JP4313603B2 - ガスハイドレートによる蓄熱システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスガバナステーション、大型ＣＧＳ（コージェネレーションシステム）導入先ガス消費量変動対策、或いは、蓄熱空調システムとしての適用が可能なガスハイドレートによる蓄熱システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、都市ガスの需要調整には、図７の如き、球形のガスホルダー５０が用いられている。この種のガスホルダーは、一般に、都市の過密な場所に建設されているが、若し、これらのガスホルダーを省スペースで、かつ、安全な設備に代替えすることができれば、都市の美観の向上と土地の有効活用とが可能となる。
【０００３】
つまり、天然ガスハイドレート（以下、ＮＧＨという）の技術を利用することにより安全で、且つ、省エネルギーの期待できる新たなガスの需要調整システムを実現することが可能となる。
【０００４】
ところで、メタンを主体とする天然ガスは、所定の条件下で水と反応して水和物、即ち、ＮＧＨとなる。図８は、メタンを主体とする天然ガスの水和物が形成する解離線を示しており、この解離線の上側は、ＮＧＨが形成されている平衡領域であり、その下側は、天然ガスと水とが混在する非平衡領域となっている。
【０００５】
ＮＧＨの生成時は、発熱反応を伴うために、冷凍機などで生成熱を除去する必要がある。他方、天然ガスを必要とする時は、加熱してＮＧＨを天然ガスと水とに分解する必要がある。この時は、吸熱反応であり、ＮＧＨに直接又は間接的に熱分解用の熱エネルギーを与えることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３０４１９６号公報（第２−３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、ガス需要時に、ＮＧＨを加熱して天然ガスと水とに分解すると、ＮＧＨが保有している冷熱を無駄に捨ることになるため、冷熱エネルギーの損失が非常に大きい。
【０００８】
本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、ＮＧＨが保有している冷熱を有効に利用することができるガスハイドレートによる蓄熱システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、本発明は、夜間電力を用いて生成したガスハイドレートスラリーを貯槽に貯蔵し、ガス及び冷熱需要時に、前記貯槽内のガスハイドレートスラリーを減圧ガス化器に導入してガスと、ガスハイドレート生成水及びスラリー母液の一部が氷結した氷スラリーとを生成し、該氷スラリーで空調などの冷熱需要を賄うことを特徴とするガスハイドレートによる蓄熱システムである。
【００１０】
また、本発明は、空調負荷がない場合には、氷スラリーを、ガスハイドレート生成器の動力削減に供することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、ガスハイドレートスラリーを減圧ガス化器に導入する際に、ガスハイドレートスラリーの平衡温度、若しくは、それより低温の水で希釈することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、ガスハイドレートスラリーの貯蔵濃度が２０〜４５ｗｔ％である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るガスハイドレートによる蓄熱システムの概略構成図である。
【００１５】
本発明の場合、空調などの冷熱負荷がある場合（夏季）と、冷熱負荷のない場合（夏季以外）があるので、先ず、前者の場合について説明する。
【００１６】
図１において、１は、槽状の生成器であり、図示しないガスブースターによって所定圧（例えば、３４ａｔａ（３３．３ＭＰａ））に昇圧された都市ガス（天然ガス）ａを図示しないガス噴出ノズルから生成器１内に蓄えられた水（例えば、４℃）ｂの中に噴出させると、天然ガスａと水ｂとが反応してＮＧＨ（ｃ）が生成される（図３の点ａ参照）。その際、反応熱（生成熱）は、冷凍機２によって除去される。
【００１７】
生成されたＮＧＨ（ｃ）は、生成器１内の水（母液）と混合し、スラリー状（以下、ＮＧＨスラリーという）となる。生成器１内のＮＧＨスラリーｄは、スラリーポンプ３によって送出され、一旦、スラリー貯槽４内に貯蔵される。ここで、ＮＧＨの生成及び貯蔵は、安価な夜間電力を用いて行なわれる。
【００１８】
