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2023 年度 実施状況報告書

急速蓄熱放熱が可能なPCM粒子を用いた流動層蓄熱部とバイオマス発電システムの構築

研究課題

研究課題/領域番号 22K04815
研究機関東京農工大学

研究代表者

伏見 千尋  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50451886)

研究分担者 能村 貴宏  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50714523)
池上 貴志  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70534460)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード蓄熱発電 / 流動層 / 相変化物質(PCM) / 変動制再生可能エネルギー / バイオマス発電
研究実績の概要

PCM粒子の流動層実験の前段階として、蓄熱・放熱用の反応としてMgO/Mg(OH)2系による水和脱水反応を選定し、実験室規模の流動層装置を用いて、水和反応と脱水反応を繰り返した際の放熱特性の評価を目的として実験を行った。現有している流動層装置で昇温可能な温度が約200℃であったため、まず低温(約110-130℃)の水和反応を行った。条件を複数検討した結果、水和反応時のガス流速、ガス温度、水蒸気分率、反応時間を選定した。その後、流動層装置の予熱部分を強化するべく大幅に改良を行った。その結果、流動層内の温度を約350℃まで昇温することが可能となった。
さらに、MgO/Mg(OH)2を用いた流動層蓄熱部を地熱発電のカリーナサイクルに組み込んだ場合のエネルギー効率と経済性を試算した。その結果、流動層蓄熱部のエネルギー貯蔵効率と初期投資額は基本ケースでそれぞれ86.8%と59 USドル/MJthであった。さらに平準化コストは、充電電力価格が0~0.042米ドル/kWhe の場合、それぞれ0.298~0.791米ドル/kWhe となった。
約738-758 ℃で高密度・高速で蓄熱できる新規潜熱蓄熱(PCM)粒子開発についての英語論文を出版した。さらにこの高温潜熱蓄熱粒子と同様の乾式製造方法で、約232度(Sn)で高密度・高速で蓄熱できる新規潜熱蓄熱(PCM)粒子の開発に成功し、成果を英語論文を出版した。
再エネ余剰量の地域偏在性により、火力発電に蓄熱設備を追加するシステムにおける蓄熱設備の最適な導入量は地域によって異なる。どの地域の設備にどれだけの容量の蓄熱設備を導入すると効果的かを分析するモデルを作成した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

1.約738-758 ℃で高密度・高速で蓄熱できる新規潜熱蓄熱(PCM)粒子開発についての英語論文を出版できたこと
2.上記の高温潜熱蓄熱粒子と同様の乾式製造方法で、約232度(Sn)で高密度・高速で蓄熱できる新規潜熱蓄熱(PCM)粒子の開発に成功し、成果を英語論文を出版できたこと
3.伏見研究室で保有している流動層の大幅改良を行い、これまでは200℃までの昇温であったのを約350℃まで昇温可能なようにすることができたこと
4.バイオマス電力システムモデルに組み込んだ際の経済性を英語論文に出版できたこと。
5.類似の系として流動層蓄熱部を地熱発電所に統合した際の経済性の評価について、英語論文にまとめることができたこと(論文はQ1 journalに投稿中)
から今後の研究のさらなる広がりが見えたこと。

今後の研究の推進方策

・作製したMEPCMを改良した流動層に用いた非定常蓄熱の実験を行う。担当者を倍増にして加速を図る。
・上記の実験結果について、英語論文で出版することを目指して研究を推進する。
・流動層の熱制御を2023年度よりもさらに高度にすることにより、より実際の運転に近い状況での流動層蓄熱器の性能評価を行う。
・火力発電、バイオマス発電、地熱発電、廃棄物発電システムそれぞれの観点で流動層蓄熱部の運転方法の調整を行う。さらにエネルギー効率と経済性評価を合わせて行う。

次年度使用額が生じた理由

研究室保有の物品を最大限再利用したため、結果として消耗品費が予想よりも少なく済んだため。繰り越した金額については、2024年度の実験で必要な消耗品および論文掲載料に充当する予定である。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] High-temperature ternary Cu;Al alloy as a core;shell microencapsulated phase change material: fabrication via dry synthesis method and its thermal stability mechanism2024

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Aoki, Melbert Jeem, Yuto Shimizu, Takahiro Kawaguchi, Minako Kondo, Tomokazu Nakamura, Chihiro Fushimi and Takahiro Nomura*
    • 雑誌名

      Materials Advances

      巻: 5 ページ: 675-684

    • DOI

      10.1039/D3MA00788J

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Shell-Driven Localized Oxide Nanoparticles Determine the Thermal Stability of Microencapsulated Phase Change Material2024

    • 著者名/発表者名
      Melbert Jeem, Ryosuke Ishida, Minako Kondo, Yuto Shimizu, Takahiro Kawaguchi, Kaixin Dong, Ade Kurniawan, Yuji Kunisada, Norihito Sakaguchi, Takahiro Nomura
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 16 ページ: 3509-3519

    • DOI

      10.1021/acsami.3c17129

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy Efficiency and Techno-Economic Analysis of a Thermochemical Energy Storage System by Using a Fluidized Bed Reactor Integrated with a Steam Rankine Cycle of a Biomass Power Plant2023

    • 著者名/発表者名
      Takahito Yasui, Masahiro Aoki, Takayuki Uchino, and Chihiro Fushimi*
    • 雑誌名

      ACS Engineering Au

      巻: 3 ページ: 498-511

    • DOI

      10.1021/acsengineeringau.3c00029

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Energy Efficiency and Coast Evaluation of a Fluidized Bed Reactor using Cao/Ca(OH)2 Integrated with a Biomass Power Plant for Flexible Power Generation2023

    • 著者名/発表者名
      Chihiro FUSHIMI*, Takayuki UCHINO, Takahito YASUI
    • 学会等名
      Fluidization XVII
    • 国際学会
  • [学会発表] 余剰再生可能エネルギーの蓄熱と蓄熱発電の活用による電力需給調整運用への貢献効果の評価2023

    • 著者名/発表者名
      入倉優香, 池上貴志
    • 学会等名
      令和5年電気学会電力・エネルギー部門大会
  • [学会発表] 電力系統用蓄エネルギー設備の季節的な運用を考慮した最適設備計画モデルの開発2023

    • 著者名/発表者名
      林七音, 吉田優太, 木村圭佑, 池上貴志
    • 学会等名
      令和5年電気学会電力・エネルギー部門大会
  • [学会発表] 合金系相変化マイクロカプセルの開発とサーマルマネジメントへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      能村 貴宏
    • 学会等名
      第60回日本伝熱シンポジウム
    • 招待講演
  • [備考] 東京農工大学 工学部 伏見研究室

    • URL

      https://web.tuat.ac.jp/~cfushimi/

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公開日: 2024-12-25  

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