JP2014148934A - 火力発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽光や風力などの不安定な再生可能エネルギー電源の負荷調整に対応することができ、また高温の作動流体による高効率発電を実現することができ、さらにＮＯx、ＣＯ2等の環境負荷物質を排出しないことを可能とする火力発電システムを提供する。
【解決手段】超臨界ＣＯ2を作動流体として酸素と燃料を加えて燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気によって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された低圧超臨界ＣＯ2を貯蔵する低圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置と、前記低圧超臨界ＣＯ2を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2を貯蔵する高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置と、前記高圧超臨界ＣＯ2を一定圧力で前記燃焼器に供給する高圧超臨界ＣＯ2装置とを備えたことを特徴とする火力発電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに係り、特に燃焼器とガスタービンを利用する火力発電システムに関わる。
天然ガス等の化石燃料を燃料とするガスタービンを備えた火力発電システムにおいては、化石燃料の有効活用と環境負荷低減の観点からシステムの高効率化とＮＯxやＣＯ2の排出抑制が要求され技術開発が進められている。高効率化については、高圧力比化や燃焼温度の高温化が図られている。ここで一定以上の燃焼温度の高温化は空気中の窒素と酸素の反応を引き起こしＮＯx生成の原因となるため各種対策が図られる。また、ＣＯ2の排出抑制については、化学吸着法等による分離・回収技術が注目されている。
高効率化とＮＯxやＣＯ2の排出抑制を両立する技術として、作動流体に空気を用いず酸素と燃料を反応させる酸素燃焼技術がある。作動流体として水蒸気やＣＯ2を利用すれば、高効率化のために燃焼温度を高温化してもＮＯxを排出せず、排気ガスには水蒸気とＣＯ2しか含まないので水蒸気を凝縮させればＣＯ2を容易に回収することができる。主たる作動流体として水蒸気を利用する場合は、通常の石炭火力発電所やガスタービンコンバインドサイクル発電所に用いられている蒸気タービンと同等の大きさの復水器が必要であるため、小型高効率を狙ってＣＯ2を主に利用するシステムが提案されている。このシステムとしては、たとえば特許文献１や特許文献２に開示されている。
一方、化石燃料を全く利用しない発電技術として、太陽光発電や風力発電技術があり、近年、電力構成に占める割合が高まってきている。しかし、太陽光や風力は天候等に左右される不安定な電源であるため、揚水式水力発電や火力発電で負荷を調整し、系統の電力を安定させることが必要である。火力発電による負荷調整は、太陽光や風力による電力供給の増減に合わせて起動・停止したり、部分負荷で運転したりする必要がある。ここで、電力供給が過剰な場合に圧縮機のみを稼働し圧縮空気を貯蔵する技術があり、たとえば特許文献３に開示されている。また、より高密度に効率よくエネルギーを貯蔵する技術として圧縮空気の代わりに高圧ＣＯ2(三重点ＣＯ2)を製造する方法も提案されており、たとえば特許文献４や特許文献５に開示されている。
特開２００１−１２２１３号公報 特開２００１−１５９３１８号公報 米国特許第４１４７２０４号公報 特開昭６３−２３９３０２号公報 特開平３−２１５１３９号公報
従来の火力発電技術では、太陽光や風力などの不安定な再生可能エネルギー電源の負荷調整を考慮していなかった。例えば、特許文献１や２に記載の方法は高温化による効率向上には寄与するが、酸素燃焼タービンとＣＯ2圧縮機が連結されているため、再生可能エネルギー電源による不安定な電力供給に追随して負荷変動対応が可能なエネルギー貯蔵には適していなかった。また、特許文献３乃至５に記載の方法は、夜間に圧縮空気等を製造・貯蔵し、電力需要の高まる昼間に発電するというもので、負荷変動対応には不向きだった。更に、例えば特許文献４や５の方法においては、高圧ＣＯ2によるエネルギー貯蔵は可能だが、高圧ＣＯ2は熱交換器を介して加熱され、燃焼タービンの作動流体とは別系統であるため、高温で高効率な発電を実現することはできなかった。
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、太陽光や風力などの不安定な再生可能エネルギー電源の負荷調整に対応することができ、高温の作動流体による高効率発電を実現しつつ、ＮＯx、ＣＯ2等の環境負荷物質の排出を抑制可能な火力発電システムを提供することを目的とする。
