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2. 蓄電池の概要 (1) 蓄電池の種類蓄電池には 主に一次電池と二次電池があり a) 一次電池は 一度放電して使い切ってしまうと再び使用できないもの 再生利用できない ( マンガン アルカリ リチウム乾電池など ) b) 二次電池は 充放電を繰り返して使用できるもの再生技術により延命化が可能なもの

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蓄電池の再利用によるCO₂排出量の大幅削減

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川谷 勝俊・

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坂角 淳一

1新潟国道事務所 防災情報課(〒950-0912 新潟県新潟市中央区南笹口2-1-65) 昨今の高度情報化の進展は、電気への依存度が極めて高くなり、一瞬の停電・電圧低下も許されない。 そのため万一の停電時のバックアップ対策として設置されている蓄電池の役割がますます重要となるが、 この蓄電池は7~9年使用すると能力(容量)が低下するため、これまでは新品との交換を実施してきた。 しかし新製品を作るためのCO₂ 排出が地球温暖化に与える影響を考慮して、低下した能力を甦らせる 「蓄電池再生技術」を北陸地整管内で初めて導入し延命化を行った。これにより、産業廃棄物量も大幅に 低減でき、かつコストも新品交換費用の1/2程度で実施することができた。本論文は、この蓄電池再生 技術の概要と実施結果について報告し、今後の取扱いについて述べるものである。 キーワード CO₂ 排出量削減、コストダウン、産業廃棄物量低減、環境問題、再生 1. はじめに 私達は、災害の危険性が高い箇所については各種の観 測機器を集中的に設置し、常時24時間の観測を行うと ともに、整備された防災情報ネットワークを通じて、そ の情報をリアルタイムに中央機関はじめ関係先に発信し ている。また、関係機関との連携を強化し、住民の「安 心・安全」「防災・減災」に寄与している。(図1) こうしたネットワークは、地上系通信網と衛星系回線 により整備されているが、すべての電源の万一の停電 (計画停電含む)に備えてのバックアップ電源として蓄 電池が設置されている。 図2 図-2 今回蓄電池延命化対策をした箇所 (5箇所6施設) (1) 今回の新技術導入の着眼点 現代社会に欠かすことができない蓄電池に求められる ことは「ノー・モア」大量生産・大量消費・大量廃棄で ある。 ところが、日本では、年間約4,000万個の電池が 産業廃棄物になっているということや、すべて使用者の 費用負担で処分が義務付けられていることに加え、廃棄 による法的債務(マニフェスト発行・管理、専門業者へ の委託契約等)が厳しいといった制約があるため費用と 手間がかかるので「不法投棄が後を絶たない」 “廃棄しないで再利用できないか” 以下、新国管内使用の鉛蓄電池について記述する。 図-1 防災ネットワーク図 着眼点

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2. 蓄電池の概要 (1) 蓄電池の種類 蓄電池には、主に一次電池と二次電池があり、 a) 一次電池は、一度放電して使い切ってしまうと再 び使用できないもの・・・再生利用できない。 (マンガン、アルカリ、リチウム乾電池など) b) 二次電池は、充放電を繰り返して使用できるもの 再生技術により延命化が可能なものは、以下に示 す表-1の通りである。新国管内では主にMSE形が 多く使用されている。 図3 表-1 蓄電池の主な種類と期待寿命3) 写真-1 鉛蓄電池とアルカリ蓄電池の外観写真2) ⑵ 蓄電池の原理と特性 鉛蓄電池は、電気を貯えたり、放出したりする活物質 (極板の材料)として、正極には二酸化鉛(PbO₂ )、 負極には海綿状鉛(Pb)が用いられている。そして、 電解液である希硫酸(SO₄ )に浸されており、活物質 と電解液の化学反応を利用したものである。その構造を 図3に示す。 図-3 鉛蓄電池の構造例 a) 放電中の化学変化 図5 図-4 鉛蓄電池の化学反応の仕組み(放電時) 充電中の化学変化は、正極・負極ともに、放電中と 逆に変化し、硫酸基は電解液中に戻り、液は濃くなる。 長年充電と放電の繰返しをしていると、負極板上で硫酸 鉛の結晶が硬化していく。これがサルフェーションで絶 縁物である。 写真2 写真-2 活物質の形態(20%放電時)1) b) 充放電特性 鉛蓄電池の放電及び充電特性を図-5に示す。 図-5 鉛蓄電池の充放電曲線1) (電圧及び比重の変化) 即ち、端子電圧は放電開始直後から低下し、放電末 期には電圧は急速に低下する。これは、極板内部の硫 酸の枯渇や、活物質表面がサルフェーションで被覆さ れるためである。 一方、充電時の端子電圧の変化は、充電開始直後に 抵抗などにより急上昇し、円滑な充電反応を経た後、 電圧は急上昇して、水素及び酸素ガス発生の過充電領 域(水の電気分解を生じ電解液が薄まる)となる。 ⑶鉛蓄電池の劣化パターン 図-6 制御弁式据置鉛蓄電池の基本劣化パターン2) 正極 負極 鉛 アルカリ 形 ベント形 シール形

