JP2023041049A - エネルギー及び水素のロジスティクス - Google Patents

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Abstract

【課題】液体メタンの形態で水素を輸送するための方法を提供する。【解決手段】方法は、再生可能エネルギーを利用するために電気を生成するステップａ）と、水を水素と酸素とに分解するために電気を使用するステップｂ）と、二酸化炭素を提供するステップｃ）と、水素と二酸化炭素とを反応器システムに給送するステップｄ）と、生産されたメタンを液化するステップｅ）と、液化されたメタンを消費地へと輸送するステップｆ）と、二酸化炭素の生成を伴ってメタンを利用するステップｇ）と、当該二酸化炭素を分離するステップｈ）と、を含み、ステップｃ）がステップｈ）からの二酸化炭素の戻り輸送を含み、ステップｇ）は、メタンが水素を生産するための水蒸気改質を受けるステップｇ１）を含み、ステップｃ）は、水蒸気改質の間に生成された二酸化炭素の少なくとも一部がメタンを生産するための反応器システムへと戻るように輸送されるステップｃ１）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の方法に関する。
このような方法を使用して、エネルギーは、水素に転換され、水素は、水素の輸送よりも輸送コストが低い別の化学物質に変換される。これにより、エネルギーが余っている地域からのエネルギー、例えば地球のソーラーベルトからの太陽光エネルギーや南米南部などの風の強い地域からの風力エネルギーは、非常に遠方に位置する、特に他の大陸の消費者へと比較的費用対効果がよく届けられ得る。プロセスにおいて、エネルギーの転換によって生成した水素を、水素化反応によって液体有機水素キャリア（ＬＯＨＣ）に結合させることが知られている。このため、水素は原油のように輸送され得る。目的地では、さらなる化学反応（ＬＯＨＣの脱水素反応）によって水素が解放され、利用できるようになる。
特許文献１には、一般的な方法、特に、以下のステップを含む再生可能な液体天然ガス（ＬＮＧ）の生産及び輸出によって二酸化炭素を隔離するための方法が記載されている：
１．再生可能エネルギーから水素を生成するステップ、
２．メタンと水とを生成するために、国内または海外の排出者の二酸化炭素源からの二酸化炭素とともに、前記水素をサバティエ反応器に給送するステップ、及び
３．前記メタンをオーストラリアのＬＮＧ設備へと輸送するステップであって、前記メタンはそこから海外のＬＮＧ消費者へ船舶で輸送され得る、ステップ。
特許文献２から、貯蔵媒体として二酸化炭素を使用して水素を貯蔵及び輸送するための装置及び方法が知られている。電解槽は、水からの解離によって水素を提供するために、再生可能エネルギー源からのエネルギーを使用する。反応器は、水素と二酸化炭素との反応によって、生産物、優先的にはメタンを形成する。生産物は、消費地又は貯蔵地へと輸送される。貯蔵装置は、生産物の使用中に発生する捕獲された二酸化炭素を貯蔵するために使用され得る。この捕獲された二酸化炭素は、水素源から提供される水素と反応させるために、反応器所在地へと戻るように輸送される。従って、二酸化炭素サイクルは、水素を効果的に輸送及び貯蔵するために利用される。
特許文献３は、高温高圧での触媒転換によって水素と炭素酸化物とを実質的に包含する合成ガスをメタン化するための方法を開示する。メタン化は、過剰な水素の下で行われ、過剰な水素は、生産物流れから分離され、メタン化へと戻される。
豪国登録イノベーション特許第２０１１１０１４１１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００６４６４７号明細書 西独国特許出願公開第２９４０３３４号明細書
本発明の課題は、消費地で利用可能な水素の量が増加するように、冒頭で述べた種類の方法を改善することにある。
本発明によると、この課題は、請求項１のすべての特徴の共通性によって解決される。
本発明による対策は、一方では、大量の水素（ＬＯＨＣコンセプトの６．３％に対して２５％の水素）が、キャリア材料内で、及び付加的にはメタンの水蒸気改質、及び場合によっては続く水性ガスシフト反応によって、輸送されることを可能にし、消費地で利用可能な水素の量を２倍にする。生成されるＣＯ２は、ＣＯ２がサイクルの中で処理されるように、分離され得、戻るように輸送され得る。それ自体既知のプロセスを、
