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産業用燃料電池の動向 - 山形県ホームページ
山形県 水素エネルギーの利活用に係る勉強会 産業用燃料電池の動向 2015年 2015年11月 11月18日 18日 富士電機株式会社 発電・社会インフラ事業本部 新エネプラント事業部 新エネルギー技術部 吉岡 浩 0 富士電機が 富士電機が活躍するフィールド 活躍するフィールド 自動車で エネルギーマネジメントで 地域エネルギー管理システム 発電所で 蒸気タービン EV用システム 工場で 産業用インバータ 鉄道で 主変換装置 店舗で 冷凍・冷蔵 ショ-ケース g オフィスビルで IDC 1 燃料電池の 燃料電池の原理 発電の過程で熱エネルギーや機械エネルギーなどに変換されないため エネルギーのロスが少なく効率の高い発電装置。 燃料電池は、水の電気分解の逆反応 を 利用した発電システム。 原燃料ガス(都市ガス,消化ガス等)中 の炭化水素(CH4等)から、触媒反応に より水素(H2)を発生させ、改質ガスとし て燃料電池の燃料極に、空気を空気極 に供給し、改質ガス中の水素(H2)と空 気中の酸素(O2)とを電気化学的に反応 させて、外部に電力を取り出す発電装置。 内部に反応物質を保持している一次 電池や二次電池とは異なる。 燃料極: H2 →2H →2H++2e空気極: 2H+ +1/2O 1/2O2+ 2e-→H2O 2 燃料電池の 燃料電池の開発状況 りん酸形 本格普及 普及促進 実用化開発 溶融 炭酸塩形 (MCFC) ・耐久性・・・4~ 万時間確認済 ・耐久性・・・ ~5万時間確認済 (現状4~ 万時間設計) (現状 ~6万時間設計) ・信頼性・・・稼働率97%以上 以上 ・信頼性・・・稼働率 ・全国規模のメンテナンス体制 ・各種法整備済み 固体高分子形 要素技術開発 技術開発フェーズ 固体 りん酸形 高分子形 (PAFC) (PEFC) 富士電機 100kW Doosan Fuel cell America (旧UTC (旧UTC(米国)) UTC(米国)) 400kW パナソニック 東芝 0.7kWほか 0.7kWほか 固体酸化物形 (SOFC) 溶融炭酸塩形 家庭用 1 小型業務用 自動車用 10 FCE 300kW、 300kW 、1.2MW、 1.2MW、 2.4MW 業務用、産業用 100 1,000 000 発電規模(KW) 1万 経済産業省資料に追記 3 世界の 世界の業務用燃料電池メーカー 業務用燃料電池メーカー Bloom Energy 業務用燃料電池メーカーは 業務用燃料電池メーカーは世界 メーカーは世界で 世界で4社のみ 日本 富士電機 日本 固体酸化物形 SOFC200kW 米国 りん酸形 りん酸形 PAFC 100kW Doosan Fuel cell America 米国 韓国 Fuel Cell Energy POSCO POWER りん酸形 りん 酸形 PAFC 400kW 提携 溶融炭酸塩形 MCFC (製造・販売) 溶融炭酸塩形 MCFC300kW (旧Clear Edge Power) Power) (旧UTC) UTC) 4 富士電機の の燃料電池開発経緯 富士電機 70年代~ 70年代~1989 年代~1989 1990~ 1990~1997 1998~ 1998~2007 基礎・システム開発 技術実証 (フィールドテスト) 商品機 りん酸形 PAFC 40,000時間 2008 2009~ 2009~ New Model (FPFP-100i) 普及機 耐久性 2015 60,000時間 60,000時間 アルカリ形 (AFC) 50kW 溶融炭酸塩形 (MCFC) 固体酸化物形 (SOFC) FP-100i 500kW 5000kW 90台強 90台強の 台強の ◆出力規模:業務用途~産業用途を含めた潜在的な マーケット規模が大きい100kW機に注力 フィールドテスト実 フィールドテスト実 施 ◆信 頼 性:業界標準の4万時間の運転をクリアして 6万時間機種(オーバーホール1回/15年)を投入 