本発明の火力発電システムは、上記目的を達成するために、超臨界ＣＯ2を作動流体として酸素と燃料を加えて燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気によって駆動される超臨界ＣＯ2タービンと、前記超臨界ＣＯ2タービンにより駆動される超臨界ＣＯ2タービン発電機と、前記超臨界ＣＯ2タービンから排出された低圧ＣＯ2を貯蔵する低圧ＣＯ2貯蔵装置と、前記低圧ＣＯ2を圧縮する超臨界ＣＯ2圧縮機と、前記超臨界ＣＯ2圧縮機により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2を貯蔵する高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置と、前記高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置の高圧超臨界ＣＯ2を一定圧力で前記燃焼器に供給する高圧超臨界ＣＯ2供給装置とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、太陽光や風力などの不安定な再生可能エネルギー電源の負荷調整に対応することができ、高温の作動流体による高効率発電を実現しつつ、ＮＯx、ＣＯ2等の環境負荷物質の排出を抑制可能な火力発電システムを提供することができる。
本発明の実施例１における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例１における火力発電システムの発電方法を示すフローチャート。 本発明の実施例１における火力発電システムの負荷平準化の原理を示す模式図。 本発明の実施例２における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例３における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例４における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例５における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例６における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例７における火力発電システムを示す系統図。 本発明の実施例８における火力発電システムを示す系統図。
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例１における火力発電システムを示す系統図である。図１において、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2５を作動流体として酸素３と燃料４を加えて燃焼させる燃焼器１０１と、酸素３を燃焼器１０１に供給するポンプ１１４と、燃料４を燃焼器１０１に供給するポンプ１１３と、燃焼器１０１から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気の混合ガス６によって駆動される超臨界ＣＯ2タービン１０２と、超臨界ＣＯ2タービン１０２により駆動される超臨界ＣＯ2タービン発電機１０３とを備えている。
また、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2タービン１０２から排出されたタービン排ガス７により超臨界ＣＯ2５を加熱する再生熱交換器１０８と、タービン排ガス７を冷却し湿分８を除去する湿分除去装置１０９と、タービン排ガス７から湿分を除去して分離した低圧ＣＯ2９を貯蔵し、また余剰ＣＯ2１０を回収する回収装置を備えた低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６と、低圧ＣＯ2９を圧縮して超臨界ＣＯ2を製造する超臨界ＣＯ2圧縮機１０４と、系統電力１により超臨界ＣＯ2圧縮機１０４を駆動するモータ１０５とを備えている。
更に、本実施例の火力発電システムは、系統電力１の負荷変動を検知する変動電力検知装置１１７と、前記変動電力検知装置１１７の検知結果に基づき超臨界ＣＯ2圧縮機１０４の出力を制御する超臨界ＣＯ2圧縮機負荷制御装置１１８と、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2１１を貯蔵する高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７と、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４が駆動していないときに閉止するバルブ１１５と、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７の高圧超臨界ＣＯ2５を一定圧力で燃焼器１０１に供給する高圧超臨界ＣＯ2供給装置１１２とを備えている。
図２は、本発明の実施例１における火力発電システムの発電方法を示すフローチャートである。図２にしたがって、本実施例の火力発電システムの運用方法を説明する。図２において、ステップＳ１００〜S１０２は超臨界ＣＯ2圧縮機１０４の運用方法、ステップＳ２００〜２０９は超臨界ＣＯ2タービン１０２の運用方法に属しており、それぞれ別個に動作する。