他方、昼間は、ガス及び冷熱需要が増大することから、図示しないスラリーポンプを運転してスラリー貯槽４内に貯蔵されているＮＧＨスラリーｄを混合器５を経て減圧ガス化器６に移送する。
【００１９】
減圧ガス化器６内は、所定圧（例えば、３ａｔａ（２．９ＭＰａ））に減圧されており、平衡が破られると、ＮＧＨ（ｃ）は、分解して再ガス化に至る（図３の点ｂ参照）。すなわち、ＮＧＨ（ｃ）は、非平衡の状態で分解を始めるが、この時に外部から熱を与えなければ、ＮＧＨ（ｃ）は、天然ガスａと水ｂとに分解し、ＮＧＨスラリーを形成している母液とともに自分自身から熱を奪うことになる。
【００２０】
従って、ＮＧＨ（ｃ）の分解によって生じた水（ガスハイドレート生成水）と母液の一部は、氷点（点ｂ）に達して氷となり、天然ガスａが抜けると、０℃の氷スラリーとなって冷熱を保有することになる。この冷熱は、もともと、ＮＧＨ生成時における冷凍機２の冷熱量に他ならない。ＮＧＨ生成時及びＮＧＨ分解時に１００ｋｃａｌ／ｋｇ（ＮＧＨ）という熱量が発熱乃至吸熱されることが分かっている。
【００２１】
つまり、ＮＧＨ生成時には、ＮＧＨ１ｋｇ当たりの生成解離熱（発熱反応）が冷凍機２によって除去される。また、ＮＧＨ分解時には、ＮＧＨ１ｋｇ当たりの分解解離熱（吸熱反応）として自分自身を冷却するのである。
【００２２】
ガス需要時の減圧分解は、上述した如く、減圧ガス化器６にて行なわれる。この減圧ガス化器６は、ＮＧＨスラリーｄが０℃の氷スラリーｅとなるように設計されている。回収水ポンプ７によって減圧ガス化器６から連続的に送出される氷スラリーｅは、所定の粒径にするための破砕機（図示せず）を経由して熱交換器（空調負荷）８に与えられる。
【００２３】
負荷を与えられた氷スラリーｅは、全て水になり、その一部は、スラリー貯槽４と減圧ガス化器６との間を接続する管路の途中にある混合器５に導入され、先のＮＧＨスラリーｄの濃度を下げるようになっている。つまり、スラリー貯槽４は、夜間に生成されたＮＧＨを高密度に貯蔵することにより、スラリー貯槽４の容積を極小にする必要があるが、その後のＮＧＨスラリーの搬送を容易にする必要があるからである。
【００２４】
スラリー貯槽４におけるＮＧＨスラリーの濃度は、２０〜４５ｗｔ％程度であるが、混合器５以降のＮＧＨスラリーの濃度は、１２ｗｔ％程度とし、通常の水と同様の流体として取り扱うことができるようになっている。
【００２５】
ここで、混合器５に混入する戻り水（希釈水）ｂを３℃に設定するのは、ＮＧＨスラリーｄが４℃で平衡を保っているところに、それより高温の冷水が戻ると、ＮＧＨの一部が分解する恐れがあるからである。その後、減圧されて天然ガスが放出された後の氷スラリーｅの濃度は、１２．１ｗｔ％であり、ＮＧＨスラリーと同様の流体として扱える。この氷スラリーｅは、空調負荷を賄って全て水となり、夜間のＮＧＨ生成時まで回収水槽９に貯蔵される。回収水槽９からの水の移送は、移送ポンプ１０により行なわれるようになっている。
【００２６】
昼夜にわたって天然ガスからＮＧＨを生成乃至分解することにより、従来の球形のガスホルダーに代わってガスの需要バランスを調整する役割を果たすことになる。
【００２７】
例えば、従来の球形のガスホルダー（現行の中圧貯蔵）の包蔵ガス量は、６．８Ｎｍ³ ／ｍ³ であるが、ＮＧＨスラリー貯蔵方式では、スラリー濃度を４５ｗｔ％とすると、６８Ｎｍ³ ／ｍ³ であり、約１／１０の容積で済む。但し、昼間の余剰水を貯める回収水槽９を要するため、約１／５の容積となる。
【００２８】
尚、回収水槽９は、スラリー貯槽４と同じ容積を要する。つまり、従来の球形のガスホルダーに比べ約２０％の容積で同一ガス量を包蔵することが可能である。その上、図６に示すように、これらの設備を地下に移行することにより、都市の美観の向上と土地の有効活用とが可能となる。
【００２９】
上記減圧ガス化器６で再ガス化された天然ガス（都市ガス）ａは、需要先（市中）に供給されるが、例えば、その一部を燃料ガスとして、コージェネレーションシステムを構成しているガスエンジン２１に供給することも考えられる。この場合、発電機２２は、ガスエンジン２１により駆動され、ガスエンジン２１から排出された排ガスは、廃熱ボイラ２３に導入されるようになっている。尚、符号２４は、吸収式冷凍機を示している。
【００３０】
次に、図４を用いて空調などの冷熱負荷のない場合（夏季以外）の運転方法について説明する。
既に説明したように、空調などの冷熱負荷がある場合は、再ガス化時の分解解離熱を空調負荷に利用したが、空調負荷がない場合には、氷スラリーｅを、昼間に、回収水槽９に貯蔵し、夜間のＮＧＨ製造時に、回収水槽９内の氷スラリーｅを生成器１に供給する。
【００３１】
