JP2020058168A - Hydrogen supply system and hydrogen supply method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素供給システム及び水素供給方法に関し、例えば、再生可能エネルギー発電を用いて水素を供給する水素供給システム及び水素供給方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen supply system and a hydrogen supply method, for example, to a hydrogen supply system and a hydrogen supply method for supplying hydrogen using renewable energy power generation.
近年、エネルギーの低炭素化のために、風力及び太陽光などの再生可能エネルギーを用いた発電設備などの導入及び普及が進められている。再生可能エネルギーを用いた発電設備としては、再生可能エネルギーとしての風力によって発電する風力発電機を備えた再生可能エネルギー発電システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の再生可能エネルギー発電システムにおいては、風力発電機で発電した交流電力を電力変換器で直流電力に変換して蓄電装置に蓄電する。そして、必要に応じて蓄電装置から直流電力を放電して電力変換器で交流電力に変換して電力系統に供給することにより、風力発電機によって発電した電力の有効活用が可能となる。
2. Description of the Related Art In recent years, introduction and dissemination of power generation equipment and the like using renewable energy such as wind power and solar light have been promoted in order to reduce energy carbon. As a power generation facility using renewable energy, a renewable energy power generation system including a wind power generator that generates power by wind power as renewable energy has been proposed (for example, see Patent Document 1). In the renewable energy power generation system described in
ところで、再生可能エネルギー発電は、気候及び天候などにより出力変動が大きく、再生可能エネルギー発電の導入拡大のためには発電出力の安定化が必要である。また、最近では、新規発電所の送電線及び配電線への新規接続が厳しい状況であり、既存の発電所であっても発電出力の制限が生じている。そのため、発電出力が不安定な再生可能エネルギーの導入拡大には、送電系統及び配電系統の安定化が必要となってきており、蓄電池導入などでの対応の検討及び実証試験などが行われている。しかしながら、蓄電池による電力安定化は、コストが高く、発電電力の貯蔵容量の制約があるだけでなく、充放電時の電力ロスもある。 By the way, the output of renewable energy power generation greatly fluctuates due to climate, weather, and the like, and it is necessary to stabilize the power output in order to expand the introduction of renewable energy power generation. Also, recently, new connections to transmission lines and distribution lines of new power plants have been severe, and even existing power plants have been limited in power generation output. For this reason, the expansion of the introduction of renewable energy with unstable power generation output requires the stabilization of the transmission system and distribution system. . However, power stabilization using a storage battery is not only expensive and has limitations on the storage capacity of generated power, but also causes power loss during charging and discharging.
また、エネルギー低炭素化の観点から、利用時の排ガスか水蒸気だけである水素についても化石燃料の代替エネルギーとして注目されている。現状では、化石燃料の水蒸気改質より水素が製造されているが、製造時に二酸化炭素が排出されるので、必ずしも低炭素化に貢献しない。また、再生利用可能エネルギーを利用した水の電気分解によって水素を製造することも考えられるが、再生可能エネルギーは発電電力が変動する。このため、変動した発電電力を電気分解装置に供給すると電極の劣化など電気分解装置に過大な機械的負荷がかかる場合がある。このように、従来技術では、再生可能エネルギーの発電電力を用いて効率良く水素を製造し、製造した水素の貯蔵及び利用を図ることは困難であった。 In addition, from the viewpoint of energy reduction, carbon, which is only exhaust gas or water vapor at the time of utilization, has attracted attention as an alternative energy to fossil fuel. At present, hydrogen is produced by steam reforming of fossil fuels, but it does not necessarily contribute to low carbonization because carbon dioxide is emitted during production. In addition, hydrogen may be produced by electrolysis of water using renewable energy, but the power generated by renewable energy fluctuates. For this reason, when the fluctuated generated power is supplied to the electrolyzer, an excessive mechanical load may be applied to the electrolyzer such as deterioration of the electrodes. As described above, in the related art, it has been difficult to efficiently produce hydrogen using generated power of renewable energy, and to store and use the produced hydrogen.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給システム及び水素供給方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a hydrogen supply system and a hydrogen supply method capable of efficiently producing and supplying hydrogen with generated power of renewable energy.
本発明に係る水素供給システムは、再生可能エネルギーによる発電により発電電力を発生する少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置と、前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から供給された前記発電電力及び前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から配電線に送電された前記発電電力の少なくとも一方を用いた水の電気分解によって水素を発生する少なくとも1つの水電気分解装置と、前記水素に含まれる水分量を所望の範囲に調整して水素利用設備に供給する調湿装置とを備えたことを特徴とする。 The hydrogen supply system according to the present invention includes: at least one renewable energy power generation device that generates power generation by power generation using renewable energy; the power generation power supplied from the at least one renewable energy power generation device; At least one water electrolysis device that generates hydrogen by electrolysis of water using at least one of the generated power transmitted from one renewable energy power generation device to a distribution line; and And a humidity control device that adjusts to a range and supplies it to the hydrogen utilization facility.
