特開 2024-48461 バイオガス発電システム

(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】P2024048461

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】バイオガス発電システム

(51)【国際特許分類】

   B09B 3/65 20220101AFI20240402BHJP

   F24H 1/00 20220101ALI20240402BHJP

   C10L 3/08 20060101ALI20240402BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20240402BHJP

   B09B 101/70 20220101ALN20240402BHJP

【ＦＩ】

B09B3/65 ZAB

F24H1/00 631Z

C10L3/08

C12M1/00 H

B09B101:70

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022154380

(22)【出願日】2022-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】390037154

【氏名又は名称】大和ハウス工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001586

【氏名又は名称】弁理士法人アイミー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤本 卓也

(72)【発明者】

【氏名】久保田 謙三

(72)【発明者】

【氏名】小林 雅之

(72)【発明者】

【氏名】西野 優希

【テーマコード（参考）】

3L122

4B029

4D004

【Ｆターム（参考）】

3L122AA26

4B029AA04

4B029AA12

4B029BB02

4D004AA03

4D004AC05

4D004BA03

4D004CA18

4D004CB04

4D004DA01

4D004DA02

4D004DA06

4D004DA12

(57)【要約】

【課題】バイオガス発電装置の排熱を利用した、ガス生成効率のよいバイオガス発電システムを提供する。
【解決手段】バイオガス発電システム（１）は、有機物を貯留するクッションタンク（２）と、クッションタンクから供給される有機物を発酵させてバイオガスを生成するバイオガス発生槽（４）と、バイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置（５）と、クッションタンクおよびバイオガス発生槽を経由して、温水を循環させる温水回路（７）と、温水とバイオガス発電装置で発生した排熱とを熱交換する熱交換器（６）と、バイオガス発生槽内の温度を測定する第１温度センサと、温水回路を流れる温水またはバイオガス発電装置で発電時に発生する排熱のいずれかの温度を測定する第２温度センサと、温水回路内に設けられ、、第２温度センサの値に基づいて順方向および逆方向に温水を送り出すポンプとを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機物を貯留するクッションタンクと、
前記クッションタンクから供給される有機物を発酵させてバイオガスを生成するバイオガス発生槽と、
前記バイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置と、
前記クッションタンクおよび前記バイオガス発生槽を経由して、温水を循環させる温水回路と、
前記温水と前記バイオガス発電装置で発生した排熱とを熱交換する熱交換器と、
前記バイオガス発生槽内の温度を測定する第１温度センサと、
前記温水回路を流れる温水または前記バイオガス発電装置で発電時に発生する排熱のいずれかの温度を測定する第２温度センサと、
前記温水回路内に設けられ、順方向および逆方向に温水を送り出すポンプと、
前記第２温度センサの値に基づいて前記ポンプの送り出し方向を切り替える制御手段とを備える、バイオガス発電システム。

【請求項2】

前記温水回路のうち、前記クッションタンクと前記熱交換器とを直接連結する第１回路と並列に設けられた分岐回路と、
前記分岐回路上に設けられたラジエータとを備え、
前記制御手段は、前記第２温度センサの値に基づいて、前記第１回路および前記分岐回路のうちいずれか一方を選択する、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記分岐回路と前記第１回路との接続部分には三方弁が設けられ、
前記制御手段は、前記第２温度センサの値に基づいて前記三方弁を切り替えることで、前記第１回路および前記分岐回路のうちいずれか一方を選択する、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記制御手段は、前記第１温度センサの値が所定閾値未満となることに応じて前記第２温度センサの値を判別し、
前記第２温度センサの値が第１閾値未満の場合、前記第１回路を選択し、前記ポンプを順方向となるよう制御し、
前記第２温度センサの値が第１閾値以上第２閾値未満の場合、前記第１回路を選択し、前記ポンプを逆方向となるよう制御し、
前記第２温度センサの値が第２閾値以上の場合、前記分岐回路を選択し、前記ポンプを逆方向となるよう制御する、請求項２に記載のシステム。

