WO2024095638A1 - ガスタービンシステム - Google Patents

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WO2024095638A1
WO2024095638A1 PCT/JP2023/034733 JP2023034733W WO2024095638A1 WO 2024095638 A1 WO2024095638 A1 WO 2024095638A1 JP 2023034733 W JP2023034733 W JP 2023034733W WO 2024095638 A1 WO2024095638 A1 WO 2024095638A1
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WO
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hydrogen
ammonia
gas turbine
oxygen
combustor
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Application number
PCT/JP2023/034733
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English (en)
French (fr)
Inventor
壮一郎 加藤
慎太朗 伊藤
Original Assignee
株式会社Ihi
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels

Definitions

  • Patent Document 1 discloses a gas turbine system that uses ammonia as fuel.
  • the system includes a tank of ammonia and a first combustion chamber.
  • the ammonia in the tank passes through a first mass flow separator, and a portion of the ammonia is sent directly to the first combustion chamber and the remainder is sent to a first cracking chamber.
  • the ammonia is decomposed into a hydrogen-rich gas mixture containing nitrogen, hydrogen and other components.
  • the ammonia and the hydrogen-rich gas mixture are injected into the first combustion chamber and burned. Exhaust gas from the first combustion chamber contains a high level of NOx.
  • the system also includes a second combustion chamber.
  • the exhaust gas from the first combustion chamber is led to the second combustion chamber.
  • the ammonia in the tank passes through a second mass flow separator, and a portion of the ammonia is sent directly to the second combustion chamber and the remainder is sent to the second cracking chamber.
  • the ammonia is decomposed into a hydrogen-rich gas mixture containing nitrogen, hydrogen and other components.
  • the ammonia and hydrogen rich gas mixture is injected and combusted in a second combustion chamber where the fuel is combusted at a high equivalence ratio of 1.0 to 1.2, thereby removing NOx from the exhaust gas from the first combustion chamber.
  • Ammonia is a non-flammable fuel. Therefore, when starting a gas turbine, it is difficult to increase the pressure in the combustor from atmospheric pressure to the pressure at the rated speed using only ammonia as fuel. Therefore, it is possible to prepare another flammable fuel, such as natural gas, to start the gas turbine. However, this leads to an increase in fuel costs.
  • the present disclosure aims to provide a gas turbine system that uses ammonia as fuel, which can facilitate the start-up of the gas turbine.
  • a gas turbine system includes an ammonia supply source, a gas turbine connected to the ammonia supply source and including a combustor that combusts ammonia from the ammonia supply source, a water electrolysis device that operates using electric power generated by the output of the gas turbine and splits water into hydrogen and oxygen, a hydrogen tank that stores hydrogen generated by the water electrolysis device and is in fluid communication with the combustor, and a control device that controls the supply of hydrogen from the hydrogen tank to the combustor, and starts the supply of hydrogen to the combustor when the gas turbine is started.
  • the gas turbine system may include a cracking device connected to the ammonia supply source and the gas turbine, the cracking device decomposing ammonia from the ammonia supply source into hydrogen and nitrogen and sending the generated hydrogen-containing gas to the gas turbine, and an oxygen tank storing oxygen generated by the water electrolysis device and fluidly communicating with the cracking device, and the control device may control the supply of oxygen from the oxygen tank to the cracking device and start the supply of oxygen to the cracking device when the gas turbine is started.
  • a gas turbine system includes an ammonia supply source, a cracking device connected to the ammonia supply source and decomposing the ammonia into hydrogen and nitrogen, a gas turbine connected to the ammonia supply source and the cracking device and including a combustor that burns ammonia from the ammonia supply source and gas containing hydrogen from the cracking device, a water electrolysis device that operates with electric power generated by the output of the gas turbine and decomposes water into hydrogen and oxygen, an oxygen tank that stores oxygen generated by the water electrolysis device and is in fluid communication with the cracking device, and a control device that controls the supply of oxygen from the oxygen tank to the cracking device, the control device starting the supply of oxygen to the cracking device when the gas turbine is started.
  • the gas turbine system may include a hydrogen tank that stores hydrogen produced by the water electrolysis device and is in fluid communication with the combustor, and the control device may control the supply of hydrogen from the hydrogen tank to the combustor and initiate the supply of hydrogen to the combustor when the gas turbine is started.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a gas turbine system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a gas turbine system according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a gas turbine system according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a gas turbine system 100 according to a first embodiment.
  • the gas turbine system 100 may also be simply referred to as "system 100."
  • the system 100 includes an ammonia tank (ammonia supply source) 1, a pressurizer 2, a cracking device 3, a gas turbine 4, a generator 5, a water electrolysis device 6, a hydrogen tank 7, an oxygen tank 8, and a control device 90.
  • the system 100 may further include other components. Also, the system 100 may not include one or more of the above components.
  • the ammonia tank 1 stores ammonia. Specifically, the ammonia tank 1 stores liquid ammonia.
  • the ammonia tank 1 is connected to the pressurizer 2 by a pipe P1.
  • the liquid ammonia stored in the ammonia tank 1 is supplied to the pressurizer 2 via the pipe P1.
  • an ammonia production device may be used as an ammonia supply source instead of the ammonia tank 1.
  • the pressurizer 2 pressurizes the ammonia from the ammonia tank 1.
  • the pressurizer 2 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the pressurizer 2 is connected to a pipe P2.
  • the pressurized ammonia flows from the pressurizer 2 to the pipe P2.
  • the ammonia is supplied in a liquid state to the cracking device 3 and the gas turbine 4.
  • the pressurizer 2 may be a pump.
  • the system 100 may include a vaporizer in at least one of the pipes P1, P2, and P21, and the ammonia may be supplied in a gaseous state to the cracking device 3 and the gas turbine 4.
  • the pressurizer 2 compresses gaseous ammonia
  • the pressurizer 2 may be a compressor.
  • Pipe P2 is provided with a valve V1.
  • Valve V1 is connected to a control device 90 via wired or wireless communication and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of ammonia flowing through pipe P2 by controlling the opening of valve V1 based on the power demand and the amount of power generated by the generator 5.
  • Pipe P2 branches into pipes P21 and P22. Pipe P21 is connected to the cracking device 3, and pipe P22 is connected to the gas turbine 4.
  • At least a portion of the pressurized ammonia is supplied to gas turbine 4 via pipe P22.
  • valve V2 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening degree of valve V2.
  • the cracking device 3 decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen.
  • the cracking device 3 includes a catalyst that decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen.
  • a catalyst includes, for example, at least one of Ru, Rh, Pt, and Pd.
