(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および電気を生成する方法であって、液体水素および／または電気を生成するのに適したシステムを設けるステップを備えており、前記システムが、少なくとも、
ａ）天然ガス供給を受け、天然ガスを改質して水素含有ガスを生成するように構成されるガス改質ユニットと、
ｂ）前記水素含有ガスにおける水素の少なくとも一部を受け、該水素を変換して電気を生成するように構成される発電ユニットと、
ｃ）前記水素含有ガスにおける前記水素の一部を受け、該水素を液化して液体水素を生成するように構成される水素液化ユニットであって、動作の間、前記発電ユニットによって生成される前記電気の少なくとも一部によって、給電される、前記水素液化ユニットと、
を備えており、
前記システムが、液体水素および／または電気を移出するように構成される動作の間、
ｉ）第１期間において、天然ガスを前記ガス改質ユニットに供給し、液体水素を移出するように前記システムを動作させ、
ｉｉ）第２期間において、天然ガスを前記ガス改質ユニットに供給し、電気を移出するように前記システムを動作させ、
前記第１期間は、外部電力需要が低いオフピーク時間に関係し、
前記第２期間は、前記外部電力需要が高いピーク時間に関係する、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記第１期間において、追加の電気を移入する、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
ｉ）前記第１期間において、液体水素および電気を移出するように前記システムを動作させ、
ｉｉ）前記第２期間において、電気を移出するように前記システムを動作させる、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、
ｉ）前記第１期間において、液体水素および電気を移出するように前記システムを動作させ、
ｉｉ）前記第２期間において、液体水素および電気を移出するように前記システムを動作させる、方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、前記第１期間において、液体水素および／または電気を生成するのに適した前記システムを、少なくとも基準負荷条件で動作させる、方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、前記第１期間が、低外部電気需要の期間と重複する、方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、液体水素および／または電気を生成するのに適した前記システムが、水素を含有するガスから水素を分離するのに適し、且つ、前記水素含有ガスの少なくとも一部を受けて水素を前記液化ユニットに供給するように構成される分離ユニットを更に備える、方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の方法において、動作の間、水蒸気改質プロセスまたは部分的酸化プロセスによって、前記天然ガスを改質して水素含有ガスを生成する、方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載の方法において、動作の間、発電機を駆動するように構成されたガス・タービンにおける酸素との直接燃焼によって、または燃料電池における酸素との間接的燃焼によって、前記水素を電気に変換する、方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の方法において、部分的酸化プロセスによって水素含有ガスを生成するために前記天然ガスを改質し、発電機を駆動するように構成されたガス・タービンにおける酸素との直接燃焼によって水素を電気に変換し、液体水素および／または電気を生成するのに適した前記システムが、分離ユニットであって、空気を酸素濃厚部分と酸素希薄部分とに分離するのに適しており、且つ、空気を受け、この空気を分離して酸素濃厚部分の少なくとも一部を部分的酸化プロセスに供給すると共に、酸素希薄部分の少なくとも一部を前記ガス・タービンに供給するように構成される、分離ユニットを更に備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体水素および電気の生成方法に関する。
【従来技術】
【０００２】
近年、電気（電力）を生成するための水素の使用が急速に注目されつつある。この電力は、例えば、水素液化プロセスを駆動するために用いることができる。水素は、炭化水素供給原料を改質することによって生成することができる。この方式は、統合改質複合サイクル（ＩＲＣＣ：Integrated Reforming Combined Cycle）としての方が一般に知られており、通例、ＣＯ２捕獲工程と組み合わせられる。このようなプロセスは、例えば、ＪＰ９２９１８３２Ａにおいて記載されており、燃料として水素を水素生成装置から直接複合サイクル・プラントの燃焼装置に供給し、この複合サイクル・プラントの出力によって水素液化コンプレッサを駆動することによって、液化水素を生成する。このようなプロセスの欠点は、液体水素を生成するために専用の複合サイクル発電ユニットを設ける必要があるため、スケール・メリット(economy of scale)（大量生産による生産コストの削減）が失われることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
