燃料制备系统的制作方法

1.本发明涉及一种通过对水的电解制备燃料的燃料制备系统。


背景技术：

2.作为这种装置，以往已知有以生物质为原料制备甲醇的装置(例如参见专利文献1)。专利文献1记载的装置使用太阳能发电和风力发电的电力对水进行电解而生成氢气，通过将该氢气补充到包括对生物质进行气化所得到的一氧化碳和氢气的气体中，将一氧化碳和氢气的比例调整为适合甲醇合成的比例。
3.然而，像专利文献1那样，在利用太阳能发电、风力发电等可再生电力制备燃料的情况下，虽然能够减少碳排放量，但是能量损耗、燃料制备成本有可能增加。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2002-193858号公报(jp2002-193858a)。


技术实现要素：

7.本发明的一技术方案的燃料制备系统，具备：合成气生成装置，其利用含碳原料生成包括氢和一氧化碳的合成气；燃料制备装置，其利用由合成气生成装置生成的合成气制备燃料；水电解装置，其通过对水进行电解来生成氢；氢供给部，其向合成气生成装置供给由水电解装置生成的氢；计算部，其基于含碳原料所具有的第一能量、由水电解装置生成氢时消耗的第二能量、由合成气生成装置生成合成气时消耗的第三能量、由燃料制备装置制备燃料时消耗的第四能量计算所投入的投入能量，并且基于由燃料制备装置制备的燃料所具有的第五能量计算所回收的回收能量；以及决定部，其基于由计算部计算出的投入能量和回收能量，决定由氢供给部所供给的氢的供给量。
附图说明
8.本发明的目的、特征以及优点，通过与附图相关的以下实施方式的说明进一步阐明。
9.图1是概略地示出本发明的实施方式的燃料制备系统的整体结构的一例的框图。
10.图2是概略地示出本发明的实施方式的燃料制备系统的主要部分结构的一例的框图。
11.图3是用于说明图1的燃料制备系统的能量收支的图。
12.图4是用于说明图1的水电解装置的电解效率与燃料制备系统的能量转换效率之间的关系的图。
13.图5是用于说明图1的氢供给部的氢供给量与燃料制备系统的能量收支的评价值之间的关系的图。
14.图6a是示出从图1的气化装置回收的各气体成分的回收量的一例的图。
15.图6b是示出从图1的气化装置回收的各气体成分的回收量的另一例的图。
具体实施方式
16.以下参照图1～图6b说明本发明的实施方式。本发明的实施方式的燃料制备系统使用太阳能发电、风力发电等可再生电力对水进行电解而生成氢(水电解氢气)，利用该水电解氢气由生物质等含碳原料制备所谓的电合成燃料(e-fuel)。以下特别说明将生物质气化生成包括氢气和一氧化碳的合成气，利用所生成的合成气制备甲醇燃料的例子。
17.图1是概略地示出本发明的实施方式的燃料制备系统100的整体结构的一例的框图。如图1所示，燃料制备系统100具有发电装置1、水电解装置2、氢供给部3、气化装置4、燃料制备装置5。
18.发电装置1例如构成为利用半导体元件将太阳能转化为电能的太阳能发电装置、利用风车将风能转化成电能的风力发电装置，生成可再生电力。由发电装置1生成的可再生电力供给至水电解装置2、氢供给部3、气化装置4以及燃料制备装置5。
19.水电解装置2通过使用发电装置1所生成的可再生电力对水进行电解来生成水电解氢气。在水电解装置2设置测定水电解装置2的电解电压、由水电解装置2消耗的电量、水电解氢气的生成量(例如质量流量)m等的传感器。
20.氢供给部3例如构成为水电解装置2的一部分，将由水电解装置2生成的全部水电解氢气供给至气化装置4。氢供给部3具有调整例如向水电解装置2供给的水的流量的流量调整阀，通过调整水的供给量来调整由水电解装置2生成的水电解氢气的生成量，从而调整向气化装置4供给的水电解氢气的供给量。需要说明的是，氢供给部3还可以与水电解装置2分开设置，例如还可以由储存水电解装置2所生成的水电解氢气的储氢罐和调整从储氢罐向气化装置4供给的水电解氢气的流量的流量调整阀等构成。