  • the cracking device 3 is connected to the gas turbine 4 by a pipe P23.
  • Gas containing hydrogen and nitrogen (which may also be referred to as "hydrogen-rich gas" in this disclosure) is supplied from the cracking device 3 to the gas turbine 4 via the pipe P23.
  • the gas turbine 4 includes a compressor 41, a combustor 42, and a turbine 43.
  • the gas turbine 4 may further include other components.
  • the compressor 41 compresses air and sends the compressed air to the combustor 42.
  • the combustor 42 receives pressurized air from the compressor 41.
  • the combustor 42 is also fluidly connected to the ammonia tank 1 via the above-mentioned piping P1, P2, and P22.
  • the combustor 42 receives ammonia from the ammonia tank 1.
  • the combustor 42 is also fluidly connected to the cracking device 3 via the above-mentioned piping P23.
  • the combustor 42 receives hydrogen-rich gas from the cracking device 3.
  • the combustor 42 combusts ammonia and hydrogen-rich gas.
  • the combustor 42 may also combust other fuels depending on the situation.
  • the exhaust gas generated by the combustion is supplied from the combustor 42 to the turbine 43.
  • the turbine 43 is rotated by the exhaust gas.
  • the exhaust gas is supplied to other equipment (not shown) located downstream of the turbine 43, such as a heat recovery boiler and a denitrification device.
  • the rotational force of the turbine 43 is used to operate the generator 5.
  • the rotational force of the turbine 43 may be used in other devices.
  • the electricity generated by the generator 5 is supplied to other devices (not shown) in the system 100 or to the outside. In addition, a portion of the electricity generated by the generator 5 is supplied to the water electrolysis device 6.
  • the combustion speed of ammonia is slow. Therefore, when only ammonia is burned in the combustor 42, the combustion is likely to become unstable. However, in this embodiment, a portion of the ammonia from the ammonia tank 1 is decomposed into hydrogen and nitrogen in the cracking device 3 and then supplied to the combustor 42. Because the combustion speed of hydrogen is fast, the combustion in the combustor 42 is stable and the amount of combustible ammonia is increased. Therefore, the amount of ammonia remaining in the exhaust gas from the combustor 42 due to various factors (e.g., unreacted ammonia in the cracking device 3 and unburned ammonia in the combustor 42) is reduced. As a result, for example, the operating costs of the denitrification device are reduced.
  • a portion of the ammonia from the ammonia tank 1 is decomposed into hydrogen and nitrogen in the cracking device 3 and then supplied to the combustor 42.
  • the nitrogen atoms N combine with nitrogen molecules N2 in an environment in which there are no or few oxygen atoms O in the section from the cracking device 3 to the combustor 42.
  • the nitrogen molecules N2 are stable and are less likely to combine with oxygen atoms O than the nitrogen atoms N. Therefore, the generation of NOx, particularly the generation of fuel NOx, is suppressed.
  • the water electrolysis device 6 decomposes water into hydrogen and oxygen through electrolysis.
  • the water electrolysis device 6 is equipped with an electrolytic cell including a cathode and an anode.
  • the water electrolysis device 6 receives water (e.g., alkaline pure water) from the pipe P3.
  • the water can be supplied from various sources (not shown), such as the water supply line of a steam turbine.
  • the water electrolysis device 6 receives electricity from the generator 5 and applies a voltage between the cathode and anode immersed in the water. Hydrogen is generated from the cathode, and oxygen is generated from the anode.
  • the water electrolysis device 6 is connected to the hydrogen tank 7 via piping P4.
  • the water electrolysis device 6 is also connected to the oxygen tank 8 via piping P5. Hydrogen is sent to the hydrogen tank 7 via piping P4, and oxygen is sent to the oxygen tank 8 via piping P5.
  • the hydrogen tank 7 stores the hydrogen generated by the water electrolysis device 6.
  • the hydrogen tank 7 is in fluid communication with the combustor 42.
  • the hydrogen tank 7 is connected to the pipe P22 by the pipe P6, and is connected to the combustor 42 via the pipes P6 and P22.
  • the hydrogen tank 7 supplies hydrogen to the combustor 42.
  • a valve V3 is provided on the pipe P6.
  • the valve V3 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen tank 7 to the combustor 42 by controlling the opening degree of the valve V3.
  • the oxygen tank 8 stores the oxygen generated by the water electrolysis device 6.
  • the oxygen tank 8 is in fluid communication with the cracking device 3. Specifically, in this embodiment, the oxygen tank 8 is connected to the cracking device 3 by piping P7.
  • the oxygen tank 8 supplies oxygen to the cracking device 3.
  • a valve V4 is provided on the pipe P7.
  • the valve V4 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of oxygen supplied to the cracking device 3 by controlling the opening degree of the valve V4.
  • the control device 90 controls the whole or part of the system 100.
  • the control device 90 may be composed of one or more PCs.
  • the control device 90 includes components such as a processor 90a, a storage device 90b, and a connector 90c, and these components are connected to each other via a bus.
  • the processor 90a includes a CPU (Central Processing Unit), etc.
  • the storage device 90b includes a hard disk, a ROM in which programs and the like are stored, and a RAM as a work area, etc.
  • the control device 90 is connected to each component of the system 100 via the connector 90c so as to be able to communicate with each component via a wired or wireless connection.
  • control device 90 may further include other components such as a display device such as a liquid crystal display or a touch panel, and an input device such as a keyboard, buttons, or a touch panel.
  • a display device such as a liquid crystal display or a touch panel
  • an input device such as a keyboard, buttons, or a touch panel.
  • the following operations of the control device 90 may be realized by having the processor 90a execute a program stored in the storage device 90b.
  • the water electrolysis device 6 decomposes water into hydrogen and oxygen using the electric power generated by the generator 5, i.e., the electric power generated by the output of the gas turbine 4, at any time during the operation of the gas turbine 4.
  • the hydrogen is stored in the hydrogen tank 7, and the oxygen is stored in the oxygen tank 8.
  • the water electrolysis device 6 may stop operating when both or at least one of the hydrogen tank 7 and the oxygen tank 8 are filled with gas.
  • the processor 90a opens valves V1 and V2 and starts the pressurizer 2, controlling the pressurizer 2 to supply ammonia from the ammonia tank 1 to the combustor 42 and the cracking device 3.
  • the processor 90a also opens valve V3 to supply hydrogen from the hydrogen tank 7 to the pipe P22.
  • ammonia from the ammonia tank 1 and hydrogen from the hydrogen tank 7 are mixed.
  • a mixed gas of ammonia and hydrogen is supplied to the combustor 42.
