JP2019026858A - 電解システム、及び電解システムの電力制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電解システムに供給される電力が変動する場合であっても、電気分解による生成物の生成効率を維持しながら、電解システム全体における電力の利用効率を向上させる。【解決手段】電解システム１は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置１０の最大発電電力未満となる電力を用いて水の電気分解を行う電解装置３０と、発電装置１０で発電された発電電力のうち、電解装置３０の消費電力に相当する電力を優先的に電解装置３０へ供給し、電解装置３０の消費電力を上回る余剰電力を、水の電気分解によって生成される水素及び酸素を圧縮する昇圧装置４０に供給する電力分配装置２０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、電解システム、及び電解システムの電力制御方法に関する。
従来から、電極に電圧を印加して、電極の周囲に存在する化合物を複数種類の物質に分解することで、目的の物質を製造する電解装置を含んだ電解システムが知られている。電解システムでは物質の製造に電気エネルギーを用いるため、比較的多くの電力を消費することがある。したがって、化合物の電気分解に必要な電力を発電する際に排出される二酸化炭素ガスの量を削減するために、化合物の電気分解に再生可能エネルギーを用いて発電された電力が用いられることがある。
例えば、特許文献１及び特許文献には、太陽電池を用いて水を電気分解し、水素を生成する電解システムが開示されている。
上述したように、電解システムは比較的多くの電力を消費することから、発電された電力を有効に利用することが検討されている。
例えば特許文献１には、発電された電力のうち水素の生成に用いられなかった余剰電力を蓄電池に蓄電し、蓄電池に蓄電された電力を、光電変換部及び水素発生部を制御する制御装置、外部装置、並びに系統電力（逆潮）に供給する太陽光発電システムが開示されている。
また、特許文献２には、発電された電力を、例えば一酸化炭素及び水素の生成装置（第１の装置）と水素の生成装置（第２の装置）とに分配して供給する燃料製造システムが開示されている。第１の生成装置は生成効率が電力変動の影響を受けやすいため、燃料製造システムは、発電された電力のうち変動せずに安定した電力（定常電力）を第１の装置に供給し、残りの変動する電力（変動電力）を第２の装置に供給する電力分配制御を行っている。
特許文献１に係る太陽光発電システムは、発電された電力のうち、水素の製造に用いられなかった余剰電力を蓄電池に蓄電し、発電された電力が、水素の製造に必要な電力に満たない場合には、不足分の電力を蓄電池から供給することで電力の有効利用を図ろうとしている。しかし、蓄電池には自然放電等による電力損失が存在するため、特許文献１に係る太陽光発電システムでは、蓄電池に蓄電した余剰電力未満の電力しか再利用することができない。
一方、特許文献２に係る燃料製造システムは、装置の特性にあわせて供給する電力を選択し、電力の有効利用を図ろうとしている。しかし、第２の装置に変動電力を供給することから、第２の装置に定常電力を供給した場合と比較して水素の生成効率が低下することになる。
したがって、本発明は、電解システムに供給される電力が変動する場合であっても、電気分解による生成物の生成効率を維持しながら、システム全体における電力の利用効率を向上させることができる電解システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電解システムは、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の最大発電電力未満となる電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、前記発電装置で発電された発電電力のうち、前記電解装置が電気分解を行う際に消費する電力を優先的に前記電解装置へ供給し、前記電解装置で消費される電力を上回る余剰電力を、前記化合物の電気分解によって生成される生成物の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために用いられる外部機器に供給する電力分配装置と、を備える。
また、本発明の電解システムは、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の発電電力のうち、前記発電装置の最大発電電力未満の電力を消費して化合物の電気分解を行う電解装置に優先的に電力を供給し、前記電解装置で消費される電力を上回る余剰電力を、前記化合物の電気分解によって前記電解装置で生成される生成物の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために用いられる外部機器に供給する。
本発明の電解システムによれば、電解システムに供給される電力が変動する場合であっても、電気分解による生成物の生成効率を維持しながら、電解システム全体における電力の利用効率を向上させることができる、という効果を有する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、機能が同じ働きを担う部材及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を省略する。
図１は、水を電気分解して水素を製造する電解システム１の構成例を示す図である。
図１に示すように、電解システム１は、発電装置１０、電力分配装置２０、電解装置３０、昇圧装置４０、酸素貯蔵装置５０及び水素貯蔵装置６０を含む。
