2019 Fiscal Year Research-status Report
循環とエクセルギー地産地消を可能にするバイオマス活用の研究
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18K04463
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
高橋 達 東海大学, 工学部, 教授 (50341475)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 木質バイオマス / 循環 / 地産地消 / エクセルギー / エントロピー / カン / 熱利用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中国東北地方の住宅における床付けカンがつくり出す熱・空気環境の実態を把握するとともに、地域エクセルギーの有効な消費の条件を見出す検討を行なった結果、以下のことが明らかになった。
1)外気温が5℃以下の気候で、ワラの燃焼のみで室空気温度・MRTが20℃から26℃に保たれ、熱的不快が回避されている。燃料にはワラを使用しており、住まい手が所有する田からの供給で、暖房用燃料の全量について地産地消が成立している。
2)一次投入エクセルギーは、カン暖房が10.5GJ/week、蓄熱式薪ヒーター暖房が5.4GJ/weekである。燃焼効率が低く、蓄熱性などの性能改善が施されていないカンは、蓄熱式薪ヒーターのように、燃焼効率の向上を含めた改良が必要と考えられる。一次投入基準エクセルギー効率は、カン暖房で0.018、蓄熱式薪ヒーター暖房で0.105、バイオマス発電利用エアコン暖房の場合、燃料の輸送距離、発電効率によって値が変わるが、概ね蓄熱式薪ヒーター暖房と近い。以上のことから、バイオマス発電利用エアコン暖房は最もエクセルギー効率の高い暖房を実現できるが、現状での農家による電力会社へのワラの売り渋りまで考慮に入れると、カンを蓄熱式薪ヒーターのようにエネルギー性能を向上させて使用する方が実現性が高く、望ましいと考える。
木質バイオマス循環の作動物質の一つである木質バイオマスと他の典型的建材である鉄について酸化分解におけるエントロピーと化学エクセルギーの変化について考究するための熱力学的分析を行なった結果、次のことがわかった。木質バイオマスの場合、建材からの使用済み材がまだ酸化分解していないため、木材と同様に木質燃料も低エントロピーの材になっているのに対して、錆びて使用済みになった鉄材は高エントロピーの材なので、そのままでは活用できず、エントロピー低下のための再生処理に新たな資源消費を要する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画の中で掲げた研究項目は、①木材と鉄・セメントの生産・運用・廃棄に関するエントロピー解析、②各種エクセルギーの貯蔵・生成・消費の特性に着目した木質バイオマスの建材利用と熱利用の評価の二つである。
研究項目①については、木質バイオマスと鉄とで、酸化分解におけるエントロピー・エクセルギーの変化を分析することによって、典型的建材である鉄とは異なり、木質バイオマスは建材としては使用済みであってもエントロピーが低いままであることから、その再生処理とそれに伴う大きなエクセルギー消費を伴わないことが明らかにできた。
研究項目②については、木質バイオマスではなくワラという農産物バイオマスの伝統的熱利用システムである中国東北部のカン暖房について、昨年度の実測調査に基づきエクセルギ―の投入・消費過程に関する解析を行ない、その結果をまとめることができた。その結果、現状のカンでは著しくエクセルギー効率が低いこと、バイオマス発電利用エアコンが効率的ではあっても農家のワラ売り渋りという社会的課題があることから、ワラをブリケット化し、蓄熱式薪ヒーター相当にエネルギー効率を高めたカンによる暖房が最も望ましいという結論に至った。これは地域エクセルギーであるワラの有効な地域内消費の条件として、望ましい熱利用方法を見出したことを意味する。
以上から研究項目①のうち鉄と木質バイオマスとの熱力学的特性の差異が明らかになり、研究項目②のうちワラという地域内で生産されたバイオマスの化学エクセルギーが有効に地域内で消費されるための条件が中国東北部のカン暖房という具体例について把握できた。そのため概ね順調に研究活動が進展していると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
バイオマスは再生エネルギーの一つなので、住宅でその熱利用を相応に高い依存度で実現できれば、それはゼロエネルギー住宅と呼ばれるものになる。しかしながら、ゼロエネルギー住宅は住宅単体におけるエネルギーの自給自足を意味するだけなので、地域におけるバイオマス・エクセルギーの生産（供給）に伴う化石エクセルギー消費は想定外になる。そこでバイオマスが生産される地域において有効なエクセルギーの生産・消費の条件を見出すために、住宅におけるバイオマス暖房について、森林組合のバイオマス燃料の生産過程におけるエクセルギー消費特性の違いや、暖房方式の違い（電気式、木質ヒーター式）、燃料の種別（薪、チップ、ペレット）などを媒介変数にしたエクセルギー解析を行なう。
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| Causes of Carryover |
2018年度予算からの繰り越し金が130,421円あり、2019年度のそれは94,627円になっている。2019年度から2020年度への正味繰越金35,794円は、予定していた物品費100,000円に対して、計測機器消耗品（センサープローブなど）の購入が不要になり、図書類のみにとどまったためである。
この繰り越し金を次年度請求額に加算した使用計画は、エントロピー生成率最大仮説などの文献やその収集に要する費用にあてる計画である。なおエントロピー生成率最大仮説は次年度研究計画におけるエクセルギー解析、エントロピー解析における成果を充実させる上で重要な学理と考えている。
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