JP6999213B1

JP6999213B1 - カーボンニュートラル液体燃料製造システム

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Publication number: JP6999213B1
Application number: JP2021564237A
Authority: JP
Inventors: 信三伊藤
Original assignee: EUREKA ENGINEERING INC.
Current assignee: EUREKA ENGINEERING INC.
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2041-09-09
Also published as: WO2023037673A1; WO2023037461A1; JPWO2023037461A1

Abstract

酸素吹き発電装置２０と、固体酸化物型電解装置３０と、液体燃料合成装置６０を備え、酸素吹き発電装置２０は、バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させてカーボンニュートラルな電力を出力し、炭酸ガスリッチな排ガスを排出し、固体酸化物型電解装置３０は、電力グリッド４１から供給される再生エネルギー由来電力と、酸素吹き発電装置２０から出力された電力および排出された炭酸ガスと、水蒸気供給装置５１から供給される水蒸気を水蒸気再熱装置５０で昇温された高温水蒸気を用いてカソード側３１に水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを生成し、アノード側３２に酸素吹き発電装置２０で用いる酸素ガスを生成し、液体燃料合成装置６０は、前記合成ガスから液体燃料を製造する、バイオマス由来燃料からカーボンニュートラルな液体燃料を効率的に低コストで製造可能なシステムである。

Description

本発明は、カーボンニュートラルな液体燃料を製造するシステムに関する。

地球温暖化問題は深刻度を増しており、２１世紀中に世界の平均温度の上昇を産業革命以前の２℃以下、できれば１．５℃以下に抑える対策が喫緊の課題となっている。各国はこの課題を達成するために、再生可能エネルギー（風力、太陽光、地熱、水力等）由来の電力供給を拡大し、化石燃料由来の発電をフェードアウトさせ、化石燃料由来電力を再エネ由来電力に転換しようとしている。そして、再エネ由来電力の余剰分で水を電気分解して水素を製造し、この水素をカーボンリサイクルに利用する。
特許文献１に記載された固体酸化物型電解装置は、固体酸化物電解セルＳＯＥＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｉｓｉｓＣｅｌｌ）のスタックを含む反応器内で、高温水蒸気を水素ガスと酸素ガスに電気分解する水蒸気の電気分解および／または高温水蒸気および炭酸ガスを合成ガスと酸素ガスに電気分解する共電解を行うことができる。
水蒸気の電気分解：Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２（１）
水蒸気および炭酸ガスの共電解：ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２＋Ｏ_２（２）
そして、この合成ガスからメタンやメタノール等の燃料を効率的に製造する技術の研究開発も進められている。
特許文献２には、固体酸化物電解セルを利用した水電解装置２Ｂと、バイオガス化設備４Ｂと、バイオガス発電装置５Ｂとメタネーション設備３Ｂとを備えた再生可能エネルギー利用システム１０Ｂが開示されている。水電解装置２Ｂは、水または水蒸気を再生可能エネルギー発電装置１Ｂの余剰電力を用いて水素と酸素とを製造する。バイオガス化設備４Ｂは、汚泥を水電解装置２Ｂで製造された酸素で有機物に分解し、この有機物を嫌気性の微生物によって発酵させメタン（約６０％）と炭酸ガス（約４０％）とを生成する。バイオガス発電装置５Ｂは、バイオガス化設備４Ｂで生成されたメタンを燃焼させて発電し、炭酸ガスを排出する。メタネーション設備３Ｂは、水電解装置２Ｂで製造された水素と、バイオガス化設備４Ｂおよびバイオガス発電装置５Ｂから排出された炭酸ガスとを合成してメタン等の炭化水素燃料を製造する。

特表２０２０－５００２５９号公報特開２０２０－４５４３０号公報

特許文献１には、固体酸化物型電解装置の固体酸化物電解セルを含む反応器で水蒸気の電気分解および水蒸気および炭酸ガスの共電解を行い、反応器自体の内部でメタンを直接生成することが記載されているが、カーボンニュートラルな発電によって生じた電力および炭酸ガスからカーボンニュートラルな液体燃料を高い熱効率、低コストで製造することについては記載されていない。
特許文献２には、バイオガス発電装置で発電したクリーン電力で水を電気分解して水素を製造し、この水素と、バイオガス発電装置で生じた炭酸ガスとからＣＯ_２フリーメタンを製造するシステムは開示されているが、固体酸化物型水電解装置の固体酸化物電解セルを含む反応器で水蒸気の電気分解および水蒸気および炭酸ガスの共電解を行って生成した合成ガスからカーボンニュートラルな液体燃料を高い熱効率、低コストで製造することについては記載されていない。

本発明の目的は、固体酸化物型電解装置の固体酸化物電解セルを含む反応器で水蒸気の電気分解および水蒸気および炭酸ガスの共電解を行ってモル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスを生成し、この合成ガスを液体燃料合成装置に供給して所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、ＦＴ粗油または粗メタノールを合成するカーボンニュートラルな液体燃料を製造するシステムを提供することである。

