JP7256074B2

JP7256074B2 - 電力の需給調整システム

Info

Publication number: JP7256074B2
Application number: JP2019105309A
Authority: JP
Inventors: 浩一浅野; 寛森田; 良啓麦倉
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: JP2020198753A

Description

本発明は、電力の需給バランスを効率的に調整することができる電力の需給調整システムに関する。

化石燃料を使用しない再生可能エネルギーを用いた発電設備（再生可能エネルギー発電設備）が実用化されてきている。再生可能エネルギー発電設備は、自然環境により出力が大きく変化するため、負荷系統の需要を上回る余剰の電力が生じることが考えられる。供給される電力の変動に対応するため、余剰になった電力を用いてＨ_２を製造する電解装置が従来から提案されている（特許文献１）。

特許文献１に開示された技術を適用することにより、供給される電力が変動しても、余剰の電力が生じた際に電解装置を運転することで、電気分解によりＨ_２を製造して電力の需給を効率的に調整することができる。

一般的に知られている電解装置は、吸熱を伴う電気化学反応によりＨ_２を製造する装置であるため、熱を補う必要があり、内部抵抗により発熱による熱以外に、余剰の電力を用いた熱源からの熱（発熱負荷）、もしくは、外部エネルギーを用いた熱源からの熱（発熱負荷）を投入する必要があった。

このため、余剰の電力が発熱負荷に一部使用されるため、余剰の電力の全てをＨ_２の製造に使用することができない状況であった。

特開２０１９－２９０５０号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、電力の需要・供給に変動があっても、電力の需給バランスを効率的に調整することができる電力の需給調整システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の電力の需給調整システムは、電力が供給されることにより吸熱反応により必要物質を生成する電気化学手段と、前記電気化学手段に設けられ、発熱反応により前記必要物質が生成される触媒手段とを備え、
前記電気化学手段は、
前記触媒手段で発生する熱により、前記電気化学手段による前記必要物質の生成に伴う熱が賄われ、
前記電気化学手段は、
電解質を挟んで正側極、及び、負側極が備えられ、
前記負側極の側に前記触媒手段が設けられ、電力が供給されることで、前記必要物質が生成される電解モード、及び、電力の供給がされない状況で、前記触媒手段に炭化水素が送られてＨ _２を含む燃料に変換され、変換されたＨ _２を含む燃料が前記負側極に送られると共に、前記正側極にＯ _２が送られることで、電力が得られる発電モードを有している
ことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、システムに、例えば、Ｈ_２Ｏ（及びＣＯ_２）を投入し、電力が供給されて、電解手段、及び、触媒手段を用いて必要物質（例えば、ＣＨ_４、Ｏ_２）を生成する。この時、電気化学手段に設けられた触媒手段で発生する熱を回収して電解製造（吸熱）が実施される。余剰の電力を必要物質（例えば、ＣＨ_４、Ｏ_２）の生成に全て（または部分的に）投入でき、余剰の電力を熱発生のための負荷（熱負荷）運転に用いる必要がなくなる。
また、電解質を挟んで正側極（陽極）、負側極（陰極）を有する電気化学手段に、電力を供給すると共に、負側極の側（触媒手段）に、例えば、Ｈ _２Ｏを送ることで、電解モードが実施される。
また、電解質を挟んで正側極（正極）、負側極（負極）を有する構成の電気化学手段に、炭化水素（ＣＨ _４）を送って吸熱反応によりＨ _２を含む燃料に変換し、変換されたＨ _２を含む燃料を負側極に送ると共に、正側極にＯ _２（空気）を送ることで、電力を得る発電モードが実施される。

尚、供給される電力の過不足は、必要物質の生成の調整で需給バランスを調整し、電力の需給調整を行うことができる（需給調整システム）。

ＣＯ_２をシステムに投入する場合、例えば、負荷系統につながる発電設備（火力発電手段等）で回収されたＣＯ_２を用いることができる。また、バイオマス由来のＣＯ_２を用いることができる。電力の需要と供給の関係で、電力の供給が多くなって電力の価値が相対的に低下した際に、安価な電力で必要物質を生成することができる。

従って、電力の需要・供給に変動があっても、電力の需給バランスを効率的に調整する
ことができる電力の需給調整システムとすることが可能になる。
発電モードを有しているので、供給される電力の過不足は、電解モードと発電モードの調整で需給バランスを調整し、電力の需給調整を行うことができる（需給調整システム）。
発電モードで発生する熱の冷却は、触媒手段の吸熱反応により実施され、別途冷却手段（冷却のためのエネルギー）を用いることなく、発電モードを実施することができる。電気化学手段に送られる炭化水素（ＣＨ _４）は、例えば、バイオマス由来の炭化水素（ＣＨ _４）を用いることができる。
電力の需要と供給の関係で、電力の需要が多くなって（供給が足りなくなって）電力の価値が相対的に高くなった際に、高価になる電力を需要側に供給することができる。

