特許 7192036 燃料製造システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-09

(45)【発行日】2022-12-19

(54)【発明の名称】燃料製造システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/04 20210101AFI20221212BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20221212BHJP

   C07C 29/151 20060101ALI20221212BHJP

   C07C 31/04 20060101ALI20221212BHJP

   C10J 3/00 20060101ALI20221212BHJP

   C10L 1/02 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

C25B1/04

C01B3/02 A

C07C29/151

C07C31/04

C10J3/00 A

C10L1/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021094872

(22)【出願日】2021-06-07

【審査請求日】2022-01-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【復代理人】

【識別番号】100224557

【弁理士】

【氏名又は名称】奈良 淳子

(74)【代理人】

【識別番号】100154380

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100081972

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 豊

(72)【発明者】

【氏名】千嶋 啓之

【審査官】神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－１３９１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８３２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１４７５０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／０２

Ｃ２５Ｂ １／００－１５／０８

Ｃ０７Ｂ ３１／００－６３／０４

Ｃ０７Ｃ １／００－４０９／４４

Ｃ１０Ｌ １／００－３／１２

Ｃ１０Ｊ １／００－３／８６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭素含有原料から水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成する合成ガス生成装置と、
前記合成ガス生成装置により生成された合成ガスから燃料を製造する燃料製造装置と、
水を電気分解することで水素を生成する水電解装置と、
前記水電解装置により生成された水素を前記合成ガス生成装置に供給する水素供給部と、
前記炭素含有原料が有する第１エネルギーと、前記水電解装置により水素を生成するときに消費される第２エネルギーと、前記合成ガス生成装置により合成ガスを生成するときに消費される第３エネルギーと、前記燃料製造装置により燃料を製造するときに消費される第４エネルギーと、に基づいて、投入される投入エネルギーを算出するとともに、前記燃料製造装置により製造される燃料が有する第５エネルギーに基づいて、回収される回収エネルギーを算出する算出部と、
前記水電解装置の電解効率が、前記算出部により算出された前記投入エネルギーに対する前記回収エネルギーの割合が前記水素供給部により水素を供給しない場合よりも高くなる所定の電解効率以上となる場合に前記水電解水素を生成するように、前記水電解装置を制御する制御部と、を備えることを特徴とする燃料製造システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料製造システムにおいて、
前記算出部は、さらに、前記第２エネルギーと前記第３エネルギーと前記第４エネルギーとを得るために必要とされる費用を算出するとともに、前記燃料製造装置により製造される燃料によって得られる利益を算出し、
前記制御部は、さらに、前記算出部により算出された費用に対する利益の割合が１を超える場合に前記水電解水素を生成するように、前記水電解装置を制御することを特徴とする燃料製造システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料製造システムにおいて、
前記算出部は、前記水電解装置により生成される水素の生成量と、前記水電解装置の電解効率と、に基づいて、前記第２エネルギーを算出することを特徴とする燃料製造システム。

【請求項4】

請求項１または２に記載の燃料製造システムにおいて、
前記算出部は、前記水電解装置により水素を生成するときに消費された電力量に基づいて、前記第２エネルギーを算出することを特徴とする燃料製造システム。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料製造システムにおいて、
前記水電解装置は、再生可能電力を利用して水を電気分解することを特徴とする燃料製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水の電気分解を介して燃料を製造する燃料製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

この種の装置として、従来、バイオマスを原料としてメタノールを製造するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、太陽光発電および風力発電の電力により水を電気分解して水素を生成し、この水素を、バイオマスをガス化して得られた一酸化炭素と水素とを含むガスに補充することで、一酸化炭素と水素との割合をメタノール合成に適した割合に調整する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－１９３８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記特許文献１の装置のように、太陽光発電や風力発電などの再生可能電力を利用して燃料を製造する場合、炭素排出量を削減することができる反面、エネルギー損失や燃料製造コストが増大するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様である燃料製造システムは、炭素含有原料から水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成する合成ガス生成装置と、合成ガス生成装置により生成された合成ガスから燃料を製造する燃料製造装置と、水を電気分解することで水素を生成する水電解装置と、水電解装置により生成された水素を合成ガス生成装置に供給する水素供給部と、炭素含有原料が有する第１エネルギーと、水電解装置により水素を生成するときに消費される第２エネルギーと、合成ガス生成装置により合成ガスを生成するときに消費される第３エネルギーと、燃料製造装置により燃料を製造するときに消費される第４エネルギーと、に基づいて、投入される投入エネルギーを算出するとともに、燃料製造装置により製造される燃料が有する第５エネルギーに基づいて、回収される回収エネルギーを算出する算出部と、水電解装置の電解効率が、算出部により算出された投入エネルギーに対する回収エネルギーの割合が前記水素供給部により水素を供給しない場合よりも高くなる所定の電解効率以上となる場合に水電解水素を生成するように、水電解装置を制御する制御部と、を備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、燃料製造時のエネルギー損失や燃料製造コストを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料製造システムの全体構成の一例を概略的に示すブロック図。

