(57)【要約】【課題】環境負荷を低減しつつ、発電効率を向上させることができる発電システムを提供すること。【解決手段】本発明は、バイオマス燃料を使用した発電システムであって、空気から酸素を分離して供給する酸素供給部と、前記酸素供給部から供給される前記酸素を前記バイオマス燃料の燃焼に用いて発電機を稼働して電力を発生させる発電部と、前記電力を用いて水を電気分解して酸素と水素とを生成し、前記発生させた酸素ガスを前記酸素供給部に供給する水電解部と、前記生成された水素を貯蔵する水素吸蔵部と、を備える、発電システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス燃料を使用した発電システムであって、
空気から酸素を分離して供給する酸素供給部と、
前記酸素供給部から供給される前記酸素を前記バイオマス燃料の燃焼に用いて発電機を稼働して電力を発生させる発電部と、
前記電力を用いて水を電気分解して酸素と水素とを生成し、前記発生させた酸素を前記酸素供給部に供給する水電解部と、
前記生成された水素を貯蔵する水素吸蔵部と、を備える、
発電システム。
【請求項２】
前記発電部は、水を煮沸して水蒸気を発生させて前記発電機を稼働させるボイラーを備え、
前記ボイラーから発生した前記水蒸気から生成された復水は、前記水電解部または前記ボイラーのうち少なくともいずれか一方において利用されるように構成されている、
請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記ボイラーおよび前記発電機から発生した排熱は、前記ボイラーに供給される水の加熱、前記水電解部に供給される水の加熱、及び前記水素吸蔵部の加熱のうち少なくともいずれか一つに用いられるように構成されている、
請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記発電部は、前記バイオマス燃料をガス化してバイオガスを生成するガス化炉と、前記バイオガスを燃焼して発電する前記発電機と、を備える、
請求項１に記載の発電システム。
【請求項５】
前記ガス化炉で生成された前記バイオガスは前記水素吸蔵部に供給され、
前記水素吸蔵部において前記バイオガスに含まれる水素が分離されて貯蔵されるように構成されている、
請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記水素吸蔵部において分離された前記バイオガスに含まれる前記水素以外のガスが回収されるように構成されている、
請求項４または５に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス発電を用いて環境負荷を低減するための発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止のため、発電過程において排出される二酸化炭素を抑制することが求められている。そのため、再生可能エネルギーや排熱等の未利用エネルギーを用いて二酸化炭素を抑制する発電方法が研究されている。例えば、二酸化炭素を抑制する燃料として水素を利用する技術が注目されている。
【０００３】
これに関連して、発電プラントの排熱を利用して液体水素および助燃剤である液体酸素を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。酸素や水素を液化貯留する場合、システムが大規模かつ複雑になり大量のエネルギーを消費する。水素を貯蔵する際には高圧化、液化などの方法が考えられるが、圧縮水素は体積あたりのエネルギー密度が低く、大容量の水素を貯蔵するためには大規模な貯蔵施設が必要であり、液化する際には液化用設備と低温液化状態を保つ高性能な断熱タンクが必要である。また、いずれの場合も高圧ガス保安法や消防法によって敷地や保安体制に関する規制を受ける。そのため、水素を用いた発電システムを導入する場合、システムを小型化することが困難となる。
【０００４】