－一方のエネルギーが豊富な位置での、メタン化及びメタンの液化、
－次いで（ＬＮＧ輸送手段、例えば海上輸送の場合はＬＮＧタンカー）輸送、及び
－他方の水素の消費地での、場合によっては水性ガスシフト反応を含む水蒸気改質
の順で組み合わせることによって、輸送されるキャリア材料１ｋｇあたり０．５ｋｇの水素（すなわち５０％）が消費地で利用可能になる。
ここで、本発明は、水素キャリア（ＬＯＨＣ、アンモニウム、メタノール、又はＬＮＧ）を用いた異なる輸送選択肢を比較すると、ＬＮＧによる水素部分が２５質量％と最も高いという認識に基づく。また、電流によってＬＮＧが生産される場合、これは「ｅＬＮＧ」と呼ばれる。ＬＯＨＣの場合、水素部分は６．２重量％であり、アンモニアの場合、１７．６重量％であり、メタノールの場合、１２．５重量％である。ｅＬＮＧを用いてエネルギー豊富な地域から輸送されるエネルギー密度は、１５．５ｋＷｈ／ｋｇ（ｅＬＮＧ）と最も高い。ＬＯＨＣは、輸送された水素の燃焼を介して２．１ｋＷｈ／ｋｇ（ＬＯＨＣ）を供給し、アンモニアは、６．２５ｋＷｈ／ｋｇ（アンモニア）のエネルギー密度を有し、６．３ｋＷｈ／ｋｇ（メタノール）を有するメタノールは、アンモニアと同程度の水準である。これは、それぞれの場合の中で、エネルギー、水素又はその両方のいずれの輸送が優先するものであるかにかかわらず、ｅＬＮＧの輸送が最も効果的であることを示す。
従って、本発明によるプロセスは、出発物質「水素」を中間エネルギーキャリア「メタン」を経由して、再度出発物質に戻すという変換を行うものである。プロセスにおいて、この中間エネルギーキャリアは、他の中間エネルギーキャリアよりも体積が少なく、冷却及び圧縮のための支出の要求も少ない。従って、同じ輸送体積で、より高温で、より多くのエネルギー量が輸送され得る。
さらに、本発明によるプロセスは、柔軟に利用され得る。代替的には、中間エネルギーキャリアの助けにより輸送された水素又はエネルギーキャリアそのものを利用することも可能である。全体として見ると、ＣＯ２は概ね閉じたサイクルで処理される。
本発明による方法が遅滞なく実施され得るように、方法全体の全ての個々のプロセスについては、商業的に成熟した施設が採用される。
液体水素の輸送は、エネルギー損失の問題及び安全対策費の問題から、技術的に大規模に確立されるかどうか疑問がある。本発明によるプロセスは、これらの問題を克服する。
好ましくは、ステップｈ）は、ステップｈ１）であって、ステップｇ１）において、水蒸気改質によって生成された反応ガスが、冷却することによって液化され、冷却プロセスの間に、液化された二酸化炭素が気体水素から分離される、ステップｈ１）を含み、分離された二酸化炭素は、ステップｃ１）において、ＣＯ２輸送手段を用いて戻るように輸送される。これらの対策を使用して、水素は、効果的かつ費用対効果がよく、二酸化炭素から分離され、液化された二酸化炭素は、同様に費用対効果がよく、メタンを生産するための反応器システムへと再度供給され得る。
有利には、概ね閉じたＣＯ２サイクルは、ステップｄ）～ステップｆ）、ステップｇ１）、ステップｈ）及びステップｃ）によって形成される。ＣＯ２の排出は、従って最小化される。
本発明の好ましい構成において、メタン化は、ステップｄ）において、１０体積％より少なく、しかしながら少なくとも０．３体積％である二酸化炭素の転換に対して、過剰な水素を用いて行われる。方法は、好ましくは、反応器入口において少なくとも２０ｂａｒの作動圧力で行われる。ここで、過剰分の水素は、好ましくは、１．０体積％より多く、特に好ましくは、１．５体積％より多い。過剰なＨ２（反応器流入時のＨ２のＣＯ２に対する比が４より大きい）とともにメタン化を行うことにより、ＣＯ２の回転率が最大化される。液化設備の冷却面に固体として析出するＣＯ２は、少量から無視できる量のみが生産物ガス中に存在するので、時々溶融によって除去される必要がある。
本発明の有利な構成において、過剰分の水素が、ステップｅ）において、液体メタンから気相で分離され、ステップｄ）において、当該過剰分の水素が、反応器システムへと再度戻される。過剰分のＨ２をメタン化反応器の入り口へと戻すことにより、Ｈ２の損失がない。
優先的には、ステップａ）で生成された電気は、ステップｂ）において電解設備を作動させるために使用される。水の分解の技術的に大規模な実施は、従って容易に可能である。
