JP7104591B2 - 水素製造システム - Google Patents

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Description

本開示は、水素製造システムに関する。
特許文献１には、廃棄物を焼却する焼却炉の排熱を利用して水素を製造する水素製造システムが開示されている。特許文献１の水素製造システムは、廃棄物を焼却する焼却炉と、原水から純水を製造する純水製造装置と、焼却炉から排出される排ガスの熱を回収し、純水製造装置が製造した純水を加熱して蒸気を発生させるボイラと、蒸気を利用して発電する発電機と、発電機が発電した電力を利用して純水製造装置が製造した純水を電気分解し、水素と酸素を製造する水電気分解装置と、水素を貯蔵する水素タンクと、酸素を貯蔵する酸素タンクと、を備える。
特開２０１７－８９９１６号公報
ところで、電力系統において再生可能エネルギーの導入や電力需要の変動等に伴って電力の需給バランスが崩れると、余剰電力が発生して電力を無駄に消費することとなってしまう。
この点、上記特許文献１に記載の水素製造システムでは、システム内の焼却炉の排ガスを利用して発生させた蒸気によって発電機を回し、該発電機から得られる電力を用いて水素を製造しているに過ぎず、電力系統の余剰電力を吸収するものではない。
本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、電力系統の余剰電力を吸収することができる水素製造システムを提供することである。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る水素製造システムは、
電力系統に接続され、純水を電気分解して水素を製造するように構成された水素製造装置と、
前記電力系統からの要求に応じて前記電力系統から前記水素製造装置に供給される電力の量を制御可能な出力制御部と、
純水を前記水素製造装置に供給するための第１純水ラインと、
前記第１純水ラインを介して前記水素製造装置に供給される純水の量を調節可能な第１調節装置と、
前記電力系統から前記水素製造装置へ供給される電力の量に関する情報を示す電力量信号に基づいて、前記第１調節装置を制御するように構成された第１制御部と、
を備える。
上記（１）の構成によれば、電力系統において再生可能エネルギーの出力変動や電力需要の変動等に伴って余剰電力が発生した場合、電力系統からの要求に基づいて、電力系統の余剰電力を水素製造装置に受け入れて、該余剰電力を利用して純水を電気分解して水素を製造することができる。
ここで、電力系統の余剰電力の量は、再生可能エネルギーの出力変動や電力需要の変動等に伴って変化する。この点、上記（１）の構成では、電力系統から水素製造装置へ供給される電力の量に関する情報を示す電力量信号に基づいて第１制御部が第１調節装置を制御することにより、水素製造装置に供給される純水の量が調節される。
このため、電力系統から水素製造装置へ供給される電力の量に応じて適切な量の純水を水素製造装置へ供給することで、電力系統の余剰電力を吸収しながら水素製造装置の性能を発揮して効率的に水素を製造することができる。これにより、電力系統の安定化や再生可能エネルギー由来の電力の無駄の少ない運用に寄与することができる。また、再生可能エネルギー由来の電力で水素を製造し活用することで、ＣＯ２排出量を低減することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記電力系統から前記水素製造装置へ供給される電力の量を計測する電力計を更に備え、
前記電力量信号は、前記電力計の出力信号であり、
前記第１制御部は、前記電力計の出力信号に基づいて前記第１調節装置を制御するように構成される。
上記（２）の構成によれば、電力計によって計測された水素製造装置に供給される電力の量に応じて、第１純水ラインから水素製造装置に供給される純水の量を調節することができるため、電力系統から水素製造装置へ実際に供給される電力の量に応じた適切な量の純水を水素製造装置へ供給することが可能となる。これにより、水素製造装置の性能を効果的に発揮して効率的に水素を製造することができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記電力量信号は、前記水素製造装置に供給される電力の量を前記出力制御部が制御するための制御信号であり、
前記第１制御部は、前記出力制御部の前記制御信号に基づいて前記第１調節装置を制御するように構成される。
上記（３）の構成によれば、上記電力計を用いることなく、電力系統から水素製造装置へ供給される電力の量に応じた適切な量の純水を水素製造装置へ供給することが可能となる。これにより、簡素な構成で水素製造装置の性能を発揮して効率的に水素を製造することができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記第１純水ラインは、ボイラ及び前記ボイラの蒸気で駆動する蒸気タービンを含む蒸気サイクルにおける、前記蒸気タービンの下流側且つ前記ボイラの上流側の位置に純水を供給するための第２純水ラインに接続する。
