JP2016532772A - 余剰電気エネルギを効果的に利用する設備及び方法 - Google Patents

Abstract

余剰電気エネルギを効果的に利用する設備であって、第１の水素流を発生させる、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置と、第２の水素流を発生させる、水蒸気改質、部分酸化、又は脱水素化により炭化水素から水素を製造する第２の装置と、前記第１の水素流及び前記第２の水素流が供給される水素管路又は水素消費器と、前記第１の水素流と前記第２の水素流とから成る全量が所定の値に相当するように、前記第１の装置と前記第２の装置とにおける水素の製造を互いに調整する制御装置と、を有している設備において、電気化学的又は電熱的に水素を製造する前記装置を、余剰電気エネルギによって運転することにより、余剰電気エネルギを効果的に利用することができる。

Description

本発明は、水素の製造に電気エネルギを利用する、余剰電気エネルギを効果的に利用する設備及び方法に関する。

風力エネルギや太陽エネルギのような再生可能エネルギの使用は、発電のためにますます重要となっている。電気エネルギは典型的には長距離にわたって、スーパーリージョナルに国中広範に連結されている電力供給網（短縮して電力網と言う）を介して多数の消費者へと供給される。電気エネルギは電力網自体では大規模に蓄えることはできないので、電力網へと供給される電気出力は、消費者側の所要出力、いわゆる負荷に適合されなければならない。この負荷は周知のように時間に応じて、特に一日のうちのある時刻、曜日、又は季節によっても変動する。安定的で確実な電力供給のためには、発電と電力消費とが継続的に同調する必要がある。場合によっては生じる短時間のずれは、いわゆるプラスの又はマイナスの調整用エネルギ若しくは調整用電力により補償される。再生可能な発電装置では、風力エネルギや太陽エネルギのような所定の形式のものでは、エネルギ発生出力が全ての時点で存在しているわけではなく、所定の形式で制御可能ではなく、一日のうちの時刻による、又は天気に基づく変動を余儀なくされ、このような変動は、極めて限定的にしか予測できず、通常はその都度実際に必要なエネルギに一致するものではないという問題が生じている。

変動する再生可能エネルギから得られる電力と実際の消費との間の差分は通常、例えばガス発電所、石炭火力発電所、原子力発電所のような別の発電所により賄われる。変動する再生可能エネルギの電力供給における割合及び拡大が進むにつれ、その出力と実際の消費との間の補償すべきずれはより大きくなる。従って今日既に、このずれを補償するために、ガス発電所の他に、石炭火力発電所もますます、部分負荷にて運転されたり、完全に停止されたりしている。このような発電所の可変的な運転方式は著しい追加コストにつながっているので、長年、代替的な手段の開発が模索されている。

１つのアプローチは、電気エネルギが余った際に、発電所の出力変更に対して選択的に又は補足的に、余剰電気エネルギを、例えば水の電気分解により水素を製造するために利用するということである。しかしながら、マイナスの調整エネルギから成る余剰電気エネルギを水素製造のために使用する場合、製造される水素量も変動するので、通常、実際に必要な水素に相当するものではない。変動する製造率と必要量との間を補償するための水素の貯蔵は技術的に手間がかかり、安全性の危険につながり、液体又は圧縮された状態での水素の貯蔵にはエネルギを要する。

水素の貯蔵の選択肢として、水素をＣＯ₂又はＣＯと反応させて、メタノール、メタン、又は高級炭化水素として、これにより貯蔵し易い形態に移行させることが提案された。しかしながらこの選択肢は、水素をＣＯ₂又はＣＯと反応させ、ＣＯ₂若しくはＣＯを準備するために付加的な設備が必要であり、この反応は付加的なエネルギを消費するという欠点を有している。

従って、水素の製造によって余剰電気エネルギを利用することができ、上述したような公知の方法の欠点を有していないような設備及び方法の必要性が生じている。

本発明の対象は、余剰電気エネルギを効果的に利用する設備であって、
第１の水素流を発生させる、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置と、
第２の水素流を発生させる、水蒸気改質、部分酸化、又は脱水素化により炭化水素から水素を製造する第２の装置と、
第１の水素流及び第２の水素流が供給される水素管路又は水素消費器と、
第１の水素流と第２の水素流とから成る全量が所定の値に相当するように、第１の装置と第２の装置とにおける水素の製造を互いに調整する制御装置と、を有している設備である。