固体高分子形(PEFC) 固体高分子形( ) 基礎・システム開発 技術実証(フィールドテスト) SOFC システム開発 5 代表機種 代表 機種の 機種の主な仕様 燃料 都市ガス 消化ガス 純水素 定格出力 AC 105kW 出力電圧/ 周波数 210V/50Hz または 60Hz 発電効率 42% [LHV] 40% [LHV] 48% [LHV] 熱出力 123kW 116kW 104kW 総合効率 91% [LHV] 85% [LHV] 95% [LHV] NOx:5ppm 以下 SOx, ダスト:検出限界以下 排気ガス 外形寸法 NOx, SOx, dust : なし 2.2m (W) x 5.5m(L) x 3.4m(H) 質量 14 tons 13.5 tons 6 燃料電池の 燃料電池の納入・ 納入・稼動状況(2015 2015年4月6日 現在) 現在) 累積運転時間10 10万時間の実績! 累積運転時間10万時間の実績! 新型機の納入実績(No.26 新型機の納入実績( No.26以降) No.26以降) 納入先 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 燃 料 病院 ホテル 大学 オフィスビル オフィスビル オフィスビル オフィスビル 実証 研修施設 都市ガス(13A) 下水処理場 消化ガス 都市ガス (13A) 消化ガス 病院 大学 展示施設 オフィスビル 病院 展示施設 病院 病院 都市ガス (13A) 下水処理場 消化ガス 庁舎 オフィスビル 都市ガス(13A) 都市ガス(13A) 納入時期 1998年08月 1999年03月 2000年04月 2001年03月 2001年03月 2000年07月 2000年07月 2001年07月 2001年12月 2002年03月 2002年03月 2003年07月 2003年10月 2003年11月 2004年01月 2004年03月 2006年03月 2006年03月 2006年03月 2006年12月 2006年12月 2006年12月 2006年12月 2007年09月 2009年01月 累積運転 時間 (h) 44,265 91,568 41,735 42,666 48,734 106,934 48,269 10,952 108,881 111,207 110,844 101,740 91,583 87,572 85,272 52,777 77,932 67,431 67,517 71,083 68,944 71,119 70,668 63,061 31,560 納入先 ● ● ● ● ● ◎ ○ ● ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ● ● ● ◆ ● ◆ ◎ ◎ ◎ ◎ ◆ ● 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 オフィスビル(ドイツ) 下水処理場(実証) 展示施設 大学 工場 工場 大学 下水処理場(実証) 商業ビル(実証アメリカ) 商業ビル(ドイツ) 工場 下水処理場 病院 IDC(ドイツ) 倉庫(ドイツ) 研究施設(ドイツ) 工場 研修所 商業ビル(韓国) 病院 自治体施設 燃 料 納入時期 天然ガス 2010年05月 消化ガス 2010年12月 水素 2010年12月 都市ガス(13A) 2011年08月 都市ガス(13A) 2011年12月 都市ガス(13A) 2012年02月 都市ガス(13A) 2012年02月 消化ガス 2012年02月 天然ガス 2012年02月 天然ガス 2012年05月 2013年02月 2013年02月 天然ガス 2013年02月 2013年02月 2013年03月 消化ガス 2013年03月 都市ガス(13A) 2013年03月 天然ガス 2013年07月 天然ガス 2013年09月 天然ガス 都市ガス 2013年12月 都市ガス 2014年03月 天然ガス 2014年03月 天然ガス 2014年06月 天然ガス 2014年10月 累積運転 時間 (h) 41,380 6,430 31,882 30,402 20,175 27,792 26,861 18,403 25,678 22,460 14,636 14,544 14,706 14,679 18,117 17,872 17,522 9,749 11,682 11,545 9,383 6,888 4,127 納入先 ◆ ● ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 燃 料 消化ガス 消化ガス 消化ガス 庁舎(南ア) 天然ガス 消化ガス 下水処理場 消化ガス 消化ガス 商業ビル(韓国) 天然ガス 消化ガス 下水処理場 消化ガス 消化ガス 下水処理場 消化ガス 大学 天然ガス 下水処理場 納入時期 2014年12月 2014年12月 2014年12月 2014年12月 2015年01月 2015年01月 2015年01月 2015年02月 2015年02月 2015年02月 2015年03月 2015年03月 2015年03月 累積運転 時間 (h) 2,935 2,983 3,037 2,655 1,950 1,961 1,696 1,175 1,169 946 906 521 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ● 運転終了/4万時間の設計寿命達成 ◎ オーバーホール実施 運転継続中 ○ 4万時間の設計寿命達成 ◆ オーバーホール6万時間設計 7 商品機納入実績 世界で63台の納入実績 世界で 台の納入実績 (51台運転中) 台運転中) 都市ガス燃料 (仙台市) 下水消化ガス燃料 (山形市) 天然ガス燃料 (Seoul, 韓国) 天然ガス燃料 (Suwon, 韓国) 下水消化ガス燃料 (栃木県) 天然ガス燃料 (南アルプス市) 都市ガス/LPG (市原市) 都市ガス/ 天然ガス 下水消化ガス /バイオガス 純水素 純水素供給 (北九州市) 都市ガス燃料 (東京都 港区) 8 商品機納入実績 世界で63台の納入実績( 台の納入実績(51台運転中) 台の納入実績( 台運転中) 世界で 天然ガス燃料 (Hamburg, ドイツ) 火災予防用コージェネ (Wismar, ドイツ) 火災予防用コージェネ 天然ガス燃料 (Frankfurt, ドイツ) (New York, 米国) (2015予定) 天然ガス燃料 (Johannesburg, 南ア) 天然ガス燃料 (Albuquerque, 米国) 都市ガス/ 天然ガス 下水消化ガス /バイオガス 純水素 9 過去5 過去5年間の 年間の出荷台数 出荷台数は 出荷台数は年々増加 国内向け 国内向け消化ガス 消化ガス機 ガス機の納入数が 納入数が増加 10 燃料電池(FP 燃料電池 (FP-100i)の特徴 (FP100i)の特徴 NOx 発電効率 都市ガス: ガス:42% 都市 ガス: 消化ガス: 消化ガス:40% ガス: 純水素: 純水素: 48% SOx 未利用ガスの 未利用ガスの活用 ガスの活用 ・消化ガス 消化ガス用途 ガス用途 ・バイオガス用途 ・バイオガス用途 ・純水素用途 ・副生水素用途 騒音 11 燃料電池発電装置の 燃料電池発電装置 の構成 設置面積:47m2(メンテスペース込み) メンテスペース込み) 設置面積: 設置面積:90m2(メンテスペース込み) メンテスペース込み) 設置面積: 燃料電池 パッケージ 《一体化》 一体化》 燃料電池パッケージ 排熱処理設備 電気盤 一体化 FP-100F FP-100i 窒素供給設備 中和器 水処理装置 ◎設置面積削減(48%削減) 削減) 設置面積削減( ◎工事簡素化 ◎低温対応 -20℃ ℃~40℃ ℃ (積雪・寒冷地への屋外設置) ◎防水性向上 保護等級IP54W 保護等級IP W 12 燃料電池発電装置の 燃料電池発電装置の構造 排熱処理装置 Waste-heat treatment equipment 3.4m 補給水 Make-up water 冷却水(出口) Cooling water(Outlet) 2.2m 