JP4500105B2 - 地熱発電・水素製造システム - Google Patents

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本発明は地熱発電により水素を製造するシステムに関する。
周知のように、燃料電池は水素と酸素を燃料としてそれらの化学反応により電気エネルギーを得る新エネルギー源であり、自動車（燃料電池車）用の電源やコジェネレーションシステムに利用して極めて有効と考えられている。その燃料電池の燃料としての酸素は空気中の酸素をそのまま利用できるが、水素は天然ガス等の化石燃料から製造するか、あるいは水を水素と酸素とに電気分解することで製造することが主流となると考えられており、たとえば特許文献１には発電プラントと水電解プラントとを組み合わせて水素を製造するシステムの提案がなされている。
特開２００３−３２８１７２号公報
特許文献１に示されるものはシステム全体が複雑かつ大がかりに過ぎるばかりでなく、発電プラントとしては地熱や温泉水、太陽熱等の自然エネルギーを利用することも想定してはいるが基本的には火力発電を想定していることから、炭酸ガス（温室効果ガス）の発生の要因となって好ましくなく、また電気分解するべき水としては単なる淡水あるいは海水を凍結して得た淡水を利用していることから必ずしも充分な電気分解効率が得られるものではない。
いずれにしても、現時点では燃料電池用の水素を工業的規模で効率的に製造し得る有効適切な手法は確立しておらず、燃料電池の実用化と普及を図るためには総合エネルギー効率に優れかつ環境適合性に優れた水素製造システムの開発が不可欠であり急務とされている。
上記事情に鑑み、本発明の地熱発電・水素製造システムは、地熱生産井からの地熱流体を蒸気と熱水に分離し、分離した蒸気によってタービンを駆動するとともにその冷却水として海水、河川水、湖沼水等の天然水を使用して発電を行い、それにより得た電力によって、タービン冷却後の昇温天然水を原水として電気分解して水素を製造するようにしたことを特徴とするものである。本発明では、特にタービン冷却後の昇温天然水に地熱流体から分離した熱水を混合してさらに昇温し、その混合水を原水として電気分解を行うことが好ましい。
本発明は、地熱発電システムと水を電気分解することによる水素製造システムとを有機的に組み合わせて、地熱発電システムで得た電力で電気分解を行うことにより、地熱という自然エネルギーのみで水素を製造するものであり、したがって化石燃料の燃焼による発電システムによる場合のように環境負荷増大の要因となることはない。特に、本発明における地熱発電システムでは地熱蒸気によりタービンを駆動するとともにその復水用の冷却水として無尽蔵の海水や河川水あるいは湖沼水等の天然水を使用することにより、通常のタービン発電システムにおいて必要となる大規模な冷却塔設備を不要とできてシステム全体の簡略化と設備費・運転費の削減を実現できる。しかも、その冷却に利用して昇温した天然水を原水として電気分解して水素を製造することにより、常温の淡水を単に電気分解する場合に比べて電気分解効率が大幅に向上して優れた水素製造効率が得られ、以上のことから水素製造単価を充分に削減することができる。
さらに、本発明によれば、必要に応じてタービン冷却後の昇温天然水に地熱流体から分離した熱水を混合してさらに昇温し、その混合水を原水として電気分解を行うことにより、タービン冷却と電気分解の双方をいずれも最も効率的に行い得るようにそれぞれの水温設定を独立に行うことが可能であり、それにより一層の効率向上を実現することができる。
図１に本発明の地熱発電・水素製造システムの実施形態を示す。本実施形態のシステムは、地熱エネルギーの賦存地域である島嶼部や沿岸部に設けられるもので、地熱エネルギーによる地熱発電システムと、それにより得た電力で電気分解を行って水素を製造する水素製造システムとを有機的に組み合わせたものである。
すなわち、本実施形態のシステムは、地熱生産井１から得た地熱流体（蒸気および熱水）をセパレータ２（図示例では２段）において蒸気と熱水とに分離し、分離した蒸気をタービン３に送って減速機４を介して発電機５を駆動することにより発電を行う。タービン３からの排気蒸気は復水器６により冷却して復水するが、その冷却水としては天然水である海水を揚水ポンプ７により汲み上げて使用する。復水器６からは不凝縮性ガスをガス抽出真空ポンプ８により取り出すとともに、タービン３からの排気蒸気を冷却して水温が上昇した昇温海水（復水した排気蒸気を含む）を復水器６から封水ピット９に導いてそこに貯留する。
そして、封水ピット９からの昇温海水に、セパレータ２によって分離された熱水の一部を適宜混合してさらに昇温し、その混合水を電気分解の原水として電気分解水槽１０（図示例では３槽を並設している）に送り、ここで上記の発電機５により得られた電力によって電気分解を行い、得られた水素をガスホルダー１１からボンベ１２に充填し、余剰水は放流する。なお、熱水の残部は還元井から地中に還元するか、可能であれば適宜利用すれば良い。また、地熱生産井１からの余剰の地熱流体はサイレンサー１３を介して適宜放出すれば良い。
