JP2021188625A - 水素利用方法及び水素利用システム - Google Patents
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Abstract
【課題】貯蔵設備のハードルを下げつつ貯蔵効率を向上することができ、水素利用の効率化を図ることができる、水素利用方法及び水素利用システムを提供する。【解決手段】水素利用システム１は、水素をエネルギー源として利用する水素利用システムであって、常温・常圧で固体の水素化合物（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）を生成する水素化装置２と、水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化装置３と、水素化合物を収容可能に構成された第一船舶４ａと、脱水素化により生成された脱水素化合物（例えば、メタホウ酸ナトリウム）を収容可能に構成された第二船舶４ｂと、を備えている。【選択図】図１
Description
本発明は、水素利用方法及び水素利用システムに関し、特に、水素利用の効率化を図るための水素利用方法及び水素利用システムに関する。
水素は、エネルギー源として利用した際に二酸化炭素を放出しないことから、石油等の化石燃料に代わる次世代エネルギーとして注目されている。エネルギー源としての水素利用が拡大するに連れ、水素を効率的に輸送したいというニーズが高まることとなる。水素は、一般に、体積あたりのエネルギー密度が低いことから、どのようにエネルギー密度を高め、それを維持するかが重要な問題となる。
例えば、特許文献１には、水素を水素吸蔵合金に固定して輸送する方法が開示されている。また、特許文献２には、水素を液化して輸送する方法が開示されている。また、特許文献３には、トルエンやアルキルベンゾキノン等の有機物に化合させて有機ハイドライドの形態で輸送する方法が開示されている。
しかしながら、水素吸蔵合金を用いた場合には、水素吸蔵合金そのものが重たいため重量あたりの水素貯蔵量が低いという問題がある。また、液化水素を用いた場合には、−２５３℃という極低温で貯蔵しなければならず貯蔵設備のハードルが高いという問題がある。また、有機ハイドライドを用いた場合には、容積を水素ガスに対して約１／６００に減らすことができるものの、対気体容積比をより小さくしたいという要求がある。
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、貯蔵設備のハードルを下げつつ貯蔵効率を向上することができ、水素利用の効率化を図ることができる、水素利用方法及び水素利用システムを提供することを目的とする。
本発明によれば、水素をエネルギー源として利用する水素利用方法であって、常温・常圧で固体の水素化合物を生成する水素化工程と、前記水素化合物を第一船舶で移動させる第一移動工程と、前記水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化工程と、前記脱水素化により生成された脱水素化合物を第二船舶で移動させる第二移動工程と、を含むことを特徴とする水素利用方法が提供される。
前記水素化工程は、陸上で処理されてもよいし、前記第一船舶上で処理されてもよい。
前記脱水素化工程は、陸上で処理されてもよいし、前記第二船舶上で処理されてもよい。
前記脱水素化工程により生成された水素を前記第一船舶及び前記第二船舶の燃料として利用してもよい。
また、本発明によれば、水素をエネルギー源として利用する水素利用システムであって、常温・常圧で固体の水素化合物を生成する水素化装置と、前記水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化装置と、前記水素化合物を収容可能に構成された第一船舶と、前記脱水素化により生成された脱水素化合物を収容可能に構成された第二船舶と、を含むことを特徴とする水素利用システムが提供される。
前記水素化装置は、陸上に配置されていてもよいし、前記第一船舶に配置されていてもよい。
前記脱水素化装置は、陸上に配置されていてもよいし、前記第二船舶に配置されていてもよい。
前記第一船舶及び前記第二船舶は、前記脱水素化装置により生成された水素を燃料として利用可能に構成されていてもよい。
上述した水素利用方法及び水素利用システムにおいて、前記水素化合物は、例えば、Ｃａ以下の原子量を持つ軽元素と水素を主成分とする物質である。
また、上述した水素利用方法及び水素利用システムにおいて、前記水素化合物は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）であり、前記脱水素化合物は、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）であってもよい。
また、上述した水素利用方法及び水素利用システムにおいて、前記第一船舶と前記第二船舶とは同一の船舶であってもよい。
上述した本発明に係る水素利用方法及び水素利用システムによれば、水素を常温・常圧で固体の水素化合物の形態で船舶に搭載するようにしたことにより、貯蔵設備のハードルを下げつつ貯蔵効率を向上することができ、水素利用の効率化を図ることができる。
以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る水素利用方法及び水素利用システムを示す全体構成図である。
