JP2006029087A

JP2006029087A - 地域電力エネルギ生成システム

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Publication number: JP2006029087A
Application number: JP2004204203A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Nakada; 信夫中田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】バイオガスを発電に用いる際に、発電端効率を向上させるとともにＲＰＳ電力証書を得ることができるようにする。
【解決手段】複数のバイオガス発生装置１は、収集された蓄糞等からバイオガスを生成し、該ガスを、バイオガス配管６及び圧縮機４を介して、天然ガスパイプライン５に供給する。ガスタービン複合発電所２は、バイオガスが混入された天然ガスを燃料として発電を行い、電力網８を介して電力を外部に提供する。バイオガス発生装置１には、燃料として、天然ガスパイプライン５中の天然ガスが、膨張タービン３及び天然ガス枝管７を介して供給される。バイオガスを用いた発電を天然ガス炊きの発電所で行うので、発電端効率が向上し、得られた電力を電力網に供給するので、ＲＰＳ電力証書を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地域電力エネルギ生成システムに関し、より詳細には、天然ガスを燃料とする発電所において、バイオガス発生装置によって生成されたバイオガスを、天然ガスとともに燃料として発電を行うことにより、バイオガスを有効利用できるようにした地域電力エネルギ生成システムに関する。

従来、ガスエンジン発電機とバイオガス生成装置とを組み合わせることにより、比較的低いランニングコストで発電を行うとともに、地球環境を考慮して効率的にエネルギを生成することができるようにしたシステムが提案されている。
このような発電システムの一例が以下の特許文献１に記載されている。この例の発電システムにおいて、ガスエンジン発電機では、その燃料としてバイオガスを使用しており、一方、該燃料として使用するバイオガスを発生させるバイオガス発生装置の動力電源として、ガスエンジン発電機によって発生された電力を使用し、また、ガスエンジン発電機からの排熱を、バイオガス発生装置の加温に使用している。
特開２００２−２７５４８２号公報

ガスエンジン発電機の発電効率は、燃料として天然ガスを用いた場合に比べて、バイオガスを用いた場合の方が低い。例えば、６ｋＷガスエンジン発電機では、天然ガスを用いた場合は発電効率が約２６％であるが、バイオガスを用いた場合には発電効率が約２０％であり、発電効率は６％程度低下する。
また、２００３年４月から、電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（通称、ＲＰＳ法）」が施行され、この法律により、エネルギの安定供給及び環境保全に寄与するために、電気事業者に対して、一定割合以上の風力、太陽光、バイオマス等から発電される新エネルギの利用が義務づけられている。そして、新エネルギの利用義務を達成できない場合、電気事業者は、ＲＰＳ電力証書、すなわち「新エネルギー等電気（電気価値＋環境価値）」又は「新エネルギー等電気相当量（環境価値）」を他から購入することが義務づけられている。しかしながら、上記したバイオガス発電システムでは、発電された電力を電力網に供給していないので、ＲＰＳ電力証書を取得することができない。
さらに、バイオガス発電システムを大型化しようとしても、バイオガス発生装置の消化漕の容量に限界があること及び糞尿の輸送距離が増大すること等により、実用化が困難である。
本発明は、従来例のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バイオガスを天然ガス炊き発電所の燃料として用いることにより、発電端効率（ＬＨＶ）を向上させるとともに、ＲＰＳ電力証書を得ることができるようにすることである。

上記した目的を達成するために、本発明は、地域電力エネルギ生成システムであって、
天然ガスパイプラインと、
該天然パイプラインによって搬送されるガスを燃料として発電を行う発電所と、
複数のバイオガス発生装置と、
バイオガス発生装置によって発生されたバイオガスを天然ガスパイプラインに導く第１の配管と、
第１の配管に介挿され、第１の配管中のバイオガスを昇圧して、天然ガスパイプライン側に供給する圧縮機と
からなり、
発電所は、バイオガス発生装置によって発生されたバイオガスを天然ガスとともに燃料として使用して、発電を行う
ことを特徴とする地域電力エネルギ生成システムを提供する。

上記した本発明に係る地域電力エネルギ生成システムはさらに、天然ガスパイプライン中の天然ガスをバイオガス発生装置に導く第２の配管と、第２の配管に介挿され、第２の配管中の天然ガスを中圧に減圧して、バイオガス発生装置側に供給する膨張タービンとを備え、バイオガス発生装置は、第２の配管中の天然ガスをバイオガス発生装置の燃料としてバイオガスを発生し、圧縮機は、膨張タービンの回収動力により駆動されることが好適である。
また、本発明に係る地域電力エネルギ生成システムにおいて、バイオガス発生装置は、蓄糞を処理してバイオガスを生成する蓄糞処理設備であることが好ましい。