上記（４）の構成によれば、水素製造装置に供給する純水を製造するための純水製造装置と、ボイラに供給する純水を製造するための純水製造装置とを共通化することができる。これにより、ボイラに供給する純水を製造するための純水製造装置と、水素製造装置に供給する純水を製造するための純水製造装置とを別々に設ける場合と比較して、純水製造装置の設備構成を簡素化し、設備費及び運営費を低減することができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記水素製造装置で製造した水素を前記ボイラに供給するための水素ラインを更に備える。
上記（５）の構成によれば、ボイラにおいて燃料に水素を混ぜて燃焼させることが可能となるため、水素製造装置で製造した水素を活用してボイラで蒸気を生成し、蒸気タービンに接続された発電機で発電することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記水素製造装置で製造された水素を貯蔵するための水素貯蔵装置を更に備え、
前記蒸気タービンによって駆動される発電機が、前記電力系統に接続される。
上記（６）の構成によれば、電力系統の余剰電力を活用して水素製造装置で製造した水素を水素貯蔵装置で貯蔵し、電力系統で余剰電力が発生しない時間帯に水素貯蔵装置から水素をボイラに供給して上述の方法により発電機による発電を行うことができる。これにより、電力系統の安定化に寄与するとともに再生可能エネルギーを有効活用することができ、ＣＯ２排出量を低減することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかの構成において、
原水の不純物を除去して純水を製造するよう構成され、前記第２純水ラインに純水を供給する純水製造装置を更に備え、
前記第２純水ラインの前記第１純水ラインとの接続位置よりも上流側かつ前記純水製造装置の下流側に、前記純水製造装置で製造された純水を貯留する純水タンクを更に備える。
上記（７）の構成によれば、水素製造装置に純水を供給するための純水タンクと、ボイラに純水を供給するための純水タンクとを共通化することができる。これにより、ボイラに純水を供給するための純水タンクと、水素製造装置に純水を供給するための純水タンクとを別々に設ける場合と比較して、純水タンクの設備構成を簡素化し、設備費及び運営費を低減することができる。また、水素製造装置に供給すべき純水の量とボイラに供給すべき純水の量が変動した場合であっても、純水タンクに貯留された純水を放出することで当該変動に柔軟に対応することができ、純水製造装置の設備構成を簡素化することができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかの構成において、
前記第２純水ラインを介して前記ボイラに供給される純水の量を調節可能な第２調節装置と、
前記第１純水ラインから前記水素製造装置に供給される純水の量に関する情報を示す第１信号に基づいて、前記第２調節装置を制御するように構成された第２制御部と、
を更に備える。
上記（８）に記載の構成によれば、第１純水ラインから水素製造装置に供給される純水の量を考慮して、第２純水ラインを介してボイラに供給される純水の量を適切に調節することができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記第２制御部は、前記水素製造装置への純水の供給が前記蒸気サイクルへの純水の供給よりも優先されるように、前記第２純水ラインから前記ボイラに供給される純水の量を制限する制限モードを実行可能に構成される。
上記（９）に記載の構成によれば、蒸気タービンを介した発電機による発電を可能な範囲で行いつつ、電力系統の余剰電力を効果的に吸収することができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記第２制御部は、前記制限モードにおいて、前記蒸気サイクルへ純水を供給する期間を、前記水素製造装置への純水の供給を停止している期間又は前記水素製造装置への純水の供給量が基準量以下である期間に制限するように構成される。
上記（１０）の構成によれば、水素製造装置へ純水を供給する期間と蒸気サイクルへ純水を供給する期間との重複を避けることができるため、純水製造装置や純水タンクの設備容量の増大を抑制して水素製造システムの設備費及び運営費を低減するとともに、電力系統の余剰電力を吸収することができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（９）又は（１０）の構成において、
前記水素製造システムは、
純水製造装置で製造された純水を貯留する純水タンクと、
前記純水タンクの残量を検知するための残量検知部と、
を更に備え、
前記第２制御部は、前記残量検知部によって検知した前記残量が基準値を下回っている場合に、前記制限モードを実行するように構成される。
純水タンクに十分な残量がある場合と比較して、純水タンクの残量が少ない場合には、水素製造装置とボイラに供給できる純水の量は少なくなる。このため、上記（９）又は（１０）に記載のように、純水タンクの残量が基準値を上回っている場合には制限モードを実行せず、基準値を下回っている場合に制限モードを実行することにより、水素製造装置による水素の製造と発電機による発電とを効率的に行いつつ、電力系統の余剰電力を吸収することができる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１１）の何れかの構成において、