そして、請求項２に係る本発明の電力の需給調整システムは、請求項１に記載の電力の需給調整システムにおいて、前記電気化学手段に供給される電力は、再生可能エネルギー発電手段で発電された電力を含むことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、再生可能エネルギー発電手段の電力の需要・供給の需給バランスを効率的に調整することができる。

また、請求項３に係る本願発明の電力の需給調整システムは、請求項１もしくは請求項２に記載の電力の需給調整システムにおいて、前記必要物質は炭化水素を含むことを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、必要物質は炭化水素（ＣＨ_４）を含むことで、既存のインフラを用いて必要物質としての炭化水素（ＣＨ_４）を扱う（移送、貯蔵等）ことができる。

本発明の電力の需給調整システムは、電力の需要・供給に変動があっても、電力の需給バランスを効率的に調整することができる電力の需給調整システムとすることが可能になる。

即ち、余剰の電力が生じた際に、発熱負荷の負担がない状態で電力の全てを必要物質の生成に用いることができる電気化学手段を備えることで、余剰の電力が生じた際に発熱負荷を賄うことなく電気化学手段を運転することができるので、電力の需給バランスを効率的に調整することができる電力の需給調整システムとすることが可能になる。

本発明の参考例に係る電力の需給調整システムを有する電力系統の概念図である。電解設備の概略構成図である。本発明の一実施例に係る電力の需給調整システムを有する電力系統の概念図である。電解・発電設備の概略構成図である。

図面に基づいて本発明の電力の需給調整システムを具体的に説明する。

図１には本発明の参考例に係る電力の需給調整システムを有する電力系統を概略的に表した状態、図２には電気化学手段としての電解設備の概略構成を説明する断面視の状態を示してある。

図１に示すように、系統１には負荷２が接続され、負荷２には系統１に投入された電力が供給されるようになっている。系統１には発電設備３（例えば、石炭火力発電設備）、再生可能エネルギー発電設備４（例えば、太陽光発電設備、風力発電設備等）が接続され、負荷２の需要に応じて発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４で発電される。

そして、系統１には、電気化学手段としての電解設備５が接続されている。電解設備５は、具体的には後述するが、系統１で余剰となった電力（例えば、再生可能エネルギー発電設備４で得られて余剰となった電力）を用いて必要物質としてＣＨ_４、Ｏ_２が生成される設備である。

図２に示すように、電解設備５は、電解質（固体電解質膜）１１を挟んで正側極としての陽極１２、及び、負側極としての陰極１３が備えられている。そして、陰極１３の側に触媒手段としてメタネーション触媒１４が設けられている。尚、陰極１３とメタネーション触媒１４を一体の構成にすることも可能である。

電解設備５では、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、及び、例えば、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４で回収されたＣＯ_２が触媒手段に投入され、電解合成で余剰の電力を用いて必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）が生成される（電解モード）。

電解合成反応は、熱を必要とする吸熱反応であるため、熱を補う必要がある。参考例の電解設備５は、メタネーション触媒１４を備えており、電解合成で必要となる熱が、ＣＨ_４の生成に伴い発生する熱で賄われるようになっている。このため、電解合成に必要となる熱負荷を、余剰の電力、もしくは、外部エネルギーで補う必要がない。

従って、電解合成に必要な発熱負荷を、余剰の電力や他のエネルギーで賄う必要がなくなるため、例えば、再生可能エネルギー発電設備４で発電されて余剰となった電力を、必要物質の生成に全て投入できる。このため、余剰の電力を負荷（熱負荷）運転に用いる必要がなくなる。

上述した構成の電力の需給調整システムを有する電力系統の設備では、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４で発電された電力が系統１に投入され、負荷２の需要に応じて電力が供給される。例えば、自然環境の変化等で再生可能エネルギー発電設備４の発電量が多くなり過ぎた場合、余剰となった電力が電解設備５に送られ、必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）が生成され、貯蔵することもできる。生成された必要物質（貯蔵された必要物質）は、他のプラント等で有効に利用される。

このため、余剰の電力が発生しても、蓄電池等に余剰の電力を一時的に溜める等の作業を行うことなく、長期に亘り余剰の電力を有効に消費、貯蔵することが可能になる。

電力の需要と供給の関係で、系統１への電力の供給が多くなって電力の価値（価格）が相対的に低下した際に、安価になる電力で必要物質を生成することができる。

従って、上述した参考例の電力の需給調整システムは、余剰の電力が生じた際に、発熱負荷の負担がない状態で電力の全てを必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）の生成に用いることができる電解設備５を備えることで、余剰の電力が生じた際に余剰の電力（他のエネルギー）で発熱負荷を賄うことなく電解設備５を運転することができる。

