トップページ北見工業大学学術機関リポジトリ（KITR）川合政人学位論文

(1)

CO

2ハイドレートの解離膨張特性を用いた発電シス

テムに関する研究

著者

川合政人

学位名

博士（工学）

学位授与機関

北見工業大学

学位授与番号

10106甲第157号

研究科・専攻名

寒冷地・環境・エネルギー工学専攻

学位授与年月日

2017- 03- 17

(2)

博

士

論

文

CO2

解

膨張特性

用い

発電

関

究

2016

12 学籍番号

1171400011

属

寒冷地

環境

学

攻

環境

学

(3)

Doctral thesis

Study on a power generation system

using dissociation expansion characteristics

of the CO2 hydrate

December 2016

Student ID number

1171400011

Affiliation Cold Regions, Environmental and Energy Engineering

(4)

CO

2

ハイ

レー

の解離膨張特性を

用いた発電システムに関する研究

-

1章緒言 ... 1

1.1 自然発電技術 ... 1

1.1.1 地球環境問 ... 1

1.1.2 問 ... 4

1.1.3 自然発電技術問点究例 ... 7

1.2 究着目点 ... 9

1.3 特性行究 ... 10

1.3.1 ... 10

1.3.2 CO2 ... 15

1.4 究目的意義 ... 17

2章 CO2 貯蔵特性 ... 21

2.1 解析方法 ... 21

2.1.1 CO2 生成速度 ... 21

2.1.2 高流体 ... 22

2.1.2.1 CO2 ... 22

2.1.2.2 液体水 ... 22

2.1.3 CO2 生成解要熱 ... 23

2.2 CO2 生成解実験... 24

2.2.1 実験装置 ... 24

2.2.2 実験方法 ... 26

2.3 結果考察 ... 28

2.3.1 CO2 生成解力変 ... 28

2.3.2 貯蔵特性 ... 33

2.3.2.1 CO2 吸 ... 33

2.3.2.2 貯蔵速度 ... 34

2.3.2.3 貯蔵 ... 35

2.3.2.4 貯蔵要熱 ... 36

2.4 ... 38

3章 CHEG CO Hydrate Engine Generator 開発 ... 39

3.1 CHEG 動的構築 ... 39

3.1.1 CHEG 関行究 ... 39

3.1.2 発電 ... 41

3.1.3 概要 ... 43

3.2 動的構成要素 ... 49

3.2.1 CO2 生成解応 ... 49

(5)

3.2.3 熱交換器系統 ... 58

3.3 生成応検証実験 ... 62

3.3.1 検証方法 ... 62

3.3.2 実験結果考察 ... 62

3.4 動的解析 ... 64

3.4.1 解析方法解析条件 ... 64

3.4.2 電力出力制御 ... 66

3.4.2.1 一定値制御 ... 66

3.4.2.2 電力荷変場合 ... 68

3.4.3 発電動特性影響 ... 71

3.4.3.1 発電 ... 71

3.4.3.2 熱媒体流物性 ... 77

3.4.3.3 熱交換器伝熱面積密度 ... 81

3.4.4 熱源温度発電発電効率及影響 ... 83

3.4.5 温熱源温度変場合貯蔵特性... 91

3.5 ... 94

4章結言 ... 95

記号表 ... 97

参考文献...100

謝辞 ...106

(6)

温室効果排出気候変動懸念石燃料代替開発

急い一方寒冷地冬期外気冷熱や暖器具排出

排熱利用豊富究代替

手法酸炭素 CO2 特異状態変用い利用

電力変換 CO2 発電機 CO2 Hydrate Engine Generator :

CHEG 提案 CO2 タン

一種 Sloan, 1990 生成解常温付近

温度差え力大く変いう特異状態変示 Sloan,

2003; Li et al., 2011 CO2 特異状態変熱

戸建宅暖器具温排熱や昼夜温度差利用

駆動非常ン発電構築能性あ

以う構成第1章自然既発電技術

問点い述既究究利用方

法遊い明陽風力潮力地熱及オ自然

発電 CO2 排出い気候変動抑制効あ

風力潮力及地熱資源偏い柳澤, 2014 述

自然い発電電力気象条件問解決

究屋 , 2014; 宇多川 , 2016; Liu et al., 2016; Shivashankar et al., 2016

行わい究自然寒冷地夜間外気

冷熱注目寒冷地外気貯蔵利用技術提案

無公害莫大得能

常温付近温度差え燃機関筒力変動 Charles,

1985; 寺地 , 2005; Navarro et al., 2013;山崎 , 2014 相当以大

力差得 Sloan, 2003; Li et al., 2011 20世紀中期以降

深海底堆積物中タン広くい能性指摘石

替わ燃料関心う例え , 2008; Kumar et al., 2015;

Makogon ,2010

燃料利用以外究例燃料貯蔵及輸送 Profio et. al.,

2009; Veluswamy et al., 2016 CO2 海底貯蔵 Kvamme et al., 2007; Yang, 2013 空調や

冷凍機蓄熱媒体活用関究 Marinhas et al., 2006; Mahmoudi et al.,

2016; Sun and Kang, 2016 報告い究然

然採掘 CO2海底固定時行う複合関究菅

原, 大垣, 2012; Koh et al., 2016 あ究提案う

熱利用発電開発行わいい

第2章 CO2 生成解実験貯蔵特性解析

い報告実験管熱交換器単水あ生

成調査貯蔵特性明結果 268 K 熱媒体

温熱源用い水 1 m3 CO2 8 時間生成

戸建宅 1日使用電力 10 kWh 半相当電力貯蔵

詳細述 268 K 298 K 熱媒体

管式熱交換器交互供給 CO2 生成解熱

連駆動方法い述

第3章 CHEG 発電出力制御方法開発目的 CO2

(7)

System : CHEG-BS い出力制御動的提案 CH

EG-BS 燃料電ッ発電 Obara, 2010 CO2 生成解

連行う連運転方式 CHEG Obara et al., 2011 戸建宅向

発電機燃料電 CHEG-BS ッ発電 Obara et al., 2014 関

究行わい過去究電力出力制御関検討

いい CO2 解発生力温熱

述排熱供給速度変従温熱供

給速度調整 CHEG 電力出力制御需給支衡維持

能 2 章述実験装置結果章結果比較 CHEG-B

S CO2 生成応妥当性調査次い述 C

HEG-BS 動的解析電力出力一定場合制御能電力範

定格電力対割合調査電力出力一定条件解析

CHEG-BS 単水当発電貯蔵要時間明

述 CHEG-BS CO2 生成応検討 CH

EG-BS 動的解析電力出力制御関調査い CO2

発電機動的出力制御方法関基礎的究原著論文

川合 , 2016 著 CHEG-BS 動的解析提案制御方法

電力出力任意目標値束発電示

第4章 CHEG 貯蔵手段十容持電力

衡補償寒冷地戸建宅向発電効あ

(8)

