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Contribution to the Environment 環境への貢献

環境関連技術開発の推進

バイオマスの有効活用

バイオマスとは、生物資源(bio)の量(mass)を表す概念で、エネルギーや物質へ再生可能な動植物から生まれた化石資源を除く有機性資源の総称です。具体的には、稲わら、家畜排せつ物などの農林水産物、食品残渣、下水汚泥、木くずなどを示します。バイオマスは、直接燃焼して発生させた蒸気から熱や電力を得たり、発酵させてガスを取り出し(バイオガス)、コージェネレーションシステムで利用するなどエネルギーとして利用することが可能です。バイオマスの燃焼等で放出されるCO2は、生物の成長過程で光合成により大気中から吸収したCO2なので、化石資源由来のエネルギーをバイオマスで代替することで、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスのひとつであるCO2の排出削減に大きく貢献することができます。

当社では、温室効果ガス削減への貢献を目的として、これまで培った都市ガスとバイオガスの混焼などのバイオガス利用技術に加え、食品残渣等をさらに安価で高効率にメタン発酵しバイオガスを取り出す技術や、発生したバイオガスをさらに高い品質のガスに変換する技術に取り組むことで、バイオマスの利用拡大や普及をめざしています。
 

研究所構内に設置したメタン発酵パイロットプラント
研究所構内に設置したメタン発酵パイロットプラント
 
バイオガス利用技術の開発
当社グループは、食品残渣や下水汚泥などのバイオマスをガス化し、発電やボイラ燃料として利用する技術を保有し、お客さまのサイト内で発生したバイオガスを主にガスコージェネの発電用ガスとして利用(オンサイト利用)しています。バイオガスはCH4約60%、CO2約40%で構成される希薄な燃料であるため、専用の発電機が必要です。また、バイオガスを精製、熱調、付臭して都市ガス導管に受け入れる取り組みを日本で初めて行っており、2015年度は、食品残渣由来のバイオガスを67.5万m3(約1,151トンのCO2削減相当)受け入れています。

バイオガスの導管受け入れに関するイメージ図
バイオガス導管受け入れのイメージ図

そのほか、横浜市北部下水道センターで発生する下水バイオガスのさらなる有効利用の拡大に向けて2013年度より横浜市と共同研究を行っています。共同研究では分離膜を使用して下水バイオガス中の二酸化炭素を除去し、メタンを濃縮する技術を研究開発するとともに、固体酸化物形燃料電池などの高効率発電機器への利用等について検討を進めています。
分離膜を使用した下水バイオガスからのメタン濃縮の実績としては国内最長クラスの実績を蓄積しております。この取り組みについては、2016年8月の第25回日本エネルギー学会大会における発表で奨励賞を受賞しました。
 
横浜市北部汚泥資源化センターに設置したバイオガス精製試験装置
横浜市北部汚泥資源化センターに設置したバイオガス精製試験装置

<関連リンク>
▶ 東京ガスエンジニアリングソリューションズ(株)バイオガス関連事業blank
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水素供給の基盤確立

水素ステーションの建設・運営
当社では、輸送分野の低炭素化や燃料の多様化を実現する燃料電池自動車の普及に向けて、水素ステーションの建設・運営を行い、水素供給の基盤整備に貢献しています。
これまで、実証・研究開発事業として「千住水素ステーション」と「羽田水素ステーション」の建設・運転を行ってきましたが、2013年度には一般商用の水素ステーションの建設工事に着手し2014年12月に関東初の商用ステーションとして「練馬水素ステーション」を開所、2016年1月には「千住水素ステーション」を商用の水素ステーションに転用したほか、同2月には当社として埼玉県における初の水素ステーションとして建設を進めてきた「浦和水素ステーション」の営業を開始しました。
なお、練馬水素ステーションは、他箇所で製造した水素を受け入れて燃料電池自動車に充填する「オフサイト方式」を採用、千住および浦和水素ステーションは、現地で都市ガスから製造した水素を燃料電池自動車に充填する「オンサイト方式」を採用しています。
今後は、より安定的に水素を供給するため、水素ステーションの商用運転を通じた水素製造装置の効率的な運用やステーション間の連携などを図っていきます。
(2016年度末の日本における燃料電池車の普及台数 約1,800台、水素ステーション88ヵ所)
 