当技術分野には、スケール・メリットによって最適な使用が行われる、液体水素の生成方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
液体水素および電気の生成方法を用いることにより、スケール・メリットによって最適な使用が行えることが分かっている。この方法は、生成される液体水素と電気との比率を調節することによって、外部電気需要に応答するステップを含む。
【０００５】
したがって、本発明は、液体水素および／または電気を生成するのに適したシステムを設けるステップを含む、水素および電気の生成方法を提供する。このシステムは、少なくとも、
ａ）天然ガス供給を受け、天然ガスを改質して水素含有ガス(hydrogen-comprising gas)を生成するように構成されているガス改質ユニットと、
ｂ）水素含有ガスにおける水素の少なくとも一部を受け、水素を変換して電気を生成するように構成されている発電ユニットと、
ｃ）水素含有ガスにおける水素の一部を受け、水素を液化して液体水素を生成するように構成されている水素液化ユニットであって、動作の間、発電ユニットによって生成される電気の少なくとも一部によって、給電される、水素液化ユニットと、
を備えており、
本システムが液体水素および／または電気を移出(export)するように構成されている動作の間、
ｉ）第１期間において、天然ガスをガス改質ユニットに供給し、液体水素を移出するように本システムを動作させ、
ｉｉ）第２期間において、天然ガスをガス改質ユニットに供給し、電気を移出するように本システムを動作させる。
【０００６】
本発明による方法においては、液体水素および電気を同時に生成することができる。このような方法を説明するために用いられる一般的な用語は、多種生産(polygeneration)またはポリゲン(polygene)であり、一般に、外部使用のために少なくとも２つの製品を同時じ生成する方法を指す。例えば、統合改質複合サイクル（ＩＲＣＣ）を用いた電力および気体水素が、その例に含まれる。
【０００７】
本発明による方法では、水素を液化し、この水素の一部を燃焼させて電気を生成することによって、水素を液化するための電力を内部で供給する。また、この生成される電気は、液体水素および電気を生成するのに適した本システムの内部電力需要を満たすためにも用いることができる。本方法の利点は、商用規模の複合サイクルまたはＩＲＣＣ発電システムの使用を可能にすることであり、内部電力需要を満たすために必要とされる電力よりも多い電力を生成することができる。即ち、内部電力需要を満たした後に生成される余剰電力を外部に、例えば、電力系統(utility grid)に移出することもできる。水素の液化を、水素燃焼による発電と組み合わせることによって、ピーク時間とオフピーク時間の間における電力需要の変動に対する解決策を提供する。ピーク時間では、外部電力需要が高い。本明細書において外部電力需要に言及する場合、内部電力需要以外の電力需要を指す。ピーク時間の電力需要を満たすためには、十分な発電容量を設けなければならず、加えて、十分な水素生成容量も、天然ガス改質容量の形態で設けなければならない。しかしながら、オフピーク時間では、外部電力需要は低く、あるいは、経済的に魅力がない料金が適用される可能性があり、設けられた発電および改質容量は十分に利用されず、または最低の基準負荷動作でさえも下回る利用になる。本発明による方法では、オフピーク時間では、外部電力需要を満たすために使用されない電力は、水素を液化するために用いられる。これによって、既存の改質および発電容量を、少なくとも基準負荷で、好ましくは基準負荷を超えて動作させつつ、生成された水素の一部を、水素液化ユニットに回して、水素を液化することが可能になる。液体水素は、外部液体水素需要を満たすために移出すること、または今後の使用のために移出して貯蔵することができる。
【０００８】
本発明による方法では、液体水素および／または電気を生成するのに適したシステムを用いて、液体水素および／または電気を生成する。
液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、少なくとも、ガス改質ユニットを備えている。このガス改質ユニットは、天然ガス供給を受け、天然ガスを改質して水素含有ガスを生成するように構成されている。このガス改質ユニットは、天然ガスを水素含有ガスに改質するのに適したユニットであればいずれでもよい。このようなユニットの例には、水蒸気メタン改質装置、自己熱改質装置(autothermal reformer)、部分的酸化改質装置、および触媒部分的酸化改質装置が含まれるが、これらに限定されない。天然ガスの改質は、天然ガス、特に天然ガスにおけるメタンを、酸素、水蒸気、および／または二酸化炭素と反応させて水素を得て、更に任意に一酸化炭素および／または二酸化炭素を得ることによって、行うことができる。