JP2024089990A - Heat medium circulation system - Google Patents
Heat medium circulation system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024089990A JP2024089990A JP2022205591A JP2022205591A JP2024089990A JP 2024089990 A JP2024089990 A JP 2024089990A JP 2022205591 A JP2022205591 A JP 2022205591A JP 2022205591 A JP2022205591 A JP 2022205591A JP 2024089990 A JP2024089990 A JP 2024089990A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- heat medium
- reactor
- circulation system
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 25
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 37
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 34
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 12
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 8
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 7
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C1/00—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
- C07C1/02—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
- C07C1/12—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon dioxide with hydrogen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C9/00—Aliphatic saturated hydrocarbons
- C07C9/02—Aliphatic saturated hydrocarbons with one to four carbon atoms
- C07C9/04—Methane
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
- C25B1/042—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
本開示は、熱媒循環システムに関する。 This disclosure relates to a heat transfer medium circulation system.
従来から脱水素反応や水素添加反応で発生した熱を有効に活用出来る発電システムが知られている(下記特許文献1を参照)。特許文献1に記載された発電システムは、電気加熱装置と、熱交換部と、発電機と、蓄電装置とを備えている(同文献、第0006段落、請求項1、要約、および図1)。 Power generation systems that can effectively utilize the heat generated in dehydrogenation and hydrogenation reactions have been known for some time (see Patent Document 1 below). The power generation system described in Patent Document 1 includes an electric heating device, a heat exchanger, a generator, and an electricity storage device (paragraph 0006, claim 1, abstract, and figure 1 of the same document).
上記電気加熱装置は、芳香族化合物の水素添加反応を促進させる第1触媒を設けた第1通路を含む水素添加反応器と、第1通路から水素添加反応器の外側に伸びる第1排出管とを有する水素添加システムにおいて、第1通路と第1触媒の少なくとも一方を温める。 The electric heating device heats at least one of the first passage and the first catalyst in a hydrogenation system having a hydrogenation reactor including a first passage provided with a first catalyst that promotes the hydrogenation reaction of aromatic compounds, and a first exhaust pipe extending from the first passage to the outside of the hydrogenation reactor.
上記熱交換部は、第1通路と第1触媒と第1排出管の少なくとも一方を冷やす。上記発電機は、熱交換部で得られた熱を用いて、発電を行う。上記蓄電装置は、発電機で得られた電力を貯蔵する。この発電システムにおいて、上記電気加熱装置は、少なくとも蓄電装置からの電力に基づいて駆動する。 The heat exchange unit cools at least one of the first passage, the first catalyst, and the first exhaust pipe. The generator generates electricity using heat obtained in the heat exchange unit. The power storage device stores the electricity obtained by the generator. In this power generation system, the electric heating device is driven based on at least the electricity from the power storage device.
また、化学蓄熱材を利用する熱出力技術に関する発明が知られている(下記特許文献2を参照)。特許文献2に記載された熱出力方法は、第一水蒸気生成工程と、予熱工程と、第一加熱工程と、第二水蒸気生成工程と、を包含している(同文献、第0008段落、請求項1、要約、および図1)。 An invention related to a heat output technology that uses a chemical heat storage material is also known (see Patent Document 2 below). The heat output method described in Patent Document 2 includes a first steam generation step, a preheating step, a first heating step, and a second steam generation step (paragraph 0008, claim 1, abstract, and figure 1 of the same document).
上記第一水蒸気生成工程では、熱源装置からの第一の排ガスの熱により第一の水蒸気を生成し、第二の排ガスを排出する。予熱工程では、脱水反応により吸熱し、水和反応により発熱する固体化学蓄熱材と、第二の排ガスとを熱交換することにより、その固体化学蓄熱材を予熱する。 In the first steam generation process, the first steam is generated using the heat of the first exhaust gas from the heat source device, and the second exhaust gas is discharged. In the preheating process, the solid chemical heat storage material is preheated by exchanging heat between the second exhaust gas and the solid chemical heat storage material, which absorbs heat through a dehydration reaction and generates heat through a hydration reaction.
上記第一加熱工程では、上記固体化学蓄熱材が格納された蓄熱槽に連通された水容器内の水と、少なくとも第二の排ガスとを熱交換することにより、その水容器内の水を加熱する。上記二水蒸気生成工程では、上記固体化学蓄熱材からの熱出力により第二の水蒸気を生成する。 In the first heating step, the water in the water container connected to the heat storage tank storing the solid chemical heat storage material is heated by heat exchange between the water in the water container and at least the second exhaust gas. In the second water vapor generation step, the second water vapor is generated by the heat output from the solid chemical heat storage material.
地球温暖化対策として、再生可能エネルギー由来の電力を使用して製造される水素であるグリーン水素の利用が進められている。しかし、水素を製造する装置へ入力する電力として、太陽光や風力などの再生可能エネルギー由来の電力を使用する場合、気象条件や時間帯によって装置に入力される電力が変動することが考えられる。このように、装置に入力される電力の変動は、たとえば、その装置の下流側の発熱反応が行われる反応器の負荷を変動させ、その反応器やその熱を利用する装置の安定性を低下させ、その反応器とその熱を利用する装置との熱交換の効率を低下させるおそれがある。 As a measure against global warming, the use of green hydrogen, which is hydrogen produced using electricity derived from renewable energy sources, is being promoted. However, when electricity derived from renewable energy sources such as solar or wind power is used as the power input to a hydrogen production device, the power input to the device is likely to fluctuate depending on weather conditions and the time of day. Fluctuations in the power input to the device in this way may, for example, fluctuate the load on a reactor downstream of the device where an exothermic reaction takes place, reducing the stability of the reactor and the device that utilizes its heat, and may reduce the efficiency of heat exchange between the reactor and the device that utilizes its heat.
本開示は、発熱反応が行われる反応器と熱を必要とする装置に熱媒を循環させて熱交換を行う熱媒循環システムにおいて、その反応器の負荷が変動して回収される熱が変動しても、熱が必要な装置に安定して熱を供給することができる熱媒循環システムを提供する。 The present disclosure provides a heat medium circulation system that performs heat exchange by circulating a heat medium between a reactor in which an exothermic reaction takes place and a device requiring heat, and that can stably supply heat to the device requiring heat even if the load on the reactor fluctuates and the heat recovered fluctuates.
本開示の一態様は、発熱反応が行われる反応器と、熱を必要とする装置と、を備え、前記反応器と前記装置とに熱媒を循環させる熱媒循環システムであって、前記熱媒を貯留して所定の温度範囲に維持する恒温槽と、前記反応器と前記恒温槽との間で前記熱媒を循環させて前記反応器の熱を前記熱媒へ移動させる第1流路と、前記装置と前記恒温槽との間で前記熱媒を循環させて前記熱媒の熱を前記装置へ移動させる第2流路と、を備え、前記熱媒は、単一の前記恒温槽を経由して前記第1流路と前記第2流路とを循環することを特徴とする熱媒循環システムである。 One aspect of the present disclosure is a heat medium circulation system that includes a reactor in which an exothermic reaction takes place and a device that requires heat, and that circulates a heat medium between the reactor and the device, the heat medium circulation system including a thermostatic chamber that stores the heat medium and maintains it at a predetermined temperature range, a first flow path that circulates the heat medium between the reactor and the thermostatic chamber to transfer heat from the reactor to the heat medium, and a second flow path that circulates the heat medium between the device and the thermostatic chamber to transfer heat from the heat medium to the device, and the heat medium circulates between the first flow path and the second flow path via the single thermostatic chamber.
