(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022159115
(43)【公開日】2022-10-17
(54)【発明の名称】電力供給システム
(51)【国際特許分類】
F02G 1/02 20060101AFI20221006BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20221006BHJP
F02C 3/22 20060101ALI20221006BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20221006BHJP
C01B 3/00 20060101ALI20221006BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20221006BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20221006BHJP
C25B 15/02 20210101ALI20221006BHJP
【ＦＩ】
F02G1/02
F02C7/22 B
F02C3/22
C01B3/02 H
C01B3/00 Z
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B15/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022052887
(22)【出願日】2022-03-29
(31)【優先権主張番号】P 2021060619
(32)【優先日】2021-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087941
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 修司
(74)【代理人】
【識別番号】100112829
【弁理士】
【氏名又は名称】堤 健郎
(74)【代理人】
【識別番号】100155963
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】100154771
【弁理士】
【氏名又は名称】中田 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100150566
【弁理士】
【氏名又は名称】谷口 洋樹
(74)【代理人】
【識別番号】100220489
【弁理士】
【氏名又は名称】笹沼 崇
(72)【発明者】
【氏名】谷村 和彦
(72)【発明者】
【氏名】坂川 佳司
(72)【発明者】
【氏名】柏原 宏行
(72)【発明者】
【氏名】有澤 秀則
(72)【発明者】
【氏名】矢嶋 理子
(72)【発明者】
【氏名】近藤 恒幾
(72)【発明者】
【氏名】斎藤 勲
【テーマコード（参考）】
4G140
4K021
【Ｆターム（参考）】
4G140AB01
4K021AA01
4K021BA02
4K021DC03
4K021DC11
(57)【要約】
【課題】電力需要が低い時間帯の再生エネルギー電力を利用して水素を生成し、電力需要が高い時間帯に電力供給することが可能な電力供給システムを提供する。
【解決手段】再生可能エネルギーを利用して水素ガス（Ｈ）を生成，供給する水素ガス供給ユニット（１）と、水素ガス供給ユニット（１）から供給された水素ガス（Ｈ）を燃料とする発電装置（３）と、水素ガス供給ユニット（１）および発電装置（３）を制御する制御装置（５）とを備える電力供給システム（Ｓ）において、水素ガス供給ユニット（１）が、水電解装置（７）と、水素ガス（Ｈ）を圧縮するレシプロ圧縮機（９）と、圧縮された水素ガス（Ｈ）を貯蔵する貯蔵タンク（１１）と、貯蔵タンク（１１）へ供給される水素ガス（Ｈ）の顕熱を貯蔵し貯蔵タンク（１１）からの水素ガス（Ｈ）を加熱する蓄熱器（１３）と、蓄熱器（１３）からの水素ガス（Ｈ）を膨張させる膨張機（１５）とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】再生可能エネルギーを利用して水素ガス（Ｈ）を生成，供給する水素ガス供給ユニット（１）と、水素ガス供給ユニット（１）から供給された水素ガス（Ｈ）を燃料とする発電装置（３）と、水素ガス供給ユニット（１）および発電装置（３）を制御する制御装置（５）とを備える電力供給システム（Ｓ）において、水素ガス供給ユニット（１）が、水電解装置（７）と、水素ガス（Ｈ）を圧縮するレシプロ圧縮機（９）と、圧縮された水素ガス（Ｈ）を貯蔵する貯蔵タンク（１１）と、貯蔵タンク（１１）へ供給される水素ガス（Ｈ）の顕熱を貯蔵し貯蔵タンク（１１）からの水素ガス（Ｈ）を加熱する蓄熱器（１３）と、蓄熱器（１３）からの水素ガス（Ｈ）を膨張させる膨張機（１５）とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
再生可能エネルギーによって発電された再生可能電力を利用して水素ガスを生成および供給する水素ガス供給ユニットと、
前記水素ガス供給ユニットから供給された前記水素ガスを燃料として発電する発電装置と、
前記水素ガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記水素ガス供給ユニットが、
前記再生可能電力を利用して電気分解によって水素ガスを発生させる水電解装置と、
前記水素ガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮された水素ガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記水電解装置から前記レシプロ圧縮機へ前記水素ガスを供給する第１供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記水素ガスを供給する第２供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記水素ガスを供給する第３供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第２供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記水素ガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第３供給路を通過する前記水素ガスを加熱する蓄熱器と、