21.气化装置4主要具有气化炉，通过利用由发电装置1生成的可再生电力对气化炉进行加热来进行气化，生成合成气。向气化装置4的气化炉供给进行了干燥、粉碎等预处理稻壳、甘蔗渣、木材等生物质、氧气以及水(水蒸气)，通过下式(i)～(v)的反应生成包括氢气和一氧化碳的合成气。这里，下式(ii)～(v)的反应是平衡反应。
22.c+o2→
co2……(i)23.c+h2o
→
co+h2……
(ii)
24.c+2h2→
ch4……
(iii)
25.c+co2→
2co
……
(iv)
26.co+h2o
→
co2+h2……
(v)
27.通过氢供给部3进一步向气化装置4的气化炉供给由水电解装置2生成的全部水电解氢气。在气化装置4设置测定由气化装置4消耗的电量、气化炉内的合成气的温度、压力、合成气的生成量(例如质量流量)以及各气体成分的分压(浓度)等的传感器。基于这些传感器的测定值，能够调整向气化炉供给的生物质、氧气、水以及水电解氢气的供给量。
28.通过由氢供给部3供给水电解氢气，式(v)中的平衡反应(转换反应)向促进一氧化碳的生成并抑制二氧化碳的生成的方向转换。并且，通过调整由水电解装置2生成、由氢供给部3供给的水电解氢气的供给量m，能够将合成气调整为适合后续的燃料制备的组成。例如后续在燃料制备装置5制备甲醇燃料时，能够结合下式(vi)的甲醇合成反应进行调整，使
得合成气中氢气与一氧化碳的比例(分压比)成为“2”。
29.co+2h2→
ch3oh
……
(vi)
30.燃料制备装置5主要具有反应器和蒸馏塔。向燃料制备装置5的反应器供给由气化装置4生成并进行了通过洗净去除灰分、脱硫等后处理的合成气，通过式(vi)的放热反应生成甲醇燃料。更具体而言，利用由发电装置1生成的可再生电力加热蒸馏塔，蒸馏生成的气体，获得甲醇燃料。在燃料制备装置5的反应器和蒸馏塔设置测定温度、压力、甲醇燃料的生成量(例如质量流量)以及浓度等的传感器。
31.在燃料制备系统100上在气化装置4与燃料制备装置5之间设置压缩机，利用由发电装置1生成的可再生电力从气化装置4向燃料制备装置5输送合成气。在燃料制备系统100还设置测定压缩机所消耗的电量的传感器。
32.这样，燃料制备系统100通过使用可再生能源，能够总体上抑制二氧化碳的排放量。然而，当在可再生能源的转换过程中能量损耗增大时，整个系统的能量损耗、燃料制备成本有可能增加。因此，在本实施方式中，如下构成燃料制备系统，以便通过关注系统整体的能量收支，能够抑制燃料制备时的二氧化碳的排放量的同时抑制能量损耗、燃料制备成本。
33.图2是概略地示出本发明的实施方式的燃料制备系统100的主要部分结构的一例的框图。如图2所示，燃料制备系统100具有控制器10，包括上述传感器的传感器组6和氢供给部3与控制器10连接。控制器10基于来自传感器组6的信号执行规定的处理，由此控制氢供给部3的动作。
34.控制器10包括具有cpu(中央处理器)等运算部11、rom(只读存储器)、ram(随机存取存储器)等存储部12、i/o(输入/输出)接口等未图示的其他外围电路的计算机而构成。在存储部12存储各种控制的程序、在程序中使用的阈值等信息。运算部11具有计算部13和决定部14，作为功能性结构。即，控制器10的cpu等运算部11作为计算部13和决定部14发挥功能。