本開示の上記一態様によれば、発熱反応が行われる反応器の負荷が変動して回収される熱が変動しても、熱が必要な装置に安定して熱を供給することができる熱媒循環システムを提供することができる。 According to the above aspect of the present disclosure, it is possible to provide a heat medium circulation system that can stably supply heat to a device that requires heat, even if the load on the reactor in which the exothermic reaction takes place fluctuates and the heat recovered fluctuates.
以下、図面を参照して本開示に係る熱媒循環システムの実施形態を説明する。 Below, an embodiment of the heat transfer medium circulation system according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は、本開示に係る熱媒循環システムの実施形態を示すブロック図である。図2は、図1に示す本実施形態の熱媒循環システム10の概略的な断面図である。図3は、図1に示す本実施形態の熱媒循環システム10を含む固体酸化物形電解セル(SOEC)メタネーションシステム100のブロック図である。以下では、まず、本実施形態の熱媒循環システム10の詳細を説明し、次に、本実施形態の熱媒循環システム10を含むSOECメタネーションシステム100の詳細を説明する。
Figure 1 is a block diagram showing an embodiment of a heat transfer medium circulation system according to the present disclosure. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the heat transfer
(熱媒循環システム)
本実施形態の熱媒循環システム10は、発熱反応が行われる反応器21と、熱を必要とする装置22と、恒温槽11と、第1流路12と、第2流路13と、を備え、熱媒HMが単一の恒温槽11を経由して第1流路12と第2流路13とを循環するように構成されている。また、熱媒循環システム10は、たとえば、温度制御装置14をさらに備えている。すなわち、熱媒HMは、恒温槽11、第1流路12、および第2流路13を介して反応器21および装置22に循環され、反応器21から熱を回収し、装置22へ熱を供給することで、反応器21と装置22との間の熱交換を実現する。
(Heat medium circulation system)
The heat
熱媒HMは、たとえば、単位体積当たりの熱容量がより大きいものを用いることが好ましく、相変化時の潜熱を利用して熱回収および熱供給を行ってもよい。熱媒HMの相変化時の潜熱を利用することで、一定の温度の熱媒HMを反応器21および装置22に循環させ、反応器21および装置22を適切な温度範囲に維持することができる。また、熱媒HMとしては、たとえば、高熱伝達率の二相流や、300℃以上の温度で液相循環が可能な熱媒体油を使用することができる。
The heat medium HM is preferably one with a larger heat capacity per unit volume, and the latent heat generated during the phase change may be utilized to recover and supply heat. By utilizing the latent heat generated during the phase change of the heat medium HM, the heat medium HM at a constant temperature can be circulated to the
反応器21と装置22との間の熱交換効率は、たとえば、熱交換の方法に加えて熱媒HMの熱伝達率にも大きく左右される。熱媒HMの熱伝達率は、たとえば、熱媒HMの相によって大きく変化する。一般に、熱媒HMの熱伝達率は、高い順に、二相流、液体、気体となる。また、熱媒HMは、たとえば、使用する系の圧力に対応し、装置を腐食させず、かつ不燃性のものが用いられる。
The efficiency of heat exchange between the
恒温槽11は、たとえば、熱媒HMを貯留して所定の温度範囲に維持する装置である。より具体的には、恒温槽11は、たとえば、熱媒HMを貯留する熱媒貯留部11aを有している。熱媒貯留部11aに貯留される熱媒HMの体積は、たとえば、第1流路12および第2流路13を満たす熱媒HMの体積よりも大きく、具体的には、たとえば、10倍以上、または100倍以上である。
The
これにより、第1流路12を通過して温度が上昇した熱媒HMと、第2流路13を通過して温度が低下した熱媒HMとを、熱媒貯留部11aに貯留された熱媒HMに合流させ、熱媒貯留部11aから流出する熱媒HMの温度を所定の温度範囲に維持することができる。また、恒温槽11は、熱媒貯留部11aに貯留された熱媒HMを保温する断熱材を有してもよい。
This allows the heat medium HM whose temperature has increased by passing through the
恒温槽11は、たとえば、熱媒貯留部11aに開口する第1熱媒出口11bおよび第1熱媒入口11cならびに第2熱媒出口11dおよび第2熱媒入口11eを有している。第1熱媒出口11bは、熱媒貯留部11aから第1熱交換部12aへ熱媒HMを流出させ、第1熱媒入口11cは、第1熱交換部12aを通過した熱媒HMを熱媒貯留部11aへ流入させる。第2熱媒出口11dは、熱媒貯留部11aから第2熱交換部13aへ熱媒HMを流出させ、第2熱媒入口11eは、第2熱交換部13aを通過した熱媒HMを熱媒貯留部11aへ流入させる。
The
第1流路12は、たとえば、反応器21と恒温槽11との間で熱媒HMを循環させて反応器21の熱を熱媒HMへ移動させる。発熱反応が行われる反応器21は、特に限定はされないが、たとえば、後述するSOECメタネーションシステム100を構成するメタン化反応器121である。第1流路12は、たとえば、第1熱交換部12aと、第1ポンプ12bと、を有している。
The
第1熱交換部12aは、反応器21の熱を熱媒HMへ移動させる。より具体的には、第1熱交換部12aは、たとえば、反応器21の触媒収容部21aに隣接して設けられ、触媒収容部21aの内部の触媒を介した発熱反応によって発生した熱を、第1熱交換部12aの内部を流れる熱媒HMへ移動させる。
The
第1ポンプ12bは、たとえば、恒温槽11の熱媒貯留部11aと第1熱交換部12aとの間に設けられ、熱媒HMを圧送して熱媒貯留部11aと第1熱交換部12aとの間で循環させる。第1ポンプ12bは、たとえば、制御部によって制御され、圧送する熱媒HMの流量を調節することで、第1流路12を流れる熱媒HMの流量を調節し、第1熱交換部12aを通過させる熱媒HMの流量を調節することができる。
The
第2流路13は、たとえば、装置22と恒温槽11との間で熱媒HMを循環させて熱媒HMの熱を装置22へ移動させる。熱を必要とする装置22は、特に限定はされないが、たとえば、SOECメタネーションシステム100を構成する蒸発器122である。第2流路13は、たとえば、第2熱交換部13aと、第2ポンプ13bとを有している。
The
第2熱交換部13aは、熱媒HMの熱を装置22へ移動させる。より具体的には、第2熱交換部13aは、たとえば、水Wが貯留される装置22の内部に設けられ、熱媒HMの熱を装置22の内部の水Wへ移動させる。これにより、たとえば、熱を必要とする蒸発器122などの装置22において、水Wを蒸発させて水蒸気Sを発生させることができる。
The second
第2ポンプ13bは、たとえば、恒温槽11の熱媒貯留部11aと第2熱交換部13aとの間に設けられ、熱媒HMを圧送して熱媒貯留部11aと第2熱交換部13aとの間で循環させる。第2ポンプ13bは、たとえば、制御部によって制御され、圧送する熱媒HMの流量を調節することで、第2流路13を流れる熱媒HMの流量を調節し、第2熱交換部13aを通過させる熱媒HMの流量を調節することができる。
The
第1ポンプ12bおよび第2ポンプ13bの種類は、特に限定されず、たとえば、非容積式ポンプまたは容積式ポンプを用いることができる。第1ポンプ12bおよび第2ポンプ13bとして非容積式ポンプを用いることで、第1流路12および第2流路13に連続的に熱媒HMを循環させることができる。また、第1ポンプ12bおよび第2ポンプ13bとして容積式ポンプを用いることで、熱媒HMの吐出圧力および吐出流量の安定性を向上させることができる。