通例では、水素含有ガスは、水素と、一酸化炭素および二酸化炭素の内少なくとも一方とを含む混合気であり、合成ガスと呼ばれることが多い。この水素含有ガスにおける水素含有量は、合成ガスを水性ガス転化反応器(water-gas-shift reactor)にかけることによって増大させることができ、一酸化炭素の一部が水蒸気によって水素と二酸化炭素とに変換される。特定的な一実施形態では、天然ガスを水蒸気によって改質する場合、反応から水素を抜き取り(withdraw)、これによって反応器における平衡を、水素および一酸化炭素の代わりに、水素および二酸化炭素の生成に向けて移行させることによって、得られた水素含有ガスにおける水素含有量を増大させることができる。このようなプロセスが記載されているＥＰ２０３５３２９を引用する。この特許文献をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【０００９】
天然ガスの改質は、当技術分野では周知であり、これ以上の説明は必要ない。
液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、更に、発電ユニットを備えている。この発電ユニットは、水素含有ガスにおける水素の少なくとも一部を受け、この水素を変換して電気を生成するように構成されている。改質ユニットから得られた水素含有ガスにおける水素は、少なくとも部分的に発電ユニットに供給され、好ましくは酸素によって燃焼させられ電力を生成する。発電ユニットは、燃料水素によって発電することができるユニットまたはシステムであればいずれでもよい。発電ユニットは、水素の直接燃焼によって発電し、機械式発電機に給電するユニットまたはシステムであってもよい。このようなシステムの例には、複合サイクル発電機が含まれ、動作の間、発電機を駆動するように構成されたガス・タービンにおける酸素との直接燃焼によって水素を電気に変換する。更に、このようなシステムの例には、従来のボイラー型発電機も含まれる。好ましくは、複合サイクル発電機を使用する。あるいは、発電ユニットは、水素供給燃料電池型発電機(hydrogen fuelled fuel cell-based power generator)のような、水素の間接燃焼によって発電するユニットまたはシステムであってもよく、燃料電池内において、水素を酸化性物質、好ましくは酸素と間接的に燃焼させる。
【００１０】
任意に、発電ユニットは１種類よりも多い発電機を備えている。
水素含有ガスの燃焼に基づく発電は、当技術分野では周知であり、これ以上説明する必要はない。
【００１１】
更に、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、水素液化ユニットを備えている。この水素液化ユニットは、水素含有ガスにおける水素の一部を受け、この水素を液化して液化水素を生成するように構成されている。動作の間、この水素液化ユニットは、発電ユニットによって生成される電気の少なくとも一部によって電力を受ける。改質ユニットから得られた水素含有ガスにおける水素の内、所望の一部を水素液化ユニットに供給する。水素液化ユニットは、適した水素液化ユニットであればいずれでもよい。好ましい水素液化ユニットは、水素を冷却し、続いて一連の圧縮、冷却および膨張サイクル（カルノー・サイクル）によって液化するプロセスによって、水素を液化する水素液化ユニットである。このような水素液化ユニットおよび液化プロセスの適した一例が、ＷＯ２００５／０８０８９２に記載されている。この特許文献をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。本発明による方法では、水素液化ユニットにおいて動作中にコンプレッサおよび／または冷却装置に給電するために必要とされる電気の少なくとも一部を、発電ユニットによって供給する。
【００１２】
好ましくは、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、分離ユニットも備えている。この分離ユニットは、水素を含有する気体から水素を分離するのに適しており、改質ユニットから動作中に得られた水素含有ガスの少なくとも一部を受けるように構成され、水素を液化ユニットに供給するように構成されている。この分離ユニットは、水素含有ガスから水素を分離するのに適した分離ユニットであればいずれでもよく、圧力振動吸着ユニット(pressure swing adsorption unit)または膜型分離ユニット(membrane-based separation unit)を含むが、これらに限定されない。水素の効率的な液化に対処するために、水素は純粋であることが不可欠であり、水素液化ユニットに供給される水素に基づいて、９９ｗｔ％以上の純度でなければならない。水素含有ガスの残り部分は、通例、窒素、二酸化炭素、および一酸化炭素を主に含有する。その場合、純粋な酸素または本質的に純粋な酸素、あるいは水蒸気を用いて天然ガスを改質し、水素含有ガスの残りの部分は、二酸化炭素および一酸化炭素を主に含む。任意に、一酸化炭素の燃焼後、このガス流は二酸化炭素捕獲および隔離プロセスにかけられて、本方法の二酸化炭素の痕跡(footprint)を減少させる。一酸化炭素を燃焼させるときの燃焼熱は、追加の電力を生成するために用いることもできる。
