(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーによる発電と、エンジン発電機による発電の双方を用いて、電力供給を行う電力供給システムであって、
再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、
前記発電装置によって得られた電力の一部を電気分解装置へ供給する電力分配装置と、
前記電力分配装置から供給された電力を用いて水素および酸素を生成する前記電気分解装置と、
前記電気分解装置から水素および酸素を前記エンジン発電機に供給する第一の供給手段と、
前記エンジン発電機に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記エンジン発電機にエンジン燃料を供給する第二の供給手段と、
前記電力供給システムを電子制御する制御部と、を備え、
前記エンジン発電機は、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料として発電し、
前記制御部は、前記エンジン発電機の負荷変動率が所定の範囲になるように、前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量を制御することを特徴とする電力供給システム。
【請求項２】
請求項１において、前記制御部は、前記エンジン発電機の負荷変動率が所定の範囲になるように、前記エンジン発電機の負荷変動率が所定の下限値未満の場合は、前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量を増大させ、前記エンジン発電機の負荷変動率が所定の上限値より大きい場合は、前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量を低減させる制御を行うことを特徴とする電力供給システム。
【請求項３】
請求項１において、前記エンジン発電機を備えることを特徴とする電力供給システム。
【請求項４】
請求項１において、前記電気分解装置で生成された水素を貯蔵するバッファタンクを備えることを特徴とする電力供給システム。
【請求項５】
請求項１において、
前記エンジン発電機の排気管に備えられ、排気ガス中の水を回収する第一の熱交換器と、
前記第一の熱交換器により回収した水を貯留できる水タンクと、
前記水タンク内の水を前記電気分解装置または前記エンジン発電機の少なくとも一方に供給する水供給装置と、を備えること特徴とする電力供給システム。
【請求項６】
請求項５において、
前記水タンクから供給される水を加熱するための第二の熱交換器を備え、
前記第二の熱交換器で加熱された水または水蒸気を、前記水供給装置から前記電気分解装置および前記エンジン発電機のどちらか一方または双方に供給することを特徴とする電力供給システム。
【請求項７】
請求項５において、
前記水タンクは、レベル計を備え、前記レベル計により前記水タンク内の水量を管理し、
前記制御部は、前記水タンク内の水量に基づいて、前記電気分解装置に供給される水の流量を調整することを特徴とする電力供給システム。
【請求項８】
請求項１において、前記第一の供給手段は、前記電気分解装置で生成される水素および酸素の流量を計測する流量計を備え、
前記制御部は、前記流量計で計測した水素および酸素の流量の計測値をもとに、前記第二の供給手段から前記エンジン発電機に供給されるエンジン燃料の供給量を制御することを特徴とする電力供給システム。
【請求項９】
請求項８において、前記流量計で計測した水素および酸素の流量の計測値をもとに、前記エンジン発電機の制御を行う制御部を備えることを特徴とする電力供給システム。
【請求項１０】
請求項８において、前記制御部は、需要電力量と前記発電装置の発電量に基づいて、前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量、前記エンジン発電機の発電量を決定し、前記電力分配装置、及び、前記エンジン発電機を制御することを特徴とする電力供給システム。
【請求項１１】
請求項８において、前記制御部は、需要電力量に対する前記発電装置の発電量が所定以上の場合に、前記発電装置の発電量の増加に応じて、前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量を増加させる制御を行うことを特徴とする電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機と電気分解装置を用いて安定的な発電を行うシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ２削減の課題や地下資源の枯渇問題から太陽光、風力などの再生可能エネルギーを利用して発電をすることが活発に進められている。しかしながら、再生可能エネルギーは自然環境に大きく影響を受けるため、それによる発電量は変動が大きく、大規模に導入していくと、系統電力が不安定になる。そのために、別途エネルギー貯蔵システムを準備する必要がある。たとえば特許文献１のように再生可能エネルギーによる発電の一部を用いて電気分解装置で水素を製造し、製造した水素を芳香族化合物に結合させて水素化物として貯蔵するシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2014-84792
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載のシステムでは、再生可能エネルギーにより発電した電力の一部を水素エネルギーに変換して貯蔵するために、水素添加装置、水素化物タンク、脱水素化物タンク、反応器等のエネルギー貯蔵装置が必要となり、システムの大型化・設備コストの面で課題がある。
【０００５】
一方、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システム簡素化のためにエネルギー貯蔵装置を無くした場合には以下の課題がある。エンジン発電機は再生可能エネルギーによる発電がゼロの時でも需要を賄える能力が必要である。そのため、再生可能エネルギー発電装置で需要電力の一部を供給できるときには、それに追従して出力を下げて運転することになる。しかし、エンジン発電機は低出力時に効率が低下するため、エンジン燃料の消費量が増加することが課題である。また、電力安定供給の観点からは、エンジン発電機は常に発電している状態として、エンジン発電機の出力を一定値以上に保つこと、エンジン発電機の負荷変動率を所定以内に維持する必要がある。そのため、エンジン発電機の発電状態を維持するためのエンジン燃料量が必要となり、燃料タンクの大型化や炭化水素燃料の燃焼によるＣＯ２排出といった問題がある。また、再生可能エネルギー発電装置で需要電力以上の電力が供給できるときでも、エンジン発電機を停止できないことから、再生可能エネルギーで発電可能な余剰分の電力を有効利用することができず、一定以上エンジン発電機に用いる燃料量を削減することができない。