The type of the
また、第1熱交換部12aおよび第2熱交換部13aにおける熱交換の方式は、特に限定されない。たとえば、熱媒HMの種類や反応器21および装置22の種類および大きさなどに応じて、高効率の熱回収と熱供給が可能で、各装置を適切な温度範囲に維持できる熱交換方式を選択することができる。具体的には、第1熱交換部12aおよび第2熱交換部13aの熱交換方式として、たとえば、シェルアンドチューブ式、プレート式、コイル式、スパイラル式、または、フィンチューブ式などを、個別に採用することができる。
The heat exchange method in the first
シェルアンドチューブ式は、構造がシンプルで、低圧から高圧まで幅広く使用可能であり、メンテナンス性に優れ、反応器21の内部の触媒の交換にも容易に対応可能である。プレート式は、複雑なプレス形状の薄板によって構成された伝熱プレートを介して熱交換が行われるため、熱媒HMとの接触面積が大きくなり、高い熱交換効率が得られる。そのため、プレート式を採用することで、第1熱交換部12aまたは第2熱交換部13aの小型化が可能になる。
The shell-and-tube type has a simple structure, can be used in a wide range of pressures from low to high, is easy to maintain, and can easily handle replacement of the catalyst inside the
コイル式では、コイル状に巻回された伝熱管内に熱媒HMを流通させ、伝熱管の外側の流体との熱交換を行う。コイル式は、構造が非常にシンプルであり、水槽の中に伝熱管を投入して使用することも可能である。スパイラル式は、渦状に巻かれた平板を境界として熱交換を行う。フィンチューブ式は、金属管にフィンを取付けることで、広い伝熱面積を介した熱交換が可能である。 In the coil type, the heat transfer medium HM is circulated inside a heat transfer tube wound in a coil shape, and heat is exchanged with the fluid outside the heat transfer tube. The coil type has a very simple structure, and it is possible to use the heat transfer tube by immersing it in a water tank. In the spiral type, heat exchange occurs with a spirally wound flat plate as the boundary. In the fin tube type, fins are attached to a metal tube, making it possible to exchange heat through a large heat transfer area.
温度制御装置14は、たとえば、恒温槽11に貯留される熱媒HMを所定の温度範囲に維持する。温度制御装置14は、たとえば、制御部と、恒温槽11に貯留された熱媒HMの温度を検出する温度センサと、恒温槽11に貯留された熱媒HMを加熱する電気ヒータと、を含む。温度制御装置14の制御部は、温度センサによって検出した熱媒HMの温度を所定の温度範囲に維持するように電気ヒータを制御する。電気ヒータの加熱方式は、たとえば、抵抗加熱、誘導加熱、または、赤外線加熱などを採用することができる。
The
電気ヒータに誘導加熱方式を採用することで、電気ヒータの小型化と熱媒HMの迅速な温度制御が可能になる。また、電気ヒータに赤外線加熱方式を採用することで、電気ヒータの高効率化と熱媒HMの迅速な加熱が可能になる。電気ヒータの加熱方式は、たとえば、恒温槽11に貯留される熱媒HMの体積や熱媒HMの種類に応じて適宜選択することができる。また、温度制御装置14は、電気ヒータに加えて、熱媒HMを所定の温度範囲に維持するための潜熱蓄熱材料や化学蓄熱材料を含んでいてもよい。
By adopting an induction heating method for the electric heater, it is possible to miniaturize the electric heater and quickly control the temperature of the heat medium HM. Furthermore, by adopting an infrared heating method for the electric heater, it is possible to increase the efficiency of the electric heater and quickly heat the heat medium HM. The heating method of the electric heater can be appropriately selected depending on, for example, the volume of the heat medium HM stored in the
恒温槽11に貯留される熱媒HMの所定の温度範囲は、たとえば、反応器21の発熱反応を適切な温度範囲に維持可能であり、かつ、装置22に必要な熱を供給可能な温度範囲に設定されている。より具体的には、たとえば、反応器21の発熱反応の適切な温度範囲と、装置22に必要な熱を供給可能な温度範囲との間には、重複する温度範囲が存在し、その重複する温度範囲を、恒温槽11に貯留される熱媒HMの所定の温度範囲にすることができる。
The predetermined temperature range of the heat medium HM stored in the
ここで、反応器21と装置22は、たとえば、それぞれ、図3に示すSOECメタネーションシステム100を構成するメタン化反応器121と蒸発器122である。装置22内の圧力が10[atm]である場合の水Wの沸点は、約180[℃]であり、装置22に必要な熱を供給可能な温度範囲は、たとえば、200[℃]以上である。また、メタン化反応器121に使用されるNi系触媒の活性温度は、約230[℃]程度であり、反応器21の発熱反応の適切な温度範囲は、たとえば、230[℃]以上かつ250[℃]以下である。
Here, the
このような場合、恒温槽11に貯留される熱媒HMの所定の温度範囲は、たとえば、230[℃]以上かつ250[℃]以下に設定することができる。これにより、恒温槽11から第1流路12および第2流路13へ熱媒HMを供給して、メタン化反応器121の発熱反応を適切な温度範囲に維持し、蒸発器122に必要な熱を供給することができる。
In such a case, the predetermined temperature range of the heat transfer medium HM stored in the
(SOECメタネーションシステム)
次に、本実施形態の熱媒循環システム10を含むSOECメタネーションシステム100の構成を詳細に説明する。図3に示すように、本実施形態のSOECメタネーションシステム100は、前述の熱媒循環システム10に対応する熱媒循環システム110の他に、メタン化反応器121と、蒸発器122と、流量制御装置123と、固体酸化物形電解セル(SOEC)124と、凝縮器125と、流量制御装置126と、を備えている。
(SOEC methanation system)
Next, a detailed description will be given of the configuration of the
流量制御装置123は、たとえば、水Wの供給元と蒸発器122との間に設けられ、蒸発器122に供給される水Wの流量を制御する。より具体的には、流量制御装置123は、たとえば、図2に示すように、蒸発器122に供給される水Wの流量を制御する流量制御弁123aを含む。また、流量制御装置123は、たとえば、吐出流量を制御可能なポンプを含んでもよい。
The
前述の熱を必要とする装置22に対応する蒸発器122は、たとえば、流量制御装置123を介して供給された水Wを蒸発させてSOEC124へ水蒸気Sを供給する。より具体的には、蒸発器122は、たとえば、熱媒循環システム110の第2流路113を循環する熱媒HMから第2熱交換部13aを介して供給される熱によって水Wを加熱することで、水Wを蒸発させて水蒸気Sを発生させる。
The
SOEC124は、たとえば、太陽光や風力などの再生可能エネルギー由来の電力EPを使用し、二酸化炭素の供給元から供給される二酸化炭素(CO2)と、蒸発器122から供給される水蒸気Sとの混合ガスから、水素(H2)を含むガスを生成する。SOEC124は、たとえば、水蒸気Sを電気分解して水素を生成する。また、SOEC124では、たとえば、二酸化炭素の一部が一酸化炭素(CO)へ電解される。
