論
文
工 場廃 熱 を利 用 した ロ ー ドレベ リング用 発 電 シス テ ム の提 案 と
そ の特 性評 価
正 員
朴
柄
植(大
阪大学)
非会員
有
馬
剛(大
阪大学)
Proposal and Characteristics Evaluation of a Power Generation System Utilizing Waste Heat
from Factories for Load Leveling
Pyong Sik Pak, Member, Takashi Arima, Non-member (Osaka University)
In this paper, a new steam turbine power generation system utilizing waste heat from factories is proposed
for leveling the electric power load. Hydrogen and oxygen, which are produced by using excess electric power
at nighttime with electrolysis of water, are used in the proposed system as fuel and oxidant, respectively.
It is assumed that the saturated steam produced by utilizing waste heat from factories is available for the
system to use. Changes in power generation characteristics have been estimated by using a simulation model
when both the temperature of the saturated temperature and turbine inlet temperature are changed. It has
been shown through simulation study that the higher the saturated steam temperature the higher the electric
energy saving efficiency and the smaller the generated power at daytime, and that the higher the turbine inlet
temperature the larger the generated electric power at daytime and the smaller the electric energy saving
efficiency. It has been shown, for example, that 4.78 MW of the net electric power can be produced with
the electric energy saving efficiency of 98.8% when turbine inlet temperature is 400•Ž, and temperature and
quantity of the saturated steam is 140•Ž and 22.6t/h, respectively. This estimated value 98.8% is higher by
41.1% compared with the electric energy saving efficiency, 70%, of a pumping-up power generation system.
Thus, the proposed system can be expected to become one of the high-efficient power generation systems for
leveling electric power load.
キ ー ワ ー ド:ロ ー ド レ ベ リ ン グ,水 素 酸 素 燃 焼,工 場 廃 熱,水 電 解,発 電 シ ス テ ム 1.は じ め に 夜 間 に 比 べ 昼 間 の 電 力 需 要 の 伸 び が 大 き くな っ て きて い る た め,新 規 電 源 開発 の 他 に 電 力 需 給 負 荷 平 準 化(ロ ー ド レ ベ リ ン グ)用 の 発 電 シ ス テ ム の 必 要 性 が 増 し て きて い る.現 在 は,揚 水 発 電 シ ス テ ム が ロ ー ド レベ リ ン グ 用 の 発 電 シ ス テ ム と し て 大 き な 役 割 を 果 た し て い る,そ の 他 に も,電 力 貯 蔵 用 薪 型 電 池(1)や 圧 縮 空 気 貯 蔵 発 電 シ ス テ ム(CAES)(2)(3) な ど の,ロ ー ド レ ベ リ ン グ 用 の 発 電 シ ス テ ム も少 数 で は あ る が 導 入 され て い る. 夜 間 の 電 力 を大 規 模 に 貯 蔵 し て 昼 間 に 利 用 し よ う とす る と,多 くの 場 合 電 気 を い った ん 他 の エ ネ ル ギ ー に 変 換 し て か ら 貯 蔵 し そ れ を 再 び 電 気 に 変 換 す る 必 要 が あ る た め,か な り の エ ネ ル ギ ー 損 失 が 生 じ て し ま う,こ の た め,省 エ ネ ル ギ ー の 観 点 か ら で き る だ け 効 率 の 良 い ロ ー ド レ ベ リ ング 用 の 発 電 シ ス テ ムが 望 ま れ て い る.
一 方
,多 くの工場 で は経 済性等 の 理 由か ら比較 的低温(例
えば200℃ 以 下)の 工 場 廃 熱 は利 用 され ず に捨 て られ てい
る場 合が 多 い.
本 論文 で は工 場廃 熱 を利用 す る ロー ド レベ リング用の発
電 シス テ ム を提 案 し,そ の発 電 特 性 お よび 電 力貯 蔵 特性を
評 価 し,
180℃ の 飽和 蒸 気 を利 用 して120%を
越 え る高い電
力 貯 蔵効 率 を持 つ シ ス テムが 構 築 で きる と推 定 され ること
など を示 す.