  • the pressure in the combustor 42 and the pipe P22 drops to atmospheric pressure.
  • hydrogen may be automatically supplied from the hydrogen tank 7 to the pipe P22 due to the pressure difference between the pressure in the hydrogen tank 7 and the pressure in the pipe P22.
  • the combustor 42 receives the mixed gas of ammonia and hydrogen from the pipe P22. Therefore, when the gas turbine 4 is started, the mixed gas of ammonia and hydrogen is burned in the combustor 42. Hydrogen is burned more easily than ammonia. Therefore, combustion in the combustor 42 is accelerated compared to when only ammonia is used as fuel.
  • the processor 90a also opens the valve V4 to supply oxygen from the oxygen tank 8 to the cracking device 3.
  • the cracking device 3 also stops operating.
  • the valve V4 is closed and no oxygen flows. Therefore, after the gas turbine 4 stops operating, the pressure in the cracking device 3 also drops to atmospheric pressure. Therefore, for example, oxygen may be automatically supplied from the oxygen tank 8 to the cracking device 3 by the pressure difference between the pressure in the oxygen tank 8 and the pressure in the cracking device 3.
  • the cracking device 3 receives ammonia from the ammonia tank 1 and oxygen from the oxygen tank 8. Cracking ammonia into nitrogen and hydrogen is an endothermic reaction, and therefore the cracking device 3 requires energy. However, in this embodiment, the cracking device 3 receives oxygen from the oxygen tank 8. Therefore, when the gas turbine 4 is started, both ammonia and oxygen are present in the cracking device 3.
  • the catalyst of the cracking device 3 is oxidized by the oxygen from the oxygen tank 8 and generates heat. Therefore, the cracking device 3 can obtain the energy required for cracking by the self-heating of the catalyst without receiving energy from the outside.
  • the hydrogen-rich gas containing the generated nitrogen and hydrogen is supplied from the cracking device 3 to the combustor 42. Therefore, the combustor 42 also receives hydrogen from the cracking device 3. Therefore, the combustion in the combustor 42 is further accelerated.
  • the pressure in the hydrogen tank 7 decreases. Also, as the start-up (sequence) of the gas turbine 4 progresses, the pressure in the combustor 42 and the pipe P22 increases. Thus, the pressure difference between the pressure in the hydrogen tank 7 and the pressure in the pipe P22 decreases. Thus, for example, the supply of hydrogen may be automatically stopped when the pressure difference is sufficiently reduced. Alternatively or additionally, for example, when the gas turbine 4 reaches the rated speed, the processor 90a may close the valve V3 to stop the supply of hydrogen from the hydrogen tank 7 to the pipe P22.
  • the pressure in the oxygen tank 8 decreases.
  • the pressure in the cracking device 3 increases.
  • the pressure difference between the pressure in the oxygen tank 8 and the pressure in the cracking device 3 decreases.
  • the supply of oxygen may be automatically stopped when the pressure difference has sufficiently decreased.
  • the processor 90a may close valve V4 to stop the supply of oxygen from the oxygen tank 8 to the cracking device 3.
  • the above-described system 100 includes an ammonia tank 1, a gas turbine 4 connected to the ammonia tank 1 and including a combustor 42 that burns ammonia from the ammonia tank 1, a water electrolysis device 6 that operates with electric power generated by the output of the gas turbine 4 and decomposes water into hydrogen and oxygen, a hydrogen tank 7 that stores hydrogen generated by the water electrolysis device 6 and is in fluid communication with the combustor 42, and a control device 90 that controls the supply of hydrogen from the hydrogen tank 7 to the combustor 42 and starts the supply of hydrogen to the combustor 42 when the gas turbine 4 is started.
  • a mixed gas of ammonia and hydrogen is burned in the combustor 42. Hydrogen is burned more easily than ammonia. Therefore, the combustion in the combustor 42 can be accelerated compared to when only ammonia is used as fuel. This can facilitate the start-up of the gas turbine 4.
  • the system 100 also includes a cracking device 3 connected to the ammonia tank 1 and the gas turbine 4, which decomposes ammonia from the ammonia tank 1 into hydrogen and nitrogen and sends the generated hydrogen-rich gas to the gas turbine 4, and an oxygen tank 8 which stores oxygen generated by the water electrolysis device 6 and is in fluid communication with the cracking device 3.
  • the control device 90 controls the supply of oxygen from the oxygen tank 8 to the cracking device 3 and starts the supply of oxygen to the cracking device 3 when the gas turbine 4 is started. With this configuration, both ammonia and oxygen are present in the cracking device 3 when the gas turbine 4 is started.
  • the catalyst of the cracking device 3 is oxidized by the oxygen from the oxygen tank 8 and generates heat.
  • the cracking device 3 can obtain the energy required for cracking by the self-heating of the catalyst without receiving energy from the outside.
  • the generated hydrogen-rich gas is supplied from the cracking device 3 to the combustor 42. Therefore, the combustor 42 also receives hydrogen from the cracking device 3. Therefore, the start-up of the gas turbine 4 can be further promoted.
  • the system 100 includes an ammonia tank 1, a cracking device 3 connected to the ammonia tank 1 and decomposing ammonia into hydrogen and nitrogen, a gas turbine 4 connected to the ammonia tank 1 and the cracking device 3 and including a combustor 42 that burns ammonia from the ammonia tank 1 and gas containing hydrogen from the cracking device 3, a water electrolysis device 6 that operates with electricity generated by the output of the gas turbine 4 and decomposes water into hydrogen and oxygen, an oxygen tank 8 that stores oxygen generated by the water electrolysis device 6 and is in fluid communication with the cracking device 3, and a control device 90 that controls the supply of oxygen from the oxygen tank 8 to the cracking device 3, the control device 90 starting the supply of oxygen to the cracking device 3 when the gas turbine 4 is started.
  • both ammonia and oxygen are present in the cracking device 3 when the gas turbine 4 is started.
  • the catalyst of the cracking device 3 is oxidized by the oxygen from the oxygen tank 8 and generates heat. Therefore, the cracking device 3 can obtain the energy required for cracking by the self-heating of the catalyst without receiving energy from the outside.
  • the generated hydrogen-rich gas is supplied from the cracking device 3 to the combustor 42. Therefore, when starting up the gas turbine 4, a mixed gas of ammonia and hydrogen is burned in the combustor 42. Hydrogen is burned more easily than ammonia. Therefore, the combustion in the combustor 42 can be accelerated compared to when only ammonia is used as fuel. This facilitates the start-up of the gas turbine 4.
