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Electrical energy conversion of the low-temperature exhaust heat by CO2 hydrate heat cycle

Research Project

Project/Area Number 20H02675
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
Research InstitutionKitami Institute of Technology

Principal Investigator

Obara Shin'ya  北見工業大学, 工学部, 教授 (10342437)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 村田 美樹  北見工業大学, 工学部, 教授 (40271754)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywordsガスハイドレート / 蓄電池 / 物理電池 / 低温廃熱 / 小温度差発電 / 未利用エネルギー / 再生可能エネルギー / 廃熱回収 / 生成効率 / 熱・物質移動 / エネルギー変換 / 熱サイクル / ガスハイドレートサイクル / 低温廃熱利用 / ガスハイドレート熱サイクル / 解離膨張
Outline of Research at the Start

国内の1次エネルギー消費量のおよそ7割が、低温排熱(概ね200℃以下)として最終的に放出されている。本研究は、高温側の熱源として低温排熱、低温側の熱源として外気を用いて、これら2つの熱源から実用的な効率で電力を得るものである。そこで、数十度の熱源の温度差でガスの解離とハイドレートの生成を繰返す独自のガスハイドレート熱サイクルを構成し、この熱サイクルから仕事を得て電力に変換する。ガス(CO2)ハイドレート熱サイクルのガス解離過程で生じる、数MPaの高圧CO2から高効率で仕事に変換するアクチュエータ(膨張機)の仕様を明らかにする。発電効率20%以上の電力変換を得る。

Outline of Final Research Achievements

(1) The losses in the gas hydrate production process and in the expander by the proposed system could be improved, reducing the efficiency of the gas hydrate production process by 9% and the losses in the expander by 9%. As a result, the energy flow was as shown in Fig. 6 and the electricity output could be increased from 9.2% to 18.7%.
(2) The formation and dissociation of gas hydrates were investigated on the basis of test data on the structure of heat and mass transfer at the three-phase interface (water (liquid), CO2 (gas), hydrate (solid), heat transfer surface (solid) and carbon fibre supported catalyst (solid)) on the heat transfer surface of a heat exchanger.
In addition to (1) and (2) above, from the optimisation of the temperature and pressure conditions during the formation and dissociation of gas hydrates, a system with an overall efficiency of 54% could be developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

国内の1次エネルギー消費量のおよそ7割が、低温排熱(概ね200℃以下)として最終的に放出されている。この低温排熱を動力や電力に変換できたなら、温室効果ガス排出の大幅な抑制となる。本研究では高温側の熱源として上で述べた低温排熱、低温側の熱源として外気を用いて、これら2つの熱源の温度差から実用的な効率で電力を得られるかが社会的意義である。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Energy storage device based on a hybrid system of a CO2 heat pump cycle and a CO2 hydrate heat cycle2023

    • Author(s)
      Shin'ya Obara
    • Journal Title

      Renewable and Sustainable Energy Reviews

      Volume: 179 Pages: 113290-113290

    • DOI

      10.1016/j.rser.2023.113290

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Study on a carbon dioxide hydrate power generation system employing an unstirred reactor with cyclopentane2023

    • Author(s)
      Masahito Kawai, Shin'ya Obara
    • Journal Title

      Energy

      Volume: 230 Pages: 120822-120822

    • DOI

      10.1016/j.energy.2021.120822

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Storage and discharge efficiency of small-temperature-difference CO2 hydrate batteries with cyclopentane accelerators2021

    • Author(s)
      Jiyou Qin, Daigo Chinen, Shin'ya Obara
    • Journal Title

      Applied Energy

      Volume: 308 Pages: 118315-118315

    • DOI

      10.1016/j.apenergy.2021.118315

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] CO2 ガスハイドレート熱サイクルによる電力用バッテリーの開発2023

    • Author(s)
      頓宮大貴、髙木大夢、小原伸哉
    • Organizer
      第32回環境工学総合シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] シクロペンタン促進剤によるCO2ハイドレート生成状態の温度シフト2023

    • Author(s)
      頓宮大貴、小原伸哉
    • Organizer
      日本機械学会北海道支部 第60 回講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] CO2 ハイドレートバッテリーのエネルギー貯蔵モードの効率調査2022

    • Author(s)
      頓宮大貴、小原伸哉
    • Organizer
      令和4年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of Storage Battery Using CO2 Gas Hydrate Thermal Cycle2022

    • Author(s)
      Daiki Tongu、Hiromu Takaki、Sin`ya Obara
    • Organizer
      2022 IEEE International Conference on Power and Energy (PECon)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 北海道の地域特性を活かした再エネ利用システム2021

    • Author(s)
      小原 伸哉
    • Organizer
      脱炭素社会実現に向けた再エネ利用システムの研究開発に関する講演会、化学工学会エネルギー部会、
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] シクロペンタンCO2ハイドレート発電システムのエネルギー貯蔵特性2021

    • Author(s)
      川合政人、小原伸哉
    • Organizer
      令和3年度電気・情報関係 学会北海道支部連合大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シクロペンタン生成促進剤を添加した際のCO2ハイドレート生成量の調査2021

    • Author(s)
      頓宮 大貴 、小原 伸哉、 川合 政人
    • Organizer
      日本機械学会北海道支部 第59 回講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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