講演資料(PDF:2.1MB)

自然と共生するスマートエコアイランド種子島シンポジウム
～動き始めた大学等との連携による新たな可能性～
平成28年3月6日（日）15:05-15:35
ホテルニュー種子島 コンベンションホール
排熱を有効活用する蓄熱輸送システム
～再生可能エネルギーを貯めて（ストレージ）賢く（スマート）使う種子島～
総合機械工学科 教授
修士1年
中垣隆雄
藤井祥万
Copyright © Nakagaki Lab.
種子島のすばらしい恵み 「サトウキビ」
サトウキビバガスは極めて優良な再生可能エネルギー
 収集システム
△ 放置林地残材，間伐材など →広範囲に散在，集荷の仕
組みなし，収集に追加のエネルギー必要
○ 工芸農産物，畜産廃棄物など →比較的狭い範囲，加工
工場への既存の集荷システムがある
 発電の変動
△ 太陽光発電・風力発電 →お天気任せ，風任せ，調整力
として火力発電の焚き増し＋電力貯蔵（グリーンパラドックス）
○ バイオマス発電 → 能動的に負荷・太陽光・風力の変動を
カーボンニュートラルに調整可 （電力市場の完全自由化）
さらに排熱も利用できる．（コージェネレーションシステム）
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自然と共生 保存の知恵
一度に大量の恵み
貯蔵で平準化
食品の腐敗防止
風土に合った保存法
＝先人の知恵、文化
塩蔵(梅干し 7月)
糖蔵(いちごジャム 6月)
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乾季を乗り切る
乾燥(干し柿 12月)
発酵(鮒ずし)
冬を越す
燻製(鮭とば)
燻す知恵 (囲炉裏)
現状のエネルギーフロー
サトウキビ
製糖工場（冬～春）
精製糖工場
（大阪）
原料糖
バガス 電気
化石
燃料
熱
未利用熱
CGS
火力
発電所
電気
・・・
熱（約100℃）
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焼酎工場，澱粉工場など
（通年稼動）
製 品
未利用熱輸送システム
サトウキビ
製糖工場（冬～春）
精製糖工場
（大阪）
原料糖
化
石
燃
料
減
少
バガス
（乾燥後）
火力
発電所
熱
CGS
蓄熱輸送システム
電気
・・・
熱（約100℃）
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電気
焼酎工場，澱粉工場など
（通年稼動）
製 品
蓄熱技術 (Thermal Energy Storage)
冬
春
製糖工場
夏
秋
短期間に大量の排熱
熱需要地
（焼酎，澱粉等）
少ないが通年の熱需要
潜熱蓄熱
総蓄熱量
顕熱蓄熱[2]
化学蓄熱
水酸化マグネシウム
水，レンガ
Daily
[2]https://sustainable.stanford.edu/
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PCM
Weekly
Monthly
ゼオライト
Seasonally
蓄熱媒体と蓄熱密度
100
蓄熱媒体と相手方
(Adsorbates, Reactants)
Energy density [GJ/m3]
反応，吸着のいずれも
 ありふれていて
 安くて
 安全で
 そのまま捨てられる
ことが要件．
○水，CO2などが望ましい
材料のエネルギー貯蔵密度と作動温度の
関係
化学反応は生成物基準で、固体粒子空
隙率60％を考慮
亀山・加藤, ”骨太のエネルギーロードマッ
プ”,化学工業社 (2005)に加筆
Carbon
Ethanol
ターゲット温度域
100℃～350℃
10
Li4SiO4
Conventional upper limit NaF
H2O Vapor
LiOH CaCO3
LiF
MgCO3 Ca(OH)2
Mg(OH)
2
1
LiNi 5H6
H2O
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MetalHydride
Battery
Combustion
Chemical
Latent heat
Molten Salt
Adsorption
Silica gel
CaCl 28NH 3
Elithlitor
Ice
0.1
NiCl 26NH 3
Silica gel/H 2O
Zeolite
NaCl
Li-ion
Super AC/Ethanol
NaOH
Na2HPO412H 2O
n-Eicosane Na SO 12H O
2
4
2
n-tetraDecane
CaCl 6H O
2
300
400
2
600
800 1000 1300
Temperature [K]
身近な蓄熱技術
湯たんぽ（顕熱）
エコキュート（顕熱）
蓄熱式暖房機（顕熱）
目的は電力負荷平準化
保冷材（潜熱）
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エコアイス（潜熱）