  • the system 100 also includes a hydrogen tank 7 that stores hydrogen generated by the water electrolysis device 6 and is in fluid communication with the combustor 42, and the control device 90 controls the supply of hydrogen from the hydrogen tank 7 to the combustor 42 and starts the supply of hydrogen to the combustor 42 when the gas turbine 4 is started.
  • the combustor 42 also receives hydrogen from the hydrogen tank 7. This can further facilitate the start-up of the gas turbine 4.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a gas turbine system 200 according to a second embodiment.
  • the system 200 differs from the system 100 according to the first embodiment in that oxygen is mixed with the surrounding air and stored in the oxygen tank 8.
  • the system 200 may be the same as the system 100.
  • the oxygen tank 8 is provided with a pipe P8 for taking in ambient air into the oxygen tank 8.
  • the pipe P8 is provided with a valve V5 and a compressor 9.
  • the valve V5 and the compressor 9 are connected to the control device 90 so as to be able to communicate with each other by wire or wirelessly, and are controlled by the control device 90.
  • the oxygen tank 8 is also provided with a sensor Se.
  • the sensor Se detects the oxygen concentration of the gas in the oxygen tank 8.
  • the sensor Se can be, for example, an oxygen concentration meter.
  • the sensor Se is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with the control device 90 via wire or wirelessly, and transmits the detection data to the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the amount of air taken into the oxygen tank 8 by controlling the opening of the valve V5 and the output of the compressor 9 so that the oxygen concentration detected by the sensor Se falls within a predetermined range.
  • the lower limit of the predetermined range can be determined so that the gas in the oxygen tank 8 sufficiently promotes heat generation in the cracking device 3, and is higher than the oxygen concentration of 21% in a typical environment.
  • oxygen is a gas that has strong combustion-supporting properties. Therefore, for example, the upper limit of the predetermined range can be determined so as to prevent ignition in the oxygen tank 8.
  • the predetermined range may be stored in the memory device 90b.
  • the system 200 has the same effects as the system 100.
  • the system 200 also includes a sensor Se for detecting the oxygen concentration of the gas in the oxygen tank 8, and a compressor 9 and a valve V5 for drawing ambient air into the oxygen tank 8.
  • a sensor Se for detecting the oxygen concentration of the gas in the oxygen tank 8
  • a compressor 9 and a valve V5 for drawing ambient air into the oxygen tank 8.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a gas turbine system 300 according to the third embodiment.
  • the system 300 differs from the system 100 according to the first embodiment in that the pipe P6 from the hydrogen tank 7 is directly connected to the combustor 42. In other respects, the system 300 may be the same as the system 100.
  • the pipe P6 may supply hydrogen to the vicinity of an igniter (not shown) in the combustor 42.
  • an igniter not shown
  • a flame can be quickly formed in the combustor 42 when starting the gas turbine 4.
  • the system 300 according to the third embodiment has the same effects as the system 100.
  • the systems 100, 200, and 300 include both the hydrogen tank 7 and the oxygen tank 8, and both the hydrogen and oxygen generated by the water electrolysis device 6 are used to start up the gas turbine 4.
  • the system may use only one of the hydrogen and oxygen generated by the water electrolysis device 6 to start up the gas turbine 4.