上記水素供給システムによれば、太陽光発電装置に対応して水電気分解装置を設けるので、太陽光などの再生可能エネルギーのように発電出力が大きく変動する電力であっても、水電気分解装置によって効率良く水素に変換して利用することができる。これにより、連系可能な送電容量以上の発電出力を有する太陽光発電装置を設けた場合であっても、安定した送電電力を事前の予想に基づき確保することが可能となる。この結果、電力網の増強なしに再生可能エネルギーを用いた発電電力を大きく拡大することができ、また送電線を使用せずに水電気分解装置に極めて効率良く電力を供給できるので、再生可能エネルギーの無駄の少ない利用拡大が可能となる。このことについて、電力系統側の視点に立つと、水電気分解装置で変動する発電電力を吸収することにより、電力系統による発電電力の利用率が低い場合であっても、定格出力で接続枠を占有する連系接続容量を解消することも可能となる。さらに、水電気分解装置を設けることにより、日射量及び温度などによって発電出力が変動する太陽光発電装置の発電出力のピークカットが可能となるので、出力が大きな太陽光発電装置を接続しても安定電力を供給することができる。しかも、水分解装置によって得られた水素は、所望の水分量に調整されてボイラー及び燃料電池などの燃料としての水素、製造加工装置で使用される水素及び燃料電池車などにおける水素として利用できる。これにより、これらの各種産業・運輸部門を中心にこれまで用いられていた化石燃料の非化石化を可能とする水素燃料のサプライチェーンの構築が可能となり、より直接的な、地球温暖化対策の推進が可能となる。したがって、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給システムを実現できる。 According to the hydrogen supply system, since the water electrolysis device is provided corresponding to the photovoltaic power generation device, even if the power generated by the power generation output fluctuates greatly, such as renewable energy such as sunlight, the water electrolysis device is used. Thus, hydrogen can be efficiently converted and used. Thus, even when a solar power generation device having a power generation output equal to or larger than the transmission capacity that can be interconnected is provided, it is possible to secure stable transmission power based on a prediction in advance. As a result, it is possible to greatly increase the generated power using renewable energy without strengthening the power grid, and to supply power to the water electrolyzer very efficiently without using transmission lines. It is possible to expand use with less waste. From this point of view, from the viewpoint of the power system, by absorbing the generated power that fluctuates in the water electrolyzer, even if the power generation rate of the power system is low, the connection frame can be established at the rated output. It is also possible to eliminate the occupied interconnection connection capacity. Furthermore, by providing the water electrolysis device, it becomes possible to cut the peak of the power generation output of the photovoltaic power generation device in which the power generation output fluctuates depending on the amount of solar radiation, temperature, and the like. Stable power can be supplied. In addition, the hydrogen obtained by the water splitter is adjusted to a desired water content and can be used as hydrogen as a fuel for boilers and fuel cells, hydrogen used in manufacturing and processing equipment, and hydrogen for fuel cell vehicles and the like. This will enable the construction of a hydrogen fuel supply chain that enables the non-fossilization of fossil fuels that have been used up to now, centering on these various industries and the transportation sector, and more directly addressing global warming countermeasures. Promotion becomes possible. Therefore, it is possible to realize a hydrogen supply system capable of efficiently producing and supplying hydrogen with the generated power of renewable energy.
上記水素供給システムにおいては、前記水電気分解装置が、固体高分子膜水電気分解装置であることが好ましい。この構成により、太陽光発電装置に対応して固体高分子膜水電気分解装置を設けるので、太陽光などの再生可能エネルギーのように発電出力が大きく変動する電力であっても、水電気分解装置によってより一層効率良く水素に変換して利用することができる。 In the hydrogen supply system, the water electrolyzer is preferably a solid polymer membrane water electrolyzer. With this configuration, since the solid polymer membrane water electrolysis device is provided corresponding to the solar power generation device, the water electrolysis device can be used even for power whose power generation output fluctuates greatly, such as renewable energy such as sunlight. Thus, hydrogen can be more efficiently converted and used.
上記水素供給システムにおいては、前記再生可能エネルギー発電装置が、太陽光発電装置であることが好ましい。この構成により、再生可能エネルギーとしての太陽光を用いて効率良く水素を製造及び供給することが可能となる。 In the hydrogen supply system, it is preferable that the renewable energy power generation device is a solar power generation device. With this configuration, it is possible to efficiently produce and supply hydrogen using sunlight as renewable energy.
上記水素供給システムにおいては、予め設定された上限値を超えないように、前記再生可能エネルギー発電装置から送電線に送電される前記発電電力の送電出力を制御することが好ましい。この構成により、送電容量が小さい送電線に大出力の再生可能エネルギー発電装置が接続された場合であっても、再生可能エネルギー発電装置の発電出力を送電電力及び水電気分解による水電解供給電力として有効に活用することが可能となる。 In the hydrogen supply system, it is preferable to control a transmission output of the generated power transmitted from the renewable energy power generation device to a transmission line so as not to exceed a preset upper limit value. With this configuration, even when a high-output renewable energy power generation device is connected to a transmission line with a small transmission capacity, the power generation output of the renewable energy power generation device is used as transmission power and water electrolysis supply power by water electrolysis. It can be used effectively.
上記水素供給システムにおいては、予め設定された出力変化率を超えないように、前記再生可能エネルギー発電装置から送電線に送電される前記発電電力の送電出力を制御することが好ましい。この構成により、日照量の変化、配電線及び送電線の電力系統の系統電圧の変動が大きい場合であっても、これらの系統電圧の変動を緩和することができる。また、電力系統の需給調整対策の負荷の低減も可能となる。 In the hydrogen supply system, it is preferable to control a transmission output of the generated power transmitted from the renewable energy power generation device to a transmission line so as not to exceed a preset output change rate. With this configuration, even when there is a large change in the amount of sunlight and a large change in the system voltage of the power system of the distribution line and the transmission line, the change in the system voltage can be reduced. In addition, it is possible to reduce the load of a power supply / demand adjustment measure.