【０００６】
本発明は、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機、電気分解装置を用いた電力供給システムにおいて、システムの小型化とともに、エンジン燃料の使用量を従来に比べて削減できる電力供給システムおよびその制御手法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】
【０００７】
本発明に係る電力供給システムは、再生可能エネルギーによる発電と、エンジン発電機による発電の双方を用いて、電力供給を行う電力供給システムであって、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、前記発電装置によって得られた電力の一部を電気分解装置へ供給する電力分配装置と、前記電力分配装置から供給された電力を用いて水素および酸素を製造する電気分解装置と、前記電気分解装置から水素および酸素を前記エンジン発電機に供給する第一の供給手段と、前記エンジン発電機に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクから前記エンジン発電機にエンジン燃料を供給する第二の供給手段と、電力供給システムを電子制御する制御部と、を備え、前記エンジン発電機は、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料として発電し、前記制御部は、前記エンジン発電機の負荷変動率が所定の範囲になるように前記電力分配装置から前記電気分解装置に供給する電力量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、再生可能エネルギー発電装置とエンジン発電機を用いた電力供給システムにおいて、システムの小型化とともに、再生可能エネルギー発電装置による発電電力の利用量拡大とエンジン燃料の使用量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力供給システムの構成説明図。
【図２】供給電力に対する再生可能エネルギー発電量とエンジン発電量の関係の一例を示した図である。
【図３】再生可能エネルギー導入による化石燃料の消費量の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いるディーゼルエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図６】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図７】本発明の実施形態に係る電力供給システムの運転モードの制御フロー図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電力供給システムの運転モードの制御フロー図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電力供給システムの運転モードの制御フロー図である。
【図１０】再生可能エネルギーによる発電量が急減した場合に対する再生可能エネルギー発電量とエンジン発電量の関係の一例を示した図である。
【図１１】系統需用電力が急増した場合に対する再生可能エネルギー発電量とエンジン発電量の関係の一例を示した図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る電力供給システムの構成説明図。
【図１３】本発明の実施形態に係る電力供給システムの水供給ラインの構成説明図。
【図１４】本発明の実施形態に係る電力供給システムの水供給ラインの変更例の構成説明図。
【図１５】本発明の実施形態に係る電力供給システムの水供給ラインの変更例の構成説明図。
【図１６】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いるディーゼルエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いるディーゼルエンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図１９】本発明の実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機に用いる火花点火エンジンのシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図の一例である。
【図２０】本発明の実施形態に係る電力供給システムのエンジン発電機としてタービンエンジンを用いた場合の構成説明図。
【図２１】再生可能エネルギー由来の水素をタービンエンジンに供給した場合の供給燃料熱量に対する圧縮エネルギーを示した図である。
【図２２】タービンエンジン断熱火炎温度に水供給の有無が与える影響を示した図である。
【図２３】タービンエンジンへの高温高圧水供給が動力変換効率に与える影響を示した図である。
【図２４】排気中の水蒸気濃度と再生可能エネルギー由来の水素供給割合の関係を示した図である。
【図２５】外気温度とガス中の濃度を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
［第一の実施形態］
本実施形態に関わる電力供給システムは、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行うことを特徴とする。すなわち、変動する再生可能エネルギー由来の電力の一部を電気分解装置へ供給し、電気分解で生成された水素と酸素をエンジン発電機のアシスト燃料とするものである。需用電力、再生可能エネルギー発電量を参考に電気分解装置への電力供給量、エンジン発電機の発電量を決定し、生成水素量、酸素量を参考にエンジン燃料量を決定することで、電力の安定供給とエンジン燃料の削減が可能になる。
