JP2005145218A - 洋上水素製造設備及び水素製造輸送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 自然エネルギーを効率的に水素エネルギーに変換することができ、水素の貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することができ、かつシステム全体の効率を向上させることができる洋上水素製造設備を提供する。
【解決手段】 本発明の洋上水素製造設備は、洋上に浮かぶ浮体１に、風力、太陽光などの自然エネルギーを利用して発電を行う発電手段２と、海水を淡水化する海水淡水化手段３と、発電手段２により得られた発電電力を電源として海水淡水化手段３により得られた淡水を電気分解して水素を発生させる水電解手段４と、炭化水素化合物と水電解手段２により得られた水素を触媒の存在下で反応させて炭化水素化合物を水素化し有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド生成手段５と、生成した有機ハイドライドを貯蔵する貯蔵手段６と、を備えてなり、海水淡水化手段３は、有機ハイドライドの生成時に発生する熱エネルギーを利用して淡水化を行うようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、洋上で水素を製造し、貯蔵する洋上水素製造設備及びこの洋上水素製造設備で製造した水素を輸送する水素製造輸送システムに関し、さらに詳しくは、システム全体のエネルギー効率を向上させた洋上水素製造設備及び水素製造輸送システムに関する。

現代社会は、エネルギー資源の大量消費により支えられており、将来の世界人口の増加によりその傾向はますます顕著となっていくものと考えられる。現在、エネルギー資源の大部分を占めているのは、石油、石炭、天然ガスなどのいわゆる化石エネルギーであるが、エネルギー資源の大量消費により将来の枯渇化が危惧されている。また、化石エネルギーは、その消費に伴い硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素などの環境影響物質を排出するため、酸性雨、地球温暖化などの地球環境問題の原因となっている。

この地球環境の悪化を防止し、さらに枯渇傾向にある化石エネルギーに代替するエネルギーとして水素を用いる技術が各方面で研究、開発されている。水素の燃焼は硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素などの環境影響物質を一切発生しないことから、水素はクリーンエネルギーとして大きく期待されている。そして、従来、風力、水力（潮力）、波力、太陽光、太陽熱などの無尽蔵にある自然エネルギーを利用して発電を行い、この発電電力を利用して水を電気分解することにより水素を製造する技術が研究・開発されている。

上述したような風力、水力、波力、太陽光、太陽熱などの自然エネルギーは、自然的・地理的条件に制約され、気象条件や場所によっては所望の発電電力を得ることが困難となる。そこで、自然エネルギーが豊富に存在する洋上で水素を製造する技術が採用されている。すなわち、太陽エネルギーや風力エネルギーなどが豊富に存在する洋上でこれらの自然エネルギーを利用した発電を行い、その発電電力を利用して海水直接電解、アルカリ水電解、又はＰＥＭ（固体高分子電解質膜）水電解により水素を製造し、その水素に圧縮、液化等の形態変換を施し、タンカーにより陸地まで輸送することが行われている。また、これらに関する技術が、例えば、下記特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１の「エネルギー生産装置」は、海上に係留可能に形成されてなる浮体と、前記浮体上に配設されてなる風力発電手段と、前記浮体上に配設されてなる太陽光発電手段と、前記浮体下に配設されてなる波力発電手段と、を設けてなる海上エネルギー生産装置において、前記各発電手段により得られる電気エネルギーを用いて海水を電気分解して水素と酸素を発生させる電気分解手段と、発生した水素と酸素を冷却して液化させる液化手段と、液体水素と液体酸素を貯蔵する貯蔵手段とを設けた、ことを特徴としている。この構成により、海上に存在する自然エネルギーを効率的に利用し、エネルギーの貯蔵を容易に行うことを可能にしている。

特許文献２の「発電プラント船」は、推進機構を備えている船体に、太陽光を光電変換して電気エネルギーを得る太陽光発電システムと、風力を受けて回転する風車により発電機を運転して電気エネルギーを得る風力発電システムと、海水を淡水化する淡水化手段と、上記の淡水を電気分解して水素と酸素を得る電気分解手段と、得られた水素を貯蔵する水素貯蔵手段とを備え、上記の淡水化及び電気分解が上記の発電システムによって発電された電気エネルギーを利用して行われる、ことを特徴としている。この構成により、自然エネルギーを利用して効率よく水素の生産を行うことを可能としている。

特許文献３の「浮体式水素酸素製造システム」は、移動可能の海上浮体に、それぞれ太陽エネルギーを利用する発電設備と海水淡水化設備とが装備されるとともに、上記海水淡水化設備で得られた淡水を上記発電設備で得られた電力により電気分解して水素および酸素を発生させる水素酸素製造設備が装備された、ことを特徴としている。この構成により、すべて自然エネルギーを利用しながら、効率良く水素の大量生産を行うことを可能としている。

