JP2022118313A

JP2022118313A - 発電システム

Info

Publication number: JP2022118313A
Application number: JP2021014744A
Authority: JP
Inventors: 嗣久田島; Tsuguhisa Tajima; 玲子小原; Reiko Kohara; 正人吉野; Masato Yoshino; 憲和長田; Norikazu Osada
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-15

Abstract

【課題】コストの低減、および、環境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。【解決手段】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、ＣＯ２を含む作動媒体によって駆動するタービンと、タービンの駆動によって発電を行う発電機とを含み、化学物質製造部は、タービンのグランド部から漏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。

ＣＯ_２を含む作動媒体によってタービンが駆動し、そのタービンの駆動によって発電機が発電を行う発電システムが知られている。

また、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。

ＵＳ２０１１／０１７９７９９Ａ１

しかしながら、上記の発電システムでは、ＣＯ_２を含む媒体がグランド部から漏れる場合がある。このため、地球温暖化の抑制を目的に、ＣＯ_２が環境へ排出される量を低減することが要求されている。

また、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、コストの低減、および、環境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、ＣＯ_２を含む作動媒体によって駆動するタービンと、タービンの駆動によって発電を行う発電機とを含み、化学物質製造部は、タービンのグランド部から漏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、実施形態にかかる発電システムを模式的に示す図である。図２は、実施形態にかかる発電システムにおいて、タービン１１０のグランド部１１２を模式的に示す図である。

［Ａ］発電システムの構成
図１は、実施形態にかかる発電システムを模式的に示す図である。

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、タービン１１０と発電機１１１と冷却器１２１と熱交換器１３１とポンプ１５１とを有し、ＣＯ_２を含む媒体を作動媒体として用いたクローズサイクルの発電システムである。

発電部１００のうち、タービン１１０は、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、その作動媒体が膨張し仕事を行うことによって、タービン１１０の回転軸（タービンロータ）が回転する。タービン１１０から排気された媒体は、冷却器１２１へ流れる。

発電部１００のうち、発電機１１１は、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、タービン１１０の回転軸（タービンロータ）に連結されており、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、冷却器１２１では、タービン１１０から排気された媒体と、外部から供給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、タービン１１０から排気された媒体は、外部から供給された媒体との間の熱交換によって冷却される。そして、冷却器１２１で冷却された媒体は、ポンプ１５１へ供給される。

発電部１００のうち、ポンプ１５１は、冷却器１２１で冷却された媒体が供給され、その供給された媒体を昇圧する。ポンプ１５１は、たとえば、媒体の圧力が超臨界圧になるように昇圧を行う。そして、ポンプ１５１で昇圧された媒体は、熱交換器１３１へ供給される。

発電部１００のうち、熱交換器１３１では、ポンプ１５１で昇圧された媒体と、外部から供給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、ポンプ１５１で昇圧された媒体は、外部から供給された媒体との間の熱交換によって加熱される。そして、熱交換器１３１で加熱された媒体は、タービン１１０へ作動媒体として供給される。なお、熱交換器１３１において、ポンプ１５１で昇圧された媒体を加熱するための熱源としては、工場、廃棄処理施設などに由来する排熱、太陽光の熱、地熱、原子力による熱などのさまざまな熱を用いることができる。

［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。

［Ａ－２－１］第１の化学物質生成部２０１
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、タービン１１０のグランド部１１２から漏れた媒体が、原料ガスとして配管を介して供給される。タービン１１０のグランド部１１２から漏れた媒体は、ＣＯ_２を含む媒体である。

図２は、実施形態にかかる発電システムにおいて、タービン１１０のグランド部１１２を模式的に示す図である。

図２に示すように、グランド部１１２においては、回転体であるタービンロータ１０の周囲に、静止体であるグランドパッキンヘッド２０が設置されている。グランドパッキンヘッド２０の内周面には、グランドシール２１が設置されている。

グランド部１１２では、タービン１１０の内部である高圧側から、タービン１１０の外部である大気圧側に向かって、ＣＯ_２を含む媒体が漏れる。そのＣＯ_２を含む媒体は、グランド部１１２において、グランドパッキンヘッド２０に形成された流路Ｆ２０を介して、第１の化学物質生成部２０１へ供給される。

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、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。

［Ａ－２－２］第２の化学物質生成部２０２
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、タービン１１０のグランド部１１２から漏れたＣＯ_２を含む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、タービン１１０のグランド部１１２から漏れたＣＯ_２を含む媒体が第１の化学物質生成部２０１に導入され、その媒体を第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。タービン１１０のグランド部１１２から漏れたＣＯ_２を含む媒体は、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、環境負荷の低減を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、環境負荷の低減を効率的に実現可能である。

［Ｃ］変形例
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、化学物質製造部２００に原料ガスとして供給するＨ_２Ｏとしては、たとえば、冷却器１２１での凝縮によって生じた水（液相水）を用いてもよい。

＜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。

なお、上記の実施形態では、発電部１００が、クローズサイクルの発電システムである場合と、セミクローズサイクルの発電システムである場合とを例示したが、これに限らない。発電部１００は、一般的なガスタービン発電システムのように、タービンから排出されたＣＯ_２を含む媒体が外部（大気）へ放出されるように構成されていてもよい。

１０：タービンロータ、２０：グランドパッキンヘッド、２１：グランドシール、１００：発電部、１１０：タービン、１１１：発電機、１１２：グランド部、１２０：再生熱交換器、１２１：冷却器、１３１：熱交換器、１５１：ポンプ、２００：化学物質製造部、２０１：第１の化学物質生成部、２０２：第２の化学物質生成部３００：制御部

Claims

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、
ＣＯ_２を含む作動媒体によって駆動するタービンと、
前記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、前記タービンのグランド部から漏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。
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に記載の発電システム。