(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】P2023181869
(43)【公開日】2023-12-25
(54)【発明の名称】熱エネルギー供給システム
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20231218BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20231218BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20231218BHJP
F23N 1/02 20060101ALI20231218BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20231218BHJP
C01B 13/02 20060101ALI20231218BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B1/04
C25B15/08 302
F23N1/02 101
C01B3/02 H
C01B13/02 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022095241
(22)【出願日】2022-06-13
(71)【出願人】
【識別番号】000220262
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】阿部 充里
(72)【発明者】
【氏名】小笠原 慶
(72)【発明者】
【氏名】今成 岳人
(72)【発明者】
【氏名】中村 和郎
(72)【発明者】
【氏名】赤羽 俊之輔
(72)【発明者】
【氏名】内 尚泰
【テーマコード（参考）】
3K003
4G042
4K021
【Ｆターム（参考）】
3K003AA01
3K003AB03
3K003AB06
3K003BA05
3K003CA03
3K003CA05
3K003DA03
4G042BA10
4G042BA11
4G042BB04
4G042BC06
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA08
(57)【要約】
【課題】二酸化炭素の排出を抑制すると共に、簡易な構成で熱エネルギーを供給する。
【解決手段】熱エネルギー供給システム１０は、水を電解して水素と酸素を生成する水電解装置２０と、水電解装置２０で生成された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成するメタネーション装置３０と、メタネーション装置３０で生成されたメタンを水電解装置２０で生成された酸素により燃焼させて燃焼熱を熱需要部へ供給すると共に、燃焼により生成される二酸化炭素をメタネーション装置３０へ供給する燃焼装置４０と、を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】熱エネルギー供給システム１０は、水を電解して水素と酸素を生成する水電解装置２０と、水電解装置２０で生成された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成するメタネーション装置３０と、メタネーション装置３０で生成されたメタンを水電解装置２０で生成された酸素により燃焼させて燃焼熱を熱需要部へ供給すると共に、燃焼により生成される二酸化炭素をメタネーション装置３０へ供給する燃焼装置４０と、を備えている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を電解して水素と酸素を生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成するメタネーション装置と、
前記メタネーション装置で生成されたメタンを前記水電解装置で生成された酸素により燃焼させて燃焼熱を発生させると共に、前記燃焼により生成される二酸化炭素を前記メタネーション装置へ供給する燃焼装置と、
を備えた熱エネルギー供給システム。
前記水電解装置で生成された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成するメタネーション装置と、
前記メタネーション装置で生成されたメタンを前記水電解装置で生成された酸素により燃焼させて燃焼熱を発生させると共に、前記燃焼により生成される二酸化炭素を前記メタネーション装置へ供給する燃焼装置と、
を備えた熱エネルギー供給システム。
【請求項2】
前記メタネーション装置で生成される水を前記水電解装置へ供給する、
請求項１に記載の熱エネルギー供給システム。
請求項１に記載の熱エネルギー供給システム。
【請求項3】
前記燃焼装置で生成される水を前記水電解装置へ供給する、
請求項１に記載の熱エネルギー供給システム。
請求項１に記載の熱エネルギー供給システム。
【請求項4】
前記メタネーション装置で生成されたメタンを貯留するメタン貯留部と、
前記水電解装置で生成された酸素を貯留する酸素貯留部と、
前記燃焼装置における必要熱量に応じて、前記メタン貯留部から前記燃焼装置へ供給するメタンの流量と、前記酸素貯留部から前記燃焼装置へ供給する酸素の流量を調整する調整部と、
を備えた、
