３．サブタスク３ 全体システム概念設計
3.1 全体システム概念設計
全体システム概念設計は、水素の製造から利用までのシステムについて実用規模の概念設計を行い、システムの設備構成を描きだすとともに、水素コストなどの試算、分析を行い、経済性の観点から技術開発目標を提示することを目的としている。
平成５年度は、本研究の初年度として、水素の製造から利用までの個別技術の現状および海外類似プロジェクトの現状を調査し、これに基づきＷＥ−ＮＥＴシステムに適用可能な技術を選定し、平成６年度以降実施する概念設計のべースとなるシステムを設定した。この結果に基づき、平成６年度は、ＷＥ−ＮＥＴで研究開発が進められている技術をシステム全体として評価するために、固体高分子水電解による水素製造、液体水素による水素大量輸送・貯蔵および水素燃焼タービン発電から構成されるシステムについて概念設計、コスト試算および分析を行い、経済性評価に基づき技術開発目標を提示した。また概念設計、コスト試算、分析を効率的に行うために計算機ソフトを開発した。
また、液体水素の大量輸送手段として航空機による輸送について、現在の開発状況を調査し、その概念を検討した。
3.1.1 概念設計
(1) 基本条件
概念設計を行うためには、水力発電規模、供給地と需要地間の輸送距離、また、コスト試算を行うためには、電力単価を設定する必要があるが、水力資源の賦存地と水素の需要地は多数存在し、現時点では特定できないことから、これらはパラメータとして取り扱うこととした。
水力発電規模は、需要地での所要発電規模等より1,000〜4,000MW、輸送距離は、想定される供給地域と需要地域の距離から5,000〜20,000kmに設定した。また、電力単価は、アジア地域の水力発電単価より２〜５円/kWhに設定した。
(2) 概念設計
概念設計の実施に当たっては、設計条件および検討ケースを設定し、これに基づき概念設計を行った。全体システムのフロー図例（水力発電規模4,000MW、輸送距離10,000km）を図3-1-1に示す。
設計条件は、ＷＥ−ＮＥＴにおいて当該設備の要素技術研究を実施している企業等から設計の基本となる設備の容量、系列数、電力原単位等のデータを入手し、これに基づき設定した。各設備への電力供給方法は、供給地では水力発電所から供給し、需要地では水素燃焼タービン発電所から供給するものとした。また、液体水素の移送、貯蔵、輸送の過程で発生するボイルオフガスについては、積地では再液化し、揚地では水素燃焼タービン発電所に供給し、輸送中は航海用燃料として使用することとした。
検討ケースとしては、供給電力規模と輸送距離の組合せによる基本ケースと設備の基本仕様を変化させた場合にエネルギー効率とコストに与える影響を評価するため、変化ケースについて概念設計を行った。基本ケースでの設備仕様は、水電解効率については最終目標値である90％（水素製造原単位3.94kWh/Nｍ3）、タンカーについては現在研究開発目標として設定されている上限値である航海速度25ノット、輸送中の液体水素気化率（ボイルオフレート：ＢＯＲ）0.2％／日とした。これに対して変化ケースでは、水電解効率については中間目標値の下限である80％（水素製造原単位4.43kWh/Nｍ3）、タンカーについては開発目標として検討されている下限値である航海速度20ノット、輸送中のＢＯＲ0.4％／日とした。
この結果、基本ケースにおけるシステム効率は、表3-1-1に示すように水素到着時点で約70％、水素燃焼タービン発電送電端で約37％となった。エネルギー損失の内訳は、水素液化で約20％、水素製造で８％と水素製造・液化プロセス合計で約28％、水素燃焼タービン発電で約32％となっている。今回の検討では、系内で発生するボイルオフガスの大部分を回収しているため、システム効率としてはかなり高いものが得られていると考えられる。システム効率はケースによって若干の相違が見られるが、これは主として輸送中の気化損失の差に起因している。
変化ケースでは、表3-1-2に示すように水素製造設備の電力原単位を変えた場合の影響が最も大きく、水素製造損失は約２倍になり、システム効率は34.3％に低下した。これは供給電力が一定であるため、電力原単位の増加（エネルギー効率の低下）により水素製造量が減少したためである。
タンカーの航海速度および輸送中のＢＯＲを変えた場合の影響は少なく、システム効率の低下はわずかであった。
(3) コスト試算
概念設計で設定した水素製造から液化、貯蔵、輸送、水素燃焼タービン発電による利用に至る各設備について、水力発電規模、水力発電単価、輸送距離を設定し、各ケースごとに、設備費、水素コスト、発電コスト等を算定した。なお基本となる設備の設備費、スケールファクター、年経費等はＷＥ−ＮＥＴにおいて当該設備の要素技術研究を実施している企業に依頼しデータを得たものである。また、発電コストは耐用年数間均等とし、土地代、バース建設費は変動が大きく算定が困難であることから含めないこととした。