発電装置１０は、太陽光、風力及び地熱といった再生可能エネルギーを用いて発電した電力を電力分配装置２０に供給する。
電力分配装置２０は、発電装置１０から供給された電力を電解装置３０に供給する電力と、昇圧装置４０に供給する電力とに分配する。
電解装置３０は、正極電極及び負極電極を含み、電力分配装置２０から供給された電力を入力電力として用いて、正極電極及び負極電極に電圧を印加することで、化合物を電気分解する。この場合、正極電極では酸化反応が引き起こされ、負極電極では還元反応が引き起こされる。
化合物の一例である水を例にして、電気分解について説明する。電解装置３０に水（Ｈ２Ｏ）が供給され、正極電極及び負極電極に電圧が印加されることで、２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２の化学反応が発生し、正極電極に酸素（Ｏ２）、負極電極に水素（Ｈ２）が生成される。
なお、電解装置３０に純水が供給される場合、純水は電気を通しにくいため、電気伝導性を高める目的で水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等が加えられることがある。水酸化ナトリウムが加えられると純水は２Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋２ＯＨ−で表されるように、水素イオンＨ＋と水酸化物イオンＯＨ−に分離しやすくなる。
この状態で正極電極及び負極電極に電圧が印加されると、負極電極では水素イオンに電子ｅ−が与えられる還元反応（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）が起こり、水素が生成される。また、正極電極では水酸化物イオンから電子が奪われる酸化反応（２ＯＨ−→Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２＋２ｅ−）が起こり、酸素と水が生成される。
電解装置３０は、負極電極に発生した水素を収集し、収集した水素を例えばパイプライン等の輸送管を通じて昇圧装置４０に送出する。また、電解装置３０は、正極電極に発生した酸素を収集し、収集した酸素を、水素を輸送する輸送管とは異なる輸送管を通じて昇圧装置４０に送出する。
昇圧装置４０は、電解装置３０で生成された水素及び酸素の各々に対して圧力を加える圧縮機である。圧力が加えられた水素（圧縮水素）は、圧縮していない水素に比べて容量が減少するため、圧縮水素を用いた場合、圧縮していない水素と比較して、同じ貯蔵空間により多くの水素を貯蔵することができる。また、輸送管を通じて水素を輸送する際、輸送管内に圧力をかけて水素を送り出すポンプを用いるが、輸送管で圧縮水素を輸送する場合、圧縮していない水素を輸送する場合と比較して、単位時間あたりに輸送できる水素の量が増加することになる。昇圧装置４０で圧力が加えられた酸素（圧縮酸素）についても、圧縮水素と同様の効果が得られることは言うまでもない。
図１に示す昇圧装置４０は、１台の昇圧装置４０で水素及び酸素に圧力を加えているが、水素と酸素でそれぞれ異なる昇圧装置４０を設置してもよい。
なお、昇圧装置４０で圧縮された圧縮水素及び圧縮酸素の状態は、気体であっても液体であってもよい。昇圧装置４０は電解装置３０と異なり、電解システム１における生成物（この場合、水素及び酸素）の生成と直接関係しない機器である。
酸素貯蔵装置５０は、昇圧装置４０で圧力が加えられた圧縮酸素を貯蔵する。また、水素貯蔵装置６０は、昇圧装置４０で圧力が加えられた圧縮水素を貯蔵する。
電解装置３０が一定量の水の電気分解を継続して安定的に行う際に消費する消費電力は、例えば電解装置３０の定格電力として表されるが、電解システム１では、発電装置１０で発電可能な最大発電電力より低い定格電力を有する電解装置３０が用いられる。具体的には、例えば年間を通じた発電装置１０の最低発電電力と一致する定格電力を有する電解装置３０を用いればよい。
なお、電解装置３０の定格電力が発電装置１０の最低発電電力と「一致する」とは、例えば電解装置３０の定格電力が、発電装置１０の最低発電電力の上下３％の範囲内に含まれるというように、電解装置３０の定格電力と発電装置１０の最低発電電力が同じであるとみなすことができる予め定めた範囲内に含まれる場合も該当する。
以降では、発電装置１０の発電電力が、電解装置３０の定格電力未満に低下しないものとして説明を行う。
なお、上記では水を電気分解して水素を生成する電解システム１について説明したが、電解システム１において、電気分解の対象となる化合物及び製造する物質に制約はない。例えば電解装置３０で二酸化炭素ガスを電気分解して一酸化炭素ガスを製造する電解システム１であってもよい。
また、電解システム１に、必ずしも発電装置１０、酸素貯蔵装置５０及び水素貯蔵装置６０は必要なく、電解システム１に含まれない外部の発電装置１０、酸素貯蔵装置５０及び水素貯蔵装置６０を用いてもよい。
図２は、電力分配装置２０の電気系統の要部構成例を示すブロック図である。図２に示すように、電力分配装置２０の制御には、例えばコンピュータ７０が適用される。
コンピュータ７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）７０Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ及びＩ／Ｏ７０Ｅを備える。そして、ＣＰＵ７０Ａ、ＲＯＭ７０Ｂ、ＲＡＭ７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ及びＩ／Ｏ７０Ｅが、バス７０Ｆを介して互いに接続されている。ＣＰＵ７０Ａは、ＲＯＭ７０Ｂからプログラムを読み出し、ＲＡＭ７０Ｃをワークエリアとしてプログラムを実行する。なお、不揮発性メモリ７０Ｄは、電力分配装置２０の電源をオフにしてもデータ内容が保持されるメモリであり、プログラムで使用するパラメータ等が記憶される。
