JP7076730B2

JP7076730B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP7076730B2
Application number: JP2018013905A
Authority: JP
Inventors: 茂生沼田; 英介下田; 剛野津; 哲彦前田; 成輝遠藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimizu Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimizu Corp
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2019133803A

Description

本発明は、電力供給システムに関する。

２０１４年４月に閣議決定されたエネルギー基本計画において、水素を日常の生活や産業活動で再生可能エネルギーとして利用・活用する「水素社会」の実現に向け取り組みを加速することが定められ、国や東京都では２０２０年東京五輪での水素エネルギー技術の積極活用、その後の水素社会普及に向けた動きが活発化している。
２０１２年７月の再生可能エネルギーの固定価格買取制度（ＦＩＴ；Ｆeed-Ｉn Ｔariff）の導入は、非住宅用の太陽光発電市場（公共・産業分野）を大きく変えることとなった。ＪＰＥＡＰＶＯＵＴＬＯＯＫ２０３０によると、太陽光発電設備の国内総出荷に占める非住宅用の割合は、２０１２年度で（国内総出荷量３．８ＧＷに対し）５０％、２０１３年度で（同８．４ＧＷに対し）７３％、２０１４年度上半期で（上期国内総出荷量４．３ＧＷに対し）７７％と大幅に伸張している。

太陽光発電の大量の設備認定量に伴い、それらが全て稼動した場合、電力需要の小さい軽負荷期に太陽光発電の供給電力量が需要電力量を上回る懸念が出てきたため、指定電気事業者において「無制限・無補償の出力抑制」を条件として系統接続を行うこととなった。今後、更なる太陽光発電による系統接続への出力量の増加に伴い、電力需給調整を目的とした出力抑制実施は現実のものとなりつつある。

このような社会背景から、出力抑制に伴う余剰電力の発生量、頻度ともに増加が予想され、再生可能エネルギーの余剰電力を利用して一旦、水素を製造し、例えば電力需要が増加した際に必要に応じて貯蔵しておいた水素を再度、エネルギーとして電力に変換して街区で活用する技術が注目されている。建物に附帯した水素利用システムは、建物に設置される太陽光発電などの再生可能エネルギーの余剰電力を効率的に利用して水素製造し、例えば、難燃性の水素吸蔵合金を用いたタンク等で安全かつコンパクトに貯蔵し、必要に応じて燃料電池コージェネレーションにより電力ならびに熱に変換し、蓄電池や蓄熱システム及びその他建築設備と組み合わせて効率的なエネルギーマネジメントを実施する。その結果、ＺＥＢ（Ｚero Ｅnergy Ｂuilding）実現の重要な手段になると共に事業継続計画（Ｂusiness Ｃontinuity Ｐlan:ＢＣＰ）の向上が期待できる。
また、特許文献１においては、余剰電力を利用して水素を製造し、これを水素輸送車両で収集し、水素吸蔵合金に貯蔵して、再利用することが開示されている。

特開２０１４－１２２３９９号公報

特許文献１に示されるように、余剰電力を利用して水素を製造し、水素吸蔵合金に貯蔵して、再利用する場合、水素吸蔵合金から水素を取り出し、燃料電池で水素から発電を行う。しかしながら、水素吸蔵合金に貯蔵された水素を取り出すための条件の一つに、一定以上の環境温度がある。寒冷地で水素利用システムを稼働させる場合、または温暖地でも冬季或いは中間期の朝などの場合においては、環境温度が１０度程度を下回る。このような環境温度では、システムを起動する際に、吸蔵合金タンクに貯蔵された水素を放出することが難しい。水素を放出可能な温度まで水素吸蔵合金を加温するために、加温用の専用熱源を設けようとすると、その熱源の稼動のために新たにエネルギーを消費することになり、水素利用システムの全体エネルギーの効率が低下してしまう。