超臨界ＣＯ2圧縮機１０４の運用方法では、まずステップＳ１００において、電力系統１の太陽光や風力等の負荷変動する再生可能エネルギーによる変動電力が入力される。次に、ステップＳ１０１において、変動電力に応じて超臨界ＣＯ2圧縮機１０４が駆動し、低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６にある低圧のＣＯ2９を圧縮して高圧の超臨界ＣＯ2を製造する。ここで、低圧のＣＯ2９は臨界点近傍の超臨界ＣＯ2であってもよい。次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１により製造した高圧超臨界ＣＯ2を高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に貯蔵する。
なお、本実施例では、系統電力１の変動電力を変動電力検知装置１１７で検知し、検知した変動電力に対応して超臨界ＣＯ2圧縮機１０４が駆動されるように、超臨界ＣＯ2圧縮機負荷制御装置１１８によって超臨界ＣＯ2圧縮機１０４の出力を制御することを想定している。
一方、超臨界ＣＯ2タービン１０２の運用方法では、ステップＳ２００において発電設備を起動することが決定された後、まずステップＳ２０１において、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に貯蔵された高圧超臨界ＣＯ2５を高圧超臨界ＣＯ2供給装置１１２により一定圧で供給する。次にステップ２０２において、一定圧の高圧超臨界ＣＯ2５は、再生熱交換器１０８により加熱される。次にステップＳ２０３において、一定圧の高圧超臨界ＣＯ2５と、それぞれポンプ１１３、１１４により一定圧で供給される燃料４及び酸素３が燃焼器１０１において混合燃焼する。次にステップＳ２０４において、ステップＳ２０３で生じた超臨界ＣＯ2と水蒸気の混合ガス６によって超臨界ＣＯ2タービン１０２が駆動する。次にステップＳ２０５において、超臨界ＣＯ2タービン１０２に連結された発電機１０３が駆動して発電する。
そして、超臨界ＣＯ2タービン１０２から排出されたタービン排ガス７は、ステップＳ２０６において、再生熱交換器１０８に導入されステップＳ２０２の高圧超臨界ＣＯ2５の加熱に利用される。このように再生熱交換器１０８を用いて、燃焼器１０１に挿入される高圧超臨界ＣＯ2５に対してタービン排ガス７の熱を供給することにより、システム効率の向上を図ることができる。
その後、ステップＳ２０７において、湿分除去装置１０９によりタービン排ガス７が冷却され、湿分８が除去される。次にステップＳ２０８において、タービン排ガス７から湿分８を除去して分離した低圧ＣＯ2９は低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６に貯蔵される。ここで、低圧のＣＯ2９は臨界点近傍の超臨界ＣＯ2であってもよく、低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６は臨界点近傍の超臨界ＣＯ2貯蔵装置であってもよい。
最後に、ステップＳ２０９において、ＣＯ2回収装置を備えた低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６から余剰ＣＯ2１０が回収される。これにより、ＣＯ2の大気中への放出を抑制する事ができる。
なお、上記の運用方法において、ステップＳ１０１では、ステップＳ２０８により貯蔵された低圧ＣＯ2を圧縮し、ステップＳ２０１では、ステップＳ１０２により貯蔵された高圧超臨界ＣＯ2を利用するが、それぞれ低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６と高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７がバッファとなっているため、ステップＳ１００〜S１０３の超臨界ＣＯ2圧縮機１０４の運用とステップＳ２００〜２０９の超臨界ＣＯ2タービン１０２の運用は、それぞれ別個に動作する。
図３は、本発明の実施例１における火力発電システムによる負荷平準化の原理を示す模式図である。図３を用いて、本実施例の火力発電システムを用いた負荷平準化方法を説明する。グラフ２００は、横軸を時刻、縦軸を出力とした、太陽光または風力等の変動する再生可能エネルギーの発電電力の例である。このように、太陽光や風力等の発電設備では、安定して定格出力の発電をすることはなく、時間毎の出力は定格出力の０％から１００％まで変動する。本実施例では、平均出力は定格出力の約２５％程度である。
本発明の火力発電システムでは、この変動する再生可能エネルギーの電力２００を用いてモータ１０５を駆動する。そして、モータ１０５に連結された超臨界ＣＯ2圧縮機１０４により、低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６の低圧ＣＯ2を圧縮して高圧超臨界ＣＯ2を製造し、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に貯蔵する。即ち、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４と超臨界ＣＯ2タービン１０２とが独立した回転軸を有し、前記超臨界ＣＯ2圧縮機を駆動するための超臨界ＣＯ2圧縮機駆動用モータを備えたことにより、系統電力１の変動電力を吸収・貯蔵して負荷の平準化を図ることができる。