本発明は、カーボンニュートラルな液体燃料を製造するシステムであって、バイオマス由来燃料を供給するバイオマス由来燃料供給装置と、前記バイオマス由来燃料供給装置から供給された前記バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させて回転駆動力を発生し、前記バイオマス由来燃料が前記酸素ガスで燃焼して排出された炭酸ガスリッチな排ガスを一方部分と他方部分とに分流し、前記他方部分を前記酸素ガスとともに燃焼部に供給される動力発生装置と、前記動力発生装置によって駆動され発電する発電機とを備える酸素吹き発電装置と、前記炭酸ガスリッチな排ガスの前記一方部分から炭酸ガス分離装置で分離された炭酸ガスが供給され、前記炭酸ガスに対するモル比がほぼ２の高温水蒸気が供給され、直流電力によって前記炭酸ガスと前記高温水蒸気とを電気分解し、モル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスをカソード側に生成し、前記一酸化炭素ガスに対するモル比がほぼ１．５で、前記バイオマス由来燃料を燃焼させる前記酸素ガスを含む酸素ガスをアノード側に生成し、生成した前記酸素ガスを前記酸素吹き発電装置に供給する固体酸化物型水電解装置と、前記酸素吹き発電装置で発電される交流電力と電力グリッドから供給される再生エネルギー由来交流電力を系統連系して前記システムの稼働に必要な稼働電力を賄い、前記稼働電力のうち前記電気分解に必要な電力を直流電力に変換して前記固体酸化物型水電解装置に供給する電力供給装置と、水蒸気供給装置から供給された水蒸気を加熱用エネルギーによって再熱し、前記高温水蒸気に再熱する水蒸気再熱装置と、前記固体酸化物型水電解装置から前記合成ガスが供給され、前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、ＦＴ粗油または粗メタノールを合成する液体燃料合成装置と、を備えたカーボンニュートラル液体燃料製造システムである。

本発明のカーボンニュートラル液体燃料製造システムは、バイオマス由来燃料供給装置がバイオマス由来燃料を酸素吹き発電装置に供給する。酸素吹き発電装置に設けられた動力発生装置は、前記バイオマス由来燃料供給装置から供給された前記バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させて回転駆動力を発生するとともに、前記バイオマス由来燃料が前記酸素ガスで燃焼して排出された炭酸ガスリッチな排ガスが一方部分と他方部分に分流され、他方部分が前記酸素ガスとともに燃焼部に供給される。前記酸素吹き発電装置に設けられた発電機は、前記動力発生装置で駆動されて発電する。固体酸化物型電解装置は、前記炭酸ガスリッチな排ガスの一方部分に含まれる炭酸ガスが炭酸ガス分離装置で分離されて供給されるとともに、前記一方部分に含まれる炭酸ガスに対するモル比がほぼ２の高温水蒸気が供給され、直流電力によって前記炭酸ガスと前記高温水蒸気とを電気分解し、モル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスをカソード側に生成し、前記一酸化炭素ガスに対するモル比がほぼ１．５の酸素ガスをアノード側に生成する。アノード側に生成された酸素ガスは、前記酸素吹き発電装置の動力発生装置に供給される。電力供給装置は、前記酸素吹き発電装置で発電される交流電力と電力グリッドから供給される再生エネルギー由来交流電力を系統連系してカーボンニュートラルな液体燃料を製造するシステムの稼働に必要な稼働電力を賄い、前記稼働電力のうち前記電気分解に必要な電力を直流電力に変換して前記固体酸化物型電解装置に供給する。水蒸気再熱装置は、水蒸気供給装置から供給された水蒸気を加熱用エネルギーによって再熱し、前記高温水蒸気に再熱する。液体燃料合成装置は、前記固体酸化物型電解装置から前記合成ガスが供給され、前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、ＦＴ粗油または粗メタノールを液体燃料として合成する。

酸素吹き発電装置は、前記バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させてカーボンニュートラルな電力を出力し、炭酸ガスリッチな排ガスを排出する。排ガスは炭酸ガスリッチであるので、炭酸ガスを効率的に低コストで分離することができる。固体酸化物型電解装置は、前記直流電力、前記高温水蒸気および排ガスから分離された炭酸ガスを用いてカソード側に液体燃料の製造に適した水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを生成し、アノード側に酸素吹き発電装置で用いる酸素ガスを生成する。液体燃料合成装置は、液体燃料の製造に適した前記合成ガスから液体燃料を製造することができる。このように、本発明によれば液体燃料の製造に適した合成ガスを高い熱効率で容易に製造し、カーボンニュートラルな液体燃料を効率的に低コストで製造することができる。

第１実施形態に係るカーボンニュートラル液体燃料製造システムの全体構成を示すブロック図である。第２実施形態に係るカーボンニュートラル液体燃料製造システムの全体構成を示すブロック図である。第３実施形態に係るカーボンニュートラル液体燃料製造システムの全体構成を示すブロック図である。第４実施形態に係るカーボンニュートラル液体燃料製造システムの全体構成を示すブロック図である。第５実施形態に係るカーボンニュートラル液体燃料製造システムの全体構成を示すブロック図である。

１．第１実施形態の構成
第１の実施形態に係るカーボンニュートラルな液体燃料を製造するカーボンニュートラル液体燃料製造システム１ａは、図１に示すように、バイオマス由来燃料供給装置１０と、酸素吹き発電装置２０と、固体酸化物型電解装置３０と、電力供給装置４０と、水蒸気再熱装置５０と、液体燃料合成装置６０を備える。