前記第３供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記水素ガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要が水素生成用基準値よりも小さい時間帯に前記水電解装置を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている、
電力供給システム。
前記水素ガス供給ユニットから供給された前記水素ガスを燃料として発電する発電装置と、
前記水素ガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記水素ガス供給ユニットが、
前記再生可能電力を利用して電気分解によって水素ガスを発生させる水電解装置と、
前記水素ガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮された水素ガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記水電解装置から前記レシプロ圧縮機へ前記水素ガスを供給する第１供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記水素ガスを供給する第２供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記水素ガスを供給する第３供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第２供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記水素ガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第３供給路を通過する前記水素ガスを加熱する蓄熱器と、
前記第３供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記水素ガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要が水素生成用基準値よりも小さい時間帯に前記水電解装置を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている、
電力供給システム。
【請求項2】
請求項１に記載の電力供給システムにおいて、前記レシプロ圧縮機が、前記膨張機として兼用される、電力供給システム。
【請求項3】
請求項１または２に記載の電力供給システムにおいて、前記第３供給路にサージタンクが設けられている、電力供給システム。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか一項に記載の電力供給システムおいて、前記蓄熱器が、多数の固体蓄熱材を備える、電力供給システム。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力供給システムおいて、前記貯蔵タンクが水素カードルである、電力供給システム。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載の電力供給システムにおいて、
前記制御装置は、前記膨張機の動作を制御することによって前記発電装置への水素ガスの供給量を制御するように構成されている、
電力供給システム。
前記制御装置は、前記膨張機の動作を制御することによって前記発電装置への水素ガスの供給量を制御するように構成されている、
電力供給システム。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか一項に記載の電力供給システムにおいて、前記発電装置が、原動機として、水素ガスを燃料として利用するガスタービンエンジンまたはガスエンジンを備える、
電力供給システム。
電力供給システム。
【請求項8】
バイオマスを利用してメタンガスを生成および供給するメタンガス供給ユニットと、
前記メタンガス供給ユニットから供給された前記メタンガスを燃料として発電する発電装置と、
前記メタンガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記メタンガス供給ユニットが、
前記バイオマスを発酵させることによってメタンガスを発生させるメタンガス生成装置と、
前記メタンガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮されたメタンガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記メタンガス生成装置から前記レシプロ圧縮機へ前記メタンガスを供給する第４供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記メタンガスを供給する第５供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記メタンガスを供給する第６供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第５供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記メタンガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第６供給路を通過する前記メタンガスを加熱する蓄熱器と、
前記第６供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記メタンガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要がメタンガス生成用基準値よりも小さい時間帯に前記レシプロ圧縮機を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている、