本発明の対象はさらに、余剰電気エネルギを効果的に利用する方法であって、本発明による設備において、電気化学的又は電熱的に水素を製造する装置を、余剰電気エネルギによって運転する方法に関する。

本発明による設備は、第１の水素流を発生させる、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置を有している。この場合、この第１の装置は１つの又は複数のユニットを有していて、このユニットにおいて水素が製造される。第１の装置が水素製造のための複数のユニットを有している場合、これらのユニットは好適には平行に配置され、互いに独立的に運転することができる。互いに平行に配置された複数のユニットの使用により、個々のユニットをオン・オフ切換することによって、個々のユニットにおける良好な運転条件を維持しながら水素の製造を段階的に変更させることができ、部分負荷運転による効率損失を減じることができる。

好適な態様では、第1の装置は、水溶液を電解することにより水素を電気化学的に製造する装置である。好適にはこの装置は、塩素アルカリ電解のために、又は水を水素と酸素に分解するために使用される。水溶液を水素と酸素に電解する装置は特に好適である。電解により水素を電気化学的に製造する装置は、好適には平行に配置された複数の電解セルを有していて、これらの電解セルは互いに独立的に運転することができる。電解により水素を電気化学的に製造するのに適した装置は当業者には公知である。水溶液を電解する装置の使用には、このような装置は迅速に作動及び停止させることができ、水素の製造出力を迅速に変更することができるという利点がある。さらに、このような装置を迅速な始動のためにスタンバイさせておく手間は、電熱的に水素を製造する装置の場合よりも僅かである。

選択的に好適な態様では、第1の装置は、水素が副産物として得られるエチン又はシアン化水素を電熱的に製造する装置である。

電熱的にエチンを製造する場合、エチンは、炭化水素又は炭素から吸熱反応により製造され、この反応を行うために必要な熱は電流により発生させられる。好適には気体の又は気化された炭化水素が使用され、特に好適には脂肪族の炭化水素が使用される。特に、メタン、エタン、プロパン、ブタンが適していて、とりわけメタンが適している。電熱的にエチンを製造するのに適した装置は従来技術により公知であり、例えば、2012年にWiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA社（Weinheim在）により出版された「Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry第1巻」、DOI:10.1002/14356007. a01_097.pub4,の２９６〜３０３頁により、及び独国特許出願公開第１９００６４４号明細書及び欧州特許出願公開第０１３３９８２号明細書により公知である。

エチンを電熱的に製造する装置は好適にはアーク反応器を有している。この場合、エチンの電熱的な製造は１段階のプロセスで行うことができ、このプロセスでは、少なくとも一種の炭化水素がガス流によってアークを通される。選択的には、エチンの電熱的な製造は２段階のプロセスで行うことができ、このプロセスでは、水素がアークを通されて、少なくとも１種の炭化水素はアークの後方で、アークにおいて形成された水素プラズマ内に供給される。好適には、エチンを電熱的に製造する装置は、互いに独立的に運転することができる平行に配置された複数のアーク反応器を有している。

シアン化水素を電熱的に製造する場合、シアン化水素は、炭化水素又は炭素及び窒素源から吸熱反応により製造され、この反応を行うために必要な熱は電流により発生させられる。好適には気体の又は気化された炭化水素が使用され、特に好適には脂肪族の炭化水素が使用される。特に、メタン、エタン、プロパン、ブタンが適していて、とりわけメタンが適している。窒素源としては好適にはアンモニアが使用される。

好適な態様では、シアン化水素を電熱的に製造する装置はアーク反応器を有しており、アーク反応器において炭化水素はアンモニア又は窒素と反応させられる。この場合、シアン化水素の電熱的な製造は１段階のプロセスで行うことができ、このプロセスでは、アンモニアと少なくとも一種の炭化水素を含むガス混合物がアークを通される。選択的には、窒素と炭化水素を含み、付加的に水素を含むことができるガス混合物がアークを通されても良い。アークにおいてシアン化水素を電熱的に1段階で製造する適当な装置及び方法はイギリス特許第７８００８０号明細書、米国特許第２８９９２７５号明細書、米国特許第２９９７４３４号明細書により公知である。選択的には、シアン化水素の電熱的な製造は２段階のプロセスで行うことができ、このプロセスでは、窒素がアークを通されて、少なくとも１種の炭化水素はアークの後方で、アーク内で発生したプラズマ内に供給される。シアン化水素を電熱的に２段階で製造する適当な装置及び方法は米国特許第４１４４４４４号明細書により公知である。