バイオマス由来燃料供給装置１０は、バイオガス、一酸化炭素リッチなガス化ガスまたはバイオマスのようなバイオマス由来燃料を酸素吹き発電装置２０に供給する。バイオマス由来燃料供給装置１０としては、例えば公知のメタン発酵装置、または酸素吹きバイオマスガス化装置、あるいは木質チップや木質ペレット等のバイオマスを復水タービン発電装置の酸素吹きボイラー装置に供給するバイオマス供給装置などを用いる。

酸素吹き発電装置２０は、動力発生装置２１と発電機２２を有する。動力発生装置２１は、バイオマス由来燃料供給装置１０から供給されたバイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させて回転駆動力を発生する。動力発生装置２１は、バイオマス由来燃料が酸素ガスによって燃焼部２５で燃焼する熱エネルギーを回転エネルギーに変換することによって回転力を発生する。燃焼部２５から排出された炭酸ガスリッチな排ガスは分流器２６で一方部分と他方部分とに分流される。排ガスの他方部分は、バイオマス由来燃料供給装置１０から供給されるバイオマス由来燃料および後述する固体酸化物型電解装置３０から供給される酸素ガスとともに燃焼部２５に供給され、動力発生装置２１内で作動するガス量を増大する。酸素吹き発電装置２０としては、例えば公知の酸素吹きガスエンジン発電装置、酸素吹きボイラーで生成される水蒸気で復水タービン装置を作動させて発電機を駆動する復水タービン発電装置を用いる。

固体酸化物型電解装置３０は公知で、例えば、アノード、固体電解質、カソードの３層からなるセルがインターコネクタを介して複数積層され、インターコネクタを介して各セルに直流電力が供給されるようになっている。インターコネクタのカソード側面に複数のカソード側溝が形成され、アノード側面に複数のアノード側溝が形成されている。

固体酸化物型電解装置３０は、水蒸気を電気分解する水電解ゾーンと水蒸気および炭酸ガスを共電解する共電解ゾーンとを備える。水電解ゾーンでは、高温水蒸気がカソード側溝の一端に後述の水蒸気再熱装置５０から供給され、排出用酸素ガスがアノード側溝の一端に流入されることによって、式（１）に示すようにカソード側溝の他端から水素ガスが送出され、アノード側溝の他端から酸素ガスが送出される。

共電解ゾーンでは、高温水蒸気および炭酸ガスがカソード側溝の一端に供給され、排出用酸素ガスがアノード側溝の一端に流入されることによって、式（２）に示すようにカソード側溝の他端から水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスが送出され、アノード側溝の他端から酸素ガスが送出される。高温水蒸気は水蒸気再熱装置５０からカソード側溝の一端に供給される。動力発生装置２１の燃焼部２５から排出された炭酸ガスリッチな排ガスは分流器２６で一方部分と他方部分に分流され、一方部分は炭酸ガス分離装置３５に供給され、炭酸ガスが分離される。分離された炭酸ガスはカソード側溝の一端に供給され、オフガスは大気に放出される。

式（１）および式（２）から明らかなように、固体酸化物型電解装置３０は、水電解ゾーンのカソード側に時間当たりＡモル数の高温水蒸気を供給され、共電解ゾーンのカソード側に時間当たりＡモル数の高温水蒸気および時間当たりＡモル数の炭酸ガスを供給されることによって、炭酸ガスと高温水蒸気とを直流電力によって電気分解し、モル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスをカソード側３１に生成し、前記一酸化炭素ガスに対するモル比がほぼ１．５で、バイオマス由来燃料を燃焼させる酸素ガスを含む酸素ガスをアノード側３２に生成する。

電力供給装置４０は、公知の再生エネルギー由来交流電力を需給する電力グリッド４１に酸素吹き発電装置２０から送電される交流電力を逆潮流可能に系統連系し、カーボンニュートラル液体燃料製造システム１ａの稼働に必要な稼働電力を賄う。稼働電力のうち固体酸化物型電解装置３０での電気分解に必要な電力は、系統連系された交流電流をＡＣ／ＤＣ変換器４２で直流電力に変換して固体酸化物型電解装置３０に供給する。

水蒸気再熱装置５０は、一例として、水蒸気供給装置５１から供給される水蒸気が流動する再熱管５２と、加熱用エネルギー供給装置５４から加熱用エネルギーとして供給された再熱用燃料を燃焼させて燃焼熱を生成する燃焼炉５３を備える。水蒸気は、再熱管５２を流動する間に燃焼熱を熱伝達されて高温水蒸気に再熱され、固体酸化物型電解装置３０の水電解ゾーンおよび共電解ゾーンのカソード側３１に等分に供給される。水蒸気供給装置５１が水蒸気再熱装置５０に供給する水蒸気の流量は、固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１に供給される炭酸ガスの流量に対しモル比でほぼ２：１である。

水蒸気供給装置５１は供給された水を加熱して水蒸気を生成する。加熱用エネルギー供給装置５４は、例えば、固体酸化物型電解装置３０から送出される合成ガスの一部を再熱用燃料として水蒸気再熱装置５０の燃焼炉５３に供給する。バイオマス由来燃料供給装置１０がメタン発酵装置または酸素吹きバイオマスガス化装置である場合、加熱用エネルギー供給装置５４は、メタン発酵装置から供給されるバイオガスまたは酸素吹きバイオマスガス化装置から供給される一酸化炭素リッチなガス化ガスの一部を再熱用燃料として水蒸気再熱装置５０の燃焼炉５３に供給するようにしてもよい。加熱用エネルギー供給装置５４は、電力供給装置４０から再生エネルギー由来電力の一部を再熱用電力として水蒸気再熱装置５０に送電するようにし、水蒸気再熱装置５０は、再熱用電力を加熱用エネルギーとして使用し再熱管５２を流動する水蒸気を高温水蒸気に再熱するようにしてもよい。これにより、加熱用エネルギーをシステム１ａ内で賄うことができ、加熱用エネルギーの調達コストを低減することができる。