尚、上述した参考例の電力の需給調整システムは、供給される電力の過不足は、必要物質の生成の調整で対応することで、需給バランスを調整し、電力の需給調整を行うことができる。

尚、図１の参考例では、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４、電解設備５を個別に系統１に接続し、系統１からの余剰の電力を電解設備５に供給するようにしたが、図中点線で示すように、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４、電解設備５をグループ化することも可能である。この場合、グループ内で発電が過剰となった場合、電力が電解設備５で調整される。

図３、図４に基づいて本発明の一実施例の電力の需給調整システムを説明する。

図３には本発明の一実施例に係る電力の需給調整システムを有する電力系統を概略的に表した状態、図４には電気化学手段としての電解・発電設備の概略構成を説明する断面視の状態を示してあり、図４（ａ）は電解モードで運転している状態、図４（ｂ）は発電モードで運転している状態である。

尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図３に示すように、系統１には、電気化学手段としての電解・発電設備１５が接続されている。電解・発電設備１５は、具体的には後述するが、系統１で余剰となった電力（再生可能エネルギー発電設備４で得られた電力）を用いて必要物質として、ＣＨ_４、Ｏ_２が生成される設備とされている（電解モード）。

また、電解・発電設備１５は、再生可能エネルギー発電設備４の電力が変動して発電量が不足した場合、または、負荷２の需要が増大して、系統１の電力が不足した場合に、負側極に燃料としてＨ_２（ＣＨ_４が改質されて得られたＨ_２、ＣＯ）が供給されると共に、正側極に空気（Ｏ_２）が供給され、発電により電力が得られる設備とされている（発電モード）。

つまり、電力の需給調整を行う設備として電解・発電設備１５が備えられ、例えば、再生可能エネルギー発電設備４で発電された電力が余剰となった場合に、電解モードにより余剰の電力で必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）が生成される。そして、系統１で消費される電力が不足した場合に、発電モードにより不足分の電力が発電される。この場合、電解モード単独で需要調整を行う場合と比較して、大幅に設備の稼働率を向上させることができる。

図４に示すように、電解・発電設備１５は、電解質（固体電解質膜）１６を挟んで正側極１７、及び、負側極１８が備えられている。そして、負側極１８の側に触媒手段として改質・メタネーション触媒１９が設けられている。尚、負側極１８と改質・メタネーション触媒１９を一体の構成にすることも可能である。

図４（ａ）に示すように、電解・発電設備１５では、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、及び、例えば、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４で回収されたＣＯ_２が触媒手段に投入され、電解合成で余剰の電力を用いて必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）が生成される（電解モード）。この場合、電解・発電設備１５は、正側極１７が陽極として作用し、負側極１８が陰極として作用する。

電解合成反応は、熱を必要とする吸熱反応であるため、熱を補う必要がある。本実施例の電解・発電設備１５は、改質・メタネーション触媒１９を備えており、電解合成で必要となる熱が、ＣＨ_４の生成に伴い発生する熱で賄われるようになっている。このため、電解合成に必要となる熱負荷を、余剰の電力、もしくは、外部エネルギーで補う必要がない。

また、図４（ｂ）に示すように、電解・発電設備１５は、改質・メタネーション触媒１９に炭化水素としてＣＨ_４が送られることで燃料としてのＨ_２、ＣＯが生成される（吸熱反応）。生成されたＨ_２、ＣＯが負側極１８（負極）を流通して燃料として使用され、Ｏ_２が正側極１７（正極）を流通して酸化剤として使用され、発電により電力が得られる（発熱）。

上記構成の電力の需給調整システムは、電解・発電設備１５は、改質・メタネーション触媒１９を備えており、参考例と同様に、電解モードの運転時には、電解合成に必要な熱がＣＨ４の生成に伴い発生する熱で賄われるようになっているので、電解合成に必要な熱負荷を、余剰の電力、もしくは、外部エネルギーで補う必要がない。

つまり、電解・発電設備１５では、改質・メタネーション触媒１９で発生する熱が回収されて、電解合成が行われる。電解合成に必要な発熱負荷を余剰の電力（外部エネルギー）で賄う必要がないため、余剰の電力を必要物質の生成に全て投入できる。

電力の需要と供給の関係で、系統１への電力の供給が多くなって電力の価値（価格）が相対的に低下した際に、参考例と同様に、安価になる電力で必要物質を生成することができる。

上述した構成の電力の需給調整システムを有する電力系統の設備では、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４で発電された電力が系統１に投入され、負荷２の需要に応じて電力が供給される。例えば、自然環境の変化等で再生可能エネルギー発電設備４の発電量が多くなり過ぎた場合、余剰となった電力が電解・発電設備１５に送られ、必要物質（ＣＨ_４、Ｏ_２）が生成され、貯蔵することもできる。生成された必要物質（貯蔵された必要物質）は、他のプラント等で有効に利用される。