The
なお、二酸化炭素の供給源から供給される二酸化炭素は、SOEC124の下流側へ合流させ、SOEC124で生成された水素と混合させてもよい。SOEC124から排出される水素と二酸化炭素を含むガス、または、SOEC124から排出される水素と二酸化炭素との混合ガスは、たとえば、凝縮器125へ導入される。凝縮器125に導入されたガスは、ガスに含まれる水分が除去され、流量制御装置126へ導入される。
The carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply source may be merged downstream of the
流量制御装置126は、凝縮器125から導入されたガスの流量を制御する。流量制御装置126によって流量が制御されたガスは、メタン化反応器121へ導入される。メタン化反応器121に導入されたガスは、触媒収容部21aに収容された触媒層を通過することで、ガスに含まれる水素と二酸化炭素が反応するメタン化反応が生じる。メタン化反応は、たとえば、以下の反応式(1)で表される発熱反応である。
The flow
4H2+CO2→CH4+2H2O(ΔH=-165kJ/mol) ・・・(1) 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O (ΔH = -165 kJ/mol) ... (1)
メタン化反応器121の内部の触媒収容部21aに収容された触媒層を通過してメタン化反応により生成されたメタンを含むガスは、たとえば、回収および精製されて利用される。このように、前述の発熱反応が行われる反応器21は、たとえば、SOEC124で生成された水素を含むガスが導入されてメタンを含むガスを生成するメタン化反応器121である。
The methane-containing gas produced by the methanation reaction that passes through the catalyst layer contained in the
SOECメタネーションシステム100を構成する熱媒循環システム110は、前述の熱媒循環システム10と同様に、発熱反応が行われる反応器21であるメタン化反応器121と、熱を必要とする装置22である蒸発器122に熱媒HMを循環させる。熱媒循環システム110は、たとえば、反応器21としてのメタン化反応器121と、装置22としての蒸発器122とを備えている。また、熱媒循環システム110は、前述の熱媒循環システム10の恒温槽11、第1流路12、第2流路13、および温度制御装置14に対応する恒温槽111、第1流路112、第2流路113、および温度制御装置114を備えている。
The heat
以下、本実施形態の熱媒循環システム10の作用を説明する。
The operation of the heat transfer
地球温暖化対策として、再生可能エネルギー由来の電力EPを使用して製造される水素であるグリーン水素の利用が進められている。SOECメタネーションシステム100は、たとえば、熱媒循環システム110により、メタン化反応器121におけるメタン化反応の反応熱を回収し、回収した熱を蒸発器122へ供給して水Wを蒸発させて水蒸気S生成する。これにより、理論上、メタン化反応の効率が100%になり、SOECメタネーションシステム100の全体で8割から9割程度の効率が見込まれる。
As a measure against global warming, the use of green hydrogen, which is hydrogen produced using electricity EP derived from renewable energy sources, is being promoted. For example, the
しかし、水素を製造するSOEC124へ入力する電力として、太陽光や風力などの再生可能エネルギー由来の電力EPを使用する場合、気象条件や時間帯によって装置に入力される電力EPが変動することが考えられる。SOEC124に入力される電力EPの変動は、たとえば、そのSOEC124の下流側の発熱反応が行われるメタン化反応器121の負荷を変動させる。その結果、メタン化反応器121やその熱を利用する蒸発器122の安定性を低下させ、メタン化反応器121と蒸発器122との熱交換の効率を低下させるおそれがある。
However, when electricity EP derived from renewable energy sources such as solar or wind power is used as the power input to the
より詳細には、SOEC124に供給される再生可能エネルギー由来の電力EPが突発的に減少すると、SOEC124において生成される水素の量が減少し、メタン化反応器121の負荷が低下する。メタン化反応器121の負荷が低下して、メタン化反応の反応量が低下すると、熱媒HMを介してメタン化反応器121から回収される熱が減少し、熱媒HMを介して蒸発器122へ供給される熱が減少するおそれがある。このように蒸発器122へ供給される熱が減少すると、蒸発器122からSOEC124へ供給される水蒸気Sが減少し、SOEC124で生成される水素の量がさらに減少するおそれがある。
More specifically, if the renewable energy-derived electricity EP supplied to the
このように、再生可能エネルギー由来の電力EPが突発的に減少することに起因するSOEC124における水素の生成量の減少は、たとえば、熱媒HMの温度や流量などの条件を再調整することで、安定状態へ復帰することは可能である。しかし、SOEC124における水素の生成量の減少が発生してから安定状態に復帰するまでには、一定の時間を要し、その間に多大な損失を被るおそれがある。
In this way, the decrease in the amount of hydrogen produced in the
これに対し、本実施形態の熱媒循環システム10は、メタン化反応器121などの発熱反応が行われる反応器21と、蒸発器122などの熱を必要とする装置22と、を備え、これらの反応器21と装置22とに熱媒HMを循環させるシステムである。熱媒循環システム10は、恒温槽11と、第1流路12、第2流路13とを備えている。恒温槽11は、熱媒HMを貯留して所定の温度範囲に維持する。第1流路12は、反応器21と恒温槽11との間で熱媒HMを循環させて反応器21の熱を熱媒HMへ移動させる。第2流路13は、装置22と恒温槽11との間で熱媒HMを循環させて熱媒HMの熱を装置22へ移動させる。本実施形態の熱媒循環システム10において、熱媒HMは、単一の恒温槽11を経由して第1流路12と第2流路13とを循環する。
In contrast, the heat
このような構成により、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、発熱反応が行われる反応器21の熱を、第1流路12に循環される熱媒HMへ移動させて効率よく熱回収することができる。また、第2流路13に循環される熱媒HMの熱を、熱を必要とする装置22へ移動させて効率よく熱供給することで、反応器21と装置22との間の熱交換の効率を向上させることができる。
With this configuration, the heat
また、所定の温度範囲に維持された熱媒HMを貯留する同一の恒温槽11から流出し、反応器21の熱を回収して温度が上昇した熱媒HMおよび装置22へ熱を供給して温度が低下した熱媒HMが、それぞれ同一の恒温槽11へ流入する。これにより、所定の温度範囲よりも温度が上昇した熱媒HMと、所定の温度範囲よりも温度が低下した熱媒HMとが、恒温槽11に貯留された所定の温度範囲の熱媒HMに合流して混ざり合い、それぞれ所定の温度範囲の温度になる。
In addition, the heat medium HM that flows out of the same
したがって、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、再生可能エネルギー由来の電力EPの変動などにより、反応器21からの熱回収が変動しても、第2流路13に所定の温度範囲の熱媒HMを循環させ、熱を必要とする装置22に安定した熱供給が可能になる。すなわち、反応器21からの熱回収の変動を恒温槽11によって吸収して装置22の動作を安定させることができる。また、所定の温度範囲の熱媒HMが貯留された同一の恒温槽11と第1流路12および第2流路13との間で熱媒HMを循環させることで、反応器21と装置22との間の熱交換の効率を向上させ、省エネルギー効果が得られる。