液体燃料合成装置６０は、触媒が充填された反応器６１と反応器６１内に配置された冷却管６２を備える。反応器６１には合成ガスが固体酸化物型電解装置３０から供給され、合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、ＦＴ粗油または粗メタノールの液体燃料を合成する。冷却管６２には水供給装置６３から供給された水が循環し、反応熱を吸収して水蒸気になり、反応器６１内を所定温度に維持する。冷却管６２で生成される水蒸気を水蒸気再熱装置５０に送出するようにすると排熱を有効活用できる。この場合、水供給装置６３、反応器６１および冷却管６２は、水蒸気再熱装置５０に水蒸気を供給する水蒸気供給装置５１としても機能する。

液体燃料合成装置６０でＦＴ粗油を製造する場合、液体燃料合成装置６０はＦＴ合成装置であり、固体酸化物型電解装置３０から供給される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比はほぼ２である。ＦＴ合成装置は、供給された合成ガスから公知のフィッシャー・トロプシュ法（ＦＴ法：Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて所定の温度・圧力環境で触媒によって所望のＦＴ粗油を生成する。即ち、ＦＴ合成装置は、各種の触媒が充填された反応器に合成ガスを導入し、化学式（３）に示す合成反応を行わせてＦＴ粗油を生成する。
（２ｎ＋１）Ｈ_２＋ｎＣＯ） → Ｃｎ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ発熱反応（３）

液体燃料合成装置６０で粗メタノールを製造する場合、液体燃料合成装置６０はメタノール合成油製造装置であり、固体酸化物型電解装置３０から供給される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比はほぼ２である。メタノール製造装置１６は、供給された合成ガスから公知のメタノール合成法を用いて所定の温度・圧力環境で触媒によって化学式（４）に示す合成反応を行わせてメタノールを生成する。
２Ｈ_２＋ＣＯ → ＣＨ_３ＯＨ発熱反応（４）

２．第１実施形態の作動
バイオマス由来燃料供給装置１０は、バイオマス由来燃料を酸素吹き発電装置２０の動力発生装置２１に供給する。動力発生装置２１は、燃焼部２５に供給されたバイオマス燃料を固体酸化物型電解装置３０から供給された酸素ガスで燃焼させることによって回転力を生成し、発電機２２を駆動する。発電機２２によって発電された交流電力は、電力供給装置４０の再生エネルギー由来交流電力を需給する電力グリッド４１に逆潮流可能に系統連系され、カーボンニュートラル液体燃料製造システム１ａの稼働に必要な稼働電力を賄う。

動力発生装置２１の燃焼部２５から排出された炭酸ガスリッチな排ガスは、分流器２６で一方部分と他方部分とに分流され、他方部分は燃焼部２５に戻される。一方部分は、炭酸ガス分離装置３５で炭酸ガスが分離され、オフガスは大気に排出される。分離された炭酸ガスは、固体酸化物型電解装置３０の共電解ゾーンに供給される。

加熱用エネルギー供給装置５４が再熱用燃料を供給する場合について説明する。水蒸気再熱装置５０は、加熱用エネルギー供給装置５４から供給された再熱用燃料を燃焼炉５３で燃焼させ、水蒸気供給装置５１から供給された水蒸気を燃焼熱で加熱し高温水蒸気にして固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１に供給する。固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１に供給される高温水蒸気の流量と、炭酸ガスとの流量比は、モル比でほぼ２：１である。高温水蒸気は、固体酸化物型電解装置３０内で水電解ゾーン３５および共電解ゾーン３６のカソード側に等分配される。

固体酸化物型電解装置３０は、水電解ゾーンにおいて、高温水蒸気がカソード側に供給され、排出用酸素ガスがアノード側に流入され、高温水蒸気を電気分解して水素ガス（Ｈ_２）をカソード側に生成し、酸素ガス（１／２Ｏ_２）をアノード側に生成する。共電解ゾーンにおいて、高温水蒸気および炭酸ガスがカソード側に供給され、排出用酸素ガスがアノード側に流入され、炭酸ガスおよび高温水蒸気が共電解して合成ガス（ＣＯ＋Ｈ_２）をカソード側に生成し、酸素ガス（Ｏ_２）をアノード側に生成する。これにより、固体酸化物型電解装置３０は、炭酸ガス分離装置３５から炭酸ガスが供給され、水蒸気再熱装置５０から炭酸ガスに対するモル比がほぼ２の高温水蒸気が供給され、電力供給装置４０から供給される直流電力によって炭酸ガスと高温水蒸気とを電気分解し、モル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガス（２Ｈ_２＋ＣＯ）をカソード側３１に生成し、一酸化炭素ガスに対するモル比がほぼ１．５の酸素ガス（３／２Ｏ_２）をアノード側３２に生成する。固体酸化物型電解装置３０は、生成した合成ガスを液体燃料合成装置６０に供給し、酸素ガスを酸素吹き発電装置２０の動力発生装置２１の燃焼部２５に供給する。

