JP7470858B2 - 水素利用管理装置、水素需給管理装置、水素需給管理運用システムおよび水素需給管理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水素利用管理装置、水素需給管理装置、水素需給管理運用システムおよび水素需給管理方法に関するものである。
燃焼時に二酸化炭素を排出する化石燃料に対し、水素は、燃焼時に二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーである。そのため、水素は、地球温暖化対策のためのクリーンエネルギーの一つとして注目されている。水素は、再生可能エネルギーなどを利用した水の電気分解や、天然ガスの改質などにより製造される。近年では、その水素の製造や輸送や利用に関する技術開発が進められている。
特許文献１には、水素ガスを高圧容器に充填し、高圧容器を輸送車などを用いて水素利用者へ搬送することが開示されている。
特許文献１には、水素を輸送する方法が開示されているが、水素充填時に高圧・低温処理などのエネルギーに必要なコストや、輸送時の気化損失や安全性確保のため所定の圧力・温度を維持するためのコストの課題が懸念される。
また、水素吸蔵合金による水素輸送方法もあるが、吸蔵可能な水素量に対して水素吸蔵合金の重量が重い（充填密度が低い）ため、水素輸送コストが増加することが懸念される。また、水素吸蔵合金の種類に応じて水素吸蔵と放出を繰り返すと材料脆化が起きる。結果、水素吸蔵量が低下した場合の交換などによるメンテナンスコストが発生する。更に、水素吸蔵合金には希土類元素などの希少金属を使う場合があり、資源不足とコストアップが懸念される。
また、特許文献１に記載の発明では、水素利用者が水素を必要とする場合には、輸送車による水素の輸送が必要である。
環境省において、令和元年に「再エネ電解水素の製造及び水素混合ガスの供給利用実証事業」が開始された(URL:https://www.env.go.jp/press/106873-print.html)。本事業では、風力発電の電力を用いて、水の電気分解により水素を製造し、該水素と都市ガス相当の模擬ガスをブレンドしてガス配管によって利用場所に供給する。ブレンドガスは給湯器、ガスコンロなどでそのまま利用される。この方法によれば、水素と都市ガスのブレンドをガスパイプラインで水素利用者へ常に供給することができる。しかしながら、都市ガスも水素とともに供給されて利用するため、水素利用装置において、二酸化炭素の排出を免れない。
環境省において、令和元年に「再エネ電解水素の製造及び水素混合ガスの供給利用実証事業」が開始された(URL:https://www.env.go.jp/press/106873-print.html)。本事業では、風力発電の電力を用いて、水の電気分解により水素を製造し、該水素と都市ガス相当の模擬ガスをブレンドしてガス配管によって利用場所に供給する。ブレンドガスは給湯器、ガスコンロなどでそのまま利用される。この方法によれば、水素と都市ガスのブレンドをガスパイプラインで水素利用者へ常に供給することができる。しかしながら、都市ガスも水素とともに供給されて利用するため、水素利用装置において、二酸化炭素の排出を免れない。
そこで、本発明は、水素を低コストかつ安全に、水素供給元に連絡することなく必要な時に必要な量の水素を利用可能とすることを課題とする。
前記した課題を解決するため、本発明の水素利用管理装置は、ガスパイプラインから供給されるブレンドガスから水素を取り出す水素取出し部と、前記水素取出し部が取り出した水素を水素利用装置に供給する取出し水素供給部と、前記水素取出し部が取り出して前記水素利用装置に供給する水素利用量を計測する取出し水素量計測部と、前記取出し水素量計測部が計測した水素利用量の情報を外部に送信する取出し水素量通信部と、前記水素取出し部が水素を分離した後のガスを前記ガスパイプラインに戻すガス戻し部と、を備えることを特徴とする。
本発明の水素需給管理装置は、ガスパイプライン中の水素を利用する水素利用管理装置から受信した水素利用量を集計する水素利用量集計部と、前記ガスパイプライン中に水素を供給する水素供給管理装置から受信した水素供給量を集計する水素供給量集計部と、前記水素利用量集計部が集計した水素利用量、および、前記水素供給量集計部が集計した水素供給量から、前記ガスパイプライン内の水素量をシミュレーションするリアルタイム水素量解析部と、を備えることを特徴とする。
本発明の水素需給管理運用システムは、ガスパイプライン中の水素を取り出して利用する量と前記ガスパイプラインに供給する水素量の情報を管理する水素需給管理装置と、前記ガスパイプラインのブレンドガスから水素を取り出して外部装置に利用させると共に、前記外部装置に利用させた水素利用量の情報を前記水素需給管理装置に送信する水素利用管理装置と、前記ガスパイプラインに水素を供給すると共に、前記ガスパイプラインに供給した水素量の情報を前記水素需給管理装置に送信する水素供給管理装置と、を備えることを特徴とする。
本発明の水素需給管理方法は、水素利用量集計部が、ガスパイプライン中の水素を利用する水素利用管理装置から受信した水素利用量を集計するステップ、水素供給量集計部が、前記ガスパイプライン中に水素を供給する水素供給管理装置から受信した水素供給量を集計するステップ、水素量予測部が、前記水素利用量集計部が集計した水素利用量、および、前記水素供給量集計部が集計した水素供給量から、前記ガスパイプライン内の水素量をシミュレーションするステップ、を実行することを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、水素を低コストかつ安全に、水素供給元に連絡することなく必要な時に必要な量の水素を利用可能とすることが可能となる。
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。また、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