35.图3是用于说明燃料制备系统100的能量收支的图，示出以生物质作为原料制备甲醇燃料时的、每单位原料所投入的能量和所回收的能量的一例。所投入的能量包括单位量的生物质所具有的能量(发热量)e1和原料的气化(对气化炉的加热)、燃料的蒸馏、合成气的输送以及水的电解分别所需的能量e2～e5。所回收的能量包括利用单位量的生物质生成的甲醇燃料所具有的能量(发热量)e6。
36.图3中，分别用虚线表示由氢供给部3不供给水电解氢气时的能量e(0)，用实线表示供给水电解氢气时的能量e(m)。如图3所示，在由氢供给部3供给水电解氢气时，根据水电解氢气的供给量投入电解所需的能量e5(m)，同时气化、蒸馏以及输送所需的能量e2(m)～e4(m)增加。另一方面，作为甲醇燃料所回收的能量e6(m)增加。
37.计算部13根据下式(vii)、(viii)，在不供给和供给水电解氢气时，分别计算各自的能量e1(0)～e4(0)、e1(m)～e5(m)之和作为基准投入能量ein(0)、投入能量ein(m)。另外，如下式(ix)、(x)那样，在由氢供给部3不供给和供给水电解氢气时，分别计算各自的能量e6(0)、e6(m)作为基准回收能量eout(0)、回收能量eout(m)。
38.ein(0)＝e1(0)+e2(0)+e3(0)+e4(0)
……
(vii)
39.ein(m)＝e1(m)+e2(m)+e3(m)+e4(m)+e5(m)
……
(viii)
40.eout(0)＝e6(0)
……
(ix)
41.eout(m)＝e6(m)
……
(x)
42.原料的气化所需的能量e2能够基于标准反应焓和利用单位量的生物质生成的合成气的生成量来计算，但也能够基于气化装置4所消耗的电量来计算。燃料的蒸馏所需的能量e3能够基于利用单位量的生物质生成的甲醇燃料的生成量和浓度来计算，但也能够基于由燃料制备装置5所消耗的电量来计算。合成气的输送所需的能量e4能够基于每单位量的压缩功和利用单位量的生物质生成的合成气的生成量来计算，但也能够基于由压缩机所消耗的电量来计算。
43.水的电解所需的能量e5能够基于标准反应焓、利用单位量的生物质生成的水电解氢气的生成量、水电解装置2的电解效率p，通过下式(xi)来计算。水电解装置2的电解效率p能够基于电解效率为100％的电解电压(例如1.48v)和水电解装置2的电解电压通过下式(xii)来计算。水的电解所需的能量e5也能够基于由水电解装置2所消耗的电量来计算。需要说明的是，在利用太阳能发电、风力发电等可再生电力对水进行电解的情况下，有时因气象条件等导致电力不足，无法额定运行水电解装置2。在这样的情况下，水电解装置2的电解效率p降低。
44.e5＝(标准反应焓)
×
(水电解氢气的生成量)/p
……
(xi)
45.p＝1.48/(电解电压)
……
(xii)
46.计算部13通过下式(xiii)、(xiv)计算基准投入能量ein(0)与投入能量ein(m)之间的差值δein(m)以及基准回收能量eout(0)与回收能量eout(m)之间的差值δeout(m)。另外，通过下式(xv)计算燃料制备系统100的能量转换效率。还有，通过下式(xvi)计算能量收支的评价值。
47.δein(m)＝ein(m)-ein(0)
……
(xiii)
48.δeout(m)＝eout(m)-eout(0)
……
(xiv)
49.(能量转换效率)＝eout/ein
50.＝e6/(e1+e2+e3+e4+e5)
……
(xv)
51.(能量收支的评价值)＝δeout(m)/δein(m)
……
(xvi)