前記ボイラのブロー水を排出するためのブロー水ラインと、
前記ブロー水ラインから排出されるブロー水の量を調節するためのブロー水量調節装置と、
前記第１純水ラインから前記水素製造装置に供給される純水の量に関する情報を示す第２信号に基づいて、前記ブロー水量調節装置を制御するように構成されたブロー水制御部と、
を更に備える。
上記（１２）に記載の構成によれば、第１純水ラインから水素製造装置に供給される純水の量を考慮して、ブロー水ラインから排出されるブロー水の量を適切に調節することができる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、
前記ブロー水ラインから排出される前記ブロー水の量を計測する水量計を更に備え、
前記第１信号は、前記水量計の出力信号であり、
前記第２制御部は、前記水量計の出力信号に基づいて前記第２調節装置を制御するように構成される。
上記（１３）に記載の構成によれば、ブロー水ラインから排出されたブロー水の量に応じて適切な量の純水をボイラに供給することが可能となり、蒸気サイクルに必要な純水の量を適切に維持することができる。
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、電力系統の余剰電力を吸収することができる水素製造システムが提供される。
一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。 図１及び図３～図５に示した幾つかの実施形態における発電機２０，６０の発電量、発電装置６２の発電量、及び電力需要について、一日の推移の一例を示す図である。 図１～図５に示した幾つかの実施形態における水素製造装置６への電力供給量について、一日の推移の一例を示す図である。 図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、水素製造装置６への純水供給量の一日の推移の一例を示す図である。 図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、ボイラ２２のブロー水量の一日の推移の一例を示す図である。 図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、蒸気サイクル９２への純水供給量の一日の推移の一例を示す図である。 上述した出力制御部８２、第１制御部１２、第２制御部３６及びブロー水制御部４２の各々のハードウェア構成を示す図である。 一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。図２は、一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。図３は、一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。図４は、一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。図５は、一実施形態に係る水素製造システム２の概略構成を示す図である。
幾つかの実施形態では、水素製造システム２が接続される電力系統５は、火力発電や原子力発電等、枯渇性エネルギーを利用した発電を行う発電機６０と、太陽光発電や風力発電等、外部環境要因によって発電量が変動する再生可能エネルギーを利用した発電を行う発電装置６２とを含む。発電機６０は変圧器６４を介して電力系統５の送電網６６に接続されており、発電装置６２はパワーコンディショナー（ＰＣＳ： Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）６８及び変圧器７０を介して送電網６６に接続されている。電力の需要体７２は、変圧器７４を介して送電網６６に接続されている。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、純水製造装置４と、水素製造装置６と、第１純水ライン８と、第１調節装置１０と、第１制御部１２とを備える。
純水製造装置４は、原水の不純物を除去して純水を製造するように構成される。水素製造装置６は、受変電設備８０を介して電力系統５に接続され、電力系統５から受けた電力を用いて純水を電気分解して水素を製造するように構成される。受変電設備８０は、交直変換器７６及び変圧器７８を含み、電力系統５から供給される交流電力の電圧を変圧器７８で調整するとともに、交直変換器７６で交流電力を直流電力に変換してから水素製造装置６に供給する。図示する形態では、水素製造システム２は、電力系統５からの要求に応じて水素製造装置６の出力を制御可能な出力制御部８２を備えている。出力制御部８２は、電力系統５からの要求に応じて電力系統５から受変電設備８０を介して水素製造装置６に供給される電力の量を制御する。
第１純水ライン８は、純水製造装置４で製造された純水を水素製造装置６に供給するように構成される。第１調節装置１０は、第１純水ライン８を介して水素製造装置６に供給される純水の量を調節可能に構成される。第１制御部１２は、電力系統５から水素製造装置６へ供給される電力の量に関する情報を示す電力量信号Ｖ０に基づいて、第１調節装置１０を制御するように構成される。図示する形態では、第１調節装置１０は、第１純水ライン８に設けられたバルブ１４であり、第１制御部１２は、電力量信号Ｖ０に基づいて第１バルブ１４の開度を制御することにより、水素製造装置６に供給される純水の量を調節するように構成される。