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の熱エネルギー供給システム。
前記水電解装置で生成された酸素を貯留する酸素貯留部と、
前記燃焼装置における必要熱量に応じて、前記メタン貯留部から前記燃焼装置へ供給するメタンの流量と、前記酸素貯留部から前記燃焼装置へ供給する酸素の流量を調整する調整部と、
を備えた、
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の熱エネルギー供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願の開示する技術は、熱エネルギー供給システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、水素化芳香族化合物の脱水素反応により得られた水素と、発電機における燃焼反応で得られた二酸化炭素を用いて、メタネーションを行うエネルギー供給システムが開示されている。特許文献１では、発電機における化石燃料の燃焼により生じた二酸化炭素をメタネーションでメタンを生成し再利用することにより、二酸化炭素排出量が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－５１９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の技術では、発電機における燃焼反応に空気が用いられており、燃焼排ガスに二酸化炭素以外の窒素やその他の成分が混入するため、燃焼排ガスから二酸化炭素を分離するための分離装置が必要となる。工場等において、熱エネルギーを供給するための、簡易な構成の熱エネルギー供給システムが求められる。
【0005】
本発明は上記事実を考慮し、二酸化炭素の排出を抑制すると共に、簡易な構成で熱エネルギーを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第１の態様に係る熱エネルギー供給システムは、水を電解して水素と酸素を生成する水電解装置と、前記水電解装置で生成された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成するメタネーション装置と、前記メタネーション装置で生成されたメタンを前記水電解装置で生成された酸素により燃焼させて燃焼熱を発生させると共に、前記燃焼により生成される二酸化炭素を前記メタネーション装置へ供給する燃焼装置と、を備えている。
【0007】
第１の態様に係る熱エネルギー供給装置は、水電解装置、メタネーション装置、燃焼装置を備えている。水電解装置は、水を電解して水素と酸素を生成し、水素をメタネーション装置へ供給する。メタネーション装置は、水電解装置から供給された水素と二酸化炭素によりメタンと水を生成し、メタンを燃焼装置へ供給する。燃焼装置は、メタネーション装置で生成されたメタンを水電解装置で生成された酸素により燃焼させ、燃焼熱を発生させる。そして、燃焼装置での燃焼により生成された二酸化炭素をメタネーション装置へ供給する。
【0008】
このように、水電解とメタネーションにより、燃焼用のメタンと酸素を得ると共に、燃焼により生じた二酸化炭素をメタネーションに用いることにより、二酸化炭素の排出を抑制すると共に、二酸化炭素分離装置が不要の簡易な構成で熱エネルギーを供給することができる。
【0009】
第２の態様に係る熱エネルギー供給システムは、前記メタネーション装置で生成される水を前記水電解装置へ供給する。
【0010】
このように、メタネーション装置で生成される水を水電解装置へ供給することにより、外部からの水の供給量を少なくすることができる。
【0011】
第３の態様に係る熱エネルギー供給装置は、前記燃焼装置で生成される水を前記水電解装置へ供給する。
【0012】
このように、燃焼装置で生成される水を水電解装置へ供給することにより、外部からの水の供給量を少なくすることができる。
【0013】
第４の態様に係る熱エネルギー供給システムは、前記メタネーション装置で生成されたメタンを貯留するメタン貯留部と、前記水電解装置で生成された酸素を貯留する酸素貯留部と、前記燃焼装置における必要熱量に応じて、前記メタン貯留部から前記燃焼装置へ供給するメタンの流量と、前記酸素貯留部から前記燃焼装置へ供給する酸素の流量を調整する調整部と、を備えている。
【0014】
第４の態様に係る熱エネルギー供給システムでは、調整部により、メタン貯留部から燃焼装置へ供給するメタンの流量と、酸素貯留部から燃焼装置へ供給する酸素の流量を調整することにより、燃焼装置での熱エネルギー需要に応じたメタン、酸素の供給を行うことができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係る熱エネルギー供給システムによれば、二酸化炭素の排出を抑制すると共に、簡易な構成で熱エネルギーを供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本実施形態のエネルギー供給システムを示す構成図である。
【図2】本実施形態のメタネーション装置を示す構成図である。
【図3】本実施形態の燃焼装置を示す構成図である。
【図4】本実施形態の制御系の構成を示すブロック図である。
【図5】本実施形態の温度調整処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【0018】