【請求項5】

前記クッションタンクはディスポーザから供給される排水を貯留する、請求項１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バイオガス発電システムに関し、特にバイオガス発生槽の温度を適温に維持するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０２０－４９３９２号公報（特許文献１）には、バイオガス発電装置で発生した排熱をメタン発酵槽の加温に利用するシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－４９３９２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では、発電で生じた排熱を、その温度に関わらずメタン発酵槽の加温に利用しており、温度調節されることが望まれていた。

【0005】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的はバイオガス発電装置の排熱を利用した、ガス生成効率のよいバイオガス発電システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある局面に従うバイオガス発電システムは、有機物を貯留するクッションタンクと、クッションタンクから供給される有機物を発酵させてバイオガスを生成するバイオガス発生槽と、バイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置と、クッションタンクおよびバイオガス発生槽を経由して、温水を循環させる温水回路と、温水とバイオガス発電装置で発生した排熱とを熱交換する熱交換器と、バイオガス発生槽内の温度を測定する第１温度センサと、温水回路を流れる温水またはバイオガス発電装置で発電時に発生する排熱のいずれかの温度を測定する第２温度センサと、温水回路内に設けられ、順方向および逆方向に温水を送り出すポンプと、第２温度センサの値に基づいてポンプの送り出し方向を切り替える制御手段とを備える。

【0007】

好ましくは、温水回路のうち、クッションタンクと熱交換器とを直接連結する第１回路と並列に設けられた分岐回路と、分岐回路上に設けられたラジエータとを備える。制御手段は、第２温度センサの値に基づいて、第１回路および分岐回路のうちいずれか一方を選択する。

【0008】

好ましくは、分岐回路と第１回路との接続部分には三方弁が設けられ、制御手段は、第２温度センサの値に基づいて三方弁を切り替えることで、第１回路および分岐回路のうちいずれか一方を選択する。

【0009】

好ましくは、制御手段は、第１温度センサの値が所定閾値未満となることに応じて第２温度センサの値を判別し、第２温度センサの値が第１閾値未満の場合、第１回路を選択し、ポンプを順方向となるよう制御し、第２温度センサの値が第１閾値以上第２閾値未満の場合、第１回路を選択し、ポンプを逆方向となるよう制御し、第２温度センサの値が第２閾値以上の場合、分岐回路を選択し、ポンプを逆方向となるよう制御する。

【0010】

好ましくは、クッションタンクはディスポーザから供給される排水を貯留する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、バイオガス発電装置の排熱を利用した、ガス生成効率のよいバイオガス発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施の形態に係るバイオガス発電システムの概要を示す図である。

【図2】本実施の形態に係るバイオガス発電システムの温水流路を条件別に示す説明図であり、（ａ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第１閾値未満の場合を、（ｂ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第１閾値以上第２閾値未満の場合を、（ｃ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第２閾値以上の場合を示す。

【図3】本実施の形態に係るバイオガス発電システムの動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本実施の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

【0014】

図１を参照して、本実施の形態に係るバイオガス発電システム１（以下の説明において、単に「システム」ともいう）について説明する。

【0015】

本実施の形態に係るバイオガス発電システム１は、たとえば集合住宅に備えられる。システム１は、供給される有機物を貯留するクッションタンク２と、クッションタンク２から供給される有機物を発酵させてバイオガスを生成するバイオガス発生槽４と、バイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置５と、クッションタンク２およびバイオガス発生槽４を経由して、温水を循環させる温水回路６と、温水とバイオガス発電装置５で発生した排熱とを熱交換する熱交換器７と、温水回路６内に設けられ、順方向および逆方向に温水を送り出すポンプＰと、ポンプＰの送り出し方向を切り替える制御手段とを備える。発電により得られた電気は、たとえば集合住宅の電力源の一部として用いられる。

【0016】

本実施の形態のクッションタンク２は、集合住宅の各戸に設けられたディスポーザから供給される野菜かすなどの食品系廃棄物を含むディスポーザ排水、すなわち有機物を貯留する。集合住宅は、時間帯によって有機物の発生にばらつきが生じ易い。そこで、クッションタンク２に一旦貯留することで、時間帯によらないでバイオガス発生槽４へ有機物を供給することができる。貯留された有機物は、有機物供給路２１を介して後述する固液分離槽３へ供給される。