本発明は、上記したように構成されているので、バイオガス発電の発電端効率を向上させることができ、また、ＲＰＳ電力証書販売による収入増加によりバイオガス発生装置の投資回収が向上する。さらに、等価的にバイオマス発電を増大させることができるので、化石燃料を節約することができる。
さらにまた、バイオガス発生装置の一種である蓄糞処理設備は、蓄糞野積みによる地下水汚染を防止するために必要な社会資本であり、また、天然ガスパイプラインもＣＯ_２削減効果の高い社会資本であるが、本発明によれば、これらの社会資本を有効に活用して良質な地域電力エネルギを提供することができる。

図１は、本発明の好適な実施形態の地域電力エネルギ生成システムを示すブロック図である。図１において、１はバイオガス発生装置、２は高効率のガスタービン複合発電所（天然ガス炊き）、３は膨張タービン（天然ガスを中圧に減圧）、４は昇圧用の圧縮機（バイオガスを高圧に昇圧）である。また、５は天然ガスパイプライン、６はバイオガス搬送用の配管（第１の配管）、７は中圧天然ガス搬送用の枝管（第２の配管）、８は電力網である。

天然ガスパイプラインの圧力は一般に高い（例えば、５ＭＰａＧ程度）ことから、天然ガスをバイオガス発生装置１の燃料として供給し使用するためには、天然ガスを降圧するために膨張タービン３が必要であり、逆に、バイオガスを天然ガスパイプライン５で搬送するためには、バイオガスを昇圧するための圧縮機４が必要である。圧力比が大きい場合には、往復動ピストン型のものを用いることが好ましい。また、圧縮機４は、膨張タービン３の回収動力により、駆動されることが好ましい。

このような地域電力エネルギ生成システムにおいて、バイオガス発生装置１において発生されたバイオガスは、バイオガス配管６により搬送されて、昇圧用の圧縮機４により圧縮され、そして天然ガスパイプライン５に供給されて、該パイプライン中を、天然ガスと混合された状態で、ガスタービン複合発電所２まで搬送される。ガスタービン複合発電所２では、バイオガスが混入された天然ガスを燃料として発電を行い、発電された電力は電力網８を介して外部に供給される。
また、天然ガスパイプライン５中の天然ガスは、膨張タービン３により中圧に減圧され、天然ガス枝管７を介してバイオガス発生装置１に供給され、該装置において、燃料として使用される。

図１に示した地域エネルギ生成システムの具体例を以下に説明する。なお、以下の具体例は単なる一例であって、本発明がこれに限定されるものではないことは、言うまでもない。
また、地域エネルギ生成システムに具備される天然ガスを燃料とするガスタービン複合発電所２、天然ガスパイプライン５、電力網７が既に存在する地域であって、バイオガス発生装置１の配置に好適な地域に、本システムを構築すれば効率的である。そのため、以下においては、このような地域の一例として現存する地域を一例として説明する。

サハリンから稚内までの約２００ｋｍの航路の海底に、口径５００ｍｍ、設計圧力１０ＭＰａＧ、設計寿命３０年、設計流量７００万Ｎｍ^３／日の天然ガスパイプラインが敷設されている。この天然ガスパイプラインに連続して、稚内から南に約２００ｋｍにある西名寄変電所付近に存在する出力４００ＭＷの天然ガス炊きガスタービン複合発電所２まで、鉄道廃線跡地及び国道に天然ガスパイプライン５を敷設する。
そして、後者のパイプラインすなわち陸上の天然ガスパイプライン５には、１０ｋｍ毎に、緊急遮断弁、膨張タービン３及び昇圧用の圧縮機４を備えたバルブステーションを配置する。バルブステーションの数は２０カ所となる。

陸上の天然ガスパイプライン５は、宗谷及び上川地域を横断することになるが、これらの北部は牧畜が盛んな地域であり、宗谷地方の牛の数は７８，０００頭、上川地方の牛の数は４１，０００頭である。陸上の天然ガスパイプライン５に付設されたすべてのバルブステーションの付近に、メタンガス発酵装置を備えた蓄糞処理施設すなわちバイオガス発生装置１を配置する。バイオガス発生装置１の数も２０となる。
上記した地域の全ての牛の糞を、２０カ所の蓄糞処理設備数で処理するよう設定すると、１つの蓄糞処理設備当たりの処理能力は、
牛の数／設備数
＝１１９，０００／２０
＝約６，０００頭
以上である必要がある。