Ｉ／Ｏ７０Ｅには、電圧計５２及び電流計５４が接続され、ＣＰＵ７０Ａの制御に従って、発電装置１０での発電電力を受電する電力分配装置２０の入力端における電圧値及び電流値をそれぞれ計測する。
また、Ｉ／Ｏ７０Ｅには報知装置５６が接続される。報知装置５６は、発電装置１０で発電された電力の分配に関する情報を電解システム１の保守員等に報知する装置であり、例えば液晶ディスプレイ、スピーカー、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の部材を含む。
なお、Ｉ／Ｏ７０Ｅに接続される装置等はこれらに限られない。例えば、Ｉ／Ｏ７０Ｅに、インターネット等の通信回線に接続された通信装置を接続してもよい。この場合、通信回線に接続されたコンピュータ等の情報機器との間でデータの送受信が可能となる。また、電圧計５２及び電流計５４の代わりに電力計を接続してもよく、報知装置５６は必ずしも電力分配装置２０に必須ではない。
次に、電力分配装置２０で実行される電力分配処理の作用について説明する。
図３は、電力分配装置２０で実行される電力分配処理の流れの一例を示すフローチャートである。電力分配処理を規定する電力分配プログラムはＲＯＭ７０Ｂに予め記憶されており、例えば電力分配装置２０の電源がオンされた場合に、ＣＰＵ７０Ａが電力分配プログラムをＲＯＭ７０Ｂから読み出して実行する。
まず、ステップＳ１０において、ＣＰＵ７０Ａは、発電装置１０での発電電力を受電する電力分配装置２０の入力端における電圧を電圧計５２で計測すると共に、当該入力端における電流を電流計５４で計測し、取得した電圧値及び電流値から発電装置１０で発電された発電電力の大きさを算出する。
ステップＳ２０において、ＣＰＵ７０Ａは、ステップＳ１０で算出した発電電力から電解装置３０の定格電力を差し引いた差分を算出する。なお、電解装置３０の定格電力は、例えば不揮発性メモリ７０Ｄに予め記憶しておけばよい。
ステップＳ３０において、ＣＰＵ７０Ａは、ステップＳ２０で算出した差分が０より大きいか否かを判定する。差分が０より大きい場合、すなわち、発電装置１０の発電電力が電解装置３０の定格電力より大きい場合は、ステップＳ４０に移行する。
この場合、差分に相当する電力は、電解装置３０で消費しきれない余剰電力を表していることから、ステップＳ４０において、ＣＰＵ７０Ａは、発電装置１０の発電電力のうち、ステップＳ２０で算出した差分に相当する電力を分配して昇圧装置４０に供給する。昇圧装置４０に供給される余剰電力が昇圧装置４０を駆動する電力として不足する場合には、発電装置１０の発電電力とは異なる電力系統から不足分の電力を受電して、昇圧装置４０に供給すればよい。
一方、ステップＳ３０の判定処理で、ステップＳ２０で算出した差分が０である場合、すなわち、発電装置１０の発電電力が電解装置３０の定格電力と同じ場合には、昇圧装置４０に供給する余剰電力がないため、ステップＳ４０の処理を実行せずにステップＳ５０に移行する。
ステップＳ５０において、ＣＰＵ７０Ａは、発電装置１０の発電電力のうち、電解装置３０の定格電力に相当する電力を電解装置３０に供給する。
発電装置１０は再生可能エネルギーを用いて発電するため、発電装置１０の発電電力は変動する。しかしながら、電力分配装置２０は、発電装置１０の発電電力から電解装置３０の定格電力分に相当する電力を優先的に電解装置３０に供給し、残りの余剰電力を昇圧装置４０に供給する。電解装置３０の定格電力は固定値であることから、電解装置３０には一定の値を有する電力が供給されることなる。電解装置３０における水素の生成効率は供給電力の変動の影響を受けるが、電解装置３０には継続して予め定めた値を有する定格電力が供給されることから、水素の生成効率の変動が抑制される。
水素の生成効率は、単位電力あたりの水素の生成量によって表されるが、電解装置３０は、定格電力で運転した場合に最も効率よく水素を生成することができるように設計されている場合が多い。したがって、電解装置３０に継続して定格電力が供給されることで、電解装置３０は最高効率で水素を生成することができる。
一方、時間と共に大きさが変動する余剰電力は、電解装置３０を駆動する電力ではなく昇圧装置４０を駆動する電力として用いられることから、電解装置３０における水素の生成効率に影響を与えることはない。また、電解装置３０で生成した水素を輸送及び貯蔵する場合、昇圧装置４０で昇圧を行うことは貯蔵効率及び輸送効率の面からみて必須工程である。したがって、発電装置１０の発電電力とは異なる系統からの電力で昇圧装置４０を駆動する場合と比較して、電解装置３０による水素の生成効率を維持しながら、発電電力の利用効率を向上させることができる。なお、同様の効果は、電解装置３０で生成される酸素についても言及できることは言うまでもない。
ステップＳ６０において、ＣＰＵ７０Ａは、電力分配処理の終了を指示する終了指示を受け付けたか否かを判定する。
終了指示を受け付けていない場合、電力分配装置２０は引き続き発電電力の分配を行うことから、ステップＳ１０に移行する。そして、上述したステップＳ１０以降の処理を繰り返し実行することで、電解装置３０が運転している間、電解装置３０に定格電力を供給すると共に、発電装置１０の発電電力のうち、定格電力を超えた余剰電力を昇圧装置４０に供給する。
一方、ステップＳ６０の判定処理において終了指示を受け付けた場合には、図３に示した電力分配処理を終了する。
