JP2022068715A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料などの化学物質の製造を行う際に、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を効率的に実現可能な発電システムを提供する。【解決手段】実施形態の発電システムは、発電を行う発電部１００と、化学物質を製造する化学物質製造部２００とを備える。発電部は、燃焼器１６０と、燃焼器から供給される超臨界のＣＯ２を含む媒体によって駆動するＣＯ２タービン１１０と、ＣＯ２タービンの駆動によって発電を行う発電機１１１とを含む。化学物質製造部は、ＣＯ２タービンから排気された媒体を原料ガスとして用いて、化学物質を製造する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発電システムに関する。

超臨界ＣＯ_２タービン発電設備は、超臨界のＣＯ_２が燃焼器からＣＯ_２タービンに作動媒体として導入されることによって発電が行われる発電設備であって、ＣＯ_２の排出を低減可能な発電システムとして高い期待が寄せられている。超臨界ＣＯ_２タービン発電設備においてＣＯ_２タービンから排出される媒体は、高温かつ高濃縮状態であって、原油の増進回収（ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ））等に利用されている。

カーボンリサイクルの有効性を高めるために、ＣＯ_２から炭化水素系燃料や化学合成品（たとえば、ＣＨ_４）などの化学物質を製造する方法が知られている。

特許６６２９８４３号 特許６５９７６８７号 特許６４４８７７０号 特開２０１９－１０８２３８号公報 ＷＯ２０１９／２１５９２５

しかしながら、ＣＯ_２から燃料などの化学物質を製造する方法では、通常、低濃度のＣＯ_２を原料として用いている。このため、ＣＯ_２を濃縮するためのエネルギーが必要であると共に、反応に多くのエネルギーが必要である。その結果、燃料などの化学物質の製造を行う際には、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を効率的に実現することが困難な場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、燃料などの化学物質の製造を行う際に、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を効率的に実現可能な発電システムを提供することである。

実施形態の発電システムは、発電を行う発電部と、化学物質を製造する化学物質製造部とを備える。発電部は、燃焼器と、燃焼器から供給される超臨界のＣＯ_２を含む媒体によって駆動するＣＯ_２タービンと、ＣＯ_２タービンの駆動によって発電を行う発電機とを含む。化学物質製造部は、ＣＯ_２タービンから排気された媒体を原料ガスとして用いて、化学物質を製造する。

図１は、第１実施形態にかかる発電システムの全体構成について模式的に示す図である。 図２は、第２実施形態にかかる発電システムの全体構成について模式的に示す図である。

＜第１実施形態＞
［Ａ］発電システムの構成
第１実施形態にかかる発電システムについて、図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態の発電システムは、発電部１００と化学物質製造部２００とを備える。

［Ａ－１］発電部１００
発電部１００は、発電を行うために設けられている。ここでは、発電部１００は、ＣＯ_２タービン１１０と発電機１１１と再生熱交換器１２０と冷却器１３０と湿分分離器１４０とＣＯ_２ポンプ１５０と燃焼器１６０とを有し、超臨界ＣＯ_２媒体を作動媒体として用いたセミクローズサイクルを構成する発電システム（ｓＣＯ_２システム）である。

発電部１００のうち、ＣＯ_２タービン１１０は、燃焼器１６０から排出された超臨界状態のＣＯ_２を含む媒体が作動媒体（作動ＣＯ_２媒体）として供給される。そして、ＣＯ_２タービン１１０において、作動媒体が膨張し仕事を行うことによって、ＣＯ_２タービン１１０の回転軸（タービンロータ）が回転する。ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体は、再生熱交換器１２０へ流れる。

発電部１００のうち、発電機１１１は、ＣＯ_２タービン１１０の駆動によって発電を行うように構成されている。ここでは、発電機１１１の回転軸（発電機ロータ）は、ＣＯ_２タービン１１０の回転軸（タービンロータ）に連結されており、ＣＯ_２タービン１１０の回転軸が回転することで、発電機１１１の回転軸が回転し、発電機１１１において発電が行われる。

発電部１００のうち、再生熱交換器１２０では、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体と、ＣＯ_２ポンプ１５０から排出された媒体とが流入し、両者の間において熱交換が行われるように構成されている。ここでは、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体は、ＣＯ_２ポンプ１５０から排出された媒体を加熱する加熱媒体として機能し、ＣＯ_２ポンプ１５０から排出された媒体との間の熱交換が再生熱交換器１２０で行われることによって冷却される。この一方で、ＣＯ_２ポンプ１５０から排出された媒体は、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体を冷却する冷却媒体として機能し、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体との間の熱交換が再生熱交換器１２０で行われることによって加熱される。ＣＯ_２ポンプ１５０から排出された媒体は、再生熱交換器１２０での熱交換によって加熱された後には、燃焼器１６０へ供給される。