牛の糞（１頭１日）からのバイオガスの生成量を１．７ｍ^３／（頭・日）とすると、１カ所のバイオガス発生装置１当たりのバイオガスの生成量は、
１．７ｍ^３／（頭・日）×６０００頭
＝１０，２００ｍ^３／日
となる。
バイオガスの成分は、メタンが約６０Ｖ％、二酸化炭素が約４０Ｖ％であるとすると、バイオガス１Ｎｍ^３当たりの低位発熱量は、約２１．５ＭＪ／Ｎｍ^３となる。
一方、天然ガスの低位発熱量は約３６．８ＭＪ／Ｎｍ^３であり、上記地域の牛の蓄糞処理から得られる熱量は、天然ガス換算で、
５，９５９Ｎｍ^３／日×２０カ所
＝１１９，０００Ｎｍ^３／日
となる。これを年間でみると、
１１９，０００Ｎｍ^３／日×３６５日
＝４３，４３５，０００Ｎｍ^３／年（天然ガス換算）
となる。

西名寄変電所付近に設置された天然ガス炊きガスタービン複合発電所２（出力４００ＭＷ）の低位発熱量基準発電効率が５７％とすると、必要な天然ガス量は６８，５８０Ｎｍ^３／ｈとなる。発電所の利用率を７５％とすると、年間発電量は、
４００ＭＷ×８，７６０ｈ×０．７５
＝２，６２８，０００ＭＷｈ／年
となり、年間の天然ガス使用量は、
６８，５８０Ｎｍ^３／ｈ×２４ｈ×３６５日×０．７５
＝４５０，５７１，０００Ｎｍ^３／年
となる。

バイオガス発生量との比は、
４３，４３５，０００／４５０，５７１，０００×１００
＝９．６％
となる。
バイオガスによる発電量は、
２，６２８，０００ＭＷｈ／年×０．０９６
＝２５２，３００ＭＷｈ／年
となる。
一方、小規模６ｋＷ級のガスエンジンによるバイオガス使用時の発電効率を２０％とすると、蓄糞処理により得られたバイオガスを利用した場合の発電量は８８，５００ＭＷｈ／年にすぎない。これに対して、本発明によれば、上記したように、２５２，３００ＭＷｈ／年の発電量を得ることができ、小規模６ｋＷ級ガスエンジンを用いた場合に対比して、約３倍の発電量を得ることができる。

現在商用化されている天然ガスを燃料とする発電方式のなかで最も発電効率が高いものは４００ＭＷ級のガスタービン複合発電方式であり、バイオガスを最も効率よく電力変換することができる。しかしながら、搬送効率の観点から見ると、総延長２００ｋｍに散在する畜産農家から発電所まで蓄糞を輸送して該発電所でバイオガスを得ることは経済的ではない。そのため、本発明の一実施形態においては、上記したように、膨張タービン３及び圧縮機４を備えたバルブステーション毎にバイオガス発生装置１（蓄糞処理設備）を設けて、バイオガスを天然ガスパイプライン５で発電所に搬送する方式を採用している。

なお、バイオガス発生装置１と圧縮機４とを１対１に設ける代わりに、全てのバイオガス発生装置１を直列的に接続するようにバイオガス配管６を敷設し、収集したバイオガスを、天然ガスパイプライン５に最も近いバイオガス発生装置１の後段に配置したタンクに蓄蔵し、その後、圧縮機４を介して、バイオガスを天然ガスパイプライン５に投入するようにしてもよい。
また、すべてのバイオガス発生装置１用の天然ガスを１つの高圧プラントに蓄蔵し、その後膨張タービン３を介して、バイオガス発生装置１を直列的に接続するように敷設された天然ガス枝管７を介して、個々のバイオガス発生装置１に天然ガスを供給するようにしてもよい。

バイオガスの原料として、上記例においては蓄糞を用いているが、蓄糞以外にも生ごみ等の適宜のバイオマスを利用することができる。バイオマスとして６０％以上の含水量のものを利用することが好適であるが、廃材、もみがらなどの含有率が低いバイオマスが得られる地域では、バイオガス発生装置１において、部分酸化等のガス化方式により水素と一酸化炭素からなるドライ形バイオガスを発生させ、天然ガスパイプライン５に圧入すればよい。

天然ガスパイプライン５の沿線に石油化学工場が存在する場合には、これら工場で発生される副生ガスから必要電力及び蒸気を賄った後の剰余副生ガスを、天然ガスパイプライン１を介してガスエネルギの形態でガスタービン複合発電所１に搬送することができる。副生ガスは、石油化学工場で発生される他、廃プラ、廃材チップ、オイルコークスをガス化炉でガス化することによって得ることができる。この場合、ガス化炉への投入成分比率から、発生ガス中のバイオガス比率（＝バイオマス燃料の入熱量／ガス化炉への総入熱量）が求められる。