本実施形態では、クリーンエネルギーとして製造された水素に関して、経済性、安全性、利便性と地球温暖化対策を満たしながら水素需給の課題を解決することを目的としている。
本実施形態では、クリーンエネルギーとして製造された水素に関して、経済性、安全性、利便性と地球温暖化対策を満たしながら水素需給の課題を解決することを目的としている。
図１は、本実施形態の水素需給管理運用システム３００の概念図である。
本実施形態での水素需給管理運用システム３００は、図１に示した水素利用管理装置３０２、水素供給管理装置３０３、水素需給管理装置３０１、それを利用する水素利用装置２０１および水素供給装置１０２を含んで構成される。水素需給管理運用システム３００の水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１へ供給される水素量と、ガスパイプライン１中の水素を分離して取り出して利用する水素量とを管理運用するものである。
本実施形態での水素需給管理運用システム３００は、図１に示した水素利用管理装置３０２、水素供給管理装置３０３、水素需給管理装置３０１、それを利用する水素利用装置２０１および水素供給装置１０２を含んで構成される。水素需給管理運用システム３００の水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１へ供給される水素量と、ガスパイプライン１中の水素を分離して取り出して利用する水素量とを管理運用するものである。
このガスパイプライン１は、例えば、水素と天然ガスをブレンドしたブレンドガスを供給するパイプラインである。なお、ブレンドガスとしては、天然ガスに限らず、水素を含有することができ、流通可能なガスであれば、あらゆる公知のガスを採用してもよい。
水素供給装置１０２は、水素供給管理装置３０３を介してガスパイプライン１に接続されている。水素供給装置１０２は、水素を製造して外部に供給する装置である。水素供給管理装置３０３は、水素供給装置１０２が製造した水素をガスパイプライン１に供給すると共に、供給した水素量を計測して水素需給管理装置３０１に送信する装置である。
水素供給装置１０２は、水素供給管理装置３０３を介してガスパイプライン１に接続されている。水素供給装置１０２は、水素を製造して外部に供給する装置である。水素供給管理装置３０３は、水素供給装置１０２が製造した水素をガスパイプライン１に供給すると共に、供給した水素量を計測して水素需給管理装置３０１に送信する装置である。
水素利用装置２０１は、水素利用管理装置３０２を介してガスパイプライン１に接続されている。水素利用装置２０１は、水素を利用する装置である。水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１のブレンドガスから水素を取り出して水素利用装置２０１に利用させると共に、水素利用装置２０１に利用させた水素量を計測して、水素需給管理装置３０１に送信する装置である。
水素利用装置２０１は、燃料電池等の水素を使用する設備で使用する水素を水素利用管理装置３０２を介してガスパイプライン１から取り出すことができる。ここで、水素利用管理装置３０２がガスパイプライン１から取出す水素の量は、水素利用装置２０１が調整している。水素利用装置２０１側の容量制御、レベル制御などと連動させて、水素利用管理装置３０２がガスパイプライン１から取出す水素の量を調整してもよい。
また、水素利用管理装置３０２は、水素利用装置２０１が利用する水素量（水素利用量）を計測、記録し、その情報を水素需給管理装置３０１に発信する。発信する方法はスマートメータのように無線で行うが、有線で発信してもよい。つまり、水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１のブレンドガスから水素を取り出して外部装置である水素利用装置２０１に利用させると共に、この水素利用装置２０１に利用させた水素利用量の情報を水素需給管理装置３０１に送信する。
また、水素利用管理装置３０２が水素需給管理装置３０１に水素利用量の情報を発信する間隔は、例えば水素の需給を管理するために、所定の間隔（例えば１分から５分程度）に設定される。情報の発信間隔が設定された場合、水素利用管理装置３０２が水素利用量を計測する間隔は、情報の発信間隔以下とすることが好ましい。
次に水素供給管理装置３０３は、水素需給管理装置３０１から受信した水素供給量に基づいて水素供給装置１０２にて水素を製造し、製造した水素をガスパイプライン１に供給する。水素の製造方法は、例えば再生可能エネルギーで発電した電力を用いた水の電気分解で製造する方法、石炭をガス化した際に生じる一酸化炭素をシフト反応させ、その後二酸化炭素を分離することで製造する方法、天然ガスを水蒸気改質させて製造する方法など、どの方法を用いて製造してもよく、限定しない。なお、カーボンフリーを実現するためには、水素供給装置１０２は、製造過程で二酸化炭素が生じる場合、その二酸化炭素を回収して有価物に変換、または貯留することが好ましい。
水素供給管理装置３０３では、ガスパイプライン１に供給した水素供給量を計測、記録し、その水素供給量の情報を水素需給管理装置３０１に発信する。水素利用管理装置３０２と同様、水素需給管理装置３０１に水素供給量の情報を発信する間隔は、例えば水素の需給を管理するために、所定の間隔（例えば１分から５分程度）に設定されていてもよく、更に水素利用管理装置３０２の情報の発信間隔と合わせることが好ましい。情報の発信間隔が設定された場合、水素供給管理装置３０３が水素供給量を計測する間隔は、情報の発信間隔以下とすることが好ましい。