かかる構成によれば、電力系統５において再生可能エネルギーの出力変動や電力需要の変動等に伴って余剰電力が発生した場合、電力系統５からの要求に基づいて、電力系統５の余剰電力を水素製造装置６に受け入れて、該余剰電力を利用して純水を電気分解して水素を製造することができる。
ここで、電力系統５の余剰電力の量は、再生可能エネルギーの出力変動や電力需要の変動等に伴って変化する。この点、水素製造システム２では、電力系統５から水素製造装置６へ供給される電力の量に関する情報を示す電力量信号Ｖ０に基づいて、第１制御部１２が第１調節装置１０を制御する。
このため、電力系統５から水素製造装置６へ供給される電力の量に応じて適切な量の純水を水素製造装置６へ供給することで、電力系統５の余剰電力を吸収しながら水素製造装置６の性能を発揮して効率的に水素を製造することができる。これにより、電力系統５の安定化や再生可能エネルギー由来の電力の無駄の少ない運用に寄与することができる。また、再生可能エネルギー由来の電力で水素を製造し活用することで、ＣＯ２排出量を低減することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図３及び図５に示すように、水素製造システム２は、電力系統５から水素製造装置６に供給される電力の量を計測する電力計８４を備える。この場合、上述の電力量信号Ｖ０は、電力計８４の出力信号である。すなわち、第１制御部１２は、電力計８４の出力信号に基づいて第１調節装置１０を制御する。
かかる構成によれば、電力計８４によって計測された水素製造装置６に供給される電力の量に応じて、第１純水ライン８から水素製造装置６に供給される純水の量を調節することができるため、電力系統５から水素製造装置６へ実際に供給される電力の量に応じた適切な量の純水を水素製造装置６へ供給することが可能となる。これにより、水素製造装置６の性能を効果的に発揮して効率的に水素を製造することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、上述の電力量信号Ｖ０は、出力制御部８２によって水素製造装置６の出力を制御するための制御信号である。すなわち、第１制御部１２は、水素製造装置６の出力を制御するために出力制御部８２が送信する制御信号に基づいて、第１調節装置１０を制御して水素製造装置６に供給される純水の量を調節する。
かかる構成によれば、上記電力計８４を用いることなく、電力系統５から水素製造装置６へ供給される電力の量に応じた適切な量の純水を水素製造装置６へ供給することが可能となる。これにより、簡素な構成で水素製造装置６の性能を発揮して効率的に水素を製造することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１、図２、図４及び図５に示すように、水素製造装置６は、受変電設備８０を介して送電網６６に接続されており、再生可能エネルギーを利用する発電装置６２に対して送電網６６を介して接続されている。この場合、再生可能エネルギーを利用する発電装置６２から得られる電力は、パワーコンディショナー６８及び変圧器７０を介して高圧の交流電力に変換されて送電網６６で送電され、受変電設備８０を介して低圧の直流電力に変換されて水素製造装置６に供給される。これにより、電力系統５の余剰電力を送電網６６を介して少ない送電損失で水素製造装置６に供給することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図３に示すように、水素製造装置６は、再生可能エネルギーを利用する発電装置６２に対して電力系統５の送電網６６を介さずに直接的に接続される。この場合、再生可能エネルギーを利用する発電装置６２から得られる電力は、パワーコンディショナー６８を介して交流電圧に変換されて送電線６７で送電され、受変電設備８０を介して直流電力に変換されて水素製造装置６に供給される。これにより、電力系統５の余剰電力を高圧の送電網６６を介さずに少ない送電損失で直接的に水素製造装置６に供給することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、ボイラ２２及びボイラ２２の蒸気で駆動する蒸気タービン１８を含む蒸気サイクル９２と、蒸気タービン１８によって駆動されるように構成された発電機２０と、純水製造装置４で製造された純水を蒸気サイクル９２における蒸気タービン１８の下流側且つボイラ２２の上流側の位置に供給するための第２純水ライン２８と、を備える。そして、第１純水ライン８は第２純水ラインに接続している。
かかる構成によれば、水素を製造する水素製造装置６と、発電機２０に接続された蒸気タービン１８を駆動するためのボイラ２２とを備える場合において、水素製造装置６に供給する純水を製造するための純水製造装置４と、ボイラ２２に供給する純水を製造するための純水製造装置４とを共通化することができる。これにより、ボイラ２２に供給する純水を製造するための純水製造装置と、水素製造装置６に供給する純水を製造するための純水製造装置とを別々に設ける場合と比較して、純水製造装置の設備構成を簡素化し、設備費及び運営費を低減することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、第２純水ライン２８の第１純水ライン８との接続位置Ｐ１よりも上流側且つ純水製造装置４の下流側に、純水製造装置４で製造された純水を貯留する純水タンク３０を備える。