グラフ２０１は、横軸を時刻、縦軸を質量または圧力とし、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に貯蔵された高圧超臨界ＣＯ2の量を表す。グラフに示すように、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７中には一定量以上の高圧超臨界ＣＯ2が蓄えられているため、再生可能エネルギーの電力２００の変動の影響が緩和される。
さらに、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に貯蔵された高圧超臨界ＣＯ2を高圧超臨界ＣＯ2供給装置１１２により一定圧で燃焼器１０１に供給し、超臨界ＣＯ2タービン１０２を常時高効率の定格出力で駆動することにより、発電機１０３は安定した電力を発電する。グラフ２０２は、横軸を時刻、縦軸を出力として、発電機１０３による発電電力を表す。発電機１０３による発電電力２０２のうち、網掛け部２０３は再生可能エネルギーによる発電電力分を示しており、再生可能エネルギーの変動する電力２００がならされて平均出力分が安定して供給されていることが分かる。
したがって、本実施例の火力発電システムによれば、再生可能エネルギーによる不安定な系統電力１の負荷を吸収してエネルギー貯蔵することによって負荷を平準化することができ、さらに超臨界ＣＯ2タービン１０２を常に定格で駆動することにより高効率に発電することができる。また、発電機１０３で出力した電力の一部をモータ１０５に供給することにより、系統電力１からの電力供給がない状態でも、自立発電することができる。
即ち、本実施例の火力発電システムによれば、太陽光や風力などの不安定な再生可能エネルギー電源の電力を利用して、超臨界ＣＯ2圧縮機が負荷追随運転をすることで高圧超臨界ＣＯ2としてエネルギーを貯蔵することができ、貯蔵した高圧超臨界ＣＯ2を一定圧力で酸素燃焼タービンに供給することで常に定格出力でタービンが駆動し、ＮＯx、ＣＯ2等の環境負荷物質の排出を抑制しつつ安定した高効率発電を実現することが可能となる。
次に、図４を用いて実施例２の特徴を説明する。図４は、本発明の実施例２における火力発電システムを示す系統図である。なお、実施例１と同様の部分についての説明は省略し、図１に示した実施例１の構成と異なる部分を中心に説明する。
図４において、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2１１が持つ熱を回収し蓄える蓄熱装置１２０を備える。これにより、圧縮により生じた熱を捨てることなく、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に蓄えた高圧超臨界ＣＯ2５を利用する際の再加熱に利用することができる。したがって、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵時の放熱ロスを低減し、発電効率を高めることができる。
また、本実施例の火力発電システムは、系統電力１を用いて、空気２から酸素３を製造する酸素製造装置１１０と、製造した酸素３を貯蔵する酸素貯蔵装置１１１を備える。これにより、燃焼器１０１による酸素燃焼に必要な酸素を所内で用意することができる。また、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４のように電力系統１の再生可能エネルギーによる変動電力を使えば電力変動を吸収してエネルギーを貯蔵する効果を持つことができ、より柔軟に再生可能エネルギー電源の負荷調整に対応することが可能となる。
また、酸素３を燃焼器１０１に供給する前に再生熱交換器１０８により加熱する構成とすることで、酸素貯蔵装置１１１に貯蔵する酸素の温度が低温であっても燃焼の安定性を高めることができ、システムの効率を向上することができる。
図５は、本発明の実施例３における火力発電システムを示す系統図である。実施例３は、基本的な部分を実施例２と共有する。そのため、図４に示した実施例２と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分を中心に、図５を用いて実施例３の特徴を説明する。
図５において、本実施例の火力発電システムでは、低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６から余剰ＣＯ2１０を回収するかわりに、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７から高圧超臨界ＣＯ2３０を回収し送出する高圧ＣＯ2回収装置１３０を備える。これにより、大気中へのＣＯ2排出を抑制すると共に、ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）等の用途に有効な状態でＣＯ2を回収、利用することができる。