上述の課題を鑑み、本発明の目的は、システムの全体エネルギーの効率を低下させることなく、低温の環境下でも水素吸蔵合金に蓄積された水素を利用できるようにした電力供給システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電力供給システムは、再生可能エネルギーの余剰電力を蓄電し、蓄電した電力として出力可能な蓄電池と、前記余剰電力および前記蓄電池からの電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する吸蔵合金タンクと、前記吸蔵合金タンクの水素を利用して発電し、発電した発電電力を需要家負荷に供給する燃料電池と、を備え、前記吸蔵合金タンクが第１温度以下のとき、前記蓄電池から前記水素製造装置へ電力を供給し、前記水素製造装置で製造させた水素を前記水素吸蔵合金に吸蔵させ、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで前記吸蔵合金タンクを加温して前記吸蔵合金タンクを第２温度以上とした後、前記吸蔵合金タンクから放出させた水素を利用して前記燃料電池で発電を開始する。

本発明の一態様に係る電力供給システムは、更に、熱を回収する熱回収部と、前記回収された熱によって、水素放出可能な温度まで前記水素吸蔵合金を加温する加温部とを有する。

本発明によれば、熱を回収して水素吸蔵合金を加温することで、全体エネルギー効率を低下させずに、低温の環境下でも吸蔵合金タンクから水素を取り出すことができる。

本実施形態における電力供給システムの設備構成とエネルギーフローを示す図である。電力供給システムのＢＥＭＳの構成を示す図である。水素吸蔵合金の水素貯蔵量とガス平衡圧の関係を示すＰＣＴ線図である。水素吸蔵合金が水素を吸蔵／放出する化学式を示す図である。本発明の第１の実施形態における熱マネージメントの説明図である。本発明の第１の実施形態における熱マネージメントの処理を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態における熱マネージメントの説明図である。本発明の第３の実施形態における熱マネージメントの説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、電力供給システム１００の設備構成とエネルギーフローを示す図である。図１においては、第一ラインが太陽光発電の発電電力を建物５０に直接供給するルート、第二ラインが余剰電力を一旦、蓄電池１に貯めて必要に応じた電力を建物５０に供給するルート、第三ラインが余剰電力で水素を製造して一旦吸蔵合金タンク３に貯蔵し、再度電気に変換して建物５０に供給するルートを示している。

図１において、ＰＶ（ＰhotoＶoltaics；太陽光発電）３０は、再生可能エネルギーを需要家負荷である建物５０に供給する再生可能エネルギー電源であり、再生可能エネルギーのうちの余剰電力を第２ラインにおける蓄電池１、第３ラインにおける直流電源５に対してＰＣＳ（Ｐower Ｃonditioning Ｓystem；パワーコンディショナー）３１を介して出力する。なお、本実施形態において、再生可能エネルギー電源としてＰＶ３０を用いているが、再生可能エネルギー電源として風力発電等を用いて再生可能エネルギーを発生させてもよい。

水素製造装置２は、ＰＶ３０が出力する余剰電力（蓄電池充電電力Ｐ３、水素製造電力Ｐ４）のうち、蓄電池充電電力Ｐ３に対応する蓄電池放電電力Ｐ３”と水素製造電力Ｐ４とを直流電源５で受電し、その受電した電力を用いて水素を製造する。

吸蔵合金タンク３は、水素貯蔵媒体として水素吸蔵合金を用いており、水素製造装置２によって製造された水素を、水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する。なお、本実施形態では、吸蔵合金タンク３は、環境温度が低い場合に、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ、そのとき発生する化学反応熱により、吸蔵合金タンク３を加温する。吸蔵合金タンク３は、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるときに発生する化学反応熱を回収する熱回収部と、この化学反応熱により水素放出可能な温度まで水素吸蔵合金を加温する加温部を有している。

燃料電池４は、吸蔵合金タンク３が放出する水素を利用して発電し、発電した電力（燃料電池発電力Ｐ４”）を建物５０に供給する。
なお、図１はエネルギーの流れを示したものであり、設備構成のつながりと必ずしも一致している訳ではない。

ここで、エネルギー変換を伴う第二、第三ラインを経由すると、エネルギー利用効率が低下する。しかしながら、第二ライン経由させる再生可能エネルギーは、短期蓄電が可能である。第三ラインを経由させる再生可能エネルギーは、電力を水素の形で貯蔵しておくことで、必要なときに再利用できる。電力供給システム１００では、システム制御の要として、スマートＢＥＭＳ（Ｂuilding Ｅnergy Ｍanagement System）１０により、時々刻々変化する再生可能エネルギーの価値を判断して、需要と供給のバランスを見てエネルギー変換の按分（比例配分）を適切に決定し、各設備の連携制御を行っている。

