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東芝 (PDF : 2MB)
山口県 水素エネルギーシンポジウム 水素社会実現に向けた取組み 株式会社 東芝 次世代エネルギー事業開発プロジェクトチーム 大田 裕之 2015年02月09日 © 2015 Toshiba Corporation 国内の水素社会の動向 © 2015 Toshiba Corporation 2 水素の作り方 製鉄 石油精製・石油化学・ アンモニア製造 ナフサ・ 天然ガス CO2 石炭 高温水蒸気 熱 CO2 水素 Ｈ2 苛性ソーダ製造 CO2 食塩水 電気 他に原子力水素製造なども 再エネによる電気分解 水 再エネ © 2015 Toshiba Corporation 3 水素の安全性 ●昔の都市ガス「水性ガス」「合成ガス」の成分はCO、H2（2割）だった 化学式 水素 H2 メタン CH4 外観 無色・無臭 無色・無臭 ガス比重（空気＝１） 0.07 0.55 拡散係数（㎡/s）空気中 6.10E-05 1.60E-05 燃焼熱(kJ/mol) 284 889 爆発範囲（Vol%） 4-75 5-15 最小着火エネルギー（mJ） 0.02 0.28 • 他の可燃性ガスと同じ安全管理 • 水素は他のガスと比べて、空気中で速やか に上昇し薄まる ↓ 上部開放・換気建屋で更に安全が高まる （高圧ガス、圧力容器、消防法、建築基準等） • 引用:www.pref.niigata.lg.jp/shobo/1201626068671.html © 2015 Toshiba Corporation 4 市場環境（市場規模の想定） ●水素・燃料電池関連の機器・インフラ産業の市場規模（国内） 2030年 約1兆円 ⇒ 2050年 約8兆円 ※水素・燃料電池ロードマップ（水素・燃料電池協議会）より引用 出典 日本エネルギー経済研究所 © 2015 Toshiba Corporation 5 市場環境（経産省水素ロードマップ） ●国内の水素需要（経産省水素ロードマップ*に基づくイメージ） ＊「水素・燃料電池戦略協議会」が策定、 2014年6月23日に公表 水素需要量 (*):天然ガスから改質した水素を含む 発電事業用水素発電 ・発電事業用水素発電の本格導入 • エネファーム累積140万台 • 事業用定置型FCの本格導入 ・FCV250万円 事業用定置型FC(*) ・エネファーム累積530万台 ・FCバス FCフォーク投入 ・FCV累積200万台 ・FCV投入 家庭用燃料電池 エネファーム(*) FCV 2015 フェーズ1 2020 2025 2030 2035 五輪 フェーズ2 2040 フェーズ3 ● 現在∼ ：フェーズ１ エネファームや燃料電池自動車の利用拡大 ● 2020 年代後半：フェーズ２ 水素発電の本格導入／大規模水素供給システムの確立 ● 2040 年頃 ：フェーズ３ CO2 フリー水素供給システムの確立 © 2015 Toshiba Corporation 6 市場環境（水素価格の見通し） ●水素価格の推移（予測） 水素の特徴を活かした水素地産地消型事業 FCV本格普及期 250 水素価格(￥/Nm3) 液体水素価格 200 大規模水素製造/水素 発電拡大期 炭素社会から水素社会へシフト 水素ステーション 水素価格 （目標）150円/Nm3 150 水素価格の目安（m3あたり） ・ガソリン車燃費相当 ¥150 ・HV車燃費相当 ¥80 水素ステーション 水素価格※ 水素ステーション 水素価格 （目標）80円/Nm3 プロパン 65 90円/Nm3 100 都市ガス 40 50円/Nm3 50 太陽光（FIT）相当 NG火力+CCS相当 風力(FIT)相当 0 2010 2020 2030 2040 2050 ※JX日鉱日石エネルギー様，岩谷産業様 販売価格（Nm3に換算） 販売開始されたFCVと同車格のHV車に必要なガソリン代と同等の水準 • 2010年代 水素の利活用はFCV燃料か、水素購入が不要な水素地産地消型事 業に限定 • 2020年代 石油火力やFIT価格の再エネ電力に対し競争力を持つ CCS:二酸化炭素貯留/Carbon Dioxide Capture & Storage © 2015 Toshiba