バイオガス比率は、例えば、以下の手順により求めることができる。
・ガス化炉への投入燃料の重量を４半期毎に計算する。
・燃料毎の成分分析を４半期毎に実施し、燃料毎の低位発熱量を求める。
・燃料毎の重量と低位発熱量との積を合算し、４半期毎のガス化炉への総入熱量を得る。
・バイオガス由来の入熱量を、各バイオマスの投入重量と各バイオマスの低位発熱量との積を求め、これらを合算することにより得る。
・バイオガス由来の入熱量をガス化炉への総熱量で除算することにより、バイオガス比率を得る。
なお、ＲＰＳ法では、投入熱量のうち、バイオマス由来のものだけを対象とし、化石燃料由来の廃プラスチックによる電力は、ＰＲＳ証書の対象外となっている。したがって、バイオマス由来の発電量を求めるために、バイオガス比率を求めて、該バイオガス比率をガス化炉への総入熱量にバイオガス比率を乗算する必要がある。

１つの４００ＭＷ級ガスタービン複合発電所を用いた本発明による地域電力エネルギ生成システムと、小規模６ｋＷガスエンジン発電機を複数分散配置したシステム（分散配置システム）とを対比すると、発電量及びＣＯ_２削減効果は、以下の通りとなる。
発電量（本実施例のシステム／分散配置システム）
＝２５２，３００／８８，５００×１００
＝２８５％
ＣＯ_２削減効果（本実施例のシステム／分散配置システム）
＝２８５％

上記において、本実施例のシステムによるＣＯ_２削減効果は、バイオガス由来の発電量（ＭＷｈ）と、電気事業連合会より２００１年度の火力発電所の平均ＣＯ_２排出原単位として発表された０．６（ｔ−ＣＯ_２／ＭＷｈ）との積を求め、
２５２，３００×０．６＝１５１，３８０（ｔ−ＣＯ_２／年）
として得たものである。一方、分散配置システムにおけるＣＯ_２削減効果は、複数のガスエンジン発電機それぞれのＣＯ_２削減効果を同様にして演算し、それらの合計を求めることにより得たものである。
太陽光発電１Ｋｗの年間ＣＯ_２削減量は、０．６（ｔ−ＣＯ_２）であるので、本実施例によるＣＯ_２削減効果は２５２，３００ＫＷの太陽光発電と同じであり、１戸当たり３ＫＷとすると、約８万軒の太陽光発電に相当する。

また、分散配置システムでは、発生された電力は自家消費されるため、ＲＰＳ電力証書の対象外であるが、本発明のシステムにおいてはバイオガスが大型発電所の燃料として使用されるため、ＲＰＳ電力証書（天然ガスの熱量比）が得られる。例えば、４００ＭＷ級ガスタービン複合発電所の所内率（発生する電力に対する設備内で使用する電力の割合）を２％とすると、
ＲＰＳ電力証書
＝２５２，３０００ＭＷｈ／年×（１００−２）／１００
＝２４７，３００ＭＷｈ／年
となる。
そして、ＲＰＳ電力証書が９．０円／ｋＷｈで売却できたとすると、２，２２６百万円／年の収入が見込まれる。陸上の天然ガスパイプラインの建設コストは１００百万円／ｋｍ程度であるので、２００ｋｍ全体の総建築コスト２０，０００百万円は、単純計算で約９年で回収できることになる。

本発明の地域電力エネルギ生成システムの構成を説明するためのブロック図である。

Claims

地域電力エネルギ生成システムにおいて、
天然ガスパイプラインと、
該天然パイプラインによって搬送されるガスを燃料として発電を行う発電所と、
複数のバイオガス発生装置と、
バイオガス発生装置によって発生されたバイオガスを天然ガスパイプラインに導く第１の配管と、
第１の配管に介挿され、第１の配管中のバイオガスを昇圧して、天然ガスパイプライン側に供給する圧縮機と
からなり、
発電所は、バイオガス発生装置によって発生されたバイオガスを天然ガスとともに燃料として使用して、発電を行う
ことを特徴とする地域電力エネルギ生成システム。
請求項１記載の地域電力エネルギ生成システムにおいて、該システムはさらに、
天然ガスパイプライン中の天然ガスをバイオガス発生装置に導く第２の配管と、
第２の配管に介挿され、第２の配管中の天然ガスを中圧に減圧して、バイオガス発生装置側に供給する膨張タービンと
を備え、
バイオガス発生装置は、第２の配管中の天然ガスをバイオガス発生装置の燃料としてバイオガスを発生し、
圧縮機は、膨張タービンの回収動力により駆動される
ことを特徴とする地域電力エネルギ生成システム。
請求項１又は２記載の地域電力エネルギ生成システムにおいて、バイオガス発生装置は、蓄糞を処理してバイオガスを生成する蓄糞処理設備であることを特徴とする地域電力エネルギ生成システム。