【図2】本発明の実施形態に係る燃料製造システムの要部構成の一例を概略的に示すブロック図。

【図3】図１の燃料製造システムのエネルギー収支について説明するための図。

【図4】図１の水電解装置の電解効率と燃料製造システムのエネルギー変換効率との関係について説明するための図。

【図5】図１の水素供給部による水素の供給量と燃料製造システムのエネルギー収支の評価値との関係について説明するための図。

【図6A】図１のガス化装置から回収される各ガス成分の回収量の一例を示す図。

【図6B】図１のガス化装置から回収される各ガス成分の回収量の別の例を示す図。

【図7】図２のコントローラにより実行される処理の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図１～図７を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料製造システムは、太陽光発電や風力発電などの再生可能電力により水を電気分解して水素（水電解水素）を生成し、この水電解水素を利用して、バイオマスなどの炭素含有原料から、いわゆる電気合成燃料（e-fuel）を製造する。以下では、特に、バイオマスをガス化して水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成し、生成された合成ガスからメタノール燃料を製造する例を説明する。

【0009】

図１は、本発明の実施形態に係る燃料製造システム１００の全体構成の一例を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、燃料製造システム１００は、発電装置１と、水電解装置２と、水素供給部３と、ガス化装置４と、燃料製造装置５とを有する。

【0010】

発電装置１は、例えば、半導体素子により太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電装置や、風車により風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置として構成され、再生可能電力を生成する。発電装置１により生成された再生可能電力は、水電解装置２、水素供給部３、ガス化装置４、および燃料製造装置５に供給される。

【0011】

水電解装置２は、発電装置１により生成された再生可能電力により水を電気分解することで水電解水素を生成する。水電解装置２には、水電解装置２の電解電圧、水電解装置２により消費される電力量、水電解水素の生成量（例えば、質量流量）などを測定するセンサが設けられる。

【0012】

水素供給部３は、水電解装置２により生成された水電解水素を貯留する水素タンク３ａと、水素タンク３ａとガス化装置４との間の配管に設けられた流量調整弁３ｂとを有する。水素供給部３は、水素タンク３ａに貯留された水電解水素の圧力、すなわち水素タンク３ａの内圧により、水素タンク３ａからガス化装置４に水電解水素を供給する。流量調整弁３ｂは、水素タンク３ａからガス化装置４に供給される水電解水素の供給量（例えば、質量流量）ｍを調整する。

【0013】

水素供給部３には、水素タンク３ａの内圧、水素タンク３ａからガス化装置４に供給される水電解水素の供給量ｍなどを測定するセンサも設けられる。水素タンク３ａの内圧が貯留量の下限に対応する下限値を下回ると、水素タンク３ａからガス化装置４に水電解水素を供給できなくなる。また、水素タンク３ａの内圧が貯留量の上限に対応する上限値を超えると、水素タンク３ａに水電解水素を貯留できなくなる。水素供給部３には、水素タンク３ａの貯留量が上限を超え、水電解装置２による水電解水素の生成が停止されるまでの間、一時的に水電解水素の過剰分を貯留するバッファタンクも設けられる。

【0014】

水素タンク３ａは、水素ガスを気体のまま貯留可能なガスタンクとして構成される。貯留量の上限圧力が高いほど、高い体積効率で水電解水素を貯留することができる。水素タンク３ａは、水素ガスを液体として貯留可能な液体タンクとして構成してもよく、この場合、水素供給部３として、さらに水素ガスを気体から液体にするための冷却装置を設ける必要がある。水素ガスを液体として貯留する場合、冷却および冷却状態の維持にエネルギーを要するが、気体として貯留する場合の約８００倍の体積効率で水電解水素を貯留することができる。水素タンク３ａは、水素ガスを吸蔵する水素吸蔵合金により構成してもよく、この場合、水素供給部３として、さらに水素ガスを取り出すための加熱装置を設ける必要がある。水素ガスを吸蔵して貯留する場合、気体として貯留する場合の約１０００倍の体積効率で水電解水素を貯留することができる。