本発明の第一実施形態に係る水素利用システム１は、図１に示したように、Ｈ２（水素）をエネルギー源として利用する水素利用システムであって、常温・常圧で固体の水素化合物を生成する水素化装置２と、水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化装置３と、水素化合物を収容可能に構成された第一船舶４ａと、脱水素化により生成された脱水素化合物を収容可能に構成された第二船舶４ｂと、を備えている。
常温・常圧で固体の水素化合物は、例えば、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）である。ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）は、常温・常圧で粉状の固体である。なお、本明細書において、「常温」とは、例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）やＩＳＯ（国際標準化機構）等に規定された標準状態の温度であり、具体的には２０℃±１５℃（５〜３５℃）の範囲の温度を意味する。また、本明細書において、「常圧」とは、例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）やＩＳＯ（国際標準化機構）等に規定された標準状態の気圧であり、具体的には８６ｋＰａ以上１０６ｋＰａ以下の気圧を意味する。
ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）は、以下の化学反応式（化１）に記載したように、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）にＨ２（水素）を加えることにより生成することができる。
この化学反応は可逆反応であり、水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）にＨ２Ｏ（水）を加えることにより、Ｈ２（水素）が分離され、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）が生成される。
本明細書において、水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を生成する方向の処理を「水素化」と称し、水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）からＨ２（水素）を分離する方向の処理を「脱水素化」と称している。
また、本明細書において、水素化により生成されたＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を「水素化合物」と称し、脱水素化により生成されたＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を「脱水素化合物」と称している。
なお、水素化合物は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）に限定されるものではなく、例えば、Ｃａ以下の原子量を持つ軽元素と水素を主成分とする物質であってもよい。
ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）と同様の性質を有する水素化合物には、例えば、ＬｉＨ（水素化リチウム）、ＮａＨ（水素化ナトリウム）、ＭｇＨ２（水素化マグネシウム）、ＬｉＡｌＨ４（水素化アルミニウムリチウム）、ＬｉＮＨ２（リチウムアミド）、Ｌｉ２ＮＨ（リチウムイミド）、Ｃａ（ＢＨ４）２（水素化ホウ素カルシウム）、ＬｉＢＨ４（水素化ホウ素リチウム）、ＮＨ３ＢＨ３（アンモニアボラン）等が知られている。なお、これらの水素化合物が常温・常圧で固体であるか否かは、例えば、国際化学物質安全性カード（International Chemical Safety Cards: ICSC）等で確認することができる。
水素化装置２は、水素生産地の陸上に配置される。水素化装置２を港に配置した場合には、第一船舶４ａにＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を直接的に積載することができる。なお、水素化装置２を港から離れた場所に配置し、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を港まで輸送して第一船舶４ａに積載するようにしてもよい。
水素化装置２は、例えば、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）の脱水素化により生成されたＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）にＨ２（水素）を加えてＮａ（ナトリウム）を水素化する装置である。
水素化装置２に供給されるＨ２（水素）は、例えば、化石燃料の改質、水の電気分解、工場等から排出される副生ガスの精製、バイオマス設備で発生したメタノールやメタンガスの改質等、種々の方法によって製造される。どの製造方法を使用するか否かは、水素生産地の特性に応じて選択される。
脱水素化装置３は、水素消費地の陸上に配置される。脱水素化装置３を港に配置した場合には、第一船舶４ａから脱水素化装置３にＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を直接的に供給することができる。また、第一船舶４ａからＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を受け取って一時的に保管する貯蔵設備を港に配置してもよい。なお、脱水素化装置３を港から離れた場所に配置し、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を脱水素化装置３が配置された場所まで輸送するようにしてもよい。