  • the system may not include the oxygen tank 8, and the oxygen generated by the water electrolysis device 6 may not be used to start up the gas turbine 4.
  • the system may or may not include the cracking device 3.
  • the system may not include the hydrogen tank 7, and the hydrogen generated by the water electrolysis device 6 may not be used to start up the gas turbine 4.
  • the pipe P6 from the hydrogen tank 7 is directly connected to the combustor 42.
  • the pipe P6 may be connected to the pipe P23 that connects the cracking device 3 and the combustor 42.
  • the present disclosure can promote the use of ammonia leading to reduced CO2 emissions, and can therefore contribute, for example, to Sustainable Development Goal (SDG) Goal 7 "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy.”
  • SDG Sustainable Development Goal
  • Ammonia tank (ammonia supply source) 3 Cracking device 4 Gas turbine 6 Water electrolysis device 7 Hydrogen tank 8 Oxygen tank 42 Combustor 90 Control device 100 Gas turbine system 200 Gas turbine system 300 Gas turbine system

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

ガスタービンシステム１００は、アンモニア供給源１と、アンモニア供給源１に接続され、アンモニア供給源１からのアンモニアを燃焼する燃焼器４２を含むガスタービン４と、ガスタービン４の出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置６と、水電解装置６によって生成される水素を貯留し、かつ、燃焼器４２と流体連通する水素タンク７と、水素タンク７から燃焼器４２への水素の供給を制御する制御装置９０であって、ガスタービン４の始動時に燃焼器４２への水素の供給を開始する、制御装置９０と、を備える。

Description

ガスタービンシステム
　本開示は、ガスタービンシステムに関する。本出願は２０２２年１０月３１日に提出された日本特許出願第２０２２－１７４０５７号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
　アンモニアは、ＣＯ２を放出しない燃料として知られている。例えば、特許文献１は、アンモニアを燃料として使用するガスタービンシステムを開示する。このシステムは、アンモニアのタンクと、第一の燃焼チャンバと、を備える。タンク内のアンモニアは、第一の質量流量分離器を通り、一部が第一の燃焼チャンバに直接的に送られ、残りが第一のクラッキングチャンバに送られる。第一のクラッキングチャンバでは、アンモニアが、窒素、水素およびその他の成分を含有する水素リッチガス混合物へと分解される。アンモニアおよび水素リッチガス混合物は、第一の燃焼チャンバ内に噴射され、燃焼される。第一の燃焼チャンバからの排ガスは、高水準のＮＯｘを含む。また、このシステムは、第二の燃焼チャンバを備える。第一の燃焼チャンバからの排ガスは、第二の燃焼チャンバに誘導される。タンク内のアンモニアは、第二の質量流量分離器を通り、一部が第二の燃焼チャンバに直接的に送られ、残りが第二のクラッキングチャンバに送られる。第二のクラッキングチャンバでは、アンモニアが、窒素、水素およびその他の成分を含有する水素リッチガス混合物へと分解される。アンモニアおよび水素リッチガス混合物は、第二の燃焼チャンバ内に噴射され、燃焼される。第二の燃焼チャンバでは、燃料は１．０～１．２の高い当量比で燃焼される。これによって、第一の燃焼チャンバからの排ガスからＮＯｘが除去される。
特表２０１８－５３５３５５号公報
　アンモニアは難燃性の燃料である。したがって、ガスタービンを始動する際に、燃料としてアンモニアのみを使用して、燃焼器内の圧力を大気圧から定格回転数の圧力まで増加させることは難しい。したがって、ガスタービンを始動するために、例えば天然ガス等の別の燃えやすい燃料を準備しておくことが考えられる。しかしながら、これは燃料コストの増加に繋がる。
　本開示は、ガスタービンの始動を促進することができる、アンモニアを燃料として使用するガスタービンシステムを提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係るガスタービンシステムは、アンモニア供給源と、アンモニア供給源に接続され、アンモニア供給源からのアンモニアを燃焼する燃焼器を含むガスタービンと、ガスタービンの出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置と、水電解装置によって生成される水素を貯留し、かつ、燃焼器と流体連通する水素タンクと、水素タンクから燃焼器への水素の供給を制御する制御装置であって、ガスタービンの始動時に燃焼器への水素の供給を開始する、制御装置と、を備える。
　ガスタービンシステムは、アンモニア供給源およびガスタービンに接続されるクラッキング装置であって、アンモニア供給源からのアンモニアを水素および窒素へと分解し、生成された水素を含むガスをガスタービンに送る、クラッキング装置と、水電解装置によって生成される酸素を貯留し、かつ、クラッキング装置と流体連通する酸素タンクと、を備えてもよく、制御装置は、酸素タンクからクラッキング装置への酸素の供給を制御し、ガスタービンの始動時にクラッキング装置への酸素の供給を開始してもよい。
　本開示の他の態様に係るガスタービンシステムは、アンモニア供給源と、アンモニア供給源に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置と、アンモニア供給源およびクラッキング装置に接続され、アンモニア供給源からのアンモニアと、クラッキング装置からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器を含むガスタービンと、ガスタービンの出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置と、水電解装置によって生成される酸素を貯留し、かつ、クラッキング装置と流体連通する酸素タンクと、酸素タンクからクラッキング装置への酸素の供給を制御する制御装置であって、ガスタービンの始動時にクラッキング装置への酸素の供給を開始する、制御装置と、を備える。
　ガスタービンシステムは、水電解装置によって生成される水素を貯留し、かつ、燃焼器と流体連通する水素タンクを備えてもよく、制御装置は、水素タンクから燃焼器への水素の供給を制御し、ガスタービンの始動時に燃焼器への水素の供給を開始してもよい。
　本開示によれば、アンモニアを燃料として使用するガスタービンシステムにおいて、ガスタービンの始動を促進することができる。
図１は、第１実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略図である。 図２は、第２実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略図である。 図３は、第３実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