電力供給システム。
前記メタンガス供給ユニットから供給された前記メタンガスを燃料として発電する発電装置と、
前記メタンガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記メタンガス供給ユニットが、
前記バイオマスを発酵させることによってメタンガスを発生させるメタンガス生成装置と、
前記メタンガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮されたメタンガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記メタンガス生成装置から前記レシプロ圧縮機へ前記メタンガスを供給する第４供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記メタンガスを供給する第５供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記メタンガスを供給する第６供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第５供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記メタンガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第６供給路を通過する前記メタンガスを加熱する蓄熱器と、
前記第６供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記メタンガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要がメタンガス生成用基準値よりも小さい時間帯に前記レシプロ圧縮機を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている、
電力供給システム。
【請求項9】
請求項８に記載の電力供給システムにおいて、前記レシプロ圧縮機が、前記膨張機として兼用される、電力供給システム。
【請求項10】
請求項８または９に記載の電力供給システムにおいて、前記第６供給路にサージタンクが設けられている、電力供給システム。
【請求項11】
請求項８から１０のいずれか一項に記載の電力供給システムおいて、前記蓄熱器が、多数の固体蓄熱材を備える、電力供給システム。
【請求項12】
請求項８から１１のいずれか一項に記載の電力供給システムおいて、前記貯蔵タンクがメタンカードルである、電力供給システム。
【請求項13】
請求項８から１２のいずれか一項に記載の電力供給システムにおいて、
前記制御装置は、前記膨張機の動作を制御することによって前記発電装置へのメタンガスの供給量を制御するように構成されている、
電力供給システム。
前記制御装置は、前記膨張機の動作を制御することによって前記発電装置へのメタンガスの供給量を制御するように構成されている、
電力供給システム。
【請求項14】
請求項８から１３のいずれか一項に記載の電力供給システムにおいて、前記発電装置が、原動機として、メタンガスを燃料として利用するガスタービンエンジンまたはガスエンジンを備える、
電力供給システム。
電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電力を供給するシステム、特には、再生可能電力やバイオマスを利用して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを利用して発電した電力を供給するシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電力市場の自由化が促進されると共に、風力や太陽光といった再生可能エネルギーやバイオマス燃料といった環境負荷の低いエネルギーを積極的に活用することが求められてきている。しかし、再生可能エネルギーの供給量は、実際の需給状況にかかわらず、天候等の自然環境に大きく影響される。バイオマス燃料についても生成量を時間帯に応じて増減させることは難しい。そのため、電力市場における需給関係が不安定になりがちで、電力需要が少ない時間帯の電力取引価格は低迷する状況にあり、事業者の採算を悪化させる要因となっている。
【0003】
他方で、環境問題に対する一解決策として、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、水素を利用する発電装置、例えば水素を燃料とするガスタービンエンジンが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１０６２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、燃料として利用可能な水素を生成するためにもエネルギーが必要である。そこで、電力需要が低い時間帯の余剰電力を利用して水素を生成し、これを貯蔵して電力需要が高い時間帯に発電し、電力供給できるシステムの実用化が期待されている。
【0006】
そこで、本開示の目的は、上記の課題を解決するために、電力需要が低い時間帯における余剰の再生エネルギー電力や生成量の増減調整が困難なバイオマスガスを利用して燃料ガスを生成し、これを貯蔵して電力需要が高い時間帯に発電して電力供給することが可能な電力供給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本開示の一構成に係る電力供給システムは、
再生可能エネルギーによって発電された電力を利用して水素ガスを生成および供給する水素ガス供給ユニットと、
前記水素ガス供給ユニットから供給された前記水素ガスを燃料として発電する発電装置と、
前記水素ガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記水素ガス供給ユニットが、
前記再生可能電力を利用して電気分解によって水素ガスを発生させる水電解装置と、
