(57)【要約】【課題】コジェネ発電は発電と排熱回収によって燃料の利用効率を高めＣＯ２を削減出来る大変有効な方法であるが社会的要望の高い冷凍・冷房には効果が少なく、熱利用の多い所以外ではメリットが少ない。新技術により冷凍・冷房機能を得る事が課題である。【手段】液体アンモニアを主燃料として使用するコジェネ発電ではＣＯ２排出はゼロに近い。本発明では燃料の液体アンモニアを熱機関で燃焼させる前に熱機関とは別の蒸発器で蒸発させ、その蒸発潜熱で得られた冷熱を外部の冷却器に供給して冷凍・冷房を行いコジェネ発電の大きな課題を解決する手段を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを主燃料とするガスタービン、ボイラー、ピストンエンジン等の熱機関に於いて燃料の液体アンモニアを熱機関に供給する前に予め別に設けた蒸発器内で蒸発させその時に発生する冷熱を冷熱媒体によって冷却器に与えて外部の冷凍・冷却を可能とする事を特徴としたコジェネ発電装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明はアンモニアを主燃料とするガスタービン、ボイラー、ピストンエンジン等の熱機関に於いて燃料アンモニアの蒸発潜熱を使用した冷凍・冷房機能を付加したコージェネ発電に関する物である。
【背景技術】
【０００２】    近年、地球温暖化に起因すると思われる自然災害が世界各地で頻発し、温暖化ガスの排出規制は将来の人類の生存のために避けて通れない喫緊の課題となっている。
中でもＣＯ２ガスは温暖化の主因で在りＩＰＣ等の国際機関が排出ゼロを目指して活動している。  ＣＯ２排出の主原因は炭化水素燃料の燃焼である事が既に広く認知されているが、炭化水素燃料は今日の社会活動に欠くことのできない電力、運輸、製鉄等の巨大産業に膨大なエネルギーを供給しているのでその代替なしには強い規制をする事は不可能である。【０００３】    このエネルギー問題の根本的解決策の一つとして太陽エネルギーの利用があげられる。発明者は砂漠の様な日射量の多い地域で無尽蔵の太陽エネルギーを使って水と空気からカーボンを含まない物質であるアンモニアを大量・安価に合成し、それをエネルギー・キャリヤとして日射量が乏しいエネルギー消費地域に輸送し、其処でアンモニアを燃料として使ってエネルギーを取り出し炭化水素燃料の代わりに使用する事を既に提案して来た。（特許文献１）【０００４】    しかしながら、アンモニアは窒素肥料として古くから存在していたが不燃物質に分類されている様に着火、燃焼は容易では無く従来は燃料としては殆ど認知されて居なかった。本発明者はＣＯ２排出ゼロを目指しこのような燃焼が困難なアンモニアをガスタービン、ボイラー、ピストンエンジン等の既存の各種熱機関の燃料として使用する事を研究して来た。中でも電力供給の主流で有るガスタービンを対象に重点的に燃焼の研究を行い大改造を行う事なしに容易にアンモニアを燃焼させる技術を考案した。（特許文献２）
【先行技術文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０１２５５９号
【特許文献２】特許第５１１５３７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】    従来から燃料のエネルギー有効利用の一手段としてコジェネ発電装置が広く知られ、一部のホテル、学校、病院、商業施設、工場等で採用されている。この方法の特徴はガスタービン、ボイラー、ピストンエンジン等の熱機関を使って発電を行い、高温のまま排出され捨てられていた排気ガスのエネルギーを熱として回収し、加熱・暖房に利用して装置全体の総合効率を大きく改善できる事である。【０００７】    しかしながら、このような装置に使用されている小型の熱機関による発電効率は大型の火力発電所に比べると著しく低く小型ガスタービンの場合には十数パーセントに留まっている。ボイラー、ピストンエンジン等の場合も同様で熱機関が小型である為の宿命と言えよう。この欠点を補うためにコジェネ発電方式が開発され排気ガス中の熱エネルギーを回収して加熱・暖房に使用する事で装置全体のエネルギー効率を７０〜８０％と高めており数字上は素晴らしい成果を達成しているが、実際の使用では社会の要求を満たせていない場合が多い。