　図１は、第１実施形態に係るガスタービンシステム１００を示す概略図である。本開示において、ガスタービンシステム１００は、単に「システム１００」とも称され得る。例えば、システム１００は、アンモニアタンク（アンモニア供給源）１と、加圧器２と、クラッキング装置３と、ガスタービン４と、発電機５と、水電解装置６と、水素タンク７と、酸素タンク８と、制御装置９０と、を備える。システム１００は、他の構成要素をさらに備えてもよい。また、システム１００は、上記の構成要素のうちの１つまたは複数を備えてなくてもよい。
　アンモニアタンク１は、アンモニアを貯蔵する。具体的には、アンモニアタンク１は、液体のアンモニアを貯蔵する。アンモニアタンク１は、配管Ｐ１によって加圧器２に接続される。アンモニアタンク１に貯蔵される液体アンモニアは、配管Ｐ１を介して加圧器２に供給される。他の実施形態では、例えば、アンモニアタンク１に代えて、アンモニア製造装置がアンモニア供給源として用いられてもよい。
　加圧器２は、アンモニアタンク１からのアンモニアを加圧する。加圧器２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。加圧器２には、配管Ｐ２が接続される。加圧されたアンモニアは、加圧器２から配管Ｐ２へ流れる。
　本実施形態では、アンモニアは、クラッキング装置３およびガスタービン４に液体状態で供給される。この場合、例えば、加圧器２は、ポンプであってもよい。他の実施形態では、例えば、システム１００は、配管Ｐ１、配管Ｐ２および配管Ｐ２１の少なくとも１つに気化器を備えてもよく、アンモニアは、クラッキング装置３およびガスタービン４に気体状態で供給されてもよい。加圧器２が気体アンモニアを加圧する場合には、例えば、加圧器２は、コンプレッサであってもよい。
　配管Ｐ２には、バルブＶ１が設けられる。バルブＶ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。例えば、制御装置９０は、電力需要および発電機５における発電量に基づいて、バルブＶ１の開度を制御することによって、配管Ｐ２を流れるアンモニアの流量を調整する。配管Ｐ２は、配管Ｐ２１および配管Ｐ２２に分岐される。配管Ｐ２１はクラッキング装置３に接続され、配管Ｐ２２はガスタービン４に接続される。
　加圧されたアンモニアの少なくとも一部は、配管Ｐ２２を介してガスタービン４へ供給される。
　加圧されたアンモニアの残りは、配管Ｐ２１を介してクラッキング装置３へ供給される。配管Ｐ２１には、バルブＶ２が設けられる。バルブＶ２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。制御装置９０は、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３へ供給されるアンモニアの流量を調整する。
　クラッキング装置３は、アンモニアを水素および窒素へと分解する。クラッキング装置３は、アンモニアを水素および窒素へと分解する触媒を含む。このような触媒は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄの少なくとも１つを含む。クラッキング装置３は、配管Ｐ２３によってガスタービン４に接続される。水素および窒素を含むガス（本開示において、「水素リッチガス」とも称され得る）は、クラッキング装置３から配管Ｐ２３を介してガスタービン４へ供給される。
　ガスタービン４は、コンプレッサ４１と、燃焼器４２と、タービン４３と、を含む。ガスタービン４は、他の構成要素をさらに備えてもよい。コンプレッサ４１は、空気を加圧し、加圧された空気を燃焼器４２に送る。
　燃焼器４２は、コンプレッサ４１から加圧された空気を受け入れる。また、燃焼器４２は、上記の配管Ｐ１，Ｐ２，Ｐ２２を介してアンモニアタンク１に流体的に接続される。燃焼器４２は、アンモニアタンク１からのアンモニアを受け入れる。さらに、燃焼器４２は、上記の配管Ｐ２３を介してクラッキング装置３に流体的に接続される。燃焼器４２は、クラッキング装置３からの水素リッチガスを受け入れる。本実施形態では、燃焼器４２は、アンモニアおよび水素リッチガスを燃焼する。燃焼器４２は、状況に応じて他の燃料を燃焼してもよい。
　燃焼により生じた排気ガスは、燃焼器４２からタービン４３に供給される。タービン４３は、排気ガスによって回転される。排気ガスは、タービン４３の下流に位置する不図示の他の設備、例えば排熱回収ボイラおよび脱硝装置等に供給される。本実施形態では、タービン４３の回転力は、発電機５の運転に使用される。他の実施形態では、タービン４３の回転力は、他の装置で使用されてもよい。発電機５で生成された電力は、システム１００内の不図示の他の装置または外部に供給される。また、発電機５で生成された電力の一部は、水電解装置６に供給される。
　一般的に、アンモニアの燃焼速度は遅い。したがって、燃焼器４２でアンモニアのみが燃焼される場合、燃焼は不安定になり易い。しかしながら、本実施形態では、アンモニアタンク１からのアンモニアの一部が、クラッキング装置３において水素および窒素に分解されてから、燃焼器４２に供給される。水素の燃焼速度は速いことから、燃焼器４２における燃焼が安定し、燃焼可能なアンモニアの量も増加する。したがって、様々な要因で燃焼器４２からの排気ガス中に残留するアンモニア（例えば、クラッキング装置３における未反応のアンモニア、および、燃焼器４２における未燃のアンモニア）が低減される。その結果、例えば、脱硝装置の運転コストが低減される。
　また、上記のように、本実施形態では、アンモニアタンク１からのアンモニアの一部が、クラッキング装置３において水素および窒素に分解されてから、燃焼器４２に供給される。この場合、窒素原子Ｎは、クラッキング装置３から燃焼器４２までの区間に、酸素原子Ｏが無いまたは少ない環境において、窒素分子Ｎ２へと結合する。窒素分子Ｎ２は安定的であり、窒素原子Ｎに比べて、酸素原子Ｏと結合し難い。したがって、ＮＯｘの生成、特にフューエルＮＯｘの生成が抑制される。
　水電解装置６は、電気分解によって水を水素および酸素に分解する。水電解装置６は、陰極および陽極を含む電解槽を備える。水電解装置６は、配管Ｐ３から水（例えば、アルカリ性の純水）を受け入れる。水は、例えば、蒸気タービンの給水ライン等、不図示の様々な供給源から供給されることができる。水電解装置６は、発電機５から電気を受け取り、水に入れられた陰極および陽極の間に電圧をかける。陰極からは水素が発生し、陽極からは酸素が発生する。
　水電解装置６は、配管Ｐ４によって水素タンク７に接続される。また、水電解装置６は、配管Ｐ５によって酸素タンク８に接続される。水素は、配管Ｐ４によって水素タンク７に送られ、酸素は、配管Ｐ５によって酸素タンク８に送られる。
　水素タンク７は、水電解装置６で生成された水素を貯留する。水素タンク７は、燃焼器４２と流体連通する。具体的には、本実施形態では、水素タンク７は、配管Ｐ６によって配管Ｐ２２に接続され、配管Ｐ６およびＰ２２を介して燃焼器４２に接続される。
　水素タンク７は、燃焼器４２に水素を供給する。具体的には、例えば、配管Ｐ６にはバルブＶ３が設けられる。バルブＶ３は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。制御装置９０は、バルブＶ３の開度を制御することによって、水素タンク７から燃焼器４２へ供給される水素の流量を調整する。
　酸素タンク８は、水電解装置６で生成された酸素を貯留する。酸素タンク８は、クラッキング装置３と流体連通する。具体的には、本実施形態では、酸素タンク８は、配管Ｐ７によってクラッキング装置３に接続される。
　酸素タンク８は、クラッキング装置３に酸素を供給する。具体的には、例えば、配管Ｐ７にはバルブＶ４が設けられる。バルブＶ４は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。制御装置９０は、バルブＶ４の開度を制御することによって、クラッキング装置３へ供給される酸素の流量を調整する。
　制御装置９０は、システム１００の全体または一部を制御する。例えば、制御装置９０は、１つまたは複数のＰＣにより構成されてもよい。制御装置９０は、例えば、プロセッサ９０ａ、記憶装置９０ｂおよびコネクタ９０ｃ等の構成要素を含み、これらの構成要素はバスを介して互いに接続される。例えば、プロセッサ９０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。例えば、記憶装置９０ｂは、ハードディスク、プログラム等が格納されるＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置９０は、コネクタ９０ｃを介してシステム１００の各構成要素と有線でまたは無線で通信可能に接続される。例えば、制御装置９０は、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置等、他の構成要素を更に含んでもよい。例えば、制御装置９０の以下の動作は、記憶装置９０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ９０ａに実行することによって、実現されてもよい。
