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щ൦እỉᝪᔺῒ̓ዅἉἋἘἲ ᵟᴾᵱᶒᶍᶐᵿᶅᶃᴾᵿᶌᶂᴾᵱᶓᶎᶎᶊᶗᴾᵱᶗᶑᶒᶃᶋᴾᶍᶄᴾᵦᶗᶂᶐᶍᶅᶃᶌᴾᶂᶃᶐᶇᶔᶃᶂᴾᶄᶐᶍᶋᴾᵰᶃᶌᶃᶕᵿᶀᶊᶃᴾᵣᶌᶃᶐᶅᶗ 㧔ᩣ㧕ࡈࠗࡦࠛ࠽ࠫ↰ޓࡊ࡞ࠣࠣࡦࠖ࠹ࠤࡑޓㆺޓస Katsumori Tanabe − Marketing Group, Hrein Energy Inc. Abstract: Renewable energy, such as wind power and solar power, cannot control its electric production in order to meet to electric demands of consumers. A storage and supply system of hydrogen as an energy carrier derived with water electrolyses using excessive and fluctuated electricity of wind power has been developed. Chemical organic hydrides, hydrogenated aromatics of the nature of high massive and volumetric hydrogen contents are in service for storage materials. Conventional infrastructures for storage and transport are able to be applied to chemical organic hydrides which are characterized as same as gasoline and heating oil. In this report, a general outline of the system, and performance of hydrogenation and dehydrogenation reactor developed were mentioned. Key Words : Renewable energy, Hydrogen storage and supply, Chemical organic hydride, Hydrogenation, Dehydrogenation 必要となる。このようなシステムが実現できると、再生可 㧝㧚ߪߓߦ 能エネルギーをオンデマンドにて利用可能となる。ここで 風力発電や太陽光発電などのいわゆる再生可能エネル ギーは、需要先の電力使用量に見合うようにその発電量を は風力水素の貯蔵･供給システムの概要と弊社が開発してい る水素貯蔵装置ならびに水素供給装置について報告する。 調節することが出来ない。また、とりわけ風力発電では１ から２分周期の短い変動があり、これが全風力エネルギー 㧞㧚㘑ജ᳓⚛ߩ⾂⬿㨯ଏ⛎ࠪࠬ࠹ࡓ のかなりの部分を占めている。これらのことが再生可能エ ネルギー由来の電力を利用する上では大きな障害となって 風力水素の貯蔵･供給システムの概要を図１に示した。 いる。そこで、需要を上回る発電がある場合や変動部分電 風力による発電量のうち、需要家の必要電力量に見合う 力から水電解により水素を製造し、この水素をエネルギー 安定電力を優先的に直接需要家にて利用する。一方、変動 キャリアとして一旦貯蔵し必要な時に供給するシステムが 部分電力や需要を上回る電力を用いて水電解により水素を ࿑㧝ޓ㘑ജ᳓⚛ߩ⾂⬿㨯ଏ⛎ࠪࠬ࠹ࡓ (KIޓ#UVQTCIGCPFUWRRN[U[UVGOQHJ[FTQIGPFGTKXGFHTQOTGPGYCDNGGPGTI[ Άᢱ㔚ᳰ䇭䌖䌏䌌䋮䋵䇭䌎䌏䋮䋴䇭䋲䋰䋰䋶 製造する。