【００１２】
以下に、電力供給システムの構成、ならびにシステムの動作および制御手法について説明する。
【００１３】
＜システムの構成＞
図１は、本発明の実施形態に関わる電力供給システムの構成説明図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力供給システムSは、再生可能エネルギーによる発電装置Rと、再生可能エネルギー発電量の計測をする再生可能エネルギー発電量計測装置104と、系統電力需要の計測する電力需要計測装置109と、発電装置Rで発電した電力を電気分解装置5と系統10に分配して供給する電力分配装置5と、水素および酸素を生成する電気分解装置6と、エンジン燃料、水素を燃焼させることで電力を発電するエンジン発電機7と、エンジン発電機7に供給するエンジン燃料を貯蔵する燃料タンク8と、エンジン発電機に水素、酸素、及び、エンジン燃料を供給する供給装置101、102、103と、エンジン発電機7で発電される電力を系統に供給する電力調整装置9と、制御部11を備えて構成される。図１において、実践は電気配線を、二重線は水素、酸素およびエンジン燃料のラインを、破線は計測または制御に用いる信号線を表している。
【００１４】
本実施形態の電力供給システムでは、需用電力計測装置109より計測した需要電力（Ｗｄ）、再生可能エネルギー発電量計測装置104より計測した発電装置Rの発電量（Ｗｒ）を基にエンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）および電気分解装置へ供給する電力量（Ｗｅｌ）が決定され、電気分配装置5および制御部11を用いて水素、酸素、エンジン燃料を供給する供給装置101、102、103が制御される。これにより、需要電量に対して発電装置Rおよびエンジン発電機７より安定的に電力を供給する。
【００１５】
詳細な制御手法は制御部の説明とともに後に説明する。
【００１６】
電気分解装置6で生成された水素と酸素をエンジン発電機7に供給してエンジン燃料のアシスト燃料として利用することで、再生可能エネルギーで発電可能な余剰分の電力も系統に供給するためのエネルギーとして有効利用することができる。また、水素と酸素をアシスト燃料としてエンジン発電機に供給することで、エンジン発電機7の発電効率の向上、エンジン燃料の使用量削減を図ることができる。この際、電気分解装置6で生成される水素の量によっては、エンジン燃料を使用せずに水素のみで発電することもできる。エンジン発電機の発電量（Ｗｅｇ）と発電装置Rから電気分解装置6に分配供給する電力量は、電気分解装置6の変換効率や、エンジン発電機7の発電効率および負荷変動率などを考慮して決定することが望ましい。これは、発電装置Rで発電可能な電力の全てを系統に供給するよりも、エンジン発電機の発電量を増やして、発電装置Rの電力の一部を電気分解装置6に供給することで水素と酸素をアシスト燃料としてエンジン発電機に供給した方が全体のシステム効率が高くなり、エンジン燃料の使用量が削減できる場合もあるためであり、需用電力を安定化できるためである。例えば、発電装置Rでの電力量が多く、エンジン発電機7の出力が小さくなる場合には、エンジン発電機7の発電効率の低下によるシステム全体の効率低下を招く。そのため、需要電力量に対する再生可能エネルギー量が所定以上の場合には、エンジン発電機の出力を低下させずに、再生可能エネルギー量の増加に応じて電力分配装置による電気分解装置への供給量を増加させることが好ましい。
【００１７】
以上のように、本実施形態の電力供給システムでは、エネルギー貯蔵装置を使わずに図２のように再生可能エネルギー発電装置Rによる発電量の変動を吸収でき、安定した電力供給を可能とする。また、図３のように従来のエネルギー貯蔵装置を使わないシステム構成では、エンジン発電機の出力を一定以下にできないため、エンジン燃料の削減効果が小さいが、本システムではエンジン燃料を用いずに１００％再生可能エネルギーにより電力を安定供給することも可能になり、エンジン発電機の使用燃料量を削減することができる。また、本構成とすることで、再生可能エネルギー発電装置による変動分、余剰分を蓄電する蓄電装置、また水素貯蔵高圧タンク、有機ハイドライド等による水素貯蔵装置などのエネルギー貯蔵装置が不要となり、システムの簡素化を図ることができる。
【００１８】
＜再生可能エネルギー装置＞
再生可能エネルギー発電装置Rは太陽光発電装置１や風力発電装置２などの再生可能エネルギーによる電力発電装置により構成されている。その他、再生可能エネルギーによる発電装置であれば限定されない。発電装置には、各電力量を調整して系統へ供給することが可能な電流制御装置を含む。たとえば、太陽光発電装置1の場合におけるＰＣＳ3、風力発電装置における電力変換装置4（AC/DC/AC等）のように電圧、周波数等の統制を行い系統へ電力を供給可能なものであれば限定されない。
【００１９】
＜再生可能エネルギー発電量計測装置＞
再生可能エネルギー発電量計測装置104は再生可能エネルギー発電機の発電量を計測できる装置であれば特に制限されない。日射量計、風力計等の公知の装置を用いて発電量を予測する装置でもよい。また、気象衛星による天気予報等の予測情報を用いて、発電量の予測を行う手法でもよい。
【００２０】
＜電力需要計測装置＞
電力需要計測装置109は、システム運転時の電力需要を計測できる装置であれば特に制限されない。また、過去の電力需要データを用いてシステム運転時の電力需要予測を行う方法でもよい。
【００２１】
＜電力分配装置＞
再生可能エネルギー発電装置で発電された電力の一部は電力分配装置5を介して電気分解装置6へ供給する。電力分配装置5は各電力値を電気分解装置6に供給することができるものであれば特に制限はない。ただし、制御部11により電気分解に供給する電力量を決定する。
【００２２】
＜電気分解装置＞
電気分解装置6の具体的な構成は特に制限されないが、電気分解装置6は、例えば、電解液と、電解質と、当該電解質をはさむように設けられた反応促進用の電極触媒により水が電気分解され、水素および酸素が発生するようになっている。
【００２３】