　続いて、システム１００の動作について説明する。
　水電解装置６は、ガスタービン４の運転中の何れかのタイミングにおいて、発電機５で生成された電力、すなわち、ガスタービン４の出力によって生成される電力によって、水を水素および酸素に分解する。水素は、水素タンク７に貯留され、酸素は、酸素タンク８に貯留される。例えば、水電解装置６は、水素タンク７および酸素タンク８の双方または少なくとも一方が気体で満たされた場合に、運転を停止してもよい。
　ガスタービン４が運転を停止した後に、ガスタービン４を再び始動させる指令を制御装置９０が受けると、プロセッサ９０ａは、バルブＶ１およびバルブＶ２を開きかつ加圧器２を始動させて、アンモニアタンク１から燃焼器４２およびクラッキング装置３にアンモニアを供給するように加圧器２を制御する。
　また、プロセッサ９０ａは、バルブＶ３を開き、水素タンク７から配管Ｐ２２に水素を供給する。配管Ｐ２２では、アンモニアタンク１からのアンモニアと、水素タンク７からの水素とが混合される。したがって、燃焼器４２には、アンモニアおよび水素の混合ガスが供給される。ガスタービン４が運転を停止した後、燃焼器４２および配管Ｐ２２内の圧力は、大気圧まで低下する。したがって、例えば、水素は、水素タンク７内の圧力と、配管Ｐ２２内の圧力との間の差圧によって、水素タンク７から配管Ｐ２２に自動的に供給されてもよい。
　燃焼器４２は、上記のように、配管Ｐ２２からアンモニアおよび水素の混合ガスを受け入れる。したがって、ガスタービン４を始動させるときに、燃焼器４２では、アンモニアおよび水素の混合ガスが燃焼される。水素は、アンモニアに比して、容易に燃焼される。したがって、アンモニアのみが燃料として使用される場合に比して、燃焼器４２における燃焼が加速される。
　また、プロセッサ９０ａは、バルブＶ４を開き、酸素タンク８からクラッキング装置３に酸素を供給する。例えば、ガスタービン４が運転を停止する場合、クラッキング装置３も運転を停止する。また、これらの停止時には、バルブＶ４は閉じられているので、酸素は流れない。したがって、ガスタービン４が運転を停止した後、クラッキング装置３内の圧力も、大気圧まで低下する。したがって、例えば、酸素は、酸素タンク８内の圧力と、クラッキング装置３内の圧力との間の差圧によって、酸素タンク８からクラッキング装置３に自動的に供給されてもよい。
　クラッキング装置３は、上記のように、アンモニアタンク１からのアンモニアと、酸素タンク８からの酸素と、を受け入れる。アンモニアの窒素および水素へのクラッキングは吸熱反応であり、したがってクラッキング装置３はエネルギを必要とする。しかしながら、本実施形態では、クラッキング装置３は、酸素タンク８から酸素を受け入れる。したがって、ガスタービン４を始動させるときに、クラッキング装置３内には、アンモニアおよび酸素の双方が存在する。クラッキング装置３の触媒は、酸素タンク８からの酸素によって酸化され、発熱する。したがって、クラッキング装置３は、外部からエネルギを受けること無く、触媒の自己発熱によってクラッキングに必要なエネルギを得ることができる。生成された窒素および水素を含む水素リッチガスは、クラッキング装置３から燃焼器４２に供給される。したがって、燃焼器４２は、クラッキング装置３からも水素を受け入れる。したがって、燃焼器４２における燃焼がさらに加速される。
　水素タンク７内の水素の量が減少するにつれて、水素タンク７内の圧力は低下する。また、ガスタービン４の起動（シーケンス）が進むにつれて、燃焼器４２および配管Ｐ２２内の圧力が増加する。したがって、水素タンク７内の圧力と、配管Ｐ２２内の圧力との間の差圧が低下する。したがって、例えば、水素の供給は、差圧が十分に低下すると、自動的に止まってもよい。代替的にまたは追加的に、例えば、ガスタービン４が定格回転数に達した場合に、プロセッサ９０ａは、バルブＶ３を閉じて、水素タンク７から配管Ｐ２２への水素の供給を停止してもよい。
　同様に、酸素タンク８内の酸素の量が減少するにつれて、酸素タンク８内の圧力は低下する。また、クラッキングが進むにつれて、クラッキング装置３内の圧力が増加する。したがって、酸素タンク８内の圧力と、クラッキング装置３内の圧力との間の差圧が低下する。したがって、例えば、酸素の供給は、差圧が十分に低下すると、自動的に止まってもよい。代替的にまたは追加的に、例えば、ガスタービン４が定格回転数に達した場合に、プロセッサ９０ａは、バルブＶ４を閉じて、酸素タンク８からクラッキング装置３への酸素の供給を停止してもよい。
　以上のようなシステム１００は、アンモニアタンク１と、アンモニアタンク１に接続され、アンモニアタンク１からのアンモニアを燃焼する燃焼器４２を含むガスタービン４と、ガスタービン４の出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置６と、水電解装置６によって生成される水素を貯留し、かつ、燃焼器４２と流体連通する水素タンク７と、水素タンク７から燃焼器４２への水素の供給を制御する制御装置９０であって、ガスタービン４の始動時に燃焼器４２への水素の供給を開始する、制御装置９０と、備える。このような構成によれば、ガスタービン４を始動させるときに、燃焼器４２では、アンモニアおよび水素の混合ガスが燃焼される。水素は、アンモニアに比して、容易に燃焼される。したがって、アンモニアのみが燃料として使用される場合に比して、燃焼器４２における燃焼を加速することができる。よって、ガスタービン４の始動を促進することができる。
　また、システム１００は、アンモニアタンク１およびガスタービン４に接続されるクラッキング装置３であって、アンモニアタンク１からのアンモニアを水素および窒素へと分解し、生成された水素リッチガスをガスタービン４に送る、クラッキング装置３と、水電解装置６によって生成される酸素を貯留し、かつ、クラッキング装置３と流体連通する酸素タンク８と、を備え、制御装置９０は、酸素タンク８からクラッキング装置３への酸素の供給を制御し、ガスタービン４の始動時にクラッキング装置３への酸素の供給を開始する。このような構成によれば、ガスタービン４を始動させるときに、クラッキング装置３内には、アンモニアおよび酸素の双方が存在する。クラッキング装置３の触媒は、酸素タンク８からの酸素によって酸化され、発熱する。したがって、クラッキング装置３は、外部からエネルギを受けること無く、触媒の自己発熱によってクラッキングに必要なエネルギを得ることができる。生成された水素リッチガスは、クラッキング装置３から燃焼器４２に供給される。したがって、燃焼器４２は、クラッキング装置３からも水素を受け入れる。したがって、ガスタービン４の始動をさらに促進することができる。
　別の観点では、システム１００は、アンモニアタンク１と、アンモニアタンク１に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置３と、アンモニアタンク１およびクラッキング装置３に接続され、アンモニアタンク１からのアンモニアと、クラッキング装置３からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器４２を含むガスタービン４と、ガスタービン４の出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置６と、水電解装置６によって生成される酸素を貯留し、かつ、クラッキング装置３と流体連通する酸素タンク８と、酸素タンク８からクラッキング装置３への酸素の供給を制御する制御装置９０であって、ガスタービン４の始動時にクラッキング装置３への酸素の供給を開始する、制御装置９０と、を備える。このような構成によれば、ガスタービン４を始動させるときに、クラッキング装置３内には、アンモニアおよび酸素の双方が存在する。クラッキング装置３の触媒は、酸素タンク８からの酸素によって酸化され、発熱する。したがって、クラッキング装置３は、外部からエネルギを受けること無く、触媒の自己発熱によってクラッキングに必要なエネルギを得ることができる。生成された水素リッチガスは、クラッキング装置３から燃焼器４２に供給される。したがって、ガスタービン４を始動させるときに、燃焼器４２では、アンモニアおよび水素の混合ガスが燃焼される。水素は、アンモニアに比して、容易に燃焼される。したがって、アンモニアのみが燃料として使用される場合に比して、燃焼器４２における燃焼を加速することができる。よって、ガスタービン４の始動を促進することができる。
