2020 Fiscal Year Research-status Report
Optimisation of District Energy Distribution and Storage System by CO2 Network
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19K12432
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
天野 嘉春 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60267474)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 彬 早稲田大学, スマート社会技術融合研究機構, 次席研究員 (90707887)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | CO2ネットワーク / 地域熱供給 / システム最適化 / ヒートポンプ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は，論文１件，国際会議発表2件発表し，ジャーナルに1件投稿中となっている．
研究の主対象であるCO2を熱輸送媒体とするエネルギー供給システムの，未利用熱資源利用に伴う外部動力とCO2の搬送動力を含むエネルギー消費量を算出するモデルを構築した．そして，未利用熱資源の利用に必要な動力を含めて熱資源の利用価値をCO2削減量の観点から推定・評価した．その結果，都市部での既存地域熱供給先として想定した，典型的な熱需要プロファイルにおいて，全揚程が50, 10, 10 mの地下水，河川水，下水にはそれぞれ5,500 ton/y (46%), 4,690 ton/y (39%), 5,070 ton/y (43%)の年間CO2削減価値があることを確認した．
比較対象とした，個別熱源システムに対しては，1,360 ton/y (17%), 540 ton/y (7.0%), 920 ton/y (12%)の年間CO2削減価値があることを明らかにした．特に，河川水，下水を熱資源とする場合には熱資源と接続し，需要家へ熱を供給する中央プラントに接続する需要家内での分散ヒートポンプは，R410Aなどの既存のヒートポンプを熱的にカスケード接続する配置が最適となることを確認した．R410Aに比べてCO2は臨界温度が低く，夏期に分散ヒートポンプのCOP（正味冷房運転）が低下するため，夏期に比較的大きい温熱需要が冷熱需要と共存するホテル，病院を需要家とする場合，オフィス，店舗を需要家とするときと比べてより全揚程の高い熱資源を利用し，より長い搬送距離にまでCO2削減効果を発揮し得ることを確認した．
また，システム設計の一般化を目指し，作動媒体の異なる基本熱力学サイクルの合成によって，任意の吸収式サイクル（動力サイクル，冷凍サイクル）の構成最適化問題を統一的に記述した内容を，国際会議にて発表した．
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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
当初予定した内容について，概ね実施できた．
ただし，コロナウイルスの蔓延に伴い，参加した国際会議がオンライン開催となったため予定していた海外の研究者との直接の個別打ち合わせは，Face to Faceでは実施できなかった．論文内容についての，メールベースでの意見交換に限られた．
分散システム全体の運用可能性を評価する上で，ダイナミクスを含めた詳細な検討が不十分であった．このための，ダイナミックシミュレータを構築し，概ね評価を完了した．2021年度に幾つかのケーススタディでの評価に利用する予定である．
また，一般的な熱エネルギーシステムの複雑なサイクルを複数接続する系となる当該研究対象について，個別のシミュレーションモデルではなく，一般性のある熱力学サイクルの複数配置問題を，2種類以上の作動流体が混合・分離する，一般的な吸収式サイクルへも適用範囲を拡張した方法を明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
空間的に分散し，季節周期から1日周期にわたって時間的に変動する需要だけでなく，利用可能な熱資源の利用可能エネルギーも変動する．これに加えて，再生可能エネルギのピーク余剰を，適切なエネルギー形態において吸収・貯蔵・放出する効果を，研究対象とする地域エネルギー供給システムがどの程度発揮することが可能なのか，その能力を評価する．
同時に，システム最適化手法として，理論的な熱サイクルを複数配置・接続する系の，一般性のある熱力学的設計指針を明らかにすべく，任意の熱力学サイクルに適用可能な方法論と併せ，地域で未利用なエネルギー資源を面的に融通する，システム設計のためのフレームワークを提供することを最終目的としている．このため，未利用エネルギー資源のデータを整理し，一般性のある地域エネルギー共有のためのシステム構成手法を構築する．特に，第5世代地域熱供給システムとしての特徴をあわせもつ，本提案のCO2サイクルの利点・欠点を再検討して総合的な評価を与える．
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| Causes of Carryover |
研究補助賃金に研究費を充てていたが，実態に即した補助時間のため，端数が若干発生した．少額のため次年度に繰り越し使用する予定である．
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