冷却水(入口) Cooling water(Inlet) 排水 Waste water ユーティリティー側 Utility side 5.5m 排気 Exhaust インバータ/制御装置 Inverter/Controller 水処理装置 Water treatment equipment 補機室 Sub-component area 主機室 Main component area 窒素ボンベ Nitrogen cylinder 隔壁 Partition 熱交換器/ポンプ Heat exchanger/Pump 燃料 Fuel line 改質器 Reformer 脱硫器/CO変成器 Desulfurizer/Shift converter セルスタック Fuel-cell stack 13 燃料電池(F 燃料電池 (FP-100i)の (FP 100i)の電源系統構成 3 3W 6,600V 逆潮流有りの場合は不要 PAS OCGR ZCT ※構内事故検出用 OVGR ※系統との連 系に必要な 保護リレー CB1 OCR-H CT ※構内事故検出用 構内負荷へ CB2 変圧器 6600V/210V OR 注)ELCB-M1の短絡電流35kAを 考慮して接続願います。 外部待機 往指令 (解列指令) 実質の送電端出力 100kW燃料電池発電装置 ELCB-M2 ELCB-M1 105kW 120 発電効率 45% 50 100 42% 40 30 80 60 出力 20 40 30kW 10 20 0 VT Electrical output(PAFC output terminal), kW Thermal efficiency, %LHV 60 排熱処理 ユニット補機 52S 内部補機 52FC VT UPS W 制御装置 発電端 出力 52FC操作 変圧器 210V /160V 装置保護機能 OVR, UVR OFR, UFR CH/INV 20 40 60 Load, % 80 100 52S操作 CT 0 0 制御電源 変圧器210V/100V 120 受動的方式 検出 能動的方式 検出 能動的方式 外乱発生 出力調整装置 回路 連系保護機能 単独運転保護機能 14 燃料電池の 燃料電池 の用途拡大 《原燃料の供給元》 原燃料の供給元》 《原燃料の種類》 原燃料の種類》 天然ガス田 石油 製鉄所 副生ガス 都市ガス 電気 LPガス 熱 メタンガス ⇒下水消化ガス バイオガス 気気気気 有機性廃棄物 食品残渣等 《燃料電池システム》 燃料電池システム》 空空空空 下水汚泥 燃料切替機能 (災害対応) 水 水素精製 オフガス 素 燃料電池本体 改質器 ⇒コークス炉ガス 苛性ソーダ工場 副生水素 製油所 副生水素 低酸素供給 機能 純水素 燃料電池パッケージ 水素供給機能 副生水素 水素 低酸素 空気 15 1.都市ガス 都市ガス用途 ガス用途 ・高効率でクリーンなコージェネで 高効率でクリーンなコージェネで省 でクリーンなコージェネで省エネ、 エネ、 CO2削減 市場 (1)納入実績(クリーンなコージェネレーション) 病院、ホテル、オフィスビル、研修施設、大学、展示施設 (2)市場 ・グリーン庁舎化 ⇒ 庁舎への率先導入 (2007年:霞ヶ関合同庁舎で燃料電池を初めて導入) 2007年:霞ヶ関合同庁舎で燃料電池を初めて導入) ・排出量削減強化 ⇒ 大規模マンション、事務所、店舗 ・都市ガス転換 ⇒ 中小企業(東京都 中小企業 東京都 中小規模事業所 省エネ促進・クレジット創出プロジェクト) 産業用燃料電池対象外 導入効果 ・ CO2削減:MAX 削減:MAX407t MAX407t407t-CO2/年 (東京ドームの27倍の森林による吸収量) ・ 省エネルギー率:MAX 省エネルギー率:MAX40% MAX40% ・ クリーン発電の導入 16 都市ガス ガス事例 都市 ガス 事例 宏潤会大同病院殿 システムフロー Heat exchanger Hot water tank 屋上設置 PAFC 100kW Hot water tank City gas Hot water tank Hot