環境負荷が低い他の発電方法として自然由来のバイオマス燃料を用いたものがある。これは、バイオマスを燃焼させタービンを回して電力を発生させるものである。この発電方法によれば、発電過程で二酸化炭素を排出するが、排出される二酸化炭素は成長段階の植物が光合成によって吸収したものであるため、二酸化炭素の排出と吸収が釣り合った炭素循環に対して中立であるというカーボンニュートラルの概念が適用され、二酸化炭素は実質的に排出していないと見なされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２１０５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイオマス燃料を用いた発電方法では、カーボンニュートラルであるものの、バイオマス燃焼過程において高温高圧下で燃料を燃焼させるため、窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する。また、バイオマス燃料を用いた発電方法において、蒸気タービン方式の発電を導入した場合、発電効率を高めるための小型化は難しいという課題がある。更に、バイオマス燃料を用いた発電方法において、小型化可能なガス化発電方式を導入した場合、発電量に対する送電設備費用が相対的に高くなるという課題がある。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、環境負荷を低減しつつ、発電効率を向上させることができる発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達するために、本発明は、バイオマス燃料を使用した発電システムであって、空気から酸素を分離して供給する酸素供給部と、前記酸素供給部から供給される前記酸素ガスを前記バイオマス燃料の燃焼に用いて発電機を稼働して電力を発生させる発電部と、前記電力を用いて水を電気分解して酸素と水素とを生成し、前記発生させた酸素を前記酸素供給部に供給する水電解部と、前記生成された水素を貯蔵する水素吸蔵部と、を備える、発電システムである。
【０００９】
本発明によれば、発電部で発生させた電力を用いて水電解部で水素と酸素を発生させ、酸素を発電部におけるバイオマス燃料の燃焼に利用することで、発電部における窒素酸化物の発生を低減することができる。
【００１０】
また、本発明に係る発電システムは、前記発電部が水を煮沸して水蒸気を発生させて前記発電機を稼働させるボイラーを備え、前記ボイラーから発生した前記水蒸気から生成された復水は、前記水電解部または前記ボイラーのうち少なくともいずれか一方において利用されるように構成されていてもよい。
【００１１】
本発明によれば、ボイラーから発生した水蒸気を水電解部に供給することで、水電解に用いるための純水を容易に入手することができる。また、本発明によれば、ボイラーから発生した水蒸気から生成された復水を再びボイラーで利用することで、熱効率を上げる共に、節水をすることができる。
【００１２】
前記ボイラーおよび前記発電機から発生した排熱は、前記ボイラーに供給される水の加熱、前記水電解部に供給される水の加熱、及び前記水素吸蔵部の加熱のうち少なくとも一つに用いられるように構成されていてもよい。
【００１３】
本発明によれば、ボイラーおよび発電機から発生した排熱を水電解部や水素吸蔵部で有効利用することで、熱効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る発電システムは、前記発電部は、前記バイオマス燃料をガス化してバイオガスを生成するガス化炉と、前記バイオガスを燃焼して発電する前記発電機と、を備えるように構成されていてもよい。
【００１５】
本発明によれば、バイオガスを生成するガス化炉を備えることにより、システム構成を小型化することができ、地域の規模や供給量等の特性に合わせて導入することができる。
【００１６】
また、本発明に係る発電システムは、前記ガス化炉で生成された前記バイオガスは、前記水素吸蔵部に供給され、前記水素吸蔵部において前記バイオガスに含まれる水素が分離されて貯蔵されるように構成されているようにしてもよい。
【００１７】
本発明によれば、生成したバイオマスガスから水素吸蔵部で水素を分離することで精製設備を新たに設置する必要がなく装置構成を簡略化することができる。
【００１８】
また、本発明に係る発電システムは、前記水素吸蔵部において分離された前記バイオガスに含まれる前記水素以外のガスが回収されるように構成されているようにしてもよい。
【００１９】
本発明によれば、水素吸蔵部において分離されたバイオガスに含まれる水素以外のガスが回収されることにより、バイオマス燃料の利用効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る発電システムによれば、環境負荷を低減しつつ、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の発電システムの構成の一例を示す図である。
【図２】第２実施形態の発電システムの構成の一例を示す図である。