【００１３】
好ましくは、発電ユニットに供給される水素も、最初に分離ユニットにおいて、好ましくは同じ分離ユニットにおいて、水素含有ガスの残り部分から水素を分離することによって得られる。この分離ユニットは、水素を含有するガスから水素を分離するのに適しており、発電ユニットに水素を供給するように構成されている。その結果、本方法の二酸化炭素の足跡を更に一層減少させることができる。あるいは、発電ユニットの燃焼煙道ガスを、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するのに適した分離ユニットに供給する。この分離ユニットは、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するのに適した分離ユニットであればいずれでもよく、圧力振動吸着ユニットまたは膜型分離ユニットを含むがこれらに限定されるのではない。これは、特に、水素含有ガスが大量の窒素を含有しないときに有利である。何故なら、煙道ガス内の水蒸気を凝集することによって、燃焼煙道ガスから容易に、集中した形態で二酸化炭素を得ることができるからである。これには、一酸化炭素を燃焼させるときの燃焼熱を、追加の電力を生成するために直接用いることができるという追加の利点がある。
【００１４】
本発明による方法の好ましい実施形態では、部分的酸化プロセスによって天然ガスを改質して、水素含有ガスを生成し、発電機を駆動するように構成されているガス・タービンにおいて、酸素との直接燃焼によって、水素を電気に変換し、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、更に、もう１つの分離ユニットも備えている。この分離ユニットは、気体を酸素濃厚部分(oxygen rich fraction)と酸素希薄部分(oxygen lean fraction)とに分離するのに適しており、空気を受け、この空気を分離して、酸素濃厚部分の少なくとも一部を部分的酸化プロセスに供給し、酸素希薄部分の少なくとも一部をガス・タービンに供給するように構成されている。このもう１つの分離ユニットは、空気を酸素濃厚部分と酸素希薄部分とに分離するのに適した分離ユニットであればいずれでもよく、圧力振動吸着ユニットまたは膜型分離ユニットを含むが、これらに限定されるのではない。酸素濃厚部分を天然ガス改質に供給し、天然ガスを酸素によって改質しつつ、こうしなければ空気中に供給される窒素の量を減少させることによって、得られる水素含有ガスは、窒素で希釈され難くなる。その結果、改質ユニットの体積を減少させることができ、または一層効率的に使用することができ、水素を水素含有ガスから分離する分離器の体積も減少させることができ、または少なくとも一層効率的に使用することができる。水素希薄部分は、通例窒素が濃厚であるが、酸素との燃焼のために、発電ユニットに供給される水素を希釈するために用いるのに適している。酸素希薄部分に残っている酸素はいずれも、水素と燃焼することができる。
【００１５】
動作の間、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムは、液体水素および／または電気を移出するように構成されている。例えば、発電ユニットを電力系統または他のいずれかの外部電気ネットワークに接続する手段が設けられる。加えて、水素液化ユニットを、液体水素を貯蔵するための貯蔵施設、液体水素ユーティリティ・パイプライン、液体水素供給車両に充填するための施設、または車両に燃料を再供給する施設に接続する手段も設けられる。
【００１６】
本発明による方法では、外部電気需要の変化に効率的に応答する能力が、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムを動作させることによって得られるので、外部電力需要が低い期間中には、外部需要を超えて生成された電気を水素液化ユニットに向けて送出し、水素を液化するために使用する。したがって、本発明による方法では、第１期間において、天然ガスをガス改質ユニットに供給し、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムを動作させて、液体水素を移出する。この第１期間では、天然ガスを改質ユニットに供給し、水素含有ガスに改質する。この水素含有ガスにおける水素の一部を、好ましくは、水素含有ガスの残り部分から分離した後に、水素液化ユニットに供給して液化する。水素含有ガスにおける水素の残りを発電ユニットに供給し、燃焼させて発電する。液化ユニットに供給する水素と発電ユニットに供給する水素の比率は、好ましくは、水素液化ユニットの電力需要を満たすように十分な電気を生成するように選択し、更に好ましくは、液化水素および／または電気を生成するのに適した本システム全体の電力需要を満たすように選択する。いずれの場合でも、基準負荷で運転することを可能にするように、十分な水素を発電ユニットに供給する。本明細書において基準負荷に言及するとき、発電ユニットが動作を維持するための最低動作条件を指す。任意に、第１期間において、外部から、例えば、電力系統または他の電気ネットワークから追加の電力を移入する(import)。例えば、液体水素を蓄積するための蓄積施設、液体水素供給車両に充填するための施設、または車両に燃料を供給する施設に液体水素を移出する。