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a)正極板の劣化原因 正極板の劣化原因は、①活物質の軟化、②格子腐食な どであるが、シール形(密閉型)蓄電池の場合は、ベン ト形(開放型)に比べて、活物質の軟化は起こりにくく、 さらに格子の腐食や伸びも少ない。 b)負極板のサルフェーション 負極板のサルフェーションは、蓄電池を完全充電する ことなく、常時は部分的に放電した状態で使用する場合 に起きやすい。当該システムが管理電圧に達すると自動 的に充電を休止(過充電防止)する仕組みであり、蓄電 池は一部(数%程度)未充電部分を持ちながら運用され るため、極板上の活性部位の一部が未活性の状態を保ち ながら充電されている。従って、浮動充電(蓄電池に一 定電圧を加えて充電状態にしておく)下においてもサル フェーションが発生することになる。 このサルフェーションの生成過程を走査型電子顕微鏡 (SEM)で観察した結果を写真-3に示す。 写真-3 サルフェーションによる極板劣化経過4) (4)蓄電池の寿命の考え方 JIS規格では、定格容量の80%以下となった段階 を「劣化」と判定している。 図-7 蓄電池の使用期間と容量の関係2) 3. 劣化二次蓄電池再生技術の概要と実施結果 (1)本蓄電池再生技術はNETISに登録済 技術名称:劣化二次蓄電池再生技術 登録No:HR-090005-A 最終更新:2011.2.25 (2)概要 a)化学的劣化蓄電池を甦らせる技術 廃棄物処理している能力(容量)低下蓄電池を対象に、 充電と同時に高周波の電気パルスをサルフェーションに 照射して、結晶のイオン結合を分解・除去し、電解液内 に戻すことで、蓄電池の能力を定格容量の90%以上< 動力用は80%以上>に回復させる技術である。 b)物理的劣化蓄電池の回復は難しい 物理的劣化、極板腐食や破損、活物質の脱落、セパレ ータのずれ・破損などが発生している蓄電池は再生効果 が得られない場合がある。 写真-4 再生処理装置と容量試験装置4) c)劣化蓄電池再生フロー 図-8 再生作業フロー(標準) 図-8に示す通り、再生処理作業中の約10日間は、 同容量の仮設蓄電池を現地に設置し、切替・運用を行う ことから、電源システムに支障を及ぼすことはない。 d)サルフェーションの分解・除去経過観察 再生技術は、劣化原因であるサルフェーションを分 解・除去して新品同様にまで戻す技術であり、その過程 を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を写真- 5に示す。 写真-5 サルフェーションの分解・除去経過4) 参考に、サルフェーションの分解・除去と同時に、充 電によりガスが発生している状況を写真-6に示す。 写真-6 分解・除去中のガス発生状況(ベント形)4) 再 生 処 理 作 業

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e)蓄電池再生の実績 蓄電池再生は、2000年に製鉄業界から導入が始ま り、以降鉄鋼・電機・電力・鉄道・病院・情報通信・商 業ビル・工場・ホテルなど様々な業種で蓄電池再生が行 われてきた。最近では東北地整や自治体、オフィスビル、 劇場、TVスタジオなど幅広く行われている。こうした 中で、一番最初(約10年前)に再生したものが未だに 使用されており、トラブル等も報告されていない。 f)蓄電池再生後の追跡調査結果 ベント形(CS)蓄電池再生後、追跡調査を行った結 果は図-9の通りである。 図-9 再生実施後の容量追跡調査結果4) 平成12年に再生を実施(上段)し、4年と6年経過 時調査(下段:左・中)を経て、7年目に2セルの容量 低下が見られたので、再生済蓄電池と交換をした。 g)再生処理実施結果 図-10は、今回再生を実施した津川出張所のMSE -300*25セルの10時間率放電試験データである。 JIS規格による10時間率放電停止電圧は1.8Vで あり、この電圧まで低下したセルにより容量を判断する。 ここでは、セル番号のNo.10が466分、定格容 量の77.0%であったが、再生後は、567分に伸び、 定格容量の94.0%と、約20%回復が見られ、使用 期待年数としては、電池メーカーの交換推奨年数7~9 年に対して、6.6~8.5年が見込まれる。 (再生前) (再生後) 図-10 再生前後の放電試験データ比較4) 同様に、この容量試験装置(BDT)では、図-11 のように、各セル毎に再生前と再生後の容量比較を計測 しビジュアル化することもできる。 図-11 各セル毎の能力比較4) 4. 期待効果と新国管内での適用評価 (1) 環境負荷軽減への寄与 蓄電池再生再利用の大きなメリットは、図-12にイ メージとして示す通り、環境負荷低減(CO₂ 排出量削 減と産業廃棄物量低減)とコストダウンである。 図-12 蓄電池再生のメリット a)CO₂ 排出量の削減 地球温暖化防止に寄与する指標としてのCO₂ 排出 量ついては、図-13に示す通り、新品への取替に比べ て、再生利用では大幅に削減できる。 図-13 CO₂ 排出量の取替・再生比較4) 蓄電池再生には定格容量の5%程度の充電電流を24 時間流すため、使用電力量は次のようになる。 電気のCO₂ 換算係数は、電気事業連合会が公表して いるCO₂ 排出原単位412(g-CO₂ /kWh)を 使用すると、以下のとおりとなる。 500Ah*5%*2V*24H=1.2㎾h