上記水素供給システムにおいては、前記水電気分解装置は、予め設定された計画発電量に基づいて、前記再生可能エネルギー発電装置から前記配電線に送電される前記発電電力の送電出力を制御することが好ましい。この構成により、電力の需給計画の精度の向上が可能となり、運用調整対策の負荷を低減することが可能となる。 In the hydrogen supply system, the water electrolyzer may control a transmission output of the generated power transmitted from the renewable energy power generator to the distribution line based on a preset planned power generation amount. preferable. With this configuration, the accuracy of the power supply and demand plan can be improved, and the load of the operation adjustment measure can be reduced.
本発明に係る水素供給方法は、少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置による再生可能エネルギーを用いた発電によって発電電力を得る工程と、少なくとも1つの水電気分解装置により前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から供給された前記発電電力及び前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から配電線に送電された前記発電電力の少なくとも一方を用いた水の電気分解により水素を得る工程と、前記水素に含まれる水分量を所望の範囲に調整して水素利用設備に供給する工程と、を含むことを特徴とする。 The hydrogen supply method according to the present invention includes a step of obtaining power generated by power generation using renewable energy by at least one renewable energy power generator, and the at least one renewable energy power generator by at least one water electrolysis apparatus. Obtaining hydrogen by electrolysis of water using at least one of the generated power supplied from the at least one of the generated power and the generated power transmitted from the at least one renewable energy power generation device to a distribution line; and moisture contained in the hydrogen. Adjusting the amount to a desired range and supplying the adjusted amount to a hydrogen utilization facility.
上記水素供給方法によれば、太陽光発電装置からの発電電力を用いて水電気分解装置で水の電気分解をして水素を発生するので、太陽光などの再生可能エネルギーのように発電出力が大きく変動する電力であっても、水電気分解装置によって効率良く水素に変換して利用することができる。これにより、連系可能な送電容量以上の発電出力を有する太陽光発電装置を設けた場合であっても、安定した送電電力を事前の予想に基づき確保することが可能となる。この結果、電力網の増強なしに再生可能エネルギーを用いた発電電力を大きく拡大することができ、また送電線を使用せずに水電気分解装置に極めて効率良く電力を供給できるので、再生可能エネルギーの無駄の少ない利用拡大が可能となる。このことについて、電力系統側の視点に立つと、水電気分解装置で変動する発電電力を吸収することにより、電力系統による発電電力の利用率が低い場合であっても、定格出力で接続枠を占有する連系接続容量を解消することも可能となる。さらに、水電気分解装置により、日射量及び温度などによって発電出力が変動する太陽光発電装置の発電出力のピークカットが可能となるので、出力が大きな太陽光発電装置を用いても安定電力を供給することができる。しかも、水分解装置によって得られた水素は、所望の水分量に調整されてボイラー及び燃料電池などの燃料としての水素、製造加工装置で使用される水素及び燃料電池車などにおける水素として利用できる。これにより、これらの各種産業・運輸部門を中心にこれまで用いられていた化石燃料の非化石化を可能とする水素燃料のサプライチェーンの構築が可能となり、より直接的な、地球温暖化対策の推進が可能となる。したがって、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給方法を実現できる。 According to the above hydrogen supply method, since the water is electrolyzed by the water electrolyzer to generate hydrogen using the power generated from the photovoltaic power generator, the power output can be reduced as in the case of renewable energy such as sunlight. Even if the power fluctuates greatly, it can be efficiently converted to hydrogen and used by the water electrolysis device. Thus, even when a solar power generation device having a power generation output equal to or larger than the transmission capacity that can be interconnected is provided, it is possible to secure stable transmission power based on a prediction in advance. As a result, it is possible to greatly increase the generated power using renewable energy without strengthening the power grid, and to supply power to the water electrolyzer very efficiently without using transmission lines. It is possible to expand use with less waste. From this point of view, from the viewpoint of the power system, by absorbing the generated power that fluctuates in the water electrolyzer, even if the power generation rate of the power system is low, the connection frame can be established at the rated output. It is also possible to eliminate the occupied interconnection connection capacity. In addition, the water electrolysis device enables the power generation output to fluctuate depending on the amount of solar radiation and temperature, etc. can do. In addition, the hydrogen obtained by the water splitter is adjusted to a desired water content and can be used as hydrogen as a fuel for boilers and fuel cells, hydrogen used in manufacturing and processing equipment, and hydrogen for fuel cell vehicles and the like. This will enable the construction of a hydrogen fuel supply chain that enables the non-fossilization of fossil fuels that have been used up to now, centering on these various industries and the transportation sector, and more directly addressing global warming countermeasures. Promotion becomes possible. Therefore, it is possible to realize a hydrogen supply method capable of efficiently producing and supplying hydrogen using the generated power of renewable energy.
本発明によれば、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給システム及び水素供給方法を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a hydrogen supply system and a hydrogen supply method capable of efficiently producing and supplying hydrogen using generated power of renewable energy.
近年、太陽光及び風力などの再生可能エネルギーを用いた再生可能エネルギー発電が脚光を浴びている。再生可能エネルギーとして太陽光を用いた太陽光発電装置は、太陽光発電装置が設置された地域の配電線に接続されることが一般的である。このような太陽光発電装置によれば、各地域の電力網を増強せずに再生可能エネルギーの導入量を増加させることができ、エネルギー自給率向上にもつながる。 In recent years, renewable energy power generation using renewable energy such as sunlight and wind power has been spotlighted. A photovoltaic power generation device using sunlight as renewable energy is generally connected to a distribution line in a region where the photovoltaic power generation device is installed. According to such a photovoltaic power generation device, the amount of renewable energy introduced can be increased without strengthening the power grid in each region, which leads to an improvement in the energy self-sufficiency rate.