脱水素化装置３は、第一船舶４ａにより輸送されたＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を脱水素化することによりＨ２（水素）を生成する装置である。脱水素化装置３により生成されたＨ２（水素）は、図示しない貯蔵設備又は陸上輸送設備に供給され、最終的に水素消費地においてエネルギー源として利用される。
また、脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）は、第二船舶４ｂに積載され、水素生産地に輸送される。第二船舶４ｂは、第一船舶４ａと同一の船舶であってもよいし、異なる船舶であってもよい。例えば、第一船舶４ａと第二船舶４ｂとが同一の船舶である場合には、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を輸送してきた船舶にＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を積載することができ、輸送効率の向上を図ることができる。
第一船舶４ａは、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を貯蔵可能な貯蔵タンク、貯蔵庫、貯蔵区画等の貯蔵設備４１を備えている。また、第二船舶４ｂは、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を貯蔵可能な貯蔵タンク、貯蔵庫、貯蔵区画等の貯蔵設備４１を備えている。また、貯蔵設備４１は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）及びＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）の両方を貯蔵することができるように構成してもよい。貯蔵設備４１の共有化を図ることにより、輸送効率の向上を図ることができる。
Ｈ２（水素）をＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）に水素化することにより、容積を水素ガスに対して約１／１３００まで減らすことができる。有機ハイドライドの対気体容積比は約１／６００であることから、本実施形態によれば、対気体容積比を有機ハイドライドの半分以下に減らすことができ、貯蔵効率を向上することができる。
また、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）と同様に常温・常圧で粉状の固体である。したがって、本実施形態によれば、液化水素や水素吸蔵合金と比較して、貯蔵設備４１のハードルを下げることができる。
また、水素化合物としてＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を使用した場合には、水素化時に加えられるＨ２Ｏ（水）からもＨ２（水素）を生成することができ、生成されるＨ２（水素）を倍増することができ、Ｈ２（水素）の生成効率及び輸送効率の更なる向上を図ることができる。
上述したように、図１に示した第一実施形態に係る水素利用システム１は、常温・常圧で固体の水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を水素生産地の陸上で生成する水素化工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を第一船舶４ａで水素消費地まで移動させる第一移動工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を水素消費地の陸上で脱水素化してＨ２（水素）を生成する脱水素化工程と、脱水素化により生成された脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を第二船舶４ｂで水素生産地まで移動させる第二移動工程と、を含む水素利用方法を実現するものである。
次に、本発明の第二実施形態に係る水素利用システム１について、図２を参照しつつ説明する。ここで、図２は、本発明の第二実施形態に係る水素利用方法及び水素利用システムを示す全体構成図である。なお、上述した第一実施形態と実質的に同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
図２に示した第二実施形態に係る水素利用システム１は、水素化装置２及び脱水素化装置３を第一船舶４ａ及び第二船舶４ｂに配置したものである。ここでは、第一船舶４ａと第二船舶４ｂとが同一の船舶である場合を想定している。
水素生産地の港には、例えば、水素貯蔵設備５ａが配置され、水素消費地の港には、例えば、水素貯蔵設備５ｂが配置される。本実施形態では、水素生産地の港において、水素貯蔵設備５ａから第一船舶４ａにＨ２（水素）を積載し、水素消費地の港において、第一船舶４ａから水素貯蔵設備５ｂにＨ２（水素）を供給するように構成されている。
また、第一船舶４ａをそのまま第二船舶４ｂとして使用することにより、水素化合物及び脱水素化合物の船舶への積み降ろし作業を省略することができ、作業効率の向上を図ることができる。
本実施形態によれば、水素生産地に水素化装置２を建造したり、水素消費地に脱水素化装置３を建造したりする必要がなく、水素化装置２及び脱水素化装置３を備えた船舶を製造するだけで水素化及び脱水素化の処理を船上で処理することができる。