電気分解装置6としては、比較的低温で電気分解が可能であり、短時間で起動が可能な固体高分子水電解やアルカリ水電解を用いた電気分解装置が好ましい。固体高分子水電解による電気分解装置は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質を隔壁、電解質として用いて純水を電気分解するものであり、高純度の水素を効率よく製造することができる。アルカリ水電解による電解装置は、水酸化カリウム等の水に溶解させたときにアルカリ性を示す化合物を電解質とし、アルカリ性水溶液を電気分解することで水素を製造するものである。
【００２４】
＜燃料供給装置＞
電気分解装置6より生成された水素および酸素は水素燃料供給装置101と酸素供給装置102を介してエンジン発電機7に供給する。また、燃料タンク8より燃料供給装置103を介してエンジン燃料をエンジン発電機7に供給する。供給装置101、102、103はインジェクター等の公知の供給手段が適用され、制御部７により供給量、供給圧力等が制御される。水素および酸素の供給圧力が低い場合にはコンプレッサー等で加圧を行ってもよい。
【００２５】
＜エンジン発電機＞
エンジン発電機にはディーゼルエンジン、火花点火エンジン、ガスタービン等の公知のエンジンが適用される。エンジン発電機7は、水素およびエンジン燃料の燃焼により電力が発生する構成になっている。エンジン発電機７の台数は特に制限が無く、１台以上あればよい。エンジン発電機7で発生した電力は電力変換装置9により電圧および周波数等を調整し、系統へ供給される。電気分解で生成した酸素および水素は、エンジン発電機に供給する。エンジン発電機の排気熱は熱エネルギーとしてシステム内あるいは外部に供給して利用することができる。熱の供給先はエンジン排気熱を利用可能なものであれば特に制限はない。たとえば、電気分解装置6へ供給することで電気分解装置の温度上昇や暖房等に利用したり、エンジン排気熱を用いて熱電変換によって電力を供給してもよい。
【００２６】
＜ディーゼルエンジン＞
図4は、本実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機のエンジンにディーゼルエンジンを用いた場合のシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。ディーゼルエンジンは、シリンダ内で往復移動するピストン１１を備え、シリンダ内の燃焼室１２には、吸気管１３および排気管１４が接続されている。吸気管１３には電気分解装置6で生成される水素および酸素を供給するための水素供給装置101と、酸素供給装置102が取り付けられている。水素供給装置101と酸素供給装置102より、水素と酸素が吸入空気と共にエンジンに供給される。水素は再生可能エネルギーをもとに製造されているため、水素を利用することで再生可能エネルギーの導入比率を高めることが可能である。また、水素の供給により、主燃料（エンジン燃料）の消費量削減、燃焼性の向上によりススの排出量の低減が可能となる。また、酸素をエンジンに供給することでエンジン吸入ガス中の酸素濃度を高めることができるため、エンジンの高出力化が可能になりエンジンの運転領域の拡大が可能になり、エンジンの小型化が可能となる。また、作動ガス中の酸素濃度の向上により燃焼効率の向上が可能となることから熱効率向上が可能となる。これより、エンジン燃料の消費量削減が可能となる。また、燃料タンク8のエンジン燃料をエンジンに直接供給するための燃料供給装置103が取り付けられている。
【００２７】
酸素の供給によりエンジン燃料の燃焼性が向上し、急速燃焼する。また、水素の供給により、エンジン燃料の着火時期が遅れる。これらの理由から、水素流量計105または酸素流量計106または両方からの計測値を参考にエンジン燃料の噴射時期および過給装置の制御を行う制御部を備えてもよい。これにより、水素または酸素またはその両方が供給された場合に安定した燃焼を可能とする。噴射時期および過給制御の指令値はエンジン発電機の仕様と水素または酸素の流量により任意の値と決定される。
【００２８】
＜火花エンジン＞
図5は本実施形態に係る電力供給システムを構成するエンジン発電機のエンジンに火花点火エンジンを用いた場合のシリンダヘッド近傍を模式的に示す部分拡大図である。火花点火エンジンは、シリンダ内で往復移動するピストン21を備え、シリンダ内の燃焼室22には、吸気管23、排気管24、および点火プラグ25が接続されている。吸気管23には電気分解装置6で生成される水素および酸素を供給するための水素供給装置101と、酸素供給装置102が取り付けられている。水素供給装置101と酸素供給装置102より、水素と酸素が吸入空気と共にエンジンに供給される。水素は再生可能エネルギーをもとに製造されているため、水素を利用することで再生可能エネルギーの導入比率を高めることが可能である。また、水素は燃焼速度がエンジン燃料として一般的に使われている炭化水素系燃料に比べ大きいこと、燃焼範囲が炭化水素系燃料に比べて大きいことから、急速燃焼および希薄燃焼が可能となる。更に、炭化水素燃料に比べて燃焼性が高いことから燃焼効率の向上が可能となる。これにより、エンジン熱効率が向上し、エンジン燃料の消費量削減が可能となる。また、酸素をエンジンに供給することでエンジン吸入ガス中の酸素濃度を高めることができるため、エンジンの高出力化が可能になりエンジンの運転領域の拡大とエンジン熱効率の向上が可能になる。これらより、低負荷での運転による熱効率の低下を抑えることができるため、低負荷時でもエンジン燃料消費量の削減が可能となる。
【００２９】
また、燃料タンク8のエンジン燃料をエンジンに直接供給するためのエンジン燃料供給装置103が取り付けられている。なお、図6に示すようにエンジン燃料供給装置103はエンジン燃焼室に直接噴射する構造でもよい。
【００３０】
酸素の供給によりエンジン燃料の燃焼性が向上し、急速燃焼する。また、水素の供給により、急速燃焼し、エンジン燃料の点火遅れが低減する。これらの理由から、水素流量計105または酸素流量計106または両方からの計測値を参考にエンジン燃料の噴射時期および点火プラグによる点火時期、吸気バルブ、排気バルブの動作時期などの制御を行う制御部を備えてもよい。これにより、水素または酸素またはその両方が供給された場合に安定した燃焼を可能とする。エンジン燃料の噴射時期および点火プラグによる点火時期、バルブの動作時期の指令値はエンジン仕様により任意の値と決定される。
【００３１】
＜エンジン燃料＞
エンジン燃料にはガソリン、軽油、重油、天然ガス、バイオエタノール、バイオディーゼル等の公知の燃料が適用される。
【００３２】
＜電力調整装置＞