この場合、氷スラリーｅによってＮＧＨ生成時の生成熱の一部を除去することができるため、冷凍機２の負荷を大幅に低減することができる。
従って、本発明によれば、通年にわたって省エネルギーなガス需要調整が可能となる。
【００３２】
次に、本発明を実施例によって更に詳しく説明する。
【実施例】
（実施例）
本発明のプラント概要とその収益を「表１」に示す。この「表１」から空調を行なわない場合は、年間約５００万円の電力費がかかるが、空調を３ケ月行なうと、約１９００万円の年間収益があることが分かる。尚、土地の有効活用が可能であれば、更に、代替え設備の経済性が向上する。
【００３３】
尚、エネルギーメリット概算（通年）は、下記の項目に基づいて算出した。
（１） 昼間電力：１２．９円／ｋＷｈｒ
（２） 夜間電力： ５．９円／ｋＷｈｒ
（３） 昼間冷熱： ４０円／Ｍｃａｌ
（４） 昼夜運転： ８毎ｈｒ／日
ところで、「表１」のプラントは、天然ガスを１ｔ／ｈｒ貯蔵するシステムを想定したものである。
【００３４】
ここで、「空調負荷あり」の場合、希釈水の混合比を１．５に設定すると、合計動力４７０ｋＷ、冷凍効果２９８ＵＳＲＴ、回収水槽出口スラリー濃度０％は、図４のグラフより得られる。
【００３５】
一方、「空調負荷なし」の場合、希釈水の混合比を５に設定すると、合計動力２４３ｋＷ、冷凍効果０ＵＳＲＴ、回収水槽出口スラリー濃度６１％は、図５のグラフより得られる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【発明の効果】
上記のように、本発明は、夜間電力を用いて生成したガスハイドレートスラリーを貯槽に貯蔵し、ガス及び冷熱需要時に、前記ガスハイドレートスラリーを減圧ガス化器に導入してガス及び氷スラリーを生成し、該氷スラリーで空調などの冷熱需要を賄うようにしたので、下記のような効果がある。
【００３８】
すなわち、
（１） 空調を行なわない場合は、電力費がかかるが、空調を数カ月行なうと、収益を得ることができる。つまり、空調負荷がない時は、分解解離熱を利用して冷凍機動力を大幅に低減可能であり、ガス貯蔵にＮＧＨの技術を適用しても過大なエネルギーを必要としない。
（２） ＮＧＨを減圧分解させることにより、分解加熱用の熱交換器が不要となる。
（３） 空調負荷用の熱交換器は、氷スラリーと被冷却媒体との温度差が大きいことからコンパクトにできる。
（４） 電力及びガス需要の平準化に寄与する。
（５） ＬＮＧ輸入基地におけるＢＯＧ（Boil off Gas) の間接処理システムとして適用可能である。
（６） 大型ＣＧＳ（コージェネレーションシステム）の導入に当たってガス導管の増強、例えば、ガス圧の上昇、口径の増大などが不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスハイドレートによる蓄熱システムの概略構成図である。
【図２】空調負荷がない場合の運転方法の説明図である。
【図３】本発明の原理を示す説明図である。
【図４】空調ありの場合のプラント変化を示す線図である。
【図５】空調なしの場合のプラント変化を示す線図である。
【図６】本発明の設備を地下に建設した場合の説明図である。
【図７】従来のガスホルダーステーションの側面図である。
【図８】天然ガスハイドレートの解離線の説明図である。
【符号の説明】
ａ ガス
ｄ ガスハイドレートスラリー
ｅ 氷スラリー
４ 貯槽
６ 減圧ガス化器
８ 空調などの冷熱需要

Claims (4)

1. 夜間電力を用いて生成したガスハイドレートスラリーを貯槽に貯蔵し、ガス及び冷熱需要時に、前記貯槽内のガスハイドレートスラリーを減圧ガス化器に導入してガスと、ガスハイドレート生成水及びスラリー母液の一部が氷結した氷スラリーとを生成し、該氷スラリーで空調などの冷熱需要を賄うことを特徴とするガスハイドレートによる蓄熱システム。
2. 空調負荷がない場合には、氷スラリーを、ガスハイドレート生成器の動力削減に供することを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートによる蓄熱システム。
3. ガスハイドレートスラリーを減圧ガス化器に導入する際に、ガスハイドレートスラリーの平衡温度、若しくは、それより低温の水で希釈することを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートによる蓄熱システム。
4. ガスハイドレートスラリーの貯蔵濃度が２０〜４０ｗｔ％である請求項１記載のガスハイドレートによる蓄熱システム。

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