Therefore, according to the heat
また、本実施形態の熱媒循環システム10において、恒温槽11は、熱媒HMを貯留する熱媒貯留部11aを有している。第1流路12は、反応器21の熱を熱媒HMへ移動させる第1熱交換部12aと、熱媒貯留部11aと第1熱交換部12aとの間に設けられ、第1流路12を流れる熱媒HMの流量を調節する第1ポンプ12bと、を有している。第2流路13は、熱媒HMの熱を装置22へ移動させる第2熱交換部13aと、熱媒貯留部11aと第2熱交換部13aとの間に設けられ、第2流路13を流れる熱媒HMの流量を調節する第2ポンプ13bと、を有する。
In the heat
このような構成により、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、第1ポンプ12bによって圧送する熱媒HMの流量を制御することで、恒温槽11の熱媒貯留部11aと第1熱交換部12aとの間を循環する熱媒HMの流量を制御することができる。また、第2ポンプ13bによって圧送する熱媒HMの流量を制御することで、恒温槽11の熱媒貯留部11aと第2熱交換部13aとの間を循環するHMの流量を制御することができる。したがって、反応器21の負荷の変動に応じて、恒温槽11の熱媒貯留部11aと、第1流路12および第2流路13のそれぞれとの間を循環する熱媒HMの流量を増減させ、反応器21および装置22の温度を適正な温度範囲に維持することが可能になる。
With this configuration, according to the heat
また、本実施形態の熱媒循環システム10において、恒温槽11の熱媒貯留部11aに貯留される熱媒HMの体積は、第1流路12および第2流路13を満たす熱媒HMの体積よりも大きい。このような構成により、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、所定の温度範囲よりも温度が上昇した熱媒HMと、所定の温度範囲よりも温度が低下した熱媒HMとが合流する熱媒貯留部11aの熱媒HMの温度変化を抑制して所定の温度範囲に維持できる。
In addition, in the heat
また、本実施形態の熱媒循環システム10において、熱を必要とする装置22は、たとえば、蒸発器122であり、発熱反応が行われる反応器21は、たとえば、メタン化反応器121である。このような構成により、恒温槽11に貯留された熱媒HMを第1流路12に循環させ、メタン化反応器121のメタン化反応で発生した熱を回収して、恒温槽11に貯留された熱媒HMに移動させることができる。また、恒温槽11に貯留された熱媒HMを第2流路13に循環させ、蒸発器122に熱を供給して水蒸気を発生させることができる。
In the heat
また、本実施形態の熱媒循環システム10において、蒸発器122は、たとえば、再生可能エネルギー由来の電力EPを使用して二酸化炭素と水蒸気から水素を含むガスを生成する固体酸化物形電解セル、すなわちSOEC124へ水蒸気を供給する。また、メタン化反応器121は、たとえば、固体酸化物形電解セル、すなわちSOEC124で生成された水素を含むガスが導入されてメタンを含むガスを生成する。
In the heat
このような構成により、本実施形態の熱媒循環システム10では、再生可能エネルギー由来の電力EPが変動すると、その電力を使用して水素を生成するSOEC124で生成される水素量が変動する。その結果、メタン化反応器121へ導入されるガスに含まれる水素が減少し、メタン化反応器121における発熱反応であるメタン化反応による発熱量が減少する。しかし、恒温槽11に貯留された所定の温度範囲の熱媒HMが第1流路12を循環することで、熱媒HMからメタン化反応器121へ必要な熱を移動させることができ、メタン化反応器121をメタン化反応に適正な温度範囲に維持することができる。
In this embodiment of the heat
また、メタン化反応器121における発熱量が減少して、メタン化反応器121からの熱回収が減少しても、恒温槽11に貯留されて所定の温度範囲に維持された熱媒HMが、恒温槽11と第2流路13との間で循環される。これにより、蒸発器122に必要な熱供給を継続し、蒸発器122からSOEC124へ水蒸気Sを安定して供給し、SOEC124で生成される水素量の減少を抑制し、メタン化反応器121におけるメタン化反応の安定性を向上させることができる。
In addition, even if the amount of heat generated in the
また、本実施形態の熱媒循環システム10において、恒温槽11に貯留される熱媒HMの所定の温度範囲は、反応器21の発熱反応を適切な温度範囲に維持可能で、かつ装置22に必要な熱を供給可能な温度範囲に設定されている。このような構成により、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、たとえば再生可能エネルギーに由来する電力EPが変動して反応器21の発熱反応の発熱量が減少しても、反応器21および装置22の安定性が低下するのを抑制できる。
In addition, in the heat
また、本実施形態の熱媒循環システム10は、恒温槽11に貯留される熱媒HMを所定の温度範囲に維持する温度制御装置14をさらに備えている。前述のように、反応器21の発熱反応の発熱量が減少し、第1流路12から恒温槽11へ流入する熱媒HMの温度が低下した場合に、条件によっては恒温槽11に貯留された熱媒HMの温度が所定の温度範囲よりも低下する可能性がある。しかし、このような場合でも、本実施形態の熱媒循環システム10によれば、温度制御装置14によって恒温槽11に貯留される熱媒HMを加熱して所定の温度範囲に維持することができる。
The heat
以上、図面を用いて本開示に係る熱媒循環システムの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。 The above describes in detail an embodiment of the heat transfer medium circulation system according to the present disclosure using the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there are design changes, etc., within the scope that does not deviate from the gist of this disclosure, they are included in this disclosure.
たとえば、前述の実施形態の熱媒循環システム10では、発熱反応が行われる反応器21と、熱を必要とする装置22とが、それぞれ一つずつである例を説明した。しかし、反応器21と装置22は、それぞれ、二つ以上であってもよい。この場合、各々の反応器21に第1流路12を設け、各々の装置22に第2流路13を設けることができる。また、熱媒循環システム10は、吸熱反応が行われる反応器に対して第2流路13を設けて熱供給を行ってもよく、放熱を必要する装置に第1流路12を設けて熱回収を行ってもよい。また、熱媒循環システム10は、恒温槽11と保温を必要とする装置との間に熱媒を循環させる保温流路を有してもよい。
For example, in the above embodiment, the heat
以下、本開示に係る熱媒循環システムとは異なる比較例の熱媒循環システムと、本開示に係る熱媒循環システムの実施形態とを対比して説明する。なお、各比較例において、前述の実施形態で説明した構成と同様の構成については、前述の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。 Below, comparative examples of heat medium circulation systems different from the heat medium circulation system according to the present disclosure will be described in comparison with the embodiment of the heat medium circulation system according to the present disclosure. Note that in each comparative example, configurations similar to those described in the above-mentioned embodiment will be assigned the same reference numerals as in the above-mentioned embodiment, and descriptions thereof will be omitted.