1

1 章

緒言

1.1 自然

発電技術

1.1.1 地球環境問

近特開発途国人増加著く 1.1.1-1 う世界

人 2050 97 億人遉予想い United Nations, 2016;

総務省統計局, 2016 人増加や経成長伴う需要拡大

1.1.1-2 示う々石燃料消費増え特 2000

代以降洋地域増加目立い BP, 2015 現 1 次

消費確採埋蔵計算採数石

52.5 石炭 110 然 54.1 地球規模

石燃料枯問や資源価格安定深問あ BP, 2016

1.1.1-3 示う原埋蔵半数中東地域確

資源庁, 2016a 産出地域攢治情勢燃料供給大

影響及懸念石燃料使用時排出

CO2 1.1.1-4 示う需要増え地

球温暖原因い環境省, 2016 地球均地気温 1861

以降昇 20 世紀中 0.6 度昇気象庁, 2016a 斐急

対策行わ世紀均気温 2.6 4.8 ℃ 昇

伴い海面 0.45 0.82 m 昇予想い気象庁, 2016b

述う気候変動生場合陸地海洋炭素吸気候

一定場合比減少大気中 CO2 増加進

報告い気象庁, 2016b 地球規模 CO2 排出

(9)

2

1.1.1-1 世界人推移 United Nations, 2016

1.1.1-2 世界一次消費推移 BP, 2015

0 2 4 6 8 10 12 14

1950 2000 2050 2100

P op ulat ion [ 10 9] Observed Median

95% prediction interval

Year 0 100 200 300 400 500 600

1965 1975 1985 1995 2005 2015

Asia Pacific

Africa

Middle East

Europe & Eurasia

South & Central America

(10)

3

1.1.1-3 世界原確埋蔵 2014 資源庁,

2016a

1.1.1-4 起源酸炭素排出推移環境省, 2016

47.7%

33.1%

8.3%

7.6%

2.5% 0.8%

Middle East

Americas

Former Soviet

Africa

Asia Pacific

Europe

World total

2.73 ×

10

11

m

3

R/P : 52.5

0 5 10 15 20 25

1990 1995 2000 2005 2010

Brazil Canada

Japan Russia

India EU

United States China

(11)

4

1.1.2 問

日資源輸入依特石中

東大く依い国 1 次供給関

世界情勢変動務省, 2016; 資源庁, 2015 一方

ンい多く供給国攢治情勢安定結果日

原子力発電入進い成 23 3 11 日

発生東日大震災東京電力福島第一原子力発電故

全国原子力発電稼働数大く

1.1.2-1 示う電気料金昇生海遈電力, 2016

1.1.2-1 海遈電気料金推移実線：従電破線：電動

力海遈電力, 2016

日消費々増加 CO2排出削減向対

策急務あ 1.1.2-2 部門消費比率あ

資源庁, 2016b 産業部門消費減少い

対輸送務家庭部門消費増加見

特家庭部門一戸当消費部門比少

いわ約 2 倍増加率示家庭部門

消費削減い課あ 1.1.2-3 地域家庭

12 14 16 18 20 22 24 26

1995 2000 2005 2010 2015

Meter-rate lighting

Low-voltage power

E

le

c

tr

ic

p

o

w

e

r

ra

te

[

Y

e

n

/

k

W

h

]

(12)

5

消費宅形態表示井 , 2008

海遈地方戸建宅消費際立い暖

消費多指摘冬季暖機器多消

費主要因い海遈地方い戸建宅

合宅大く遊い理合宅戸建宅

方 1 世帯当延床面積世帯人数多い影響い

考え次節課解決手段再生能

入場合効果問点い検討

1.1.2-2 日部門消費比率

資源庁, 2016b 0

2 4 6 8 10 12 14 16

1973 2011

E

ne

rgy

co

ns

umpti

on

[

10

12

M

J

]

Year

Household 14.2 %

Industrial

42.8 % Office

19.6 % Transportation

23.3 %

16.4%

9.2% 8.9%

65.5%

(13)

6

1.1.2-3 地域宅形態世帯当消費及影響

井 , 2008

0 20 40 60 80 100

Hokkaido(detached house ) Hokkaido(apartment house ) Kanto(detached house ) Kanto(apartment house ) Chugoku(detached house ) Chugoku(apartment house ) Kyushu(detached house ) Kyushu(apartment house )

The energy comsumption [GJ/household・year]

R

e

g

io

n

(14)

7

1.1.3 自然

発電技術

問

点

究

例

多く自然発電運転中 CO2 排出い気

候変動抑制効あ風力潮力地熱資源

偏発電施設設置場や規模決定慎行う必要

あ柳澤, 2014 特地熱発電調査開発段階坑井多数掘削

必要あ費用坑井 1 当数億要地熱発

電山間部建設送電線建設多費用要初

期高い NEDO, 2016a 陽発電発電電力

気象条件 1.1.3-1 陽発電発電電力時間変

例 Shimomachi et. al, 2011 あ候発電電力大く変

風力発電陽発電様気象

陽及風力発電電力大系統

接既発電出力制御電力需給衡補償く

恐あ問解決究行わい屋 ,

2014; 宇川 , 2016; Liu et al., 2016; Shivashankar et al., 2016 オ

資源大い散い輸送

課あ燃料使用行う前処理

増加 NEDO, 2016a オタ食料物

オ燃料生産場合食用物維持

オ燃料生産現広い農地確保必要あ

森林伐採生態系影響や保水力水資源

足懸念

究自然寒冷地夜間外気冷

熱注目夜間冷熱場や宅陽温熱温度

差発電石代替効あ技

(15)

8

1.1.3-1 候発電電力変例 Shimomachi et.al, 2011

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

0 4 8 12 16 20 24

Location : Hakodate

Rating output of electric power : 10 kW Installation area : 72 m2

26th May, 2009

(Mostly sunny)

13th Sep., 2009

(Cloudy)