図２は、図１における電力供給システム１００のＢＥＭＳ１０（以下、制御装置１０ということもある）の構成を示す図である。
電力供給システム１００では、図２に示す再生可能エネルギーの余剰電力を利用した水素製造／利用の制御を含む制御機能を具備した制御装置１０を導入することにより、建物のＺＥＢ化を実現する。

図２に示す制御装置１０は、判断・予測部１１、制御部１２、データベース１３、およびシステム起動制御部１４を含んで構成される。

図１に示す電力会社が有する系統電力２０からの買電電力Ｐ１を、図２においては、買電電力Ｐgridで示している。また、図１に示す蓄電池充電電力Ｐ３、蓄電池放電電力Ｐ３”を、図２においては、それぞれ放電電力Ｐdischarge、充電電力Ｐchargeで示している。また、図１に示すＰＶ３０の出力電力をＰＣＳ３１により電力を変換した変換後の電力を、図２においては、太陽光発電電力Ｓpvで示している。

制御装置１０における判断・予測部１１は、建物５０（需要家負荷）の実際の電力需要量のモニタリングを行い、買電電力Ｐgridおよび太陽光発電電力Ｓpvに基づいて、図１に示す太陽光発電直接利用電力Ｐ２を第１ラインに流すか否か、或いは余剰分の電力（余剰電力）を、蓄電池１の蓄電池充電電力Ｐ３として蓄電池１に供給するか否か、水素製造電力Ｐ４として直流電源５を介して水素製造装置２に供給するか否かの判断を行っている。

また、判断・予測部１１は、気象情報から、太陽光発電出力予測Ｐpv（再生可能エネルギーの予測）と建物５０の電力需要予測Ｐload（需要家負荷に供給する電力需要予測）の予測を行っている。

制御装置１０における制御部１２は、各時刻における、蓄電池１の電力（放電電力Ｐdischarge、充電電力Ｐcharge、蓄電量Ｐe-storage）を制御し、水素製造装置２の水素製造装置消費電力Ｐelyを制御し、燃料電池４の燃料電池電力Ｐfcを制御する。また、制御部１２は、各時刻における、水素製造装置２の水素製造量Ｈ-product、吸蔵合金タンク３の水素貯蔵量Ｈ-storage、燃料電池４の水素消費量Ｈ-consumptionを制御する。

制御装置１０におけるデータベース１３は、各設備（蓄電池１、水素製造装置２、吸蔵合金タンク３、燃料電池４）のエネルギー変換に伴う出力効率の実績データを内蔵している。

制御装置１０におけるシステム起動制御部１４は、気象情報から、水素利用システム起動時の環境温度が所定温度以下か否かを判定し、環境温度が所定温度以下でシステムを起動するときには、吸蔵合金タンク３の環境温度が水素放出が可能な所定の温度になるまで、吸蔵合金タンク３の加温処理を行う。

このように、本発明の第１の実施形態に係る電力供給システム１００では、システム起動制御部１４により、吸蔵合金タンク３の環境温度が水素放出が可能な所定の温度になるまで、吸蔵合金タンク３の加温処理を行っている。このため、気温が例えば１０度程度を下回る時期でも、システムを起動して、吸蔵合金タンク３から水素を取り出すことができる。このことについて、以下に説明する。

水素ガスをコンパクトかつ安全に貯蔵する吸蔵合金タンクの吸蔵／放出特性は、合金内の水素貯蔵量とガス平衡圧の関係を示すＰＣＴ線図によって表される。図３は、水素吸蔵合金の水素貯蔵量とガス平衡圧の関係を示すＰＣＴ線図の一例である。図３において、横軸は水素吸蔵合金の水素貯蔵量を示し、縦軸は水素ガズ圧力を示す。図３において、曲線Ａ１は、水素吸蔵合金が温度Ａ度の場合の特性を示し、曲線Ａ２は、それより高い温度（Ａ＋α）度の場合の特性を模式的に示している。ここで、水素供給系の定常圧力をＢとする。図３は、水素吸蔵合金の温度がＡ度における点Ｑ１の状態では、水素は放出されないが、合金の温度を（Ａ＋α）度に加温して点Ｑ２の状態にすれば、水素は放出されることを示している。寒冷地で水素利用システムを稼働させる場合、または温暖地でも冬季或いは中間期の朝などの場合においては、環境温度が１０度程度を下回る。このような時期には、システム起動時に、吸蔵合金タンク３に収納された合金から水素を放出するのが難しい。