水素需給管理装置３０１は、水素利用管理装置３０２から受信した水素利用量の情報と、水素供給管理装置３０３から受信した水素供給量の情報を管理する。つまり水素需給管理装置３０１は、ガスパイプライン１中の水素を取り出して利用する量とガスパイプライン１に供給する水素量の情報を管理する。水素需給管理装置３０１は、これらの蓄積データを利用して、水素供給量の予測に使用しても、水素利用装置２０１の使用料金の算出に使用してもよい。
本実施形態の水素需給管理運用システム３００によれば、ガスパイプライン１で接続された水素利用装置２０１と水素供給装置１０２による水素の需給の管理運用が可能となる。
図２は、天然ガスと水素とをブレンドしたブレンドガスがパイプラインに混入している場合の水素需給管理運用システム３００を示す図であり、図１の説明を詳細化したものである。
図２に示す水素需給管理運用システム３００は、ガスパイプライン１、ガス供給起点１０１、水素供給装置１０２および水素供給管理装置３０３、水素利用管理装置３０２および水素利用装置２０１、水素利用管理装置３０２および其れを含む水素集中供給施設２０２、水素需給管理装置３０１を含んで構成され、他地域ガスパイプライン２にも接続されている。水素集中供給施設２０２は、燃料電池車２０３や水素輸送手段２０４等の水素利用設備に水素を供給する施設である。
水素利用装置２０１は、水素利用管理装置３０２を介してガスパイプライン１に接続されている。水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１からブレンドガス９０１を引き込み、水素利用装置２０１や燃料電池車２０３や水素輸送手段２０４等の水素利用設備で利用される水素流量分の水素９０２を分離して取り出すことができる。
ここで、水素利用設備が利用する水素流量は、水素利用装置２０１が調整してもよく、水素使用設備側の容量制御、レベル制御等と連動して自動的に調整してもよい。また、水素の利用に関して、例えば水素集中供給施設２０２が、ガスパイプライン１から水素９０２を取り出し、燃料電池車２０３に供給したり、トラック等の水素輸送手段２０４を介してガスパイプライン１に接続されていない不図示の水素利用装置に供給してもよい。
水素利用管理装置３０２を用いてブレンドガス９０１から水素９０２が分離された戻しガス９０３は、ガスパイプライン１に戻すことが可能な温度と圧力に調整された後、ガスパイプライン１に戻される。また、水素利用管理装置３０２は、自身に接続された水素利用装置２０１の水素使用量を計測して記録し、その水素使用量の情報を水素需給管理装置３０１に発信する。
水素供給装置１０２は、水素供給管理装置３０３が水素需給管理装置３０１から受信した水素供給量の水素を製造し、製造した水素をガスパイプライン１に供給する。ここで、ガス供給起点１０１は、内部に水素供給管理装置３０３を有し、水素需給管理装置３０１から受信した水素供給量に基づき水素を製造し、製造した水素をガスパイプライン１に供給する。
水素供給装置１０２は、例えば再生可能エネルギーで発電した電力を用いた水の電気分解で水素を製造する方法、石炭をガス化した際に生じる一酸化炭素をシフト反応させ、その後二酸化炭素を分離することで水素を製造する方法、天然ガスを水蒸気改質させて水素を製造する方法など、どの方法を用いて水素を供給してもよく、限定しない。なお、カーボンフリーを実現するために、水素供給装置１０２は、水素の製造過程で二酸化炭素が生じる場合、その二酸化炭素を回収し、有価物に変換、または貯留することが好ましい。
また、水素供給管理装置３０３では、ガスパイプライン１に供給した水素供給量を計測、記録し、その情報を水素需給管理装置３０１に発信する。水素利用管理装置３０２と同様、水素供給管理装置３０３が水素需給管理装置３０１に水素供給量の情報を発信する間隔は、例えば水素の需給を管理するために、所定の間隔（例えば１分から５分程度）に設定されていてもよく、更に水素利用管理装置３０２と合わせることが好ましい。データ間隔が設定された場合、水素供給管理装置３０３が水素供給量を計測する間隔は、水素供給管理装置３０３が水素供給量を発信する間隔以下とすることが好ましい。
最後に水素需給管理装置３０１は、水素利用管理装置３０２から受信した水素利用量と、水素供給管理装置３０３から受信した水素供給量のデータを管理する。水素需給管理装置３０１は、これら水素供給量の蓄積データを利用して、未来の水素供給量の予測に使用してもよく、水素利用装置２０１が使用した水素の使用料金の算出に使用してもよい。
本実施形態の水素需給管理運用システム３００によれば、ガスパイプライン１で接続された水素利用装置２０１と水素供給管理装置３０３の需給の管理・運用が可能となる。
図３は、水素利用管理装置３０２のブロック図である。
水素利用管理装置３０２は、システム制御部３１０、水素取出し部３１１、取出し水素供給部３１２、取出し水素量計測部３１３、取出し水素量通信部３１４、ガス戻し部３１５を備えており、ブレンドガス９０１の流路と戻しガス９０３の流路でガスパイプライン１に接続される。
水素利用管理装置３０２は、システム制御部３１０、水素取出し部３１１、取出し水素供給部３１２、取出し水素量計測部３１３、取出し水素量通信部３１４、ガス戻し部３１５を備えており、ブレンドガス９０１の流路と戻しガス９０３の流路でガスパイプライン１に接続される。
本実施形態において、ブレンドガス９０１は、水素と天然ガスで構成されている。
システム制御部３１０が水素利用管理装置３０２全体の情報集約と制御の管理を実行する。システム制御部３１０のコントロールにおいて、以下の手順で、水素利用装置２０１が所有する水素利用装置１０００へ水素９０２が供給される。
システム制御部３１０が水素利用管理装置３０２全体の情報集約と制御の管理を実行する。システム制御部３１０のコントロールにおいて、以下の手順で、水素利用装置２０１が所有する水素利用装置１０００へ水素９０２が供給される。
（手順１） ガスパイプライン１との一方の流路から、ブレンドガス９０１が水素利用管理装置３０２に流入する。
