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

3.1.1 研究開発目標

　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ベ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った。平成７年度は、既存技術から構成されるシステムとしてメタノールによる輸送・貯蔵システムを選定し、概念設計、コスト試算、分析を行い、液体水素によるシステムと比較し、技術開発課題を提示した。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、その経済性を検討するため航空機の構造、液体水素輸送量、燃料消費量等を調査した。
　以下に平成７年度の成果の概要を述べる。

3.1.2 平成７年度の研究開発成果

3.1.2.1 概念設計

(1) 基本条件
　平成６年度に実施した液体水素によるシステムと比較するため、同様な設計条件とした。つまり水力発電規模および電力単価、輸送距離をパラメータとして取り扱い、その値はそれぞれ1,000〜4,000MW、２〜５円/kWh、5,000〜20,000kmに設定した。
　図３−１−１にシステム構成を示す。
　水素の製造と利用については、液体水素システムと同様にそれぞれ固体高分子水電解設備、水素燃焼タービン発電設備で構成する。水素の輸送・貯蔵媒体はメタノールとし、水電解設備から得られた水素と石炭ガス化ガスから得られる一酸化炭素を合成しメタノールを製造する。このメタノールを専用タンカーで利用側に輸送し、これを改質・分離し水素を利用するシステムである。

(2) 概念設計
　概念設計の実施にあたっては、構成される設備の技術の現状を調査し、方式を選定した。水素の大量利用を前提に概念設計の基本となる設備容量、仕様等を決定し、これをベースとして各ケースごとに設備容量、物質収支等を算定した。
　供給地、需要地の設備はそれぞれ同一場所に設置されるものとし、需要地での使用動力は、水素燃焼タービン発電所から供給するものとした。
　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２に示す。
　タンカー燃料およびメタノール改質燃料はメタノールを利用することとした。
　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、水電解効率の影響を把握するためこれを変化させたケースとした。また水素燃焼タービン発電出力を基準にこれを1,000MW(500MW,2台)としたケースについても実施した。
　この結果、基本ケースにおけるシステム効率は、表３−１−１に示すようにメタノール到着時点で約60％、ここから水素分離工程での損失が失われ炉前では約50％、水素燃焼タービン発電送電端で約25％となった。エネルギー損失の内訳は、メタノール合成プロセスによる損失が最も大きく約23％であり、これにメタノール改質・精製プロセスを加えると約33％の損失である。水素製造と石炭ガス化で約13％、水素燃焼タービン発電で約26％の損失となっている。ケースごとにはほとんど効率の差がないが、輸送燃料による輸送中損失の差がシステム効率の差として現れている。

(3) コスト試算
　概念設計を行った水素製造から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、メタノールコスト、水素コスト、発電コスト等を算定した。コストの算定は設備ごとに基本となる容量、設備費およびスケールファクターを設定し、設備容量から設備費を算定した。なお、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。各設備ごとに年経費を算定し水素コスト、発電コスト等を算定した。このコストは耐用年間均等とした。
　コスト算定結果を表３−１−２に示す。

　表３−１−２のとおり、メタノールコストは到着ベースで約６円/Mcal 、これにメタノール改質・水素精製コストが加わり水素コストは約10円/Mcalである。水素燃焼タービン発電による発電コストは25円/kWh程度である。
　水力発電規模によるコスト差がほとんどないが、これは各構成機器の設備容量が増加しても系列数が増加するのみでスケールメリットが生じないためである。また輸送距離が長くなることによるコスト増については、タンカーの設備費の増および輸送燃料の消費により到着エネルギーが減となりコスト高として現れている。
　このコスト算定結果を既存の電源であるＬＮＧと比較すると、燃料のＣＩＦ価格で５倍程度、発電コストで2.5倍程度である。

(4) 液体水素システムとの比較
　比較にあたっては、メタノールシステムではその炭素源に石炭を使用するため、同じ水力発電規模でもその物量が液体水素システムと比較し大きくなることから、水素燃焼タービン発電出力をベースとして1,000MWとしたケースについて比較した。
　エネルギー収支の比較を表３−１−３に示す。