Corporation 7 東芝の水素事業と関連技術 © 2015 Toshiba Corporation 8 東芝の水素関連技術 水電解装置 水素製造 水素電力貯蔵装置 水素輸送・貯蔵 水電解 水素電力貯蔵 再生可能エネルギ 太陽光発電 水素供給設備 ＭＣＨ・液体水素 原子力エネルギ 副生水素 石油化学・鉄鋼 風力発電 水素供給施設 原子力水素製造 水素利活用 水素ガスタービン 水素発電 分散電源（熱電併給） 当社技術領域 EMS（ＢＥＭＳ／ＣＥＭＳ等） 業務用 燃料電池 モビリティ（当社は電池） オゾン、ヘルスケア 家庭用 燃料電池 © 2015 Toshiba Corporation 9 東芝が目指す水素社会 • エネルギーセキュリティの脆弱性を改善 • 水素電力貯蔵による平準化で再エネ導入を促進 • 災害に対して強靭なエネルギーライフラインを構築 • エネルギー効率を向上 水素ｻﾌﾟﾗｲﾁｪｰﾝ事業 CO2フリー水素がつくる、持続 的で安心安全快適な社会 水素地産地消事業 業務用FCV向け再エネ 水素ST 水素ガスタービン発電 再エネ水素製造 再エネ 大型燃料電池 原子力水素製造 ビル・工場向け 再エネ水素 によるエネルギーマネジメント 再エネ水素BCP 水素電力貯蔵 分散電源・コジェネ エネファーム 離島・遠隔地向け 再エネ水素エネルギー供給システム © 2015 Toshiba Corporation 10 水素サプライチェーンソリューション • 水素の「造るー運ぶ」機能を活用したエネルギーソリューション • 海外のウインドファーム、水力、余剰電力等を水素の形で日本に運ぶ地球規 模の電力網を構築 液体水素 又は 有機ハイドライド 海外 国内 H2 H2 H2 水電気分解装置 (SOEC) 再エネ アライアンスを活用してロジを構築 水素ガスタービン 発電所 SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell/固体酸化物型電解装置 有効電気エネルギー １００（電気） ⇒ ９０（水素） ⇒５０（電気） エネルギー問題を大きく改善する大規模ソリューション © 2015 Toshiba Corporation 11 風力発電による水素製造の適地 風力発電の適地（寒冷・内陸地を除く） 国名 電力余剰 日本への距 離(km) ロシア サハリン 米国 アラスカ ○ ○ 2,600 5,000 米国 グレートプレーンズ ○ 9,000 アイスランド ○ 9,000 オーストラリア/ニュージーランド ○ 9,300 英国/アイルランド カナダ ○ ○ 10,000 10,000 アルゼンチン パタゴニア ○ 17,000 Wiser, R., Z. Yang, M. Hand, O. Hohmeyer, D. Infield, P. H. Jensen, V. Nikolaev, M. O Malley, G. Sinden, A. Zervos, 2011: Wind Energy. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)], Cambridge University Press. Figure 7.XX © 2015 Toshiba Corporation 12 水素地産地消型ソリューション • • 水素の外部調達不要なエネルギーシステム 水素の「造るー貯める」機能を活用した大容量電力貯蔵が鍵 気象条件による 出力変動 ・出力変動の吸収 ・余剰電力の貯蔵 ・電力オンデマンド 水素電力貯蔵システム 太陽光発電 深夜電力 余剰電力 風力発電 H2 再生可能エネルギー © 2015 Toshiba Corporation 13 再エネと水素を用いた自立型エネルギー供給システム © 2015 Toshiba Corporation 14 システム概要 製品コンセプト 大規模災害時は、長期に渡る避難や帰宅困難者の対応が予想される。先の震災 ではライフラインが破壊され、非常用発電機も数日間で燃料不足により停止したこと から、長期に渡りライフラインを維持できるＢＣＰが期待されている。水素の「貯める」 機能を活かした災害に対して強靭な自立型エネルギーシステムを提供する。 