炭化水素をアンモニアと反応させるいわゆるシャウィニガン（Shawinigan）法による電気的に加熱されたコークス流動層においてシアン化水素を電熱的に製造する装置も適しており、また、酸素がないところで、白金含有触媒の存在下で炭化水素をアンモニアと反応させるＢＭＡ法のための電気的に加熱された反応器でシアン化水素を電熱的に製造する装置も適している。

別の好適な態様では、第1の装置は、炭化水素を炭素と水素に電熱的に分解する装置である。いわゆるKvaerner法によりプラズマ内で炭化水素を電熱的に分解する装置は特に好適である。このような炭化水素の電熱的な分解に適した装置は、当業者には、イギリス特許第１４００２６６号明細書、旧東ドイツ特許第２９２９２０号明細書、国際公開第９３／２０１５３号明細書により公知である。

本発明による設備は、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置の他に、第２の水素流を発生させる、水蒸気改質、部分酸化、又は脱水素化により炭化水素から水素を製造する第２の装置も有している。水蒸気改質、部分酸化、又は脱水素化により炭化水素から水素を製造する適当な装置は、従来技術により当業者には公知である。好適には第２の装置は、天然ガスを水蒸気改質する装置である。

第１の水素流及び第２の水素流を発生させる、水素を製造する第１の装置と第２の装置に加えて付加的に、本発明による設備はさらに、第１の水素流と第２の水素流とが供給される水素管路又は水素消費器を有している。水素管路は例えば、水素をパイプラインへと供給する管路であって良い。

第１の水素流と第２の水素流とは水素消費器に別個に又は一緒に供給することができ、この場合、一緒に供給するのが好適である。水素消費器は好適には、水素が１つ又は複数の化学反応のために、例えば燃料の水素化脱硫のために消費される設備である。好適には水素消費器は、水素化反応用の設備を含む。特に好適には、水素消費器は、水素と窒素からアンモニアを製造する設備、水素と酸素から過酸化水素を製造する設備、芳香族ニトロ化合物を水素化して芳香族アミンにする設備、ニトリルを水素化してアミンにする設備、不飽和脂肪又は不飽和油を硬化する設備、脂肪酸を水素化して脂肪アルコールにする設備、ベンゼンを水素化してシクロヘキサンにする設備、又はこれらの設備の複数の組み合わせである。

本発明による設備はさらに、第１の水素流と第２の水素流とから成る全量が所定の値に相当するように、第１の装置と第２の装置とにおける水素の製造を互いに調整する制御装置を有している。この制御装置は離散制御装置として、又はプログラミングされたプロセス制御システムとして形成することができる。

好適には制御装置は、第１の水素流と第２の水素流の質量流又は体積流を測定する付加的な測定装置を有している。相応の測定装置と測定結果に応じた制御とにより、第１の水素流と第２の水素流とから成る全量は、水素を製造する第１の装置若しくは第２の装置の効率が変化した場合であっても所定の値に相応することが保証される。さらに、付加的な水素流を第１の装置から取り出した場合でも、第１の装置及び第２の装置における水素の製造を互いに調整することができる。

本発明による設備は好適には付加的に、水素を製造する両装置のうちの一方と水素管路又は水素消費器との間に水素用のバッファリザーバを有している。本設備はこの場合、第１の装置又は第２の装置又は両装置の後方に接続することができる、水素用の単一の又は複数のバッファリザーバを有することができる。特に好適には本設備は、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置と水素管路又は水素消費器との間に水素用の１つのバッファリザーバを有している。好適な態様では、１つ又は複数のバッファリザーバは制御装置に接続されていて、この制御装置は水素の供給及び取り出しを制御する。バッファリザーバとしては特に、非加圧ガスタンク、圧力容器、水素が固体に吸着される吸着リザーバ、水素が可逆的な化学反応により蓄えられる化学リザーバが適している。バッファリザーバにより、第１の装置内での水素の製造が変化した場合に、第２の装置における水素の製造の変化が時間的にずれて、又は異なる速さで行われ、これに起因するより大きな又はより小さな水素の全製造量を、バッファリザーバに水素を供給することにより、又はバッファリザーバから水素を取り出すことにより補償する、本発明による設備の運転が可能となる。