【0017】

ディスポーザ排水は、有機物を含む固形分に比して液分が非常に多い。すなわち液分は不要であり、本実施の形態のシステム１は、クッションタンク２に貯留されたディスポーザ排水をバイオガス発生槽４へ送り込む前に、固液分離槽３で固形分と液分とに分離する。分離された固形分は、固形分供給路３１を介してバイオガス発生槽４に供給される。分離された液分は、液分排水路３２を介して後述する排水処理槽９へ送り出される。これにより、バイオガス発生槽４で利用する有機物を効率よく集めて供給することができる。

【0018】

バイオガス発生槽４は、固形分供給路３１を介して供給される有機物を発酵させてバイオガス発電装置５で利用するガスを生成するための槽である。バイオガス発生槽４は、典型的には１以上のメタン菌を含む発酵液が貯留されている「メタン発酵槽４」である。メタン菌は、嫌気発酵によりメタンガスを生成する。また、活性化しやすい温度帯によって低温性メタン菌（３０℃未満）、中温性メタン菌（３０～４５℃）、高温性メタン菌（４５℃を超える温度）に分別される。本実施の形態では、中温性メタン菌を使用し、特に４０～４５℃、好ましくは４０～４２℃の温度帯で活性化する中温性メタン菌を主に用いるものとして説明する。この温度帯のメタン菌は、それよりも低い温度帯のメタン菌よりもメタン発酵速度が速く、それよりも高い温度帯のメタン菌よりも発酵阻害が起こりにくいという利点がある。

【0019】

バイオガス発生槽４内のメタン菌が生成したメタンガスは、バイオガス発生槽４の上方領域に設けられたバイオガス導入路４１を介してバイオガス発電装置５へ送り出される。

【0020】

本実施の形態のバイオガス発生槽４は、槽内温度を測定する第１温度センサＳ_１を含む。第１温度センサＳ_１の値Ｔ_１に応じて、制御手段は温水回路６内に設けられたポンプＰのオン／オフを制御する。これにより、バイオガス発生槽４内の加温が必要な場合にのみポンプＰを駆動することができるため、省エネルギーで槽内温度を維持することができる。

【0021】

なお、バイオガス導入路４１上には、バイオガス発生槽４で生成されたメタンガスを貯留することのできるガスホルダ（図示せず）を設けてもよい。

【0022】

固液分離槽３で発生した液分およびバイオガス発生槽４で発生した消化液（メタン発酵後の液分）は、それぞれ液分排水路３２および消化液排水路４２を介して排水処理槽９へ送り込まれる。排水処理槽９は、不要な液分を貯留して排水処理を行う。処理された水は、下水として外部へ排水される。

【0023】

バイオガス発電装置５は、バイオガス導入路４１より供給されるメタンガスを燃焼することで発電する。発電時に発生した排ガスの熱（排熱）は、熱交換器７に供給される。

【0024】

温水回路６は、内部を温水などの熱媒が流れる回路であり、クッションタンク２およびバイオガス発生槽４を直接的または間接的に加温する。すなわち、クッションタンク２やバイオガス発生槽４の内部へ挿通して液分を直接的に加温したり、槽の外周を取り囲んで間接的に加温するように構成される。温水回路６は熱交換器７と接続しており、バイオガス発電装置５で発生した排熱を利用して、温水回路６内を流れる温水を加温する。これにより、槽内温度低下によるバイオガス発生槽４のガス生成効率の低下を防止することができる。

【0025】

本実施の形態の温水回路６は、クッションタンク２と熱交換器７とを直接連結する第１回路６１と、第１回路６１と並列に設けられた分岐回路６２とを備える。分岐回路６２は、第１回路６１と並列関係にあればよく、熱交換器７およびクッションタンク２において第１回路６１と接続していてもよい。また、分岐回路６２と第１回路６１との接続部分には、流路を切り替えることのできる三方弁Ｖが設けられている。