（手順２） 水素利用管理装置３０２内の水素取出し部３１１は、水素９０２と戻しガス９０３とを分離する。水素９０２は、取出し水素供給部３１２へ供給される。一方、戻しガス９０３は、ガス戻し部３１５へ供給される。
水素取出し部３１１は、ガスパイプライン１から供給されるブレンドガス９０１から水素９０２と戻しガス９０３を分離して、水素９０２を取り出す。そのために、水素取出し部３１１は、水素分離膜法、圧力変動吸着分離法（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）、温度変動吸着分離法（ＴＳＡ：Thermal. Swing Adsorption）などの分離機構を備えている。水素取出し部３１１は前記分離方法に適した条件（温度、圧力など）に合わせるための加圧・減圧・加熱・冷却などを行う機構を備えていると好適である。水素取出し部３１１の詳細は、後記する図８にて説明する。
（手順３） 取出し水素供給部３１２は、水素取出し部３１１が取り出した水素９０２を水素利用装置１０００に適した条件に調整し、取出し水素量計測部３１３に供給する。これにより、取出し水素供給部３１２は、水素取出し部３１１が取り出した水素９０２を水素利用装置１０００に供給する。水素利用装置１０００に適した条件とは、温度や圧力や流量のうち何れか１つ以上である。取出し水素供給部３１２は、水素ガスの圧力と温度と流量のうち何れか１つ以上を調整する調整器である。
なお、水素取出し部３１１で取り出した水素９０２が水素利用装置１０００に適した条件となっている場合には、水素利用管理装置３０２から取出し水素供給部３１２を省くことも可能である。
（手順４） 取出し水素量計測部３１３は、水素利用装置１０００で使われた水素９０２の量を計測する。取出し水素量計測部３１３は、水素取出し部３１１が取り出して水素利用装置１０００に供給する水素利用量を計測する。
水素利用装置１０００で使われた水素使用量の情報は、システム制御部３１０に集約され、システム制御部３１０からの情報に基づいて、取出し水素量通信部３１４を通して水素需給管理装置３０１に送信される。取出し水素量通信部３１４は、取出し水素量計測部３１３が計測した水素利用量の情報を外部に送信するものである。
水素利用装置１０００で使われた水素使用量の情報は、システム制御部３１０に集約され、システム制御部３１０からの情報に基づいて、取出し水素量通信部３１４を通して水素需給管理装置３０１に送信される。取出し水素量通信部３１４は、取出し水素量計測部３１３が計測した水素利用量の情報を外部に送信するものである。
（手順５） 水素取出し部３１１で分離された戻しガス９０３は、ガス戻し部３１５において、ガスパイプライン１に戻しても良い条件（温度、圧力、流速など）に調整される。そしてガス戻し部３１５は、水素取出し部３１１が水素を分離した後のガスである戻しガス９０３をガスパイプライン１との他方の流路により、ガスパイプライン１に戻す。
図４は、水素需給管理装置３０１の説明図である。
天然ガスと水素をブレンドしたガスパイプライン１は、ガスパイプライン１へ供給する水素量を管理する複数の水素供給管理装置３０３がガスパイプライン合流点４にて繋がっている。水素供給管理装置３０３は、ガスパイプライン１へ供給する水素量の情報を水素需給管理装置３０１に送信する。
更にガスパイプライン１には、ガスパイプライン１から混合ガスから水素を分離して取り出すと共に、取り出して利用された水素量を管理する複数の水素利用管理装置３０２がガスパイプライン分岐点３にて繋がっている。水素利用管理装置３０２は、各地点の水素需給量を水素需給管理装置３０１に送信する。
天然ガスと水素をブレンドしたガスパイプライン１は、ガスパイプライン１へ供給する水素量を管理する複数の水素供給管理装置３０３がガスパイプライン合流点４にて繋がっている。水素供給管理装置３０３は、ガスパイプライン１へ供給する水素量の情報を水素需給管理装置３０１に送信する。
更にガスパイプライン１には、ガスパイプライン１から混合ガスから水素を分離して取り出すと共に、取り出して利用された水素量を管理する複数の水素利用管理装置３０２がガスパイプライン分岐点３にて繋がっている。水素利用管理装置３０２は、各地点の水素需給量を水素需給管理装置３０１に送信する。
本実施形態に記載の水素需給管理装置３０１には、仮想空間上にガスパイプライン網（Physical Grid）を模擬したCyber Gridを備えたＣＰＳ（Cyber Physical System）上で、水素供給管理装置３０３、水素利用管理装置３０２から送られる水素の需給量から任意地点のガスパイプライン１内の水素濃度または水素量をリアルタイムにシミュレーションする。
水素利用装置２０１がガスパイプライン１から水素のみを取り出して天然ガスを戻すと、その下流のガスパイプライン１中の水素濃度が低下する。そして、水素分離効率や必要水素量を取り出すための混合ガス受け入れ量が増加し、スループットが低下し、如いては必要な水素量を確保できなくなる恐れがある。
本実施形態では、水素需給管理装置３０１でガスパイプライン１の任意地点での水素濃度または水素量をシミュレーションしてリアルタイムに把握する。これにより、必要に応じて水素需給管理装置３０１から水素供給管理装置３０３へ水素追加供給の指示を送る等、適切にガスパイプライン１を運用することができる。本運用方法の詳細については図５でより詳しく説明する。
本実施形態では、ガスパイプライン１の状態把握手段としてCyber gridを構築するCPSを用いた例を示したが、ＤＣＳ（Distributed Control System）のような監視制御システムやクラウド、サーバー等に情報を集めてモニタリングする等、手段は問わない。
また、ガスパイプライン１の任意地点の情報は水素濃度や量に限るものではなく、天然ガスの濃度、量や温度、圧力等、ガスパイプライン１の状態に関する情報が収集、監視対象に加えられてもよい。
図５は、将来予測機能を備えた水素需給管理装置３０１のブロック図である。