52.图4是用于说明水电解装置2的电解效率p与燃料制备系统100的能量转换效率之间的关系的图。在图4中，分别用虚线表示氢供给部3不供给水电解氢气时的能量转换效率eout(0)/ein(0)，用实线表示供给水电解氢气时的能量转换效率eout(m)/ein(m)。如图4所示，水电解装置2的电解效率p越高则供给水电解氢气时的燃料制备系统100的能量转换效率eout(m)/ein(m)越高。因此，在规定电解效率p0以上的运行条件下，供给水电解氢气比不供给水电解氢气时能量转换效率提高，但在低于规定电解效率p0的运行条件下，供给水电解氢气比不供给水电解氢气时能量转换效率降低。
53.图5是用于说明氢供给部3的水电解氢气的供给量m与燃料制备系统100的能量收支的评价值之间的关系的图，示出在与图4的电解效率p1相对应的运行条件下使水电解氢气的供给量m发生变化时的评价值的一例。如图5所示，在水电解氢气的供给量m中存在与电解效率p等运行条件相对应的最优量m1。通过将水电解氢气的供给量m调整为能量收支的评价值为1以上的适当范围m1a～m1b，能够相对于不供给水电解氢气的情况提高能量转换效率。另一方面，当供给超过适当范围m1a～m1b的过剩量m2(例如最优量m1的1.5倍)的水电解
氢气时，能量收支的评价值低于1，能量转换效率比不供给水电解氢气时降低。
54.图6a和图6b是示出利用气化装置4回收的各气体成分的回收量(例如质量流量)的一例的图，分别用虚线表示氢供给部3不供给水电解氢气时的回收量，用实线表示供给水电解氢气时的回收量。图6a示出图5中水电解氢气的供给量m为最优量m1时的各气体成分的回收量的一例，图6b示出水电解氢气的供给量m为过剩量m2时的各气体成分的回收量的一例。
55.在图6a的例子中，水电解氢气的供给量m被调整为最优量m1，与甲醇燃料的制备量相对应的一氧化碳的回收量增加到不供给水电解氢气时的1.5倍。另一方面，在图6b的例子中，水电解氢气的供给量m被调整为最优量m1的1.5倍的过剩量m2，一氧化碳的回收量增加到不供给水电解氢气时的1.7倍。当对图6a的例子和图6b的例子进行比较时，与投入能量相对应的水电解氢气的供给量m增加到1.5倍，与此相对，与回收能量相对应的一氧化碳的回收量仅增加至大致1.1倍。这样，当超过适当范围地增加水电解氢气的供给量m时，相对于不供给水电解氢气时，能量转换效率反而降低。
56.决定部14基于由计算部13计算出的能量收支的评价值δeout(m)/δein(m)决定由氢供给部3供给的水电解氢气的供给量m。即，以能量收支的评价值δeout(m)/δein(m)为1以上的方式决定水电解氢气的供给量m。由此，通过投入水电解氢气能够在能量转换效率提高那样的区域运行燃料制备系统100。
57.采用本实施方式能够起到如下的作用效果。
58.(1)燃料制备系统100具备：气化装置4，其利用生物质生成包括氢气和一氧化碳的合成气；燃料制备装置5，其利用由气化装置4生成的合成气制备甲醇燃料；水电解装置2，其通过对水进行电解来生成氢；氢供给部3，其将由水电解装置2生成的氢向气化装置4供给；计算部13，其基于生物质所具有的能量e1、由水电解装置2生成氢气时所消耗的能量e5、由气化装置4生成合成气时所消耗的能量e2、由燃料制备装置5制备甲醇燃料时所消耗的能量e3计算投入能量ein(m)，并且基于由燃料制备装置5制备的甲醇燃料所具有的能量e6计算回收能量eout(m)；以及决定部14，其基于由计算部13计算出的投入能量ein(m)和回收能量eout(m)决定由氢供给部3供给的氢气的供给量m(图1～图3)。
59.这样，通过投入能量ein(m)和回收能量eout(m)监视整个燃料制备系统100的能量转换效率并决定水电解氢气的供给量m，由此能够抑制燃料制备时的能量损耗。即，根据气象条件等可再生能源在能量转换过程中的损失变大，但通过以相对于不供给水电解氢气时能量转换效率提高的方式决定水电解氢气的供给量m，能够抑制能量损耗。