また、国内エネルギー消費の75%を占める燃料の半分は、業務用及び産業用として各種産業分野で使用されている。このような各種産業分野で用いられる燃料は非化石化が難しく、エネルギーの低炭素化のためにはCO2フリー水素への転換が効果的である。 Also, half of fuels, which account for 75% of domestic energy consumption, are used in various industrial fields for business and industrial use. Fuel used in such various industrial fields are difficult non fossilized, for low carbonization of energy conversion to CO 2 free hydrogen is effective.
本発明者らは、上記事項に鑑みて、再生可能エネルギー発電である太陽光発電によって得られた電力を活用して水素を供給することを着想した。そして、本発明者らは、単に、太陽光発電によって得られた電力を水素に変換して保存するだけでなく、得られた水素を用途に応じて水分含有量を調整して供給することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In view of the above, the present inventors have conceived of supplying hydrogen using electric power obtained by solar power generation, which is renewable energy power generation. And the present inventors not only convert the electric power obtained by solar power generation to hydrogen and save it, but also supply the obtained hydrogen by adjusting the water content according to the application. The inventors have found that the above problems can be solved, and have completed the present invention.
以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications.
まず、本実施の形態に係る水素供給システムの概略について説明する。図1Aは、本実施の形態に係る水素供給システムの模式図である。図1Aに示すように、本実施の形態に係る水素供給システム1は、太陽光発電装置12−1〜12−nにより得られた発電電力を用いて、水電気分解装置13により水を電気分解して水素を発生し、発生した水素中の水分量を調湿装置14で調整して供給するものである。
First, an outline of the hydrogen supply system according to the present embodiment will be described. FIG. 1A is a schematic diagram of a hydrogen supply system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, a
本実施の形態に係る水素供給システム1は、配電線11に接続された複数の太陽光発電装置12−1〜12−n(再生可能エネルギー発電装置)と、配電線11と太陽光発電装置12−1〜12−nとの間にそれぞれ設けられた複数の水電気分解装置13−1〜13−nと、複数の水電気分解装置13−1〜13−nによって製造された水素に含まれる水素を調湿する調湿装置14とを備える。なお、本実施の形態においては、再生可能エネルギー発電装置が太陽光発電装置12−1〜12−nである例について説明するが、再生可能エネルギー発電装置としては、例えば、風力発電装置、地熱発電装置、水力発電装置、太陽熱発電装置、地熱発電装置、波力発電装置、潮力発電装置及びバイオマス発電装置、並びに、これらの組み合わせなどの各種発電装置が適用可能である。
The
配電線11は、送電線15に接続されている。配電線11は、太陽光発電装置12−1〜12−nで発電された発電電力を送電線15に供給する。送電線15は、配電線11を介して所定の変電所まで送られた電気を各種需要家に供給する。配電線11は、電柱に電線を架線した「架空配電線」であってもよく、電線を地中に埋設した「地中配電線」であってもよい。
The
太陽光発電装置12−1〜12−nは、少なくとも1つの太陽電池を備える。太陽電池としては、太陽電池パネルであってもよく、太陽電池フィルムであってもよく、太陽電池パネル及び太陽電池フィルムなどの各種太陽電池を組み合わせて用いてもよい。太陽光発電装置12−1〜12−nは、太陽電池が受光した太陽光によって太陽光発電(PV:Photovoltaics)を行う。太陽光発電装置12−1〜12−nは、それぞれの太陽光電池で発電した発電電力を、各太陽光発電装置12−1〜12−n毎に設けられた水電気分解装置13−1〜13−nに供給する。なお、本実施の形態では、水素供給システム1が複数の太陽光発電装置12−1〜12−nを備えた例について説明するが、太陽光発電装置は、少なくとも一つ備えていればよい。
Each of the solar power generation devices 12-1 to 12-n includes at least one solar cell. The solar cell may be a solar cell panel, a solar cell film, or a combination of various solar cells such as a solar cell panel and a solar cell film. The photovoltaic power generators 12-1 to 12-n generate photovoltaics (PV: Photovoltaics) using sunlight received by the solar cells. The photovoltaic power generators 12-1 to 12-n convert the generated power generated by the respective photovoltaic cells into the water electrolyzers 13-1 to 13-13 provided for each of the photovoltaic power generators 12-1 to 12-n. -N. Note that, in the present embodiment, an example in which the
水電気分解装置13−1〜13−nは、太陽光発電装置12−1〜12−nから供給された発電電力により水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを製造する。また、水電気分解装置13−1〜13−nは、製造した水素を調湿装置14に供給する。水電気分解装置13−1〜13−nとしては、例えば、アルカリ水電気分解装置、固体高分子膜水電気分解装置(PEM:Polymer Electrolyte Membrane)などの水を電気分解する各種電気分解装置を用いることが可能である。なお、本実施の形態においては、複数の太陽光発電装置12−1〜12−nと送電線15との間に複数の水電気分解装置13−1〜13−nをそれぞれ設ける例について説明したが、水電化装置13−1〜13−nは、必ずしも全ての太陽光発電装置12−1〜12−nと送電線15との間に設ける必要はない。水電気分解装置13−1〜13−nは、各太陽光発電装置12−1〜12−nの日射量、温度などに応じて送電線15と各太陽光発電12−12−nの間に少なくとも1つ設けられていればよい。この場合、水電気分解装置13−1〜13−nは、各太陽光発電装置12−1〜12−nに対して配電線11を介して設けられていてもよく、各太陽光発電装置12−1〜12−nに対して配電線11を介さずに設けられていてもよい。水電気分解装置13−1〜13−nは、各太陽光発電装置12−1〜12−nに対して配電線11を介して設けられている場合には、各太陽光発電装置12−1〜12−nから配電線11に送電された発電電力を用いて水の電気分解を行う。また、水電気分解装置13−1〜13−nは、各太陽光発電装置12−1〜12−nに対して配電線11を介さずに設けられている場合には、各太陽光発電装置12−1〜12−nから配電線11を介さずに、各太陽光発電装置12−1〜12−nから直接供給され又は間接的に供給された発電電力を用いて水の電気分解を行う。