2.工
場 廃 熱 を利 用 す る ロ ー ド レベ リ ン グ 用 発 電 シ
ス テ ムの 構 成 と特 徴
<2.1>シ
ステ ム の構 成
図1(a)に 工 場廃 熱 を利用す
る ロー ドレベ リ ング 用発 電 シ ステ ム の全 体 構 成 を示す,本
シ ス テ ムで は,夜 間の余 剰 電力 を利 用 して 水 電 解 を行 い水
素 と酸 素 を製 造 し,ガ ス ホル ダ ー に貯 蔵 し,電 力 需要 の大き
い 昼 間 に この 水 素 と酸 素 を利 用 して 発 電 す る.水 素をニネ
廃 熱 利 用 ロー ドレベ ワ ング 用 シス テ ム ル ギ ー 源 と し て 発 電 す る 技 術 と し て は,燃 料 電 溝 そ の 他 種 々 の 方 法 が 考 え られ て い る が,こ こ で は 経 済 的 に 大 規 模 発 電 が 可 能 な タ ー ボ 熱 機 関 を 利 用 す る もの と し た ´た だ し,熱 機 関 を利 用 す る こ れ まで の 発 電 シ ス テ ム で は 発 電 効 率 が 低 い た め,電 力 貯 藏 効 率 が 低 くな っ て し ま う とい う問 題 が あ る.そ の た め,提 案 ロ ー ド レ ベ リ ング 用 発 電 シ ス テ ム で は 効 率 向 上 の た め,工 場 廃 熱 を利 用 出 来 る 場 合 に 適 用 す る こ と を考 え て い る.す な わ ち,こ の シ ス テ ム で 萎ま,廃 熱 を 利 用 し て 飽 和 蒸 気 を製 造 し,こ れ を 水 素 酸 素 燃 焼 タ ー ビ ン 発 電 シ ス テ ム(4) の ター ビ ンの 作 動 流 体 と し て 利 用 す る.こ こ で は,工 場 廃 熱 は 図1(a)に 示 す よ う に 排 ガ ス と し て 放 出 され る場 合 を想 定 した 。工 場 廃 熱 を利 用 し て 製 造 さ れ た 飽 和 蒸 気 を 図1(b)に 示 す よ うに 燃 焼 器 に 導 き,水 の 電 気 分 解 で 得 られ た 水 素 と 酸 素 を燃 焼 させ る こ と に よ っ て 高 温 過 熱 蒸 気 を 得 る.得 られ た 高 温 過 熱 蒸 気 を タ ー ビ ン に 導 き翌 電 機 の 駆 動 に 利 用 し た 後,復 水 器 で 復 水 す る.復 水 は 工 場 廃 熱 を 利 用 した 飽 和 蒸 気 の登 生 の た め の 給 水(リ タ ー ン水)と し て 再 利 用 され る. <2.2>シ ス テ ム の 特 徴 本 シ ス テ ム を 蒸 気 タ ー ビ ン発 電 シ ス テ ム と比 較 す る と,次 の 点 で 異 な っ て い る.蒸 気 タ ー ビ ン発 電 シ ス テ ム で は,高 温 の 作 動 流 体(過 熱 蒸 気)を 得 る た め ボ イ ラ ー を 用 い る.ボ イ ラ ー は 間 接 加 熱 方 式 な の で,燃 焼 器 で の 直 接 加 熱 方 式 に比 べ る と,熱 交 換 面 積 が 極 め て 大 き くな る ほ か,ボ イ ラ ー排 ガ ス は そ の ま ま 大 気 に 放 出 され る た め排 気 損 失 が 生 じ て し ま う と い う問 題 が あ る.こ れ44対 し, 本 シ ス テ ム で は,排 気 損 失 が な い う え,水 素 と酸 素 の 燃 焼 に よ の生 じ る 燃 焼 ガ ス(過 熱 蒸 気)も 作 動 流 体 と し て 利 用 さ れ,タ ー ビ ン の 駆 動 に 有 効 に 利 用 され る の で,高 効 率 に な る (a)全 体 構 成 (b)水 繁 酸素 燃 焼 ター ば ン発 電 シ ステ ムの 構成
図1 提 案 工場 廃 熱利 用 ロー ドレベ リング用
発 電 シ ステ ムの 構成
Fig. 1. Structure of a proposed power generation system utilizing waste heat from factories for level ing the electric power load.