基本ケースのコスト算定結果を表3-1-3、図3-1-2に示す。
表3-1-3のとおり、水素コストは約10〜16円／Mcalと、現在のＬＮＧのＣＩＦ価格と比較し、10倍程度である。また発電コストは、水力発電規模が、4,000MWでは約30〜34円／kWh、水力発電規模が、1,000MWでは約37〜44円／kWhと、設備規模が大きいと設備費のスケールメリットにより低コストとなっている。この発電コストを現在のＬＮＧの発電コストと単純に比較すると３〜４倍程度となっている。
水素製造原単位等の設備仕様が発電コストに与える影響度を検討するため、表3-1-4に示す変化ケースについてコスト試算を行った。
表3-1-4のとおり、水素製造原単位を3.94kWh/Nｍ3から4.43kWh/Nｍ3、タンカー航海速度を25ノットから20ノットとしたケースでは発電コストが0.5円/kWh程度増加し、またタンカー輸送中のＢＯＲを0.2％／日から0.4％／日に変化した場合は0.3円/kWh程度増加した。この試算は水電解設備およびタンカーの設備性能を変化させても、基本となる設備費を変えないことで試算していることから、設備仕様をダウンさせることによって設備費を低減することが可能であれば、このコストの増加値はさらに小さくなる。
また基本ケースでは、貯蔵設備（揚地）の貯蔵容量を従来の火力発電所の最低限の容量と考えられる水素使用量の30日分としたが、発電コストに占める割合が大きいことから、この貯蔵容量を変化させたケースについても試算を行った。この結果10日間の貯蔵容量が発電コストで２円／kWhに相当することがわかった。
3.1.2 システム設計ソフト
全体システムの概念設計およびコスト試算・分析を効率的に実施するために、水力発電規模、輸送距離および水力発電単価をパラメータとして、エネルギーフロー、設備構成、コスト等を計算するソフトを開発した。
今年度は、水素製造設備、水素液化設備、液体水素貯蔵設備、液体水素輸送タンカーおよび水素燃焼タービン発電設備から構成されるシステムに適用する計算プログラムを作成し、概念設計およびコスト計算に活用した。
プログラムの機能および特徴は以下のとおりである。
(1) 計算条件入力
試算ケース、パラメータ変化範囲、設計条件およびコスト試算条件は入カテーブ
ルから一括して設定する方式をとっており、条件等の変更が容易にできる。
(2) 計算処理
プログラムの中核となる計算処理については、入力した計算条件に基づきエネルギーフロー、設備構成、設備費およびコスト等を一括して計算し、一覧表およびグラフを自動的に作成する。
(3) ユーザーインターフェース
ユーザーは画面に表示される処理選択メニューに従って操作することによって、条件入力から計算処理、結果表示・印刷までの一連の処理を行うことができる。
3.1.3 液体水素航空輸送の概念設計
液体水素の大規模空輸の概念についての調査・検討を行った。以下にその概要を述べる。
(1) 開発の現状
液体水素航空輸送には、大型航空機の開発が不可欠であるが、現在空港の運行頻度がほぼ飽和状態に達していること等から、航空機製造会社は超大型航空機の開発に積極的に取り組んでいる。液体水素の輸送には、円筒型の液体水素タンクを収納できる単胴型航空機が適していると考えられる。液体水素の大規模輸送に関する基本概念を検討しており、ツポレフ機の積載容量は3,000ｍ3である。
(2) 液体水素航空輸送の概念検討
ドイツ及びロシアの航空宇宙企業は、共同で液体水素航空機計画を実施しており、これは胴体の頂部を拡張し液体水素タンクを配置するものである。熱漏れ管理については、ＬＮＧよりもより低温であることから、液体水素の方が困難であるが積層断熱を採用することにより、0.2％／日以下のＢＯＲが達成可能と考えられる。輸送量については、積載容量3,000ｍ3とすることにより、10回／日の運行により30,000ｍ3／日、月間では900,000ｍ3の輸送が可能と考えられる。また航空機開発の設計の要件、液体水素生産設備・受入設備の設計要件についても検討し、液体水素の海上輸送との比較検討を行った。
3.1.4 今後の課題
平成６年度は、ＷＥ−ＮＥＴで研究開発が進められている技術をシステム全体として評価するために、研究開発を実施している企業等から提出された開発目標データを基本としてシステムの概念設計を実施した。しかしながら、ＷＥ−ＮＥＴで研究開発が開始されて日が浅く現在要素技術開発を行っている段階であることから、研究開発の進捗に応じてデータの見直しを行っていくこととする。
平成７年度は、主として既存技術から構成されるシステムについて概念設計を行い、平成６年度に実施した液体水素による輸送・貯蔵システムとの比較評価を行う。
平成８年度は、主として革新的技術から構成されるシステムの概念設計を行い、これまでに実施した概念設計の成果を踏まえ全体的な比較評価を行う。