【0015】

ガス化装置４は、主にガス化炉を有し、発電装置１により生成された再生可能電力によりガス化炉を加熱することでガス化を行い、合成ガスを生成する。ガス化装置４のガス化炉には、乾燥、粉砕などの前処理がされた籾殻、バガス、木材などのバイオマス、酸素、および水（水蒸気）が供給され、下式(i)～(v)の反応により水素と一酸化炭素とを含む合成ガスが生成される。ここで、下式(ii)～(v)の反応は、平衡反応である。
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・(i)
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・(ii)
Ｃ＋２Ｈ₂→ＣＨ₄ ・・・(iii)
Ｃ＋ＣＯ₂→２ＣＯ ・・・(iv)
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・(v)

【0016】

ガス化装置４のガス化炉には、さらに、水素供給部３を介して、水電解装置２により生成された水電解水素が供給される。ガス化装置４には、ガス化装置４により消費される電力量、ガス化炉内の合成ガスの温度、圧力、合成ガスの生成量（例えば、質量流量）、および各ガス成分の分圧（濃度）などを測定するセンサが設けられる。これらのセンサの測定値に基づいて、ガス化炉に供給されるバイオマス、酸素、水、および水電解水素の供給量を調整することができる。

【0017】

水電解水素を利用することで、式(v)の平衡反応（シフト反応）が、一酸化炭素の生成を促進し、二酸化炭素の生成を抑制する方向にシフトする。また、水電解装置２により生成され、水素供給部３により供給される水電解水素の供給量ｍを調整することで、合成ガスを後段の燃料製造に適した組成に調整することができる。例えば、後段の燃料製造装置５でメタノール燃料を製造する場合、下式(vi)のメタノール合成反応に合わせて、合成ガス中の一酸化炭素に対する水素の割合（分圧比）が"２"となるように調整することができる。
ＣＯ＋２Ｈ₂→ＣＨ₃ＯＨ ・・・(vi)

【0018】

燃料製造装置５は、主に反応器と蒸留塔とを有する。燃料製造装置５の反応器には、ガス化装置４により生成され、洗浄による灰分除去、脱硫などの後処理がされた合成ガスが供給され、式(vi)の発熱反応によりメタノール燃料が生成される。より具体的には、発電装置１により生成された再生可能電力により蒸留塔を加熱することで生成ガスが蒸留され、メタノール燃料が得られる。燃料製造装置５の反応器および蒸留塔には、温度、圧力、メタノール燃料の生成量（例えば、質量流量）および濃度などを測定するセンサが設けられる。

【0019】

燃料製造システム１００には、さらに、ガス化装置４と燃料製造装置５との間にコンプレッサが設けられ、発電装置１により生成された再生可能電力によりガス化装置４から燃料製造装置５に合成ガスを送給する。燃料製造システム１００には、コンプレッサにより消費される電力量を測定するセンサも設けられる。

【0020】

このように、燃料製造システム１００は、再生可能エネルギーを利用することで、全体として二酸化炭素の排出量を抑制することができる。しかしながら、再生可能エネルギーの変換過程でエネルギー損失が大きくなると、システム全体としてのエネルギー損失や燃料製造コストが増大するおそれがある。そこで、本実施形態では、システム全体のエネルギー収支に着目することで、燃料製造時の二酸化炭素の排出量を抑制しつつエネルギー損失や燃料製造コストを抑制できるよう、以下のように燃料製造システムを構成する。

【0021】

図２は、本発明の実施形態に係る燃料製造システム１００の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図２に示すように、燃料製造システム１００は、コントローラ１０を有し、コントローラ１０には、上述したセンサを含むセンサ群６と、水電解装置２と、水素供給部３とが接続される。コントローラ１０は、センサ群６からの信号に基づいて所定の処理を行うことで、水電解装置２および水素供給部３の動作を制御する。

【0022】

コントローラ１０は、ＣＰＵなどの演算部１１と、ＲＯＭ，ＲＡＭなどの記憶部１２と、Ｉ／Ｏインターフェースなどの図示しないその他の周辺回路とを有するコンピュータを含んで構成される。記憶部１２には、各種制御のプログラムやプログラムで用いられる閾値などの情報が記憶される。演算部１１は、機能的構成として、算出部１３と、制御部１４とを有する。