特開２００１−５９４７２号公報 特開２００１−２１３３８８号公報 特開２００２−３０３４５４号公報

しかしながら、上述したような従来技術では、以下のような種々の問題点があった。
（１）液化方式による水素の貯蔵・輸送（例えば上記特許文献１）は、水素を冷却・液化するための液化装置の駆動、ＢＯＧ（Ｂｏｉｌ ｏｆｆ ｇａｓ：タンク、配管への入熱等により発生するガス）、ＦＯＧ（Ｆｌｕｓｈ ｏｕｔ ｇａｓ：移送による著しい圧力低下等により発生するガス）によるエネルギーロスが大きい。
（２）圧縮方式による水素の貯蔵・輸送（例えば上記特許文献２、３）は、タンカーの圧力タンクに圧縮水素を移送するための移送用コンプレッサーの駆動によるエネルギーロスが大きく、また陸揚げ後の運搬車による水素ステーション等への運搬時に危険を伴う。
（３）海水を直接電気分解することにより水素を得る海水直接電解方式（例えば上記特許文献１）は、エネルギー変換効率が５０％程度と低い。
（４）海水を淡水化し、これを電気分解することにより水素を得るアルカリ水電解方式又はＰＥＭ水電解方式（例えば、上記特許文献２、３）は、エネルギー変換効率が８０〜９０％であり、上述の海水直接電解方式に比して高効率であるが、海水の淡水化には外部からの動力又は熱が必要となるため、システム全体としてのエネルギー効率を低下させる要因となる。

本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、自然エネルギーを効率的に水素エネルギーに変換することができ、水素の貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することができ、かつシステム全体の効率を向上させることができる洋上水素製造設備及び水素製造輸送システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の洋上水素製造設備は、洋上に浮かぶ浮体に、自然エネルギーを利用して発電を行う発電手段と、海水を淡水化する海水淡水化手段と、前記発電手段により得られた発電電力を電源として前記海水淡水化手段により得られた淡水を電気分解して水素を発生させる水電解手段と、炭化水素化合物と前記水電解手段により得られた水素を触媒の存在下で反応させて前記炭化水素化合物を水素化し有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド生成手段と、生成した前記有機ハイドライドを貯蔵する貯蔵手段と、を備えてなり、前記海水淡水化手段は、前記有機ハイドライドの生成時（水素化時）に発生する熱エネルギーを利用して淡水化を行う、ことを特徴としている。

また、本発明の水素製造輸送システムは、上記洋上水素製造設備と、陸地に設置され有機ハイドライドを触媒の存在下で水素と炭化水素化合物に分解する脱水素手段と、前記洋上水素製造設備で生成された有機ハイドライドを陸地まで輸送し、前記脱水素手段で生成された炭化水素化合物を前記洋上水素製造設備まで輸送する輸送手段と、を備える、ことを特徴としている。

上記本発明は、洋上に浮かぶ浮体に、自然エネルギーを利用して発電を行う発電手段と、海水を淡水化する海水淡水化手段と、発電手段により得られた発電電力を電源として海水淡水化手段により得られた淡水を電気分解して水素を発生させる水電解手段を備えて構成されるので、自然エネルギーを利用して効率よく水素を製造することができる。上記の発電手段としては、風力、太陽光、波力、潮力等の各種の自然エネルギーを利用した発電装置を採用することができる。

有機ハイドライドは常温・常圧で液体であり、灯油・ガソリンと同様の特性・性状をもつ物質である。上記本発明は、炭化水素化合物と水電解手段により得られた水素を触媒の存在下で反応させて有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド生成手段と、生成した前記有機ハイドライドを貯蔵する貯蔵手段とを備えているので、液化方式により水素を貯蔵・輸送する場合における液化装置の駆動、ＢＯＧ、ＦＯＧによるエネルギーロス、圧縮方式により水素を貯蔵・輸送する場合における移送用コンプレッサーの駆動によるエネルギーロスの問題は生じない。したがって、水素の貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することができる。

また、上記本発明における海水淡水化手段は、有機ハイドライド生成手段による有機ハイドライドの生成時に発生する熱エネルギーを利用して淡水化を行うようになっているので、海水の淡水化に伴うエネルギーロスを低減することができ、この結果、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。

上述したように、上記本発明によれば、自然エネルギーを効率的に水素エネルギーに変換することができ、水素の貯蔵・輸送時のエネルギーロスを低減することができ、かつシステム全体の効率を向上させることができる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図１〜図３に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１は、本発明の実施形態の概略構成図である。この図に示すように、洋上水素製造設備１０は、浮体１に、発電手段２と、淡水化手段３と、水電解手段４と、有機ハイドライド生成手段５と、貯蔵手段６とを備えて構成されている。以下、各構成要素について説明する。