【図３】第３実施形態の発電システムの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る発電システムの実施形態について説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１に示されるように、第１実施形態に係る発電システム１は、バイオマス燃料を用いて蒸気タービン方式で発電しつつ、水素を生成するシステムである。
【００２４】
発電システム１は、例えば、電力を発生するバイオマス発電部２と、水を電気分解するための水電解部１０と、水電解部１０で発生した水素ガスを貯蔵する水素吸蔵部２０と、酸素の生成および貯蔵をするための酸素供給部４０とを備える。
【００２５】
発電システム１は、バイオマス発電部２の炉内に酸素供給部４０から供給された酸素を混合し、燃焼効率を向上させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制しつつも環境に低負荷な水素製造を行うことができるシステムである。更に、発電システム１は、バイオマス発電部２の排熱と地下水を利用して水素吸蔵部２０の貯蔵を行い、水素の貯蔵と供給を効率化すると共に、安全性を向上させることができるシステムである。
【００２６】
バイオマス発電部２は、例えば、水蒸気を発生させるボイラー３と、水蒸気を用いて電力を発生させる発電部４と、発電部４から水蒸気を回収して水を回収する復水器５とを備える。
【００２７】
ボイラー３は、例えば、バイオマス燃料の燃焼過程で発生する燃焼熱により水を煮沸して、水蒸気を発生させる。バイオマス燃料は、例えば、木材チップ等の自然由来の原料を用いた燃料である。バイオマス燃料は、例えば、木材や雑草等を原料として生成される。ボイラー３は、基本的には大気中の酸素で燃料を燃焼する。ボイラー３には、酸素供給部４０が配管４３を介して接続されている。燃料の燃焼過程で酸素濃度が不足する場合、酸素供給部４０から酸素が供給される。これにより、窒素酸化物の発生が低減される。ボイラー３で発生した水蒸気は、配管３Ｐを介して発電部４に供給される。
【００２８】
発電部４は、例えば、タービン式の出力部を備える。発電部４は、配管３Ｐから供給される高圧の水蒸気をブレードに当ててブレードに接続された出力軸を回転させ、出力軸に接続された発電機で電力を発生させる。発電部４で発生した電力は、電力線４Ｑを介して住宅等の各設備に供給される。発電部４で発生した電力の一部は、電力線４Ｑを介して水電解部１０に供給される。発電部４で発生した電力は、全て水電解部１０に供給されるようにしてもよい。
【００２９】
発電部４に供給された水蒸気は、配管４Ｐで接続された復水器５に排出される。復水器５内では、水蒸気が凝縮され、水となる。復水器５で回収された水は、ポンプにより第１配管５Ｐを介して再びボイラー３に供給される。また、復水器５で回収された水の一部は、ポンプにより第２配管５Ｑを介して水電解部１０に供給される。
【００３０】
水電解部１０は、電解水を貯留し、電気分解するための電解槽１１を備える。電解槽１１には、電解水として第１配管１１Ｐを介して地下水あるいは河川の水が供給される。地下水あるいは河川の水は、ろ過された後に利用される。電解槽１１には、復水器５からも水が供給される。復水器５からの水は比較的不純物が少ないと考えられるため、そのまま電解水として利用できるからである。電解水として、後述の水素吸蔵合金の冷却に使用した地下水(温水)をろ過して利用してもよい。
【００３１】
水電解部１０は、バイオマス発電部２で発生した電力の一部を使用して水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスを発生させる。水の電気分解は、吸熱反応であるため水の温度が高い方が必要な電力が低減されるので、電解槽１１には、復水器５から高温の水が供給される。更に、電解槽１１には、配管Ｈを流れる冷媒を介してボイラー３と発電部４からの排熱が利用され、電解槽１１内の水が加熱される。
【００３２】
水電解部１０において生成された酸素ガス（副生酸素）は、第２配管１１Ｑを介して後述の圧縮酸素タンク４２で圧縮されて貯蔵される。酸素ガスは、液化貯蔵するためのエネルギーを省くために大気放出してもよい。また、水電解部１０において生成された酸素ガスは、ほぼ純酸素であるため、脱水し加圧した後、精製を行わずそのままボイラー３の炉内へ供給されてもよい。水電解部１０で発生した水素ガスは、第１配管１１Ｐを介して水素吸蔵部２０に供給される。
【００３３】
水素吸蔵部２０は、例えば、熱を回収するための熱交換器２１と水素を貯蔵するための水素吸蔵合金２２とを備える。熱交換器２１には、くみ上げられた地下水が流通する配管Ｔが接続されている。地下水は、熱交換器２１に接続された配管Ｈからの熱により熱交換され加熱される。熱交換器２１で加熱された地下水は、配管Ｔを介してボイラー３に供給される。