【0023】

図３は、燃料製造システム１００のエネルギー収支について説明するための図であり、バイオマスを原料としてメタノール燃料を製造するときの、単位原料量あたりに投入されるエネルギーおよび回収されるエネルギーの一例を示す。投入されるエネルギーには、単位量のバイオマスが有するエネルギー（発熱量）Ｅ１、原料のガス化（ガス化炉の加熱）、燃料の蒸留、合成ガスの送給、および水の電気分解にそれぞれ必要なエネルギーＥ２～Ｅ５が含まれる。回収されるエネルギーには、単位量のバイオマスから生成されたメタノール燃料が有するエネルギー（発熱量）Ｅ６が含まれる。

【0024】

図３では、水電解水素を利用しない場合のエネルギーＥ（０）を破線、水電解水素を利用する場合のエネルギーＥ（ｍ）を実線で、それぞれ示す。図３に示すように、水電解水素を利用する場合、水電解水素の供給量ｍに応じて電気分解に必要なエネルギーＥ５（ｍ）が投入されるとともに、ガス化、蒸留、および送給に必要なエネルギーＥ２（ｍ）～Ｅ４（ｍ）が増加する。一方、メタノール燃料として回収されるエネルギーＥ６（ｍ）が増加する。

【0025】

算出部１３は、下式(vii)，(viii)により、水電解水素を利用しない場合、利用する場合、それぞれのエネルギーＥ１（０）～Ｅ４（０），Ｅ１（ｍ）～Ｅ５（ｍ）の和を、基準投入エネルギーＥin（０）、投入エネルギーＥin（ｍ）としてそれぞれ算出する。また、下式(ix)，(x)のように、水電解水素を利用しない場合、利用する場合、それぞれのエネルギーＥ６（０），Ｅ６（ｍ）を、基準回収エネルギーＥout（０）、回収エネルギーＥout（ｍ）としてそれぞれ算出する。
Ｅin（０）＝Ｅ１（０）＋Ｅ２（０）＋Ｅ３（０）＋Ｅ４（０） ・・・(vii)
Ｅin（ｍ）＝Ｅ１（ｍ）＋Ｅ２（ｍ）＋Ｅ３（ｍ）＋Ｅ４（ｍ）＋Ｅ５（ｍ）…(viii)
Ｅout（０）＝Ｅ６（０） ・・・(ix)
Ｅout（ｍ）＝Ｅ６（ｍ） ・・・(x)

【0026】

原料のガス化に必要なエネルギーＥ２は、標準反応エンタルピーと、単位量のバイオマスから生成された合成ガスの生成量とに基づいて算出することができるが、ガス化装置４により消費される電力量に基づいて算出することもできる。燃料の蒸留に必要なエネルギーＥ３は、単位量のバイオマスから生成されたメタノール燃料の生成量および濃度に基づいて算出することができるが、燃料製造装置５により消費される電力量に基づいて算出することもできる。合成ガスの送給に必要なエネルギーＥ４は、単位量あたりの圧縮仕事と、単位量のバイオマスから生成された合成ガスの生成量とに基づいて算出することができるが、コンプレッサにより消費される電力量に基づいて算出することもできる。

【0027】

水の電気分解に必要なエネルギーＥ５は、標準反応エンタルピーと、単位量のバイオマスから生成された水電解水素の生成量と、水電解装置２の電解効率ｐとに基づいて、下式(xi)により算出することができる。水電解装置２の電解効率ｐは、電解効率１００％での電解電圧（例えば、１．４８［Ｖ］）と、水電解装置２の電解電圧とに基づいて、下式(xii)により算出することができる。水の電気分解に必要なエネルギーＥ５は、水電解装置２により消費される電力量に基づいて算出することもできる。なお、太陽光発電や風力発電などの再生可能電力を利用して水を電気分解する場合、気象条件などによっては電力が不足し、水電解装置２を定格運転できないことがある。このような場合は、水電解装置２の電解効率ｐが低下する。
Ｅ５＝（標準反応エンタルピー）×（水電解水素の生成量）／ｐ ・・・(xi)
ｐ＝１．４８／（電解電圧） ・・・(xii)