液体燃料合成装置６０は、固体酸化物型電解装置３０から反応器６１に供給された合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、液体燃料であるＦＴ粗油または粗メタノールを合成する。冷却管６２には水供給装置６３から供給された水が循環し、反応熱を吸収して蒸発し反応器６１を冷却する。液体燃料合成装置６０で生成された液体燃料は、液体燃料利用装置６６において有効に使用される。
冷却管６２で生成された水蒸気を水蒸気再熱装置５０に供給するようにすると、水供給装置６３、反応器６１および冷却管６２は水蒸気供給装置５１として機能し、反応熱を利用することができる。

ＦＴ粗油を製造する場合、液体燃料合成装置６０はＦＴ合成装置となり、固体酸化物型電解装置３０から供給された一酸化炭素に対する水素のモル比がほぼ２である合成ガスに化学式（３）に示す合成反応を行わせて所望のＦＴ粗油を生成する。

粗メタノールを製造する場合、液体燃料合成装置６０はメタノール合成装置となり、固体酸化物型電解装置３０から供給された一酸化炭素に対する水素のモル比がほぼ２である合成ガスに触媒下で化学式（４）に示す合成反応を行わせて粗メタノールを生成する。

３．第１実施形態の効果
このように、酸素吹き発電装置２０は、バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させてカーボンニュートラルな電力を出力し、炭酸ガスリッチな排ガスを排出する。固体酸化物型電解装置３０は、電力グリッド４１から供給される再生エネルギー由来電力と、酸素吹き発電装置２０から出力された電力および排出された炭酸ガスと、水蒸気供給装置５１から供給される水蒸気が水蒸気再熱装置５０で昇温された高温水蒸気を用いてカソード側３１に液体燃料の製造に適した水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを生成し、アノード側３２に酸素吹き発電装置２０で用いる酸素ガスを生成する。液体燃料合成装置６０は、液体燃料の製造に適した合成ガスから液体燃料を効率的に低コストで製造することができる。

４．第２実施形態の構成
第２実施形態にかかるカーボンニュートラル液体燃料製造システム１ｂは、第１実施形態におけるバイオマス由来燃料供給装置１０を湿式メタン発酵装置１１とし、酸素吹き発電装置２０を酸素吹きガスエンジン発電装置２３としている点以外は第１実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。

公知の湿式メタン発酵装置１１がバイオマス由来燃料供給装置１０として設けられている。湿式メタン発酵装置１１は、前処理装置１２でスラリー化した有機性廃棄物をメタン発酵槽１３で嫌気性雰囲気メタン発酵菌によって分解し、バイオガスをバイオマス由来燃料として生成する。メタン発酵槽１３では、嫌気性菌であるメタン発酵菌が定着し、スラリー化した有機性廃棄物に含まれる有機物がメタン発酵菌によって分解され、例えば、メタンガスを６０％、炭酸ガスを４０％含むバイオガスに再生される。湿式メタン発酵装置１１は、メタン発酵槽１３で生成したバイオガスを一次貯留するバイオガス用ガスホルダーとこのガスホルダーから供給されるバイマスガスから硫化水素を取り除くための公知の脱硫装置を含む。湿式メタン発酵槽１３では無動力攪拌も可能であり、よりエネルギー効率を上げることができる。有機性廃棄物としては、パームオイルの生産過程で大量に排出されるＰＯＭＥ（パームオイル搾り滓）がメタンガスの大気への放出を防ぐためにも最適であるが、畜産糞尿、食品加工物残渣、生ごみ等を再利用することも可能である。なお、バイオマス由来燃料供給装置１０は、公知の乾式メタン発酵装置でもよい。

酸素吹きガスエンジン発電装置２３が酸素吹き発電装置２０として設けられている。酸素吹きガスエンジン発電装置２３は、酸素吹きガスエンジン装置２４を動力発生装置２１として備え、酸素吹きガスエンジン装置２４が発電機２２を駆動する。酸素吹きガスエンジン装置２４は、吸入行程で湿式メタン発酵装置１１からバイオガスを、固体酸化物型電解装置３０のアノード側３２から酸素ガスを燃焼部２５に供給され、燃焼行程でバイオガスを酸素ガスで燃焼して回転力を発生する。排気行程で燃焼部２５から排出された炭酸ガスリッチな排ガスは分流器２６で一方部分と他方部分とに分流され、他方部分はバイオガスおよび酸素ガスとともに吸気行程で燃焼部２５に供給される。酸素吹きガスエンジン装置２４の冷却水がメタン発酵装置１１のメタン発酵槽１３との間で循環され、メタン発酵槽１３をメタン発酵菌の増殖に適した温度に加温している。

酸素吹きガスエンジン装置２４から排気された炭酸ガスリッチな排ガスの一方部分は、炭酸ガス分離装置３５に供給され、炭酸ガスを分離され、オフガスは大気に放出される。分離された炭酸ガスは固体酸化物型電解装置３０の共電解ゾーンのカソード側に供給される。

水蒸気再熱装置５０の再熱管５２には、液体燃料合成装置６０の冷却管６２が水蒸気供給装置５１として接続され、反応器６１を冷却して蒸発した水蒸気が供給される。燃焼炉５３には、固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１から合成ガス（２Ｈ_２＋ＣＯ）の一部が再熱用燃料として供給され、燃焼して燃焼熱で再熱管５２を流動する水蒸気を高温水蒸気に再熱する。