【0026】

温水回路６内の温水は、順方向および逆方向に送り出すことのできるポンプＰによって流れ方向が定められている。温水回路６上には、熱交換器７を挟んで対になるように第２温度センサＳ_２,Ｓ_３が設けられている。第２温度センサＳ_２，Ｓ_３は、温水回路６を流れる温水の温度を測定する。ポンプＰの送り出し方向および三方弁Ｖの切り替えは、第２温度センサＳ_２，Ｓ_３のうち温度が高い方の値Ｔ_２に基づいて、制御手段によって行われる。なお、制御手段の詳細については後述する。

【0027】

本実施の形態では、ポンプＰの送り出し方向について、時計回りを順方向とし、反時計回りを逆方向としたが、逆向きでもよい。すなわち、熱交換器７とバイオガス発生槽４とが直接連結される方向が順方向であり、熱交換器７とクッションタンク２とが直接連結される方向が逆方向である。

【0028】

なお、温水回路６は、固液分離槽３をさらに加温するように構成されていてもよい。これにより、バイオガス発生槽４へ供給される有機物の温度が保たれるため、メタンガスの生成効率を促進することができる。

【0029】

なお、本実施の形態の第２温度センサＳ_２、Ｓ_３は、温水回路６に設けられることとしたが、バイオガス発電装置５で発電時に発生する排熱の温度を測定する第２温度センサＳ_４としてもよい。この場合、第２温度センサＳ_４の値Ｔ_２に定められる閾値は、第２温度センサＳ_２，Ｓ_３の閾値よりも高くなるよう設定される。

【0030】

熱交換器７は、バイオガス発電装置５で発生した排熱と、温水回路６を流れる温水とを熱交換する。熱交換器７が排熱を受け入れる際の形態については特に限定されず、たとえば排ガス（排熱）の通るガス管路が接続されていてもよいし、排熱で加温された熱媒が流れる熱媒管路が接続されていてもよい。また、ガス管路が接続される際は、排ガスを外部へ排気するための図示しない排気路が設けられていてもよい。

【0031】

本実施の形態では、分岐回路６２上にラジエータ８が設けられている。ラジエータ８は、熱交換器の一種であり、温水回路６内を流れる温水の温度を下げるための「放熱手段」である。ラジエータ８は、冷却対象である温水を内部に流し、周囲の空気や水等に熱伝導を利用して放熱する。すなわちラジエータ８は、熱の一部を伝熱及び放射によって放熱する。なお、ラジエータ８の容量は、高温な温水を十分に冷却可能とするように設計される。

【0032】

ラジエータ８は、屋外・室内問わず任意の場所に設けることができる。たとえば、クッションタンク２、固液分離槽３、およびバイオガス発生槽４が同じ室内に配置されている場合、ラジエータ８はこの室内を加温するように配置できる。これにより、バイオガス発生槽４および供給される有機物の温度低下を間接的に防止でき、ガス化効率を向上させることができる。

【0033】

（制御手段について）
図２，３を参照して、本実施の形態に係るバイオガス発電システム１の制御手段が行う動作について説明する。図２は、本実施の形態に係るバイオガス発電システムの温水流路を条件別に示す説明図であり、（ａ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第１閾値未満の場合を、（ｂ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第１閾値以上第２閾値未満の場合を、（ｃ）は第１温度センサが所定閾値未満かつ第２温度センサが第２閾値以上の場合を示す。図３は、本実施の形態に係るバイオガス発電システムの動作を示すフローチャートである。

【0034】

初めに、制御手段は、第１温度センサＳ_１によって、バイオガス発生槽４内の温度Ｔ_１を測定する（ステップＳ１）。本実施の形態で用いる主なメタン菌の活性化温度は４０～４５℃であるため、槽内温度Ｔ_１が４０℃未満となったことに応じて（ステップＳ２においてＹＥＳ）、第２温度センサＳ_２またはＳ_３によって、熱交換器７を出る温水の温度Ｔ_２を測定する（ステップＳ３）。なお、槽内温度Ｔ_１が４０℃以上である場合は（ステップＳ２においてＮＯ）、槽内温度Ｔ_１はメタン菌にとって適温であると判断し、第１温度センサＳ_１での測定を繰り返しながら待機する。