[比較例1]
図4は、SOECメタネーションシステム100Xに含まれる比較例1の熱媒循環システム110Xのブロック図である。比較例1の熱媒循環システム110Xは、第1熱媒流路111Xと、第2熱媒流路112Xと、熱媒循環ポンプ113Xと、熱媒加熱器114Xと、温度制御装置115Xと、を備えている。なお、この比較例1では、蒸発器122において、メタン化反応器121の発熱量以上の熱量が必要とされると仮定する。
[Comparative Example 1]
4 is a block diagram of a heat
第1熱媒流路111Xは、メタン化反応器121と蒸発器122とを接続する熱媒HMの流路であり、メタン化反応器121で熱回収を行った熱媒HMを蒸発器122へ流入させる。第2熱媒流路112Xは、蒸発器122とメタン化反応器121とを接続する熱媒HMの流路であり、蒸発器122に熱供給を行った熱媒HMを、熱媒加熱器114Xを介してメタン化反応器121へ流入させる。
The first heat
熱媒循環ポンプ113Xは、たとえば、第1熱媒流路111Xまたは第2熱媒流路112Xの途中に設けられて、熱媒HMを圧送する。これにより、熱媒HMは、メタン化反応器121から蒸発器122へ、蒸発器122から熱媒加熱器114Xへ、熱媒加熱器114Xからメタン化反応器121へ、と循環する。熱媒加熱器114Xは、蒸発器122へ熱供給して温度が低下した熱媒HMを加熱して、蒸発器122への熱供給により不足した熱量を熱媒HMに加える。温度制御装置115Xは、熱媒加熱器114Xを制御して熱媒HMの温度を制御する。
The heat
[比較例2]
図5は、SOECメタネーションシステム100Yに含まれる比較例2の熱媒循環システム110Yのブロック図である。比較例2の熱媒循環システム110Yは、比較例1の熱媒循環システム110Xと同様に、第1熱媒流路111Yと、第2熱媒流路112Yと、熱媒循環ポンプ113Yと、熱媒加熱器114Yと、温度制御装置115Yと、を備えている。これらの各部は、比較例1の熱媒循環システム110Xの各部と同様であるので、説明を省略する。
[Comparative Example 2]
5 is a block diagram of a heat
比較例2の熱媒循環システム110Yは、比較例1の熱媒循環システム110Xと同様の構成に加え、熱媒冷却装置116Yと、温度制御装置117Yと、熱交換部118Yとを、さらに備えている。なお、この比較例2では、メタン化反応器121の発熱量が、蒸発器122において必要とされる熱量以上であると仮定する。
The heat
熱媒冷却装置116Yは、第1熱媒流路111Yの途中に設けられ、メタン化反応器121で熱回収を行って温度が上昇した熱媒HMを冷却して温度を低下させる。温度制御装置117Yは、熱媒冷却装置116Yを制御して熱媒HMの温度を制御する。熱交換部118Yは、たとえば、熱媒冷却装置116Yにおいて熱回収を行い、熱媒加熱器114Yにおいて熱供給を行う熱媒と、その熱媒を循環させる流路と、その熱媒を圧送するポンプとを備えている。
The heat
以下、前述の実施形態に係る熱媒循環システム110と、比較例1,2に係る熱媒循環システム110X,110Yとを対比して、本実施形態に係る熱媒循環システム110の作用を説明する。
Below, the operation of the heat
ここで、蒸発器122が必要とする熱を600[kW]、メタン化反応器121の発熱量を400[kW]、熱媒HMの流量を0.01[m3/s]、熱媒HMの密度を868.7[kg/m3]、熱媒HMの比熱を2.35[kJ/kg/K]、熱媒HMの全圧を1[MPa]とする。また、蒸発器122は、250[℃]以上の熱媒HMを流入させることが要求され、メタン化反応器121は、250[℃]の熱媒HMを流入させることが要求されるとする。
Here, the heat required by the
また、計算上の仮定は、次のとおりである。本実施形態の熱媒循環システム110において、第1流路112および第2流路113に、同一の流量の熱媒HMを循環させる。熱媒HMの密度および比熱の温度依存性は考慮せず一定値とする。比較例2の熱媒循環システム110Yにおいて、熱交換部118Yを介した熱媒加熱器114Yと熱媒冷却装置116Yとの間の間接的な熱交換率は、80[%]である。
The assumptions for the calculation are as follows. In the heat
前述の実施形態の熱媒循環システム110において、第1流路112から恒温槽111へ流入する熱媒HMと、第2流路113から恒温槽111へ流入する熱媒HMとの間の直接的な熱交換率は、100[%]である。また、熱媒HMが循環する流路は断熱系である。また、前述の実施形態の熱媒循環システム110と、比較例2の熱媒循環システム110Yにおいて、蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度を250[℃]に制御する。
In the heat
上記の仮定の下、SOECメタネーションシステムの定常状態、メタン化反応器121の負荷が定常状態の50[%]に減少した第1過渡状態、および、蒸発器122の負荷が定常状態の50[%]に減少した第2過渡状態のそれぞれの状態について説明する。
Under the above assumptions, we will explain the steady state of the SOEC methanation system, the first transient state in which the load on the
(定常状態)
定常状態において、熱媒HMの温度は、蒸発器122への熱供給によって29.4[℃]低下し、メタン化反応器121からの熱回収によって19.6[℃]上昇する。
(steady state)
In a steady state, the temperature of the heat medium HM decreases by 29.4 [° C.] due to the heat supply to the
図4に示す比較例1の熱媒循環システム110Xでは、メタン化反応器121へ流入する熱媒HMの温度を熱媒加熱器114Xおよび温度制御装置115Xによって250[℃]に制御する。すると、メタン化反応器121で熱回収を行って蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度は269.6[℃]になり、蒸発器122で熱供給を行って熱媒加熱器114Xへ流入する熱媒HMの温度は240.2[℃]になる。したがって、熱媒加熱器114Xにおいて熱媒HMを250[℃]に加熱するために要求される性能は、200[kW]である。
In the heat
図5に示す比較例2の熱媒循環システム110Yでは、メタン化反応器121と、蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度を、それぞれ、熱媒加熱器114Yおよび温度制御装置115Yと、熱媒冷却装置116Yおよび温度制御装置117Yによって、250[℃]に制御する。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は220.6[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は269.6[℃]となり、熱媒加熱器114Yと熱媒冷却装置116Yに要求される性能は、それぞれ、600[kW]と400[kW]である。熱交換部118Yによる熱交換まで考慮すると、要求される性能は、360[kw]である。
In the heat
図3に示す前述の実施形態の熱媒循環システム110では、恒温槽111に貯留される熱媒HMを250[℃]に制御する。これにより、メタン化反応器121および蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度も250[℃]になる。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は220.6[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は269.6[℃]となり、それぞれの熱媒HMが恒温槽111へ流入して直接的な熱交換が行われる。
In the heat
その結果、恒温槽111に貯留された熱媒HMを250[℃]に維持するために、温度制御装置114によって熱媒HMを加熱する場合でも、要求される加熱性能は、200[kW]である。したがって、定常状態において、前述の実施形態に係る熱媒循環システム110と比較例1の熱媒循環システム110Xとが同等のエネルギー効率になり、比較例2の熱媒循環システム110Yのエネルギー効率が最も低くなる。
As a result, even when the heat medium HM stored in the
(第1過渡状態)
第1過渡状態は、メタン化反応器121の負荷が200[kW]になり、定常状態の50[%]に低下した状態である。この第1過渡状態において、熱媒HMの温度は、蒸発器122への熱供給によって29.4[℃]低下し、メタン化反応器121からの熱回収によって9.8[℃]上昇する。
(First Transient State)
The first transient state is a state in which the load of the
図4に示す比較例1の熱媒循環システム110Xでは、メタン化反応器121へ流入する熱媒HMの温度を熱媒加熱器114Xおよび温度制御装置115Xによって250[℃]に制御する。すると、メタン化反応器121で熱回収を行って蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度は259.8[℃]になり、蒸発器122で熱供給を行って熱媒加熱器114Xへ流入する熱媒HMの温度は230.4[℃]になる。したがって、熱媒加熱器114Xにおいて熱媒HMを250[℃]に加熱するために要求される性能は、400[kW]である。
In the heat
図5に示す比較例2の熱媒循環システム110Yでは、メタン化反応器121と、蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度を、それぞれ、熱媒加熱器114Yおよび温度制御装置115Yと、熱媒冷却装置116Yおよび温度制御装置117Yによって、250[℃]に制御する。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は220.6[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は259.8[℃]となり、熱媒加熱器114Yと熱媒冷却装置116Yに要求される性能は、それぞれ、600[kW]と200[kW]である。熱交換部118Yによる熱交換まで考慮すると、要求される性能は、480[kw]である。