The water electrolyzers 13-1 to 13-n electrolyze water with power generated from the solar power generators 12-1 to 12-n to produce hydrogen gas and oxygen gas. The water electrolyzers 13-1 to 13-n supply the produced hydrogen to the
本実施の形態においては、水電気分解装置13−1〜13−nとしては、太陽光などの再生可能エネルギーを有効利用する観点から、固体高分子膜水電気分解装置を用いることが好ましい。固体高分子膜水電気分解装置によれば、オーバーロード運転が可能となるだけでなく、アルカリ水電気分解装置に対して水素供給圧の圧力変動に強く、また低負荷での運転にも対応できる。また、固体高分子膜水電気分解装置によれば、負荷追従性が高く、多用途に利用できる高品質な水素が得られる。さらに、固体高分子膜水電気分解装置は、整流器装置、スタック及びガス処理装置などからなるユニット構造とすることも可能であり、貨物列車及びトラックなどの輸送用コンテナに収容できる出力1.5MWの固体高分子膜水電気分解装置とすることも可能となる。また、固体高分子膜水電気分解装置は、一般的な蓄電池及びアルカリ水電気分解装置と比較して再生可能エネルギーによる発電出力の急激な変化に対応するために必要な入力要求に対する応答速度が速く、水素発生効率が高いので、ユニット構造でありながらも、大型の設備ではメガソーラ級の太陽光発電装置12−1〜12−nにも対応できる。さらに、固体高分子膜水電気分解装置は、入力電力の電流密度に対する応答範囲がアルカリ水電気分解装置に対して約5倍であるだけでなく、再生可能エネルギー発電の電力入力の瞬時の過負荷に対する適応性も高い。また、固体高分子膜水電気分解装置は、極めて水素発生効率が高いことに加え、発生水素の品質が高いためガス処理設備も不要であることも踏まえるとアルカリ水電気分解装置の約10分の1程度の装置サイズで構成することができ、大幅な小型化が可能である。さらに、太陽光発電装置12−1〜12−nの発電電力は急激に変化しやすく、このような発電電力の急激な変化に対応するためにも固体高分子膜水電気分解装置が好ましい。 In the present embodiment, it is preferable to use a solid polymer membrane water electrolyzer as the water electrolyzers 13-1 to 13-n from the viewpoint of effectively using renewable energy such as sunlight. According to the solid polymer membrane water electrolyzer, not only the overload operation can be performed, but also the alkali water electrolyzer is more resistant to pressure fluctuation of the hydrogen supply pressure and can cope with the operation at a low load. . In addition, according to the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, high-quality hydrogen that has high load followability and can be used for various purposes can be obtained. Further, the solid polymer membrane water electrolyzer can have a unit structure composed of a rectifier device, a stack, a gas treatment device, and the like, and can output 1.5 MW that can be accommodated in a transportation container such as a freight train and a truck. It is also possible to use a solid polymer membrane water electrolysis device. In addition, the solid polymer membrane water electrolyzer has a faster response speed to an input request required to cope with a sudden change in the power generation output due to renewable energy than a general storage battery and an alkaline water electrolyzer. Since the hydrogen generation efficiency is high, a large-scale facility can cope with mega-solar-class solar power generation devices 12-1 to 12-n in spite of the unit structure. Furthermore, the solid polymer membrane water electrolyzer not only has a response range of the input power to the current density that is about five times that of the alkaline water electrolyzer, but also has an instantaneous overload of the power input of renewable energy power generation. Also highly adaptable to In addition, the solid polymer membrane water electrolyzer has an extremely high hydrogen generation efficiency, and the high quality of the generated hydrogen eliminates the need for gas treatment equipment. It can be configured with a device size of about 1, and can be significantly reduced in size. Further, the power generated by the photovoltaic power generators 12-1 to 12-n tends to change abruptly, and a solid polymer membrane water electrolyzer is preferable in order to cope with such a sudden change in the power generated.