かかる構成によれば、水素製造装置６に純水を供給するための純水タンク３０と、ボイラ２２に純水を供給するための純水タンク３０とを共通化することができる。これにより、ボイラ２２に純水を供給するための純水タンクと、水素製造装置６に純水を供給するための純水タンクとを別々に設ける場合と比較して、純水タンクの設備構成を簡素化し、設備費及び運営費を低減することができる。また、水素製造装置６に供給すべき純水の量とボイラ２２に供給すべき純水の量が変動した場合であっても、純水タンク３０に貯留された純水を放出することで当該変動に柔軟に対応することができ、純水製造装置４の設備構成を簡素化することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、ボイラ２２は、燃料を燃焼させる火炉４４と、火炉４４から排出された排ガスを利用して蒸気を発生させる熱交換器４６を含む。図示する例示的形態では、ボイラ２２は循環流動層ボイラである、火炉４４は燃料として石炭を燃焼するように構成され、ボイラ２２は、火炉４４内での燃焼により発生した排ガスが導かれて該排ガス中に含まれる粒子を捕集するサイクロン４８と、サイクロン４８で捕集された排ガス中の粒子の熱エネルギーを回収する外部熱交換器５０とを含む。火炉４４の底部からは、空気が火炉４４の内部に供給されるとともに灰が火炉４４の外部に排出される。
熱交換器４６で発生した蒸気は、蒸気ライン２６を介して蒸気タービン１８に供給され、蒸気タービン１８で仕事をした後、復水ライン５１を通って復水器５２で凝縮され、凝縮水となる。凝縮水は、水処理装置５４を通過した後、給水ライン４５に設けられた給水ポンプ９０で昇圧されて熱交換器４６に再び供給される。このように、図示する形態では、熱交換器４６、蒸気ライン２６、蒸気タービン１８、復水ライン５１、復水器５２、水処理装置５４、給水ライン４５及び給水ポンプ９０が蒸気サイクル９２を構成する。なお、熱交換器４６で熱交換を行った排ガスは、浄化処理された後に煙突５６から排出される。
水処理装置５４は、例えば給水に対して複合水処理（ＣＷＴ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を行ってもよい。複合水処理は、給水に対して酸素を注入することにより鉄の不働体化を図り、系統材料の母材表面にヘマタイトの保護被膜を形成して防食を行う処理である。この場合、図５に示すように、水素製造装置６で水の電気分解により製造された酸素を水処理装置５４による複合水処理に使用してもよい。これにより、水素製造装置６の副産物である酸素を水処理に活用することで、酸素の調達費用を削減できる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、水素製造装置６で製造した水素を火炉４４に供給するための水素ライン８６を備える。これにより、火炉４４において燃料（図示する例示的形態では石炭）に水素を混ぜて燃焼させることが可能となるため、水素製造装置６で製造した水素を活用してボイラ２２で蒸気を生成し、蒸気タービン１８に接続された発電機２０で発電することができる。なお、他の実施形態では、火炉４４において、石炭を燃料として使用せずに水素製造装置６で製造された水素のみを燃料として燃焼させてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図１及び図３～図５に示すように、水素製造システム２は、水素製造装置６で製造された水素を貯蔵するように水素ライン８６に設けられた水素貯蔵装置５８を備える。この場合、発電機２０は、電力系統５の送電網６６に変圧器８８を介して接続される。
かかる構成によれば、電力系統５の余剰電力を活用して水素製造装置６で製造した水素を水素貯蔵装置５８で貯蔵し、電力需要に対して電力系統５における発電量が不足する時間帯に、水素貯蔵装置５８から水素を火炉４４に供給して上述の方法により発電機２０による発電を行うことができる。これにより、電力系統の安定化に寄与するとともに再生可能エネルギーを有効活用することができ、ＣＯ２排出量を低減することができる。なお、電力系統で余剰電力が発生する時間帯であっても、例えば、化石燃料による発電コストが水素製造装置６で製造した水素を利用した発電機２０による発電コストよりも高い場合等には、化石燃料よりも水素を優先的に利用して発電を行ってもよい。
図６は、図１及び図３～図５に示した幾つかの実施形態における発電機２０，６０の発電量、発電装置６２の発電量、及び電力需要について、一日の推移の一例を示す図である。
図６に示すように、昼間には、太陽光発電を含む再生可能エネルギーを用いた発電装置６２の発電量が増加することにより、発電量の総量が増加して電力需要を上回り、余剰電力が発生しやすい。このため、余剰電力が発生する昼間には、出力制御部８２は、電力系統５側からの要求に基づき、受変電設備８０を介して余剰電力を水素製造装置６に供給して水素を製造し、水素貯蔵装置５８に水素を貯蔵するように制御を行う。