電力調整装置9はエンジン発電機により発生する電力を系統に供給するために電圧および周波数等を調整することができる装置であれば特に制限されない。具体的にはAC/ACコンバータ等の公知の装置を利用することができる。
【００３３】
＜系統＞
系統10は、電力会社の電力系統に限らず、島や大規模工場などの独立した電力系統でもよく、特に制限はない。
【００３４】
＜制御部＞
次に、電力供給システムＳを電子制御する制御部11について説明する。
【００３５】
制御部11は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、電力供給システムＳを総合的に制御する。そして、制御部11は後述する手順に従って、図１に示す電力分配装置や各種供給装置等を制御する。この制御部11の実行する手順については、電力供給システムの動作説明とともに後に詳しく説明する。
【００３６】
＜電力供給システムの動作＞
次に、本実施形態に係る電力供給システムの動作の一例について説明する。
【００３７】
図７に本システムの運転モードにおける制御部の実行する手順を示すフロー図である。
【００３８】
制御部11は、系統需要電力Wdを計測する（ステップS1）。その後、再生可能エネルギー発電量計測装置104より再生可能エネルギー発電量Wrを計測する（ステップS2）。その後、電気分解装置に供給する電気量Welを以下の式により決定する（ステップS3）。
【００３９】
Wel=Wr − Wrd
但し、上式が負の値になった場合は、Welは０とする
Wrdは系統に接続可能な再生可能エネルギー電力量とする
Wrdは電力需要Wdおよび系統接続可能割合αより以下の式で決定される。
【００４０】
Wrd/Wd<α
系統接続可能割合αは系統の大きさ、再生可能エネルギー発電機やエンジン発電機の仕様により事前に決定される。
【００４１】
エンジン発電機による発電量Wegは以下の式より決定する（ステップS4）。
【００４２】
Weg = Wd −Wrd
また、エンジン発電機の発電量Wegはエンジン発電機の性能および系統電力の安定化よりWegminを下限とする。Wegminはエンジン発電機の仕様および需用電力安定を考慮して、システム構成により決定される。
また、エンジン発電機の負荷変動は以下の式に示す負荷変動率Ｘが許容負荷変動率の範囲内か否かを判定する（ステップS5）。
X = ΔWeg /Δt
A<X<B
ここで、ｔは時間とする。Aは許容負荷低減率、Ｂは許容負荷変動増大率とする。
【００４３】
負荷変動率Ｘが許容負荷変動率の範囲外の場合には、許容範囲内になるように以下の制御を行う。負荷変動率Xが許容負荷低減率A未満の場合、Welを増大させる。一方、負荷変動率Xが許容負荷増加率Bより大きい場合、Welを低減させる（ステップS101）。
その後ステップS4に戻って再度、エンジン発電機の発電量Wegを決定する。
エンジン発電機の負荷変動率が所定範囲内の場合は、電力分配装置5へ制御信号が送られる（ステップS6）。
【００４４】
その後、電気分解装置6より生成される水素量を水素流量計105、酸素量を酸素流量計106により計測する（ステップS7）。そして、水素供給流量と、酸素供給流量を決定し、水素供給装置101と、酸素供給装置102へ制御信号が送られる（ステップS8）。その後、水素供給流量と酸素供給流量に基づいて、エンジン燃料の供給量を決定しエンジン燃料供給装置103へ制御信号を送る（ステップS9）。その後、目標系統供給電力量かを判定し、目標系統供給電力量と異なる場合にはステップS9に戻ってフィードバック制御を実行する（ステップS10）。
【００４５】
このような運転制御により、再生可能エネルギーの変動が発生した場合でも、エンジン発電機を所定範囲の負荷変動率で稼動でき、安定した電力供給が可能になる。また、貯蔵装置を用いずに余剰の再生可能エネルギー由来の電力を直接利用することができる。
【００４６】
以上の通り、本実施形態の電力供給システムによれば、再生可能エネルギー発電による電力の一部を電気分解に利用し、水素および酸素を生成し、水素またはエンジン燃料をエンジン発電機に供給することで、電力を安定的に供給できる。また、エンジン発電機へ水素および酸素を供給することで、エンジン燃料である化石燃料の使用量削減が可能になる。また、エネルギー貯蔵装置が不要になることから、システム全体のコストが低減できる。
【００４７】
［第二の実施形態］
本実施形態に関わる電力供給システムは、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行うことを特徴とする。第一の実施形態と同じ構成は説明を省略する。
【００４８】
＜システムの構成＞
制御部により需用電力量の変化率Yおよび再生可能エネルギーによる発電量の変化率Zを計測または予測し、システム制御を行う事を特徴とする。その他の構成は、第一の実施形態と同じ構成とする。  図8は本システムの運転モードにおける制御部の実行する手順を示すフロー図である。
【００４９】
ステップ1からステップ10までは第一の実施形態と同じものとする。その後エンジン発電機による発電量Wegが下限値のWegminによる運転かつエンジン発電機へ水素を供給している場合はWegmin運転モードへ制御フローを移行する（ステップS102）。図９にWegmin運転モードの制御フローを示す。
【００５０】
制御部11は、系統需要電力Wdを計測する（ステップS11）。その後、再生可能エネルギー発電量計測装置104より再生可能エネルギー発電量Wrを計測する（ステップS12）。その後、以下の式にて需用電力量の変化率Ｙおよび再生可能エネルギーによる発電量の変化率Ｚを算出する。(ステップS13)
Y=ΔWd/Δt
Z=ΔWr/Δt
ここで、ｔは時間とする。その後、需用電力量の変化率Ｙが需用電力の許容変化率Ｃより大きいまたは再生可能エネルギーによる発電量の変化率Ｚが発電量の許容変化率Ｄより小さいか判定する（ステップS14）。需用電力の許容変化率Ｃおよび発電量の許容変化率Ｄは系統の大きさ、再生可能エネルギー発電機やエンジン発電機の仕様により事前に決定される。異なる場合は図８のステップ３へ移行する。正しい場合はエンジン発電機の発電量Wegを決定する。ただし、Wegはエンジン発電機の許容負荷変動率Ｂにて増大させる（ステップS15）。その後、電気分解装置へ供給する電気量Welを以下の式にて決定する(ステップS16)。
Wel = Wd −Weg
その後、電力分配装置5へ制御信号が送られる（ステップS17）。
