.4%であった。すなわち、HNO3は100%換算として3.3g/h得られた。また、得られた硝酸水溶液の硝酸濃度は36.9wt%、硝酸水溶液量は179mL/hであった。ここで、HNO3転化率は、以下の式12で計算される。
本実施例において硝酸製造手段の消費電力は185Whであった。この電力は、再生可能エネルギーで発電された電力や熱プロセスの廃熱で発電された電力を用いることができる。本実施例では、排ガス中の窒素酸化物を連続的かつ定常的に硝酸に転換するため、太陽光発電モジュールで発電した電力をリチウムイオン電池(サンワサプライ社製,BTP―1000)に蓄電し、その放電によって硝酸製造手段4を稼働した。
第二の工程として、アンモニア製造手段6を用いて、硝酸製造手段4で得られた硝酸水溶液からアンモニアを製造した。本実施例で用いたアンモニア製造手段6は、内径95mm、高さ175mmの反応器62を備えている。反応器62の中央には、1台の低圧水銀ランプで構成されている光源63を配置した。使用した低圧水銀ランプは、波長254nmを含む紫外線を発生するランプ(ヘレウス(株)製,G8T5VH/4)である。ここでは、ランプ径10mm、発光長100mmの低圧水銀ランプを用いている。
アンモニア製造手段6には、アンモニアの原料として、硝酸製造手段4で製造した36.9wt%の硝酸水溶液300mLと、硝酸の25倍当量の水酸化ナトリウムと、硝酸の8倍当量の塩化チタンとを供給し、混合液とした。硝酸水溶液と水酸化ナトリウムと塩化チタンからなる混合液を攪拌機69で混合し、室温15℃の混合液として、これに光源63から光を照射した。この時の硝酸からアンモニアへの還元効率は81%であった。すなわち、アンモニアガスは100%換算として31.9L/h得られた。ここで、硝酸からアンモニアへの還元効率は、以下の式13で計算される。
本実施例においてアンモニア製造手段6の消費電力は8Whであった。この電力は、再生可能エネルギーで発電された電力や熱プロセスの廃熱で発電された電力を用いることができる。本実施例では、硝酸を連続的かつ定常的にアンモニアに転換するため、太陽光発電モジュールで発電した電力をリチウムイオン電池(サンワサプライ社製,BTP―1000)に蓄電し、その放電によってアンモニア製造手段6を稼働した。
第三の工程として、水素製造手段8bを用いて、アンモニア製造手段6で得られたアンモニアガスから水素を製造した。水素製造手段8bは、内径45mm、長さ490mmの大気圧プラズマ反応器83を備えている。大気圧プラズマ反応器83の高電圧電極85は、パラジウム合金製の水素分離膜92を備えている。水素分離膜92は、プラズマ反応器83の内部に、プラズマ反応器83の内壁に対して1.5mmの距離を隔てて同心円状に配置されている。
本実施例において水素製造手段8bに供給した原料は、濃度約100%のアンモニアガスである。このアンモニアガスは、アンモニア製造手段6で製造し、アンモニア保管手段13として容量2.0Lのポリフッ化ビニル製テドラ-バッグに貯留したものを使用した。アンモニアガスは、流量0.8L/min(48L/h)で水素製造手段8bに供給した。この時の水素生成流量は1.2L/min(72L/h)であり、アンモニアから水素への転換効率は約100%であった。ここで、アンモニアから水素への転換効率は、以下の式14で計算される。
本実施例において水素製造手段8bの消費電力は300Whであった。本実施例では、アンモニアを連続的かつ定常的に水素に転換するため、太陽光発電モジュールで発電した電力をリチウムイオン電池(サンワサプライ社製,BTP―1000)に蓄電し、その放電によって水素製造手段8bを稼働した。
ここで本実施例における、窒素酸化物を原料として、再生可能エネルギーをアンモニアおよび水素に変換した場合の総合変換効率を示す。表1は、水素製造手段8bを1時間運転し、72Lの水素を製造した場合のエネルギー収支をまとめたものである。72L/hの水素を製造するために、アンモニア製造手段6で48L/hのアンモニアガスを製造して水素製造手段8bに供給した。このアンモニアガスを製造するために、36.9%硝酸水溶液452mLをアンモニア製造手段6に供給し、アンモニア製造手段6を1.5時間運転した。そして、36.9%硝酸水溶液452mLを製造するために、1200ppmの窒素酸化物を含む20L/minの排ガスを硝酸製造手段4に供給し、硝酸製造手段4を2.5時間通過させた。