と い う特 徴 が あ る. 本 提 案 シ ス テ ム を 従 来 式 ガ ス タ ー ビ ン 発 電 シ ス テ ム と 比 較 す る と,次 の 点 で 異 な って い る.作 動 流 体 の 圧 縮 の 過 程 は 気 体 の 状 態 で は 行 わ れ ず に,復 水 の 圧 縮 と い う液 体 の 状 態 で 行 わ れ る.従 っ て,気 体 の 場 合 と比 べ る と実 際 上 無 視 で き る ほ ど の エ ネ ル ギ ー し か 圧 縮 仕 事 は 必 要 と さ れ な い,こ の た め,タ ー ビ ン 出 力 が そ の ま ま発 電 機 の 駆 動 に 利 用 され る の で,工 場 廃 熱 を利 用 して い る こ と も あ り,緩 に も示 す よ うに 投 入 水 素 の エ ク セ ル ギ ー べ ー ス で 見 て100%を 越 え る高 効 率 を 得 る こ と も 可 能 と な る. 本 シ ス テ ム で は,燃 料 と し て 水 素 を用 い,水 素 の 燃 焼 用 に は 空 気 で は な く酸 素 を 購 い て い る の で,_気 燃 焼 の 場 合 と異 な り,燃 焼 反 応 中 に 窒 素 分 が 存 在 し な い の で サ ー マ ルNO記 の 生 成 が な い.ま た,燃 焼 ガ ス の 成 分 はH2Oの み と な り, CO2が 発 生 す る こ とは な い と い う 特 徴 が あ る. 3.特 性 推 定 に あ た っ て の 前 提 条 件 本 節 で は,本 提 案 ロ ー ド レベ リ ン グ 用 発 電 シ ス テ ム の 総 合 特 性 を推 定 す る に 峯 た っ て 想 定 し た 種 々の 前 提 条 件 に つ い て 示 す. <3.1>水 電 解 プ ラ ン トに 録 す る 想 定 条 件 水 素 と 酸 素 を 生 成 す る 水 電 解 プ ラ ン ト と し て は,現 在 最 も優 れ た 水 電 解 法 で あ る と考 え ら れ て い る 固 体 高 分 子 電 解 質 水 電 解 法 (Solid Polymer Electrolyte, SPE水 電 解)に よ る 水 電 解 プ ラ ン トを 使 用 す る もの と し た.SPE水 電 解 プ ラ ン トの 性 能 と し て は 表1に 示 す 性 能 が 得 られ る と推 定 され て い る(5).以 下 で は,簡 単 の た めSPEセ ル 数 を任 意 に 組 み 合 わ せ,こ の 水 電 解 特 性 と 同 じ特 性 を 持 っ た 任 意 の ス ケ ー ル の 水 電 解 プ ラ ン トが 実 現 で き る もの と 想 定 し た.す な わ ち,水 電 解 に よ る水 素 発 生 の 効 率 が73,0%(エ ク セ ル ギ ー 効 率,高 発 熱 量 ベ ー ス で は89.7%,低 発 熱 量 べ ー ス で は76.8%)の 任 意 の ス ケ ー ル の 水 電 解 プ ラ ン トが 利 用 で き る もの と想 定 した. <3.2>工 場 廃 熱 に 対 す る想 定 条 件 工 場 廃 熱 の 例 と し て,こ こ で は 製 鉄 所 排 ガ ス を 利 用 出 来 る も の と し た.製 鉄 所 排 ガ ス と して は,そ の 体 積 組 成 を 表2に 示 す 通 りで あ る と し,温 度 お よび 流 量 は そ れ ぞ れ200℃ お よ び70万Nm3/h で あ る と想 定 し た.こ の 排 ガ ス を排 熱 回 収 ボ イ ラの 熱 源 と し て 利 用 す る こ と に よ っ て,水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム か ら の リ タ ー ン 水 か ら飽 和 蒸 気 を 製 造 す る もの と し た. 表1 水 電 解 プ ラ ン トの 性 能
Table 1. Assumed performance of a water electrol ysis plant.