また、水電気分解装置13−1〜13−nは、エネルギーマネジメントシステム(EMS:Energy Management System)を備える。エネルギーマネジメントシステムは、太陽光発電装置12−1〜12−nから水電気分解装置本体への発電電力の供給電力を調整し、水電気分解装置13−1〜13−nに過大な負荷がかからないように制御する。また、エネルギーマネジメントシステムは、日射量などによって増減する不安定な部分の発電電力を水電気分解に利用すると共に、電力変動のない安定な部分の発電電力は配電線11及び送電線15を介して系統電力へ送電する。これにより、太陽光発電で得られた発電電力の安定部分のみを電力系統に送電できるので、電力の安定化に寄与するだけでなく、再生可能エネルギーの導入拡大につながることで、エネルギーの低炭素化も実現できる。
Each of the water electrolysis devices 13-1 to 13-n includes an energy management system (EMS). The energy management system adjusts the supply power of the generated power from the solar power generation devices 12-1 to 12-n to the water electrolysis device main body, and does not apply an excessive load to the water electrolysis devices 13-1 to 13-n. Control. In addition, the energy management system uses the generated power of the unstable portion that increases or decreases due to the amount of solar radiation or the like for water electrolysis, and the generated power of the stable portion without power fluctuations via the
調湿装置14は、水電気分解装置13−1〜13−nから供給された水素に含まれる水分量を所望の範囲に調整して調湿する。また、調湿装置14は、調湿した水素を水素利用設備16に供給する。調湿装置14は、例えば、水素と水とを接触させて増湿操作し、また水素と水分の吸着剤との接触、又は水素と冷却コイルなどの冷却部材との接触及び水分を除湿塔に吸着させることにより、水素の温度を下げる減湿操作をして調湿する。
The
次に、従来の水素供給システムの概略について説明する。図1Bは、従来の水素供給システムの概略を示す図である。図1Bに示すように、従来の水素供給システム100は、配電線101に接続された複数の太陽光発電装置102−1〜102−nによって発電した発電電力を、配電線101を介して送電線103に発電電力を送電する。送電線103に送電された太陽光発電装置102−1〜102−nの発電電力は、送電線103に接続されたアルカリ水電気分解装置104に供給される。そして、アルカリ水電気分解装置104で発生した水素は水素利用設備105に供給される。
Next, an outline of a conventional hydrogen supply system will be described. FIG. 1B is a diagram schematically showing a conventional hydrogen supply system. As shown in FIG. 1B, a conventional
このように、従来の水素供給システム100においては、配電線101側に太陽光発電装置102−1〜102−nで発電された発電電力を使用する水電気分解装置が設けられていないので、配電線101側に余力が生じることがない。この結果、送電線103側の電力の使用状況及び太陽光発電装置102−1〜102−nの発電状況に応じて太陽光発電装置102−1〜102−nの発電電力を制限する場合が生じる。これに対して、上記図1Aに示した水素供給システム1によれば、水電気分解装置13−1〜13−nが配電線11側に接続されているので、配電線11側の電力状況に余裕が生じる。これにより、太陽光発電装置12−1〜12−nの出力を常時最大限に確保して余剰電力を水電気分解装置13−1〜13−nに供給することができるので、太陽光発電装置12−1〜12−nを効率良く運用することが可能となる。
As described above, in the conventional
また、図1Bに示した従来の水素供給システム100では、アルカリ水電気分解装置104を用いているので、上述した本実施の形態に係る水素供給システム1のような水の電気分解を効率良く行うこともできない。さらに、アルカリ水電気分解装置104では、水の電気分解後の水素にアルカリ成分が含まれるので、水素利用設備105によってはアルカリ成分に基づく不具合が生じる場合もある。また、従来の水素供給システム100では、アルカリ水電気分解装置104で発生した水素中の水分を調湿できないので、各種水素利用設備105の用途などに適した水素を供給することもできない。これに対して、上記図1Aに示した本実施の形態に係る水素供給システム1においては、例えば、水電気分解装置13−1〜13−nとして固体高分子膜水電気分解装置を用いることにより、水の電気分解によって発生した水素にアルカリ成分が含まれることがなく、上述した水素利用設備105における不具合を避けることもできる。そして、上記図1Aに示した水素供給システム1は、水電気分解装置13−1〜13−nで発生した水素を調湿装置で調湿するので、水素利用設備16における各種用途に応じてアルカリ成分の含有量が無く、水素利用設備16用途に応じて最適な湿度の水素を供給することが可能となる。
Further, in the conventional
図2は、本実施の形態に係る水素供給システム1における水素利用の概念図である。図2に示すように、本実施の形態に係る水素供給システム1から供給される水素ガス(H2)は、調湿装置14などに設けられた圧力調整装置によって低圧ガス21及び高圧ガス22に圧力が調整され、例えば、所望都市のLPガス供給エリアA1及び都市ガス供給エリアA2などの水素利用設備16に供給される。低圧ガス21は、例えば、LPガス供給エリアA1内の特定の水素利用設備16との間に設けられた水素ガスパイプラインを介してLPガス供給エリアA1内供給されると共に、既存の都市ガスパイプラインなどを介して都市ガス供給エリアA2に供給される。また、高圧ガス22は、例えば、セミトレーラローダー、水素ボンベ及び水素カードルなどの水素貯蔵装置などの水素輸送設備によってLPガス供給エリアA1内の水素利用設備16に供給される。これにより、水素供給システム1によって製造された水素が、既存のパイプライン又は水素輸送設備などを利用して、水素利用設備16の用途及び立地場所に応じて効率良く供給することが可能となる。なお、ここでの所望都市としては、例えば、太陽光発電装置12−1〜12−nが存在する近郊の都市などが挙げられる。また、水素貯蔵装置としては、必ずしも水素ガスを貯蔵するものでなくともよく、水素吸蔵合金などに吸蔵するものであってもよい。
FIG. 2 is a conceptual diagram of hydrogen utilization in the
図3は、本実施の形態に係る水素利用設備16の一例を示す図である。図3に示すように、本実施の形態に係る水素利用設備16としては、例えば、水素燃料を用いた水素ボイラー31、水素燃料を用いて発電する燃料電池32、水素ガスを用いて製造加工を行う製造装置33、及び水素燃料を用いて走行する燃料電池車及び水素ガス自動車などの運輸装置34が挙げられる。ここで、本実施の形態に係る水素供給システム1においては、調湿装置14によって水素ガス中の水分量及び圧力が調整された水素ガスを供給できるので、各種水素利用装置16に応じた品質の水素を供給することが可能となる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the
例えば、調湿装置14によって水分量を所定値以内(例えば、5ppm以内)に調整した水素は、圧力を所望の範囲に調整して図2に示した低圧ガス21及び高圧ガス22として図3中の全ての水素利用装置16に供給することが可能である。また、調湿装置14によって水素純度を所定値以上(例えば、5ppm以上所定値以下)に調湿した水素は、例えば、高い水素純度を要求される燃料電池車34などの用途には用いずに水素ボイラー31、燃料電池32及び製造加工装置33などの他の水素利用装置16に低圧ガス21及び高圧ガス22として供給してもよい。また、この場合には、調湿装置14によって圧力を調整せずに低圧ガス21として都市ガスパイプライン又は水素ガスパイプラインを介して他の水素利用装置16に供給してもよい。このように、本実施の形態に係る水素供給システム1は、調湿装置14によって水素の品質を任意に調節し、水素供給対象となる水素利用装置16に応じて任意の品位の水素を供給できるので、燃料電池車34などに高純度の水素を供給できる。しかも、水素ボイラー31、燃料電池32及び製造加工装置33などの必ずしも高純度の水素を必要としない水素利用装置16に対しては、水素の調湿などの生成を軽微にして供給できるので、安価に水素を供給することもできる。
For example, hydrogen whose moisture content is adjusted to be within a predetermined value (for example, within 5 ppm) by the