【００１７】
本発明による方法の第２期間において、天然ガスをガス改質ユニット、ならびに液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムに供給し、液体水素および／または電気を生成するのに適した本システムを動作させて電気を移出する。この第２期間において、天然ガスを改質ユニットに供給し、水素含有ガスに改質する。この水素含有ガスにおける水素の一部または全部を、好ましくは、水素含有ガスの残り部分から分離した後、発電ユニットに供給し、燃焼させて発電する。生成した電気は、本システムの内部電力需要を満たすために使用され、過剰な電気は外部に、例えば、電力系統または他の電気ネットワークに移出する。
【００１８】
本発明による方法によって規定したように本システムを動作させることによって、発電ユニットは、少なくとも基準負荷で常時動作し、一方改質ユニットは、最大またはほぼ最大容量で連続的に動作することができる。
【００１９】
好ましい実施形態では、本発明による方法の第１期間において、内部電力需要を超える電気またはそれ以上の電気を生成し、後に、例えば、電力系統または他の電気ネットワークに移出する。その結果、低下するが、それでもなお既存の外部電力需要を満たすことができる。加えて、これによって、発電ユニットおよび改質ユニットの双方を最大容量に更に近づけて動作させることが可能になる。
【００２０】
他の好ましい実施形態では、本発明による方法の第１期間において、同様に内部電力需要を超える電気またはそれ以上の電気を生成し、後に、例えば、電力系統または他の電気ネットワークに移出する一方で、第２期間において、電気に続いて液体水素も移出する。この実施形態では、第２期間において、水素含有ガスにおける水素の一部を水素液化ユニットに供給して液化し、発電ユニットによって生成された電気の一部を、水素液化ユニットに給電するために使用する。その結果、液体水素の連続的な移出を行う設備が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明による方法において用いることができる、液体水素および／または電気を生成するのに適したシステムの模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１において、液体水素および／または電気を生成するのに適したシステム１００は、改質ユニット１１０を備えており、天然ガスの入口１１５、および水蒸気、酸素、または酸素含有ガスの入口１２０がある。天然ガスは、導管１２５を通じて改質ユニット１１０に供給される。水素含有ガスは、出口１３０を通って改質ユニット１１０から出て行き、導管１４０を通って、水素含有ガスから水素を分離するのに適した分離ユニット１３５に渡される。二酸化炭素および／または一酸化炭素含有ガス流が、出口１４５を通って分離ユニットから出て行き、任意に、１つ以上の他の分離ユニットおよび／または一酸化炭素燃焼用燃焼装置を介して、二酸化炭素隔離プロセス（図示せず）にこのガス流を供給することができる。
【００２３】
水素を主に含有する気流(stream)が、出口１５０および導管１５５を通って分離ユニット１３５から出て行く。水素の一部は、導管１６０を通って、入口１７０を経由して発電ユニット１６５に供給される。また、発電ユニット１６５は、酸素または酸素含有ガスのために、１つ以上の入口１７５も備えている。発電ユニット１６５において水素を燃焼して電気を生成する。この電気は、導通手段１８０を通って発電ユニット１６５から出て行く。この電気の一部は、システム１００から導通手段１８５を通って移出される。
【００２４】
水素の一部は、導管２００および水素用入り口２０５を通って、水素液化ユニット１９０に供給することができ、ここで液化されて、水素液化ユニット１９０およびシステム１００から、液体水素となって、導管２１０および液体水素用出口２１５を通って出て行く。この液体水素は、液体水素を貯蔵する貯蔵設備、液体水素ユーティリティ・パイプライン、液体水素供給車両に充填するための設備、または車両に燃料を再供給する設備（図示せず）の内１つ以上に移出することができる。水素液化ユニット１９０に給電するために必要とされる電気の少なくとも一部は、導通手段１８０および２２０によって、発電ユニット１６５から供給される。任意に、導通手段２２５によって、システム１００に電気を移入し、水素液化ユニット１９０に供給する。
【００２５】
システム１００には、空気分離装置２３０を設けることもできる。空気分離装置２３０は、導管２４０を通じて空気を受ける入口２３５を備えている。空気は、空気分離装置２３０において分離され、酸素濃厚部分が出口２４５を通って空気分離装置２３０から出て行き、導管２５０を通じて改質ユニット１１０の入り口１２０に供給される。酸素希薄部分は、出口２５５を通って空気分離装置２３０から出て行き、導管２６０を通じて発電ユニット１６５の入り口２６５に希釈剤として供給される。入口２６５は、入口１７５の内１つ以上と同じであってもよい。
【図１】
0005899231.tif 000002