<3.3>水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム に 対 す る 想 定 条 件 水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム の 特 性 の 推 定 に 当 た っ て は,こ れ ま で に 構 築 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 利 用 し た(4).表 3に 提 案 水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に あ た って 必 要 と な る外 生 変 数 と外 生 パ ラ メ ー タ を示 す 。表 中 に は,シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に あ た って 用 い た 外 生 変 数 と外 生 パ ラ メ ー タ の 値 も示 し て あ る.こ れ らの 値 は 種 々 の 発 電 シ ス テ ム の 特 性 の 解 析 に 用 い られ て きた 値 を基 に 想 定 し た 値 で あ り, 最 新 の 技 術 で 実 現 可 能 な 値 で あ る と考 え られ て い る,表3に 示 し て あ る よ う に,復 水 器 出 口 圧 力 は0.05(kg/cm2α)と し た.な お,水 素 の 燃 焼 に つ い て は,こ こ で は 簡 単 の た め 理 論 酸 素 量 で 燃 焼 器 内 で 完 全 燃 焼 で き る,す な わ ち 酸 素 過 剰 率 は1.0と 仮 定 し た. 4.特 性 の 推 定 結 果 本 節 で は,前 節 で 想 定 し た 条 件 に 基 づ い て,本 提 案 シ ス テ ム の 特 性 を 推 定 し た 結 果 に つ い て 述 べ る. <4.1>工 場 廃 熱 利 用 製 造 飽 和 蒸 気 流 量 の 推 定 結 果 今 の 場 合,製 鉄 所 排 ガ ス の 条 件 は 固 定 さ れ て お り排 ガ ス の 持 つ エ ネ ル ギ ー は 一 定 な た め,製 造 す る飽 和 蒸 気 の 温 度 を変 化 さ 表2 製 鉄 所 排 ガ ス の 条 件
Table 2, Exhaust gas condition of an ironworks.
表3 特 性推 定 に あた って 使用 した外 生変 数
お よび 外生 パ ラ メー タ
Table 3. Exogenous variables and parameters used for estimating system characteristics.
(a)外 生 変 数 (b)外 生 パ ラ メ ー タ
せ る と流 量 は変化 す る.製 造可 能蒸 気流 量 を推 定 した結果 を
図2に 示 す,図 に は蒸気 エ ンタル ピ量 の排 ガ スの 持つ 顕熱に
対 す る比,す なわ ち排 熱 回収ボ イラの廃 熱 回収効 率 も図示 し
てあ る。図 か ら,飽 和 蒸 気 の温度 を上 げ る と廃 熱 回収効率が
急 激 に低下 し,製造 可 能流 量が 激減 す る こ とが わか る1こ れ
は 廃熱 か ら温 水 で は な く蒸気 を製造 す る場 合 の 特徴 のひ と
つ であ る).
図2 温 度 に よ る廃 熱 利 用 製造 飽和 蒸 気 流量
お よび排 熱 回収 ボ イラ効 率の 変 化
Fig. 2. Change in the quantity of the produced saturated steam and the efficiency of waste heat •@recovery boiler when the saturated steam temper
ature is changed. <4.2>水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム の 基 本 特 性 推 定 結 果 水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム の 特 性 は 本 提 案 シ ス テ ム の 総合 特 性 に 大 き な 影 響 を 与 え る.本 節 で は,水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム の 基 本 特 性 を推 定 し た 結 果 に つ い て 述 べ る 。本 特 性 を 検 討 す る に 当 た っ て は 作 動 流 体 の 飽 和 蒸 気 流 量1t/hの 単 位 流 量 を 用 い て 発 電 す る 場 合 を 考 え,そ の 温 度 を100℃ か ら180℃ まで 変 化 させ,ま た タ ー ビ ン 入 口 温 度(以 下 、TIT と 記 す)も400℃ か ら1400℃ まで 変 化 させ る こ と に よっ て 検 討 し た. 