前記水素ガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮された水素ガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記水電解装置から前記レシプロ圧縮機へ前記水素ガスを供給する第１供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記水素ガスを供給する第２供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記水素ガスを供給する第３供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第２供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記水素ガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第３供給路を通過する前記水素ガスを加熱する蓄熱器と、
前記第３供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記水素ガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要が水素生成用基準値よりも小さい時間帯に前記水電解装置を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている。
再生可能エネルギーによって発電された電力を利用して水素ガスを生成および供給する水素ガス供給ユニットと、
前記水素ガス供給ユニットから供給された前記水素ガスを燃料として発電する発電装置と、
前記水素ガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記水素ガス供給ユニットが、
前記再生可能電力を利用して電気分解によって水素ガスを発生させる水電解装置と、
前記水素ガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮された水素ガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記水電解装置から前記レシプロ圧縮機へ前記水素ガスを供給する第１供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記水素ガスを供給する第２供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記水素ガスを供給する第３供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第２供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記水素ガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第３供給路を通過する前記水素ガスを加熱する蓄熱器と、
前記第３供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記水素ガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要が水素生成用基準値よりも小さい時間帯に前記水電解装置を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている。
【0008】
本開示の他の構成に係る電力供給システムは、
バイオマスを利用してメタンガスを生成および供給するメタンガス供給ユニットと、
前記メタンガス供給ユニットから供給された前記メタンガスを燃料として発電する発電装置と、
前記メタンガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記メタンガス供給ユニットが、
前記バイオマスを発酵させることによってメタンガスを発生させるメタンガス生成装置と、
前記メタンガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮されたメタンガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記メタンガス生成装置から前記レシプロ圧縮機へ前記メタンガスを供給する第４供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記メタンガスを供給する第５供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記メタンガスを供給する第６供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第５供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記メタンガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第６供給路を通過する前記メタンガスを加熱する蓄熱器と、
前記第６供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記メタンガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要がメタンガス生成用基準値よりも小さい時間帯に前記レシプロ圧縮機を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている。
バイオマスを利用してメタンガスを生成および供給するメタンガス供給ユニットと、
前記メタンガス供給ユニットから供給された前記メタンガスを燃料として発電する発電装置と、
前記メタンガス供給ユニットおよび前記発電装置の動作を制御する制御装置と、
を備える電力供給システムであって、
前記メタンガス供給ユニットが、
前記バイオマスを発酵させることによってメタンガスを発生させるメタンガス生成装置と、
前記メタンガスを、前記発電装置の要求圧力以上の圧力に圧縮するレシプロ圧縮機と、
前記レシプロ圧縮機で圧縮されたメタンガスを圧縮された状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