そこで、本実施形態では、環境温度が所定温度以下（例えば１０度以下）でシステムを起動するときには、吸蔵合金タンク３を加温して、吸蔵合金タンク３から水素を放出しやすいように制御している。ここで、ヒーター等を使用して吸蔵合金タンク３を加温すると、ヒーター稼働に別途エネルギーを消費することになり、システムの全体エネルギー効率を低下させる原因となる。そこで、本実施形態では、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の化学反応によって発生する反応熱を利用して、吸蔵合金タンク３の温度を加温することにより、全体エネルギー効率を低下させないようにしている。

つまり、吸蔵合金タンク３では、水素を水素吸蔵合金に吸蔵させて、水素を貯蔵している。図４は、水素吸蔵合金が水素を吸蔵／放出する化学式である。図４に示す式から、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際には、熱が生じる。本実施形態では、システム起動時に環境温度が所定温度以下の場合には、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の化学反応によって発生する反応熱を利用して、吸蔵合金タンク３を加温する。

図５は、本発明の第１の実施形態における熱マネージメントの説明図である。図５に示すように、水素製造装置２、吸蔵合金タンク３、燃料電池４、建物５０との間は、熱供給路５１が設けられている。

図６は、本発明の第１の実施形態における熱マネージメントの処理を示すフローチャートである。
（ステップＳ１）システム起動制御部１４は、システム起動時の温度が所定温度以下になると予想されるときには、事前に蓄電池１に再生可能エネルギーを貯蔵しておく。

（ステップＳ２）システム起動制御部１４は、システム起動時に、蓄電池１からの放電電力を水素製造装置２に送り、水素製造装置２を駆動して、水素を製造させる。

（ステップＳ３）システム起動制御部１４は、水素製造装置２で製造された水素を吸蔵合金タンク３に搬送させ、吸蔵合金タンク３で水素吸蔵合金に吸着させる。このとき、水素を水素吸蔵合金に吸着させるときの反応熱により、水素吸蔵合金の温度は上昇していく。

（ステップＳ４）システム起動制御部１４は、水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度以上に上昇したか否かを判定する。そして、システム起動制御部１４は、水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度以上に上昇していなければ（ステップＳ４：Ｎｏ）、処理をステップＳ２に戻し、水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度まで上昇するまで、水素を水素吸蔵合金に吸着させる処理を継続させる。

（ステップＳ５）水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度以上に上昇したら（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、システム起動制御部１４は、水素製造装置２で水素を製造させる処理を停止させた後、吸蔵合金タンク３より水素を放出させ、燃料電池４に供給する。

（ステップＳ６）吸蔵合金タンク３より水素を燃料電池４に供給すると、燃料電池４は発電する。この燃料電池４の発電電力は、建物５０に供給することができる。また、燃料電池４の発電により、燃料電池４から熱が発生する。この燃料電池４で発生した熱は吸蔵合金タンク３に送られ、燃料電池４から送られる熱により、水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度以上に維持される。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る電力供給システム１００では、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の化学反応によって発生する反応熱を回収して、水素吸蔵合金を加温することにより、全体エネルギー効率を低下させずに、低温の環境下でも吸蔵合金タンク３から水素を取り出すことができる。また、本発明の第１の実施形態に係る電力供給システム１００では、燃料電池４で発電時に生成された熱の一部を熱供給路５１を介して吸蔵合金タンク３に送り、吸蔵合金タンク３の水素吸蔵合金を加温することで、水素吸蔵合金の温度を水素放出が可能な所定の温度以上に維持できる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態における熱マネージメントの説明図である。なお、本発明の第２の実施形態において、前述の第１の実施形態と同一部分については、同一符号を付して、その説明を省略する。

