JP2011237100A - 水素ガス液化方法及び水素ガス液化プラント - Google Patents

Abstract

【課題】液化水素の有する冷熱エネルギーを回収し、水素ガスの液化に要するエネルギーとして有効利用することができる水素ガス液化方法及び水素ガス液化プラントを提供すること。
【解決手段】本発明は、水素生産地において、水素ガスと液化窒素を熱交換させることにより、水素ガスを冷却して液化水素を製造する水素液化工程と、液化水素を水素消費地まで輸送する第一輸送工程と、水素消費地において、液化水素と窒素ガスを熱交換させることにより、液化水素から水素ガスを発生させる水素気化工程と、水素気化工程において得られた液化窒素を水素生産地まで輸送する第二輸送工程とを有し、水素気化工程と水素液化工程の間で冷熱が循環利用されることを特徴とする、水素ガス液化方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素消費地へと輸送された液化水素を水素ガスに気化させる際に、液化水素の有する冷熱によって液化窒素を製造することにより、水素ガスを液化する際のエネルギーを削減するための水素ガス液化方法及び水素ガス液化プラントに関する。

天然ガスのような炭化水素又は水素ガスは、輸送密度を高めるために液化した後、輸送される。水素ガスは、石炭、石油又は天然ガスから大量生産することが可能であり、燃焼しても二酸化炭素を全く排出しないこともあり、地球温暖化防止の観点から特に注目されている。水素ガスは、石炭、石油又は天然ガスの生産地において製造及び液化され、液化水素としてタンカー等の輸送手段によって水素消費地へと輸送されている。

特許文献１には、水を電気分解して水素ガスを製造したり、水素ガスを液化したりするために、風力、太陽熱、太陽光、波力、潮力又は海洋温度差のような自然エネルギーを利用して電力を得る発電設備が開示されている。また、特許文献２には、自然エネルギーを利用して発電した電力によって水を電気分解し、得られた水素を目的とする水素消費施設に、容易かつ短時間で輸送し得る水素輸送システムが開示されている。

特許第４３１７７３２号公報 特開２００５−２２０９４６号公報

水素ガスは沸点が−２５２．６℃と非常に低いため、液化するためには多大なエネルギーが必要である。通常は、水素ガスを液化窒素（沸点−１９５．８℃）によって予備冷却した後、さらにヘリウムを冷媒とする冷凍サイクルによって冷却し、ジュールトムソン効果を利用して膨張及び温度低下させることによって液化水素が製造される。このため、液化窒素の製造及び冷凍サイクルの運転に大きなエネルギー（電力）が必要となる。

液化水素を水素消費地において水素ガスに気化させる際には、海水、河川水等と液化水素とを熱交換させ液化水素を加温する。すなわち、液化水素の製造に大きなエネルギーが必要であるにも拘わらず、液化水素の有する冷熱エネルギーを回収することは行われてこなかった。一方、水素ガスの膨張を利用してタービンを回転させ、エネルギーを回収することは行われている。また、海水、河川水等と液化水素とを熱交換させる前に、エタンガス等の低沸点の作動媒体と液化水素とを熱交換し、凝縮した作動媒体を海水、河川水等と熱交換して蒸発させ、作動媒体の膨張によってタービンを回転させ、別途エネルギーを回収することも行われるようになった。

しかし、水素ガス及び作動媒体の膨張によって回収できるエネルギーは、水素ガスを液化するために必要なエネルギーと比較するとかなり少ないのが実情であり、液化水素の有する冷熱エネルギーを効率よく回収することは困難であった。

水素消費地において、液化水素とフロン等の冷媒とを熱交換させ、液化フロンを水素ガス生産地まで輸送し、水素ガスの液化に利用することも可能ではある。ところが、水素ガスと液化フロンとを熱交換させると、気化したフロンガスをそのまま大気中に放出することはできないため、フロンガスを回収する必要がある。さらに、回収したフロンガスを水素消費地まで輸送するためには、別途フロンガスを液化する必要があり、液化水素から冷熱を回収できても、システム全体としては全くエネルギーを節約することができない。