図3(a)に 発 電 電 力 の 推 定 結 果 を 示 す.図 か ら,飽 和 蒸 気 の 温 度 が 高 くな る ほ ど, TITが 高 くな る ほ ど,発 電 出 力 が 大 き く な る こ とが 分 か る.図3(b)は 発 電 電 力 エ ク セ ル ギ ーの 投 入 蒸 気 エ ク セ ルギ ー に 対 す る 比,す な わ ち 供 給 蒸 気 ベ ー ス の エ ク セ ル ギ ー 効 率 を 示 す .図 よ り,供 給 飽 和 蒸 気 ベ ー スの エ ク セ ル ギ ー 効 率 は, TITが 高 くな る ほ ど 高 くな る.そ れ に 対 し て,飽 和 蒸 気 の 温 度 が 高 くな る と,供 給 飽 和 蒸 気 ベ ース の エ クセ ル ギ ー 効 率 は 逆 に 低 くな っ て い る .こ れ は,供 給 飽 和 蒸 気 エ ク セ ル ギ ー の 上 昇 に 比 べ て 発 電 電 力 の 増 加 の 割 合 が 低 い た め で あ る.図3(b)に お い て,蒸 気 ベ ー ス の エ クセ ルギ ー効 率 が100%を 越 え て い るの は,本 シ ス テ ム で は発 電 の た め の 水 素 燃 料 が 投 入 さ れ て い るか らで あ る . 図3(c)は 発 電 電 力 の 投 入 水 素 エ ク セ ル ギ ー に 対 す る比 (以 下 で は,水 素 ベ ー ス エ ク セ ル ギ ー効 率 あ る い は 燃 料 ベ ー スの 効 率 と い う)を 示 す .投 入 水 素 の エ クセ ル ギ ーベ ー スの 効 率 は 飽 和 蒸 気 の 温 度 が 高 くな る ほ ど 高 くな るが, TITは 逆 に 低 い 方 が 高 くな る と 推 定 さ れ て い る.こ れ は, TITが 高い ほ ど 投 入 水 素 量 が 多 く必 要 と な るが ,そ の割 には発 電出力が
1250 T . IEE Japan, Vol. 120-B
廃熱 利 用 ロ ー ドレベ リン グ用 シ ス テム 増 加 し な い た め で あ る. 本 シ ス テ ムで は,水 素 燃 料 の ほか 蒸 気 の エ ク セ ル ギ ー も利 用 し て発 電 し て い る た め,投 入 水 素 の エ ク セ ル ギ ー ベ ー ス の 効 率 は100%を 越 え る 場 合 が あ る と 推 定 され て い る こ と に 注 意 され た い.例 え ば,タ ー ビ ン入 口 温 度 が400℃,飽 和 蒸 気 温 度 が180℃ の と き は,投 入 水 素 の エ ク セ ル ギ ー ベ ー ス の効 率 は170%に な る と推 定 さ れ て い る. 図3(d)は,廃 熱 を利 用 して 製 造 し た 飽 和 蒸 気 の 持 つ エ ク セ ル ギ ー の 寄 与 も考 慮 し た 本 水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム 全 体 の エ ク セ ル ギ ー 効 率(以 下 、 トー タル エ ク セ ル ギ ー 効 率 (a)発 電 電 力 (b)蒸 気 ベー スエ クセル ギ ー効 率 (c)水 素 ベ ー スエ クセ ルギ ー効 率 (d)ト ー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率
図3 水 素 酸 素燃 焼発 電 シ ステ ム の基 本特 性
推 定結 果(飽 和 蒸気 流 量lt/hの
流量 に 対 して)
Fig. 3. Estimated characteristics of the hydro
gen-oxigen-burning power generation system (for 1
t/h of saturated steam quantity).
とい う)の 推 定 結 果 を 示 す.図 か ら,飽 和 蒸 気 の 温 度 が 高 く な る ほ ど トー タ ル エ クセ ル ギ ー 効 率 が 高 くな る こ とが 分 か る, TITが 変 化 し た と きの トー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率 は 次 の よ う に な る, TITが1400℃,飽 和 蒸 気 温 度 が180℃ の 時 に シ ス テ ム の トー タ ル エ クセ ル ギ ー 効 率 が 最 も高 く な る と 推 定 され て お り,最 大 値 は67.7%に な る と推 定 され て い る. な お,上 で も述 べ た よ うに,燃 料 ベ ー ス の 効 率 はTITが 低 い 方 が 高 くな る の で, TITが 低 くなれ ば トー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率 が 低 くな る と は 限 ら な い こ と に 注 意 され た い.