水素需給管理装置３０１は、システム制御部３２０、水素利用量集計部３２１、リアルタイム水素量解析部３２２、水素利用量予測部３２３、水素供給量決定部３２４、水素供給量集計部３２５を主要機能として備える。更に水素需給管理装置３０１は、水素需給過去データベース３２６と環境データベース３２７を備える。図３に示した水素利用管理装置３０２と同様に、システム制御部３２０が水素管理システム全体の情報集約と制御および管理運用を実行する。
水素需給過去データベース３２６は、過去の水素利用量の履歴および水素供給量の履歴が格納されたデータベースである。
水素需給管理装置３０１は、システム制御部３２０、水素利用量集計部３２１、リアルタイム水素量解析部３２２、水素利用量予測部３２３、水素供給量決定部３２４、水素供給量集計部３２５を主要機能として備える。更に水素需給管理装置３０１は、水素需給過去データベース３２６と環境データベース３２７を備える。図３に示した水素利用管理装置３０２と同様に、システム制御部３２０が水素管理システム全体の情報集約と制御および管理運用を実行する。
水素需給過去データベース３２６は、過去の水素利用量の履歴および水素供給量の履歴が格納されたデータベースである。
水素利用量集計部３２１は、ガスパイプライン１中の水素を利用する水素利用管理装置３０２から受信した水素利用量を集計する。水素供給量集計部３２５は、ガスパイプライン１中に水素を供給する水素供給管理装置３０３から受信した水素供給量を集計する。リアルタイム水素量解析部３２２は、水素利用量集計部３２１が集計した水素利用量、および、水素供給量集計部３２５が集計した水素供給量から、ガスパイプライン１内の水素量をシミュレーションする。水素利用量予測部３２３は、ガスパイプライン１内の将来の水素利用量を予測する。
水素供給量決定部３２４は、リアルタイム水素量解析部３２２がシミュレーションした水素量と水素利用量予測部３２３が予測した水素利用量を比較して、ガスパイプライン１に供給する水素供給量を決定する。
水素供給量決定部３２４は、リアルタイム水素量解析部３２２がシミュレーションした水素量と水素利用量予測部３２３が予測した水素利用量を比較して、ガスパイプライン１に供給する水素供給量を決定する。
図６は、水素需給管理装置３０１が実行する処理のフローチャートである。
システム制御部３１０は、水素利用管理装置３０２でガスパイプライン１から抜き出し、利用されたリアルタイムの水素量情報を集約する（Ｓ１０）。システム制御部３１０は、集約したリアルタイムの水素量情報を、取出し水素量通信部３１４から水素需給管理装置３０１の水素利用量集計部３２１に送信する。
また、システム制御部３１０は、水素供給装置１０２が供給したリアルタイムの水素供給量情報を集約する（Ｓ１０）。システム制御部３１０は、そのリアルタイムの水素供給量情報を、供給水素量通信部３３２から水素需給管理装置３０１の水素供給量集計部３２５に送信する。
リアルタイム水素量解析部３２２は、集計した水素需給データに基づいてガスパイプライン１内の水素濃度または水素量をリアルタイムでシミュレーションする（Ｓ１１）。これにより、リアルタイム水素量解析部３２２は、ガスパイプライン１の任意地点における情報を定量または可視化することができる。
システム制御部３１０は、水素利用管理装置３０２でガスパイプライン１から抜き出し、利用されたリアルタイムの水素量情報を集約する（Ｓ１０）。システム制御部３１０は、集約したリアルタイムの水素量情報を、取出し水素量通信部３１４から水素需給管理装置３０１の水素利用量集計部３２１に送信する。
また、システム制御部３１０は、水素供給装置１０２が供給したリアルタイムの水素供給量情報を集約する（Ｓ１０）。システム制御部３１０は、そのリアルタイムの水素供給量情報を、供給水素量通信部３３２から水素需給管理装置３０１の水素供給量集計部３２５に送信する。
リアルタイム水素量解析部３２２は、集計した水素需給データに基づいてガスパイプライン１内の水素濃度または水素量をリアルタイムでシミュレーションする（Ｓ１１）。これにより、リアルタイム水素量解析部３２２は、ガスパイプライン１の任意地点における情報を定量または可視化することができる。
次に水素利用量予測部３２３は、水素利用量集計部３２１と水素供給量集計部３２５を経由して需給データが蓄積された水素需給過去データベース３２６のデータ、および、環境データベース３２７のデータに基づき、各水素利用地点の水素利用量を予測する。ここで、環境データベース３２７には、例えば各水素利用地点の人口や、燃料電池車や定置型燃料電池や水素ガスエンジンのような水素利用アプリケーションの数といった利用者情報、水素利用量に影響するイベント情報、時刻毎の天候や気温、湿度等の情報等、水素利用量に関係するデータが格納されている。
水素利用量予測部３２３では、水素需給過去データベース３２６に蓄積された各水素利用地点の過去の水素利用量と、環境データベース３２７に蓄積された環境データの相関関係を導出し、その相関関係を用いて、例えば天気予報や将来のイベント情報等から将来の水素利用量を予測する。
例えば、人口や水素利用アプリケーションの数が多くなると水素利用量は増加する。また、該当地域で開かれるイベント(お祭りや音楽祭など)の規模と数に応じて発電量も増加し、水素利用量も増加する。
例えば、冬季の雨や雪といった天気には気温が低い(例えば、5℃)ため、暖房のために水素利用量が増加する。一方、夏季で晴天の場合には気温が高い（例えば、30℃）ため、冷房のための水素利用量が増加する。また、梅雨の場合には湿度が高いため、除湿のために水素利用量が増加する。
水素利用量予測部３２３は、前述の各地点の水素利用量の情報から将来のガスパイプライン１内の水素濃度または水素量を予測する（Ｓ１３）。水素利用量予測部３２３が予測したガスパイプライン１の任意地点における将来の情報は、定量または可視化するとよい。
尚、上記記載の将来とは予測する時期により任意に選択することができる。ガスパイプライン１の状態を管理するという観点では数時間から数日後であることが好ましい。