本発明の好ましいさらなる発展において、ステップｃ）が、排出源、特にメタンで作動する発電所、バイオマス発電所又は二酸化炭素を排出する産業設備から二酸化炭素を収集するステップを含む。これにより、二酸化炭素が環境にやさしい様式で提供されることが保証される。
本発明は、付加的には、図１のみによって例示的により詳細に説明される。
液体メタンの形態で水素を輸送するための本発明による方法の例示的な実施形態を示す。
方法の出発点は、例えば風力エネルギー１又は太陽光エネルギー２からの再生可能エネルギー源による電気エネルギーの生成によって形成される。この電気エネルギーは、例えば電解槽３で、水４を水素５と酸素６とに分解するために利用される。最も単純な場合では、酸素６は、大気に解放される。しかしながら、酸素６はまた、有利には、産業プロセスに、又は処理設備での生物学的廃水浄化を補助するために利用されることも可能である。生成された水素５は、混合機７でＣＯ２流れ８と合流させられ、反応ガス９を形成する。ここで、混合比は、優先的には、反応ガス９が水素を化学量論比以上に包含するように調整される。メタン化反応器１０では、反応ガス９は、メタン１１へと転換される。
転換された反応ガス９は、冷却機１２で冷却されて液化される。水などの凝縮性反応生産物は、分離機１３で分離され、転換されていない反応ガス成分は、再度戻りライン１４を介して、好ましくは混合機７を介して、メタン化反応器１０への入口へと戻される。ＬＮＧ（液化天然ガス）とも称される、このように液化されたメタン１５は、特装の輸送手段、海上輸送の場合は特装のタンカー１６に給送され、輸送手段によって地理的に遠く離れた消費地まで輸送される。
消費地に到着すると、液化されたメタン１５は、必要に応じて、図示されていないタンクにバッファ貯蔵される。蒸発器１７では、液化されたメタン１５は、再度気体メタン１８へと変換される。メタン１８は、水蒸気改質器（ＳＲ）１９で水蒸気２０を用いて転換されて、二酸化炭素と水素とから成る合成ガス２１を形成する。好適な実施形態では、反応ガスにさらなる水蒸気２１を供給すること（ＷＧＳ、水性ガスシフト）によって、反応ガスは、最終的に転換されて生産物ガス２２を形成する。分離機２３では、生産物ガス２２は、冷却され、主成分の水素（Ｈ２、気体）２４と二酸化炭素（ＣＯ２、液体）２５とに分離される。転換されていないメタン２６は、再度水蒸気改質器１９へと戻される。生成された水素２４は、水素使用者（Ｃ１）２７に給送される。蒸発器１７から流れ出る気体メタン１８の別の利用経路は、消費者（Ｃ２）２８による通常の直接利用である。これは、例えばガス発電所、産業活動又は暖房設備であり得る。一般的に、この利用は、ＣＯ２２９の形成を伴う燃焼プロセスから成る。好ましくは、ＣＯ２２９は排気ガスから分離され、好適な実施形態で生成されたＣＯ２２５と同じ様式で洗浄段階３０に供給される。この様式で洗浄されたＣＯ２３１は、冷却機３２で液化され、輸送手段１６と同一又は同様の輸送手段３３でメタン化設備の混合機７へと戻される。輸送手段１６がＣＯ２のための輸送手段３３として使用されることも同様に可能である。
消費プロセスからのＣＯ２３１は、概ね回収されて、サイクルの中で導かれる。用語「概ね」とは、できるだけ多くのＣＯ２を回収するということを意味する。しかしながら、どのような回収プロセスによっても、技術的及び経済的な理由から完全には回避され得ない損失がある。発生した損失は、他のＣＯ２源によって相殺する必要がある。これに起因するＣＯ２補充流れ３４は、ＣＯ２流れ８とともに、混合機７へと再び給送される。
様々な部分プロセスで必要とされる運搬装置は、当業者に知られている。従って、ここで詳細に示すことはない。さらに、例えば洗浄段階と冷却段階との交換などの個々の方法ステップの変更は、本発明の範囲内である。熱生成プロセス及び熱利用プロセスにおける設備内部の熱利用も同様に、当業者に知られており、ここでさらに議論することはない。
１ 風力エネルギー
２ 太陽光エネルギー
３ 電解槽
４ 水
５ 水素
６ 酸素
７ 混合機
８ 二酸化炭素
９ 反応ガス
１０ メタン化反応器
１１ メタン
１２ 冷却機
１３ 分離機
１４ 戻りライン
１５ 液体メタン
１６ 輸送手段
１７ 蒸発器
１８ 気体メタン
１９ 水蒸気改質器（ＳＲ）
２０ 水蒸気
２１ 合成ガス、水蒸気
２２ 生産物ガス
２３ 分離機