60.(2)计算部13基于由水电解装置2生成的氢的生成量和水电解装置2的电解效率p，计算由水电解装置2生成氢时所消耗的能量e5。在该情况下，能够基于实际测定出的电解电压计算电解效率p，并计算由水电解装置2生成氢时所消耗的能量e5。
61.(3)计算部13基于由水电解装置2生成氢时所消耗的电量，计算由水电解装置2生成氢时所消耗的能量e5。在该情况下，能够基于实际测定出的电量，计算由水电解装置2生成氢时所消耗的能量e5。
62.(4)计算部13还基于氢供给部3不供给氢气时的基准投入能量ein(0)与氢供给部3供给氢气时的投入能量ein(m)之间的差值δein(m)、以及氢供给部3不供给氢气时的基准回收能量eout(0)与氢供给部3供给氢气时的回收能量eout(m)之间的差值δeout(m)来计算能量收支的评价值δeout(m)/δein(m)。决定部14基于由计算部13计算出的能量收支的
评价值δeout(m)/δein(m)决定由氢供给部3供给的氢气的供给量m。即，以能量收支的评价值δeout(m)/δein(m)为1以上的方式决定水电解氢气的供给量m。由此，能够在因投入水电解氢气而整个系统的能量转换效率提高的区域运行燃料制备系统100。
63.(5)水电解装置2使用可再生电力对水进行电解。在使用太阳能发电、风力发电等可再生电力的情况下，有时因气象条件等导致电力不足，不能额定运行水电解装置2。在这样的情况下，水电解装置2的电解效率p降低，有时通过供给水电解氢气，整个燃料制备系统100的能量转换效率反而降低。通过投入能量ein(m)和回收能量eout(m)来监视整个燃料制备系统100的能量转换效率，能够适当地抑制燃料制备时的能量损耗。
64.在上述实施方式中，在图1等中，说明了气化装置4利用生物质生成合成气的例子，但利用含碳原料生成包含氢气和一氧化碳的合成气的合成气生成装置不限于这些。例如还可以通过dac(direct air capture：直接空气捕获)从工厂废气等中分离并回收二氧化碳，利用回收到的二氧化碳和水电解氢气根据式(v)的反向的平衡反应(逆转换反应)生成一氧化碳和水。
65.在上述实施方式中，在图1等中，说明了燃料制备装置5制备甲醇燃料的例子，但利用合成气制备燃料的燃料制备装置不限于此。例如还可以通过mtg(methanol-to-gasoline：甲醇制汽油)法利用甲醇进一步合成汽油燃料，还可以通过ft(fischer-tropsch：费托合成)法利用合成气合成轻油燃料。
66.在上述实施方式中，说明了在对水的电解中使用了可再生电力的例子，但水电解装置不限于此。例如还可以使用来自商用电力系统的电力替代可再生电力，还可以组合使用这些电力。
67.在上述实施方式中，在图1等中，说明了将由水电解装置2生成的全部水电解氢气向气化装置4供给的例子，但向合成气生成装置供给由水电解装置生成的氢气的氢供给部的构成不限于此。例如还可以是具有储存水电解氢气的储氢罐、调整向气化装置的水电解氢气的流量的流量调整阀等的装置。另外，在水电解装置2的电解效率p因气象条件等低于规定电解效率p0的情况下，还可以停止水电解装置2的运行。
68.在上述实施方式中，在图3等中，示出并说明了向燃料制备系统100所投入的能量、以及所回收的能量的具体例，但所投入的能量和所回收的能量不限于此。
69.既能够任意组合上述实施方式和变形例的一个或者多个，也能够将各变形例彼此进行组合。
70.采用本发明，能够抑制燃料制备时的能量损耗、燃料制备成本。
71.上文结合优选实施方式对本发明进行了说明，但本领域技术人员应理解，在不脱离后述权利要求书的公开范围的情况下能够进行各种修改和变更。