上記実施形態では、加熱用エネルギー供給装置５４は、固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１から合成ガス（２Ｈ_２＋ＣＯ）の一部を水蒸気再熱装置５０の燃焼炉５３に供給しているが、湿式メタン発酵装置１１からバイオガスの一部を燃焼炉５３に供給するようにしてもよい。

５．第２実施形態の作動および効果
酸素吹きガスエンジン発電装置２３は、酸素吹きガスエンジン装置２４が湿式メタン発酵装置１１からバイオガスを、固体酸化物型電解装置３０のアノード側３２から酸素ガスを、分流器２６から炭酸ガスリッチな排出ガスの他方部分を燃焼部２５に供給され、バイオガスを酸素ガスで燃焼して作動し、発電機２２を駆動して発電する。

水蒸気再熱装置５０は、液体燃料合成装置６０の冷却管６２から再熱管５２に供給された水蒸気を、加熱用エネルギー供給装置５４が固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１から燃焼炉５３に供給した合成ガスの一部を燃焼させて燃焼熱で高温水蒸気に再熱して固体酸化物型電解装置３０に送出する。

液体燃料合成装置６０をＦＴ合成装置としてＦＴ粗油を製造した場合、ＦＴ粗油はアップグレーディング装置６５に移送され、炭酸ガスフリー水素でナフサや灯軽油等にアップグレードされて液体燃料利用装置６６で使用される。

液体燃料合成装置６０をメタノール合成装置として粗メタノールを製造した場合、粗メタノールは液体燃料利用装置６６で燃料として使用される。

第２実施形態は第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第２実施形態では、水蒸気再熱装置５０の再熱管５２に液体燃料合成装置６０の冷却管６２が接続され、反応器６１を冷却して蒸発した水蒸気が供給され、燃焼炉５３には、固体酸化物型電解装置３０から合成ガスの一部またはメタン発酵装置からバイオガスの一部が加熱用エネルギー供給装置５４によって供給されて燃焼し、燃焼熱で冷却管６２を流動する水蒸気を高温水蒸気に再熱する。これにより、水蒸気を高温水蒸気に再熱するための加熱用エネルギーのコスト低減することができる。さらに、酸素吹きガスエンジン装置２４の冷却水がメタン発酵装置１１のメタン発酵槽１３との間で循環され、メタン発酵槽１３をメタン発酵菌の増殖に適した温度に加温するので、排熱を有効に利用することができる。

６．第３実施形態の構成
第３実施形態にかかるカーボンニュートラル液体燃料製造システム１ｃは、第２実施形態における湿式メタン発酵装置１１を公知の酸素吹きバイオマスガス化装置１５としている点以外は第２実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第２の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。

図３に示すように酸素吹きバイオマスガス化装置１５がバイオマス由来燃料供給装置１０として設けられている。酸素吹きバイオマスガス化装置１５は、供給された木質チップ、木質ペレットなどのバイオマスを酸化剤として空気の代わりに酸素を用いて酸素不足の不完全燃焼の状態で化学式（５）のように熱分解ガス化反応させてガス化ガスをバイオマス由来燃料として生成する。
Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｐ＋ａＯ_２＋ｂＨ_２Ｏ→ｃＣＯ＋ｄＣＯ_２＋ｅＨ_２＋Ｃ_ｘＨ_ｙ（５）

図３に示す第３実施形態では、加熱用エネルギー供給装置５４が固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１から合成ガス（２Ｈ_２＋ＣＯ）の一部を水蒸気再熱装置５０の燃焼炉５３に供給しているが、酸素吹きバイオマスガス化装置１５からガス化ガスの一部を燃焼炉５３に供給して燃焼させるようにしてもよい。

７．第３実施形態の作動および効果
酸素吹きガスエンジン発電装置２３は、酸素吹きガスエンジン装置２４が酸素吹きバイオマスガス化装置１５からガス化ガスを、固体酸化物型電解装置３０のカソード側３１から酸素ガスを、分流器２６から炭酸ガスリッチな排出ガスの他方部分を燃焼部２５に供給され、ガス化ガスを酸素ガスで燃焼して作動し、発電機２２を駆動して発電する。

酸素吹きバイオマスガス化装置１５で生成されるガス化ガスには、空気に含まれる窒素ガスが混入されない。したがって、この一酸化炭素リッチなガス化ガスが酸素吹きガスエンジン装置２４で燃焼して生じる炭酸ガスリッチな排ガスに窒素は含まれない。このような炭酸ガスリッチな排ガスから炭酸ガスを効率的に低コストで分離することができる。

８．第４実施形態の構成
第４実施形態にかかるカーボンニュートラル液体燃料製造システム１ｄは、第２実施形態における湿式メタン発酵装置１１をバイオマス供給装置１５とし、酸素吹きガスエンジン発電装置２３を復水タービン発電装置７０としている点以外は第２の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１および第２実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。

木質バイオマス、可燃ゴミ等のバイオマスをバイオマス由来燃料として復水タービン発電装置７０に供給するバイオマス供給装置１５がバイオマス由来燃料供給装置１０として設けられている。