第一の製造工程から第二の製造工程までの消費電力は、全て再生可能エネルギーから得られたものであるから、本実施例のエネルギーキャリアシステムを用いて再生可能エネルギーをアンモニアに変換する変換効率は、以下の式15で計算できる。計算の結果、本実施例におけるアンモニア総合変換効率は47.5%であった。この値は、従来のエネルギー貯蔵方法での総合変換効率に比較して、有意に高いことが明らかである。
第三の製造工程の消費電力もまた、全て再生可能エネルギーから得られたものであるから、本実施例のエネルギーキャリアシステムを用いて再生可能エネルギーを水素に変換する総合変換効率は、以下の式16で計算できる。
計算の結果、本実施例の水素総合変換効率は32.5%であった。この値は、従来の方法での総合変換効率に比較して、有意に高い。本発明のエネルギーキャリアシステムと、これを用いたエネルギー貯蔵輸送方法の効果は明らかである。
本発明のエネルギー貯蔵輸送方法とエネルギーキャリアシステムは、再生可能エネルギーの貯蔵と輸送を可能として、再生可能エネルギー特有の電力供給の不安定さを解消することができるため、特に再生可能エネルギーを用いた発電施設に適用が可能である。また、再生可能エネルギーに限定されることなく、種々の発電施設にも適用が可能である。さらに窒素酸化物を発生させる燃焼器を有する施設に適用して、脱硝と水素の製造とを同時に行うことも可能である。
1 エネルギーキャリアシステム
2 被処理ガス供給手段
3 ガス供給路
4 硝酸製造手段
5 硝酸供給手段
6 アンモニア製造手段
7 アンモニア供給手段
8、8a,8b 水素製造手段
9 水素供給路
11 硝酸保管手段
12 硝酸輸送手段
13 アンモニア保管手段
14 アンモニア輸送手段
15,16,17 エネルギー供給手段
2 被処理ガス供給手段
3 ガス供給路
4 硝酸製造手段
5 硝酸供給手段
6 アンモニア製造手段
7 アンモニア供給手段
8、8a,8b 水素製造手段
9 水素供給路
11 硝酸保管手段
12 硝酸輸送手段
13 アンモニア保管手段
14 アンモニア輸送手段
15,16,17 エネルギー供給手段
Claims (7)
- 窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造工程と、
硝酸を還元してアンモニアを製造するアンモニア製造工程と、
アンモニアを分解して水素を製造する水素製造工程と、を含むエネルギー貯蔵輸送方法であって、
前記硝酸製造工程は、窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスに175nmよりも短い波長の紫外線を含む光を照射することを特徴とするエネルギー貯蔵輸送方法。 - 前記アンモニア製造工程は、
硝酸水溶液と水酸化チタンとを供給して混合液とする原料供給工程と、
水酸化チタンの還元作用によって硝酸からアンモニアを製造する還元工程と、を備えており、
アンモニアガス、液化アンモニア、またはアンモニア水から選択される一以上の物質を製造することを特徴とする請求項1に記載のエネルギー貯蔵輸送方法。 - 前記硝酸製造工程、前記アンモニア製造工程、または前記水素製造工程から選択される少なくとも一つの工程が、
再生可能エネルギーによって製造される電力、
再生可能エネルギーによって製造される電力および熱、
または再生可能エネルギーによって製造される電力および熱プロセスから得られる熱、のいずれかを使用することを特徴とする請求項1または2に記載のエネルギー貯蔵輸送方法。 - 硝酸製造手段と、
アンモニア製造手段と、
水素製造手段と、
を備えており、
前記硝酸製造手段が、光反応器と、当該光反応器に窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段と、前記光反応器内に配置されており175nmよりも短い波長の紫外線を含む光を発生させる光源と、を備えていることを特徴とするエネルギーキャリアシステム。 - 前記アンモニア製造手段が、反応器と、硝酸供給部と、チタン供給部と、波長308nm以下の短波長の光を発生する光源と、を備えていることを特徴とするエネルギーキャリアシステム。
- 硝酸保管手段と硝酸輸送手段をさらに備えており、
硝酸をエネルギーキャリアとすることを特徴とする請求項4または5に記載のエネルギーキャリアシステム。 - アンモニア保管手段とアンモニア輸送手段とをさらに備えており、
アンモニアガス、液化アンモニア、またはアンモニア水から選択されるすくなくとも一つの物質をエネルギーキャリアとすることを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載のエネルギーキャリアシステム。
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