【００５１】
その後、電気分解装置6より生成される水素量を水素流量計105、酸素量を酸素流量計106により計測する（ステップS18）。そして、水素供給流量と、酸素供給流量を決定し、水素供給装置101と、酸素供給装置102へ制御信号が送られる（ステップS19）。その後、水素供給流量と酸素供給流量に基づいて、エンジン燃料の供給量を決定しエンジン燃料供給装置103へ制御信号を送る（ステップS20）。その後、目標系統供給電力量かを判定し、目標系統供給電力量と異なる場合にはステップS20に戻ってフィードバック制御を実行する（ステップS21）。
【００５２】
このような運転制御により、系統需用電力量および電力再生可能エネルギーの急激な変動が発生した場合でも、エンジン発電機の負荷変動率を所定内に保つことができ、安定した電力供給が可能になる。特に、図10に示すように再生可能エネルギーによる発電量が急減した場合または、図１１に示す系統需用電力が急増した場合でも、エンジンの負荷変動率内で安定した運転を行うことができる。これより、電気分解装置により生成された水素をエンジン発電機の燃料として用いており、かつエンジン発電機の出力下限で運転を行っている場合でも、負荷変動許容内での運転が可能となる。これより、従来に比べて再生可能エネルギー由来の電力を多く、利用することができ、エンジン燃料の使用量を削減することができる。
【００５３】
［第三の実施形態］
本実施形態に関わる電力供給システムは、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、電気分解装置より製造された水素を一時的に保管できるようバッファタンク301を持ち、水素ラインに水素の流量を制御するバルブ201、202、203と、水素ラインおよび酸素ラインに圧力計を備え、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行うことを特徴とする。
【００５４】
第一または第二の実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【００５５】
＜システムの構成＞
図12に電力供給システムＳの別の構成例を示す。電気分解装置6より生成される水素を一時的に保管できるバッファタンク301と、水素ラインにバルブ201、202、203と、バルブ201、202、203を制御する制御部を備える構成とする。その他の構成は、第一の実施形態または第二の実施形態と同じ構成とする。
【００５６】
電気分解装置6で生成された水素を一時的に保管できるバッファタンク301を備え、バルブ201,202,203を水素流量計105および水素供給装置101よりエンジン発電機に供給する水素量をもとに動作の制御を決定する。例えば、電気分解装置6より生成される水素量の全量を水素燃料供給装置よりエンジン発電機へ供給する場合はバルブ203を開き、バルブ201およびバルブ202は閉じる。一方、電気分解装置6より生成される水素量が水素燃料供給装置からエンジン発電機に供給可能な水素量を上回る場合はバルブ201及びバルブ203を開き、バルブ202は閉じる。また、電気分解装置6より生成される水素量が水素燃料供給装置からエンジン発電機に供給可能な水素量を下回る場合はバルブ202及びバルブ203を開き、バルブ201は閉じる。これにより、水素供給装置へ供給される水素圧力を所定圧力に保つことができるため、水素供給装置から供給する水素量を安定させることができる。また、系統の需用電力および再生可能エネルギーによる発電量の急峻な変動をバッファタンクの水素を用いることでエンジン発電機の負荷変動率を低減することができる。また、電気分解装置による水素生成量の急激な変化をバッファタンクを備えることで吸収できることから、エンジン発電機に供給する燃料中の水素割合の変化を低減できるため、エンジン発電機の燃焼状態の変化を抑えることで安定した燃焼を可能とする。また、圧力計110および111により圧力を計測し、水素ラインの圧力が高い場合には、バルブ201及びバルブ203を開き、バルブ202は閉じる。一方水素ラインの圧力が酸素ラインに比べて低い場合には、202及びバルブ203を開き、バルブ201は閉じる。これにより、水素ラインと酸素ラインの圧力差を一定以内にできることから、前記電気分解装置内の膜等の破壊を防ぐことができる。
【００５７】
バッファタンクの大きさは電気分解装置6およびエンジン発電機7の仕様により任意のサイズに決定される。材質に制限は無く、水素ガスを保管できるものであればよい。バルブ201、202、203は水素ラインの開閉を制御できるバルブであれば特に制限は無く公知のバルブが使用される。例えばラインの開閉のみを制御できるストップバルブや開度の調整が可能なニードルバルブなどが用いられる。
【００５８】
［第四の実施形態］
本実施形態に関わる電力供給システムは、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置Ｒと、エンジン発電機７による発電の双方を用いて電力供給を行うシステムであって、発電装置Ｒによって得られた電気エネルギーの一部を電気分解装置６へ供給することで水素および酸素を製造し、製造した水素、酸素を直接エンジン発電機７に供給し、水素またはエンジン燃料の少なくとも一方を燃料としてエンジン発電機で発電を行い、エンジン排気管に熱交換器を備え、排気ガス中の水蒸気を回収し、回収した水を一時的にタンクに貯め、回収した水を電気分解装置6とエンジン発電機7の双方またはどちらか一方へ供給することで水の循環サイクルを行うことを特徴とする。
【００５９】
第一、第二または第三の実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【００６０】
＜システムの構成（変形例）＞