このため、参考例と同様に、余剰の電力が発生しても、蓄電池等に余剰の電力を一時的に溜める等の作業を行うことなく、長期に亘り余剰の電力を有効に消費、貯蔵することが可能になる。

一方、再生可能エネルギー発電設備４の電力が変動して発電量が不足した場合、または、負荷２の需要が増大して、系統１の電力が不足した場合、電解・発電設備１５で発電を行い、不足した電力を賄うことができる。即ち、発電モードの運転時は、電解・発電設備１５は、改質・メタネーション触媒１９にＣＨ_４が送られることで燃料としてのＨ_２、ＣＯが生成される（吸熱反応）。

生成されたＨ_２、ＣＯが負側極１８を流通して燃料として使用され、Ｏ_２が正側極１７を流通して酸化剤として使用され、発電により電力が得られる（発熱反応）。改質・メタネーション触媒１９での改質反応（吸熱反応）により、発電時の装置が冷却され、冷却のためのエネルギー、及び、設備を設ける必要がない。

電解・発電設備１５で発電を実施して電力の供給を可能にすることにより、電力の需要と供給の関係で、電力の需要が多くなって（供給が足りなくなって）電力の価値が相対的に高くなった場合、価値を高めた（高価になった）電力を需要側に供給することができる。

従って、上述した一実施例の電力の需給調整システムは、参考例の電力の需給調整システムと同様に、発熱負荷の負担がない状態で電力の全てを必要物質の生成に用いることができる電解・発電設備１５を備えることで、余剰の電力が生じた際に発熱負荷を賄うことなく電解・発電設備１５を運転することができる。そして、系統１の電力が足りなくなった場合、電解・発電設備１５で発電を行い、不足して高価となる電力を賄うことができる。

このため、系統１で余剰となった電力（再生可能エネルギー発電設備４で得られた電力）を用いて必要物質が生成される設備とすることができるので、Ｈ_２を生成する電解合成に比べて効率良く必要物質を生成することができる。

また、改質・メタネーション触媒１９によりＣＨ_４が生成され、貯蔵することができるので、生成された必要物質を既存のインフラを用いて扱う（移送、貯蔵等）ことができる。

そして、系統１で電力が不足した場合、電解・発電設備１５で発電を実施して電力の供給を可能にすることができ、電解モード単独で需要調整を行う場合と比較して、大幅に設備の稼働率を向上させることができる。また、発電時に発生した熱は、改質・メタネーション触媒１９における改質反応の吸熱により吸収（冷却）することができ、電力等の動力を用いた冷却手段を設ける必要がなく、発電効率を向上させることができる。

従って、一実施例の電力の需給調整システムは、電力の需要・供給に変動があっても、電解・発電設備１５の稼働率を大幅に向上させた状態で、電力の需給バランスを効率的に調整することが可能になる。

尚、参考例と同様に、発電設備３、再生可能エネルギー発電設備４と電解・発電設備１５をグループ化することも可能である。この場合、グループ内で発電が過剰となった場合、電力が電解・発電設備１５で調整される。一方、グループ内での発電が不足した場合、電解・発電設備１５で調整することができる。

本発明は、電力の需要・供給に変動があっても、電力の需給バランスを効率的に調整することができる電力の需給調整システムの産業分野で利用することができる。

１系統
２負荷
３発電設備
４再生可能エネルギー発電設備
５電解設備
１１、１６電解質
１２陽極
１３陰極
１４メタネーション触媒
１５電解・発電設備
１７正側極
１８負側極
１９改質・メタネーション触媒

Claims

電力が供給されることにより吸熱反応により必要物質を生成する電気化学手段と、
前記電気化学手段に設けられ、発熱反応により前記必要物質が生成される触媒手段とを備え、
前記電気化学手段は、
前記触媒手段で発生する熱により、前記電気化学手段による前記必要物質の生成に伴う熱が賄われ、
前記電気化学手段は、
電解質を挟んで正側極、及び、負側極が備えられ、
前記負側極の側に前記触媒手段が設けられ、電力が供給されることで、前記必要物質が生成される電解モード、及び、
電力の供給がされない状況で、
前記触媒手段に炭化水素が送られてＨ _２を含む燃料に変換され、変換されたＨ _２を含む燃料が前記負側極に送られると共に、前記正側極にＯ _２が送られることで、電力が得られる発電モードを有している
ことを特徴とする電力の需給調整システム。
請求項１に記載の電力の需給調整システムにおいて、
前記電気化学手段に供給される電力は、
再生可能エネルギー発電手段で発電された電力を含む
ことを特徴とする電力の需給調整システム。
請求項１もしくは請求項２に記載の電力の需給調整システムにおいて、
前記必要物質は炭化水素を含む
ことを特徴とする電力の需給調整システム。