システム動作概要 電気・温水の製造と水素の生成・貯蔵量を適正に配分し、施 設に供給することでピークカットやピークシフトを行う水素 ＥＭＳとして機能 災害時はＢＣＰモードとなり、備蓄水素で発電・温水供給し、 避難所等に避難中の人に対し１週間以上の電力、温水を供給 輸送可能なコンテナにパッケージ化し、大規模災害時には被 災地域に設備自体を輸送したり、あるいは複数システムを集 結させて大規模なＢＣＰシステムを構築可能 © 2015 Toshiba Corporation 15 システム仕様 基本システム構成 太陽光発電量 ２５ｋＷ ３０ｋＷ 水素貯蔵量 ２７５Ｎｍ ２７０Nｍ３ （最小構成15kW） 温水供給量 75Ｌ/ｈ 水素電力貯蔵量 ３５０ｋＷｈ （天候によっては最大２割程度増加します） 発電出力 ３０ｋＷ （燃料電池・蓄電池出力の合計） 基本構成機器配置 © 2015 Toshiba Corporation 16 システムの特徴 水素の「貯める」機能を活かして、変動する再生可能エネルギーを水素に変換・貯蔵することで 再生可能エネルギーの導入促進に寄与します。また、CO2排出ゼロの水素燃料電池で発電す ることで火力発電所への依存度を低減し、地球温暖化防止に貢献します。 平常時は、施設の電気、温水、水素の使用量と貯蔵量を適正に配分し、施設需要に合わせて 平準化した電力を供給することで、ピークシフト等を行い、電気料金の削減に寄与します。 災害時は、BCP＊モードとなり、水素燃料電池が備蓄水素を用いて電力と温水を長期に渡り、 自立的に供給します。（基本システム構成においては、300人に対し7日間電力及び温水供給が可能） コンテナサイズにパッケージされており、大規模災害時には被災地域に設備自体を輸送出来ま す。また複数システムを集結させて大規模なBCP＊システムを構築できます。 ＜ 輸送イメージ ＞ ＊BCP ： Business Continuity Plan 災害時においても事業が継続出来る様、計画された設備を備えること © 2015 Toshiba Corporation 17 設置イメージ © 2015 Toshiba Corporation 18 ＰＶパネル設置イメージ © 2015 Toshiba Corporation 19 再エネと水素を用いた自立型エネルギー供給システムの広域展開 ●優しさ(人・環境)と強靭さ(災害)を持つコミュニティ造りをサポート ●再エネと水素の地産地消、CO2ゼロのクリーンコミュニティ形成を推進 災害対応 通常時：再エネ・水素の地産地消による省エネ・CO2削減 災害時：自立型システムとして電気と温水を長期提供 通常時： コミュニティにおける再エネの平準化や地域の電力需要に合ったピークカット・ピークシフトを行い、再エネと水素 の地産地消を促進する。温水はシャワー、暖房用途等に供給する。 災害時： 自立型エネルギー供給システムとして、避難場所等で電力と温水を供給。輸送が容易なコンテナサイズである ため、他の被災地で複数台を組合わせ大容量電源を構築。災害対応センタや水道等の重要インフラに給 電。 © 2015 Toshiba Corporation 20 水素地産地消型ソリューションを構成する当社技術 ●家庭用燃料電池 「エネファーム」 • • • 都市ガス・LPガスを燃料とした家庭用コージェネレーションシステム ⁃電気を使うところで発電（送電ロスなし） 世界最高の総合効率 95% ⁃発電時に発生した熱で給湯 業界最長の電池寿命８万時間 シェアNo.1 累計５万台 燃料電池：都市ガス・LPG から水素を作り発電する エネルギー５６ エネルギー１００ 水素 と 空気中の酸素 の化学反応で発電 貯湯槽：排熱で沸かした お湯を貯める エネルギー３９ © 2015 Toshiba Corporation 21 純水素燃料電池システム ●都市ガス、LPガス燃料のエネファームの実績を踏まえ、純水素燃料 電池を開発（家庭用、業務用）(*) 家庭用 純水素燃料電池システムとエネファームとの比較 純水素燃料電池 エネファーム 燃料 純水素 都市ガス・ＬＰガス 発電出力 ７００Ｗ ７００Ｗ 発電効率 ５０％ＬＨＶ以上 ３９％ＬＨＶ 総合効率 ９５％ ９５％ ＦＣユニットサイズ W310xD441xH1162 W780xD300xH1000 起動時間 ５分以内 ６０分以内 外観 © 2015 Toshiba Corporation 