4th Oct., 2010

(Cloudy w ith intermittent rain)

O

u

tp

u

t

o

f

e

le

c

to

ri

c

p

o

w

e

r

[

k

W

/m

2]

(16)

9

1.2 究

着目点

究 1.1.3 節述外気冷熱含常温付近利用

特異状態変利用発電方法

1.2-1 CO2 例 Sloan, 1990

示う任意温度相衡力以保場合生成

種類常温付近温度差え

燃機関筒力変動 Charles, 1985; 寺地 , 2005; Navarro et al.,

2013; 山崎 , 2014 相当以大力差得 Sloan,

2003; Li et al., 2011 相衡力気体種類大く異 CO2

場合 1.2-1 示う相衡曲線 273 K

283 K 10 K 温度変 3.2 MPa 力差 CO2

解時最高力生成時最力差得

戸建宅排出温排熱夜昼温度差陽熱や地熱

自然わ温度差生

成解熱駆動非常ン発電

構築能性あ次節究着目

い特性行究い述

1.2-1 CO2 力温度特性 Sloan, 1990

0 1 2 3 4 5

250 260 270 280 290 300

Phase equilibrium curve of CO2hydrate

Formation

Dissociation

P

ressu

re

[

M

P

a

]

(17)

10

1.3 特性

行

究

1.3.1

気体子水子固体物質あ

1.3.1-1 CO2 例示う水子く籠構造中

気体子込包接水和物一種

あ込気体子子呼

外観 1.3.1-2 示う似い然タンタン

酸炭素気体子子持多く総

称呼構造形成子包接

生成呼構造解消子攡出

解呼子遊い 1.3.1-3

示 3 種類籠構造形成込気体子決定

Structure 1 5 角形組合わ 12 面体 S-cage 5 角形 6 角形

組合わ 14 面体 L-cage S-cage 2 個 L-cage 6 個単格

子構成単格子構成子数水子 46 個

子包接 cage 8 個 8 個子込

式 1.3.1-1 水和数 � 5.75 StructureⅡ Structure H 水和数

い 5.67 あ

子十水中溶解生成状

態条件維持生成 1.3.1-4 各種

温度相衡力関示い相衡力曲線境界

温度高力領域生成生成

状態高温度力領域移動解

高攡出攡出力温度相

衡力遉解く

関究 1810 塩素 1888

タン発見タン資源開発

究ンソ , 2016 1934 ン閉塞

1.3.1-Guest + � H O

i

→ ←

i i i

(18)

11

2 原因生成あ発見

関究初期生成抑制

目的生成条件関多く実験行わ

20 世紀中期以降深海底堆積物中タン広くい

能性指摘資源関心う

例え , 2008; Kumar et al., 2015; Makogon ,2010 述

うタン石燃料代替利用期

生成解熱利用発電試

究利用方法的異

現行わい燃料利用以外究例

燃料貯蔵及輸送 Profio et al., 2009; Veluswamy et al., 2016 CO2 海底

貯蔵 Kvamme et al., 2007; Yang et al., 2013 潜熱大

着目空調や冷凍機蓄熱媒体活用関究報

告い Marinhas et al., 2006; Mahmoudi et al., 2016; Sun and Kang, 2016

究 1.3.1-5 示う然

然採掘 CO2 海底固定時行う複合関

究菅原, 大垣, 2012; Koh et al., 2016 あ多く

生成実験記憶効果あ考え

い島 , 大垣, 2009 効果過去生成解

経験い水再度生成能条件置

短い時間生成現象あ現象水液

相中構造一部残次生成容易

あ考えい大 , 森, 1999

関行究調査結果究提案う

熱利用発電開発行わ

(19)

12

1.3.1-1 CO2 構造 Sloan, 1990

1.3.1-2 ン中生成 , 2008

Oxygen

Hydrogen bond

(20)

13

1.3.1-3 構造 Ripmeester, 2000

1.3.1-4 各種相衡力 Sloan, 1990

0.1 1 10

250 260 270 280 290 300

Propane Ethane Carbon Dioxide Methane Nitrogen

4.4 MPa / 283 K

1.2 MPa / 273 K Melting curve of water

P

ressu

re

[

M

P

a

]

(21)

14

1.3.1-5 然然採掘 CO2貯蔵時行

(22)

15

1.3.2 CO

2

節 CO2 基的特性行究い述

CO2 CO2 子包接

一種構造 Structure 1 あ究生成 CO2

筒容器出様子 1.3.2-1 示 CO2

外観白いうあ筒容器純水 CO2 初期力 3 MPa

充填夜間外気均気温 -1.4 ℃ 冷却生成

式 1.3.2-1 CO2 生成解応学論式

Sloan, 1990 あ

� 水和数充填率 1 単格子構成 8 個 cage

CO2 包接状態場合 5.75 あ現実

充填率 1 く水和数 7 8 前あ

報告い Sum et al., 1997; Ripmeester and Ratcliff, 1998; Ratcliffe

and Ripmeester, 1986; Uchida et al., 1995 生成応 CO2

包接 CO2 理論値水 1 g 対約 216 ml 標準状態

換算あ水 CO2 溶解場合 298 K 101.3 kPa 220 倍

いう高い値示 CO2 比生

成水和数変充填率 1 場合比海水

大く 1.1 前あ Teng et al., 1996; 大垣, 濱中, 1995

CO2 生成速度融解温度温度力条

件生成速度比斐い報告い Kawamura et al., 2002

1.3.2-2 CO2 生成速度注目実験解析結果

あ縦軸包接 CO2 生成開始前水比あ生成温度

タ融解温度い温度計 3 点比較

い融解温度 CO2 生成中白抜

四角印い温度生成場合白抜丸印角印

比単時間多く CO2 包接い

CO2 生成熱生成熱大い

生成表面温度局的高く表面水子

液体近い状態 CO2 吸成長進

CO + � H O

i

→ ←

i i i

(23)

16

あ考えい川 , 2001

究提案発電方法 CO2以外能

あ燃性生成温度域力比較的く安全あ

い特性考慮 CO2 選択

1.3.2-1 究生成 CO2

1.3.2-2 CO2 生成特性 Kawamura et al., 2002

0.10

0.06 0.08

0.04

0.02

0.00

600 1200 1800 2400 3000

272 K 271 K 268 K Experimantal

(Kawamura et al., 2002)