練馬水素ステーション 千住水素ステーション 浦和水素ステーション
練馬水素ステーション 千住水素ステーション 浦和水素ステーション


都市ガスから水素を供給するまで(オンサイト方式の水素ステーション)
東京ガスではCO2の排出量が少なく環境負荷の低い都市ガスの特性を活かして、都市ガスから改質する方法で水素を製造しています。
 
オンサイト方式の水素ステーション
(注)FCVの水素充填時、車載タンクの温度上昇を防ぐため、水素を冷却する装置 


水素関連技術の開発
東京ガスは、NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)事業である「水素利用技術研究開発事業」(2013〜2017年度)に参加し、燃料電池自動車用燃料水素を供給する水素ステーションの研究開発に取り組んでいます。この研究開発事業では、燃料電池自動車へ充填する燃料水素の品質管理手法の検討、水素充填量の測定精度の評価、乗用車以外の燃料電池バスや二輪車への充填方法の検討やこれらの方法に関する業界ガイドラインの策定、国際規格への反映などに取り組んでいます。また商用ステーションの効率的な運用方法の確立やメンテナンスコストの削減をめざした検討も進めています。
 
トヨタ自動車株式会社の燃料電池車MIRAI(ミライ)に充填
トヨタ自動車株式会社の燃料電池車MIRAI(ミライ)に充填
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ガスコージェネレーションシステムの技術革新

発電効率・総合効率の向上
ガスエンジンの発電効率は、ミラーサイクル方式(注1)や気筒ごとの精緻な燃焼制御などによる技術開発の成果により、5,000kW以上の大型のものでは50%に迫る効率を実現しており、300〜1,000kWの中規模のものでも40%を超えるものが主流になるなど、従来に比べて大幅に向上しています。
2013年度には、定格出力500kW未満クラスのガスコージェネで世界最高水準となる発電効率41.0%、総合効率82.5%の新型機「XIA(クロッシア)」(390kW)を発売し、販売台数を伸ばしています。また、2014年度に市場投入した、定格出力1,000kWクラスのガスコージェネ「GS16R2」においては、さらなる性能向上開発により、クラス最高の発電効率42.5%、総合効率80.1%を実現した改良型を、2017年度から発売します。 
2015年度には、35kWの小型ガスコージェネについて、ストイキ燃焼方式(注2)採用による排熱回収量の増加や、熱交換器の改善による熱交換効率の向上によって、小型コージェネとしてはトップクラスの総合効率88%を実現した新製品を発売しました。 
ガスコージェネは環境性・省エネ性・BCPの観点から、お客さまからの期待が高まっており、経済性やエネルギーセキュリテイが向上することで広く普及することが期待されています。将来的には高温作動型の固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いることでさらに高効率なガスコージェネの実現が期待されています。
2017年3月末現在、東京ガス千住テクノステーションにおいて、数kW~数百kWクラスの業務用燃料電池(SOFC)の実証試験を各メーカーと推進しています。さらに、さまざまな業態の施設に設置することにより、実際の運用における耐久性や省エネ・省CO2の効果について評価を進めています。各メーカーは、2017年度中に商品化し市場導入することをめざしています。
(注1)シリンダーの圧縮比と膨張比が等しい通常サイクル(オットーサイクル)に対して、バルブのカム形状を工夫することで膨張比のほうが圧縮比より大きくなるようバルブが閉じるタイミングをずらした、熱効率の改善を狙いとしたしくみ
(注2)空気と燃料であるガスを余ることなく反応する濃度で混合して燃焼させる燃焼方式。現行のリーンバーン方式に比べて燃焼室内の燃料ガス濃度が高くなり、体積あたりの発熱量が大きくなるため、燃焼温度が上昇し、排熱回収量が増加しました。