水素社会の発展により、水素需要が時代とともに変化する。これを考慮すると、水素需給過去データベース３２６と環境データベース３２７のデータが蓄積されるに伴い、各水素利用地点ごとの環境データと水素利用量の相関関係も随時更新されることが好ましい。
水素社会の発展により、水素需要が時代とともに変化する。これを考慮すると、水素需給過去データベース３２６と環境データベース３２７のデータが蓄積されるに伴い、各水素利用地点ごとの環境データと水素利用量の相関関係も随時更新されることが好ましい。
また、水素需給過去データベース３２６や環境データベース３２７を用いて環境データと水素利用量の相関関係を導出する方法として、一般的な統計モデルを利用する方法のほか、機械学習に代表されるＡＩ（Artificial Intelligence）を活用する方法等がある。
水素供給量決定部３２４は、水素利用量集計部３２１でシミュレーションしたリアルタイムのガスパイプライン１の水素量と、水素利用量予測部３２３でシミュレーションした将来のガスパイプライン１の水素量とを比較し、ガスパイプライン１の任意地点の水素量偏差を解析する（Ｓ１４）。
水素供給量決定部３２４は更に、各地点の水素量偏差に基づき、ガスパイプライン１のどの地点でどれだけの量の水素を圧入する必要があるかを算出、決定し、水素供給管理装置３０３の水素供給指令受信部３３１に指令を送信する（Ｓ１５）。この指令により、ガスパイプライン１に供給する水素供給量が決定される。その後、水素需給管理装置３０１は、ステップＳ１０の処理に戻り、一連の処理を繰り返す。
水素供給量決定部３２４は更に、各地点の水素量偏差に基づき、ガスパイプライン１のどの地点でどれだけの量の水素を圧入する必要があるかを算出、決定し、水素供給管理装置３０３の水素供給指令受信部３３１に指令を送信する（Ｓ１５）。この指令により、ガスパイプライン１に供給する水素供給量が決定される。その後、水素需給管理装置３０１は、ステップＳ１０の処理に戻り、一連の処理を繰り返す。
図７Ａは、ガスパイプライン１の各地点を示す模式図である。
ガスパイプライン１に任意の地点Ａ～Ｅがあることを示している。
図７Ｂは、地点別の水素濃度を示すグラフである。このグラフは、上述したリアルタイムの各地点の水素濃度と、予測した各地点の水素濃度を示している。
図７Ｂのグラフの縦軸は、水素濃度を示している。グラフの横軸は、ガスパイプライン１の各地点を示している。
ガスパイプライン１に任意の地点Ａ～Ｅがあることを示している。
図７Ｂは、地点別の水素濃度を示すグラフである。このグラフは、上述したリアルタイムの各地点の水素濃度と、予測した各地点の水素濃度を示している。
図７Ｂのグラフの縦軸は、水素濃度を示している。グラフの横軸は、ガスパイプライン１の各地点を示している。
例えばガスパイプライン１の現在(実線)、予測(点線)の関係がグラフに示した関係であったとすると、地点Ｂ，Ｄでは予測水素濃度が現在の水素濃度よりも高く、即ち水素を追加する必要がある。したがって、このような関係を可視化することにより、ガスパイプランのどの地点でどの程度の水素量をいつまでに圧入しなければならないか把握することができ、適切なガスパイプランの管理運用を実現できる。
本実施形態記載の方法は、水素需給管理装置３０１でガスパイプライン１のリアルタイムの水素濃度と、過去需給データや環境データを用いて将来の状態を予測することで、各地点の水素利用装置２０１が不公平なく、利用したいときに水素を利用できることを実現している。
図８は、水素利用管理装置３０２のブロック図である。
図８は、図３に示した水素利用管理装置３０２において、都市ガス（１３Ａ）を用いた場合の水素利用管理装置３０２とし、水素利用装置１００００を家庭向け水素ガス利用固体高分子型燃料電池のＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）ユニット１００１、とした例について記載する。
図８は、図３に示した水素利用管理装置３０２において、都市ガス（１３Ａ）を用いた場合の水素利用管理装置３０２とし、水素利用装置１００００を家庭向け水素ガス利用固体高分子型燃料電池のＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）ユニット１００１、とした例について記載する。
ガスパイプライン１には天然ガスが主成分に調整された都市ガス（１３Ａ）に水素がブレンドされたブレンドガスが流れている。
なおガスパイプライン１に流れているブレンドガスの仕様は、ブレンド組成を水素２０vol%、都市ガス８０vol%、ブレンドガス温度と温度は低圧導管の条件相当（10～17℃、０．１Mpa程度）とする。
水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１に接続されており、ガスパイプライン１からブレンドガスを取り出せるようになっている。
水素利用管理装置３０２は、ガスパイプライン１に接続されており、ガスパイプライン１からブレンドガスを取り出せるようになっている。
水素利用管理装置３０２は、システム制御部３１０、水素取出し部３１１、取出し水素供給部３１２、取出し水素量計測部３１３、取出し水素量通信部３１４、ガス戻し部３１５を備えている。水素取出し部３１１は、取出しガス流量計３１１１と、ブレンドガスを昇圧して昇温する昇温昇圧調整器３１１２と、ブレンドガスから水素を分離する水素分離膜ユニット３１１３を備えている。
取出し水素供給部３１２は、圧力温度流量調整器３１２１を備える。取出し水素量計測部３１３は、水素ガス流量計３１３１を備える。システム制御部３１０は、システム制御ユニット３１０１を備える。取出し水素量通信部３１４は、通信ユニット３１４１を備える。ガス戻し部３１５は、ブレンドガスを減圧して冷却する減圧冷却調整器３１５１と、戻しガス流量計３１５２を備える。