前記メタンガス生成装置から前記レシプロ圧縮機へ前記メタンガスを供給する第４供給路と、
前記レシプロ圧縮機から前記貯蔵タンクへ前記メタンガスを供給する第５供給路と、
前記貯蔵タンクから前記発電装置へ前記メタンガスを供給する第６供給路と、
前記第２供給路および前記第３供給路に熱的に接続され、前記第５供給路を通過して前記貯蔵タンクへ供給される前記メタンガスの顕熱を貯蔵すると共に、前記貯蔵タンクから前記第６供給路を通過する前記メタンガスを加熱する蓄熱器と、
前記第６供給路における前記蓄熱器と前記発電装置との間に設けられて、前記メタンガスを膨張させる膨張機と、
を備え、
前記制御装置は、前記電力の需要がメタンガス生成用基準値よりも小さい時間帯に前記レシプロ圧縮機を作動させ、前記電力の需要が電力供給用基準値よりも大きい時間帯に前記発電装置を作動させるように構成されている。
【発明の効果】
【0009】
本開示に係る電力供給システムによれば、上述したように、電力需要が低い時間帯における余剰の再生エネルギー電力や生成量の増減調整が困難なバイオマスガスを利用して燃料ガスを生成し、これを貯蔵して電力需要が高い時間帯に発電して電力供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本開示の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１に、本開示の一実施形態に係る電力供給システムＳを示す。この電力供給システムＳは、電力系統から供給される再生可能エネルギーを利用する水素ガス供給ユニット１と、水素ガス供給ユニット１から供給された水素ガスＨを燃料として発電する発電装置３と、水素ガス供給ユニット１および発電装置３の動作を制御する制御装置５とを備えている。なお、ここでの「電力系統」には、既存の商用電力系統のみならず、これに組み込まれていない電力供給可能なシステムも含まれる。
【0012】
水素ガス供給ユニット１は、再生可能エネルギーによって発電された電力（以下、「再生可能電力」という。）を利用して水素ガスＨを生成し、この水素ガスＨを発電装置３に供給する。水素ガス供給ユニット１は、必要に応じて、生成された水素ガスＨを貯蔵した後に発電装置３に供給することが可能である。具体的には、水素ガス供給ユニット１は、水電解装置７、レシプロ圧縮機９、貯蔵タンク１１、蓄熱器１３、および膨張機１５を備えている。
【0013】
水電解装置７は加圧型の水電解装置として構成されており、再生可能電力を利用して電気分解によって水素ガスＨを発生させる。本実施形態では、水電解装置７によって、発電装置３への供給時と同程度の圧力（後述するガスタービンエンジン１７を原動機とする発電装置３の場合は、例えば数１０bar）に加圧された水素ガスＨが生成される。なお、本実施形態では効率の観点から加圧型の水電解装置７を用いているが、水電解装置７は常圧型であってもよい。
【0014】
レシプロ圧縮機９は、水電解装置７で生成された水素ガスＨを、発電装置３に要求される圧力以上の圧力に圧縮する。本明細書における「発電装置３に要求される圧力」とは、当該発電装置の仕様上、定格出力を得るために必要とされる圧力を意味する。また、「要求される圧力以上の圧力」とは、後述の貯蔵タンク１１をコンパクトにし、かつ水素ガス圧縮時の仕事の大部分（例えば７０％程度）を水素ガス利用時に動力として回収可能な圧力を意味する。本実施形態では、レシプロ圧縮機９によって、水素ガスＨが、例えば数百bar程度まで加圧されると共に、水素ガスＨの温度が常温から１００℃以上の高温へ昇温される。レシプロ圧縮機９のピストンは電動式モータ１９によって駆動される。電動式モータ１９は、水電解装置７と同じ系統から供給される再生可能電力によって駆動される。
【0015】
なお、図１では、図示を簡略化するため、レシプロ圧縮機９を一段構成とした例を示しているが、必要とされる水素ガスＨの圧力と、使用するレシプロ圧縮機９の能力とに応じて、適宜複数段で構成してもよい。なお、レシプロ圧縮機９を多段化するほど、水素ガスＨの到達温度は低下して１００℃程度となる一方、例えば２段構成の場合は２５０℃程度、単段構成の場合は５００℃程度となる。
【0016】
水電解装置７とレシプロ圧縮機９とは、水電解装置７からレシプロ圧縮機９へ水素ガスＨを供給する第１供給路２１によって接続されている。図示の例では、第１供給路２１には、水電解装置７から送られた水素ガスＨ流に含まれる水分を除去するための除湿器２３が設けられている。もっとも、除湿器２３は省略してもよい。
【0017】
貯蔵タンク１１は、圧縮機で圧縮された水素ガスＨを圧縮された状態で貯蔵する。本実施形態では、貯蔵タンク１１として水素カードルを使用している。水素カードルは、複数の水素ガスボンベを集合させて構成されている。貯蔵タンク１１として水素カードルを使用することにより、本実施形態で要求される数百barまで加圧された水素ガスＨを安定的に貯蔵することができる。もっとも、貯蔵タンク１１は水素カードル以外のガス貯蔵容器であってよい。
【0018】
レシプロ圧縮機９と貯蔵タンク１１とは、レシプロ圧縮機９から貯蔵タンク１１へ水素ガスＨを供給する第２供給路２５によって接続されている。すなわち、第２供給路２５は、貯蔵タンク１１の入口に接続されている。また、貯蔵タンク１１の出口には、第３供給路２７が接続されている。この第３供給路２７を介して、貯蔵タンク１１と発電装置３とが接続されており、水素ガスＨが貯蔵タンク１１から発電装置３へ供給される。
【0019】
なお、図示の例では、第２供給路２５の下流部分および第３供給路２７の上流部分は、蓄熱器１３を通って貯蔵タンク１１に接続される共通通路２８として形成されている。この共通通路２８は、貯蔵タンク１１の入口と出口を兼ねる接続口に接続されている。この例では、蓄熱器１３上流側に第１遮断弁Ｖ１が設けられるとともに、蓄熱器１３の下流側（この例では貯蔵タンク１１と蓄熱器１３とを接続する接続管２８ａ）に第２遮断弁Ｖ２が設けられており、これら遮断弁Ｖ１，Ｖ２の開閉制御によって第２供給路２５と第３供給路２７とが切替えられる。なお、第２供給路２５の下流部分および第３供給路２７の上流部分は、別個の経路として設けられていてもよい。