【0028】

算出部１３は、下式(xiii)，(xiv)により、基準投入エネルギーＥin（０）と投入エネルギーＥin（ｍ）との差分ΔＥin（ｍ）、および基準回収エネルギーＥout（０）と回収エネルギーＥout（ｍ）との差分ΔＥout（ｍ）を算出する。また、下式(xv)により燃料製造システム１００のエネルギー変換効率を算出する。さらに、下式(xvi)によりエネルギー収支の評価値を算出する。
ΔＥin（ｍ）＝Ｅin（ｍ）－Ｅin（０） ・・・(xiii)
ΔＥout（ｍ）＝Ｅout（ｍ）－Ｅout（０） ・・・(xiv)
（エネルギー変換効率）＝Ｅout／Ｅin
＝Ｅ６／（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４＋Ｅ５） ・・・(xv)
（エネルギー収支の評価値）＝ΔＥout（ｍ）／ΔＥin（ｍ） ・・・(xvi)

【0029】

図４は、水電解装置２の電解効率ｐと、燃料製造システム１００のエネルギー変換効率との関係について説明するための図である。図４では、水電解水素を利用しない場合のエネルギー変換効率Ｅout（０）／Ｅin（０）を破線、水電解水素を利用する場合のエネルギー変換効率Ｅout（ｍ）／Ｅin（ｍ）を実線で、それぞれ示す。図４に示すように、水電解水素を利用する場合の燃料製造システム１００のエネルギー変換効率Ｅout（ｍ）／Ｅin（ｍ）は、水電解装置２の電解効率ｐが高くなるほど向上する。このため、所定の電解効率ｐ０以上の運転条件では、水電解水素を利用することで利用しない場合よりもエネルギー変換効率が向上するが、所定の電解効率ｐ０未満の運転条件では、水電解水素を利用することで利用しない場合よりもエネルギー変換効率が低下する。水電解水素を利用する場合のエネルギー変換効率Ｅout（ｍ）／Ｅin（ｍ）が水電解水素を利用しない場合のエネルギー変換効率Ｅout（０）／Ｅin（０）よりも高くなる電解効率ｐの閾値（所定の電解効率ｐ０）は、水電解水素の生成量に応じて変化する。記憶部１２には、予め測定された所定の電解効率ｐ０の情報が記憶される。

【0030】

図５は、水素供給部３による水電解水素の供給量ｍと、燃料製造システム１００のエネルギー収支の評価値との関係について説明するための図であり、図４の電解効率ｐ１に対応する運転条件で水電解水素の供給量ｍを変化させたときの評価値の一例を示す。図５に示すように、水電解水素の供給量ｍには、電解効率ｐなどの運転条件に応じた最適量ｍ１が存在する。水電解水素の供給量ｍを、エネルギー収支の評価値が１以上となる適正範囲ｍ１ａ～ｍ１ｂに調整することで、水電解水素を利用しない場合よりもエネルギー変換効率を向上することができる。一方、適正範囲ｍ１ａ～ｍ１ｂを超える過剰量ｍ２（例えば、最適量ｍ１の１．５倍）の水電解水素を供給すると、エネルギー収支の評価値が１を下回り、水電解水素を利用しない場合よりもエネルギー変換効率が低下する。

【0031】

図６Ａおよび図６Ｂは、ガス化装置４から回収される各ガス成分の回収量（例えば、質量流量）の一例を示す図であり、水電解水素を利用しない場合の回収量を破線、水電解水素を利用する場合の回収量を実線で、それぞれ示す。図６Ａは、図５において水電解水素の供給量ｍが最適量ｍ１のときの各ガス成分の回収量の一例を示し、図６Ｂは、水電解水素の供給量ｍが過剰量ｍ２のときの各ガス成分の回収量の一例を示す。

【0032】

図６Ａの例では、水電解水素の供給量ｍが最適量ｍ１に調整され、メタノール燃料の製造量に対応する一酸化炭素の回収量が、水電解水素を利用しない場合の１．５倍に増加している。一方、図６Ｂの例では、水電解水素の供給量ｍが最適量ｍ１の１．５倍の過剰量ｍ２に調整され、一酸化炭素の回収量が水電解水素を利用しない場合の１．７倍に増加している。図６Ａの例と図６Ｂの例とを比較すると、投入エネルギーに対応する水電解水素の供給量ｍが１．５倍に増加しているのに対し、回収エネルギーに対応する一酸化炭素の回収量は約１．１倍の増加に止まっている。このように、適正範囲を超えて水電解水素の供給量ｍを増加すると、水電解水素を利用しない場合よりも、かえってエネルギー変換効率が低下する。