【００３４】
水素吸蔵合金２２は、水電解部１０で発生した水素ガスを吸着し、一時的に貯蔵するための金属を備える。水素吸蔵合金２２に貯蔵された水素は、需要に応じて取り出され、パイプラインによる気体の状態、液体水素の状態、もしくは圧縮水素の状態により需要地へ輸送され、利用される。圧縮水素を用いる場合には、昇圧は水素吸蔵合金を用いて行ってもよい。
【００３５】
水素吸蔵合金２２には、配管Ｈが接続されており、貯蔵された水素を放出する際に、配管Ｈから供給される熱により加熱される。水素吸蔵合金２２には、また、地下水が流通する配管Ｔが接続されており、水素を吸蔵する際に水素の吸着の反応性を向上させるために、配管Ｔ内を流通する地下水により冷却される。
【００３６】
酸素供給部４０は、酸素を生成するための酸素製造装置４１と、酸素の貯蔵及び供給をするための圧縮酸素タンク４２とを備える。酸素製造装置４１は、例えば、圧力空気吸着法（ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法）または膜分離法によって空気から酸素を分離して生成する。酸素製造装置４１は、燃料の燃焼過程で酸素が不足する場合には生成した酸素をボイラー３へ供給する。酸素製造装置４１は、ボイラー３に供給する酸素が必要でない場合、圧縮酸素タンク４２に酸素を貯蔵する。酸素製造装置４１は、燃料の燃焼過程で酸素が更に不足する場合には圧縮酸素タンク４２に貯蔵された酸素をボイラー３に供給する。圧縮酸素タンク４２には、水電解部１０で発生した副生酸素も貯蔵される。
【００３７】
発電システム１には、更に、燃料電池(Fuel Cell:FC)Ｆが設けられていてもよい。燃料電池Ｆにより、水素吸蔵合金２２から放出される水素を用いて本設備・施設内に電力を供給してもよいし、停電時のバックアップ用の発電部として用いられてもよい。
【００３８】
上述した発電システム１によれば、水電解による水素の生成において同時に生成される酸素は従来未利用であったが、これを有効利用することでバイオマス発電の効率を向上させると共に、窒素酸化物の排出を低減することができる。また、発電システム１によれば、バイオマス燃料を利用したバイオマス発電部２から排出される二酸化炭素はカーボンニュートラルであるため環境負荷を低減することができる。また、発電システム１によれば、水電解に用いるための純水を復水器５から容易に入手することができる。
【００３９】
また、発電システム１によれば、水素吸蔵合金２２の利用エネルギーを、高温熱源のボイラー３から安定的に供給される排熱と、低温熱源として年中安定した温度(１０数℃)である地下水を用いて賄うため、システム全体の熱効率を向上させることができる。また、発電システム１によれば、熱交換に利用されて温度が上昇した地下水(温水)をボイラー３に供給することで熱効率を上げる共に、ろ過後の水電解にも使用することで節水をすることができる。
【００４０】
また、発電システム１によれば、圧縮水素ガスとして市街地に供給する際に、水素吸蔵合金に吸蔵された水素から水素ガスを取り出して昇圧を行うことができるため、コンプレッサーを省略し、装置構成を簡略化することができる。また、発電システム１によれば、水素の一時的な貯蔵に吸蔵・放出を繰り返しても粉末にならない水素吸蔵合金を用いることで消防法・高圧ガス保安法上の敷地・保安体制等の規制をクリアすることができる。
【００４１】
また、発電システム１によれば、システム内に燃料電池が組み込まれているため、点検時や緊急時などの際にバイオマス発電部２が停止した場合でも、水素吸蔵量が十分であれば蓄電池より設備に電力を長期間供給し続けることができる。
【００４２】
［第２実施形態］
第１実施形態の発電システム１は、バイオマス発電部２にボイラー３と発電部４を用いた高温水蒸気発電を行うものである。第２実施形態では、システムを小型化するためにバイオマス燃料をガス化するガス化炉を用いて発電を行う。以下の説明では、第１実施形態と同一の構成については同一の名称および符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
【００４３】
図２に示されるように、発電システム１Ａは、バイオマス燃料をガス化するガス化炉３Ａにおいて生成されたバイオガスを用いて発電を行うものである。
【００４４】
ガス化炉３Ａにおいて、例えば、木材チップ等のバイオマス燃料が用いられてガス化される。ガス化炉３Ａにおいて、例えば、地下水から供給された水が加えられ、木材チップ等のバイオマス燃料が高温で蒸し焼きの状態にされてバイオガスが生成される。木材チップは、例えば、１０７３〜１２７３［Ｋ］程度に加熱され、熱化学的に分解ガス化される。生成されるバイオガスは、例えば、メタンや水素である。ガス化炉３Ａの木材チップの加熱においてもバイオマス燃料を用いてもよい。