272 K 271 K 268 K Delocalization model

M

o

le

o

f

C

O2

c

o

n

s

u

m

e

d

/

m

o

le

o

f

in

it

ia

l

H2

O

(

/

)

Time [ s ]

(24)

17

1.4 究

目的

意義

究目的利用活用新発電方法開発

あ発電方法特異状態変着目

究提案用い発電常温付近数十

K 程度温度差動作現利用いい品排熱や外気温度

差利用発電能考え究

CO2 対象発電検討

行い CO2 特異状態変用い利用電力

変換 CO2 発電機 CO2 Hydrate Engine Generator :

CHEG 提案

CHEG 競合温度差熱源発電技術一機ン

ン Organic Rankine Cycle : ORC あ CHEG ORC 比

優特徴あ ORC 概要以示 ORC

機器構成熱出入 1.4-1 T-h 線熱

1.4-2 示 1.4-1 中数 1.4-2 熱各点対応

い ORC ンや炭水素水点く蒸発潜熱

い作動流体用い特徴ンンあ凝

縮器出 1 温度液相い動作流体ン縮

1 → 2 蒸発器送蒸発器飽和蒸気 2 → 2’ →

3 動作流体タン断熱膨張 3 → 4 機械行う

タン出動作流体凝縮器冷却 4 → 4’’ → 1 温度

液相始状態戻

ORC 使用作動流体以述理通常

ンン作動流体使用水温熱源動作

適い第一 ORC 使用作動流体蒸発潜熱い

温熱源飽和蒸気発生やい 1.4-2 ORC 作動

流体使用 R245fa 水熱示各熱

2’ → 3 ンタ差蒸発潜熱表水比

R245fa 一温度蒸発潜熱大幅い第

一温度飽和蒸気力密度水比大い作

動流体流タンや配管寸法型

究扱う CHEG 第一特徴 ORC 比温度い熱

源対応あ 1.4-3 ンン使用作

(25)

18

値 NIST REFPROP NIST, 2016 用い計算 1.4-3

う水やタ比ンやンニ温度領域

比容積く温度熱源使用適い

温度い作動流体比容積増大ン

R245fa 場合 373 K 273 K 比較比容積 22.6 倍増

え比容積増加タンや配管寸法増加過去

究報告 ORC 熱源温度限 350 K あ Lecompte et

al., 2015

一方 1.4-3 黒色丸印 CO2 解膨張時温度

力 1.2 節述 283 K 解膨張際力あ 4.4 MPa

比容積示い CO2 解膨張時高

比容積 ORC 一般的温度域ンやンニ動作

際比容積等以あ従 CHEG 従来 ORC

適用いい熱源温度域あ 350 K 以い発電行う新

発電期

CHEG 第特徴発電貯蔵機能併持あ

ORC 含通常熱機関高温熱源温熱源時供給

必要あ 1.4-1 対 CHEG 温熱源高温熱源

時必要い温熱源 CO2 生成

貯蔵高温熱源生高解発電

時間的替え行うッチ運転能あ従 CHEG

夜間外気冷熱貯蔵行い日中暖給湯機器排熱

発電行う

以検討踏え特異状態変用い利

(26)

19

1.4-1 機ンン構成

1.4-2 T-h 線機ンン作動流体：R245fa 水

ンン比較細い実線細い破線

R245fa 水飽和線示いい実線い破線

R245fa 水熱示い

1 4 3

2’

2

～

Evaporator

Pump

Turbine Generator

Condensor

4’’

270 320 370 420 470 520 570 620 670

0 500 1000 1500 2000 2500

Te

m

pe

ratu

re

[ k

]

Enthalpy [ kJ/kg ]

1,2 2'

3

4'' 4

4

3 Water

(27)

20

1.4-3 ンン使用作動流体温度比容積関

機ンン熱源温度 350 K 以あ

丸印 CO2 解膨張条件 CO2 比容積あ

ンニやン R245fa 機ンン使用

温度域 350 K 以比容積等あ

0.001 0.01 0.1 1 10 100

270 290 310 330 350 370

Sp

e

c

ifi

c

v

o

lu

m

e

[

m

3/k

g

]

Temperature [ K ]

Water

Ethanol

Isopentane

R245fa

Ammonia

(28)

21

2 章

CO

2

貯蔵

特性

章 CO2 生成速度解貯

蔵い調査 CO2 密度単水当

貯蔵明

2.1 解析方法

2.1.1

CO2 生成速度

CO2 成長速度計算 Englezos-Bishnoi

Englezos and Bishnoi, 1988 入羽 , 2004

成長消費あンン時 CO2

� 時点容器水数 � 比例

CO2 水接触面積水比例仮定式 2.1.1-1

う表 �′ � 生成応開

始前初期水生成力相衡条件力総合速度定数水和数

あ

�′₍ ₋ ₎ _� 一定あ仮定式積

次式得

生成過程調査生成

CO2 溶解補式(2.1.1-3) 示

生成時点水溶解い CO2 数 ℎ 以

式得生成時水和数あ

�_{= �}_′₍ ₋ ₎

� = �′( − )( − � �) 2.1.1-1

�

= � { − −�� ′ (�e −�e ) �_} 2.1.1-2

�

= ℎ { − −ℎ� �′_(�_e _−�_e _{) �}

(29)

22

完成水 1 入 CO2 数

生成時点水 1 入 CO2 数あ水和数 � 羽

実験 8.13 得い羽 , 2001 ℎ 各条件異

式 11 あ

2.1.2

高流体

2.1.2.1

CO2

膨張チタ変換式(2.1.2.1-1)

示断熱変過程計算式入

C 2�C� 2 = � (2.1.2.1-1)

C 2 �C 2 CO2 力容積比熱比

あ CO2 チタ入状態 i �i 出状態

� 遉際断熱膨張仮定場合

i i CO2 断熱的 CO2 チ

タ出温度以式計算

= i( i)

�−

� _(2.1.2.1-2)

CO2 膨張得 C

2 以式計算

C 2 �C 2 CO2 質定数あ

C 2 = C 2

�C 2

− i− (2.1.2.1-3)

水蒸気い述計算方法様得

2.1.2.2

液体水

状態 i i 高水変際以式

(30)

23 計算

= �� ∆ i− (2.1.2.2-1)

�� 水体積 ∆ i− 動作点 i o 力差あ

密閉空間 CO2 解各水力

昇得式(2.1.2.2-2) 示う式(2.1.2.1-3) 式

(2.1.2.2-1) 合計あ式(2.1.2.2-2) 辺水蒸気

断熱あ

= C 2+ + (2.1.2.2-2)