【0033】

算出部１３は、さらに、水電解水素を利用することで発生する費用Ｃと、得られる利益Ｂとを算出するとともに、下式(xvii)により水電解水素を利用することによるコストメリットの評価値ε（ｍ）を算出する。
ε（ｍ）＝Ｃ／Ｂ ・・・(xvii)

【0034】

水電解水素を利用することで発生する費用Ｃは、例えば、水を電気分解する水電解装置２、バイオマスをガス化するガス化装置４、メタノール燃料を蒸留する燃料製造装置５、および合成ガスを送給するコンプレッサにより消費される電力量に基づいて算出できる。この場合、水電解水素を利用しない場合、利用する場合、それぞれの電力量と、電力単価とに基づいて、水電解水素を利用することで発生する費用Ｃを算出することができる。

【0035】

水電解水素を利用することで得られる利益Ｂは、具体的には、メタノール燃料の生成量の増加による利益として算出することができる。この場合、水電解水素を利用しない場合、利用する場合、それぞれのメタノール燃料の生成量と、メタノール燃料の燃料単価とに基づいて、水電解水素を利用することで得られる利益Ｂを算出することができる。

【0036】

制御部１４は、算出部１３により算出された水電解装置２の電解効率ｐ、コストメリットの評価値ε（ｍ）、およびセンサ群６により検出された水素タンク３ａの内圧に基づいて、水電解装置２および水素供給部３の流量調整弁３ｂの動作を制御する。より具体的には、水電解装置２の電解効率ｐに基づいて、水電解水素を利用しない場合よりもエネルギー変換効率が向上する場合に限って水電解水素を生成するように水電解装置２のオンオフ動作を制御する。また、コストメリットの評価値ε（ｍ）に基づいて、水電解水素を利用することでコストメリットが生じる場合に限って水電解水素を生成するように水電解装置２のオンオフ動作を制御する。さらに、水素タンク３ａの内圧に基づいて、水素供給部３に貯留される水電解水素の貯留量が下限から上限までの間の適正量に維持されるように流量調整弁３ｂの動作を制御する。

【0037】

図７は、コントローラ１０の演算部１１により実行される処理の一例を示すフローチャートである。図７の処理は、例えば燃料製造システム１００に電源が投入されると開始され、所定周期で繰り返される。図７の処理では、先ずステップＳ１で、水電解装置２の電解効率ｐが、現在の水電解水素の生成量に応じた所定の電解効率ｐ０（図４）以上であるか否かを判定する。

【0038】

ステップＳ１で肯定されると、水電解水素を利用することでエネルギー変換効率が向上する運転条件であると判定してステップＳ２に進み、水素タンク３ａの貯留量が上限以上であるか否かを判定する。ステップＳ２で肯定されると、ステップＳ３に進み、水電解装置２による水電解を継続できるよう、水素タンク３ａからガス化装置４への水電解水素の供給量ｍが最適量ｍ１よりも大きくなるように調整する。水電解装置２による水電解を停止し、発電装置１により生成された再生可能電力を商用電力系統に売電してもよい。ステップＳ２で否定されると、ステップＳ４に進み、水素タンク３ａの貯留量が下限以下であるか否かを判定する。ステップＳ４で否定されると、ステップＳ５に進み、水電解水素の供給量ｍを最適量ｍ１として水電解装置２による水電解を継続する。ステップＳ４で肯定されると、ステップＳ６に進み、水電解水素の供給を継続できるよう、水電解水素の供給量ｍが最適量ｍ１よりも小さくなるように調整する。商用電力系統から買電することで水電解装置２に供給される電力量を補ってもよい。

【0039】

ステップＳ１で否定されると、水電解水素を利用することでエネルギー変換効率が低下する運転条件であると判定してステップＳ７に進み、水電解水素を利用することによるコストメリットの評価値ε（ｍ）が１を超えるか否かを判定する。ステップＳ７で肯定されると、エネルギー変換効率は低下するもののコストメリットがある運転領域であると判定してステップＳ２に進む。一方、ステップＳ７で否定されると、水電解水素を利用することでエネルギー変換効率が低下し、コストメリットもない運転領域であると判定してステップＳ８に進む。