　システム効率は、液体水素システムで約38％、メタノールシステムで約25％である。 　到着ベースの効率は、それぞれ70％、60％程度であり、水素液化損失、メタノール合成損失が大きくそれぞれ20％、23％程度を占める。メタノールシステムではさらに水素分離工程で10％程度が失われ、炉前での効率が50%程度となる。
　コストの比較を表３−１−４および図３−１−２に示す。
　水素製造から水素燃焼タービン発電までの設備費合計は、液体水素システムが約7,400億円、メタノールシステムで約4,900億円である。メタノールが常温で輸送貯蔵が可能であるのに対して、液体水素では極低温であり設備に断熱構造が必要であることから割高となっている。液体水素システムがエネルギー効率が高いにもかかわらず水素コストおよび発電コストが高コストとなっているのは、この設備費の影響である。
　発電コスト低減のためには、効率向上と設備費の低減が必要であるが、液体水素システムはWE-NETにおいて2030年頃の実用化を目指した技術でり、本試算は現時点で想定される設備費によりコストを試算したものであることから、今後最適化、低コスト化等の技術開発を行うことによりコスト低減が可能と思われる。一方メタノールシステムは、現状で確立している技術をもとにWE-NETで想定される規模の概念設計、コスト試算を行ったものであり、新しいメタノール合成、水素分離プロセスの開発といったコスト低減要素があるものの、大幅なコスト低減は困難と考えられる。

　以上が液体水素システムと比較した結果であるが、メタノールシステムでCO２を排出することから、これを処理したケースについて試算を行った。このシステムは、水素分離設備で水素分離後のオフガスを改質設備の改質炉でCO２が排出される。CO２の回収処理としては、この改質炉を酸素吹きとすることによりCO２濃度を100％近くに高め回収するシステムとし、処理コスト、処理動力等を検討した。CO２の処理は回収したCO２をパイプラインにより輸送し、地中および海中処理するケースとし、輸送距離は100kmおび500kmとした。なお、この試算にあたって必要な処理費用、処理動力についてはＮＥＤＯ報告「火力発電プラントからのCO２回収システムに関する調査（II）」から引用し試算した。
　この試算結果、水素燃焼タービン発電出力1,000MW　、水力単価２円／kWhのケースではシステム効率が、処理前の24.8％に対して処理ケースに応じて20.8％〜21.5％と約４％低下する結果となった。また発電コストについては、処理前の24.7円/kWhに対して30.48円／kWh〜32.92円／kWhと６円／kWh〜８円／kWh上昇する結果となった。このCO２を回収処理したケースの発電コストは液体水素システムとほぼ同レベルであり、液体水素システムはCO２を全く排出しないシステムであること、また技術開発による液体水素システムの将来のコスト低減要因等を考慮すれば、液体水素システムが優位であると言える。

(5) 技術開発課題
　メタノールシステムの概念設計は、現状の技術を前提とし物質収支、コスト等の試算を行った。この結果、システム全体のエネルギー効率は25％程度と液体水素システムに比べ約13％低い結果となった。これはメタノール合成、水素分離という工程が必要でありこの損失の占める割合が大きいためであり、これを改善するには高効率で大量処理に適したメタノール合成設備や大型改質器の開発、触媒の高性能化等の課題が考えられる。
　また、経済性の面からも水素の大量利用を考えると、大容量化を図りコストメリットが生じるような設備規模としコスト低減を図ることが必要であると考えられる。

3.1.2.2 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、昨年度実施した液体水素による輸送貯蔵システムに、メタノールによる輸送・貯蔵システムの計算プログラムを作成、追加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等は液体水素システムと同様である。

3.1.2.3 液体水素航空輸送の調査

　液体水素の大規模空輸の可能性についての調査・検討を行った。以下にその概要を述べる。
　従来型航空機および航空機製造社において提案されている航空機について、その構造、コンセプト等を調査し、液体水素の輸送能力、適用性を検討した。輸送距離5,000km、離陸準備時間２時間を条件とし、輸送能力を試算した例では、ペイロード454t、速度400knのスパンローダーでは航空機２機で、ペイロード1,500t、速度が300knの超大型ＳＥＡ（Surface Effect Aircraft）を利用すれば１機で1,000MW級の発電所をサポートすることが可能と考えられる。
　また、液体水素の容器、燃料消費、安全上および規制に関しての考慮すべき事項等について検討を行った。

3.1.3 今後の進め方及び課題

　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。平成７年度は既存技術から構成されるシステムとしてメタノールによる輸送・貯蔵システムについて実施し、液体水素によるシステムと比較評価を行った。今後アンモニア等の媒体による水素の輸送・貯蔵システムについても概念設計を実施し比較、評価を行うとともに、液体水素システムについてはWE-NETで研究開発の技術開発の進展に伴って見直しを行い、総合的に評価を加え技術開発課題を明らかにし、技術開発目標を提示する予定である。