本実施形態のシステムによれば、地熱発電システムにより得た電力のみで電気分解を行って水素を製造することから、化石燃料の燃焼による従来の火力発電システムによる場合のように炭酸ガスの発生による環境負荷を増大させる要因は全くない。そして、地熱エネルギーはたとえば太陽エネルギーや風力エネルギー等の他の自然エネルギーに比べて遙かに高密度であるし安定に得ることができるものであり、特に火山国である我が国では地熱エネルギーによる潜在的な発電能力は１２０万ｋＷにも及ぶといわれており、本実施形態のシステムによりそのような地熱エネルギーを充分に有効利用することが可能となり、極めて合理的であり有効である。
また、本実施形態では地熱発電システムにおける冷却水として無尽蔵の海水を利用するので、通常のタービン発電システムにおいては不可欠である大規模な冷却塔設備は不要であり、システム全体の簡略化と設備費・運転費の削減を充分に図ることができる。
しかも、タービン冷却に利用した冷却後の昇温海水に熱水を混合してさらに昇温し、それを電気分解の原水とすることから、常温の淡水を単に電気分解する場合に比べて電気分解効率が大幅に向上して優れた水素製造効率が得られ、水素製造単価を充分に削減することが可能である。この場合、タービン３による発電効率を高めるためには海水による冷却温度が充分に低い（たとえば２５℃以下）ことが好ましく、逆に、電気分解水槽１０での電気分解効率を高めるためにはそこでの原水の水温が充分に高い（たとえば６０℃程度）ことが好ましいので、それら双方の条件を満足するように、海水によるタービン冷却温度や、昇温海水に対する熱水の混合量を最適に設定すれば良い。
以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで一例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されることなく適宜の変形、応用が可能である。
たとえば、上記実施形態では、タービン冷却後の昇温海水に熱水を混合してさらに昇温させ、それを電気分解の原水とすることによって、タービン冷却と電気分解の双方を効率的に行い得るような最適な設定が可能であるという効果が得られるのであるが、必ずしもそうすることはなく、熱水が充分に得られないような場合には冷却後の昇温海水のみをそのまま原水として電気分解することでも良い。この場合、海水による冷却と、その後の昇温海水のみを原水とする電気分解の双方が最も効率的に行われるためには、タービン冷却後の昇温海水の水温（電気分解の原水としての水温）を５０〜６０℃程度に設定することが好ましく、そのような水温を維持するように冷却水量を調節すると良い。
また、上記実施形態では製造した水素をボンベ１２に充填するものとしたが、水素吸蔵合金に吸着させてそれに貯蔵することでも良い。勿論、電気分解による副産物として酸素も得られるので、必要であればそれを回収して利用することも可能である。地熱発電システムにより得られる電力は所内電力としても使用すれば良いし、さらに余剰電力が発生する場合には適宜利用すれば良い。
なお、上記実施形態ではタービン冷却および電気分解の原水として海水を採用したが、海水に代えて河川水や湖沼水の他の天然水も同様に採用可能である。いずれにしても、本発明においてはそれら天然水を単独でもしくはそれら天然水と地熱熱水との混合水を原水として電気分解することから、それらの水質によっては製造した水素に不純物が混入することも想定されるので、必要に応じて適宜の精製工程を最終段に付加して不純物を除去すれば良い。
本発明の実施形態である地熱発電・水素製造システムの構成を示す系統図である。
符号の説明
１ 地熱生産井
２ セパレータ
３ タービン
４ 減速機
５ 発電機
６ 復水器
７ 揚水ポンプ
８ ガス抽出真空ポンプ
９ 封水ピット
１０ 電気分解水槽
１１ ガスホルダー
１２ ボンベ
１３ サイレンサー

Claims (2)

  1. 地熱生産井からの地熱流体を蒸気と熱水に分離し、分離した蒸気によってタービンを駆動するとともにその冷却水として海水、河川水、湖沼水等の天然水を使用して発電を行い、それにより得た電力によって、タービン冷却後の昇温天然水を原水として電気分解して水素を製造することを特徴とする地熱発電・水素製造システム。
  2. タービン冷却後の昇温天然水に地熱流体から分離した熱水を混合してさらに昇温し、その混合水を原水として電気分解を行うことを特徴とする請求項１記載の地熱発電・水素製造システム。
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