浮体１は、洋上に浮かんでおり、アンカー（図示せず）により海底に係留されている。気象条件等により、より好適な場所へ洋上水素製造設備１０を移動させる場合には、船舶で曳航するか、又は浮体１に推進手段を設け、自力移動が可能な構成としても良い。

図２は、浮体１上に設置された発電手段２、海水淡水化手段３、水電解手段４、有機ハイドライド生成手段５及び貯蔵手段６の系統概略図である。この図に示すように、発電手段２は、自然エネルギーを利用して発電を行う発電装置から構成される。本実施形態では、太陽光発電装置２ａと、風力発電装置２ｂとから構成されている。太陽光発電装置２ａは、浮体１の上面に敷き詰められており、浮体１の上面に照射される太陽光を電気エネルギーに変換して発電を行う。風力発電装置２ｂは、浮体１の上面に複数立設されており、風のエネルギーを風車の回転力に変換し、風車に接続された発電機を運転して発電を行う。なお、発電手段２の構成は、本実施形態に限定されるものではなく、太陽光発電装置、風力発電装置以外の自然エネルギーを利用した発電装置（波力発電装置、潮力発電装置等）を自由に組み合わせて構成しても良い。また、発電手段２は、これら各発電装置のうちいずれか１のみ（例えば、風力発電装置のみ）により構成されるものであっても良い。

水電解手段４は、発電手段２により得られた発電電力を電源として海水淡水化手段３により得られた淡水１３を電気分解して水素を発生させるアルカリ水電解装置である。この水電解手段４は、淡水１３を電気分解する電解槽４１を備えている。電解槽４１には淡水１３が海水淡水化手段３から供給されるようになっている。また、電解槽４１には隔壁４２に隔てられて正極電極４３と負極電極４４が設けられており、それぞれ発電手段２に接続されている。そして、発電手段２から電力が供給されると、電解槽４１内の淡水１３が電気分解され、正極電極４３側に酸素を発生させ、負極電極４４側に水素を発生させるようになっている。発生した水素は、有機ハイドライド生成手段５に供給される。一方、発生した酸素は、大気中に放出される。なお、本実施形態では、水電解手段４としてアルカリ水電解装置を用いたが、これに代えて、ＰＥＭ水電解装置を用いる構成としても良い。

有機ハイドライド生成手段５は、ナフタレン（Ｃ₁₀Ｈ₈）やベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）などの炭化水素化合物と水電解手段４により得られた水素を貴金属（白金等）の触媒の存在下で反応（水素化）させてデカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）やシクロヘキサン（Ｃ₁₀Ｈ₁₂）などの有機ハイドライドを生成するようになっている。貯蔵手段６は、有機ハイドライド生成手段５により得られたデカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）やシクロヘキサン（Ｃ₁₀Ｈ₁₂）などの有機ハイドライドを貯蔵するようになっている。

有機ハイドライドは、常温・常圧で液体であり、灯油・ガソリンと同様の特性・性状をもつ物質である。このため、液化方式により水素を貯蔵・輸送する場合における液化装置の駆動、ＢＯＧ、ＦＯＧによるエネルギーロス、圧縮方式により水素を貯蔵・輸送する場合における移送用コンプレッサーの駆動によるエネルギーロスの問題は生じない。したがって、水素の貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することができる。

海水淡水化手段３は、上述した水電解手段４に供給する淡水を生成する装置である。この図に示すように、海水淡水化手段３は、蒸気発生器３１と凝縮器３２とを備えており、海水１１を蒸気発生器３１の加熱装置３３により加熱して水蒸気１２を発生させ、この水蒸気１２を凝縮器３２に送給し熱交換器３４内を流通する海水１１と熱交換させて冷却・凝縮させ淡水１３を生成するようになっている。この加熱装置３３の熱源は、有機ハイドライド生成手段における有機ハイドライドの生成時（水素化時）に生ずる反応熱を利用し得るようになっている。この反応熱の温度は５０〜１５０℃であり、加熱装置３１の熱源として十分な熱量を持っている。

図３は、従来の洋上水素製造設備と本発明の洋上水素製造設備による水素の製造・貯蔵・利用に必要なエネルギーの比較を示す図である。この図において、「アルカリ水電解＋有機ハイドライド」は、海水を淡水化し、この淡水を用いてアルカリ水電解方式により水素を製造し有機ハイドライドとして貯蔵する方式であり、これが本発明に該当する。また、「海水直接電解＋圧縮（７０ＭＰａ）」は海水直接電解方式により水素を製造し７０ＭＰａに圧縮して貯蔵する方式であり、「海水直接電解＋液化」は海水直接電解方式により水素を製造し液化して貯蔵する方式であり、この２つが従来例に該当する。この図から分かるように、「海水直接電解＋圧縮（７０ＭＰａ）」の場合、水電解に７．０８ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂、水素の圧縮に０．５８６ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂のエネルギーを要するため、水素の製造・貯蔵・利用に必要な総エネルギーは７．６７ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂となる。また、「海水直接電解＋液化」の場合、水電解に７．０８ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂、水素の液化に１ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂のエネルギーを要するため、水素の製造・貯蔵・利用に必要な総エネルギーは８．０８ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂となる。

これに対し、本発明の「アルカリ水電解＋有機ハイドライド」の場合、まず、海水の淡水化に０．３ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂、アルカリ水電解に５．３ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂を要する。また、水素の利用時には有機ハイドライドを触媒の存在下で加熱処理し、ナフタレン／ベンゼンと水素に分解する脱水素処理が必要となり、この脱水素処理に０．８ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂を要する。そうすると、水素の製造・貯蔵・利用に必要な総エネルギーは、本来的には、０．３＋５．３＋０．８＝６．４ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂となる。しかしながら、本発明では、有機ハイドライド生成時に発生する０．８ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂の熱エネルギーのうち０．３ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂を海水の淡水化のための熱エネルギーとして利用し得るようにしたため、海水の淡水化に必要なエネルギーは考慮する必要がない。この結果、水素の製造・貯蔵・利用に必要な総エネルギーは６．４−０．３＝６．１０ｋＷｈ／ｍ³‐Ｈ₂とすることができる。このように、本発明では水素を有機ハイドライドとして貯蔵し、有機ハイドライド生成時の熱エネルギーを淡水化に必要な熱エネルギーとして利用することにより、熱エネルギーの有効利用を図るようにしたので、システム全体の効率を向上させることができるという効果が得られる。

さて、図１に戻り、洋上水素製造設備１０で製造した有機ハイドライド（デカリン／シクロヘキサン）は、タンカー１５により陸地２０まで輸送され、陸上貯蔵タンク２１に貯蔵される。水素を利用する際には、有機ハイドライドは脱水素手段２２において白金などの触媒の存在下で水素とナフタレン／ベンゼンに分解される。これにより、生成された水素は、水素を燃料として用いてエンジン中で燃料を燃焼させることにより動力を得る水素内燃機関や水素ガスタービン、水素と酸素を電気化学的に結合させることによって電気エネルギーを得るリン酸塩型燃料電池、固体高分子型燃料電池などに利用することができる。一方、水素と分離したナフタレン／ベンゼンは、タンカー１６により洋上水素製造設備１０まで輸送され、有機ハイドライド生成手段５において再利用される。なお、タンカー１５、１６は本発明における輸送手段を構成している。

以上説明したように、上記本発明によれば、自然エネルギーを効率的に水素エネルギーに変換することができ、水素の貯蔵・輸送時のエネルギーロスを低減することができ、かつシステム全体の効率を向上させることができる等の優れた効果が得られる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の系統概略図である。 本発明と従来技術との水素の製造・貯蔵・利用に際して必要な総エネルギーの比較図である。

符号の説明

１ 浮体
２ 発電手段
２ａ 太陽光発電装置
２ｂ 風力発電装置
３ 海水淡水化手段
４ 水電解手段
５ 有機ハイドライド生成手段
６ 貯蔵手段
１０ 洋上水素製造設備
１１ 海水
１２ 水蒸気
１３ 淡水
１５、１６ タンカー
２０ 陸地
２１ 陸上貯蔵タンク
２２ 脱水素手段

Claims (2)

1. 洋上に浮かぶ浮体に、自然エネルギーを利用して発電を行う発電手段と、海水を淡水化する海水淡水化手段と、前記発電手段により得られた発電電力を電源として前記海水淡水化手段により得られた淡水を電気分解して水素を発生させる水電解手段と、炭化水素化合物と前記水電解手段により得られた水素を触媒の存在下で反応させて前記炭化水素化合物を水素化し有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド生成手段と、生成した前記有機ハイドライドを貯蔵する貯蔵手段と、を備えてなり、
   前記海水淡水化手段は、前記有機ハイドライドの生成時に発生する熱エネルギーを利用して淡水化を行う、ことを特徴とする洋上水素製造設備。
2. 請求項１に記載の洋上水素製造設備と、
   陸地に設置され有機ハイドライドを触媒の存在下で水素と炭化水素化合物に分解する脱水素手段と、
   前記洋上水素製造設備で生成された有機ハイドライドを陸地まで輸送し、前記脱水素手段で生成された炭化水素化合物を前記洋上水素製造設備まで輸送する輸送手段と、を備える、ことを特徴とする水素製造輸送システム。
   

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