22 純水素燃料電池・水素タウン実証試験の例 ●福岡県・福岡水素エネルギー戦略会議 北九州水素タウン実証 （経産省「水素利用社会システム構築実証事業」の一環）（2009∼） • 水素パイプラインによる水素供給技術の実証 • 純水素型定置用燃料電池の面的運転実証 • 純水素を燃料とする各種アプリケーションの実証 実証集合住宅6戸 東田ｴｺﾊｳｽ 東田ｴｺｸﾗﾌﾞﾊｳｽ ナフコ（ﾎｰﾑｾﾝﾀｰ） 純水素定置用燃料電池 • 1kW級 12台* • 3kW級 1台 • 100kW級 1台 （*：効率50％） © 2015 Toshiba Corporation 23 山口県における純水素型燃料電池開発・実証 平成26年度 やまぐち産業戦略研究開発等補助金を受託(*) 「世界初 純水素型燃料電池コジェネレーションシステムの開発及び水素需要の拡大」 ・ 水素社会に相応しい新型純水素燃料電池の開発と県内水素STでの実証 (*)：山口リキッドハイドロジェン殿、長府工産 ・ 県内の産業振興への貢献 殿、岩谷産業殿と共同受託 開発目標仕様（家庭用） 仕様 目標発電効率55％ ﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟﾎﾞｲﾗｰまで含めて水素対応 家庭用、業務用高出力タイプ開発 2014年度 2015年度 家庭用開発・改良 2016年度 2017年度 検証・評価 業務用開発・改良 © 2015 Toshiba Corporation 24 離島・遠隔地向け 水素地産地消電力システム ●電力系統や交通網から隔離された離島、遠隔地、資源開発向けの、 水素で再エネ備蓄機能を強化した１００％自給自足電力システム ⁃再エネと蓄電池のシステムでは電池コストが高く、１００％自給はハードル高い ⇒水素電力貯蔵を用いて長期の無風/日照不足でも再エネのみで100%自活 業務用水素燃料電池 EMS 温熱・冷熱 H2 H2 再エネ発電 水電解装置 水素貯蔵タンク H2 家庭用 純水素燃料電池 EMS:エネルギーマネジメントシステム 有効エネルギー １００（電気） ⇒ ８０（水素） ⇒７５（電気45、給湯30） 離島や遠隔資源開発地などに従来よりも安価な電力を安定提供 © 2015 Toshiba Corporation 25 事業所向け再エネ由来水素活用設備 ●再エネと余剰・深夜電力によるオンサイト型水素ステーション 低エミッション交通・物流システムの実現 水素物流コストを廃して安価な水素を提供 災害時も自立型STとして重要ロジ施設にBCPを提供 • • • 東京都：東京戦略会議に基づく水素関連支援策として今年度予算化 物流施設 温熱・冷熱 業務用水素燃料電池 PV 風力 H2 H2 電気分解装置 水素貯蔵タンク グリッド 余剰・深夜電力 FCフォーク リフト H2 FCバス 水素ステーション FCトーイング トラクター 運行計画 EMS 運行LOG © 2015 Toshiba Corporation 26 水素によるビルエネマネシステム(BEMS) ●水素を活用したクリーン＆レジリエント ビルディング • 使うのは再エネ、出るのは水だけのクリーンビル • 災害時、貯蔵水素による強力なＢＣＰ機能（週・月レベルのライフライン維持可能） • ミッション クリティカル施設（市役所、警察、消防、銀行、データセンタ）に適切 水素製造施設 BEMS 液体水素貯蔵タンク H2 冷熱 液体水素 H2 ビル 壁面PV H2 業務用水素燃料電池 H2 電気分解装置 温熱・冷熱 水 水素貯蔵タンク グリッド 水 雨 H2 オフィスへ オゾン 排水処理 O2 水素ステーション 貯水槽 © 2015 Toshiba Corporation 27 大容量水素電力貯蔵システム ●揚水代替の電力貯蔵専用システム • • • SOEC/SOFC*による電力/水素相互変換で効率80％ 電力貯蔵量は水素ガスタンクの数で容易に増大可能 バッテリーと比較して安価（揚水発電所と同等） * SOEC/SOFC: Solid Oxide Electrolysis Cell / Solid Oxide Fuel Cell 日・週単位での長期 電力貯蔵が可能 5MWe級 水素電力貯蔵装置 • 蓄電容量：5MWx 8ｈ(40MWh) • 出力：１万世帯✕８ｈの電力供給 ⇒余剰電力対応、再エネ導入促進 METI/NEDO：再生可能エネルギー貯蔵・輸送等技術開発（平成25年度∼） 電力貯蔵方式の適用 © 2015 Toshiba Corporation 28 山口県の水素サプライチェーンの検討 © 2015 Toshiba Corporation 29 山口県の副生水素 • 山口県は水素製造日本一(*) 主に副生水素 供給可能量 約9億Nm3/y • 副生水素とは製品の製造プロセスの過程で発生する水素 国内356億Nm3/y • 工場内の化学原料や発電に消費されるが約2割は未利用 (*) :www.pref.yamaguchi.lg.jp/gyosei/koho/fureyama/backnumber/200501/html/02_kensei01.htm アンモニア その他 2% 17% ソーダ 35% 石油化学 15% 石油精製 31% 未利用分 山口県産副生水素約9億m3/y の種別割合(**) (**)： 水素フロンティア山口推進構想調査報告書 2004年5月 国内の副生水素生成量(***) (***)： CO2フリー水素チェーン実現に向けたアクションプラン研究 成果報告 書（エネルギー総合工学研究所、平成26年3月） © 2015 Toshiba Corporation 30 山口県の副生水素生成場所 宇部： 石油精製、石油 化学、アンモニア 岩国 周南： ソーダ、石油精製、 石油化学 ■ソーダ工場 ●石油精製工場 ▲石油化学工場 ◆アンモニア工場 ★その他化学工場 都市部で生成される副生水素 約9億Nm3/y 出所： 水素フロンティア山口推進構想調査報告書 2004年5月 (*)： 水素フロンティア山口推進構想調査報告書 2004年5月 © 2015 Toshiba Corporation 31 山口県の未利用再エネと水素製造 • 山口県の再生可能エネルギーポテンシャル 約630万ｋW(*) 中小水力 1% 風力 風力 46% 太陽光 地熱 0% 太陽光 53% 山口県の再生可能エネルギーポテン シャル約630万kWの種別割合(*) (*)：環境省 再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査報告書 平成22年度 電力網への接続が難しくなってきた再生可能エネルギーを水素で利用 ⇒ 再エネ水素製造ポテンシャル 約120億Nm3/y © 2015 Toshiba Corporation 32 水素サプライチェーンの構築 ●供給側 • 山口県の副生水素供給ポテンシャルの5割 約4.5億Nm3/y 合計16.5億Nm3/y 再エネ水素ポテンシャルの１割 約12億Nm3/y 換算値 ●需要側 電力：2700百万kWh (県内需要の約2割） 県内 灯油：45万ｋＬ (県内消費の約1.6倍） • 燃料電池で電気と熱を生産（工場、ビル、家庭） FCV：5.3万台/日（県内車両約100万台) • 都市ガス、LPG、灯油等の熱エネルギーの置き換え 工場でのコジェネ発電 • 燃料電池車への供給 電気 • 島や山間部の自立型エネルギーシステム 熱 燃料電池 工場等 家庭用水素エネファーム、熱 利用 煮炊き、暖房 H2 家庭用燃 料電池 著作者:free vector 副生水素生成 県外 • 他県への副生水素輸出（例 JAXA 500万Nm3/y(*)） (*)： 水素フロンティア山口推進構想調査報告書 2004年5月 水素タンク 水素ステーション H2 水素 © 2015 Toshiba Corporation ＦＣＶ ステーション 33 山口県の水素サプライチェーンのまとめ ●山口県は安価で豊富な副生水素の県外輸出と再エネ水素も含めた地 産地消型水素サプライチェーンが有望 ●中核都市 広島、福岡に隣接するメリットを活かす • 県内含め燃料電池や水素ステーション向け、LPG代替熱源として副生 水素を配送するサプライチェーン構築が可能 • 離島、山間部は再エネ水素で自立型エネルギーシステムを構築し災害 対応強化 © 2015 Toshiba Corporation 34 東芝が目指す水素社会とは CO2フリー水素がつくる、 持続的で安心安全快適な社会 東芝は水素を活用したソリューションにより、お客様の事業発展に貢献いたします。 © 2015 Toshiba Corporation 35