一方、水素生産地で製造された液化水素は、主としてタンカーによって遠方の水素消費地まで海上輸送されるが、水素消費地で積み荷である液化水素を積み降ろした後、再び水素生産地へと引き返す必要がある。このとき、空荷となったタンカーは、水素消費地の海水をバラストとして積み込み、水素生産地でバラスト水を排水することになる。

バラストとして海水を利用すると、外来種を遠方の海まで運ぶことになる。このため、自然環境保護の観点から、近年では沿岸から離れた場所でバラスト水を入れ替えるか、次亜塩素酸ナトリウム等による殺菌処理を行うことが国際的に求められている。このようなバラスト水の入れ替え又は殺菌処理のために、従来よりもタンカーによる輸送コスト及び輸送時間が増大する傾向になることも、液化水素の海上輸送上の問題となりつつある。

本発明は、液化水素の有する冷熱エネルギーを回収し、水素ガスの液化に要するエネルギーとして有効利用することができる水素ガス液化方法及び水素ガス液化プラントの提供を目的とする。

本発明者は、水素消費地において液化水素と窒素ガスを熱交換させて水素ガス及び液化窒素とすれば、得られた液化窒素を水素生産地に輸送して水素ガスの液化に利用しても、発生した窒素ガスは大気中に放出可能であり、液化水素の有する冷熱を有効に利用し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

具体的に、本発明は、
水素生産地において、水素ガスと液化窒素を熱交換させることにより、水素ガスを冷却して液化水素を製造する水素液化工程と、
液化水素を水素消費地まで輸送する第一輸送工程と、
水素消費地において、液化水素と窒素ガスを熱交換させることにより、液化水素から水素ガスを発生させる水素気化工程と、
水素気化工程において得られた液化窒素を水素生産地まで輸送する第二輸送工程と、
を有し、
水素気化工程と水素液化工程の間で冷熱が循環利用されることを特徴とする、水素ガス液化方法に関する。

また、本発明は、
水素ガスと液化窒素を熱交換させ、液化水素と窒素ガスを製造する水素液化手段と、
液化水素と窒素ガスを熱交換させ、水素ガスと液化窒素を製造する水素気化手段と、
水素液化手段が製造した液化水素を水素気化手段まで輸送する第一輸送手段と、
水素気化手段が製造した液化窒素を水素液化手段まで輸送する第二輸送手段と、
を備え、
水素気化手段と水素液化手段の間で冷熱が循環利用されることを特徴とする、水素ガス液化プラントに関する。

本発明では、水素消費地において、液化水素と窒素ガスを熱交換させ、液化水素の有する冷熱エネルギーによって液化窒素を製造する。この液化窒素を水素生産地まで輸送し、水素ガスと熱交換させれば、水素ガスの液化に要するエネルギーを削減することが可能となる。さらに、液化窒素から発生した窒素ガスは、元々大気中から分離した無害なガスであるため、大気中に放出しても環境に対する悪影響は全く出ない。このため、フロンなどを熱媒体とする場合と異なり、水素ガスの液化時に熱媒体を回収し、さらに水素消費地へと返送する必要もない。

また、液化水素と液化窒素は、同じ輸送手段（超低温液体輸送用のタンカー、タンクローリー、貨物列車等）を使用し得るので、水素生産地及び水素消費地間で現在使用されている輸送手段を、タンク等を改変することによって活用でき、特別な手段を別途用意する必要がない。

本発明の水素ガス液化方法では、第一輸送工程及び第二輸送工程がタンカーによる海上輸送であることが好ましい。

水素生産地から大量の液化水素を輸送する場合、タンカーが利用されることが一般的である。水素生産地で液化水素を積み込んだタンカーは、水素消費地で液化水素を積み降ろした後、再び水素生産地へと引き返して、液化水素の輸送を継続する。ここで、水素消費地から水素生産地へと向かうタンカーの液化水素タンクは空であるため、バラストタンクにバラスト水を積み込んで運行しなければならない。

しかし、上述したように、近年、海水をバラスト水として使用することに制限が課せられるようになっている。このため、タンカーによる海上輸送にかかるコスト及び時間が増大する傾向にある。