発電機除くチタ機械効率発電機効率

発電機電力出力以式計算

= (2.1.2.2-3)

2.1.3

CO2 生成解要熱

ンン時 CO2 生成解要熱

̇ � 水 CO2 顕熱 ̇ � ̇C

2 � CO2 潜熱

̇ � 和あ式 2.1.3-1 得 C

2

水 CO2 比熱あ � C

2 � ̇ � ∆ �

ンン時水質 CO2 質水

質変 CO2 温度変あ CO2

潜熱 ∆� 500 kJ/kg あ羽 , 2004

̇ � = ̇ �+ ̇C 2 �+ ̇ �

=( � + C 2 � C 2)∆ �

∆ + ̇ �∆�

(31)

24

2.2 CO

2

生成

解

実験

2.2.1

実験装置

2.2.1-1 CO2 解生成調査実験装置概要

あ 2.2.1-1 (a) 示う実験装置管熱交換器

管冷却用加熱用熱媒体供給純水 CO2 外管管間

空間充填以空間試験述試

験容積 100 cm3 あ管質ン鋼

あ外管外 25.4 mm 21.2 mm 管外

12.8 mm 10.2 mm あ 2.2.1-1 (a) 外管長 450 mm

あ 2.2.1-1 (b) 示う実験装置 CO2 試験

置換用 N2 供給熱媒体出入温度

ン K 型被覆熱電対設置各温度測定力ン用

い試験力測定 2.2.1-1 (a) 試験

3 MPa 以高回実験試験水

CO2 CO2 温度直接計温度ン

(32)

25

2.2.1-1 実験装置

Po

Input of heat medium

Carbon dioxide Exhaust

Outer tube Inner tube

Pure water

Ti,in Ti,out

Output of heat medium

(a) Test heat exchanger

Coldness-and-warmth

water circulation equipment

Ti,in Ti,out

Po

N2

CO2

Cylinder

Test heat exchanger

(b) Test equipment

Pressure governor

Test space CO2

Open valve T: Thermo couple

P: Pressure gauge

T : Thermocouple P : Pressure gauge

CO2 Test space Open valve Exhaust Outer tube Inner tube Pr Thm,o T_hm,i Pure water CO2

Input of heat medium Output of heat medium

(a)Test heat exchanger Pressure governor Cylinder Coldness- and-warmth water circulation equipment (b)Test equipment

Test heat exchanger Pr

T_hm,o Thm,i

CO2

(33)

26

2.2.2

実験方法

1.3.2節述う CO2 水溶解多い最初純水

入試験高 CO2 供給 30 攡置

解攡弁調整 CO2 力 3 MPa 調整試験 CO2

純水 50 cm3 充填述操作行以述

種類実験行回実験 CO2 生

成解要熱十供給

(1) 長時間実験 Experiment A

Experiment A 温度 268 K 熱媒体管熱交換器管供

給生成行う生成時間生成力変明

熱媒体供給 16 時間以

(2)生成解繰返実験 Experiment B

Experiment B 記憶効果生成速度改善期

温度 268 K 298 K 熱媒体交互供給生成

解ッ数回繰返

2.2.2-1 CO2 長時間生成実験 Experiment A

生成解繰返実験 Experiment B 状態変予想あ

縦軸横軸試験力温度黒い実線 CO2

相衡力表い 2.2.1-1 (a) 示試験最

初 288 K CO2 純水入 2.2.2-1 点 a

表次管冷却熱媒体供給試験

CO2 純水冷却結果 2.2.2-1 示う各実験

(34)

27

2.2.2-1 予想力 ― 温度

6

4 5

3

2

0

253 263 273

P

re

s

u

re

[

M

P

a

]

283 293

Dissociation

Formation Melting curve

of water Water(s)

+ CO2hydrate

+ CO2(g)

Water(l) + CO2 hydrate

+ CO2(g)

Water(l) + CO2(g)

Phase equilibrium curve CO2hydrate

2

.2

M

P

a

0

.8

M

P

a Experiment B

Experiment A

1

(35)

28

2.3 結果

考察

2.3.1

CO2 生成解力変

2.3.1-1 長時間生成実験 Experiment A 実験結果あ横軸実

験開始時間縦軸試験力示い

生成操作熱媒体温度 268 K あ CO2 生成操

作 16 時間以 2.3.1-1 う長時間 CO2

生成実験生成開始 4 時間経過力

1.89 MPa あ対以降 12 時間 0.37 MPa 力

いい最初 30 間力速時間帯

比最大い

Experiment A 実験結果 CO2 生成伴う CO2 吸

計算結果 2.3.1-2 ッ実験結果文献

Kawamura et al., 2002 各結果い理文献 Kawamura

et al., 2002 各結果生成速度非常斐い考え

融解点値ああ生成速

(36)

29

2.3.1-1 長時間生成実験 Experiment A 結果

2.3.1-2 CO2 生成特性 Kawamura et al., 2002

0 1 2 3 4

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Time [ Hour ] Cooling 268 K

Formation

Pressure difference = 1.89 MPa

Pressure difference = 0.37 MPa

P re s s u re [ M P a ] 0.10 0.06 0.08 0.04 0.02 0.00

600 1200 1800 2400 3000

Present experiments 0.038 272 K 271 K 268 K Experimantal

272 K 271 K 268 K Delocalization model

M ole of C O2 co ns umed / mol e of init ial H 2 O ( )

Time [ s ]

(37)