【0020】
蓄熱器１３は、第２供給路２５および第３供給路２７（図示の例では共通通路２８）に熱的に接続されており、第２供給路２５を通過して貯蔵タンク１１へ供給される水素ガスＨの顕熱を貯蔵すると共に、このように貯蔵した熱によって、貯蔵タンク１１から第３供給路２７を通過する水素ガスＨを加熱する。これにより、貯蔵タンク１１に貯蔵された水素ガスＨが高温・高圧に戻された状態で後述の膨張機１５に供給される。本実施形態では、図２に示すように、蓄熱器１３が、多数の固体蓄熱材２９を備えている。固体蓄熱材２９としては、水素との反応性が低く、比熱の大きい物質を使用することが好ましい。この例では、花崗岩や硅石といった岩石を適宜の大きさに破砕したものを固体蓄熱材２９として使用している。もっとも、固体蓄熱材２９はこの例に限定されない。
【0021】
本実施形態に係る蓄熱器１３は、具体的には、円筒状の金属製のケーシング３１と、ケーシング３１の内周面上に円筒状に設けられた断熱材３３と、断熱材３３の内側に充填された前記多数の固体蓄熱材２９とを備えている。多数の固体蓄熱材２９間に形成された隙間が水素ガスＨの流路となる。もっとも、蓄熱器１３の具体的構成はこの例に限定されない。
【0022】
蓄熱器１３の蓄熱体を固体蓄熱材２９とすることにより、固体蓄熱材２９が水素ガスＨ中の不純物（例えば水電解装置７で発生したミスト等）を吸着する。これにより、後述するように発電装置３の原動機としてガスタービンエンジン１７を使用する場合、燃料である水素ガスＨに高い純度は要求されないので、別途不純物フィルタを設ける必要がない。もっとも、蓄熱器１３が備える蓄熱体は固体状のものに限定されない。
【0023】
また、蓄熱器１３は、円筒形状の長手軸心方向が鉛直方向となるように設置され、前記接続管２８ａが蓄熱器１３の下方に配置されている。また、この例では貯蔵タンク１１も蓄熱器１３の下方に配置されているが、貯蔵タンク１１の配置はこれに限定されない。第２供給路２５は、水素ガスＨが蓄熱器１３の上部から下部へ流れるように蓄熱器１３に接続されており、第３供給路２７は、水素ガスＨが蓄熱器１３の下部から上部へ流れるように蓄熱器１３に接続されている。蓄熱器１３をこのように構成することにより、蓄熱器１３内の温度分布が、水素ガスＨの流れ方向に沿って次第に低下（水素ガスＨが貯蔵タンク１１へ上方から下方に流入する方向）ないし上昇（水素ガスＨが貯蔵タンク１１から下方から上方に流出する方向）する分布となるので、熱交換の効率を高めることができる。
【0024】
膨張機１５は、第３供給路２７における蓄熱器１３と発電装置３との間に設けられている。第３供給路２７を通過する水素ガスＨは、膨張機１５によって膨張され、その後発電装置３に供給される。本実施形態の例では、膨張機１５は、レシプロ式の膨張機１５として構成されている。本実施形態では、膨張機１５によって、水素ガスＨの圧力が、例えば数十bar程度まで低下すると共に、水素ガスＨの温度が常温まで低下する。
【0025】
膨張機１５のピストンには第１発電機３５が連結されており、膨張機１５に流入した水素ガスＨの膨張力によってピストンが駆動され、このピストンの運動によって第１発電機３５が駆動される。
【0026】
なお、図１では、図示を簡略化するため、膨張機１５を一段構成とした例を示したが、必要とされる水素ガスＨの圧力と、使用する膨張機１５の能力とに応じて、適宜複数段で構成してもよい。
【0027】
なお、レシプロ圧縮機９および膨張機１５を複数段設ける場合、蓄熱器１３も同数設ける。その場合、図３に示すように、水素ガスＨの流入側では各１段のレシプロ圧縮機９と蓄熱器１３を接続した組が複数段直列に接続されたうえで、貯蔵タンク１１に接続され、水素ガスＨの流出側では、各１段の膨張機１５と蓄熱器１３とを接続した組が複数段直列に接続されたうえで、貯蔵タンク１１に接続される。
【0028】
図１では、レシプロ圧縮機９と膨張機１５とを別個に設けた例を示したが、図４に変形例として示すように、レシプロ圧縮機９が膨張機１５として兼用されてもよい。つまり、レシプロ圧縮機と膨張機を兼ねるレシプロ圧縮膨張機９Ａが設けられていてもよい。その場合、レシプロ圧縮機９を駆動するための電動式モータ１９も、膨張機１５に連結された第１発電機３５として兼用される。このように構成することにより、膨張機１５を追加で設ける必要がなくなるので、システム全体のコストが低減される。
【0029】
本実施形態では、第３供給路２７にサージタンク３７が設けられている。具体的には、サージタンク３７は、第３供給路２７における膨張機１５の下流側に設けられている。サージタンク３７を設けることによって、発電装置３で生じ得る負荷変動等による、必要とされる供給量の変動を吸収することができるので、制御装置５による水素ガスＨの供給制御を簡易化することができる。もっとも、第３供給路２７にサージタンク３７を設けることは必須ではない。
【0030】
本実施形態において、発電装置３は、第２発電機４１と、第２発電機４１を回転駆動する原動機である、水素ガスＨを燃料として利用するガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という。）１７とを備えている。ガスタービン１７は、ガスタービン圧縮機４３と、燃焼器４５と、タービン４７とを備える。ガスタービン１７において、ガスタービン圧縮機４３が外部からの空気を圧縮し、燃焼器４５が、燃料である水素ガスＨを圧縮された空気と共に燃焼させ、この燃焼によって生じた高温ガスがタービン４７を回転駆動する。タービン４７のロータには第２発電機４１が連結されており、タービン４７の回転出力によって第２発電機４１が駆動される。第３供給路２７を通過してきた水素ガス供給ユニット１からの水素ガスＨは、上述したようにガスタービン１７の燃焼器４５に供給される。
【0031】
なお、発電装置３において第２発電機４１を駆動する原動機は、水素ガスＨを燃料として利用するガスエンジンまたは水素ボイラであってもよい。また、発電装置３は、発電機と原動機との組合せからなる装置に限定されない。例えば、発電装置３は、水素ガスＨを燃料として使用する燃料電池であってもよい。発電装置３として燃料電池を使用する場合、水素ガス供給ユニット１から供給された水素ガスＨに含まれる水分などをさらに除去するため、サイクロンセパレータのような追加の除湿器を併設してもよい。