図3(d) か ら 分 か る よ うに,タ ー ビ ン 入 口温 度 が600∼700℃ で 反 転 し, TITが400℃ に 下 が る と,ト ー タル エ ク セ ル ギ ー効 率 は 飽 和 蒸 気 温 度 が140℃ 以 上 で は1400℃ の 場 合 に 次 い で 良 くな り,最 大 値 は180℃ の と き67.3%に な る と 推 定 さ れ て い る.上 記 の こ とか ら,工 場 廃 熱 を利 用 す る本 シ ス テ ム の 場 合, TITは 高 け れ ば 高 い ほ ど特 性 が 良 い とは 限 ら な い こ とが 分 か る. <4.3>シ ス テ ム の 総 合 特 性 推 定 結 果 本 節 で は,本 提 案 ロ ー ド レ ベ リ ング 用 発 電 シ ス テ ム の 総 合 特 性 推 定 結 果 に つ い て 述 べ る.製 鉄 所 の 廃 熱 に よ っ て 製 造 され る 飽 和 蒸 気 温 度 を100℃ か ら180℃ ま で 変 化 させ,ま た タ ー ビ ン 入 口 温 度(TIT)も400℃ か ら1400℃ まで 変 化 さ せ て シ ミュ レ ー シ ヨ ン し た 際 の,水 素 酸 素 燃 焼 タ ー ビ ン 発 電 シ ス テ ム の 発 電 電 力,ト ー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率 お よび 水 素 ベ ー ス エ クセ ル ギ ー 効 率 に つ い て の 推 定 結 果 を そ れ ぞ れ 図4(a)∼ (c)に 示 す,ま た,図4(d)に 本 提 案 ロ ー ド レ ベ リ ング 用 発 電 シ ス テ ム の 電 力 貯 蔵 効 率 の 推 定 結 果 を 示 す.図 は すべ て 昼 間 1時 間 水 素 酸 素 燃 焼 発 電 シ ス テ ム を 稼 働 し た 場 合 の 特 性 を 示 す.こ こで,電 力 貯 蔵 効 率 と は,夜 間 に 投 入 し た 電 気 エ ネ ルギ ー が 昼 間 に ど の 程 度 電 気 エ ネ ル ギ ー と し て 再 生 産 され るか を 表 す 値 で あ る.電 力 貯 蔵 効 率 をηs,昼 間 の 正 味 発 電 電 力 量 をP,夜 間 に 消 費 し た 電 力 量 をEと す る とηs=P/E で 求 め られ る. 図4(a)∼(d)か ら分 か る よ うに,飽 和 蒸 気 温 度 が 一 定 の 時, 発 電 電 力 と トー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率 はTITが 高 い ほ ど 値 が 高 くな る が,燃 料 ベ ー ス の 効 率 と 電 力 貯 蔵 効 率 はTITが 高 くな る と逆 に 値 が 低 くな る と推 定 さ れ て い る. TITが 一 定 の 時,発 電 電 力 は 飽 和 蒸 気 温 度 が 高 い ほ ど 低 くな る と推 定 さ れ て い る.こ れ は,前 節 で 示 し た よ う に 飽 和 蒸 気 温 度 が 高 くな る と排 熱 回 収 ボ イ ラ で 製 造 され る 飽 和 蒸 気 の 流 量(作 動 流 体 流 量)が 減 っ て し ま う た め で あ る. 燃 料 ベ ー ス の 効 率 と電 力 貯 蔵 効 率 は 飽 和 蒸 気 温 度 が 高 い ほ ど 高 くな る と推 定 され て い る.こ れ は,飽 和 蒸 気 の 持 つ エ クセ ル ギ ー が 増 加 す る か らで あ る. 廃 熱 を 利 用 し た 電 力 貯 蔵 効 率 と発 電 電 力 の 最 大 化 の 観 点 か ら,例 えばTITを400℃,飽 和 蒸 気 温 度100℃ に 設 定 し た 場 合 の 発 電 電 力 と 電 力 貯 蔵 効 率 は,表4に 示 す よ う に そ れ ぞ れ6.45MW, 69.6%に な る と推 定 さ れ て い る. 電 力 貯 蔵 効 率 最 大 化 の 観 点 か ら はTITを400℃,飽 和 蒸 気 温 度 を180℃ に設 定 す る の が 良 い.こ の 条 件 に お け る発 電 電 力 と電 力 貯 蔵 効 率 は 表5に 示 す よ う に そ れ ぞ れ1.17MW, 電 学 論B, 120巻10号,平 成12年 1251
(a)発 電電 力
(b)ト ー タ ル エ ク セ ル ギ ー 効 率
(c)水 素 ベ ー ス エ ク セ ル ギ ー 効 率
(d)電 力 欝蔵 効率
図4 提 案 シ ステ ムの特 性 推定 結果
Fig. 4. Characteristics of the proposed system.