図６は、本発明の実施例４における火力発電システムを示す系統図である。実施例４は、基本的な部分を実施例２と共有する。そのため、図４に示した実施例２と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分を中心に、図６を用いて実施例４の特徴を説明する。
図６において、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４と超臨界ＣＯ2タービン１０２を任意に連結及び分離する圧縮機・タービン連結装置１４０と、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４とモータ１０５を任意に連結及び分離する圧縮機・モータ連結装置１４１を備える。
このような構成を備えることにより、系統電力１が供給されない状態において、圧縮機・モータ連結装置１４１により超臨界ＣＯ2圧縮機１０４とモータ１０５を分離し、圧縮機・タービン連結装置１４０により超臨界ＣＯ2圧縮機１０４と超臨界ＣＯ2タービン１０２を連結することができ、高効率な自立発電が可能となる。
また、系統電力１が供給される場合には、圧縮機・モータ連結装置１４１により超臨界ＣＯ2圧縮機１０４とモータ１０５を連結し、圧縮機・タービン連結装置１４０により超臨界ＣＯ2圧縮機１０４と超臨界ＣＯ2タービン１０２を分離することができ、系統電力１のエネルギーを貯蔵し負荷平準化と高効率発電を両立するシステムに切り替えることができる。
図７は、本発明の実施例５における火力発電システムを示す系統図である。実施例５は、基本的な部分を実施例２と共有する。そのため、図４に示した実施例２と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分を中心に、図７を用いて実施例５の特徴を説明する。
図７において、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2圧縮機１０４のかわりに、低圧超臨界ＣＯ2圧縮機１５１と、中間冷却器１５０と、高圧超臨界ＣＯ2圧縮機１５２を備える。このように中間冷却器１５０を備えることにより、圧縮時の温度上昇を抑制して高効率化を図ることができ、高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置１０７に高圧超臨界ＣＯ2を貯蔵する際の熱ロスを低減することができる。
なお、本実施例では圧縮時の熱を蓄熱槽１２０でのみ回収する構成としているが、中間冷却器１５０を蓄熱槽１２０と一体としても良い。このように構成すれば、中間冷却器１５０で回収した熱を高圧超臨界ＣＯ2供給時の加熱に利用することが可能となり、更なる高効率化を図る事ができる。
図８は、本発明の実施例６における火力発電システムを示す系統図である。実施例６は、基本的な部分を実施例２と共有する。そのため、図４に示した実施例２と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分を中心に、図８を用いて実施例６の特徴を説明する。
図８において、本実施例の火力発電システムは、超臨界ＣＯ2タービン排ガスの熱を利用して二次系超臨界ＣＯ2クローズドサイクルの超臨界ＣＯ2６０を加熱する排熱回収装置１６０と、二次系超臨界ＣＯ2圧縮機１６３と、二次系超臨界ＣＯ2タービン１６１と、二次系冷却器１６２を備える。これにより、超臨界ＣＯ2コンバインドサイクルを構成することができ、より高効率な発電を実現することができる。
なお、本実施例では、基本的な部分を実施例２と同様としているが、実施例４のように圧縮機とタービンを連結したり、実施例５のように中間冷却器を利用する構成としても良い。このように構成することにより、自立運転システムとしても、従来のコンバインドサイクルより高効率な火力発電サイクルを実現することができる。
図９は、本発明の実施例７における発電システムを示す系統図である。実施例７は、基本的な部分を実施例２と共有する。そのため、図４に示した実施例２と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分を中心に、図９を用いて実施例７の特徴を説明する。
図９において、本発明の発電システムは、超臨界ＣＯ2タービンと同出力以下の定格出力の再生可能エネルギーによる発電装置３００を備える。これによれば、再生可能エネルギーを導入する際に系統に負荷変動による不安定化の影響を与えることなく、最小限の化石燃料で安定した電源を構成することができる。また、電力供給時間の制御ができない太陽光や風力等の再生可能エネルギーに対して、エネルギー貯蔵システムを付加することにより、電力需要が小さい時間帯にはエネルギーを貯蔵し、電力需要が大きく電力単価が高い時間帯に電力を供給することができる。