太陽光発電等の出力が無くなる夜間には、主として火力発電等の枯渇性エネルギーを用いて発電機６０による発電が行われる。出力制御部８２は、昼間に製造して水素貯蔵装置５８に貯蔵した水素を、夜間に水素貯蔵装置５８から放出させて石炭とともに火炉４４に供給するよう制御を行う。これにより、昼間に再生可能エネルギーを利用して製造し貯蔵した水素のエネルギーを夜間に活用して、夜間に発電機２０による発電を行うことができる。したがって、電力系統の安定化に寄与するとともに再生可能エネルギーを有効活用するとともにことができ、ＣＯ２排出量を低減することができる。なお、他の実施形態では、火炉４４において、夜間に石炭を燃料として使用せずに水素貯蔵装置５８から放出した水素のみを燃料として燃焼させてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図２に示すように、水素製造システム２は、上述した水素貯蔵装置５８を備えておらず、水素製造装置６で製造した水素を貯蔵することなく水素ライン８６を介して火炉４４に供給する。この場合、発電機２０は、電力系統５の送電網６６に接続されておらず、自家発電機として機能する。
かかる構成によれば、発電機２０が電力系統５側の需要の影響を受けない自家発電機として機能することにより、水素製造装置６で製造した水素を貯蔵することなくリアルタイムで活用することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、第２純水ライン２８を介してボイラ２２に供給される純水の量を調節可能な第２調節装置３２と、第１純水ライン８から水素製造装置６に供給される純水の量に関する情報を示す第１信号Ｖ１に基づいて、第２調節装置３２を制御するように構成された第２制御部３６と、を備える。図示する形態では、第２調節装置３２は、第２純水ライン２８に設けられたバルブ３８であり、第２制御部３６は、第１信号Ｖ１に基づいてバルブ３８の開度を制御することにより、ボイラ２２に供給される純水の量を調節するように構成される。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、ボイラ２２のブロー水を排出するためのブロー水ライン３４と、ブロー水ライン３４から排出されるブロー水の量を調節するためのブロー水量調節装置４０と、第１純水ライン８から水素製造装置６に供給される純水の量に関する情報を示す第２信号Ｖ２に基づいて、ブロー水量調節装置４０を制御するように構成されたブロー水制御部４２と、を備える。
図示する形態では、ブロー水量調節装置４０は、ブロー水ライン３４に設けられたバルブ９６であり、ブロー水制御部４２は、第２信号Ｖ２に基づいてバルブ９６の開度を制御することにより、ブロー水ライン３４から排出されるブロー水の量を調節するように構成される。第２信号Ｖ２は、例えば上述した電力量信号Ｖ０であってもよいし、第１純水ライン８から水素製造装置６に供給される純水の量の計測値を示す信号であってもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、ブロー水ライン３４から排出されるブロー水の量を計測する水量計２５を備える。上述した第１信号Ｖ１は、水量計２５の出力信号であってもよいし、電力量信号Ｖ０であってもよいし、第１純水ライン８から水素製造装置６に供給される純水の量の計測値を示す信号であってもよい。
図１～図５に示した幾つかの実施形態では、例えば図７～図１０に示すような制御を実行することができる。図７は、図１～図５に示した幾つかの実施形態における水素製造装置６への電力供給量について、一日の推移の一例を示す図である。図８は、図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、水素製造装置６への純水供給量の一日の推移の一例を示す図である。図９は、図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、ボイラ２２のブロー水量の一日の推移の一例を示す図である。図１０は、図７に示した電力供給量の一日の推移に対応する、蒸気サイクル９２への純水供給量の一日の推移の一例を示す図である。なお、図７～図１０に示した各量の一日の推移は、図６に示した発電量等の一日の推移に対応している。
図７及び図８に示すように、電力系統５の余剰電力が多くなりやすい昼間には、余剰電力を吸収するように水素製造装置６へ電力及び純水が供給され、電力系統５の余剰電力が少なくなりやすい夜間には、水素製造装置６への電力及び純水の供給が停止される。
一方、図９及び図１０に示すように、水素製造装置６へ電力及び純水が供給されている昼間には、水素製造装置６への純水の供給を蒸気サイクル９２への純水の供給よりも優先し、蒸気サイクル９２への純水の供給は行われない。そして、水素製造装置６への電力及び純水の供給が停止している夜間には、ブロー水の排出及び蒸気サイクル９２への純水の供給を行う。
このように、第２制御部３６（図１～図５参照）は、水素製造装置６への純水の供給が蒸気サイクル９２への純水の供給よりも優先されるように、第２純水ライン２８からボイラ２２に供給される純水の量を制限する制限モードを実行可能に構成される。これにより、蒸気タービン１８を介した発電機２０による発電を可能な範囲で行いつつ、電力系統５の余剰電力を効果的に吸収することができる。