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(試算条件) ・MSE―500Ah*54セル、設置後15年 で算出(初期設置に係るCO₂ 排出量も含む) ・蓄電池「取替」も「再生」も8年目実施とする ・新品のCO₂ 排出量(素材+製造段階)は、電 池メーカー資料による。([材料]3,677+ [製造]810=4,487㎏) 【新国管内での再生効果・・・CO₂排出量】 今回実施の6設備で削減効果を比較した試算結果は、 新品製造過程(素材+製造)でのCO₂ 発生量が2,8 51.8㎏に対して、再生時の電気使用分CO₂ 発生量 が11.9㎏となり、2,839.9㎏のCO₂ 排出量 の削減となる。 b)産業廃棄物量の低減 環境負荷低減にはCO₂ 削減と同時に、廃棄物量低減 も重要な課題であるが、図-14に示す通り、蓄電池の 再生利用により大幅に低減できる。 図-14 取替・再生の産業廃棄物低減量比較4) (比較例) 鉛蓄電池を約7年間使用し入替を実施した場合の比較。 ・排出される蓄電池の量:33.6トン ・使用年数7年で、再生率95%以上 ・再生による廃棄物低減量:31.92トン ・再生不可廃棄処分量:1.69トン 【新国管内での再生効果・・・廃棄物量】 今回実施の6設備で廃棄物削減効果を試算したところ、 新品総重量1,221.5㎏がすべて再生できたことか ら、廃棄物量は「0」となった。 c)コストの低減 新品か再生かを選定する上で、最も重要になってく るのはコスト比較である。図-15に示すのは下記の試 算条件を元に取替と再生のコスト比較をしたものである。 図-15 取替・再生のコストメリット比較4) (試算条件) ・対象蓄電池はMSE-300Ah*54セルで、 工場再生とする。 ・蓄電池再生費用は建設物価表示価格の40%、工 事費は(仮設蓄電池費用+入替費用+現場管理 費+運搬費+諸経費)とする。 ・新品蓄電池は建設物価表示価格の85%、工事費 は(労務費+入替費用+工具損料+現場管理費 +撤去電池処理費+運搬費+諸経費)とする。 【新国管内での再生効果・・・コストダウン】 今回再生した6設備すべてを新品に取替えた場合、総 費用が約7.6百万円に対して、再生費用の合計は約 3.5百万円(約46%)と大幅なコストダウンが図 れた。 d)再生利用のデメリット 蓄電池再生のデメリットとして「実施してみなければ 分からない部分がある」といったことが挙げられる。 事前調査では、使用年数、外観検査、電圧・内部抵抗 測定及び液比重測定(液式のみ)を実施し、再生可否判 断に供しているが、以下のように確定ができない。 ① 使用年数調査では、電池メーカー交換推奨年数当 たりが再生実施の目安で、寿命領域を超えて使用 されているものは再生率が悪い。 ② 外観検査でメーカー基準の「電槽、蓋などに亀裂、 変形、変色等の損傷及び漏液がないこと」となっ ており、外観異常が見られるときは再生不可能で あるが、この判定が難しい場合がある。 ③ 電圧測定では、寿命末期でないと電圧のバラツキ が顕著に現れず、全セル均一に劣化している場合 は判定が難しいが、あくまでも判定の目安である。 ④ 内部抵抗測定では、電池メーカーから示される警 告値及び寿命値に対して、どの位置付けにあるか を判定の目安にしているが、予算との絡みもあり 再生時期の判断が難しい。 図-16に見る通り、内部抵抗は使用年数ととも に上昇し、劣化様相に至ると急激に変化するた 1.2㎾h*54セル*0.412=26.7㎏ 再生利用によりCO₂排出量は166分の1に! 再生利用により1/2以上のコスト低減 再生利用により廃棄物量は約19分の1に!