本発明の水素ガス液化方法では、水素消費地で液化窒素が製造されるので、この液化窒素をタンカーに積載すれば、バラスト水が不要であるので、水素消費地の海水を水素生産地へ持ち込むことがない。

水素気化工程においては、空気分離手段によって空気から窒素ガスを製造することが好ましい。

空気は普遍的に存在するので、冷熱を循環利用するための冷媒として利用することができるが、あらかじめ空気分離手段によって窒素ガスのみを取り出して冷媒として利用すれば、水素と窒素は混合しても反応しないので、空荷の液化水素タンク内に若干の水素が残っていても、冷媒の窒素自身でパージ操作が可能であり、液化水素タンクと液化窒素タンクを共用することが可能となる。このとき、空気から窒素ガスを分離することによって、水素消費地において窒素ガスを製造するようにすれば、水素生産地で窒素ガスを大気中に放出しても、大気成分に変動を与えることがない。

また、水素消費地において窒素ガスを製造するようにすれば、水素生産地において液化窒素から熱交換により相変化した窒素ガスを水素消費地に送り返す必要がなくなるため、水素ガス液化に係るエネルギー効率を向上させることが可能となる。

本発明によれば、液化水素の冷熱エネルギーの有効利用により、水素ガスの液化に要するエネルギーを、従来技術と比較して節約することが可能である。

本発明の水素液化方法を説明する概念図である。 液化水素からの冷熱エネルギーを回収する従来技術の一例である。 液化水素からの冷熱エネルギーを回収する従来技術の別の一例である。

本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、本発明は以下に限定されない。

図１は、本発明の水素液化方法を説明する概念図を表す。まず、水素生産地において、石炭、石油等から水素ガスが製造され、公知の水素ガス液化手段によって液化水素が製造される。液化水素は、超低温液体を輸送するためのタンカー等の第一輸送手段によって、水素消費地へと輸送される。

水素消費地では、液化水素と、空気分離装置（空気分離手段）によって空気から分離された窒素ガスとが、水素気化装置（熱交換器）において熱交換される。水素気化装置は、プレートフィン熱交換器等の公知の熱交換器を使用し得る。

水素気化装置からは、水素ガスと液化窒素とが得られる。水素ガスは、水素ガスタンク等の貯蔵施設に貯蔵されるか、パイプラインによって水素ガス使用場所へと供給される。一方、液化窒素は、超低温液体を輸送するためのタンカー等の第二輸送手段によって、水素生産地へと輸送される。第二輸送手段と第一輸送手段において同じタンカー等を使用しても良いが、液化窒素を輸送できる別のタンカー等を使用しても良い。

従来は、水素消費地から水素生産地へと向かうタンカー等の輸送手段は、空荷である。このため、タンカーであれば海水をバラスト水として積み込んで水素生産地へと回送される。しかし、本発明では、液化水素の貯蔵タンクに液化窒素を貯蔵することができるため、バラスト水が不要となる。すなわち、特別な輸送手段を取らなくても、液化窒素を水素生産地へと輸送することが可能であり、水素消費地の海水中の外来種を水素生産地へと運ぶこともない。

水素生産地では、液化窒素と水素ガスとが、水素液化装置（熱交換器）において熱交換される。水素液化装置は、プレートフィン熱交換器等の公知の熱交換器を使用し得る。水素液化装置では、液化窒素によって予備冷却された水素ガスは、ヘリウムを冷媒として使用する冷却手段を備えた公知の（冷却装置）によってさらに冷却された後、ジュールトムソン弁によって膨張させられ、液化水素となって装置外へ取り出される。

水素ガスの液化においては、液化窒素を用いて水素ガスを予備冷却する必要がある。液化窒素を製造するためには、窒素ガスを加圧した後、冷却し、ジュールトムソン弁によって膨張させる必要がある。このため、液化窒素を製造するためにも、大きなエネルギー（電力）が必要である。