【0032】
発電装置３によって生成された電力は、膨張機１５の第１発電機によって生成された電力と共に電力系統に供給される。
【0033】
【0034】
制御装置５は、再生可能電力の需要が所定の水素生成用基準値よりも小さい時間帯に水電解装置７を作動させ、電力需要が所定の電力供給用基準値よりも大きい時間帯に発電装置３を作動させるように構成されている。
【0035】
本実施形態において、制御装置５は、膨張機１５の動作を制御することによって、発電装置３への水素ガスＨの供給量を制御するように構成されている。具体的には、制御装置５は、例えば、膨張機１５の回転速度、可変バルブタイミング、燃料噴射弁の開度や開放時間を調整する。もっとも、制御装置５が発電装置３への水素ガスＨの供給量を制御するための制御対象装置およびパラメータはこの例に限定されない。
【0036】
制御装置５における、水電解装置７を作動させるための再生可能電力の需要予測および発電装置３を作動させるための電力需要予測は、過去の電力需要パターンを分析することにより、曜日や一日のうちの時間帯等によって予め設定しておいてもよいし、自動デマンドレスポンスシステムを利用することにより適宜設定可能に構成してもよい。
【0037】
なお、水素ガス供給ユニット１の各供給路には、上記で説明した要素以外にも、必要に応じて各種の弁、ポンプ等の装置を適宜設置し、制御装置５によって制御することができる。
【0038】
以上説明したように、本実施形態に係る電力供給システムＳは、再生エネルギー電力を利用する水電解装置７によって生成した水素ガスＨを、高圧ガスとしてコンパクトに貯蔵した後に、発電装置３で要求される圧力に調整して供給することができる。したがって、電力需要が低い時間帯における余剰の再生エネルギー電力を利用して水素を生成し、これを貯蔵して電力需要が高い時間帯に発電して電力供給することが可能となる。
【0039】
図５に、本開示の他の実施形態に係る電力供給システムＳを示す。この電力供給システムＳは、図１～図４と共に説明した実施形態と、水素ガス供給ユニット１の代わりに、バイオマスを利用してメタンガスを生成および供給するメタンガス供給ユニット１０１を備えている点で異なり、それ以外の基本的な構成は上記実施形態と共通している。すなわち、この電力供給システムＳは、前記メタンガス供給ユニット１０１と、メタンガス供給ユニット１０１から供給されたメタンガスＭを燃料として発電する発電装置１０３と、メタンガス供給ユニット１０１および発電装置１０３の動作を制御する制御装置１０５とを備えている。以下の説明では、主として図１～図４と共に説明した実施形態と異なる点について説明し、共通する事項については説明を省略する。
【0040】
図５に示すメタンガス供給ユニット１０１は、バイオマス、すなわち、家畜糞尿、食品廃棄物、木質廃材、下水汚泥といった生物由来の有機性資源を利用してメタンガスＭを生成し、このメタンガスＭを発電装置１０３に供給する。メタンガス供給ユニット１０１は、必要に応じて、生成されたメタンガスＭを貯蔵した後に発電装置１０３に供給することが可能である。具体的には、メタンガス供給ユニット１０１は、メタンガス生成装置１０７、レシプロ圧縮機１０９、貯蔵タンク１１１、蓄熱器１１３、および膨張機１１５を備えている。
【0041】
メタンガス生成装置１０７はバイオマスを発酵させることによってメタンガスＭを発生させる。メタンガス生成装置１０７は、具体的には、例えば水処理設備に併設された消化ガス生成装置であるが、これに限定されない。なお、図示は省略するが、メタンガス生成装置１０７からは、メタンガス以外に、二酸化炭素等の燃料とはならないガスも発生するため、このようなガスを除去する装置が設けられている。本実施形態では、メタンガス生成装置１０７によって、発電装置１０３への供給時と同程度の圧力（後述するガスタービンエンジン１７を原動機とする発電装置１０３の場合は、例えば数１０bar）に加圧されたメタンガスＭが生成される。
【0042】
レシプロ圧縮機１０９は、メタンガス生成装置１０７で生成されたメタンガスＭを、発電装置１０３に要求される圧力以上の圧力に圧縮する。本実施形態では、レシプロ圧縮機１０９によって、メタンガスＭが、例えば数百bar程度まで加圧されると共に、メタンガスＭの温度が常温から１００℃以上の高温へ昇温される。レシプロ圧縮機１０９のピストンは電動式モータ１１９によって駆動される。電動式モータ１１９は、メタンガス生成装置１０７と同じ系統から供給される電力によって駆動される。
【0043】
なお、図５では、図示を簡略化するため、レシプロ圧縮機１０９を一段構成とした例を示しているが、必要とされるメタンガスＭの圧力と、使用するレシプロ圧縮機１０９の能力とに応じて、適宜複数段で構成してもよい。なお、レシプロ圧縮機１０９を多段化するほど、メタンガスＭの到達温度は低下して１００℃程度となる一方、例えば２段構成の場合は２５０℃程度、単段構成の場合は５００℃程度となる。
【0044】
メタンガス生成装置１０７とレシプロ圧縮機１０９とは、メタンガス生成装置１０７からレシプロ圧縮機１０９へメタンガスＭを供給する第４供給路１２１によって接続されている。図示の例では、第４供給路１２１には、メタンガス生成装置１０７から送られたメタンガスＭ流に含まれる水分を除去するための除湿器１２３が設けられている。もっとも、除湿器１２３は省略してもよい。
【0045】
貯蔵タンク１１１は、圧縮機１０９で圧縮されたメタンガスＭを圧縮された状態で貯蔵する。本実施形態では、貯蔵タンク１１１としてメタンカードルを使用している。メタンカードルは、複数のメタンガスボンベを集合させて構成されている。貯蔵タンク１１１としてメタンカードルを使用することにより、本実施形態で要求される数百barまで加圧されたメタンガスＭを安定的に貯蔵することができる。もっとも、貯蔵タンク１１１はメタンカードル以外のガス貯蔵容器であってよい。
【0046】