30

理想気体状態方程式気体冷却縮力

Experiment A 結果気体縮力く

生成確縮力見積

CO2 代わ N2 使 CO2 生成操作様

実験行結果 2.3.1-3 示 1.3.1-4 示う

N2 生成 N2 相衡力 10 MPa

以あ実験条件 N2 縮力観察

2.3.1-3 1 時間冷却室温 283 K 自然攡熱初

期温度 283 K N2 冷却 2.3.1-3 最大 0.2 MPa

力見 2.3.1-1 実験力結果

生成力 CO2 冷却力

程度含い

Experiment A 力生成開始 4 時間以降鈍

生成速度生成応進行い示い

式 2.1.1-1 示う生成速度容器力

相衡力差応水比例起因生成

応進行容器気相部 CO2 吸

力時応水減少生成速度生

成応進行

2.3.1-4 短時間実験 Experiment B 実験結果あ横軸

実験開始時間縦軸試験力示い

生成操作熱媒体温度 Experiment A 様 268 K CO2

解操作熱媒体温度 298 K あ CO2 生成時

間 Experiment A 結果 1 時間設定 2.3.1-4 CO2

生成時間比解速度斐く 30 生成

開始時力昇い生成時間貯蔵要時間

対応 CHEG 実用際生成速度遅改善課

あ以生成速度高方法紹相

衡力曲線高温力側移動方法あ Matsumoto 水

ンタン C5H10 ンタン C5H8O オ

ンタン C5H9F 混合液 CO2 生成相衡力

高温側移動報告い Matsumoto et al., 2014

2.3.1-5 相衡力温度関示あンタン

ンタンオンタン加え CO2 相衡

力純粋 CO2 比高温側い

(38)

31

差比例従生成力相衡力差拡大生成速度

高く考え方法酸鉄や炭素生成応

触媒あ高畑酸鉄炭素混合物

ン粉タン生成応触媒使用実験

行い触媒加え添加場合比応速度増加報

告い高畑 , 2006 CO2 構造タン

Structure 1 あ様効果得考え Obara

et al., 2014 水撹拌や CO2 中水噴霧気

液接触面積拡大方法井 , 幸 , 2004 知い応

速度高動力消費方法究適いい究

目的 CO2 発電開発あ純粋

CO2 実験行う

Experiment A い CO2 生成力確

Experiment B CO2 対冷却加熱繰返

生成解力変行え実証

次節 CO2 貯蔵特性い検討

2.3.1-3 窒素温度変影響関実験結果

2 2.5 3

0 0.5 1 1.5 2

P

ressure

[

M

P

a

]

Time [ Hour ] Cooling 268 K

(39)

32

2.3.1-4 短時間実験 Experiment B 結果

2.3.1-5 純粋 CO2 ンタン C5H10 ン

タン C5H8O オンタン C5H9F 加え CO2

相衡力曲線

Sloan, 1990; Matsumoto et al., 2014 2

2.5 3 3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [ Hour ] Formation

Cooling 268 K

Dissociation Heating

288 K

P re s s u re [ M P a ] Formation Cooling

268 K

Dissociation Heating

288 K

0 1 2 3 4 5

273 278 283 288 293

P re s s u re [ M P a ]

simple-CO2 CO2+c-C5H10 CO2+c-C5H8O CO2+C5H9F

Hydrate system Simple CO2(1) CO2+ C5H10(2)

CO2+ C5H8O(2)

CO2+ C5H9F(2)

(1) Sloan, 1990

(40)

33

2.3.2

貯蔵特性

2.3.2.1

CO2 吸

CO2 生成吸 CO2 貯蔵

対応 CO2 吸速度計算

貯蔵速度明

2.3.2.1-1 生成伴う CO2 吸計算結果あ

横軸生成時間あ縦軸 CO2 吸初期水無次元

CO2 吸率あ中初期力 3 MPa 実験結果式(2.1.1-3)

用い計算初期力 1.5 MPa 6 MPa 解析結果示実験開始

2時間初期力 3 MPa 実験結果解析結果差大い

実験開始 20 以降実験結果特性大く異開始

2 時間実験結果解析結果遊い CO2 水溶解十

や管熱交換器相変伴う熱交換滑

考え実験開始斐い時間管外側や CO2

形成発遉伝熱速度速い熱伝支配

的あ時間層厚増

伝熱抵抗増加い能性あ実験開始 2 時間実験

値解析値遊い原因い検討必要あ

2.3.2.1-1 生成時間吸率関

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Time [ Hour ]

Initial pressure (Analytical)

6 MPa

Experimental value 3 MPa

5 MPa 3 MPa

2 MPa 1.5 MPa

M

ol

e

of

CO

2

cons

um

ed

/

m

ol

e

of

ini

ti

al

H2

O

(

(41)

34

2.3.2.2

貯蔵速度

2.3.2.2-1 水 1 m3 CO2 生成生成時間

貯蔵速度実験解析結果あ中初期力 3 MPa

実験結果初期力 5 MPa 6 MPa 結果解析得解析結果

い 2.3.2.1-1 示 CO2 吸率 CO2 生成計算値想定貯蔵力求式(2.1.2.1-3)

式(2.1.2.2-1) 式(2.1.2.2-2) 計算式(2.1.2.2-3) 計算得

式(2.1.1-3)中 �′ 初期力 3 MPa ンン時

実験結果得値使い初期力 3 MPa 実験

観察実験開始 2 時間変動 5 MPa 6 MPa 解析結果

現い CO2 生成時間あ貯蔵

速度 6 時間超え初期力く

2.3.2.2-1 生成時間貯蔵速度関 0

0.2 0.4 0.6 0.8

0 2 4 6 8 10 12 14 16

E

ne

rgy

storage

rat

e

[

kW

]

Time [ Hour ]

Initial volume of H2O, 1m3

6 MPa Analytical

5 MPa Analytical

(42)

35

2.3.2.3

貯蔵

2.3.2.3-1 水 1 m3 貯蔵能貯蔵式 2.1.2.2-3

0.8 0.85 計算場合電力貯蔵計算

結果あ 2.3.2.2-1 様初期力 3 MPa 実験結果 5 MPa

6 MPa 解析結果あ 2.3.2.3-1 結果 8 時間

貯蔵増加見貯蔵電力貯蔵

値 23.7 MJ 4.5 kWh あ冷暖荷除い

戸建宅 1 日電力消費 10 kWh あ , 2015

初期力 6 MPa CHEG 貯蔵戸建宅

45% 発電端出力 4.5 kWh 電力相当

2.3.2.3-1 生成時間貯蔵関

0 5 10 15 20 25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Th

e

amou

nt

of

en

ergy

storage

[

M

J

]

Time [ Hour ]

Initial volume of H2O 1 m3 6 MPa Analytical

5 MPa Analytical

3 MPa Experimental

0 1 2 3 4

0

Th

e

amo

un

t

of

el

ectr

ici

ty

storage

[

kWh

(43)