【０００８】    今日の社会では季節に拘わらず冷凍・冷房の要求が高いが従来のコジェネ発電では温熱は充分得られるものの冷凍・冷房は主として発電した電力でヒートポンプを駆動して得ている。先に述べたように小型熱機関を使用するコジェネ発電の発電効率は極めて低いので其の貴重な電力を冷凍・冷房用に使用すると本来の目的に使える電力が著しく少なく成り、回収した熱だけが余ってしまう事が多い。ヒートポンプ方式以外のコジェネ発電の冷凍・冷房方式としては回収した排気熱を使った吸収冷凍・冷房方式があるが、この場合は装置が大きく成り大型の冷却塔が必要に成る等適用できる場所が限定され、更に低効率で保守管理も大変なので余り普及していない。従って加熱・暖房用の熱利用が特に多い場合以外コジェネ発電のメリットは少なくコジェネ発電普及の大きな障壁に成って居る。【０００９】    一方、コジェネ発電は分散電源であり、エネルギーの有効利用に加えて災害時の停電リスク、送電網の建設・保守コストの面からも将来の発展が期待されて居り、冷凍・冷房を如何にして効率良く低コストで行えるかが最大の課題である。
本発明はアンモニアを主燃料とするコジェネ発電の冷凍・冷房を従来とは全く別の方法で簡便、低コストで解決する為になされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】    液体アンモニアの蒸発潜熱は非常に大きく以前からアンモニア冷凍機として広く知られている。アンモニアの蒸発潜熱は１ｋｇ当たり１．３７ＭＪであり、燃焼時の低発熱量は１ｋｇ当たり１８．８ＭＪであるので発熱量の７．２８％相当に成る。これは一般に小型熱機関に使われているＬＰＧ燃料の０．８８％に比べ驚異的に大きい。つまり燃料として液体アンモニアを使用した場合には液体ＬＰＧに比べて８．３倍の蒸発潜熱を利用できるので、従来検討されて来なかった燃料が持つ蒸発潜熱の冷凍・冷房への利用の可能性を見いだせる。
更にその沸点は−３３．５℃であり冷凍・冷房用の冷熱源として望ましい温度域である。
灯油等の燃料は蒸発潜熱は大きいが沸点が数十度以上と高いので冷熱源としては全く利用できない。又、アンモニアは従来から広く冷凍・冷房に使われているフロンガスに比べ大気に放出された場合にもオゾン層破壊が無く、温暖化係数もゼロであるので広く普及するのには極めて望ましい特性を有している。【００１１】    このようにアンモニアは冷媒として優れた物質であるが、従来からある通常のアンモニア冷凍・冷房機では蒸発時に液体から気体に相変化したアンモニアガスを再びコンプレッサーで圧縮して液体アンモニアに戻しサイクルとして循環させなければ成らない。
この場合、コンプレッサーを駆動する為の電力、圧縮時の発熱を取り除く冷却塔、循環ポンプ等が必要になり、その為のエネルギーと設備を必要とする。一方、本発明の様にアンモニアを燃料として使用する場合には液体から気体に蒸発したアンモニアガスを再度液体アンモニアに戻す必要は無く、そのまま気体の状態で熱機関に供給出来るのでサイクル循環の為のエネルギーと設備は不要に成る。【００１２】    液体から蒸発した温度の低い燃料蒸気は吸入、圧縮時に空気との混合気体の温度を下げるのでガスタービン、ピストンエンジンの様な内燃機関では出力が高く成り望ましい。アンモニアのオクタン価は非常に高いので圧縮時に異常燃焼は起こらない。燃焼室内では燃料液滴が周囲から蒸発熱を奪う事が無くなり燃焼は安定するが半面、均一予混合型の燃焼に近く成るのでＮＯｘは増加し、必要に応じて排気系での後処理の強化と燃焼室の再設計が必要となる。コストアップは余り生じないが新たな燃焼研究は必要である。【００１３】    本発明者は以上の事実に着目し、燃料として液体アンモニアを直接熱機関に供給するのではなく、燃料通路の途中に新たに蒸発器を設けて液体アンモニアをここで蒸発させ冷熱を獲得しそれを冷媒で循環させて別の場所にある冷却器の冷凍・冷房に活用する事とした。蒸発したアンモニアガスは熱機関にガス燃料として供給するが熱機関の必要に応じて他の補助燃料と混合しても構わない。この場合補助燃料として炭化水素燃料を加えた場合にはそれに含まれるカーボンの燃焼でＣＯ２が発生するので注意が必要である。コジェネ発電としての電力、排気熱エネルギー回収は従来のコジェネ装置と同一である。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によってコジェネ発電の発電、排気熱回収に大きな影響を及ぼす事無く、従来のコジェネ発電の最大の課題であった冷凍・冷房の能力を簡単、低コストで獲得する事が可能となった。本発明によって燃料を余分に追加する事なく得られる冷凍・冷房能力は極めて大きく、供給燃料の発熱量の約７％に相当する。（冷熱量は７．２８％であるが、若干のヒートロス、冷媒循環ロス等を見込んで７％とした）【００１５】  この効果を数値的にどのように計算するのが適切であるか今後検討する必要があるが、此処では燃料の持つエネルギーをどれだけ有効利用できるかの視点で評価してみる。