図７において、建物５０が例えばホテル、病院、老健施設等の設備である場合、早朝から館内暖房或いは朝食調理用に、ボイラ等により高温水が生成されている。この高温水は、館内暖房或いは朝食調理用に利用された後、４０度～５０度の中温水になる。この中温水の一部は、熱供給路５１を介して、建物５０から吸蔵合金タンク３に送られる。この建物５０から送られてくる中温水により、吸蔵合金タンク３が加温される。これにより、吸蔵合金タンク３の水素吸蔵合金の温度が水素放出が可能な所定の温度まで上昇し、吸蔵合金タンク３からの水素を利用できる状態となる。

このように、本実施形態では、建物５０の設備で生成された熱を熱供給路５１を介して吸蔵合金タンク３に送り、吸蔵合金タンク３の水素吸蔵合金を加温することで、環境温度が低い場合でも、全体エネルギー効率を低下させずに、吸蔵合金タンク３から水素を放出できる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図８は、本発明の第３の実施形態における熱マネージメントの説明図である。なお、本発明の第３の実施形態において、前述の第１及び第２の実施形態と同一部分については、同一符号を付して、その説明を省略する。

図８において、水素製造装置２は、純水を電気分解することにより水素を製造する。このとき、水素製造装置２からは熱が発生し、水素製造時に未反応だった純水が加温される。水素製造装置２は、この未反応だった純水を回収し、再度、水素製造用の純水に混合し、電解用の純水の温度を４０度～５０度に上昇させる。電解用の純水の温度が上昇したら、この電解用純水から熱交換器を介して３０度程度の温熱が取出され、この温熱が熱供給路５１を介して、吸蔵合金タンク３に送られる。これにより、水素吸蔵合金から水素が放出可能となる所定の温度まで、水素吸蔵合金が加温される。

このように、本実施形態では、水素製造装置２で水素製造時に生成された熱の一部を熱供給路５１を介して吸蔵合金タンク３に送り、吸蔵合金タンク３の水素吸蔵合金を加温することで、環境温度が低い場合でも、新たな全体エネルギー効率を低下させずに、吸蔵合金タンク３から水素を放出できる。
また、水素を放出可能な温度まで水素吸蔵合金を加温するために、加温用の専用熱源を設ける必要がないため、加温用の専用熱源の稼動のために新たにエネルギーを消費することがなくなり、水素利用システムの全体エネルギーの効率の低下を抑制しつつ、水素吸蔵合金を加温することができる。

上述した実施形態における制御装置１０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１…蓄電池、２…水素製造装置、３…吸蔵合金タンク、４…燃料電池、５…直流電源、１０…制御装置、１１…判断・予測部、１２…制御部、１３…データベース、１４…システム起動制御部、２０…系統電力、３０…ＰＶ，３１…ＰＣＳ、５０…建物、１００…電力供給システム

Claims

再生可能エネルギーの余剰電力を蓄電し、蓄電した電力として出力可能な蓄電池と、
前記余剰電力および前記蓄電池からの電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、
前記水素製造装置によって製造された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する吸蔵合金タンクと、
前記吸蔵合金タンクの水素を利用して発電し、発電した発電電力を需要家負荷に供給する燃料電池と、
を備え、
前記吸蔵合金タンクが第１温度以下のとき、前記蓄電池から前記水素製造装置へ電力を供給し、前記水素製造装置で製造させた水素を前記水素吸蔵合金に吸蔵させ、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで前記吸蔵合金タンクを加温して前記吸蔵合金タンクを第２温度以上とした後、前記吸蔵合金タンクから放出させた水素を利用して前記燃料電池で発電を開始する
電力供給システム。
更に、熱を回収する熱回収部と、
前記回収された熱によって、水素放出可能な温度まで前記水素吸蔵合金を加温する加温部とを有する
請求項１に記載の電力供給システム。
前記熱回収部は、燃料電池で発電時に生成された熱を回収し、前記水素吸蔵合金を加温する系統に供給する請求項２に記載の電力供給システム。
前記熱回収部は、設備内において高温水が利用された中温水から熱を回収し、前記水素吸蔵合金を加温する系統に供給する請求項２又は３に記載の電力供給システム。
前記熱回収部は、水素製造装置において水素製造時に未反応であった純水から熱を回収し、前記水素吸蔵合金を加温する系統に供給する請求項２乃至４の何れかに記載の電力供給システム。