システム制御部３１０が水素管理システム全体の情報集約と制御の管理を実行する。システム制御部３１０のコントロールにおいて、以下の手順で、水素利用装置２０１が所有する水素利用装置１０００へ水素が供給される。
取出しガス流量計３１１１でガスパイプライン１から取り出したブレンドガス流量を計測する。取出しガス流量計３１１１として、超音波式、コリオリ式、熱線式などが利用できる。
そして、昇温昇圧調整器３１１２は、ガスパイプライン１から取り出したブレンドガスを水素分離膜ユニット３１１３で水素を分離するために必要な温度と圧力に調整する。例えば、ブレンドガスの導入圧力が0.3MPa、温度が８０℃で水素を99.99998%の精度で分離する能力を有する水素分離膜ユニット３１１３を使用する場合、昇温昇圧調整器３１１２は、ブレンドガスの圧力を0.1MPaから0.3MPaに昇圧し、ブレンドガス温度を10～17℃から80℃に昇温する。
水素分離膜ユニット３１１３で利用可能な水素分離膜の例として、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどを含んだ金属膜、ポリイミドなどの高分子膜、シリカや窒化ケイ素やＳｉＣやアルミナを用いたセラミック膜、グラフェンなどの炭素膜、さらにこれらの膜の組合せなどがある。
なお、システム制御ユニット３１０１は、所定の圧力・温度になるように昇温昇圧調整器３１１２を監視制御する。それぞれの膜において、使用に適した温度や圧力などが異なるため、使用する膜に応じてシステム制御ユニット３１０１における昇温昇圧調整器３１１２を制御するための設定値を変える。
水素分離膜ユニット３１１３は、昇温昇圧調整器３１１２で0.3Mpa、80℃に調整されたブレンドガスからで99.9998%の水素ガスを取り出して、圧力温度流量調整器３１２１に送る。そして、水素分離膜ユニット３１１３は、残りの戻しガスをガス戻し部３１５に戻す。
圧力温度流量調整器３１２１は、ＰＥＦＣユニット１００１に適した条件の水素に調整する。圧力温度流量調整器３１２１は、例えば、水素ガスの圧力を0.1Mpa、温度を10～17℃、ガス流量を７Nm3/h、となるように調整する。
調整に必要な装置として、コンプレッサーや温調器などを利用しても良い。
調整に必要な装置として、コンプレッサーや温調器などを利用しても良い。
水素ガス流量計３１３１は、ＰＥＦＣユニット１００１へ供給された水素量（例えば、7Nm3/h）と時間（例えば、Hour）を計測し、システム制御ユニット３１０１へ情報を伝達する。水素ガス流量計３１３１として、超音波式、コリオリ式、熱線式などが利用できる。
ブレンドガス（0.3MPa、80℃）から水素が分離された後の都市ガスが主成分の戻しガスは、圧力が0.3MPa未満、温度が80℃程度である。この場合、減圧冷却調整器３１５１は、ガスパイプライン１に戻せる条件である圧力0.1MPa、温度10～17℃に調整する。調整後の戻しガスは、戻しガス流量計３１５２を通してガスパイプライン１に戻される。戻しガス流量計３１５２として、超音波式、コリオリ式、熱線式などが利用できる。
システム制御ユニット３１０１は、水素ガス流量計３１３１からの水素使用量と、戻しガス流量計３１５２からのガスパイプライン１に戻されたガス量（戻しガス量）を蓄積する。システム制御ユニット３１０１は、通信ユニット３１４１を通して水素需給管理装置３０１に、水素使用量と戻しガス量とを送信する。
水素需給管理装置３０１は、各地点の水素利用管理装置３０２から受信した水素使用量と戻しガス量の情報に基づいて、ガスパイプライン１の各地点における水素濃度をリアルタイムシミュレーションする。
水素需給管理装置３０１は、各地点の水素利用管理装置３０２から受信した水素使用量と戻しガス量の情報に基づいて、ガスパイプライン１の各地点における水素濃度をリアルタイムシミュレーションする。
（本実施形態の効果）
以上説明した本実施形態では、次の（Ａ）～（Ｄ）のような効果がある。
（Ａ） 本発明の方法および装置により、クリーンエネルギーとして製造された水素に関して、経済性、安全性、利便性と地球温暖化対策を満たした水素供給が可能となる。
（Ｂ） 水素供給装置は、水素利用装置へ低コストかつ安全に水素を供給することができる。
（Ｃ） 水素利用装置は、水素供給装置に事前に連絡することなく必要な時に必要な量の水素を利用できる。
（Ｄ） 水素利用装置における二酸化炭素排出を防止可能である。
以上説明した本実施形態では、次の（Ａ）～（Ｄ）のような効果がある。
（Ａ） 本発明の方法および装置により、クリーンエネルギーとして製造された水素に関して、経済性、安全性、利便性と地球温暖化対策を満たした水素供給が可能となる。
（Ｂ） 水素供給装置は、水素利用装置へ低コストかつ安全に水素を供給することができる。
（Ｃ） 水素利用装置は、水素供給装置に事前に連絡することなく必要な時に必要な量の水素を利用できる。
（Ｄ） 水素利用装置における二酸化炭素排出を防止可能である。
（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１ ガスパイプライン
２ 他地域ガスパイプライン
３ ガスパイプライン分岐点
４ ガスパイプライン合流点
３００ 水素需給管理運用システム
３０１ 水素需給管理装置
３０２ 水素利用管理装置
３０３ 水素供給管理装置
１０１ ガス供給起点
１０２ 水素供給装置
２０１ 水素利用装置
２０２ 水素集中供給施設
２０３ 燃料電池車
２０４ 水素輸送手段
９０１ ブレンドガス
９０２ 水素
９０３ 戻しガス
３１０ システム制御部
３１１ 水素取出し部
３１２ 取出し水素供給部
３１３ 取出し水素量計測部
３１４ 取出し水素量通信部
３１５ ガス戻し部
３１０ システム制御部
３２０ システム制御部
３３０ システム制御部
３２１ 水素利用量集計部
３２２ リアルタイム水素量解析部
３２３ 水素利用量予測部
３２４ 水素供給量決定部
３２５ 水素供給量集計部
３２６ 水素需給過去データベース