発電部１００のうち、冷却器１３０では、ＣＯ_２タービン１１０から排気された後に再生熱交換器１２０で熱交換が行われた媒体が冷却される。これにより、冷却器１３０では、再生熱交換器１２０から排出された媒体に含まれる水蒸気が凝縮される。

発電部１００のうち、湿分分離器１４０では、冷却器１３０から排出された媒体が供給される。湿分分離器１４０においては、その供給された媒体から、冷却器１３０での凝縮によって生じた水（液相水）を分離する。その分離された水は、湿分分離器１４０から外部へ排出される。このため、湿分分離器１４０では、高純度のＣＯ_２を含む媒体が得られる。

発電部１００のうち、ＣＯ_２ポンプ１５０は、高純度のＣＯ_２である媒体が湿分分離器１４０から供給され、その供給された媒体を超臨界圧に昇圧する。ＣＯ_２ポンプ１５０で昇圧された媒体のうち、一部は、外部へ排出され、たとえば、貯留や、石油増進回収などに利用される。ここでは、たとえば、燃焼器１６０における燃焼で増加したＣＯ_２の量に相当するＣＯ_２が外部へ排出される。そして、ＣＯ_２ポンプ１５０で昇圧された媒体のうち、残部は、上述したように、再生熱交換器１２０に供給され、加熱される。

発電部１００において、ＣＯ_２ポンプ１５０から再生熱交換器１２０を通過した媒体は、燃焼器１６０に導かれる。つまり、ＣＯ_２ポンプ１５０で昇圧された媒体が、再生熱交換器１２０において、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体との熱交換によって加熱された後に、燃焼器１６０に流入する。

また、酸素製造装置１６１で空気から製造され圧縮された酸素が燃焼器１６０に供給されるように構成されている。これと共に、天然ガスなどの燃料が燃焼器１６０に供給されるように構成されている。燃焼器１６０では、燃料が酸素と反応して燃焼が生じ、ＣＯ_２とＨ_２Ｏが生成される。

［Ａ－２］化学物質製造部２００
化学物質製造部２００は、化学物質を製造するために設けられている。ここでは、化学物質製造部２００は、第１の化学物質生成部２０１と第２の化学物質生成部２０２とを有する。

化学物質製造部２００において、第１の化学物質生成部２０１は、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏが原料ガスとして導入され、その原料ガスから、少なくともＣＯおよびＨ_２を含む合成ガスや、合成ガスを原料とした炭化水素系合成物を生成するように構成されている。

本実施形態では、第１の化学物質生成部２０１は、Ｈ_２Ｏ（水蒸気）が蒸気供給源（図示省略）から原料ガスとして供給される。これと共に、第１の化学物質生成部２０１は、発電部１００において、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体が、原料ガスとして配管を介して供給される。ここでは、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体であって、再生熱交換器１２０に加熱源として導入される前の媒体が、発電部１００から第１の化学物質生成部２０１に原料ガスとして供給される。ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体は、ＣＯ_２とＨ_２Ｏ（水蒸気）とを含む媒体である。第１の化学物質生成部２０１においては、触媒還元法や電気化学手法による還元反応が生ずることで、ＣＨ_４などの燃料と、少なくともＣＯおよびＨ_２を含む合成ガス、および、酸素（Ｏ_２）が生成される。第１の化学物質生成部２０１は、たとえば、電気化学手法によってＣＯ_２とＨ_２Ｏとの両者を同時に還元するように構成されていることが好ましい。第１の化学物質生成部２０１では、ＣＯおよびＨ_２を含む合成ガスが主生成物として生成され、場合によっては、ＣＯが更に還元されることによって、ＣＨ_４などの燃料が生成される。

また、本実施形態では、第１の化学物質生成部２０１は、発電部１００において発電機１１１が出力する電力が電力線を介して供給される。発電機１１１から供給された電力は、第１の化学物質生成部２０１において化学物質の製造に用いられる。たとえば、第１の化学物質生成部２０１は、原料ガスを電解する電解セル（図示省略）、原料ガスを昇圧するポンプ（図示省略）、原料ガスを加熱するヒータ（図示省略）などの電気機器を含み、第１の化学物質生成部２０１を構成する電気機器が、発電機１１１から供給された電力によって駆動するように構成されている。

この他に、本実施形態では、第１の化学物質生成部２０１は、発電部１００においてＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体が、加熱媒体として供給されるように構成されている。ここでは、ＣＯ_２タービン１１０から排気された後に、ＣＯ_２ポンプ１５０で超臨界圧に昇圧された媒体であって、再生熱交換器１２０の途中において、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体の熱で加熱された媒体が、配管を介して、第１の化学物質生成部２０１に加熱媒体として供給されるように構成されている。発電部１００から第１の化学物質生成部２０１に加熱媒体として供給された媒体は、たとえば、原料ガスを加熱するために用いられる。