water supply system boiler Header Gas engine 280kW Air conditioning Gas engine 280kW Chiller 導入目的 環境への配慮・・・・都市ガスCGS導入 環境への配慮 ↓ クリーン、低騒音、低振動の燃料電池を導入 クリーン、低騒音、低振動の燃料電池 運用方法 建物等の概要 建 物 規 模 地上9階,塔屋1階 延 床 面 積 33,520 m2 病 404床 (診療科35科) 床 数 100kW燃料電池1台は高効率 高効率のためベースロード用として 高効率 24時間連続運転 24時間連続 280kWミラーサイクルガスエンジン×2台はピークカット用とし て平日の昼間のみ運転 23%達成(H22年実績:燃料電池のみ) 省エネルギー率 23%達成 CO2排出量 従来比34%削減達成(H22年実績:ガスエンジ 従来比34%削減達成 ン利用分を含む) 17 2.災害対応施設への 災害対応施設への燃料電池 への燃料電池の 燃料電池の適用 ・常時はクリーンなコージェネで省エネ、 CO2削減 ・災害などで停電した場合には、備蓄LP ・災害などで停電した場合には、備蓄LPガスに切替え重要負荷に電源供給 LPガスに切替え重要負荷に電源供給 状態 出力 燃料 運転 常用時 高効率で省エネ ・42%の発電端効率 ・クリーン発電 100kW 都市ガス 系統連系 停電時 停電時に一度待機になり(停 電)、その後特定負荷へ給電 可能 100kVA 100kVA 都市ガス 自立運転 70kVA 70kVA LPガス(50kg LPガス(50kgボンベで3 50kgボンベで3h ボンベで3h) 自立運転 商用電力系統 商用電力系統 商用電力系統 一般負荷 停電+都市ガス断 停電かつ都市ガス断時でも待 機状態を経て、給電可能 × × 一般負荷 特定負荷 一般負荷 特定負荷 特定負荷 都市ガス 都市ガス × 都市ガス 排熱利用 排熱利用 LP ガス 貯蔵燃料 排熱利用 18 18 医療法人芙蓉会五井病院様 災害対応燃料電池 ・系統停電時に 系統停電時に重要負荷に 重要負荷に電源供給可能な 電源供給可能な電源セキュリティシステム 電源セキュリティシステム ・都市ガス 都市ガス供給断時 ガス供給断時でも 供給断時でも、 でも、プロパンガスに切 プロパンガスに切り替えて発電継続 えて発電継続が 発電継続が可能 ・2014年 2014年6月より運転開始 より運転開始 ・電力供給の 電力供給の他、温水(60 温水(60℃ (60℃)は昼間は 昼間は新棟、 新棟、夜間は 夜間は既存棟に 既存棟に供給 19 3. 下水消化ガス 下水消化ガス用途 ガス用途 下水汚泥の減容化の副産物を有効利用し CO2削減 CO2削減 ・未利用ガスの 未利用ガスの活用 ガスの活用で 活用で大幅な 大幅な CO 削減 2 ・環境貢献で 環境貢献で信頼と 信頼と尊敬を 尊敬を獲得 市場(2007年度 下水道統計) ・嫌気性消化採用処理場 ⇒100kW発電可能な消化ガス発生量(目安) 50万m 50万m3以上/年( 以上/年(国内で125処理場) ※ドイツでの嫌気性消化処理場は約1,300箇所 100kW導入可能台数 : 約872台(消化ガス発生量換算) 導入効果 ・ CO2削減:MAX 削減:MAX 805t805t-CO2/年 (東京ドームの54倍の森林による吸収量) ・ ボイラー利用に比べ1.5倍のCO2 ボイラー利用に比べ1.5倍のCO2削減 CO2削減 ・ 高効率発電でグリーン電力証書販売に効果大 ・ クリーン発電で近隣住民への環境配慮 20 下水消化ガス 下水消化ガス事例 ガス事例 山形市浄化センター 山形市浄化センター殿 センター殿 燃料電池棟 導入目的 余剰消化ガスの有効利用 CO2削減 ◆ 2002年2月より100kW×2台で 運用開始 消化ガス タンク 汚泥消化槽 ◆ 2013年3月より新規100kW×2台 (計4台)で運用開始 山形市浄化センターの概要 流入下水量( 流入下水量 ( 計画) 計画 ) 52, 52,000m 000m3/日 処 56, 56,000人 理 人 口 消化ガス発生量 約139万m 約139万m3/年 全 約500万kWh/ 約500万kWh/年 kWh/年 電 力 量 最終沈殿池 曝気槽 最初沈殿池 21 4.