36

2.3.2.4

貯蔵要熱

2.3.2.4-1 水 1 m3 貯蔵能 CO2

貯蔵要供給熱あ実線 2.3.2.3-1 初期力 6

MPa 解析結果表い ,一点鎖線

貯蔵必要供給熱示い供給熱水 1 m3

CO2 解温度 298 K 生成温度 273 K 冷却

熱 CO2 生成熱足合わ

算出 CO2 生成 2.3.2.1-2 解析結果用い

水 1 m3 生成求 CO2 質あ生成

熱 500 kJ/kg 用い 2.3.2.4-1 示う供給熱 CO2

生成開始時水冷却熱あ約 248 MJ 始点時

間経過増加傾向貯蔵効率評価

貯蔵供給熱除結果 2.3.2.4-1 破線

示貯蔵効率 CO2 生成開始 1 時間程度

値 6% 示以降や貯蔵効率

視生成 1 時間程度行いチタ

駆動いう繰返最適運用方法いえ

莫大自然 CO2 生成熱供給源

想定い貯蔵効率貯蔵

視場合 CO2 生成運用能限長時間

(44)

37

2.3.2.4-1 貯蔵要熱関

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 100 200 300 400 500 600

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Stor aged ener gy S up pli ed he at S torag ed en ergy [ M J ] S up pli ed he at [ M J ]

Time [ Hour ]

[ % ] Storaged energy Supplied heat Storaged energy Supplied heat

Initial volume of H₂O 1 m3

(45)

38

2.4

2 章 CO2 生成特性 CO2 解膨張

貯蔵調査以結論得

1 管用い応容器純水初期力 3 MPa CO2

充填密閉応容器温度 268 K 保 CO2

生成確

2 実験計測応容器力変生成

速度生成開始 30 間最大値示生成応進

確結果生成速度生成力相衡

力力差応水比例仮定

解析結果一

3 268 K 298 K 熱媒体加熱冷却交互行う生成

解力変繰返確

生成比解応速度速く生成 1 時間行う

得力 30 間解回

4 CO2 生成時間あ貯蔵速度

6 時間超え初期力無関

5 水 1 m3 8 時間生成戸建宅

冷暖荷除く 1 日電力消費 45% 発電端出力 4.5

(46)

39

3 章

CHEG CO Hydrate Engine Generator

開発

章 2 章明 CO2 貯蔵特性

利用 CO2 発電機 CO2 Hydrate Engine Generator : CHEG

動的数値解析行い CHEG 出力制御方法提案

3.1 節 CHEG 関行究言及出力制御方法提案

必要性述動的構築 CHEG-BS 発電

い説明動的概要い発電構

成発電貯蔵説明 3.2 節動

的構成生成解応高解

機械変換チタ熱源熱

込熱交換器系統計算方法説明 3.3 節動的

要構成要素あ生成解応計

算結果妥当性断実験結果比較 3.4 節動的

以解析行う章目的あ電力出力制御

い章提案制御方法解析結果示次発電

貯蔵 CHEG-BS 発電解析結果示

うえ発電特性対熱媒体や熱交換器及影響

い述熱源温度発電発電効率関熱源温度

時間変場合解析結果示

3.1 CHEG

動的

構築

3.1.1 CHEG

関

行

究

CO2 生成解交互行うッチ運転方式

CHEG Operation of CHEG Batch System : CHEG-BS 燃料電

ッ発電 Obara, 2010 CO2 生成解連行

う連運転方式 CHEG Obara et al., 2011 戸建宅向発電機

燃料電 CHEG-BS ッ発電 Obara et al., 2014 関

調査行わ 2 章述う水 1 m3 CO2

生成戸建宅 1 日使用電力半程度貯蔵

CHEG 戸建宅向発電方法効あ明

電力貯蔵機能陽発電入戸建宅

電力需給衡補償手段 CHEG 利用

(47)

40

必要あ過去究 CHEG 出力制御方法

い検討行わいい

章述出力制御方法確立目的

CHEG-BS 出力制御動的提案 CHEG-BS CO2

生成応妥当性出力制御能電力範定

格電力対割合 CO2 発電

(48)

41

3.1.2 発電

CHEG-BS 寒冷地設置想定発電日中外

気や自然 CO2 高解得発電

機駆動発電夜間外気 CO2 生成

貯蔵各運用時間数時間

十数時間想定 3.1.2-1 CHEG-BS 構成 , a b

述各動作表い 3.1.2-1 部発電

中貯蔵増減模式あ CHEG-BS タ

熱交換器兼応容器以応容器記ッタン

チタ発電機構成以生成状態

始発電述

発電 3.1.2-1 a

建物温排熱や自然熱タ込

タ熱媒体温熱応容器供給 CO2

解

作動通路実線側 1：開 2：閉高

CO2 チタ供給発電行ッタン

送

応容器解応容器ッタ

ン力衡時点発電終了

貯蔵 3.1.2-1 b

冷熱源寒冷地夜間外気冷熱タ込

熱媒体冷熱タ応容器供給

作動経路破線側 1：閉 2：開ッ

タン応容器 CO2 流入 CO2 生成

貯蔵初状態戻

3.1.2-1 示タ熱交換器兼応容器

(49)

42

3.1.2-1 CHEG 運転方法

Reactor

Buffer tank CO₂gas

Radiator _̇

̇

Circulation of heat medium

V 1: Open V 2: Close Heat exchanger

Actuator Generator Heat exchange system

(a) Generation mode (b) Energy storage mode

Close Open

CO H O

→ CO + H O − ∆

P

̇

P

CO₂gas

CO + H O → CO H O + ∆

Flow of CO2 gas High temperature

heat source

Low temperature heat source

Valve

8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 time of day [Hour] Storage energy

(50)

43

3.1.3 概要

(1)発電

3.1.3-1 3.1.2-1(a) 示発電概要あ

3.1.3-2 3.1.3-1 制御ッ示以降ンン時

値 � � � 表高温熱源熱 ̇ � 3.1.3-1 熱交

換器系統込熱交換器系統詳細 3.2.3 節述 CO2

熱 ̇ � 供給解高攡出

チタ駆動中ッタン流込

述部 3.1.3-1 破線枠部解応

呼 3.2.1 節詳細述解昇応容器力

� ッタン力 � 力差 � チタ機

械的 ̇ � 変換機械的発電機駆動得

電力 ̇ � 一部熱媒体環電力 ̇ � 消費残電力出力

̇ _� 需要側供給チタ発電機構成回転

系詳細 3.2.2 節示

ン 1 回転速度 �� 定格速度 � 偏差応熱媒体

環ン制御信号 ̇ i � 出力熱媒体環ン制御

信号対 1 次遅系熱媒体環 ̇ �

変 3.2.1 節詳細述う解応速度変

応容器力 � 需要側供給電力出力式

3.1.3-1 計算

̇ _�_{= ̇} _�_{− ̇} _�₌ _�_�_� _{− ̇} _� 3.1.3-1

� チタ表ンン時

回転速度 �� チタ作用力差 �

チタ特性計算発電機発電効率表

(51)