また、第２制御部３６は、上記制限モードにおいて、蒸気サイクル９２へ純水を供給する期間を、水素製造装置６への純水の供給を停止している期間又は水素製造装置６への純水の供給量が基準量以下である期間に制限するように構成される。これにより、水素製造装置６へ純水を供給する期間と蒸気サイクル９２へ純水を供給する期間との重複を避けることができるため、純水製造装置４や純水タンク３０の設備容量の増大を抑制して水素製造システム２の設備費及び運営費を低減するとともに、電力系統５の余剰電力を吸収することができる。また、典型的なボイラ２２では、ボイラ２２のブロー水の排出は例えば一日に一回程度の頻度で足りるため、水素製造装置６への純水の供給をボイラ２２のブロー水の排出及び蒸気サイクル９２への純水の供給より優先しても、蒸気サイクル９２の運転を良好に行うことができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１～図５に示すように、水素製造システム２は、純水タンク３０の残量を検知するための残量検知部９４を備え、第２制御部３６は、残量検知部９４によって検知された純水タンク３０の残量が基準値を上回っている場合には、上記制限モードを実行せず、残量検知部９４によって検知された純水タンク３０の残量が該基準値を下回っている場合には、上記制限モードを実行するように構成される。残量検知部９４は、例えば水位計であってもよい。
純水タンク３０に純水の十分な残量がある場合と比較して、純水タンク３０の残量が少ない場合には、水素製造装置６とボイラ２２に供給できる純水の量は少なくなる。このため、上記のように、純水タンク３０の残量が基準値を上回っている場合には制限モードを実行せず、基準値を下回っている場合に制限モードを実行することにより、水素製造装置による水素の製造と発電機による発電とを効率的に行いつつ、電力系統の余剰電力を吸収することができる。
なお、図１１は上述した出力制御部８２、第１制御部１２、第２制御部３６及びブロー水制御部４２の各々のハードウェア構成を示す図である。各制御部におけるハードウェア構成の概要は同様であるため、図１１では便宜的に同一の符号を用いている。各制御部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９８、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、ＨＤＤ （Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）１０４、入力Ｉ／Ｆ１０６、及び出力Ｉ／Ｆ１０８を含み、これらがバス１１０を介して互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。なお、各制御部のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されてもよい。また各制御部は、各制御部の機能を実現するプログラムをコンピュータが実行することにより構成される。上述した各制御部の機能は、例えばＲＯＭ１０２に保持されるプログラムをＲＡＭ１００にロードしてＣＰＵ９８で実行するとともに、ＲＡＭ１００やＲＯＭ１０２におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した形態では、蒸気を生成する手段として、火炉４４及び熱交換器４６を含む循環流動層ボイラを例示した。しかしながら、蒸気を生成する手段は、上述した形態に限定されず、例えば微粉炭焚ボイラ、天然ガス焚ボイラ又は重原油焚ボイラであってもよいし、図１２に示すように、ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ：Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）におけるガスタービン１１２と排熱回収ボイラ１１４（ＨＲＳＧ：Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の組み合わせ等であってもよい。
図１２に示す形態では、水素製造装置６で製造された水素は、水素貯蔵装置５８を介してガスタービン１１２に供給され、ガスタービン１１２の燃焼器１１３において天然ガスと混焼される。また、給水ライン４５を介して排熱回収ボイラ１１４に供給された給水は、排熱回収ボイラ１１４にてガスタービン１１２の排熱によって蒸発して蒸気となり、蒸気タービン１８に供給される。この場合、第２純水ライン２８は、排熱回収ボイラ１１４及び排熱回収ボイラ１１４の蒸気で駆動する蒸気タービン１８を含む蒸気サイクル１１６における、蒸気タービン１８の下流側且つ排熱回収ボイラ１１４の上流側の位置に純水を供給するように構成される。なお、他の実施形態では、ガスタービン１１２の燃焼器１１３では、天然ガスを燃料として使用せずに水素製造装置６で製造された水素のみを燃料として燃焼させてもよい。
２ 水素製造システム
４ 純水製造装置
５ 電力系統
６ 水素製造装置
８ 第１純水ライン
１０ 第１調節装置
１２ 第１制御部
１４ 第１バルブ
１８ 蒸気タービン
２０ 発電機
２２ ボイラ
２５ 水量計
２６ 蒸気ライン
２８ 第２純水ライン
３０ 純水タンク
３２ 第２調節装置
３４ ブロー水ライン
３６ 第２制御部
３８ 第２バルブ
４０ ブロー水量調節装置
４２ ブロー水制御部
４４ 火炉
４５ 給水ライン
４６ 熱交換器
４８ サイクロン
５０ 外部熱交換器
５１ 復水ライン
５２ 復水器