北九州水素タウン 実証FP FP-100i(純水素利用 FP100i(純水素利用) 北九州水素タウン実証 タウン実証 純水素利用) 特長:製鉄所の副生ガスを精製した純水素をパイプラインで市街地 に布設し、燃料電池で高効率発電。 ・純水素を 純水素を燃料とした 燃料とした高効率発電 とした高効率発電。( 高効率発電。(発電効率 。(発電効率: 発電効率:48%) 48%) ・博物館に 博物館に電力を 電力を供給。 供給。排熱は 排熱は冷暖房に 冷暖房に利用。 利用。 ・2010年 2010年12月 12月に設置。 設置。1月より運転実証開始 より運転実証開始。 運転実証開始。 本装置は、水素供給・利用技術研 究組合(HySUT)が経済産業省の補 助事業である「水素利用社会シス テム構築実証事業」の一環として 設置したものです。 22 5.低酸素空気利用 特長:燃料電池の新たな可能性。電気と熱だけでなく、燃料電池の 排ガス(低酸素空気)を火災予防用に活用。 ・データセンターや倉庫内 ・データセンターや倉庫内を 倉庫内を低酸素化し 低酸素化し、火災の 火災の発生を 発生を防止 ・従来の 従来の窒素生成装置の 窒素生成装置の設置が 設置が不要 電気と 電気と熱を利用して 利用して一石四鳥 して一石四鳥 ・2010年 2010年ドイツに初号機 ドイツに初号機を 初号機を納入。 納入。世界初の 世界初の実証運転に 実証運転に成功。 成功。 Wismar Germany 開発担当 システム全体:ドイツメーカー 100kW燃料電池:富士電機 23 燃料電池導入に 燃料電池導入に使える補助金 える補助金 2015年度の例 2014年度 10 11 12 1 2 3 456 2015年度 7 8 9 10 11 12 1 2 3 456 2016年度 7 8 9 10 11 12 1 2 3 導入検討 予算化 申請資料 △申請 △交付決定 ▽現地搬入 機器製作 ☆運開 現地工事・試験 電力会社 事前協議 連系協議・契約 ガス会社 事前協議 負担金・契約 消防署 設置届け その他 保安規定・主任技術者選任 事業者 補助制度名称 対象 所轄省庁 補助率 自治体 分散型電源導入促進事業費補助金(うちガスコー ジェネレーション推進事業) 家庭用需要を除く全業種(公益法人含む) 都市ガス振興センター 1/2 民間 分散型電源導入促進事業費補助金(うちガスコー ジェネレーション推進事業) 家庭用需要を除く全業種 都市ガス振興センター 1/3 24 ご清聴ありがとうございました 清聴ありがとうございました。 ありがとうございました。 りん酸形燃料電池 りん酸形燃料電池 システムフロー概略図 システムフロー概略図 《変性反応;ガス組成仕上げ》 交流電力 CO+H2O→CO2+H2 熱利用 《改質反応; 水素リッチガスを生成》 CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 インバータ 空気 直流電力 ガス付臭剤 ガス付臭剤を 付臭剤を除去 改質ガス 原燃料 改 質 器 脱 硫 器 都市ガス 消化ガス 300℃ 700℃ CO 変 成 器 450℃ バーナ 900℃ 空気 熱交換器 燃 料 極 空 気 極 170℃ 《電池反応》 2H2 + O2 → 2H2O 燃料電池 セルスタック 排気 45℃ 水回収 気水 分離器 700℃ 900℃ 概略の最高温度 0.6MPa 概略の最高圧力 140℃ 26 りん酸形燃料電池 りん酸形燃料電池スタックの 酸形燃料電池スタックの構造 スタックの構造 電池スタック構造 燃料 マニホールド 締付板 空気 マニホールド 集電端子 冷却板 冷却水 空気 マニホールド 燃料 マニホールド 燃料 空気 集電端子 セル構造 単電池 セパレータ 燃料極 電解質(りん酸) 空気極 空気 燃料 電池スタックの外観例 (ガスマニホールドを取外した状態) 27