この水素を水添装置により芳香族化合物に化学 に有機ハイドライドそのものはガソリンや灯油と同じ性状 結合させ有機ハイドライドとして貯蔵する。水素を貯蔵し であり、常温常圧で液体である。そのため保管に特別な耐 た有機ハイドライドを既存の石油ローリーにて需要地まで 圧の容器やタンクを用意する必要は無く、取り扱いがきわ 輸送し、脱水素装置にて水素供給する。この水素から燃料 めて容易である。また、既存の石油製品や石油化学製品の 電池などのコジェネ装置を用いて需要家に熱電供給し、あ 貯蔵･輸送インフラをそのまま活用できる。すなわち、貯 るいはそのまま燃料電池自動車の燃料として利用できる。 留には大型・小型の石油タンクを使用すればよく、輸送 すなわち水素貯蔵･供給システムにより風力発電と需要電 には石油ローリーが利用できる。燃料電池自動車に供給す 力の時間的あるいは距離的ギャップを埋めることが可能と る場合は、既存のサービスステーションをそのまま利用で なり、さらに再生可能エネルギーから自動車用燃料を作り きることとなり、特別なインフラをこれから整備する必要 出すことが出来る。 が無いことは、有機ハイドライドを利用する最も大きな利 点である。さらに既存の石油タンクで備蓄が可能なことか ら、エネルギー安全保障や防災の観点からもメリットが大 㧟㧚ᯏࡂࠗ࠼ࠗ࠼ߩ․ᓽ きい。特に災害時には有機ハイドライドそのものをディー 有機ハイドライドとは芳香族化合物の水素化物、いわゆ る水素化芳香族のことを言う。このため有機ハイドライド ゼル機関やその他の機器の燃料としてそのまま利用できる 点は他の水素貯蔵材には無い特徴である。 はケミカルハイドライドと呼ばれることもある。有機ハイ ドライドを利用した水素貯蔵・供給は芳香族化合物の水添 反応と脱水素反応が可逆的であることを利用したものであ 㧠㧚ᯏࡂࠗ࠼ࠗ࠼ࠍ↪ߔࠆ ᳓⚛⾂⬿㨯ଏ⛎ⵝ⟎ る。芳香族化合物は低温かつ水素圧力が高い条件下では水 添の方向に反応平衡が偏り、逆に高温かつ水素分圧が低い 有機ハイドライドへの水素貯蔵には水添装置を用いる。 条件下では脱水素の方向に反応平衡が偏る。以下にその一 水添反応では大量の発熱があるので、この発熱を如何に制 例としてトルエンとメチルシクロヘキサンの化学反応式を 御するかが装置開発のポイントである。弊社では充填層反 示した。 応器と反応生成物のリサイクルにより除熱する方式を採用 している。図２はトルエンの水添反応における触媒層平均 温度と水添転化率の関係を示したものである。 工業的規模で実施されている芳香族の水添反応では 3MPa 程度の水素圧力であるが、本装置では 0.3MPaG と 上式左のトルエンは 200℃程度の反応温度、ニッケルや いう低圧において約 90% の転化率を達成している。 白金触媒により３分子の水素を添加されメチルシクロヘキ 水素供給装置は有機ハイドライドから脱水素により水 サンとなる。水添反応は発熱反応であり、その時の反応熱 素を発生させる装置である。脱水素反応では水添反応とは は上記に示したように 204.8kJ/mol である。逆にメチルシ 逆に大量の反応熱を必要としており、この熱の供給が装置 クロヘキサンを原料に反応温度を 300℃程度と高く維持す 開発のポイントである。弊社は熱伝導性の高いアルミニウ ると脱水素反応が進行する。脱水素反応は吸熱反応であり、 ム表面を陽極酸化し、これに白金を担持した反応器を北海 水添反応熱と同じ量の反応熱を消費する。一般に脱水素反 応には白金がその触媒として使用される。このように芳香 族化合物の水添と水素化芳香族の脱水素は可逆的に進行す るので、温度と圧力を適宜変えることにより水素の貯蔵と 供給が可能となる。 他の水素貯蔵材料に比べて有機ハイドライドが有する利 点は、水素貯蔵量が体積基準、重量基準ともに高いレベル にあることである。例えば上記メチルシクロヘキサンの水 素貯蔵量は重量で 6.16wt%、体積で 526NL/L である。