次に、本実施の形態に係る水素供給システム1の運転制御について説明をする。図4は、本実施の形態に係る水素供給システム1の運転制御の一例を示す図である。図4に示すように、水素供給システム1は、太陽光発電(PV)装置12−1〜12−nのPV発電出力(実線L1参照)、太陽光発電装置12−1〜12−nから水電気分解装置13−1〜13−nを介して送電線15に発電電力が送電される送電出力(破線L2参照)及び太陽光発電(PV)装置12−1〜12−nから水電気分解装置13−1〜13−nの水電気分解に発電電力を供給する水電気分解供給電力(一点鎖線L3参照)の観点から水素供給システム1の運転制御を行う。
Next, operation control of the
図4に示す例では、送電出力があらかじめ設定された所定の上限値(例えば、定格送電容量:図4では、2.0MW:S1参照)を超えないように、水素供給システム1の制御を行う。これにより、例えば、昼間の日照量が多くなった際に、発電出力が3.0MW近傍となった場合であっても、送電線15に対する送電出力は、2.0MWとなり、残りの発電電力は水電気分解供給電力となる。このような制御により、送電容量が小さい送電線15に大出力の太陽光発電装置12−1〜12−nが接続された場合であっても、太陽光発電装置12−1〜12−nの発電出力を送電電力及び水電気分解による水電解供給電力として有効に活用することが可能となる。
In the example shown in FIG. 4, the
図5は、本実施の形態に係る水素供給システム1の運転制御の他の例を示す図である。図5に示す例では、図4の送電出力の所定値に変えて、送電出力の出力変化率に閾値S2(図5の例では、約0.7MWに設定)を設け、出力変化率が閾値S2を超えないように水素供給システム1の運転制御を行う。この場合には、日照量の変化、配電線11及び送電線15の電力系統の系統電圧の変動が大きい場合であっても、これらの系統電圧の変動を緩和することができる。また、電力系統の需給調整対策の負荷の低減も可能となる。
FIG. 5 is a diagram illustrating another example of the operation control of the
図6は、本実施の形態に係る水素供給システム1の運転制御の別の例を示す図である。図6に示す例では、図4の送電出力の所定値に変えて、所定時間ごとに計画目標値(二点鎖線L4参照)を設け、送電出力が計画目標値と一致するように水素供給システム1の運転制御を行う。計画目標値としては、例えば、気象情報などからあらかじめ設定された所定時間の計画発電量が用いられる。このように制御することにより、電力の需給計画の精度の向上が可能となり、運用調整対策の負荷を低減することが可能となる。
FIG. 6 is a diagram illustrating another example of the operation control of the
また、上述した図4〜図6に示した運転制御では、バーチャルパワープラント(VPP:Virtual Power Plant)又はデマンドレスポンス(DR:Demand Response)対応装置としての外部からの電力を用いて運転制御を行ってもよい。この場合、水素供給システム1は、例えば、太陽光発電装置12−1〜12−nの発電出力が得られない夜間などにおいては、所定出力の電力を外部から調達して水電気分解を行う。これにより、外部の電力を活用して各太陽光発電装置12−1〜12−nに対応して設けられた水電気分解装置13−1〜13−nを水素の製造に活用できるので、より一層水素供給システム1を有効に活用することが可能となる。
In the above-described operation control shown in FIGS. 4 to 6, operation control is performed using external power as a virtual power plant (VPP) or a demand response (DR) demand response device. You may. In this case, for example, at night or the like when power generation output of the solar power generation devices 12-1 to 12-n cannot be obtained, the
以上説明したように、上記実施の形態によれば、図7に示すように、太陽光発電装置12−1〜12−nに対応して水電気分解装置13−1〜13−nを設けるので、太陽光などの再生可能エネルギーのように発電出力が大きく変動する電力であっても、水電気分解装置によって効率良く水素に変換して利用することができる。これにより、図7に示すように、定格送電容量(S3参照)以上の発電出力(実線L5参照)を有する太陽光発電装置12−1〜12−nを設けた場合であっても、安定した送電電力(破線L6参照)を事前の予想に基づき確保することが可能となる。この結果、電力網の増強なしに再生可能エネルギーを用いた発電電力を大きく拡大することができ、また送電線を使用せずに水電気分解供給電力(実線L5と破線L6との差分値)として極めて効率良く利用できるので、再生可能エネルギーの無駄の少ない利用拡大が可能となり、エネルギー自給率の向上が可能となる。しかも、水分解装置によって得られた水素は、所望の水分量に調整されてボイラー及び燃料電池などの燃料としての水素、製造加工装置で使用される水素及び燃料電池車などにおける水素として利用できるので、地球温暖化対策の推進が可能となると共に、各種産業を中心にこれまで用いていた化石燃料の非化石化を可能とする水素燃料のサプライチェーンの構築が可能となり、より直接的な、地球温暖化対策の推進が可能となる。 As described above, according to the above embodiment, as shown in FIG. 7, the water electrolysis devices 13-1 to 13-n are provided corresponding to the solar power generation devices 12-1 to 12-n. Even if the power generated by the power generation fluctuates greatly, such as renewable energy such as sunlight, the water electrolyzer can efficiently convert it to hydrogen and use it. Thereby, as shown in FIG. 7, even when the solar power generation devices 12-1 to 12-n having the power generation output (see the solid line L <b> 5) equal to or higher than the rated power transmission capacity (see S <b> 3) are provided. The transmission power (see the broken line L6) can be secured based on a prediction in advance. As a result, the generated power using renewable energy can be greatly expanded without power grid reinforcement, and the water electrolysis supply power (the difference between the solid line L5 and the broken line L6) can be extremely increased without using a transmission line. Since it can be used efficiently, the use of renewable energy can be expanded with less waste, and the energy self-sufficiency rate can be improved. Moreover, the hydrogen obtained by the water splitting device is adjusted to a desired water content and can be used as hydrogen as a fuel for boilers and fuel cells, hydrogen used in manufacturing and processing devices, and hydrogen for fuel cell vehicles and the like. And the promotion of global warming countermeasures, and the construction of a hydrogen fuel supply chain that enables non-fossilization of fossil fuels, which has been used in various industries, has become possible. Promotion of global warming countermeasures becomes possible.