大規模な蓄熱技術
エリスリトールによる潜熱蓄熱輸送
直接接触潜熱蓄熱技術を用いた熱輸送システムの開発，
神戸製鋼技報56巻2号(2006）
ソーラーレシーバー（溶融塩）
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ユングストローム式空気予熱器
高炉の熱風炉
（蓄熱レンガ，バッチ式）
商用例 トランスヒートコンテナ（三機工業）
コンテナ
世帯数 A重油
利用可
換算
換算
能熱量
種類
コンテナ
10ton/
15.2m3
GJ/台
世帯/台 L/台
エリスリ
トール
1.8
14
46
酢酸ナト
リウム三
水和物
1.3
10
33
ゼオライ
ト*
6.4
49
162
 いずれ冷める *密度 0.7ton/m3
 安価な燃料 蓄熱密度 0.8GJ/ton
熱損失 20%
と競合
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ゼオライト吸着・再生サイクル
製糖工場
熱需要地
再生過程
吸着過程
※雨濡れ厳禁！
吸着質の選択
0.25
吸着過程
吸着量 kg/kg
0.20
水
180°C
0.15
水の膨張
200°C
0.10
水蒸気
再生過程
0.05
0.00
0
20
40
60
80
水蒸気分圧 kPa
吸着等温線
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100
120
ゼオライトの破損防止 → 水蒸気
バガスの含水率と発熱量
・バガスの発熱量
高位発熱量（HHV）推定式 （ 化学工学会）
HHV=45.71・C - 2.70 [MJ/kg-dry] C : 乾燥状態での炭素分率
・CHN元素分析
CHN元素分析
C
46.12
H
5.687
N
0.1691
O
48.02
・含水率測定
乾燥状態：
HHV=18.4 [MJ/kg]
cf: 石炭 29
A重油 45.6
CHN元素分析装置
Weight, g
60
40
含水率44％
20
0
0
40
80 120 160 200
Time, min.
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電気炉
※乾燥させればバガス自体貯蔵可
✖焼却灰などの新たな問題
投入発熱量(Wet)
＝8.6[MJ/kg]
※差分は水蒸気の潜熱
で大気へ放散
→乾燥工程で増熱
バガス乾燥と蓄熱ユニット
バガス乾燥プロセス
ミルタービン（圧搾工程）
サトウキビ
ヤード
サトウキビ
ボイラ
バガスヤード
蒸気ヘッダ
G
効用缶 （５缶）
蒸気タービン
・・・
真空濾過器
バガス乾燥プロセス導入
~
~
結晶缶 （５缶）
蓄熱ユニット
・・・
~
~
連続沈殿槽
煙突
・・・
原料糖
電気集塵機
糖蜜
糖蜜輸送
港・大阪へ
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蓄熱ポテンシャル
31713
32000
42倍
蓄熱材の改善で
さらに増大可能
30000
熱量 GJ/year
10000
8949 需要側の12倍
8000
6082
6000
4000
輸送トラック
6ton/day
626×n
2832
2000
0
蓄熱
再生速度
蓄熱
ポテンシャル
考慮 ポテンシャル
現行プロセス
製糖工場
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再生速度
考慮
輸送
752
熱需要
バガス乾燥
焼酎工場
年間
1564
ゼオライトの吸着特性と発熱
𝑝𝑠𝑎𝑡 MPa
吸着水蒸気分圧p
800
600
400
利用可能熱量
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
飽和温度と
飽和水蒸気圧
0
qe
50
200
0
0
𝑇0
𝑤𝑒𝑞
100
200
温度𝑇𝑧 ℃
300
400
𝑇𝑧
𝑞𝑒 = 𝑞ƴ − 𝑞𝑧 = ∆𝐻𝑎𝑑𝑠 𝑤𝑒𝑞 − 𝑤0 − න 𝑐𝑧 𝑑𝑇
𝑇0
∆𝐻𝑎𝑑𝑠 = 𝑅𝑇 𝐶 − 𝑙𝑛 𝑝 吸着エンタルピー（4.4 MJ/kg）
𝑐𝑧 ：ゼオライト比熱（0.7 kJ/kgK ）
熱需要温度↗ 吸着水蒸気分圧p ↘
↓
利用可能熱量𝑞𝑒 ↘
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𝑤𝑒𝑞 kg/kg
吸着熱量𝑞 ́ kJ/kg
1000
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
100
温度𝑇𝑠𝑎𝑡
𝑝
𝑤𝑚𝑎𝑥 𝐾 𝑝
𝑠𝑎𝑡
=
𝑝
1+𝐾𝑝
𝑠𝑎𝑡
150
℃
200
Langmuir
isotherm
180°C
200°C
𝑤0
0
20 40 60 80 100 120
吸着水蒸気分圧𝑝 kPa
熱需要温度↗＝ゼオライト温度𝑇𝑧 ↗
↓
平衡吸着量𝑤𝑒𝑞 ↘＝利用可能熱量𝑞𝑒 ↘