なお、電力分配装置２０が、通信回線を通じて遠隔地に設置されたコンピュータ（遠隔地コンピュータ）に接続される場合、遠隔地コンピュータを図２に示したコンピュータ７０として使用し、電力分配処理を実行してもよい。すなわち、電力分配装置２０は、電圧計５２及び電流計５４で測定した測定結果を遠隔地コンピュータに送信し、電力分配処理を実行した遠隔地コンピュータの指示に従って、指定された電力を昇圧装置４０に供給するようにしてもよい。
発電装置１０の発電電力のうち、電解装置３０の定格電力を超えた余剰電力の供給先は昇圧装置４０に限られない。例えば輸送管における水素又は酸素の流量を制御する図示しないポンプに余剰電力を供給してもよい。その他、電力分配装置２０は、水素及び酸素の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために必須となる外部機器に余剰電力を供給してもよい。昇圧装置４０及び図示しないポンプは、電解システム１における生成物（この場合、水素及び酸素）の生成とは直接関係しないが、生成物の輸送及び貯蔵を行うために必須となる外部機器の一例である。
このように電解システム１では、電解装置３０で消費されない余剰電力を蓄電池等の蓄電装置に蓄電することなく、水素及び酸素の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために必須となる外部機器に供給する。したがって、蓄電装置における電力損失が発生しないことから、発電装置１０で発電された電力を無駄なく利用することができる。
しかも、発電装置１０で発電される電力が変動する場合であっても、電解装置３０には定格電力が継続して供給されるため、水素の生成効率の変動が抑制されることになる。
以上、実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、図３に示した電力分配処理をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウエアで実現するようにしてもよい。この場合、ソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
また、実施の形態では、電力分配プログラムがＲＯＭ７０Ｂにインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る電力分配プログラムを、コンピュータ読取可能な記憶媒体に記録した形態で提供してもよい。例えば、本発明に係る電力分配プログラムを、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ及びＤＶＤ(Digital Versatile Disc)−ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態、若しくはＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ及びメモリカード等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、Ｉ／Ｏ７０Ｅに図示しない通信装置が接続される場合、本発明に係る電力分配プログラムを、通信装置に接続された通信回線を介して情報機器から取得するようにしてもよい。
１ 電解システム
１０ 発電装置
２０ 電力分配装置
３０ 電解装置
４０ 昇圧装置
５０ 酸素貯蔵装置
５２ 電圧計
５４ 電流計
５６ 報知装置
６０ 水素貯蔵装置
７０ コンピュータ
７０Ａ ＣＰＵ
１０ 発電装置
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Claims (3)
- 再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の最大発電電力未満となる電力を用いて化合物の電気分解を行う電解装置と、
前記発電装置で発電された発電電力のうち、前記電解装置が電気分解を行う際に消費する電力を優先的に前記電解装置へ供給し、前記電解装置で消費される電力を上回る余剰電力を、前記化合物の電気分解によって生成される生成物の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために用いられる外部機器に供給する電力分配装置と、
を備えた電解システム。 - 前記生成物は水素であり、
前記電力分配装置は、前記余剰電力を前記電解装置で生成された水素を昇圧する圧縮機に供給する
請求項１記載の電解システム。 - 再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の発電電力のうち、前記発電装置の最大発電電力未満の電力を消費して化合物の電気分解を行う電解装置に優先的に電力を供給し、前記電解装置で消費される電力を上回る余剰電力を、前記化合物の電気分解によって前記電解装置で生成される生成物の輸送及び貯蔵の少なくとも一方を行うために用いられる外部機器に供給する
電解システムの電力制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017143386A JP2019026858A (ja) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 電解システム、及び電解システムの電力制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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