図13に本実施形態のエンジン発電機および電気分解装置の別の構成図を示す。エンジン排気管に熱交換器401と、熱交換器によりエンジン発電機の排気ガスを冷却し排気ガス中の水蒸気から回収した水を貯留する水タンクと、回収した水を電気分解装置とエンジン発電機へ供給する水供給装置を備えて構成する。回収した水は電気分解装置とエンジン発電機の双方またはどちらか一方に供給する。この構成にすることで、排気ガスから回収した水で電気分解装置の水補給を行えることから、外部から電気分解装置へ供給する水の量を削減することができる。これにより、外部から水の補給が困難な地域においても再生可能エネルギーによる発電量の余剰分を電気分解装置へ供給することができ、電気分解装置より生成される水素を利用することで、余剰電力を有効利用でき、エンジン発電機へ供給するエンジン燃料を削減することができる。また、エンジン発電機に水を供給することで、燃焼温度の低温化が可能となり、エンジン発電機からのＮＯｘ排出量が低減する。また、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンにおいては燃焼温度の低温化によって冷却損失が低減するため、熱効率が向上する。これより、エンジン燃料の消費量を削減することができ、かつＣＯ２の排出量が低減する。
【００６１】
また、図14に示すように、水タンクから電気分解装置およびエンジン発電機へ供給する水は熱交換器405を通すことで、加熱水または水蒸気とし、水供給装置403、404により電気分解装置とエンジン発電機の一方または双方に供給しても良い。このような構成とすることで、電気分解装置に供給される水が加熱され所定温度へ制御される。水を加熱することで、電気分解装置の過電圧を低くでき、電気分解装置の電気から水素への変換効率を高めることができる。または、図15に示すように、水タンクからエンジン発電機の冷却水ラインに供給し、エンジン発電機の冷却水温度の調整に用い、加熱された水を水供給装置403、404により電気分解装置とエンジン発電機の一方または双方に供給しても良い。このような構成とすることで、電気分解装置に供給される水が加熱され所定温度へ制御される。水を加熱することで、電気分解装置の過電圧を低くでき、電気分解装置の電気から水素への変換効率を高めることができる。また、エンジン冷却水を所定温度に冷却するための冷却器が不要なり、かつエンジン冷却水の持つ熱エネルギーにより水が加熱されるため、エンジン発電機の冷却損失を回収することができ、システム効率の向上が可能となる。
【００６２】
水タンクは材質および形状に制限は無く、水を貯めておける容器であればよい。水タンクの大きさに関してはエンジン発電機および電気分解装置の仕様により任意の大きさに決定する。
【００６３】
熱交換器においてその構成に特に制限は無く、公知の熱交換器が使用される。
【００６４】
水供給装置においてその構成に特に制限は無く、ポンプにより構成されエンジンおよび電気分解装置へ連続的に供給する、またはポンプとバルブまたはインジェクターを備え、流量の制御を可能とする構成としても良い。図16から図9に示すように水供給装置404からエンジンに供給する水または加熱水または水蒸気は、エンジンの吸気管へ供給する手法、または、燃焼室へ直接供給する手法のどちらでも良い。
【００６５】
［第五の実施形態］
＜ガスタービンをエンジン発電機として使用した際の構成＞
タービンシステムを活用した際の構成を図20に示す。電気分解装置から生成した水素は流量調整器（Ｖ３)を介して、エンジン燃料、たとえば、天然ガスと共に燃焼器に供給される。天然ガスは流量調整器(V4)を介して、燃焼器に供給される。電気分解装置で生成した酸素は 流量調整器(V5)を介して、空気とともに圧縮器に供給される。空気は流量調整器（V7）を介して圧縮器に供給される。 
このような構成とすることで、燃焼器に供給する酸素は所定量供給すればよいことから、圧縮機で圧縮するガス流量を減らすことが可能となり、圧縮機の圧縮動力を低減することが可能となり（図21）、結果的にシステムの動力変換効率が向上する。 
酸素の配管内は圧力計(P1)により測定され、Ｐ１が所定以上になるとＶ６により大気に解放されるように制御する。これにより、 電気分解装置の水素側と酸素側の圧力差を一定以内に保つことが可能となり、電気分解装置内の膜等の破壊を防ぐことができる。
【００６６】
圧縮機より圧縮された空気には高温高圧の水蒸気が流量調整器（Ｖ２）を介して供給される。これにより燃焼器内の燃焼温度を所定範囲に調整するとともに（図22）、高いエンタルピーの水蒸気が供給されることからタービンの動力変換効率を高めることが可能となる。（図23）前記水蒸気は前記圧縮機後の空気に混合した後に燃焼器に供給してもよいが、前記水蒸気は燃焼器に直接供給してもよい。
【００６７】
このような構成とすることで、前記燃焼器には空気、電気分解槽から生成された水素、酸素、エンジン燃料、水蒸気をそれぞれ独立に供給する構成となり、燃焼器の温度制御を行い、その結果タービンに供給する燃焼ガス温度を制御できる。
【００６８】
タービンの耐熱温度には制限があり最新のもので最大１６００℃である。一方、タービンの入口圧力、温度が高いほど、タービンの動力変換効率が高くなる。つまり、このような構成とすることで、タービンの温度を所定範囲に制御でき、タービンシステムの耐久性、動力変換効率を高めることが可能となる。より具体的には、本システムは電力の需用電力量および再生可能エネルギーによる発電量により電気分解装置へ供給する電力量が変動するため、電気分解装置から生成される水素、酸素の量が変化するが、 前記水素の変化に応じて、エンジン燃料、前記酸素、前記水蒸気、空気の量を制御し、系統へ一定電力、もしくは比較的低い変動周期の電力を供給することが可能となる。
【００６９】
次に水の循環サイクルについて説明する。タービンで動力を生成した後、水蒸気を含んだガスがタービンより排出される。タービンの排気管に 熱交換器1,  熱交換器2を搭載し、排気ガスを冷却することで水蒸気が凝集し、水タンクへ回収される。熱交換器１は排ガスと回収水による熱交換を、熱交換器２は排ガスを外気で冷却する熱交換器である。 回収した水はポンプにより加圧されたのちに熱交換器1を通って、燃焼器の入口は供給される。また、回収水はポンプで加圧後に流量調整器（Ｖ８）を介して電気分解装置へ供給される。また、回収水はポンプで加圧後、熱交換器で加熱後に流量調整バルブ（Ｖ１）を通って前記電気分解装置へ供給される。このようにすることで、 電気分解装置およびタービンに供給される水は循環することが可能となり、水の補給が不要となる。
【００７０】
電気分解装置に供給する水の温度は温度計（Ｔ１)により計測され、Ｖ１、Ｖ８を調整することで、 電気分解装置に供給する水の温度は所定温度（８０〜９０℃）に調整される。温度を高める際はＶ１の開度を高めるように調整する。 温度を低くする場合はその逆である。電気分解装置に供給する水を所定温度まで高めることで、電気分解装置の電力から水素へ変換する変換効率を高めることが可能となる。 水タンクはレベル計（Ｌ）により、残量を管理される。水タンク内の水量に応じて、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ８は調整される。Ｌが所定値以下の場合は、電気分解装置に供給する水を優先するためにＶ２の供給を禁止する。