こ れは燃料電池自動車の水素タンクに要求されている重量 100kg 以下かつ容積 100L 以下で 5kg（すなわち 55Nm3） の水素を搭載するという条件を満足するものである。さら ࿑㧞ࡦࠛ࡞࠻ޓ᳓ᷝᔕߦ߅ߌࠆ⸅ᇦ᷷ᐲߣ᳓ᷝォൻ₸ (KIޓ%CVCN[UVVGORGTCVWTGCPFEQPXGTUKQPHQTJ[FTQIGPC VKQPQHVQNWGPG Άᢱ㔚ᳰ䇭䌖䌏䌌䋮䋵䇭䌎䌏䋮䋴䇭䋲䋰䋰䋶 が、本試算では年間の電力需給均衡を基本に装置規模を算 出することが主目的なのでこのような想定とした。 風力電力直接使用率ならびに余剰電力使用率は、風況す なわち時刻毎風力出力パターンと時刻毎需要家使用パター ンとのバランスにより決まる。本試算では公開されてい る風力出力パターン 1）と需要家電力データ 2）を利用した。 風力出力パターンとして１月から 12 月まで、各月５日分 データ（合計 60 日分）を用いた。一方、需要家データと してはマンションの月別データ（平日、休日）を用いた。 この二つのデータの 1 時間おきの値（0 時から 23 時：全 1440 点）を逐一比較することで、電力需給のバランス計 算を実施した。 ࿑㧟⸅ޓᇦጀฦㇱߩ᷷ᐲಽᏓ (KIޓ6GORGTCVWTG&KUVTKDWVKQPKPC%CVCN[UV$GF なお、各装置のエネルギー効率を水電解装置：0.74、水 添装置：0.80、脱水素装置：0.70、燃料電池：0.85 とした。 道大学触媒化学研究センターと（株）アルミ表面技術研究 図４に水電解装置規模と風力発電装置規模の比率を 所と共同開発した。これによりこれまで弊社が開発してき 0.01Nm3/h/kW から 0.16Nm3/h/kW に変えた場合の総風 た反応器に比べて、反応器単位体積あたりの水素発生量が 力使用率、風力直接使用率、水電解装置稼働率を示した。 30 倍に向上した。図３には本反応器の触媒層各部の温度 水電解 / 風力装置規模比率が 0.01Nm3/h/kW（1,000kW を示した。 規模の風車に 10Nm3/h の水電解装置を連結した場合）で 脱水素反応の進行により触媒層の温度は低下している は、風力電力直接使用率は 30％であり、有機ハイドライ が、その温度差は約 30℃に収まっている。この時のメチ ドに貯蔵･供給されるそれは 15％である。したがって両者 ルシクロヘキサン脱水素転化率は約 85％、エネルギー効 の合計である総風力使用率は 45％に過ぎない。水電解装 率は 62% であった。エネルギー効率についてはさらに改 置を大きくしていくと、余剰電力のうち有機ハイドライ 良の余地があると考えている。このように高転化率におい ドに貯蔵されるものが多くなり、したがって賄える需要家 ても触媒温度の低下が小さいことが、陽極酸化アルミニウ 戸数が増加し、この二つの要因から総風力使用率が大きく ムを用いた反応器の特徴である。 なる。総風力使用率の増大は風力発電単価が小さくなるこ とを意味している。ところが、0.09 Nm3/h/kW で 100％ 近くなり直接使用率も 50％以上には増大しない。これに 㧡㧚ࠪࠬ࠹ࡓߩᦨㆡൻ 対して水電解装置稼働率は減少を続けるので、0.09 Nm3/ 先に示したように風力水素の貯蔵･供給システムには、 風力発電装置、水電解装置、水添装置、脱水素装置、水素 h/kW よりも大きな水電解装置はコスト高となる。このよ うに風力発電単価と水電解装置コストはトレードオフの関 利用装置と多くの構成要素がある。したがって、各装置規 模の最適化がシステムの効率とコストの観点から重要であ る。以下に風力発電にて一般家庭の必要電力のすべてを賄 うとしたときの簡単な試算を示す。 風力発電の電力はまず需要家にて直接使用される。風力 電力が余剰となる時間帯については、水電解装置・水添装 置により有機ハイドライドが製造される。また、無風時間 帯などの需要家使用電力が不足する場合は、脱水素装置・ 燃料電池にて電力を供給する。