In the heat
図3に示す前述の実施形態の熱媒循環システム110では、恒温槽111に貯留される熱媒HMを250[℃]に制御する。これにより、メタン化反応器121および蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度も250[℃]になる。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は220.6[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は259.8[℃]となり、それぞれの熱媒HMが恒温槽111へ流入して直接的な熱交換が行われる。
In the heat
その結果、恒温槽111に貯留された熱媒HMを250[℃]に維持するために、温度制御装置114によって熱媒HMを加熱する場合でも、要求される加熱性能は、400[kW]である。したがって、定常状態と同様に、第1過渡状態においても、前述の実施形態に係る熱媒循環システム110と比較例1の熱媒循環システム110Xとが同等のエネルギー効率になり、比較例2の熱媒循環システム110Yのエネルギー効率が最も低くなる。
As a result, even when the heat medium HM stored in the
(第2過渡状態)
第2過渡状態は、蒸発器122の負荷が300[kW]になり、定常状態の50[%]に低下した状態である。この第2過渡状態において、熱媒HMの温度は、蒸発器122への熱供給によって14.7[℃]低下し、メタン化反応器121からの熱回収によって19.6[℃]上昇する。
(Second Transient State)
The second transient state is a state in which the load of the
図4に示す比較例1の熱媒循環システム110Xでは、メタン化反応器121へ流入する熱媒HMの温度を熱媒加熱器114Xおよび温度制御装置115Xによって250[℃]に制御する。すると、メタン化反応器121で熱回収を行って蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度は269.6[℃]になり、蒸発器122で熱供給を行って熱媒加熱器114Xへ流入する熱媒HMの温度は254.9[℃]になる。ここで、メタン化反応器121へ流入する熱媒HMを250[℃]に低下させる必要があるが、熱媒加熱器114Xでは熱媒HMを冷却できないため、必要な温度条件を満たすことができない。
In the heat
図5に示す比較例2の熱媒循環システム110Yでは、メタン化反応器121と、蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度を、それぞれ、熱媒加熱器114Yおよび温度制御装置115Yと、熱媒冷却装置116Yおよび温度制御装置117Yによって、250[℃]に制御する。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は235.3[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は269.6[℃]となり、熱媒加熱器114Yと熱媒冷却装置116Yに要求される性能は、それぞれ、300[kW]と400[kW]である。熱交換部118Yによる熱交換まで考慮すると、要求される性能は、220[kw]である。
In the heat
図3に示す前述の実施形態の熱媒循環システム110では、恒温槽111に貯留される熱媒HMを250[℃]に制御する。これにより、メタン化反応器121および蒸発器122へ流入する熱媒HMの温度も250[℃]になる。すると、蒸発器122から流出した熱媒HMの温度は235.3[℃]、メタン化反応器121から流出した熱媒HMの温度は269.6[℃]となり、それぞれの熱媒HMが恒温槽111へ流入して直接的な熱交換が行われる。
In the heat
その結果、恒温槽111に貯留された熱媒HMを250[℃]に維持するために、温度制御装置114によって熱媒HMを加熱する場合でも、要求される加熱性能は、100[kW]である。したがって、第2過渡状態では、前述の実施形態に係る熱媒循環システム110は、比較例2の熱媒循環システム110Yよりもエネルギー効率が高くなる。また、比較例1の熱媒循環システム110Xは、熱媒HMの温度条件を満たすことができず、システムが成立しなくなる。
As a result, even when the heat medium HM stored in the
以上のように、前述の実施形態の熱媒循環システム110は、上記定常状態、第1過渡状態、および第2過渡状態のいずれの状態においても、比較例1,2の熱媒循環システム110X,110Yのうち、一方と同等かつ他方よりも高いエネルギー効率を達成できる。
As described above, the heat transfer
これに対し、比較例1の熱媒循環システム110Xは、蒸発器122に流入する熱媒HMの温度を制御する手段を有しないため、メタン化反応器121と蒸発器122のいずれかの負荷が変動すると、熱の需給関係が成立しなくなるおそれがある。また、比較例1に係る熱媒循環システム110Xでは、再生可能エネルギーに由来する電力EPが突発的に減少してSOEC124で生成される水素が減少すると、メタン化反応器121における熱回収が減少して、蒸発器122における熱供給が減少する。すなわち、メタン化反応器121の負荷の変動が蒸発器122に影響を及ぼす。
In contrast, the heat
また、比較例2の熱媒循環システム110Yは、熱媒加熱器114Yに加えて熱媒冷却装置116Yを有するため、本実施形態の熱媒循環システム110と比較して消費エネルギーが増大する。また、熱交換部118Yによってエネルギー効率を向上させることは可能である。しかし、熱交換部118Yでは熱媒流路を介した間接的な熱交換が行われるため、本実施形態の熱媒循環システム110の恒温槽111における温度の異なる熱媒HM同士の直接的な熱交換と比較して、効率は低くなる。
The heat
さらに、比較例2の熱媒循環システム110Yでは、再生可能エネルギーに由来する電力EPが突発的に減少してSOEC124で生成される水素が減少すると、メタン化反応器121における熱回収が減少して、蒸発器122における熱供給が減少する。すなわち、メタン化反応器121の負荷の変動が蒸発器122に影響を及ぼす。
Furthermore, in the heat
これに対し、前述の実施形態の熱媒循環システム110は、熱媒HMを貯留して所定の温度範囲に維持する恒温槽111を有するため、メタン化反応器121と蒸発器122のいずれか一方の負荷の変動が他方に与える影響を低減することができる。したがって、前述の実施形態によれば、メタン化反応器121または蒸発器122の負荷が変動しても、比較例1,2と比較して、エネルギー効率が高く、熱媒HMの温度条件を満たすことができ、制御条件を変更する必要がない熱媒循環システム110を提供することができる。
In contrast, the heat
10 熱媒循環システム
11 恒温槽
11a 熱媒貯留部
12 第1流路
12a 第1熱交換部
12b 第1ポンプ
13 第2流路
13a 第2熱交換部
13b 第2ポンプ
14 温度制御装置
21 反応器
22 装置
110 熱媒循環システム
111 恒温槽
112 第1流路
113 第2流路
114 温度制御装置
121 メタン化反応器(反応器)
122 蒸発器(装置)
124 SOEC(固体酸化物形電解セル)
EP 電力
HM 熱媒
S 水蒸気
10 Heat
122 Evaporator (apparatus)
124 SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell)
EP Electric power HM Heat transfer medium S Steam
Claims (7)
前記熱媒を貯留して所定の温度範囲に維持する恒温槽と、
前記反応器と前記恒温槽との間で前記熱媒を循環させて前記反応器の熱を前記熱媒へ移動させる第1流路と、
前記装置と前記恒温槽との間で前記熱媒を循環させて前記熱媒の熱を前記装置へ移動させる第2流路と、を備え、
前記熱媒は、単一の前記恒温槽を経由して前記第1流路と前記第2流路とを循環することを特徴とする熱媒循環システム。 A heat transfer medium circulation system comprising a reactor in which an exothermic reaction takes place and a device requiring heat, and circulating a heat transfer medium between the reactor and the device,
a thermostatic bath for storing the heat transfer medium and maintaining the heat transfer medium at a predetermined temperature range;
a first flow path that circulates the heat medium between the reactor and the thermostatic chamber to transfer heat of the reactor to the heat medium;
a second flow path that circulates the heat medium between the device and the thermostatic chamber to transfer heat of the heat medium to the device;
A heat medium circulation system, characterized in that the heat medium circulates through the first flow path and the second flow path via a single thermostatic chamber.