レシプロ圧縮機１０９と貯蔵タンク１１１とは、レシプロ圧縮機１０９から貯蔵タンク１１１へメタンガスＭを供給する第５供給路１２５によって接続されている。すなわち、第５供給路１２５は、貯蔵タンク１１１の入口に接続されている。また、貯蔵タンク１１１の出口には、第６供給路１２７が接続されている。この第６供給路１２７を介して、貯蔵タンク１１１と発電装置１０３とが接続されており、メタンガスＭが貯蔵タンク１１１から発電装置１０３へ供給される。
【0047】
なお、図示の例では、第５供給路１２５の下流部分および第６供給路１２７の上流部分は、蓄熱器１１３を通って貯蔵タンク１１１に接続される共通通路１２８として形成されている。この共通通路１２８は、貯蔵タンク１１１の入口と出口を兼ねる接続口に接続されている。この例では、蓄熱器１１３上流側に第１遮断弁Ｖ１が設けられるとともに、蓄熱器１１３の下流側（この例では貯蔵タンク１１１と蓄熱器１１３とを接続する接続管１２８ａ）に第２遮断弁Ｖ２が設けられており、これら遮断弁Ｖ１，Ｖ２の開閉制御によって第５供給路１２５と第６供給路１２７とが切替えられる。なお、第５供給路１２５の下流部分および第６供給路１２７の上流部分は、別個の経路として設けられていてもよい。
【0048】
蓄熱器１１３は、第５供給路１２５および第６供給路１２７（図示の例では共通通路２８）に熱的に接続されており、第５供給路１２５を通過して貯蔵タンク１１１へ供給されるメタンガスＭの顕熱を貯蔵すると共に、このように貯蔵した熱によって、貯蔵タンク１１１から第６供給路１２７を通過するメタンガスＭを加熱する。これにより、貯蔵タンク１１１に貯蔵されたメタンガスＭが高温・高圧に戻された状態で後述の膨張機１１５に供給される。本実施形態の例でも、膨張機１１５は、レシプロ式の膨張機１１５として構成されている。本実施形態では、膨張機１１５によって、メタンガスＭの圧力が、例えば数十bar程度まで低下すると共に、メタンガスＭの温度が常温まで低下する。
【0049】
膨張機１１５のピストンには第１発電機１３５が連結されており、膨張機１１５に流入したメタンガスＭの膨張力によってピストンが駆動され、このピストンの運動によって第１発電機１３５が駆動される。なお、本実施形態においても、膨張機１１５は、必要とされるメタンガスＭの圧力と、使用する膨張機１１５の能力とに応じて、適宜複数段で構成してもよい。また、本実施形態においても、図６に変形例として示すように、レシプロ圧縮機１０９が膨張機１１５として兼用されてもよい。つまり、レシプロ圧縮機と膨張機を兼ねるレシプロ圧縮膨張機１０９Ａが設けられていてもよい。その場合、レシプロ圧縮機１０９を駆動するための電動式モータ１１９も、膨張機１１５に連結された第１発電機３５として兼用される。このように構成することにより、膨張機１１５を追加で設ける必要がなくなるので、システム全体のコストが低減される。
【0050】
本実施形態では、第６供給路１２７にサージタンク１３７が設けられている。もっとも、第６供給路１２７にサージタンク１３７を設けることは必須ではない。
【0051】
本実施形態において、発電装置１０３は、第２発電機１４１と、第２発電機１４１を回転駆動する原動機である、メタンガスＭを燃料として利用するガスタービン１１７とを備えている。ガスタービン１１７は、ガスタービン圧縮機１４３と、燃焼器１４５と、タービン１４７とを備える。タービン１４７のロータには第２発電機１４１が連結されており、タービン４７の回転出力によって第２発電機１４１が駆動される。第６供給路１２７を通過してきたメタンガス供給ユニット１０１からのメタンガスＭは、上述したようにガスタービン１１７の燃焼器１４５に供給される。
【0052】
なお、発電装置１０３において第２発電機１４１を駆動する原動機は、メタンガスＭを燃料として利用するガスエンジンまたはボイラであってもよい。
【0053】
発電装置１０３によって生成された電力は、膨張機１１５の第１発電機によって生成された電力と共に電力系統に供給される。
【0054】
制御装置１０５は、電力需要が所定のメタンガス生成用基準値よりも小さい時間帯にレシプロ圧縮機１０９を作動させ、電力需要が所定の電力供給用基準値よりも大きい時間帯に発電装置１０３を作動させるように構成されている。制御装置１０５の具体的構成、動作は、図１の実施形態における制御装置５と同様である。
【0055】
以上説明したように、本実施形態に係る電力供給システムＳは、バイオマスを利用するメタンガス生成装置１０７によって生成したメタンガスＭを、高圧ガスとしてコンパクトに貯蔵した後に、発電装置１０３で要求される圧力に調整して供給することができる。したがって、通常は単に廃棄されるバイオマス資源を利用してメタンガスを生成し、これを利用して電力供給することが可能となる。特に、通常バイオメタンガス生成設備では、メタンガスの生成量を電力需要に合わせて調整することが困難であるところ、本実施形態に係る電力供給システムは、メタンガスをいったん貯蔵するので、上述のように電力需要が高い時間帯に発電して電力供給することが可能となる。
【0056】
以上のとおり、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態を説明したが、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本開示の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【0057】
１ 水素ガス供給ユニット
３，１０３ 発電装置
５，１０５ 制御装置
７ 水電解装置
９，１０９ レシプロ圧縮機
１１，１１１ 貯蔵タンク
１３，１１３ 蓄熱器
１５，１１５ 膨張機
２１ 第１供給路
２５ 第２供給路
２７ 第３供給路
３７，１３７ サージタンク
１０１ メタンガス供給ユニット
１０７ メタンガス生成装置
Ｈ 水素ガス
Ｍ メタンガス
Ｓ 電力供給システム
３，１０３ 発電装置
５，１０５ 制御装置
７ 水電解装置
９，１０９ レシプロ圧縮機
１１，１１１ 貯蔵タンク
１３，１１３ 蓄熱器
１５，１１５ 膨張機
２１ 第１供給路
２５ 第２供給路
２７ 第３供給路
３７，１３７ サージタンク
１０１ メタンガス供給ユニット
１０７ メタンガス生成装置
Ｈ 水素ガス
Ｍ メタンガス
Ｓ 電力供給システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】