化学物質製造部２００において、第２の化学物質生成部２０２は、第１の化学物質生成部２０１で生成された合成ガスが原料ガスとして導入され、その原料ガスから燃料などを製造するように構成されている。

第２の化学物質生成部２０２においては、第１の化学物質生成部２０１と同様に、触媒還元法や電気化学手法による還元反応が生ずることで、燃料およびＯ_２などの化学物質が生成される。第２の化学物質生成部２０２では、ＣＨ_４などの炭化水素化合物を燃料として生成される。その他、第２の化学物質生成部２０２は、ＣＨ_３ＯＨなどを生成するように構成してもよい。

［Ａ－３］制御部３００
発電システムは、上記の他に、制御部３００を備えている。図示を省略しているが、制御部３００は、演算器（図示省略）とメモリ装置（図示省略）とを含み、メモリ装置が記憶しているプログラムを用いて演算器が演算処理を行うように構成されている。制御部３００は、設定された条件で各部の動作を制御することで、発電システムの運用を実行する。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の発電システムにおいて、化学物質製造部２００は、発電部１００のＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体を原料ガスとして用いて化学物質を製造するように構成されている。具体的には、上述したように、化学物質製造部２００においては、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体が第１の化学物質生成部２０１に導入され、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体を第１の化学物質生成部２０１が原料ガスとして用いて化学物質を製造する。ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体は、温度が高く、かつ、ＣＯ_２の濃度が高い。このため、本実施形態では、第１の化学物質生成部２０１に原料ガスとして供給するＣＯ_２について濃縮処理や加熱処理を実施するために必要なエネルギーを低減することができる。したがって、本実施形態では、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を効率的に実現可能である。

特に、本実施形態の発電システムでは、化学物質製造部２００は、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体であって、再生熱交換器１２０に加熱源として導入される前の媒体が、原料ガスとして供給され、化学物質としてＣＨ_４を含む燃料を製造するように構成されている。ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体であって、再生熱交換器１２０に加熱源として導入される前の媒体は、高温状態を保持していると共に、冷却器１３０によって水が分離される前であるので、ＣＯ_２の他にＨ_２Ｏ（水蒸気）を含む。このため、化学物質製造部２００には、高濃度かつ高温のＣＯ_２と高温のＨ_２Ｏを含む媒体が原料ガスとして発電部１００から供給される。その結果、本実施形態では、発電部１００以外の蒸気供給源（図示省略）からＨ_２Ｏ（水蒸気）を化学物質製造部２００に原料ガスとして供給する量を減少可能である。したがって、本実施形態では、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を更に効率的に実現可能である。

また、本実施形態の発電システムでは、化学物質製造部２００は、発電部１００の発電機１１１が出力する電力を用いて、化学物質を製造するように構成されている。具体的には、化学物質製造部２００においては、発電機１１１が出力する電力を用いて、第１の化学物質生成部２０１が化学物質の生成を行う。本実施形態では、化学物質製造部２００と共に発電システムを構成する発電部１００から出力される電力を用いて、第１の化学物質生成部２０１において化学物質の生成が行われるため、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を効率的に実現可能である。

さらに、本実施形態では、化学物質製造部２００は、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体が、加熱媒体として供給されるように構成されている。ここでは、化学物質製造部２００においては、ＣＯ_２タービン１１０から排気された後に、ＣＯ_２ポンプ１５０で超臨界圧に昇圧された媒体であって、再生熱交換器１２０の途中において、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体の熱で加熱された媒体が、第１の化学物質生成部２０１に加熱媒体として供給される。第１の化学物質生成部２０１では、加熱媒体として供給された媒体を用いて、たとえば、原料ガスの加熱が行われる。したがって、本実施形態では、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を更に効率的に実現可能である。

［Ｃ］変形例
上記の実施形態では、発電部１００からＣＯ_２とＨ_２Ｏを含む媒体が化学物質製造部２００に原料ガスとして供給される場合について説明したが、これに限らない。たとえば、化学物質製造部２００に発電部１００から原料ガスとして供給する媒体としてＨ_２Ｏが不足している場合には、冷却器１３０での凝縮によって生じた水（液相水）が湿分分離器１４０において除去された媒体を、化学物質製造部２００に原料ガスとして供給するように、発電システムを構成してもよい。

上記の実施形態では、化学物質製造部２００を構成する第１の化学物質生成部２０１に、発電部１００の発電機１１１が出力する電力が供給される場合について説明したが、これに限らない。必要に応じて、第２の化学物質生成部２０２に発電部１００の発電機１１１が出力する電力を供給するように、発電システムを構成してもよい。