【0040】

ステップＳ８では、水素タンク３ａの貯留量が上限以上であるか否かを判定する。ステップＳ８で肯定されると、ステップＳ９に進み、水電解装置２による水電解を停止するとともに、水素供給部３のバッファタンクに一時的に貯留された水電解水素の過剰分をガス化装置４に供給する。この場合、発電装置１により生成された再生可能電力を商用電力系統に売電してもよい。ステップＳ８で否定されると、ステップＳ１０に進み、水電解装置２による水電解を停止するとともに、水素タンク３ａからガス化装置４への水電解水素の供給を停止する。この場合、発電装置１により生成された再生可能電力を商用電力系統に売電してもよい。

【0041】

このように、水電解装置２の電解効率ｐやコストメリットの評価値ε（ｍ）の監視結果に応じて水電解装置２のオンオフを切り替えることで（ステップＳ１，Ｓ７）、エネルギー損失や燃料製造コストが抑制される領域で燃料製造システム１００を運転できる。すなわち、エネルギー変換効率が向上する場合やコストメリットが生じる場合に限って水電解水素を利用するように水電解装置２を制御することで、エネルギー損失や燃料製造コストを抑制することができる（ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ９，Ｓ１０）。

【0042】

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料製造システム１００は、バイオマスから水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成するガス化装置４と、ガス化装置４により生成された合成ガスからメタノール燃料を製造する燃料製造装置５と、水を電気分解することで水素を生成する水電解装置２と、水電解装置２により生成された水素をガス化装置４に供給する水素供給部３と、バイオマスが有するエネルギーＥ１と、水電解装置２により水素を生成するときに消費されるエネルギーＥ５と、ガス化装置４により合成ガスを生成するときに消費されるエネルギーＥ２と、燃料製造装置５によりメタノール燃料を製造するときに消費されるエネルギーＥ３とに基づいて投入エネルギーＥin（ｍ）を算出するとともに、燃料製造装置５により製造されるメタノール燃料が有するエネルギーＥ６に基づいて回収エネルギーＥout（ｍ）を算出する算出部１３と、算出部１３により算出された投入エネルギーＥin（ｍ）と回収エネルギーＥout（ｍ）とに基づいて水電解装置２を制御する制御部１４とを備える（図１～図３）。

【0043】

すなわち、投入エネルギーＥin（ｍ）に対する回収エネルギーＥout（ｍ）の割合を示すエネルギー変換効率Ｅout（ｍ）／Ｅin（ｍ）が、水電解水素を利用しない場合のエネルギー変換効率Ｅout（０）／Ｅin（０）よりも高くなるように、運転条件を監視する。例えば、水電解装置２の電解効率ｐについて、水電解水素を利用しない場合よりもエネルギー変換効率Ｅout／Ｅinが高くなる所定の電解効率ｐ０以上であるか否かを監視する。このように、投入エネルギーＥin（ｍ）および回収エネルギーＥout（ｍ）を介して燃料製造システム１００全体でのエネルギー変換効率を監視することで、燃料製造時のエネルギー損失や燃料製造コストを抑制することができる。すなわち、気象条件などに応じて再生可能エネルギーの変換過程でのエネルギー損失が大きくなると、システム全体としてのエネルギー損失や燃料製造コストが増大する。このため、エネルギー変換効率の監視結果に応じ、例えば水電解水素を利用しない場合よりもエネルギー変換効率が向上する場合に限って水電解水素を生成するように水電解装置２を制御することで、エネルギー損失や燃料製造コストを抑制することができる。

【0044】

（２）算出部１３は、さらに、エネルギーＥ５とエネルギーＥ２とエネルギーＥ３とを得るために必要とされる費用Ｃを算出するとともに、燃料製造装置５により製造されるメタノール燃料によって得られる利益Ｂを算出する。制御部１４は、さらに、算出部１３により算出された費用Ｃと利益Ｂとに基づいて水電解装置２を制御する。例えば、費用Ｃに対する利益Ｂの割合を示すコストメリットの評価値ε（ｍ）が１を超える場合に限って水電解水素を生成するように水電解装置２を制御する。このように、水電解水素を利用することでコストメリットが生じる場合に限って水電解水素を生成するように水電解装置２を制御することで、燃料製造システム１００による燃料製造コストを抑制することができる。

【0045】

（３）算出部１３は、水電解装置２により生成される水素の生成量と、水電解装置２の電解効率ｐとに基づいて、水電解装置２により水素を生成するときに消費されるエネルギーＥ５を算出する。この場合、実際に測定された電解電圧に基づいて電解効率ｐを算出し、水電解装置２により水素を生成するときに消費されるエネルギーＥ５を算出することができる。