図１０は、本発明の実施例８における火力発電システムを示す系統図である。図１０において、本実施例の火力発電システムは、系統電力１を用いて空気２から酸素３を製造する酸素製造装置１１０と、製造した酸素３を貯蔵する酸素貯蔵装置１１１と、超臨界ＣＯ2５を作動流体として酸素３とメタン４を加えて燃焼させる燃焼器１０１と、酸素３を燃焼器１０１に供給するポンプ１１４と、燃焼器１０１から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気の混合ガス６によって駆動される超臨界ＣＯ2タービン１０２と、超臨界ＣＯ2タービン１０２により駆動される超臨界ＣＯ2タービン発電機１０３と、超臨界ＣＯ2タービン１０２から排出されたタービン排ガス７により超臨界ＣＯ2５を加熱する再生熱交換器１０８と、タービン排ガス７を冷却し湿分８を除去する湿分除去装置１０９と、タービン排ガス７から湿分を除去して分離した低圧ＣＯ2９を貯蔵する低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６と、低圧ＣＯ2９を圧縮して超臨界ＣＯ2を製造する超臨界ＣＯ2圧縮機１０４を備える。
更に、本実施例の火力発電システムは、系統電力１を用いて水７０から酸素７４と水素７１を製造する水素製造装置１７０と、水素７１を貯蔵する水素貯蔵装置１７１と、水素貯蔵バルブ１７５と、低圧ＣＯ2貯蔵装置１０６から余剰ＣＯ2１０を取り出し水素７１と反応させてメタン７２を製造するメタン製造装置１７２と、低圧ＣＯ2バルブ１７４と、メタン７２を貯蔵するメタン貯蔵装置１７３と、メタン貯蔵バルブ１７６と、メタン貯蔵装置からメタン４を燃焼器１０１に供給するポンプ１１３を備える。
本実施例の構成によれば、再生可能エネルギーの不安定な電力１を水素・メタン及び酸素を製造して貯蔵することができ、再生可能エネルギーの電力１で製造したメタンを燃料として用いて超臨界ＣＯ2タービンを回し、排出されたＣＯ2を再度メタン生成に利用することで、全くＣＯ2を排出しない、完全に閉じたクローズドサイクル発電システムを構成することができる。
１…電力系統
２…空気
３、７４…酸素
４…燃料
５、１１…高圧超臨界ＣＯ2
６…燃焼ガス
７…タービン排ガス
８、７０…水
９、１０…二酸化炭素
３０…高圧ＣＯ2
６０…二次系超臨界ＣＯ2
７１…水素
７２…メタン
１０１…燃焼器
１０２…超臨界ＣＯ2タービン
１０３…発電機
１０４…超臨界ＣＯ2圧縮機
１０５…モータ
１０６…低圧ＣＯ2貯蔵装置
１０７…高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置
１０８…再生熱交換器
１０９…湿分除去装置
１１０…酸素製造装置
１１１…酸素貯蔵装置
１１２…定圧超臨界ＣＯ2供給装置
１１３、１１４…ポンプ
１１５，１１６…バルブ
１１７…変動電力検知装置
１１８…超臨界ＣＯ2圧縮機制御装置
１２０…蓄熱槽
１３０…高圧ＣＯ2供給装置
１４０…タービン・圧縮機の分離接続装置
１４１…圧縮機・モータの分離接続装置
１５０…中間冷却器
１６０…２次系超臨界ＣＯ2加熱熱交換器
１６１…２次系超臨界ＣＯ2タービン
１６２…２次系超臨界ＣＯ2タービン排気冷却器
１６２…２次系超臨界ＣＯ2圧縮機
１７０…水素製造装置
１７１…水素貯蔵装置
１７２…メタン製造装置
１７３…メタン貯蔵装置
２００…再生可能エネルギー変動電力
２０１…超臨界ＣＯ2貯蔵量
２０２…タービン出力
２０３…再生可能エネルギー分電力
３００…再生可能エネルギー発電装置

Claims (16)

  1. 超臨界ＣＯ2を作動流体として酸素と燃料を加えて燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気によって駆動される超臨界ＣＯ2タービンと、前記超臨界ＣＯ2タービンにより駆動される超臨界ＣＯ2タービン発電機と、前記超臨界ＣＯ2タービンから排出された低圧ＣＯ2を貯蔵する低圧ＣＯ2貯蔵装置と、前記低圧ＣＯ2を圧縮する超臨界ＣＯ2圧縮機と、前記超臨界ＣＯ2圧縮機により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2を貯蔵する高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置と、前記高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置の高圧超臨界ＣＯ2を一定圧力で前記燃焼器に供給する高圧超臨界ＣＯ2供給装置とを備えたことを特徴とする火力発電システム。
  2. 請求項１に記載の火力発電システムにおいて、
    前記低圧ＣＯ2貯蔵装置の前に湿分除去装置を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  3. 請求項１または２に記載の火力発電システムにおいて、
    前記低圧ＣＯ2貯蔵装置はＣＯ2回収装置を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  4. 請求項１または２に記載の火力発電システムにおいて、
    前記高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置はＣＯ2回収装置を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  5. 請求項１乃至４に記載の火力発電システムにおいて、
    前記低圧ＣＯ2は超臨界ＣＯ2であり、前記低圧ＣＯ2貯蔵装置は低圧超臨界ＣＯ2を貯蔵することを特徴とする火力発電システム。