現在計算可能な３００ｋｗ級マイクロガスタービンのデーターを使うと以下のように成る。
・アンモニア供給熱量    ：３１６ｋｇ／ｈ×１８．８ＭＪ／ｋｇ＝５９４０ＭＪ／ｈ＝１６５０ｋｗ．
・タービン発電機出力    ：３００ｋｗ
・発電効率              ：１８．２％
・排気熱回収効率        ：６０％
・総合効率              ：７８．２％
これに蒸発器で回収可能な燃料発熱量に対する冷熱の７％をそのまま追加すれば
・新総合熱効率          ：７８．２％＋７％＝８５．２％
・効率向上割合          ：７％÷７８．２％×１００＝９％
以上のように本発明の簡単な装置の追加で液体アンモニア燃料の蒸発熱を利用するとコジェネ発電装置の効果は従来の物に比べて９％の効率向上効果を得る事が出来る。
これは他の吸収型冷凍・冷却装置に比較すると初期投入コスト、維持費、設備空間が大きく改善され、商用電力を使ったヒートポンプ式冷凍・冷却方式に比べ運用コストは低く抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の装置、エネルギーフロー全体のブロック図を示す。
【発明を実施する為の形態】
【００１７】  以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明全体の構成部品と燃料アンモニア、補助燃料、燃焼ガス、熱エネルギー、電力の流れを示したものである。
【００１８】  液体アンモニアタンク１に貯蔵されている燃料はパイプを通って液体アンモニア８として蒸発器２に供給され、蒸発器２の内部に設けられたパイプ内を循環しながら流れている冷却冷媒１３から熱を受け取り蒸発する。この結果冷却冷媒１３は熱を奪われて温度が低下するが循環して冷却器５から外部の熱を受け取り、温度を上げて再び蒸発器２に戻る。このようなプロセスが連続して起こる事により外部の熱は冷却器５を通してアンモニアの蒸発に使われアンモニアの蒸発潜熱による冷凍・冷房が可能となる。
【００１９】  蒸発器２で蒸発したアンモニアはガスアンモニア９として熱機関３に供給される。
熱機関３には始動時及び燃焼不安定時用に可燃性の補助燃料１０が供給されるがそれ以外の運転時にも必要に応じてガスアンモニアと一緒に燃やしても良い。（特許文献２）
熱機関３がガスタービン、ピストンエンジン等の内燃機関の場合には圧縮行程が有るので温度の低いガスアンモニアは好都合である。熱機関と一体になった発電機からは通常のコジェネ発電と同様に電力１５が照明、モーター等の各種電気器具７に供給される。
【００２０】    熱機関から排出される高温排気ガス１１は通常のコジェネ発電と同様の熱交換器４に入り、高熱媒体１４に熱を与えた後に排気ガス１２として大気に排出される。必要に応じて排気ガス処理装置を通すことも有る。循環している高熱媒体１４は熱交換機４から受け取った高温の熱を放熱器６に与え外部の加熱・暖房に活用する。このプロセスは通常のコジェネ発電と同じである。
【００２１】      以上の連続した運転により本発明では電力、排熱回収に加えて冷熱を容易に低コストで獲得できる。この事により向上する装置全体の効率向上は９％に及びＣＯ２を大きく低減しながら同時に燃料効率の向上も達成している。尚、本発明のコジェネ発電装置は燃料効率が非常に高いので定置用のみではなく全部もしくはその一部を船舶、電車、自動車等に搭載してＣＯ２削減に役立てる事も可能である。
【符号の説明】
【００２２】      １液体アンモニアタンク
２蒸発器
３熱機関（発電機内装型）
４熱交換機
５冷却器
６放熱器
７電気器具
８液体アンモニア
９ガスアンモニア
１０可燃性補助燃料
１１高温排気ガス
１２排気ガス
１３冷熱媒体
１４高熱媒体
１５電力
【図１】
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