このとき、一年間を通じて の総量にて有機ハイドライドから供給される電力と不足す る電力が見合うように需要家戸数を決定する。 風力電力は水電解、水添装置のみならず脱水素装置にも 使用されると想定した。現実には、無風時のように脱水素 のための電力を風力より得ることができない時間帯もある ࿑㧠ޓ᳓㔚⸃ⵝ⟎ⷙᮨߣ㘑ജ㔚ജ↪₸ (KIޓ%CRCEKV[QH'NGEVTQN[\GTCPF7VKNK\CVKQPQH9KPF2QYGT Άᢱ㔚ᳰ䇭䌖䌏䌌䋮䋵䇭䌎䌏䋮䋴䇭䋲䋰䋰䋶 係になるので、どこかに総コストの最適点が存在する。最 利用率を 30% とすれば、年間 526 万 kWh の発電量とな 適な装置規模の組合せは風力発電パターンと需要家使用パ る。水電解により製造できる水素量は 50 万 Nm3/y である。 ターンのマッチング、各装置のエネルギー効率、各装置の この水素量は燃料電池自動車であれば約 700 台、水素エ 設備･運転管理コストにより決まるものと考えられる。 ンジン自動車であれば約 300 台の１年間の燃料に相当す ついで図５にトータルエネルギー効率を示した。この図 る。風力発電からの水素は CO2 発生量のきわめて少ない は風力発電電力などの投入総エネルギーを 100％として、 クリーンなエネルギーであり、これを自動車用燃料として これを水電解、水添、輸送、脱水素してコジェネ機器にて 利用できる意義は大きい。 利用した場合、最終的にどの程度のエネルギー利用が可能 であるかを表したものである。 㧢㧚߅ࠊࠅߦ 総投入エネルギーのうち 61.7% の電力を水電解装置に 供給する。水電解装置では 45.6% に相当する水素が生成し、 風力発電などの再生可能エネルギーは地球温暖化防止の 16.1% が装置ロスとなっている。この水素を貯蔵するため 観点からも、今後さらに積極的にその導入が図られていく に水添装置にて 11.3% のエネルギーを必要とする。この べきものである。また再生可能エネルギーの利用はエネル 水添のためのエネルギーは電力として風力発電から直接供 ギー自給率の向上にも寄与する。そのためには水素をエネ 給される。水素を貯蔵した有機ハイドライドを既存のタン ルギーキャリアとして活用するとともに、その水素の貯蔵・ クローリーで輸送するために 7.3% のエネルギーを必要と 供給システムが重要となる。弊社が開発している水素供給 する。輸送距離はタンクローリーによる石油製品の輸送に 装置では大幅な小型化が可能である。これにより車載型の 準じた。タンクローリー輸送に必要なエネルギーは軽油等 脱水素装置を実現でき「風力水素燃料電池自動車」も視野 になるがこれを熱量換算して投入エネルギーに組み込んで に入ってきた。今後さらに装置の効率向上とコスト低減を 計算している。輸送先で脱水素するために 19.7% のエネ 目標に開発を進めて行きたい。 ルギーを必要とする。脱水素は吸熱反応となることから、 水添に比べて必要エネルギーが大きくなっている。最終的 参考文献 に供給された水素から燃料電池などのコジェネ機器にて熱 １）「風力発電電力系統安定化等調査」、H13 年度 NEDO 電供給すると、電力で 20.6%、熱で 16.0% のエネルギー 調査報告書、（主として道内の 30 基風車の平均値） が得られる。熱と電力の総和である総合エネルギー効率は ２）「熱利用を核としたエネルギー技術地域導入モデル 最終的には 36.6% となる。 調査」 、平成 17 年３月、（財）北海道科学技術総合 ここで得られたトータルエネルギー効率から風力水素を 振興センター 自動車用に供給する場合を考える。2000kW 風車の設備 䇭 䇭 䇭 ࿑㧡ࠡ࡞ࡀࠛ࡞࠲࠻ޓല₸ (KI'ޓPGTI['H㧋EKGPE[QH5VQTCIGCPF5WRRN[5[UVGO Άᢱ㔚ᳰ䇭䌖䌏䌌䋮䋵䇭䌎䌏䋮䋴䇭䋲䋰䋰䋶
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