【0046】

（４）算出部１３は、水電解装置２により水素を生成するときに消費された電力量に基づいて、水電解装置２により水素を生成するときに消費されるエネルギーＥ５を算出する。この場合、実際に測定された電力量に基づいて、水電解装置２により水素を生成するときに消費されるエネルギーＥ５を算出することができる。

【0047】

（５）水電解装置２は、再生可能電力を利用して水を電気分解する。太陽光発電や風力発電などの再生可能電力を利用する場合、気象条件などによっては電力が不足し、水電解装置２を定格運転できないことがある。このような場合、水電解装置２の電解効率ｐが低下し、水電解水素を利用することで、かえって燃料製造システム１００全体でのエネルギー変換効率が低下することがある。投入エネルギーＥin（ｍ）および回収エネルギーＥout（ｍ）を介して燃料製造システム１００全体でのエネルギー変換効率を監視することで、燃料製造時のエネルギー損失を適切に抑制することができる。

【0048】

上記実施形態では、図１などでガス化装置４がバイオマスから合成ガスを生成する例を説明したが、炭素含有原料から水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成する合成ガス生成装置は、このようなものに限らない。例えば、ＤＡＣ（Direct Air Capture）により工場排ガスなどから二酸化炭素を分離、回収し、回収された二酸化炭素と水電解水素とから式(v)の逆の平衡反応（逆シフト反応）により一酸化炭素と水とを生成してもよい。

【0049】

上記実施形態では、図１などで燃料製造装置５がメタノール燃料を製造する例を説明したが、合成ガスから燃料を製造する燃料製造装置は、このようなものに限らない。例えば、ＭＴＧ（methanol-to-gasoline）法によりメタノールからさらにガソリン燃料を合成してもよく、ＦＴ（Fischer-Tropsch）法により合成ガスから軽油燃料を合成してもよい。

【0050】

上記実施形態では、原料のガス化（ガス化炉の加熱）や燃料の蒸留に再生可能電力を利用する例を説明したが、これらに廃熱などの熱源を利用する構成であってもよい。この場合、合成ガス生成装置により合成ガスを生成するときに消費される第３エネルギーや燃料製造装置により燃料を製造するときに消費される第４エネルギーは、ガス化や蒸留に要した熱量と熱単価とに基づいて算出することができる。

【0051】

上記実施形態では、図３などで燃料製造システム１００に投入されるエネルギー、回収されるエネルギーの具体例を示して説明したが、投入されるエネルギーおよび回収されるエネルギーは、このようなものに限らない。

【0052】

上記実施形態では、図１などで水電解装置２により生成された水電解水素の全量をガス化装置４に供給する例を説明したが、水電解装置により生成された水素を合成ガス生成装置に供給する水素供給部の構成は、このようなものに限らない。例えば、水電解水素を貯留する水素タンクやガス化装置への水電解水素の流量を調整する流量調整弁などを有するものでもよい。また、気象条件などにより水電解装置２の電解効率ｐが所定の電解効率ｐ０を下回る場合には水電解装置２の運転を停止してもよい。

【0053】

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

【0054】

１ 発電装置、２ 水電解装置、３ 水素供給部、３ａ 水素タンク、３ｂ 流量調整弁、４ ガス化装置、５ 燃料製造装置、６ センサ群、１０ コントローラ、１１ 演算部、１２ 記憶部、１３ 算出部、１４ 制御部、１００ 燃料製造システム

【要約】

【課題】燃料製造時のエネルギー損失や燃料製造コストを抑制する。
【解決手段】燃料製造システム１００は、炭素含有原料から水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成するガス化装置と、生成された合成ガスから燃料を製造する燃料製造装置と、水を電気分解することで水素を生成する水電解装置２と、生成された水素をガス化装置４に供給する水素供給部３と、炭素含有原料が有する第１エネルギーと水素を生成するときに消費される第２エネルギーと合成ガスを生成するときに消費される第３エネルギーと燃料を製造するときに消費される第４エネルギーとに基づいて投入される投入エネルギーを算出するとともに、製造される燃料が有する第５エネルギーに基づいて回収される回収エネルギーを算出する算出部１３と、算出された投入エネルギーと回収エネルギーとに基づいて水電解装置２を制御する制御部１４とを備える。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】