成果報告書詳細
管理番号20100000001610
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 バイオマス等未活用エネルギー実証試験/バイオマス等未活用エネルギー実証試験/小規模バイオガスプラントと天然ガス併用型燃料電池発電システム導入に関する実証試験事業
公開日2010/9/30
報告書年度2007 - 2009
委託先名渡辺建設株式会社 静岡ガス株式会社 株式会社IHIシバウラ 静岡県工業技術研究所 社団法人静岡県環境資源協会
プロジェクト番号P02057
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約学校給食センターから排出される約200kg/日の生ごみを、メタン発酵によりバイオガス化し、バイオガスと天然ガスを混合して燃料電池を稼動させた。発生する電力は給食センターにて完全消費し、温水はメタン発酵槽の加温・保温用の熱源に利用した。一方、余剰バイオガスはボイラーにより熱エネルギーとして温水回収し、発酵槽の熱源として有効利用した。平成17年度に施設建設に着手し、平成18年度から平成21年度までの4年間のデータを集積し、技術的、システム的な課題点の抽出と、課題対策の提案、そして市場化に向けた環境性および経済性の検討を行なった。
静岡市立北部学校給食センターから排出される生ごみは、4年間で約41.8トンを処理し、バイオガスを約5,664m3発生させた。生ごみは約4倍希釈でメタン発酵槽に供給し、長期休業中(春期、夏期、冬期)はそれ以上の希釈をしながら原料供給量を維持する運転方法が最も安定したメタン発酵が行なえることが分かった。希釈倍率を上げることで、メタン発酵槽内の攪拌効果が向上するとともに、夏場にメタン発酵槽内が高温にならないためである。ただ、生ごみ中には多くの異物や油分が含まれるほか、固形分濃度が高いため、分別の徹底、希釈水の供給量の調整、そして発酵槽内の効率良い攪拌システムの構築などに十分注意する必要があることが分かった。
バイオガス中の硫化水素やアンモニアなどの不純物は、乾式の脱硫・脱臭触媒で対応した。実証試験中に触媒が破過することなく、計画どおりのガス精製が実施できた。さらに脱硫や脱臭した後のバイオガスに臭気が残っていることを発見し、詳細に調査した結果、非常に微量であるが不純物が含まれていることが分かった。これに対し、活性炭処理のプロセスを追加して、完全に不純物を取り除くシステムを組み上げた。
燃料電池は4年間で約177kWhの発電量に留まったが、バイオガスを利用したガス改質(水素製造)や燃料電池発電の特徴を捉えることができた。バイオガスはその発生量やメタン濃度が刻々と変動するが、天然ガスを混合させることで、熱量的に安定した燃料ガスを燃料電池に投入できた。しかし、燃料ガスの熱量の変動に対し、燃料電池の発電量を柔軟に制御できる技術が今後必要となる。運転後、ガス改質触媒や燃料電池に使用している電極触媒を分析したが、バイオガスの使用による劣化は認められなかった。これは、運転時間が短いこともあるが、ガス精製で完全に不純ガスが除去された効果もあると考える。一方、耐久試験については実証試験期間中に十分実施することができなかった。
学校給食センターの稼動日数を最大限に生かすように最適な運転モデルを考案したところ、経済性(発電コスト)については、現状では約898円/kWh(イニシャルコスト半額補助でも約431円/kWh)と非常に厳しいことが分かった。ただ、燃料電池の価格を220万円/kWまで下げ、生ごみ処理量を1トン/日まで増加させると、5年償却を見込んだ発電コストでも、(イニシャルコスト半額補助)約60円/kWまで下げられることが分かった。また、バイオガスの発生量が少ない時、その量に応じて燃料電池の出力を自在にコントロールできれば、エネルギー回収率、省エネ効果、二酸化炭素排出量の削減効果、そして経済性がさらに期待でき、市場化への現実味が帯びてくることが分かった。
英文要約Title: Verification Tests for Biomass and Other Untapped Energy. Verification Tests for Biomass and Other Untapped Energy. Technology Verification Test for Small Biogas Plant and Fuel-cell Power Generation System using Biogas and Natural Gas(FY2007-FY2009)Final Report
In order to meet the efficient utilization of biomass sources and renewable energy, an energy recycling system using food waste is contrived at the field of the facility that provides meals to schools. Food waste is fed to a small reactor of methane fermentation on a weekday and biogas is generated continuously. After removal operation of impurity compounds in biogas, popular natural gas is mixed with the refined biogas to make its energy stable. The mixed gas is fed to the hydrogen processor, and hydrogen gas is generated by the steam reforming technique. The hydrogen gas is also fed continuously to the Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) power system. Electric power of approximately 1 kW is supplied to the facility to ensure the availability of light in the room, further, heat (hot water) generated from the fuel cell fed back to the fermentation tank to warm it up to 35- 38 degrees. In this paper, it should be discussed whether our system has economical and ecological benefits from a future perspective after the field examination for 4 years was terminated.
Food waste of approximately 41.8 tons from the facility was treated and biogas of approximately 5,664 m3 was generated for 4 years. The waste was broken down and to make a slurry after removing the impurities in the waste by hand. The slurry is diluted with water 4 times and fed in to the fermentation tank. During long-term school vacations, more dilution is needed to operate the methane fermentation stable. It was, furthermore, found that the dilution makes a mixer effect in the fermentation tank and makes it easy to control temperature in the tank especially during the summer season. In addition, various impurities and greasy material in the waste must be removed with special care to operate the fermentation smoothly.
Desulfurization and deodorization catalysis can remove the hydrogen sulfide and ammonia from the biogas easily. Activated carbon as an additional catalyst acts great effective performance to remove impurities from biogas except for hydrogen sulfide and ammonia.
Hydrogen processor needs a fuel gas, which is mixed with natural gas and biogas, with stable calorie and volume itself. Natural gas makes it easy to control calorific value of the mixed gas although quantity of biogas changes every day and every time. However, we could not make sure that detailed effect of biogas on the performance of the fuel cell and quality of catalysts in the hydrogen processor and the fuel cell because the fuel cell worked for a short period. Furthermore, the control technique (or system) of production of a quantity of hydrogen gas and electric power from the hydrogen processor and the fuel cell respectively against the change of generation of biogas has to be improved immediately.
A suitable model with same system for the facility that provides meals to schools was proposed. The cost performance of the system is still currently under approximately 898 JPY/kWh without any government subsidies. In the near future, if a fuel cell with considerable capacity and cheap price can be developed and the technique of the control and/or operation of the fuel cell can be improved, a drastic reduction in the cost would be realized.
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