２４ 水素
２５ 二酸化炭素
２６ メタン
２７ 水素使用者（Ｃ１）
２８ 消費者（Ｃ２）
２９ 二酸化炭素
３０ 洗浄段階
３１ 二酸化炭素
３２ 冷却機
３３ 輸送手段
３４ 補充流れ

Claims (9)

  1. 液体メタンの形態で水素を輸送するための方法であって、
    ａ）再生可能エネルギーを利用するために、発電所で電気を生成するステップａ）と、
    ｂ）水（４）を水素（５）と酸素（６）とに分解するために、前記ステップａ）で生成された前記電気を使用するステップｂ）と、
    ｃ）二酸化炭素（８）を提供するステップｃ）と、
    ｄ）ステップｂ）からの水素（５）とステップｃ）からの二酸化炭素（８）とを、メタン（１１）を生産するための反応器システムに給送するステップであって、当該反応器システムは、沸騰水によって冷却される触媒反応器（１０）を備える、ステップｄ）と、
    ｅ）生産されたメタン（１１）を液化する（１２）ステップｅ）と、
    ｆ）液化されたメタン（１５）を遠方に位置する消費地へと輸送する（１６）ステップｆ）と、
    ｇ）前記消費地で、二酸化炭素（２５）の生成を伴って、液化されたメタン（１５）を利用するステップｇ）と、
    ｈ）当該二酸化炭素（２５）を分離する（２３）ステップｈ）と、
    を有し、ステップｃ）が、ステップｈ）からの二酸化炭素（２５）の戻り輸送（３３）を含む、方法において、
    ステップｇ）が、
    ｇ１）前記消費地で、メタン（１５）が水素（２４）を生産するために水蒸気改質（１９）を受けるステップであって、二酸化炭素（２５）が生成される、ステップｇ１）
    を含み、
    ステップｃ）が、
    ｃ１）前記水蒸気改質（１９）の間に生成された二酸化炭素（２５）の少なくとも一部が、メタン（１１）を生産するための前記反応器システムへと戻るように輸送（３３）されるステップｃ１）
    を含むことを特徴とする、方法。
  2. ステップｈ）が、
    ｈ１）前記ステップｇ１）において、前記水蒸気改質（１９）によって生成された反応ガスが、冷却する（２３）ことによって液化され、前記冷却するプロセスの間に、液化された二酸化炭素（２５）が気体水素（２４）から分離される、ステップｈ１）
    を含み、
    前記ステップｃ１）において、ＣＯ２輸送手段（３３）を用いて、分離された二酸化炭素（２５）が、ステップｄ）に記載の反応器システムへと戻るように輸送されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ステップｄ）～前記ステップｆ）、前記ステップｇ１）、前記ステップｈ）及び前記ステップｃ１）によって、概ね閉じたＣＯ２サイクルが形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記ステップｃ）において、１０体積％より少なく、しかしながら少なくとも０．３体積％である二酸化炭素（８）の転換に対して、過剰な水素（５）を用いてメタン化が行われることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 過剰分の水素は、１．０体積％より多い量であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 過剰分の水素は、１．５体積％より多い量であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記ステップｅ）において、過剰分の水素が、液体メタン（１５）から気相で分離され、
    前記ステップｄ）において、当該過剰分の水素が、前記反応器システムへと再度戻されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記ステップｂ）において、前記ステップａ）で生成された電気が、電解設備（３）を作動させるために使用されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
  9. ステップｃ）が、排出源から二酸化炭素（８）を収集するステップを含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
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