図２に示した第二実施形態に係る水素利用システム１は、常温・常圧で固体の水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を第一船舶４ａ上で生成する水素化工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を第一船舶４ａで水素消費地まで移動させる第一移動工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を第一船舶４ａ上で脱水素化してＨ２（水素）を生成する脱水素化工程と、脱水素化により生成された脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を第二船舶４ｂで水素生産地まで移動させる第二移動工程と、を含む水素利用方法を実現するものである。
なお、本実施形態では、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）は第二船舶４ｂに搭載したまま再利用することもできるが、精製等の処理が必要な場合には、水素生産地で陸揚げして精製等の処理を行うようにしてもよい。
また、本実施形態では、第一船舶４ａ（第二船舶４ｂ）に水素化装置２及び脱水素化装置３の両方を配置した場合について説明しているが、水素化装置２又は脱水素化装置３の何れか一方のみを第一船舶４ａ（第二船舶４ｂ）に配置するようにしてもよい。
例えば、第一船舶４ａ（第二船舶４ｂ）に水素化装置２のみを配置した場合、水素生産地では第二実施形態と同じ処理を行い、水素消費地では第一実施形態と同じ処理を行うようにすればよい。また、第一船舶４ａ（第二船舶４ｂ）に脱水素化装置３のみを配置した場合、水素生産地では第一実施形態と同じ処理を行い、水素消費地では第二実施形態と同じ処理を行うようにすればよい。
次に、本発明の第三実施形態に係る水素利用システム１について、図３を参照しつつ説明する。ここで、図３は、本発明の第三実施形態に係る水素利用方法及び水素利用システムを示す全体構成図である。なお、上述した第一実施形態及び第二実施形態と実質的に同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
図３に示した第三実施形態に係る水素利用システム１は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を船舶４ｃ上で脱水素化し、生成されたＨ２（水素）を船舶４ｃの推進装置６のエネルギー源として利用したものである。推進装置６は、例えば、燃料電池等の発電手段を備えた電動推進器であってもよいし、水素燃焼機関を備えた推進器であってもよい。
本実施形態では、水素生産地の陸上に水素化装置２が配置され、船舶４ｃ上に脱水素化装置３が配置されている。したがって、本実施形態では、陸上で水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を生成し、船舶４ｃの貯蔵設備４１にＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）が供給される。なお、本実施形態における船舶４ｃは、概念的には、出港から航路の中間地点までを第一船舶４ａと定義し、航路の中間地点から目的地までを第二船舶４ｂと定義することができる。
本実施形態では、船舶４ｃ上において、水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）と脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）とが混在していることから、貯蔵設備４１は、水素化合物と脱水素化合物とを個別に貯蔵可能に構成されていてもよい。また、水素化合物と脱水素化合物とは、Ｈ２（水素）の生成量を制御することができれば、混在した状態のまま貯蔵設備４１に貯蔵するようにしてもよい。
なお、船舶４ｃが十分に大きく、大量のＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を貯蔵しつつＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）も貯蔵することができる余力がある場合には、船舶４ｃを水素輸送船として利用することもできる。
すなわち、船舶４ｃに貯蔵したＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）の一部を脱水素化しながら船舶４ｃを航行し、水素消費地で所定量のＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を脱水素化してＨ２（水素）を供給し、帰路のために残したＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を脱水素化しながら船舶４ｃを航行させるようにしてもよい。
図３に示した第三実施形態に係る水素利用システム１は、常温・常圧で固体の水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を水素生産地の陸上で生成する水素化工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を搭載した状態で船舶４ｃを移動させる第一移動工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を船舶４ｃ上で脱水素化してＨ２（水素）を生成する脱水素化工程と、脱水素化により生成されたＨ２（水素）を船舶４ｃの燃料として利用する利用工程と、脱水素化により生成された脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を搭載した状態で船舶４ｃを水素生産地まで移動させる第二移動工程と、を含む水素利用方法を実現するものである。