また、実施形態では、再生熱交換器１２０の途中においてＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体の熱で加熱された媒体が、化学物質製造部２００に加熱媒体として供給される場合について説明したが、これに限らない。化学物質製造部２００で化学物質を製造する際に適切な温度に対応する媒体を、発電部１００から加熱媒体として化学物質製造部２００に供給するように、発電システムを構成してもよい。

＜第２実施形態＞
［Ａ］発電システムの構成
第２実施形態にかかる発電システムについて、図２を用いて説明する。

図２に示すように、本実施形態の発電システムでは、化学物質製造部２００において生成された化学物質（燃料，酸素）が燃焼器１６０に供給されるように構成されている。本実施形態は、この点および関連する点を除き、第１実施形態と同様である。このため、重複する事項に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、化学物質製造部２００において第１の化学物質生成部２０１で生成された燃料、および、第２の化学物質生成部２０２で生成された燃料が、配管を介して、燃焼器１６０に供給されるように、発電システムが構成されている。この他に、第１の化学物質生成部２０１で生成された酸素が、配管を介して、燃焼器１６０に供給されるように、発電システムが構成されている。

燃焼器１６０においては、第１の化学物質生成部２０１および第２の化学物質生成部２０２から供給された燃料が、第１の化学物質生成部２０１および酸素製造装置１６１から供給された酸素と反応して、燃焼が生じる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の発電システムにおいて、化学物質製造部２００は、第１実施形態の場合と同様に、ＣＯ_２タービン１１０から排気された媒体を原料ガスや加熱媒体として用いると共に発電機１１１が出力する電力を用いて、化学物質を製造する。この他に、本実施形態において、燃焼器１６０は、その化学物質製造部２００で生成された化学物質が供給される。したがって、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、コストの低減、および、環境に対する負荷の低減を更に効率的に実現可能である。

［Ｃ］変形例
上記の実施形態においては、第１の化学物質生成部２０１および第２の化学物質生成部２０２から燃焼器１６０に燃料を供給する場合について説明したが、これに限らない。第１の化学物質生成部２０１と第２の化学物質生成部２０２との一方から燃焼器１６０に燃料を供給するように、発電システムを構成してもよい。

上記の実施形態においては、第２の化学物質生成部２０２および酸素製造装置１６１から燃焼器１６０に酸素を供給する場合について説明したが、これに限らない。第２の化学物質生成部２０２から燃焼器１６０に供給する量が燃焼に対して十分である場合には、酸素製造装置１６１から燃焼器１６０に酸素を供給しなくてもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００:発電部、１１０:タービン、１１１:発電機、１２０:再生熱交換器、１３０:冷却器、１４０:湿分分離器、１５０:ポンプ、１６０:燃焼器、１６１:酸素製造装置、２００:化学物質製造部、２０１:化学物質生成部、２０２:化学物質生成部、３００:制御部

Claims (5)

1. 発電を行う発電部と、
   化学物質を製造する化学物質製造部と
   を備える発電システムであって、
   前記発電部は、
   燃焼器と、
   前記燃焼器から供給される超臨界のＣＯ_２を含む媒体によって駆動するＣＯ_２タービンと、
   前記ＣＯ_２タービンの駆動によって発電を行う発電機と
   を含み、
   前記化学物質製造部は、前記ＣＯ_２タービンから排気された媒体を原料ガスとして用いて、前記化学物質を製造する、
   発電システム。
2. 前記発電部は、
   前記ＣＯ_２タービンから排気された媒体が流入する再生熱交換器と、
   前記ＣＯ_２タービンから前記再生熱交換器を介して流入する媒体を冷却する冷却器と、
   前記冷却器から排出された媒体から水を分離する湿分分離器と、
   前記湿分分離器において水が分離された媒体を昇圧するＣＯ_２ポンプと、
   を有し、前記再生熱交換器において、前記ＣＯ_２ポンプで超臨界圧に昇圧された媒体が、前記ＣＯ_２タービンから排気された媒体の熱によって加熱された後に、前記燃焼器に流入するように構成されており、
   前記化学物質製造部は、前記ＣＯ_２タービンから排気された媒体であって、前記再生熱交換器に加熱源として導入される前の媒体が、前記原料ガスとして供給され、前記化学物質として炭化水素系燃料や化学合成品を製造するように構成されている、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記化学物質製造部は、前記発電機が出力する電力を用いて、前記化学物質を製造する、
   請求項１または２に記載の発電システム。
4. 前記化学物質製造部は、前記ＣＯ_２タービンから排気された媒体が、加熱媒体として供給されるように構成されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
5. 前記燃焼器は、前記化学物質製造部において生成された前記化学物質が供給されるように構成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の発電システム。

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