【0035】

温水の温度Ｔ_２が５０℃未満である場合、三方弁Ｖは第１回路６１を選択し、ポンプＰの送り出し方向は順方向を選択するように制御される（ステップＳ５１）。したがって、図２（ａ）に示すように、熱交換器７を出た温水は、バイオガス発生槽４、クッションタンク２の順で加温し、第１回路６１を経由して熱交換器７へ戻る。

【0036】

温水の温度Ｔ_２が５０℃以上７０℃未満の場合、三方弁Ｖの向きは第１回路６１を選択し、ポンプＰの送り出し方向は逆方向を選択するように制御される（ステップＳ５２）。したがって、図２（ｂ）に示すように、熱交換器７を出た温水は、第１回路６１を経由して、クッションタンク２、バイオガス発生槽４の順で加温して、熱交換器７へ戻る。温水の温度Ｔ_２が５０℃以上となると本実施の形態で主に用いるメタン菌にとっては少し高温である。そこで、温水の熱を、先ずクッションタンク２内に貯留される排水に伝熱した後に、バイオガス発生槽４を加温する。すなわち、本ステップＳ５２における温水は、バイオガス発生槽４を加温する機能だけでなく、クッションタンク２を予熱する機能も担っている。

【0037】

温水の温度Ｔ_２が７０℃以上の場合、三方弁Ｖの向きは分岐回路６２を選択し、ポンプＰの送り出し方向は逆方向を選択するように制御される（ステップＳ５３）。したがって、図２（ｃ）に示すように、熱交換器７を出た温水は、分岐回路６２およびその経路上に配置されたラジエータ８を経由して、クッションタンク２、バイオガス発生槽４の順で加温して、熱交換器７へ戻る。温水の温度Ｔ_２が７０℃以上となれば本実施の形態で主に用いるメタン菌にとっては温度が高すぎるため、温水回路６付近のメタン菌が死滅してしまう恐れがある。そこで、温水の熱を、まずラジエータ８で冷却・放熱し、さらにクッションタンク２内に貯留される排水に伝熱する。これにより、高温な温水の温度を、バイオガス発生槽４の加温に適した温度まで省エネルギーで低下させることができる。

【0038】

本実施の形態に係るシステム１によれば、温水回路６内の温水の温度Ｔ_２に応じて温水の流路や流れ方向を切り替える。これにより、バイオガス発生槽４内の温度を維持できるだけでなく、クッションタンク２およびラジエータ８が設けられる室を予熱することができるため、ガス生成効率を向上することができる。

【0039】

なお、温水回路６は、クッションタンク２およびバイオガス発生槽４を経由することとしたが、固液分離槽３をさらに経由してもよい。これにより、固液分離槽３内の固形分（有機物）が加温されるため、ガス生成効率を向上することができる。また、温水回路６が経由するクッションタンク２や固液分離槽３は、温水の熱を低下させることに寄与するものであるため、温水回路６に対する「放熱手段」としての機能も担うことができる。

【0040】

また、本実施の形態に係るシステム１は、集合住宅に用いられることを例に挙げて説明したが、これに限定されない。したがって、システム１には有機物が供給されればよく、たとえば商業施設、宿泊施設であってもよい。この場合であっても、施設内で発生した有機物を利用した発電を行い、発電された電気を施設内の設備に利用することができ、エコフレンドリーな建物を提供することができる。

【0041】

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ バイオガス発電システム、２ クッションタンク、３ 固液分離槽、４ バイオガス発生槽、５ バイオガス発電装置、６ 温水回路、７ 熱交換器、８ ラジエータ、６１ 第１回路、６２ 分岐回路、Ｐ ポンプ、Ｖ 三方弁。

【図1】

【図2】

【図3】