５４ 水処理装置
５６ 煙突
５８ 水素貯蔵装置
６０ 発電機
６２ 発電装置
６４，７０，７４，７８，８８ 変圧器
６６ 送電網
６８ パワーコンディショナー
７２ 需要体
７６ 交直変換器
８０ 受変電設備
８２ 出力制御部
８４ 電力計
８６ 水素ライン
９０ 給水ポンプ
９２ 蒸気サイクル
９４ 残量検知部
９６ バルブ
９８ ＣＰＵ
１００ ＲＡＭ
１０２ ＲＯＭ
１０４ ＨＤＤ
１０６ 入力Ｉ／Ｆ
１０８ 出力Ｉ／Ｆ
１１０ バス
１１２ ガスタービン
１１３ 燃焼器
１１４ 排熱回収ボイラ
１１６ 蒸気サイクル

Claims (11)

  1. 電力系統に接続される受変電設備と、
    前記受変電設備を介して前記電力系統から供給される電力を用いて、純水を電気分解して水素を製造するように構成された水素製造装置と、
    前記電力系統からの要求を受領し、該要求に応じて前記電力系統から前記水素製造装置に供給される前記電力系統の余剰電力の量を調節するように前記受変電設備を制御可能な出力制御部と、
    純水を前記水素製造装置に供給するための第１純水ラインと、
    前記第１純水ラインを介して前記水素製造装置に供給される純水の量を調節可能な第１調節装置と、
    前記電力系統から前記水素製造装置へ供給される電力の量に関する情報を示す電力量信号に基づいて、前記第１調節装置を制御するように構成された第１制御部と、
    原水の不純物を除去して純水を製造するよう構成された純水製造装置と、
    一端が前記純水製造装置に接続し、他端が、ボイラ及び前記ボイラの蒸気で駆動する蒸気タービンを含む蒸気サイクルにおける前記蒸気タービンと前記ボイラとの間の位置に接続する第２純水ラインであって、前記一端と前記他端との間の位置で前記第１純水ラインに接続する第２純水ラインと、
    前記第２純水ラインにおける前記第１純水ラインとの接続位置よりも上流側かつ前記純水製造装置の下流側に設けられ、前記純水製造装置で製造された純水を貯留する純水タンクと、
    を備える、水素製造システム。
  2. 前記電力系統から前記水素製造装置へ供給される電力の量を計測する電力計を更に備え、
    前記電力量信号は、前記電力計の出力信号であり、
    前記第１制御部は、前記電力計の出力信号に基づいて前記第１調節装置を制御するように構成された、請求項１に記載の水素製造システム。
  3. 前記電力量信号は、前記水素製造装置に供給される電力の量を前記出力制御部が制御するための制御信号であり、
    前記第１制御部は、前記出力制御部の前記制御信号に基づいて前記第１調節装置を制御するように構成された、請求項１に記載の水素製造システム。
  4. 前記水素製造装置で製造した水素を前記ボイラに供給するための水素ラインを更に備える、請求項１乃至３の何れか１項に記載の水素製造システム。
  5. 前記水素製造装置で製造された水素を貯蔵するための水素貯蔵装置を更に備え、
    前記蒸気タービンによって駆動される発電機が、前記電力系統に接続された、請求項４に記載の水素製造システム。
  6. 前記第２純水ラインを介して前記ボイラに供給される純水の量を調節可能な第２調節装置と、
    前記第１純水ラインから前記水素製造装置に供給される純水の量に関する情報を示す第１信号に基づいて、前記第２調節装置を制御するように構成された第２制御部と、
    を更に備える、請求項１乃至５の何れか１項に記載の水素製造システム。
  7. 前記第２制御部は、前記水素製造装置への純水の供給が前記蒸気サイクルへの純水の供給よりも優先されるように、前記第２純水ラインから前記ボイラに供給される純水の量を制限する制限モードを実行可能に構成された、請求項６に記載の水素製造システム。
  8. 前記第２制御部は、前記制限モードにおいて、前記蒸気サイクルへ純水を供給する期間を、前記水素製造装置への純水の供給を停止している期間又は前記水素製造装置への純水の供給量が基準量以下である期間に制限するように構成された、請求項７に記載の水素製造システム。
  9. 前記水素製造システムは、
    純水製造装置で製造された純水を貯留する純水タンクと、
    前記純水タンクの残量を検知するための残量検知部と、
    を更に備え、
    前記第２制御部は、前記残量検知部によって検知した前記残量が基準値を下回っている場合に、前記制限モードを実行するように構成された、請求項７又は８に記載の水素製造システム。
  10. 前記ボイラのブロー水を排出するためのブロー水ラインと、
    前記ブロー水ラインから排出されるブロー水の量を調節するためのブロー水量調節装置と、
    前記第１純水ラインから前記水素製造装置に供給される純水の量に関する情報を示す第２信号に基づいて、前記ブロー水量調節装置を制御するように構成されたブロー水制御部と、
    を更に備える、請求項６乃至９の何れか１項に記載の水素製造システム。
  11. 前記ブロー水ラインから排出される前記ブロー水の量を計測する水量計を更に備え、
    前記第１信号は、前記水量計の出力信号であり、
    前記第２制御部は、前記水量計の出力信号に基づいて前記第２調節装置を制御するように構成された、請求項１０に記載の水素製造システム。
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