復水タービン発電装置７０が酸素吹き発電装置２０である。復水タービン発電装置７０は、酸素吹きボイラー装置７１、復水タービン装置７２および発電機２２を備える。酸素吹きボイラー装置７１および復水タービン装置７２が動力発生装置２１である。酸素吹きボイラー装置７１は、バイオマス供給装置１５からバイオマスを、固体酸化物型電解装置３０のアノード側３２から酸素ガスを、分流器２６から炭酸ガスリッチな排出ガスの他方部分を燃焼部７３に供給され、バイオマスを酸素ガスで燃焼させて燃焼ガスを生成する。酸素吹きボイラー装置７１は、復水タービン装置７２の復水器７４で復水した凝縮水が供給され、燃焼ガスで加熱して水蒸気を生成する。復水タービン装置７２は酸素吹きボイラー装置７１で生成された水蒸気によって作動され、発電機２２を駆動する。

９．第４実施形態の作動および効果
復水タービン発電装置７０において、酸素吹きボイラー装置７１は、排出ガスの他方部分が戻された燃焼部７３でバイオマスを酸素ガスで燃焼させ燃焼ガスを生成し、復水タービン装置７２の復水器７４で復水した凝縮水を燃焼ガスで加熱して水蒸気を生成する。復水タービン装置７２がこの水蒸気によって作動され、発電機２２を駆動して発電する。
第４実施形態は第１乃至第３実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第４実施形態では、バイオマスを酸素で直接燃焼させることによって復水タービン発電装置７０を作動させて発電するとともに、固体酸化物型電解装置３０に供給する炭酸ガスを生成するので、第２および第３実施形態にかかるシステムに較べて大規模化を図ることができる。

１０．第５実施形態の構成
第５実施形態は、酸素吹きボイラー装置７１で生成された水蒸気が水蒸気再熱装置５０に供給され、復水タービン装置７２の復水器７４で復水した凝縮水を液体燃料合成装置６０で反応熱によって高温水にして酸素吹きボイラー装置７１に供給する点以外は第４実施形態と同じであるので、相違点について説明し、４実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。

復水タービン装置７２の復水器７４で復水した凝縮水は、液体燃料合成装置６０の冷却管６２に供給される。凝縮水は冷却管６２を流動する間に反応熱を伝達されて高温水になって酸素吹きボイラー装置７１に供給される。酸素吹きボイラー装置７１で高温水を加熱して生成した水蒸気の一部を水蒸気再熱装置５０に供給するようにして水蒸気供給装置５１を構成している。水蒸気供給装置５１で使用される水など必要な水は復水器７４で補給される。

１１．第５実施形態の作動および効果
復水タービン発電装置７０は、酸素吹きボイラー装置７１の燃焼部７３でバイオマスを酸素ガスで燃焼させて燃焼ガスを生成し、液体燃料合成装置６０の冷却管６２から供給された高温水を燃焼ガスで加熱して水蒸気を生成る。復水タービン装置７２はこの水蒸気によって作動され、発電機２２を駆動して発電する。

復水タービン装置７２の復水器７４で復水した凝縮水を液体燃料合成装置６０の冷却管６２を流動させて反応熱で加熱し高温水にして酸素吹きボイラー装置７１に供給するので、復水タービン装置７２を作動させる水蒸気の生成コストを低減することができる。

１０：バイオマス由来燃料供給装置、１１：湿式メタン発酵装置、１５：酸素吹きバイオマスガス化装置、１３：メタン発酵槽、２０：酸素吹き発電装置、２１：動力発生装置、２２：発電機、２３：酸素吹きガスエンジン発電装置、２４：酸素吹きガスエンジン装置、２５：燃焼部、２６：分流器、３０：固体酸化物型電解装置、３１：カソード側、３２：アノード側、３５：炭酸ガス分離装置、４０：電力供給装置、４１：電力グリッド、４２：ＡＣ／ＤＣ変換器、５０：水蒸気再熱装置、５１：水蒸気供給装置、５２：再熱管、５３：燃焼炉、５４：加熱用エネルギー供給装置、６０：液体燃料合成装置、６１：反応器、６２：冷却管、７０：復水タービン発電装置、７１：酸素吹きボイラー装置、７２：復水タービン装置、７３：燃焼部、７４：復水器、６６：液体燃料利用装置