前記第1流路は、前記反応器の熱を前記熱媒へ移動させる第1熱交換部と、前記熱媒貯留部と前記第1熱交換部との間に設けられ、前記第1流路を流れる前記熱媒の流量を調節する第1ポンプと、を有し
前記第2流路は、前記熱媒の熱を前記装置へ移動させる第2熱交換部と、前記熱媒貯留部と前記第2熱交換部との間に設けられ、前記第2流路を流れる熱媒の流量を調節する第2ポンプと、を有することを特徴とする請求項1に記載の熱媒循環システム。 The thermostatic bath has a heat medium reservoir that reserves the heat medium,
2. The heat medium circulation system according to claim 1, wherein the first flow path comprises a first heat exchange unit that transfers heat from the reactor to the heat medium, and a first pump that is provided between the heat medium storage unit and the first heat exchange unit and that adjusts a flow rate of the heat medium flowing through the first flow path; and the second flow path comprises a second heat exchange unit that transfers heat of the heat medium to the device, and a second pump that is provided between the heat medium storage unit and the second heat exchange unit and that adjusts a flow rate of the heat medium flowing through the second flow path.
前記反応器は、メタン化反応器であることを特徴とする請求項1に記載の熱媒循環システム。 the device is an evaporator;
2. The heat medium circulation system according to claim 1, wherein the reactor is a methanation reactor.
前記メタン化反応器は、前記固体酸化物形電解セルで生成された水素を含むガスが導入されてメタンを含むガスを生成することを特徴とする請求項4に記載の熱媒循環システム。 The evaporator supplies water vapor to a solid oxide electrolysis cell that produces a gas containing hydrogen from carbon dioxide and water vapor using electricity derived from renewable energy;
5. The heat medium circulation system according to claim 4, wherein the methanation reactor receives the hydrogen-containing gas produced in the solid oxide electrolysis cell and produces a methane-containing gas.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022205591A JP2024089990A (en) | 2022-12-22 | 2022-12-22 | Heat medium circulation system |
PCT/JP2023/039009 WO2024135103A1 (en) | 2022-12-22 | 2023-10-30 | Heat medium circulating system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022205591A JP2024089990A (en) | 2022-12-22 | 2022-12-22 | Heat medium circulation system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024089990A true JP2024089990A (en) | 2024-07-04 |
Family
ID=91588389
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022205591A Pending JP2024089990A (en) | 2022-12-22 | 2022-12-22 | Heat medium circulation system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024089990A (en) |
WO (1) | WO2024135103A1 (en) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002364916A (en) * | 2001-06-12 | 2002-12-18 | Tokyo Gas Co Ltd | Hot-water supply system provided with hot-water storage tank |
WO2016161999A1 (en) * | 2015-04-08 | 2016-10-13 | Sunfire Gmbh | Heat management method in a high-temperature steam electrolysis [soec], solid oxide fuel cell [sofc] and/or reversible high-temperature fuel cell [rsoc], and high-temperature steam electrolysis [soec], solid oxide fuel cell [sofc] and/or reversible high-temperature fuel cell [rsoc] arrangement |
JP6994331B2 (en) * | 2017-09-13 | 2022-01-14 | 日立造船株式会社 | Heat utilization type gas refining system |
JP2018096682A (en) * | 2017-12-15 | 2018-06-21 | パーパス株式会社 | Fuel cell system |
JP7312207B2 (en) * | 2021-03-19 | 2023-07-20 | 株式会社豊田中央研究所 | Hydrogen production system |
-
2022
- 2022-12-22 JP JP2022205591A patent/JP2024089990A/en active Pending
-
2023
- 2023-10-30 WO PCT/JP2023/039009 patent/WO2024135103A1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024135103A1 (en) | 2024-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6346013B2 (en) | Hydrogen production apparatus and method using high temperature steam electrolysis | |
US7381313B2 (en) | Integrated hydrogen production and processing system and method of operation | |
JP6244242B2 (en) | Hydrogen production system and hydrogen production method | |
US20050069741A1 (en) | Fuel cell system | |
CN107534171A (en) | Method and its related system to carrying out heat management for the system of cogeneration of heat and power | |
US20160024666A1 (en) | Electrochemical compressor utilizing an electrolysis | |
KR101355238B1 (en) | Solid oxide fuel cell system and method of operating the same | |
Wei et al. | Proposed combined cold and power system integrated SOFC, sSCO2 power cycle and compression-absorption refrigeration with [Na (Tx-7)] SCN/NH3 as working fluid | |
WO2024135103A1 (en) | Heat medium circulating system | |
Zhu et al. | Upgrading the low-grade waste heat from alkaline fuel cells via isopropanol-acetone-hydrogen chemical heat pumps | |
JP4649090B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP2001065976A (en) | Cogeneration system | |
CN112844266A (en) | Temperature control system and method for hydrogenation reactor | |
JP2004111209A (en) | Fuel cell power generation system | |
WO2023210125A1 (en) | System for producing hydrocarbons | |
US12110229B2 (en) | Process for recovering heat at high temperatures in plasma reforming systems | |
WO2020208949A1 (en) | Hydrogen system | |
CN219083235U (en) | Heating system of supercritical CO2 coupling phase change energy storage material | |
WO2024075750A1 (en) | Hydrocarbon generation system and carbon dioxide circulation system | |
JP4704733B2 (en) | Fuel cell system | |
CN115370436B (en) | Thermal power peak regulation system | |
KR20130022312A (en) | Combined heat and power generation fuel cell system and controlling method thereof | |
KR102683647B1 (en) | System of high-temperature steam electrolysis with extended life by controlling air flow | |
JPH0817455A (en) | Exhaust heat recovery device for fuel cell generating unit | |
WO2024214287A1 (en) | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system |