３２７ 環境データベース
３３１ 水素供給指令受信部
３３２ 供給水素量通信部
１０００ 水素利用装置
３１０１ システム制御ユニット
３１１１ 取出しガス流量計
３１１２ 昇温昇圧調整器
３１１３ 水素分離膜ユニット
３１２１ 圧力温度流量調整器
３１３１ 水素ガス流量計
３１４１ 通信ユニット
３１５１ 減圧冷却調整器
３１５２ 戻しガス流量計
１００１ ＰＥＦＣユニット
２ 他地域ガスパイプライン
３ ガスパイプライン分岐点
４ ガスパイプライン合流点
３００ 水素需給管理運用システム
３０１ 水素需給管理装置
３０２ 水素利用管理装置
３０３ 水素供給管理装置
１０１ ガス供給起点
１０２ 水素供給装置
２０１ 水素利用装置
２０２ 水素集中供給施設
２０３ 燃料電池車
２０４ 水素輸送手段
９０１ ブレンドガス
９０２ 水素
９０３ 戻しガス
３１０ システム制御部
３１１ 水素取出し部
３１２ 取出し水素供給部
３１３ 取出し水素量計測部
３１４ 取出し水素量通信部
３１５ ガス戻し部
３１０ システム制御部
３２０ システム制御部
３３０ システム制御部
３２１ 水素利用量集計部
３２２ リアルタイム水素量解析部
３２３ 水素利用量予測部
３２４ 水素供給量決定部
３２５ 水素供給量集計部
３２６ 水素需給過去データベース
３２７ 環境データベース
３３１ 水素供給指令受信部
３３２ 供給水素量通信部
１０００ 水素利用装置
３１０１ システム制御ユニット
３１１１ 取出しガス流量計
３１１２ 昇温昇圧調整器
３１１３ 水素分離膜ユニット
３１２１ 圧力温度流量調整器
３１３１ 水素ガス流量計
３１４１ 通信ユニット
３１５１ 減圧冷却調整器
３１５２ 戻しガス流量計
１００１ ＰＥＦＣユニット
Claims (10)
- ガスパイプラインから供給されるブレンドガスから水素を取り出す水素取出し部と、
前記水素取出し部が取り出した水素を水素利用装置に供給する取出し水素供給部と、
前記水素取出し部が取り出して前記水素利用装置に供給する水素利用量を計測する取出し水素量計測部と、
前記取出し水素量計測部が計測した水素利用量の情報を外部に送信する取出し水素量通信部と、
前記水素取出し部が水素を分離した後のガスを前記ガスパイプラインに戻すガス戻し部と、
を備えることを特徴とする水素利用管理装置。 - 前記水素取出し部は、
前記ブレンドガスを昇圧して昇温する昇温昇圧調整器と、
前記ブレンドガスから水素を分離する水素分離膜ユニットと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素利用管理装置。 - 前記ガス戻し部は、
前記ブレンドガスを減圧して冷却する減圧冷却調整器、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素利用管理装置。 - 前記取出し水素供給部は、水素ガスの圧力と温度と流量のうち何れか１つ以上を調整する調整器、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素利用管理装置。 - ガスパイプライン中の水素を利用する水素利用管理装置から受信した水素利用量を集計する水素利用量集計部と、
前記ガスパイプライン中に水素を供給する水素供給管理装置から受信した水素供給量を集計する水素供給量集計部と、
前記水素利用量集計部が集計した水素利用量、および、前記水素供給量集計部が集計した水素供給量から、前記ガスパイプライン内の水素量をシミュレーションするリアルタイム水素量解析部と、
を備えることを特徴とした水素需給管理装置。 - 過去の水素利用量および水素供給量のデータベースおよび環境データベースに基づき、前記ガスパイプライン内の将来の水素利用量を予測する水素利用量予測部と、
前記リアルタイム水素量解析部がシミュレーションした水素量と前記水素利用量予測部が予測した前記ガスパイプラインの水素量を比較して、前記ガスパイプラインに供給する水素供給量を決定する水素供給量決定部と、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の水素需給管理装置。 - ガスパイプライン中の水素を取り出して利用する量と前記ガスパイプラインに供給する水素量の情報を管理する水素需給管理装置と、
前記ガスパイプラインのブレンドガスから水素を取り出して外部装置に利用させると共に、前記外部装置に利用させた水素利用量の情報を前記水素需給管理装置に送信する水素利用管理装置と、
前記ガスパイプラインに水素を供給すると共に、前記ガスパイプラインに供給した水素量の情報を前記水素需給管理装置に送信する水素供給管理装置と、
を備えることを特徴とする水素需給管理運用システム。 - 前記ガスパイプラインは天然ガスと水素のブレンドガスが流れているガスパイプラインであることを特徴とする請求項７に記載の水素需給管理運用システム。
- 水素利用量集計部が、ガスパイプライン中の水素を利用する水素利用管理装置から受信した水素利用量を集計するステップ、
水素供給量集計部が、前記ガスパイプライン中に水素を供給する水素供給管理装置から受信した水素供給量を集計するステップ、
水素量予測部が、前記水素利用量集計部が集計した水素利用量、および、前記水素供給量集計部が集計した水素供給量から、前記ガスパイプライン内の水素量をシミュレーションするステップ、
を実行することを特徴とした水素需給管理方法。 - 水素利用量予測部が、過去の水素利用量および水素供給量のデータベースから前記ガスパイプライン内の水素利用量を予測するステップ、
前記水素量予測部がシミュレーションした水素量と前記水素利用量予測部が予測した水素利用量を比較して、前記ガスパイプラインに供給する水素供給量を決定するステップ、
を更に実行することを特徴とする請求項９に記載の水素需給管理方法。
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