126%に な る と 推 定 され て い る.こ の 場 合 電 力 貯 蔵 効 率 が 100%を 越 え る と推 定 され て い る が,こ れ が 異 常 で な い 理 由 は 次 の こ とか ら 理 解 で き る.す な わ ち,こ の 時 の 飽 和 蒸 気 の エ ン タル ピ流 量 は3209(Mcal/h)と な るの で,こ の 蒸 気 エ ネル ギ ー で 仮 に10%の 効 率 で 発 電 を行 っ た と す る と0.373MW の 電 力 が 得 られ る.極 端 な 場 合,無 限小 の 水 素 量 を昼 間 に 投 入 す る 場 合,必 要 夜 間 電 力 量 も無 限 小 と な るの に 対 し,蒸 気 エ ネ ル ギ ー に よ り発 電 され る 電 力 は 有限 の 値(例 え ば,0.373MW の 発 電 は 可 能)な の で,電 力 貯 蔵 効 率 は 無 限 大 に 近 い 大 き な 値 と な る.こ の よ う に,本 シ ス テ ム で はTITを 低 く し 昼 間 の 発 電 電 力 を小 さ く し て い け ば,こ こ で 定 義 し て い る 電 力 財 蔵 効 率 は い く ら で も高 く な るか ら で あ る.な お 今 の 場 合, 廃 熱 分 の 寄 与0.373MWを 除 く と本 シ ス テ ム の 最 高 電 力 貯
表4 タービ ン入 口温 度400℃,飽
和蒸 気 温度
100℃ の 時 の 特性 推定 結 果
Table 4. Characteristics of the proposed system when TIT is 400•Ž, and steam temperature is 100•Ž.
表5 電力 貯蔵 効 率 最大 時 の特 性推 定結 果
(ター ビ ン入 口温 度400℃,飽
和 蒸 気温 度180℃)
Table 5. Characteristics of the proposed system when electric energy saving efficiency is maximized (TIT:400•Ž, steam temperature: 180•Ž).
蔵 効 率は126%aか ら85.8%に な る.
表5に 示す よ うに,廃 熱 を利 用 す る本 シ ステ ムの最 大電力
貯 蔵 効 率は126%と
極 め て高 い値 が 得 られ る もの の この時
の 発電 電力 は表4の 場 合の発 電 電力 値の5.5分 の1以 下にな
る と推 定 され て い る.従 って,ロ ー ドレベ リング 推進 の観 点
か らは,飽 和蒸 気温度 を下げ るこ とに よ り電力 貯蔵効 率は若
干低 下 して もシス テ ムの発 電 電 カ量 を増 大 させ る方が 望ま
しい と考 え られ る.例 えば,
TITを400℃,飽
和 蒸気 温度を
144℃ とす ると,図5に 示す よ うに電力 貯 蔵効 率 は98.8%に
低 下す る ものの 昼 間正味発 電 電力 は4.78MWと
な り最高電
力貯 蔵効率 の時 の4.07倍 の電 力 を昼 間得 られ るこ とになる
と推 定 され る,
5.特
性 推 定 結 果 の 他 の ロ ー ドレ ベ リ ン グ 用 発 電 シ
ス テ ム との 比 較
本 節で は,本 提 案 シ ステム と他の 代表 的 な ロー ドレベ リン
グ 用発 電 シ ステ ム と して実 用 化 され て い る揚 水発 電 お よび
圧縮 空気貯 蔵発 電 シ ステ ム(CAES)と
の比 較 を簡単 に行 う.
●揚 水発 電 シス テ ム との 比 較
揚水 発電 システ ムは,夜 間の 電力 を用 い て大量の水 を
高い 位 置 に あ る上 ダ ムに 汲 み 上げ,昼 間 に その 水 を利
用 して下 ダ ムに 向け て水 力 発電 を行 うシス テムであ る.
その 電 力殿 蔵効 率 は現 在70%程
度 で比 較 的 高いが,そ
の性質 上,立 地で き為場所 が 限 られ て しま う とい う欠点
が あ る.
●圧縮 空 気貯 蔵 発 電 シ ステ ム(CAES)と
の比 較
圧 縮 空 気貯 蔵 発 電 シス テ ム(CAES)は
,夜 間の電力
で作 った高 圧 圧縮 空気 を空 気貯 槽 に貯 蔵 し,昼 間に この
1252 T . IEE Japan, Vol. 120-B
廃熱 利 用 ロ ー ドレベ リン グ用 シ ステ ム
(a)シ ス テム 全体
(b)発 電 シ ス テム
図5 タ ー ビ ン 入 口 温 度400℃,飽 和 蒸 気 温 度 140℃ の 時 の 特 性 推 定 結 果
Fig. 5. Estimated state values of the proposed sys tem when turbine inlet temperature is 400•Ž and saturated steam temperature is 140•Ž.