図１には、本実施形態の熱エネルギー供給システム１０が示されている。熱エネルギー供給システム１０は、水電解装置２０、メタネーション装置３０、及び、燃焼装置４０を備えている。
【0019】
水電解装置２０には、補水部１２から水が供給され、電力供給部１４から水電解に必要な電力が供給される。水電解装置２０は、以下の式（１）に示す水電解反応により、水を水素と酸素とに分解する。なお、後述するように、水電解装置２０へは、メタネーション装置３０、燃焼装置４０で生成された水を戻すため、最初の水供給を除き、補水部１２からの水供給は、水が不足した場合に必要に応じて行われる。
【0020】
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ （１）
【0021】
この水電解反応は、吸熱反応であり、不図示の加熱装置により熱が加えられるようになっている。
【0022】
水電解装置２０で生成された水素は、水素貯留部２２へ送出される。また、水電解装置２０で生成された酸素は、酸素貯留部４２へ送出される。水素貯留部２２は、水素を貯留し、貯留した水素を、水素流量調整部２４を介してメタネーション装置３０へ送出する。水素流量調整部２４は、後述する制御部５０と接続されており、制御部５０からの制御信号に基づいて、水素貯留部２２からメタネーション装置３０へ送出する水素の流量を調整する。水素流量調整部２４としては、流量調整バルブ等を用いることができる。
【0023】
酸素貯留部４２は、酸素を貯留し、貯留した酸素を、酸素流量調整部４４を介して燃焼装置４０へ送出する。酸素流量調整部４４は、後述する制御部５０と接続されており、制御部５０からの制御信号に基づいて、酸素貯留部４２から燃焼装置４０へ送出する酸素の流量を調整する。酸素流量調整部４４としては、流量調整バルブ等を用いることができる。
【0024】
図２に示されるように、メタネーション装置３０は、反応炉３０Ａ、凝縮器３０Ｂを有している。反応炉３０Ａは、内部に触媒を有しており、以下の式（２）に示すようにメタン合成反応により、メタンと水とが生成される。
【0025】
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ （２）
【0026】
このメタン合成反応は発熱反応であり、得られる熱エネルギーの一部又は全部を水電解装置２０に作用させて、水電解反応に用いてもよい。
【0027】
反応炉３０Ａで生成されたメタンと水の混合物は、凝縮器３０Ｂに送られる。凝縮器３０Ｂで、水が凝縮により液化されて分離される。液化された水は、水電解装置２０へ供給される。水が分離された混合物（メタン）は、メタン貯留部３２へ送出される。メタン貯留部３２は、メタンを貯留し、貯留したメタンを、メタン流量調整部３４を介して燃焼装置４０へ送出する。メタン流量調整部３４は、後述する制御部５０と接続されており、制御部５０からの制御信号に基づいて、メタン貯留部３２から燃焼装置４０へ送出するメタンの流量を調整する。メタン流量調整部３４としては、流量調整バルブ等を用いることができる。
【0028】
燃焼装置４０は、図３に示されるように、燃焼炉４０Ａ、凝縮器４０Ｂ、及び温度センサ４０Ｃを有している。燃焼炉４０Ａは、以下の式（３）に示す燃焼反応によりメタンを燃焼させ、熱エネルギーを発生させる。当該燃焼反応により、二酸化炭素と水が生成される。熱エネルギーは、需要に応じて供給される。温度センサ４０Ｃは、燃焼炉４０Ａ内の温度を検知する。温度センサ４０Ｃは、後述する制御部５０と接続されており、検知した温度を制御部５０へ送る。なお、一例として、燃焼炉４０Ａを工場における高温炉として用いることができる。本実施形態では、燃焼炉４０Ａを直接的に熱エネルギー供給用に用いている。燃焼炉４０Ａにおける燃焼により生成された熱エネルギーは、このように燃焼装置４０内で何らかの用途に供されてもよいし、外部へ供給されてもよい。
【0029】
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （３）
【0030】
燃焼炉４０Ａで生成された二酸化炭素と水の混合物は、凝縮器４０Ｂに送られる。凝縮器４０Ｂで、水が凝縮により液化されて分離される。液化された水は、水電解装置２０へ供給される。水が分離された混合物（二酸化炭素）は、二酸化炭素貯留部４６へ送出される。二酸化炭素貯留部４６は、二酸化炭素を貯留し、貯留した二酸化炭素を、二酸化炭素流量調整部４８を介してメタネーション装置３０へ送出する。二酸化炭素流量調整部４８は、後述する制御部５０と接続されており、制御部５０からの制御信号に基づいて、二酸化炭素貯留部４６からメタネーション装置３０へ送出する二酸化炭素の流量を調整する。二酸化炭素流量調整部４８としては、流量調整バルブ等を用いることができる。
【0031】
図４に示されるように、熱エネルギー供給システム１０は、制御部５０を備えている。制御部５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）５１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５３、記憶部５４、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）５５、を有する。各構成は、バス５６を介して相互に通信可能に接続されている。
【0032】