Claims

カーボンニュートラルな液体燃料を製造するシステムであって、
バイオマス由来燃料を供給するバイオマス由来燃料供給装置と、
前記バイオマス由来燃料供給装置から供給された前記バイオマス由来燃料を酸素ガスで燃焼させて回転駆動力を発生し、前記バイオマス由来燃料が前記酸素ガスで燃焼して排出された炭酸ガスリッチな排ガスを一方部分と他方部分とに分流し、前記他方部分を前記酸素ガスとともに供給される動力発生装置と、前記動力発生装置によって駆動され発電する発電機とを備える酸素吹き発電装置と、
前記炭酸ガスリッチな排ガスの前記一方部分から炭酸ガス分離装置で分離された炭酸ガスが供給され、前記炭酸ガスに対するモル比がほぼ２の高温水蒸気が供給され、直流電力によって前記炭酸ガスと前記高温水蒸気とを電気分解し、モル比でほぼ２：１の水素ガスと一酸化炭素ガスとの合成ガスをカソード側に生成し、前記一酸化炭素ガスに対するモル比がほぼ１．５で、前記バイオマス由来燃料を燃焼させる前記酸素ガスを含む酸素ガスをアノード側に生成し、生成した前記酸素ガスを前記酸素吹き発電装置に供給する固体酸化物型水電解装置と、
前記酸素吹き発電装置で発電される交流電力と電力グリッドから供給される再生エネルギー由来交流電力を系統連系して前記システムの稼働に必要な稼働電力を賄い、前記稼働電力のうち前記電気分解に必要な電力を直流電力に変換して前記固体酸化物型水電解装置に供給する電力供給装置と、
水蒸気供給装置から供給された水蒸気を加熱用エネルギーによって再熱し、前記高温水蒸気に再熱する水蒸気再熱装置と、
前記固体酸化物型水電解装置から前記合成ガスが供給され、前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させ、ＦＴ粗油または粗メタノールを合成する液体燃料合成装置と、
を備えたカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記バイオマス由来燃料供給装置は、バイオマスからメタン発酵装置で生成したバイオガスまたは酸素吹きバイオマスガス化装置で生成した一酸化炭素リッチなガス化ガスを前記バイオマス由来燃料として供給し、
前記酸素吹き発電装置は、前記バイオガスまたは前記一酸化炭素リッチなガス化ガスを前記酸素ガスで燃焼させて作動される酸素吹きガスエンジン装置を前記動力発生装置として備え、前記酸素吹きガスエンジン装置によって駆動され発電する発電機を前記発電機として備える酸素吹きガスエンジン発電装置であり、
前記液体燃料合成装置は、前記固体酸化物型水電解装置から供給された前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させて前記液体燃料を合成する反応部を備えるとともに、前記反応で生じる発熱を水供給装置から供給された水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記水から前記水蒸気を生成する冷却管を前記水蒸気供給装置として備え、
前記水蒸気再熱装置は、前記合成ガスの一部または前記バイオマス由来燃料の一部が供給されて燃焼し、前記燃焼で生じた燃焼熱が前記冷却管から供給された前記水蒸気を前記高温水蒸気に再熱する、
請求項１に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記バイオマス由来燃料供給装置は、バイオマスを燃料として供給し、
前記酸素吹き発電装置は、前記バイオマスを酸素吹きボイラー装置において前記酸素ガスで燃焼させて生成した水蒸気で駆動される復水タービン装置を前記動力発生装置として備え、前記復水タービン装置で駆動されて発電する発電機を前記発電機として備える復水タービン発電装置であり、
前記液体燃料合成装置は、前記固体酸化物型水電解装置から供給された前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させて前記液体燃料を合成する反応部を備えるともに、前記反応で生じる発熱を水供給装置から供給された水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記水から前記水蒸気を生成する冷却管を前記水蒸気供給装置として備え、
前記水蒸気再熱装置は、前記合成ガスの一部が供給されて燃焼し、前記燃焼で生じた燃焼熱が前記冷却管から供給された前記水蒸気を前記高温水蒸気に再熱する、
請求項１に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記冷却管は、前記復水タービン装置の復水器から送出される凝縮水が前記水供給装置から供給された前記水として供給され、前記反応で生じる発熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記凝縮水から高温水を生成し、前記高温水を前記酸素吹きボイラー装置に環流させ、前記酸素吹きボイラー装置で生成される前記水蒸気の一部を前記水蒸気再熱装置で再熱する、
請求項３に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記バイオマス由来燃料供給装置は、バイオマスからメタン発酵装置で生成したバイオガスまたは酸素吹きバイオマスガス化装置で生成した一酸化炭素リッチなガス化ガスを前記バイオマス由来燃料として供給し、
前記酸素吹き発電装置は、前記バイオガスまたは前記一酸化炭素リッチなガス化ガスを前記酸素ガスで燃焼させて作動される酸素吹きガスエンジン装置を前記動力発生装置として備え、前記酸素吹きガスエンジン装置によって駆動され発電する発電機を前記発電機として備える酸素吹きガスエンジン発電装置であり、
前記液体燃料合成装置は、前記固体酸化物型水電解装置から供給された前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させて前記液体燃料を合成する反応部を備えるとともに、前記反応で生じる発熱を水供給装置から供給された水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記水から前記水蒸気を生成する冷却管を前記水蒸気供給装置として備え、
前記水蒸気再熱装置は、前記再生エネルギー由来電力を前記加熱用エネルギーとする、
請求項１に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記バイオマス由来燃料供給装置は、バイオマスを燃料として供給し、
前記酸素吹き発電装置は、前記バイオマスを酸素吹きボイラー装置において前記酸素ガスで燃焼させて生成した水蒸気で駆動される復水タービン装置を前記動力発生装置として備え、前記復水タービン装置で駆動されて発電する発電機を前記発電機として備える復水タービン発電装置であり、
前記液体燃料合成装置は、前記固体酸化物型水電解装置から供給された前記合成ガスを所定の温度・圧力環境で触媒によって反応させて前記液体燃料を合成する反応部を備えるともに、前記反応で生じる発熱を水供給装置から供給された水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記水から前記水蒸気を生成する冷却管を前記水蒸気供給装置として備え、
前記水蒸気再熱装置は、前記再生エネルギー由来電力を前記加熱用エネルギーとする、
請求項１に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。
前記冷却管は、前記復水タービン装置の復水器から送出される凝縮水が前記水供給装置から供給された前記水として供給され、前記反応で生じる発熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応部を冷却し、前記凝縮水から高温水を生成し、前記高温水を前記酸素吹きボイラー装置に環流させ、前記酸素吹きボイラー装置で生成される前記水蒸気の一部を前記水蒸気再熱装置で再熱する、
請求項６に記載のカーボンニュートラル液体燃料製造システム。