しかし、本発明では、従来は海水中等に捨てられていた液化水素が有する冷熱エネルギーは、液化窒素を介して水素ガスの液化に循環利用することができる。つまり、水素消費地においては、液化水素と窒素ガスを熱交換させ、液化水素の有する冷熱エネルギーによって液化窒素を製造し、水素生産地においては、この製造された液化窒素と水素ガスを熱交換させ、液化窒素の有する冷熱エネルギーによって液化水素を製造することにより、水素と窒素の間で冷熱エネルギーを循環利用することができる。

このため、海上輸送手段であるタンカーによって液化窒素をバラスト水の替わりに輸送する場合はもちろん、陸上輸送手段であるタンクローリー又は貨物列車によって液化窒素を輸送する場合であっても、水素ガスの液化の度に、液化窒素を製造する従来の水素ガス液化方法と比較して、エネルギーを削減することが可能である。

なお、水素液化装置からは、窒素ガスが取り出されるが、これはそのまま大気中へと放出することができる。放出する窒素は、水素消費地において大気中から分離されたものであるため、水素生産地において大気中に放出しても、分離した窒素ガスを大気中に戻すだけであるため、環境に影響を与えることがない。また、そのまま大気中へと放出させることにより、窒素ガスの回収、貯蔵、水素消費地への再輸送等の設備及び手段は全く不要である。このように、フロンに液化水素の冷熱エネルギーを移動させる場合と比較して、大幅にコストを削減することが可能である。

（実施例）
積載量１５万ｍ^３のタンカーは、液化水素１１，１００トンを積載することができる。液化水素１１，１００トンの冷熱を再利用すれば、液化窒素１０８，０００トン（１３万ｍ^３）を製造することが可能である。液化水素１Ｎｍ^３当たり、液化窒素の製造に０．４４ｋｗｈ、冷凍サイクルの運転に０．９１ｋｗｈが必要である（合計１．３５ｋｗｈ）ため、３０％以上のエネルギー（電力）を削減することが可能である。

（比較例）
液化水素を海水等と熱交換させ、水素ガスの膨張によってタービン（断熱効率７５％）を回転させてエネルギーを回収する従来技術（図２、水素ガスの膨張比８）の場合、水素流量１Ｎｍ^３／ｈのときに０．０３３ｋｗの発電量である。海水等と熱交換させる前に、エタンを作動媒体として液化水素と熱交換させるエタンサイクルを組み込んだ従来技術（図３、エタンガスの膨張比３３．５）の場合でも、水素流量１Ｎｍ^３／ｈのときに０．０４８ｋｗの発電量である。

このように、本発明では、水素ガスの液化に要するエネルギー回収量が、従来技術と比較して９倍以上多い。

本発明の水素ガス液化方法及び水素ガス液化プラントは、エネルギー分野において有用である。

Claims (5)

1. 水素生産地において、水素ガスと液化窒素を熱交換させることにより、水素ガスを冷却して液化水素を製造する水素液化工程と、
   液化水素を水素消費地まで輸送する第一輸送工程と、
   水素消費地において、液化水素と窒素ガスを熱交換させることにより、液化水素から水素ガスを発生させる水素気化工程と、
   水素気化工程において得られた液化窒素を水素生産地まで輸送する第二輸送工程と、
   を有し、
   水素気化工程と水素液化工程の間で冷熱が循環利用されることを特徴とする、水素ガス液化方法。
2. 前記第一輸送工程及び前記第二輸送工程がタンカーによる海上輸送である、請求項１に記載の水素ガス液化方法。
3. 前記水素気化工程において、空気分離手段によって空気から窒素ガスを製造する、請求項１又は２に記載の水素ガス液化方法。
4. 水素ガスと液化窒素を熱交換させ、液化水素と窒素ガスを製造する水素液化手段と、
   液化水素と窒素ガスを熱交換させ、水素ガスと液化窒素を製造する水素気化手段と、
   水素液化手段が製造した液化水素を水素気化手段まで輸送する第一輸送手段と、
   水素気化手段が製造した液化窒素を水素液化手段まで輸送する第二輸送手段と、
   を備え、
   水素気化手段と水素液化手段の間で冷熱が循環利用されることを特徴とする、水素ガス液化プラント。
5. 前記水素気化手段が、空気分離手段によって空気から窒素ガスを製造する、請求項４に記載の水素ガス液化プラント。

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