ＣＰＵ５１は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２または記憶部５４からプログラム等を読み出し、ＲＡＭ５３を作業領域としてプログラムを実行する。
【0033】
ＲＯＭ５２は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ５３は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。記憶部５４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。本実施形態では、ＲＯＭ５２または記憶部５４には、後述する温度調整処理等を実行するためのプログラムや、各種のデータ等が格納されている。
【0034】
入出力Ｉ／Ｆ５５は、信号線を介して、水素流量調整部２４、メタン流量調整部３４、酸素流量調整部４４、二酸化炭素流量調整部４８、入力部５８、及び温度センサ４０Ｃと接続されている。制御部５０により、水素流量調整部２４、メタン流量調整部３４、酸素流量調整部４４、二酸化炭素流量調整部４８を通過する気体の流量が制御される。入力部５８からは、燃焼炉４０Ａの温度設定等、各種の指示が入力される。
【0035】
次に、本実施形態の熱エネルギー供給システム１０での温度制御について説明する。
【0036】
燃焼装置４０において燃焼炉４０Ａが運転開始されると、制御部５０では、図５に示される温度調整処理が実行される。
【0037】
ステップＳ１０で、入力部５８からの入力により設定された燃焼炉４０Ａの温度Ｔ１を読み出し、ステップＳ１２で、温度センサ４０Ｃにより検知された燃焼炉４０Ａの温度Ｔ２を取得する。ステップＳ１４で、温度Ｔ１と温度Ｔ２の差が許容範囲内であるかどうかを判断する。許容範囲内については、予め温度差ΔＴとして定めておくことができる。
【0038】
ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ１６で、メタン流量調整部３４、酸素流量調整部４４へ信号を送信し、燃焼装置４０へ供給されるメタン、酸素の流量を調整する。燃焼炉４０Ａ内の温度Ｔ２が設定温度Ｔ１よりも高い場合には、メタン、酸素の流量を減少させ、燃焼炉４０Ａ内の温度Ｔ２が設定温度Ｔ１よりも低い場合には、メタン、酸素の流量を増加させる。増減させる流量は、予め設定しておく。
【0039】
ステップＳ１４での判断が肯定された場合、及び、ステップＳ１６の後、ステップＳ１８へ進み、燃焼炉４０Ａの運転終了が指示されているかどうかを判断する。判断が否定された場合には、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。判断が肯定された場合には、本処理を終了する。
【0040】
本実施形態の熱エネルギー供給システム１０は、水電解装置２０での水電解とメタネーション装置３０によるメタネーション（メタン生成）により、酸素と燃焼用のメタンを得て、燃焼装置４０における燃焼に供して熱エネルギーとする。燃焼により生じた二酸化炭素は、メタネーション装置３０へメタン生成の原料として供給するので、二酸化炭素の排出を抑制することができる。
【0041】
また、燃焼には、空気ではなく酸素を用いているので、燃焼反応による生成物に二酸化炭素と水以外の窒素等の不純物が混入しにくい。したがって、燃焼反応による生成物から凝縮により水を分離した後、二酸化炭素を窒素等から分離する必要がなく、簡易に二酸化炭素をメタネーション装置３０へ供給することができる。
【0042】
また、燃焼には、空気ではなく酸素を用いているので、燃焼反応に用いられない窒素等を昇温する顕熱の消費がなく、効率的に熱エネルギーを生成することができる。
【0043】
また、本実施形態では、水電解装置２０で生成された水素を燃焼させるのではなく、メタネーション装置３０で生成されたメタンを燃焼させるので、燃焼炉等について、既存の設備を使用することができる。
【0044】
また、本実施形態では、メタネーション装置３０、燃焼装置４０で生成された水を水電解装置２０へ水電解の原料として供給するので、水の再利用を図ることができ、外部からの水供給量を少なくすることができる。
【0045】
また、本実施形態では、メタン貯留部３２、酸素貯留部４２に、生成されたメタン、酸素を各々貯留し、メタン流量調整部３４、酸素流量調整部４４で、燃焼装置４０へ供給するメタン、酸素の流量を調整することができる。したがって、当該流量調整により、燃焼装置４０における熱エネルギーの需要熱量に応じた供給を行うことができる。
【0046】
なお、本実施形態では、二酸化炭素貯留部４６、二酸化炭素流量調整部４８、水素貯留部２２、水素流量調整部２４を設けて二酸化炭素、水素を貯留し、メタネーション装置３０へ送出する流量を調整可能としたが、これらは、省略することもできる。
【符号の説明】
【0047】
１０ 熱エネルギー供給システム
２０ 水電解装置
３０ メタネーション装置
３２ メタン貯留部
３４ メタン流量調整部（調整部）
４０ 燃焼装置
４２ 酸素貯留部
４４ 酸素流量調整部（調整部）
５０ 制御部（調整部）
２０ 水電解装置
３０ メタネーション装置
３２ メタン貯留部
３４ メタン流量調整部（調整部）
４０ 燃焼装置
４２ 酸素貯留部
４４ 酸素流量調整部（調整部）
５０ 制御部（調整部）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