別の好適な態様では、本発明による設備は付加的に、水素を浄化する装置、好適には一酸化炭素を除去する装置、特に好適には、圧力スイング吸着法により水素を浄化する装置を有している。水素を浄化する装置には、第１の水素流、第２の水素流、又は両水素流を供給することができる。水素を浄化させるのに適した装置は当業者には従来技術により公知である。

本発明による設備はさらに付加的に水素圧縮機を有していて良く、この水素圧縮機により、第１の水素流及び／又は第２の水素流の圧力は、水素管路又は水素消費器への供給に必要な値に高められる。

余剰電気エネルギを効果的に利用する本発明による方法は、本発明による設備において実行され、電気化学的又は電熱的に水素を製造する装置は、余剰電気エネルギによって運転される。余剰電気エネルギは、本発明による設備の隣に位置する発電機、例えば隣接する発電所、隣接する風力発電機、又は隣接する太陽光発電設備から発生する。好適には余剰電気エネルギは、電力網から取り出される。特に好適には、実際に取り出される電力に対する電力網に供給される電力の余剰分を補償するために、余剰電気エネルギはマイナスの調整エネルギとして電力網から取り出される。本発明による方法に関しては好適には、風力エネルギ又は太陽エネルギから生じた余剰電気エネルギが使用される。

本発明による方法では、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置は好適には、余剰電気エネルギの供給に依存して運転される。このために第１の装置を、例えば電力市場の電力時価に応じて、選択的にオン・オフ切換することができる。選択的には第１の装置を、その電力消費が電気エネルギの実際の余剰に相当するように、可変出力で運転することもできる。

好適な態様では、水素のためのバッファリザーバを有し、制御装置が、第１の装置における水素の製造が余剰電気エネルギの供給に応じて変化する際に、第２の装置における水素の製造が、第１の装置における水素の製造よりもゆっくりと変化し、これにより生じる一時的により大きな又は小さな水素の全製造量を、バッファリザーバへ水素を供給することにより、又はバッファリザーバから水素を取り出すことにより補償するように運転されている、本発明による設備において本発明による方法が実行される。バッファリザーバはこの場合、第１の装置又は第２の装置の後方に選択的に接続することができる。両装置の後方に１つのバッファリザーバが接続されていても良い。このような構成では、第１の装置における水素の製造を、余剰電気エネルギの供給に応じてより迅速に変化させることができ、装置が炭化水素の水蒸気改質、又は部分酸化、又は脱水素化のために方法に基づき有している、負荷変更速度に関する制限を克服することができる。

本発明による方法では、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置からは、第１の水素流に加えて付加的にさらに１つの又は複数の別の水素流を取り出すことができ、別の装置、例えば水素駆動装置を有する車両に燃料補給する装置に供給することができる。この付加的な水素流は、第１の水素流と第２の水素流とから成る全体量には加えられない。

別の好適な態様では、本発明による方法は、第２の装置が、天然ガスを水蒸気改質する、天然ガスラインに接続されている装置である本発明による設備において実行される。この天然ガスラインには、別の設置場所で、天然ガスを水蒸気改質する付加的な装置が接続されている。水蒸気改質を行う両装置は、１つの共通の制御装置を介して、本発明による設備の装置において水素の製造が変化する場合、水蒸気改質するための付加的な装置における水素の製造は逆方向で変化するように制御される。このような態様により、天然ガスの全体消費を均等に維持することができる。電気化学的又は電熱的に水素を製造する本発明による設備の第１の装置が、余剰電気エネルギの供給に応じて運転される場合、方法のこのような態様では、余剰電気エネルギの供給に応じて行われる時間的に可変の水素の製造が、電気エネルギの発生とは異なる場所で行われ、この場合、このために、電気エネルギを伝達する電流ラインは必要ではない。余剰電気エネルギが、本発明による設備の近傍で生じ、天然ガスラインにおける流れが主として天然ガスを水蒸気改質する付加的な装置の設置場所から本発明による設備の方向で行われるならば、このような態様によりさらに、余剰電気エネルギを発生させる場所と、余剰電気エネルギの供給に応じて水素を提供する場所との間の伝達損失は減じられる。