次に、本発明の第四実施形態に係る水素利用システム１について、図４を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の第四実施形態に係る水素利用方法及び水素利用システムを示す全体構成図である。なお、上述した第一実施形態〜第三実施形態と実質的に同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
図４に示した第四実施形態に係る水素利用システム１は、図３に示した第三実施形態における船舶４ｃに水素化装置２も配置するようにしたものである。このとき、水素生産地の陸上には、水素を貯蔵する水素貯蔵設備５ａが配置される。
かかる構成によっても、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を船舶４ｃ上で脱水素化し、生成されたＨ２（水素）を船舶４ｃの推進装置６のエネルギー源として利用することができる。
図４に示した第四実施形態に係る水素利用システム１は、常温・常圧で固体の水素化合物であるＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を船舶４ｃ上で生成する水素化工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を搭載した状態で船舶４ｃを移動させる第一移動工程と、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）を船舶４ｃ上で脱水素化してＨ２（水素）を生成する脱水素化工程と、脱水素化により生成されたＨ２（水素）を船舶４ｃの燃料として利用する利用工程と、脱水素化により生成された脱水素化合物であるＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）を搭載した状態で船舶４ｃを水素生産地まで移動させる第二移動工程と、を含む水素利用方法を実現するものである。
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
１ 水素利用システム
２ 水素化装置
３ 脱水素化装置
４ａ 第一船舶
４ｂ 第二船舶
４ｃ 船舶
５ａ，５ｂ 水素貯蔵設備
６ 推進装置
４１ 貯蔵設備
２ 水素化装置
３ 脱水素化装置
４ａ 第一船舶
４ｂ 第二船舶
４ｃ 船舶
５ａ，５ｂ 水素貯蔵設備
６ 推進装置
４１ 貯蔵設備
Claims (14)
- 水素をエネルギー源として利用する水素利用方法であって、
常温・常圧で固体の水素化合物を生成する水素化工程と、
前記水素化合物を第一船舶で移動させる第一移動工程と、
前記水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化工程と、
前記脱水素化により生成された脱水素化合物を第二船舶で移動させる第二移動工程と、
を含むことを特徴とする水素利用方法。 - 前記水素化工程は、陸上又は前記第一船舶上で処理される、請求項１に記載の水素利用方法。
- 前記脱水素化工程は、陸上又は前記第二船舶上で処理される、請求項１に記載の水素利用方法。
- 前記脱水素化工程により生成された水素を前記第一船舶又は前記第二船舶の燃料として利用する、請求項１に記載の水素利用方法。
- 前記水素化合物は、Ｃａ以下の原子量を持つ軽元素と水素を主成分とする物質である、請求項１に記載の水素利用方法。
- 前記水素化合物は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）であり、前記脱水素化合物は、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）である、請求項１に記載の水素利用方法。
- 前記第一船舶と前記第二船舶とは同一の船舶である、請求項１に記載の水素利用方法。
- 水素をエネルギー源として利用する水素利用システムであって、
常温・常圧で固体の水素化合物を生成する水素化装置と、
前記水素化合物を脱水素化して水素を生成する脱水素化装置と、
前記水素化合物を収容可能に構成された第一船舶と、
前記脱水素化により生成された脱水素化合物を収容可能に構成された第二船舶と、
を含むことを特徴とする水素利用システム。 - 前記水素化装置は、陸上又は前記第一船舶に配置されている、請求項８に記載の水素利用システム。
- 前記脱水素化装置は、陸上又は前記第二船舶に配置されている、請求項８に記載の水素利用システム。
- 前記第一船舶又は前記第二船舶は、前記脱水素化装置により生成された水素を燃料として利用可能に構成されている、請求項８に記載の水素利用システム。
- 前記水素化合物は、Ｃａ以下の原子量を持つ軽元素と水素を主成分とする物質である、請求項８に記載の水素利用システム。
- 前記水素化合物は、ＮａＢＨ４（水素化ホウ素ナトリウム）であり、前記脱水素化合物は、ＮａＢＯ２（メタホウ酸ナトリウム）である、請求項８に記載の水素利用システム。
- 前記第一船舶と前記第二船舶とは同一の船舶である、請求項８に記載の水素利用システム。
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