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め、過去のデータを分析管理することが重要で ある。 図-16 使用年数と内部抵抗値の変化4) 但し、ベント形やアルカリ形では、内部抵抗測定は 可能であるが、寿命期の内部抵抗変化がシール形 に比べて小さいことから劣化診断データとして使 用することが困難である。 ⑤ 比重(シール形、アルカリ形を除く)で、電池メ ーカー基準値を大きく外れた場合は、そのセルの 能力回復は大きく低下するが、再生可否判断のた めの目安が確定できない。 5. 今後の課題 (1)追跡調査等による技術検証 2000年に本技術の開発が行われてから、据置用 蓄電池をはじめ、小型のUPS、フォークリフト用、 自動車用、ゴルフカート用等々、様々な用途に使用さ れている蓄電池が再生されている。これまでの実績の 中で、再生後容量試験において規定値以上に再生され た製品が納入されている例もある。ただ、再生実施後 の能力追跡調査を行うには設備停止、仮設蓄電池との 切替が絡んでしまうため実施が困難である。よって実 績データが少ない。従って、再生後の期待寿命と能力 の保証を確定付けるため、相互に協力し実施検証を行 っていく必要性がある。更に技術的に可能なのは、1 度再生した蓄電池を再び再生するということである。 しかし、未だにその実績はないため今後の課題である。 (2)蓄電池の延命化による3Rの積極的推進 資源循環型社会の構築、低炭素社会の実現を目指す ために必要な3R、即ち、Reduce(リデュー ス;廃棄物の発生抑制)、Reuse(リユース;再 使用)、Recycle(リサイクル;再資源化)の 対象として、これら蓄電池による延命化が3R推進目 的に合致したものである。国が率先して3Rを推進し、 検証結果の報告を行っていくことで、本再生技術が一 般的に広く認知され、多くの企業において再生蓄電池 の活用が促進されることを期待する。 (3)より積極的な活用に向けての各種条件整備 国としては、東北地方整備局で2004年から、 ダム管理事務所の水門等で、鉛蓄電池(MSE)の再 生実績を有する。本格的な取り組みはその後の検証が 行われ、その結果をふまえた上で、東北地方整備局管 内の国道事務所や今回新潟国道事務所で再生が行われ た。これらのデータ検証も行い、適用にあたっての仕 様を含めた標準化等の条件整備を行う必要がある。 6. おわりに 本論文では、北陸地方整備局管内で初めて適用した “蓄電池再生技術”について報告を行った。2008年 には米国における金融危機に端を発した経済不況が、瞬 く間に世界を席捲し、「100年に1度」という深刻な 状況に陥ったが見事に立ち直りの兆しを見せている。日 本では、この3月に東日本大震災が発生し、これまた 「100年に1度」の想定外災害と言われ、さらに放射 能による汚染も深刻な事態になっている。1日も早い収 束と復興に向けて一丸となって突き進まねばならない。 そうした中、「環境」は「グリーン・ニューディー ル」の言葉にも代表されるように、これらの困難から脱 出するにあたってのキーワードとしても注目される。日 本は京都議定書を基に、その後の気候変動枠組条約や生 物多様性条約など地球環境保全に関連した国際的な枠組 みの中で、より具体的に取り組まねばならないが、私達 も自らの固有技術に磨きをかけ、時代の変化や要望に的 確に応えるべく日常の業務に取り組んでいる。これから も着実にその歩みを進めていきたい。最後に、新潟国道 事務所では、地球温暖化防止策の一環として「グリーン 庁舎基準」を策定し推進しているが、その「グリーン化 技術」による環境配慮度を再生蓄電池で評価すると、図 -17の通りである。 図-17 蓄電池の地球環境への配慮度 今後も、事務所が一丸となって環境負荷の低減に努 め、持続可能な社会の実現に貢献したいと考える。 文末になりましたが、本論文作成にあたり御協力 頂きました関係各位に感謝を申し上げます。 参考文献 1) 最新「実用二次電池」:日本電池編、日刊工業新聞社 2) 蓄電池設備整備資格者講習テキスト:社)電池工業会編 3) 電池メーカー「総合カタログ」 4) ㈱アビーズ及び㈱BRS事業PR資料 省エネ指針 S55以前 S55以降 蓄電池 評 価

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