  6. 請求項１乃至５に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2圧縮機は前記超臨界ＣＯ2タービンから独立した回転軸を有し、前記超臨界ＣＯ2圧縮機を駆動するための超臨界ＣＯ2圧縮機駆動用モータを備えたことを特徴とする火力発電システム。
  7. 請求項１乃至６に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2圧縮機と前記超臨界ＣＯ2タービンの分離・接続装置と、分離時に前記超臨界ＣＯ2圧縮機を駆動するための超臨界ＣＯ2圧縮機駆動用モータとを備えたことを特徴とする火力発電システム。
  8. 請求項６又は７に記載の火力発電システムにおいて、
    負荷変動する電力を検知する変動電力検知装置と、負荷変動する電力を利用して負荷を調整しながら超臨界ＣＯ2圧縮機駆動用モータを駆動する超臨界ＣＯ2圧縮機制御装置とを備えたことを特徴とする火力発電システム。
  9. 請求項１乃至８に記載の火力発電システムにおいて、
    前記燃焼器に供給される前の高圧超臨界ＣＯ2に対し前記超臨界ＣＯ2タービン排気の熱を供給する再生熱交換器を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  10. 請求項１乃至９に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2圧縮機は中間冷却装置を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  11. 請求項１乃至１０に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2圧縮機で発生した熱を貯蔵する蓄熱装置を備え、前記燃焼器に供給される前の高圧超臨界ＣＯ2に対し前記蓄熱装置に貯蔵した熱を供給する蓄熱式熱交換器を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  12. 請求項１乃至１１に記載の火力発電システムにおいて、
    酸素製造装置と、酸素貯蔵装置を備えたことを特徴とする火力発電システム。
  13. 請求項１乃至１２に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2タービン排気の熱を二次系統の超臨界ＣＯ2に供給する二次系統加熱用熱交換器を備え、前記二次系統加熱用熱交換器で加熱された前記二次系統超臨界ＣＯ2により駆動する二次系統超臨界ＣＯ2タービンと、前記二次系統超臨界ＣＯ2タービン排気を冷却する二次系統冷却器と、前記二次系統冷却器により冷却されたＣＯ2を圧縮する二次系統超臨界ＣＯ2圧縮機とからなる２次系統超臨界ＣＯ2クローズドサイクルを備えたことを特徴とする火力発電システム。
  14. 請求項１乃至１３に記載の火力発電システムにおいて、
    前記超臨界ＣＯ2タービン発電機の定格容量以下の定格容量を持つ再生可能エネルギー発電システムを備え、前記超臨界ＣＯ2圧縮機は前記再生可能エネルギー発電システムにより発電した電力で駆動されることを特徴とする火力発電システム。
  15. 負荷変動する電力により超臨界ＣＯ2圧縮機を駆動し、低圧ＣＯ2貯蔵装置内のＣＯ2を圧縮して高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置に供給する超臨界ＣＯ2圧縮工程と、前記高圧超臨界ＣＯ2貯蔵装置の高圧超臨界ＣＯ2を一定圧力で燃焼器に供給する一定圧超臨界ＣＯ2供給工程と、前記一定圧超臨界ＣＯ2を作動流体として酸素と燃料を加えて前記燃焼器内で一定条件で燃焼させる燃焼工程と、前記燃焼器から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気によって超臨界ＣＯ2タービンを駆動し、連結された発電機により定格電力を得る発電工程と、前記超臨界ＣＯ2タービン排気から湿分を除去し低圧ＣＯ2を貯蔵する低圧ＣＯ2貯蔵工程とを備えたことを特徴とする火力発電方法。
  16. 負荷変動する電力により水素を製造する水素製造装置と、前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、水素とＣＯ2を合成しメタンを製造するメタン製造装置と、前記メタンを貯蔵するメタン貯蔵装置と、超臨界ＣＯ2を作動流体として酸素と前記メタンを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される超臨界ＣＯ2及び水蒸気によって駆動される超臨界ＣＯ2タービンと、前記超臨界ＣＯ2タービン排気から湿分を除去する湿分除去装置と、前記湿分除去装置により湿分を除去された前記超臨界ＣＯ2タービン排気の低圧ＣＯ2を貯留する低圧ＣＯ2貯留装置と、前記低圧ＣＯ2貯留装置から燃料により増加した分のＣＯ2を前記メタン製造装置に供給する余剰ＣＯ2供給装置と、前記低圧ＣＯ2を圧縮する超臨界ＣＯ2圧縮機と、前記超臨界ＣＯ2圧縮機により圧縮された高圧超臨界ＣＯ2を前記超臨界ＣＯ2タービン排気により加熱する再生熱交換器とを備えたことを特徴とする火力発電システム。
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