そして、上記実施の形態によれば、太陽電池発電装置12−1〜12−nに対応して水電気分解装置13−1〜13−nを設けるので、水電気分解装置13−1〜13−nで変動する発電電力を吸収することにより、電力系統による発電電力の利用率が低い場合であっても、定格出力で接続枠を占有する連携接続容量を解消することも可能となる。さらに、水電気分解装置13−1〜13−nを設けることにより、日射量及び温度などによって発電出力が変動する太陽光発電装置12−1〜12−nの発電出力のピークカットが可能となるので、出力が大きな太陽光発電装置12−1〜12−nを接続して不安定電力を吸収できる。したがって、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給システムを実現できる。 According to the above embodiment, since the water electrolysis devices 13-1 to 13-n are provided corresponding to the solar cell power generation devices 12-1 to 12-n, the water electrolysis devices 13-1 to 13-n are provided. By absorbing the generated power that fluctuates with n, it is possible to eliminate the cooperative connection capacity that occupies the connection frame at the rated output even when the power generation rate of the power system is low. Furthermore, by providing the water electrolyzers 13-1 to 13-n, it is possible to cut the power generation output of the solar power generation devices 12-1 to 12-n in which the power generation output fluctuates depending on the amount of solar radiation and the temperature. Therefore, the unstable power can be absorbed by connecting the photovoltaic power generators 12-1 to 12-n having a large output. Therefore, it is possible to realize a hydrogen supply system capable of efficiently producing and supplying hydrogen with the generated power of renewable energy.
本発明は、再生可能エネルギーの発電電力により効率良く水素を製造及び供給できる水素供給システム及び水素供給方法を実現できるという効果を有し、例えば、太陽光発電装置などの再生可能エネルギー発電を用いて水素を供給する水素供給システム及び水素供給方法に好適に用いることが可能である。 The present invention has an effect of realizing a hydrogen supply system and a hydrogen supply method capable of efficiently producing and supplying hydrogen with generated power of renewable energy, for example, by using renewable energy power generation such as a solar power generation device. It can be suitably used for a hydrogen supply system and a hydrogen supply method for supplying hydrogen.
1,100 水素供給システム
11 配電線
12−1〜12−n 太陽光発電装置
13−1〜13−n 水電気分解装置
14 調湿装置
15 送電線
16 水素利用設備
21 低圧ガス
22 高圧ガス
31 ボイラー
32 燃料電池
33 製造加工装置
34 運輸装置
1,100
Claims (7)
前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から供給された前記発電電力及び前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から配電線に送電された前記発電電力の少なくとも一方を用いた水の電気分解によって水素を発生する少なくとも1つの水電気分解装置と、
前記水素に含まれる水分量を所望の範囲に調整して水素利用設備に供給する調湿装置とを備えたことを特徴とする、水素供給システム。 At least one renewable energy power generation device that generates power by renewable energy generation;
Hydrogen is generated by electrolysis of water using at least one of the generated power supplied from the at least one renewable energy power generator and the generated power transmitted from the at least one renewable energy power generator to a distribution line. At least one water electrolyzer,
A hydrogen supply system, comprising: a humidity control device that adjusts the amount of water contained in the hydrogen to a desired range and supplies the adjusted amount to a hydrogen utilization facility.
少なくとも1つの水電気分解装置により前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から供給された前記発電電力及び前記少なくとも1つの再生可能エネルギー発電装置から配電線に送電された前記発電電力の少なくとも一方を用いた水の電気分解により水素を得る工程と、
前記水素に含まれる水分量を所望の範囲に調整して水素利用設備に供給する工程と、を含むことを特徴とする、水素供給方法。 Obtaining generated power by power generation using renewable energy by at least one renewable energy power generation device;
At least one of the generated power supplied from the at least one renewable energy power generation device by at least one water electrolysis device and the generated power transmitted to a distribution line from the at least one renewable energy power generation device was used. Obtaining hydrogen by electrolysis of water;
Adjusting the amount of water contained in the hydrogen to a desired range and supplying it to a hydrogen utilization facility.
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