　また、システム１００は、水電解装置６によって生成される水素を貯留し、かつ、燃焼器４２と流体連通する水素タンク７を備え、制御装置９０は、水素タンク７から燃焼器４２への水素の供給を制御し、ガスタービン４の始動時に燃焼器４２への水素の供給を開始する。このような構成によれば、ガスタービン４を始動させるときに、燃焼器４２は、水素タンク７からも水素を受け入れる。したがって、ガスタービン４の始動をさらに促進することができる。
　続いて、他の実施形態に係るガスタービンシステムについて説明する。
　図２は、第２実施形態に係るガスタービンシステム２００を示す概略図である。システム２００は、酸素タンク８において、酸素が周囲の空気と混合されて貯留される点において、第１実施形態に係るシステム１００と異なる。その他の構成については、システム２００は、システム１００と同じであってもよい。
　具体的には、酸素タンク８には、周囲の空気を酸素タンク８に取り込むための配管Ｐ８が設けられる。配管Ｐ８には、バルブＶ５と、コンプレッサ９と、が設けられる。バルブＶ５およびコンプレッサ９は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。
　また、酸素タンク８には、センサＳｅが設けられる。センサＳｅは、酸素タンク８内のガスの酸素濃度を検出する。センサＳｅは、例えば、酸素濃度計であることができる。センサＳｅは、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、検出データを制御装置９０に送信する。
　例えば、制御装置９０は、センサＳｅによって検出される酸素濃度が所定の範囲内になるように、バルブＶ５の開度およびコンプレッサ９の出力を制御して、酸素タンク８に取り込まれる空気の量を調整する。例えば、所定の範囲の下限値は、酸素タンク８内のガスが、クラッキング装置３における発熱を十分に促進するように決定されることができ、一般的な環境の酸素濃度である２１％よりも高い。また、酸素は、強い助燃性を有するガスである。したがって、例えば、所定の範囲の上限値は、酸素タンク８内における着火を防止するように決定されることができる。例えば、所定の範囲は、記憶装置９０ｂに保存されてもよい。
　このような第２実施形態に係るシステム２００は、システム１００と同様な効果を奏する。また、システム２００は、酸素タンク８内のガスの酸素濃度を検出するセンサＳｅと、周囲の空気を酸素タンク８に取り込むためのコンプレッサ９およびバルブＶ５と、を備える。このような構成によれば、酸素タンク８内のガスの酸素濃度を、クラッキング装置３における発熱を十分に促進し、かつ、酸素タンク８内における着火を防止できる範囲に維持することができる。
　続いて、さらに他の実施形態に係るガスタービンシステムについて説明する。
　図３は、第３実施形態に係るガスタービンシステム３００を示す概略図である。システム３００は、水素タンク７からの配管Ｐ６が、燃焼器４２に直接的に接続される点において、第１実施形態に係るシステム１００と異なる。その他の構成については、システム３００は、システム１００と同じであってもよい。
　例えば、配管Ｐ６は、燃焼器４２において、不図示のイグナイタの近傍に水素を供給してもよい。このような構成によれば、ガスタービン４を始動させるときに、燃焼器４２内に素早く火炎を形成することができる。このような第３実施形態に係るシステム３００は、システム１００と同様な効果を奏する。
　以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記の実施形態では、システム１００，２００，３００は、水素タンク７および酸素タンク８の双方を備え、水電解装置６によって生成される水素および酸素の双方を、ガスタービン４を始動するために使用する。他の実施形態では、システムは、水電解装置６によって生成される水素および酸素の一方のみを、ガスタービン４を始動するために使用してもよい。例えば、他の実施形態では、システムは、酸素タンク８を備えなくてもよく、水電解装置６によって生成される酸素を、ガスタービン４を始動するために使用しなくてもよい。この場合、システムは、クラッキング装置３を備えてもよく、または、備えなくてもよい。さらに他の実施形態では、例えば、システムは、水素タンク７を備えなくてもよく、水電解装置６によって生成される水素を、ガスタービン４を始動するために使用しなくてもよい。
　また、第３実施形態に係るシステム３００では、水素タンク７からの配管Ｐ６が、燃焼器４２に直接的に接続される。他の実施形態では、例えば、配管Ｐ６は、クラッキング装置３と燃焼器４２とを接続する配管Ｐ２３に接続されてもよい。
　本開示は、ＣＯ２放出の削減につながるアンモニアの使用を促進することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギへのアクセスを確保する」に貢献することができる。
　１　　　　アンモニアタンク（アンモニア供給源）
　３　　　　クラッキング装置
　４　　　　ガスタービン
　６　　　　水電解装置
　７　　　　水素タンク
　８　　　　酸素タンク
　４２　　　燃焼器
　９０　　　制御装置
　１００　　ガスタービンシステム
　２００　　ガスタービンシステム
　３００　　ガスタービンシステム

Claims (4)

  1. 　アンモニア供給源と、
    　前記アンモニア供給源に接続され、前記アンモニア供給源からのアンモニアを燃焼する燃焼器を含むガスタービンと、
    　前記ガスタービンの出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置と、
    　前記水電解装置によって生成される水素を貯留し、かつ、前記燃焼器と流体連通する水素タンクと、
    　前記水素タンクから前記燃焼器への水素の供給を制御する制御装置であって、前記ガスタービンの始動時に前記燃焼器への水素の供給を開始する、制御装置と、
    　を備える、ガスタービンシステム。
  2. 　前記アンモニア供給源および前記ガスタービンに接続されるクラッキング装置であって、前記アンモニア供給源からのアンモニアを水素および窒素へと分解し、生成された水素を含むガスを前記ガスタービンに送る、クラッキング装置と、
    　前記水電解装置によって生成される酸素を貯留し、かつ、前記クラッキング装置と流体連通する酸素タンクと、
    　を備え、
    　前記制御装置は、前記酸素タンクから前記クラッキング装置への酸素の供給を制御し、前記ガスタービンの始動時に前記クラッキング装置への酸素の供給を開始する、請求項１に記載のガスタービンシステム。
  3. 　アンモニア供給源と、
    　前記アンモニア供給源に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置と、
    　前記アンモニア供給源および前記クラッキング装置に接続され、前記アンモニア供給源からのアンモニアと、前記クラッキング装置からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器を含むガスタービンと、
    　前記ガスタービンの出力によって生成される電力によって運転し、水を水素および酸素に分解する水電解装置と、
    　前記水電解装置によって生成される酸素を貯留し、かつ、前記クラッキング装置と流体連通する酸素タンクと、
    　前記酸素タンクから前記クラッキング装置への酸素の供給を制御する制御装置であって、前記ガスタービンの始動時に前記クラッキング装置への酸素の供給を開始する、制御装置と、
    　を備える、ガスタービンシステム。
  4. 　前記水電解装置によって生成される水素を貯留し、かつ、前記燃焼器と流体連通する水素タンクを備え、
    　前記制御装置は、前記水素タンクから前記燃焼器への水素の供給を制御し、前記ガスタービンの始動時に前記燃焼器への水素の供給を開始する、請求項３に記載のガスタービンシステム。
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