ガスコージェネレーションシステムの発電効率
ガスコージェネレーションシステムの発電効率
 
荒川区公共施設における「5kW級業務用燃料電池実証試験」を実施
2016年3月に東京都荒川区の荒川総合スポーツセンターに5kW級業務用燃料電池を設置し、実証試験を実施しています。本実証試験は、東京ガスと荒川区が2015年末締結した「5kW級業務用燃料電池実証試験に関する協定」に基づき行われるもので、公共施設における5kW級燃料電池の実証試験は全国で初めての取り組みとなります。
業務用SOFCが発電した電気は、同センター1階フロアの照明に、廃熱はロッカー室のシャワー用温水の一部に使用されます。なお、実証試験の期間中は、業務用SOFCから生み出された電気の発電量を表示するモニターや温水に触れられるお湯の体験コーナーを設置し、低炭素社会の実現に貢献する燃料電池への理解を深める場として活用されます。
5kW級業務用燃料電池実証機の説明
5kW級業務用燃料電池実証機の説明

 
東京都交通局荒川電車営業所における「3kW業務用燃料電池実証試験」を実施
2016年3月に東京都荒川区の荒川電車営業所に3kW級業務用燃料電池を設置し、実証試験を実施しています。
当SOFCが発電した電気は、荒川電車営業所の執務室の照明に、廃熱は浴室のシャワーおよび給湯用温水の一部に使用され、省エネ・省CO2効果を検証しております。
これらの他にもさまざまな業態の施設に業務用燃料電池を設置し実証試験を推進しております。


 
世界で初・5kW級の小出力において発電効率65%相当を実証
高い発電効率を特徴とする固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」)の発電効率をさらに向上させる技術を開発し、5kW級の出力規模のホットボックスにおいて発電効率65%LHV相当(注3)を、5kW級の燃料電池として世界で初めて実証しました。
この高効率化技術は、投入した燃料をより多く発電に利用するためのSOFCスタックの二段化技術と燃料再生技術の2つの技術(下図)と、少ない未利用燃料において熱自立する技術の、計3つの技術を組み合わせることにより、その効果を実証しました。
(注3)発電システムとして構成した場合に、燃料電池を動作させるためのエネルギーを差し引いた、顧客が  利用できる交流送電端ベースの発電効率。補機損を6%, DC-ACインバーター損失を5%と想定。

ホットボックスの外観写真
ホットボックスの外観写真

投入した燃料をより多く発電に利用する技術の模式図

投入した燃料をより多く発電に利用する技術の模式図
出典:東京ガス株式会社

本技術をベースに、プロトタイプ開発に向けて研究開発をさらに進め、環境負荷の少ない都市ガスの高度利用を通じた低炭素社会の実現に貢献していきます。

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80%を超える“超高効率発電”に向けて〜燃料電池の効率を飛躍的に高める革新技術の理論設計に成功〜
九州大学次世代燃料電池産学連携研究センター(NEXT-FC)との共同研究で、高効率発電を特長とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電効率をさらに飛躍的に向上させる革新技術の理論設計に成功し、発電効率として80%LHVを超える“超高効率”が発現することをそのメカニズムとともに世界で初めて示すことに成功しました。本成果は、2015年7月に科学誌Nature姉妹紙のオンラインジャーナル『Scientific Reports』で公開されました。
このような超高効率で行われる化石燃料から電力へのエネルギー変換は、CO2の排出削減に大きく貢献し、環境性の高いスマートエネルギー社会実現に向けた基幹エネルギー技術として期待されます。また、“超高効率発電”では、発電時に発生する排熱が少ないため、熱の利用を必ずしも前提とする必要性がなく、市場適用性の極めて高い分散発電技術になると考えられます。

革新技術と発電効率向上のイメージ図

革新技術と発電効率向上のイメージ図
出典:東京ガス株式会社

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