本発明による設備と本発明による方法により、余剰電気エネルギを水素として効果的に利用することができる。この場合、一方では余剰電気エネルギの量を迅速かつ広範囲で変化させることができ、他方では、水素を、時間的にほぼ一定な所要水素量を有する利用目的のために利用することができ、このために水素用の大きな貯蔵容量は必要ない。余剰電気エネルギを利用することにより、本発明による設備及び本発明による方法では、水素を製造するための炭化水素の必要量が減じられ、この場合、減じられた炭化水素の量は、従来技術の、ＣＯ₂又はＣＯと反応させてメタン又は高級炭化水素を製造することにより、余剰電気エネルギにより製造された水素から製造することができる炭化水素量よりも大きい。

Claims (14)

1. 余剰電気エネルギを効果的に利用する設備であって、
   ａ）第１の水素流を発生させる、電気化学的又は電熱的に水素を製造する第１の装置と、
   ｂ）第２の水素流を発生させる、水蒸気改質、部分酸化、又は脱水素化により炭化水素から水素を製造する第２の装置と、
   ｃ）前記第１の水素流及び前記第２の水素流が供給される水素管路又は水素消費器と、
   ｄ）前記第１の水素流と前記第２の水素流とから成る全量が所定の値に相当するように、前記第１の装置と前記第２の装置とにおける水素の製造を互いに調整する制御装置と、
   を有している、余剰電気エネルギを効果的に利用する設備。
2. 前記第２の装置は、天然ガスを水蒸気改質する装置である、請求項１記載の設備。
3. 前記第１の装置は、水溶液を水素と酸素に電解する装置である、請求項１又は２記載の設備。
4. 前記第１の装置は、塩素アルカリ電解する装置である、請求項１又は２記載の設備。
5. 前記第１の装置は、水素が副産物として得られるエチン又はシアン化水素を電熱的に製造する装置である、請求項１又は２記載の設備。
6. 前記第1の装置は、炭化水素を炭素と水素に電熱的に分解する装置である、請求項１又は２記載の設備。
7. 水素消費器として、水素化反応器用の装置を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の設備。
8. 水素を製造する前記両装置のうちの一方と前記水素管路又は前記水素消費器との間に水素用のバッファリザーバを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の設備。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の設備において、電気化学的又は電熱的に水素を製造する前記装置を、余剰電気エネルギによって運転する、余剰電気エネルギを効果的に利用する方法。
10. 前記余剰電気エネルギを電力網から取り出す、請求項９記載の方法。
11. 前記余剰電気エネルギを風力エネルギ又は太陽エネルギから発生させる、請求項９又は１０記載の方法。
12. 水素を電気化学的又は電熱的に製造する前記第１の装置を、余剰電気エネルギの供給に応じて運転する、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 請求項８記載の設備において、前記第１の装置における水素の製造が余剰電気エネルギの供給に応じて変化する際に、前記第２の装置における水素の製造を、前記第１の装置における水素の製造よりもゆっくりと変化させ、これにより生じる一時的により大きな又はより小さな水素の全製造量を、前記バッファリザーバへ水素を供給することにより、又は前記バッファリザーバから水素を取り出すことにより補償する、請求項１２記載の方法。
14. 前記第２の装置が、天然ガスを水蒸気改質する、天然ガスラインに接続されている装置であって、前記天然ガスラインには別の場所で、天然ガスを水蒸気改質する付加的な装置が接続されていて、水蒸気改質を行う前記両装置は１つの共通の制御装置によって、本発明による設備の前記装置における水素の製造が変化する場合、水蒸気改質する前記付加的な装置における水素の製造は逆方向に変化するように制御されている、本発明による設備において実施する、請求項１２又は１３記載の方法。