【００４５】
生成されたバイオガスは、配管Ｋを介して水素吸蔵部２０へも供給される。水素吸蔵部２０において、バイオガスは、水素吸蔵合金２２により水素が分離され、貯蔵される。これにより、発電システム１Ａのシステムが小型化される。分離された水素以外のガスは回収され、再利用される。水素以外のガスは、ガス化炉３Ａの燃料として用いてもよい。
【００４６】
ガス化炉３Ａで生成したバイオガスは、例えば、不純物が除去された後、配管３Ｒを介して発電部４Ａに供給される。発電部４Ａは、例えば、レシプロエンジン式やタービン式の出力部を備え、バイオガスを燃焼した際に出力軸を回転させ、出力軸に接続された発電機で電力を発生させる。発電部４Ａは、配管４Ｒを介して地下水により冷却される。発電部４Ａを冷却して暖められた地下水は、ろ過されて電解槽１１に供給される。
【００４７】
上述した発電システム１Ａによれば、バイオマス発電部にガス化発電を用いることでシステムを小型化することができる。上述した発電システム１Ａによれば、生成したバイオマスガスから水素を分離する際、水素吸蔵合金を用いることで精製設備を新たに設置する必要がなく装置構成を簡略化することができる。
【００４８】
［第３実施形態］
バイオマス発電を用いた発電システムを導入する場合、燃料の安定供給と採算性が課題となる。第３実施形態では、バイオマス燃料の安定的な供給体制と、バイオマス発電で生成された水素の提供をも含めた社会インフラとしての発電システムを提案する。
【００４９】
図３に示されるように、発電システム１，１Ａは、バイオマス資源が豊富にある地域に導入される。バイオマス資源が豊富にある地域とは、例えば、スギ等を栽培する林業が営まれている地域である。林業が営まれている地域においては、定期的に材木用に残される樹木以外は間伐材として伐採される。間伐材をチップ状に加工すれば、高品質なバイオマス燃料が安定的に供給される。また、材木の加工過程で排出される端材や木くずもバイオマス燃料として利用できる。従って、バイオマス資源が豊富にある地域に発電システム１，１Ａを導入した場合、大量のバイオマス燃料を長距離輸送する必要がなく、かつ、バイオマス燃料が安定的に供給される。
【００５０】
発電システム１，１Ａで発電された電力や水素は、近隣の市街地や農村部等の地域に供給される。ここで、近隣の地域に燃料電池を利用した社会インフラが構築されている場合、発電システム１，１Ａから水素を安定的に供給することが可能となると共に、電力を送電する送電設備を新たに整備する必要がなくなり、発電コストを低減することができる。発電システム１，１Ａのいずれかを設けるかは、森林や近隣の地域の規模や事業採算性等を考慮して決定される。
【００５１】
上述した発電システム１，１Ａによれば、バイオマス資源が豊富にある地域に導入した場合、燃料の調達コストを低減すると共に、安定的に燃料を調達することができる。また、発電システム１，１Ａによれば、バイオマス資源が豊富にある地域に導入した場合、バイオマスの代わりに水素を市街地や農村部へ供給することでバイオマスの輸送コストを低減することができる。これにより、この地域においては大規模な送電網を新たに整備する必要がなく初期投資費用を削減することができる。また、発電システム１，１Ａによれば、長期間稼働させることにより、バイオマス燃料として低含水率、高発熱量のスギ等の大量の木材を使用することで市街地へのスギ花粉飛散を低減すること共に、林業等の雇用を創出し、地域社会に貢献することができる。
【００５２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、バイオマス燃料は、木材チップ燃料の他に他の自然由来の燃料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１、１Ａ…発電システム
２…バイオマス発電部
３…ボイラー
３Ａ…ガス化炉
３Ｐ、３Ｒ…配管
４、４Ａ…発電部
４Ｐ、４Ｒ…配管
４Ｑ…電力線
５…復水器
５Ｐ…第１配管
５Ｑ…第２配管
１０…水電解部
１１…電解槽
１１Ｐ…第１配管
１１Ｑ…第２配管
２０…水素吸蔵部
２１…熱交換器
２２…水素吸蔵合金
４０…酸素供給部
４１…酸素製造装置
４２…圧縮酸素タンク
４３…配管
Ｆ…燃料電池
Ｈ、Ｋ、Ｔ…配管
【図１】
2020056358.tif 000003
【図２】
2020056358.tif 000004
【図３】
2020056358.tif 000005