【００７１】
以下にタービン出力下限時の流量調整器の動作方法について表１により説明する。
【００７２】
【表１】
0006553523.tif 000002
【００７３】
（１）水タンク残量Ｌが所定以上かつ電気分解装置へ供給する電力量が増加（パターン１） 
Ｖ１，Ｖ８を大きくし、前記電解装置に供給する水量を増やし、電気分解する水素、酸素量を増加させる。そしてＶ３とＶ５を大きくすることで、水素と酸素のタービンへの供給量を増加させる。このとき燃焼器に供給する酸素量を所定量（エンジン燃料、水素の合計燃料量に対しての酸素量）にするため、Ｖ７を小さくし、空気の供給量を減らす。Ｖ６は閉じており、電気分解装置で生成した酸素は全て供給される。さらに燃焼器に供給する不活性ガスの量を所定量（エンジン燃料、水素の合計燃料量に対する酸素、窒素、水蒸気の合計量）にするために、Ｖ２を大きくし、水蒸気量を高める。また燃焼器に供給する天然ガス量を少なくするために、Ｖ４を小さくする。これによりタービンからの出力を制御する。
【００７４】
（２）水タンク残量Ｌが所定以下かつ電気分解装置へ供給する電力量が増加（パターン２） 
水残量が小さいため、Ｖ２を小さくし、燃焼器に供給する水を削減する。Ｖ１，Ｖ８は大きくし、電気分解装置に優先して水を供給する。これにより余剰電力を捨てずに燃料として使用し、エンジン燃料を削減することを優先する。パターン２は燃焼器に供給する水蒸気が減少することから、Ｖ５，Ｖ７はパターン１に比べ小さくし、燃焼器に供給する空気量を増やすことで燃焼器に供給する不活性ガスの量が所定量になるよう調整する。Ｖ６はＰ１が所定範囲になるように調整される。
【００７５】
（３）水タンク残量Ｌが所定以下かつ電気分解装置へ供給する電力量が所定以上（パターン３）
電気分解装置へ供給する電力量が所定以上になると、燃焼器に供給する水素が増加し、従来燃料が小さくなる。そのため、水素由来で生成される燃焼中の水蒸気濃度が高くなる。熱交換器１，２を使い、水蒸気は回収されるが、外気温度と熱交換圧力が所定のもとでは、一部の水蒸気は、凝縮されずに排出される。そのため、水タンク内の水が所定以下のときは、を減少させないために、Ｖ１，Ｖ８、Ｖ３，Ｖ４を調整し、エンジン燃料（天然ガス等）由来で生成された水蒸気の濃度が所定値以上にして、水素由来で生成される水蒸気分は凝縮されるように制御する。図24にエンジン発電機（タービン）に供給する燃料中の電気分解装置から生成した水素の供給割合と、それに対する排気中の水蒸気濃度を示す。排気中の水蒸気濃度は天然ガス（メタン換算）の燃焼由来の水蒸気濃度と天然ガスと水素の燃焼の合計の水蒸気濃度を示した。外気温度が４０℃のとき、チラー等の冷却器を使わない場合、排気中の水の凝縮が可能な濃度は６．２％以上の水蒸気である（図24のハッチング部）。水素の供給量を増加させると、天然ガスの燃焼由来の水蒸気濃度が下降し、水素の燃焼由来の水蒸気が上昇することから、水素の供給割合が約４０％以上の条件では、水素の燃焼由来の水蒸気の一部を凝縮することが困難となる。その結果、回収水の量が低下し、電気分解装置に供給する水の確保が難しくなる。そのため、水タンクの残量が所定以下の場合、水素供給割合を４０％以下にする必要がある（外気温度４０度のとき）。水素供給割合の閾値は外気温度によって変化し、例えば外気温度が２５℃の場合は、水素供給割合の閾値は約７０％となる。これは図25に示すように外気温度に対する蒸気濃度の関係に依存する。そのため、外気温度によって、上記水素供給割合の閾値を制御することで、幅広い地域や時期において、余剰電力の供給割合を高めることができ、耐環境性の高いシステムとなる。構成図のＶ３，Ｖ４を調整することで、上記水素供給割合の閾値を制御する。それに伴い、電気分解装置に供給する水の供給量Ｖ１、Ｖ８を制御する。
【符号の説明】
【００７６】
S  電力供給システム
R  再生可能エネルギー発電装置
1  太陽光発電装置
2  風力発電装置
3  PCS
4  電力変換装置
5  電力分配装置
6  電気分解装置
7  エンジン発電機
8  燃料タンク
9  電力調整装置
10  系統
11  制御部
101水素燃料供給装置
102酸素供給装置
103エンジン燃料供給装置
104再生可能エネルギー発電量計測装置
105水素流量計
106酸素流量計
107エンジン発電機発電量計測器
108供給電力計測器
109需用電力計測装置
201バルブ
202バルブ
203バルブ
301バッファタンク
401熱交換器
402水タンク
403水供給装置
404水供給装置
405熱交換器
406水供給装置
【図１】
0006553523.tif 000003
【図２】
0006553523.tif 000004
【図３】
0006553523.tif 000005
【図４】
0006553523.tif 000006
【図５】
0006553523.tif 000007
【図６】
0006553523.tif 000008
【図７】
0006553523.tif 000009
【図８】
0006553523.tif 000010
【図９】
0006553523.tif 000011
【図１０】
0006553523.tif 000012
【図１１】
0006553523.tif 000013
【図１２】
0006553523.tif 000014
【図１３】
0006553523.tif 000015
【図１４】
0006553523.tif 000016
【図１５】
0006553523.tif 000017
【図１６】
0006553523.tif 000018
【図１７】
0006553523.tif 000019
【図１８】
0006553523.tif 000020
【図１９】
0006553523.tif 000021
【図２０】
0006553523.tif 000022
【図２１】
0006553523.tif 000023
【図２２】
0006553523.tif 000024
【図２３】
0006553523.tif 000025
【図２４】
0006553523.tif 000026
【図２５】
0006553523.tif 000027