44

3.1.3-1 発電概要

3.1.3-2 発電制御ッ

High-temperature Heat source

Reactor

Buffer tank CO2 gas

Radiator

̇ _�

Generator ( ̇ _�)

Heat medium( ̇ _�)

��

�

Actuator

Controller 1

̇ _� ̇ _� ̇ _� � � P Pump � � Load ̇ _�

Heat exchanger

CO � H O

→ CO + � H O − ∆�

̇_�

Actuator and generator (Section 3.2.2)

Dissociation reaction model (Section 3.2.1) Heat exchanger system

(Section 3.2.3)

CO2 gas

̇ �

Heat exchanger system ̇_� � � � + + + -Reactor

Baffer tank

+ -Actuator Generator Load ̇ _� �� ̇ �

̇ i �

̇ _� ̇ � � � ̇ _� � � � ̇ _� + -Controller 1

-1

�

(52)

45

(2) 貯蔵

3.1.3-3 3.1.2-1(b) 示貯蔵概要あ

3.1.3-4 3.1.3-3 制御ッ示発電様

熱交換器系統温熱源熱込貯蔵

応容器ッタン接ッタン CO2

応容器流入述部 3.1.3-3 破線枠

部生成応呼 3.2.1 節詳細述ン

2 CO2 生成速度最大目的

応容器温度 � 設定温度偏差熱媒体環ン制

御信号 ̇ i � 出力熱媒体環電力 ̇ �

(53)

46

3.1.3-3 貯蔵概要

3.1.3-4 貯蔵制御ッ

Low-temperature Heat source

Reactor

Buffer tank CO2 gas

Radiator

̇ _�

Heat medium( ̇ _�)

Controller 2

� �

P Pump

�

or _�

Heat exchanger

Formation reaction model (Section 3.2.1)

CO + � H O

→ CO � H O + ∆�

CO2 gas

Heat exchanger system (Section 3.2.3)

̇ �

Heat exchanger system

�

� +

-Reactor and Baffer tank

̇ i �

̇ _�

̇ �

�

+ -Controller 2

̇ _�

or _�

(54)

47

(3)既技術遊い

3.1.3-1 3.1.3-3 示う高流

チタ駆動発電部 3.1.3-1 点鎖線枠

部関既高空気発電技術あ

発電い高解発生チタ

駆動点出ッタン蓄え貯蔵

い生成行う点異 CHEG-BS 特徴

発電ッタン力常変電力出力

制御ッタン力変補償チ

タ供給解力制御方法必要あ

述方法一究熱媒体流解

応速度調整電力出力制御方法提案提案方法

効性検証 3.1.3-2 3.1.3-4 示組合わ

CHEG-BS 発電動的構築解析行う

(4)動的検証方法動的用い調査容

(1) 述解応用い解応速度い

供給熱応速度速あ実験既

知あ Obara et al., 2014 (2) 述生成応用い生成

応速度い行実験生成応適用数値解析

行い結果妥当性確次い (3) 述動的数値解

析電力出力制御性能明章基礎的出力制

御電力出力一定値制御ン状電力荷変場合

い解析行う

発電運転貯蔵 1

十数時間及動特性解析長時間解析呼長時間解析

述動的数値解析 1 中応容器

ッタン力変や電力出力計算計算結果用

い一般的熱機関熱効率定義従発電効率究新

定義貯蔵速度評価行う発電効率式

3.1.3-2 計算子 1 終了時味発電電力式

3.1.3-1 時間積値発電運転中熱交換器

外部高温熱源得熱述式 3.2.3-1 時間積

値あ章 CHEG-BS 比較熱源温度域近い海洋

温度差発電 Ocean Thermal Energy Conversion: OTEC Yamada et al., 2009;

(55)

48

貯蔵速度及影響調査寒冷地観測

外気温度貯蔵適用解析行い外気温度時系列

タ貯蔵貯蔵要時間予測

能あ示

=_{� � �} � _{ℎ��ℎ-}� �� _� _{ℎ �} =∫ ̇ �

c cle

∫ ̇ �

3.1.3-2

貯蔵速度式 3.1.3-3 計算子式 3.1.3-2

様味発電電力あ貯蔵い

生成要時間あ貯蔵速度熱交換器

熱輸送能力や熱源温度影響考え関定

的明寒冷地気温時系列タ用い貯蔵

推定能

� =_�� _{� � ℎ} � � �� _�� _�� =∫ ̇ �

c cle

(56)

49

3.2 動的

構成要素

3.2.1 CO

2

生成

解

応

節生成解応応容器力温

度応熱応速度う計算い述 CO2

生成解応 CHEG-BS 動的

中要構成要素あ解応チ

タ作動流体入ンン時力計算電力出

力決生成応計算生成

速度貯蔵要時間影響

CHEG-BS CO2 生成解応

あ応容器温度く応容器 CO2

水 CO2 一温度あ仮定応容器温度

節 3 述支基い変応容器

力節 2 述物質支述応容器温度基

い変

(1) 応速度

解応速度 ̇ � 式 3.2.1-1 示う熱源応容器

CO2 供給熱 ̇ � 比例関

∆� �� CO2 解要潜熱水和数あ

値表 3.2.1-1 示解応応容器

力相衡力遉際解応停 ̇ � 比例

応容器温度昇

̇ �=_{� ∆�} ̇ � 3.2.1-1

表 3.2.1-1 解析使用物性値

CO2 hydrate Water

Density [kg/m3_] ₉₂₀ ₁₀₀₀

Latent heat [kJ/kg] 500 -

Specific heat [kJ/(kg K)] 2.08 4.20

(57)

50

生成応速度 ̇ � Englezos-Bishnoi Englezos and Bishnoi, 1988

用い式 3.2.1-2 計算 ��′ � �

� 総合速度定数応容器力相衡力充填水

充填水う水あ式 3.2.1-2 生

成応必要熱十供給場合生成速度あ供給熱

生成速度関式 3.2.1-3 時満必要あ式 3.2.1-2

中 CO2 相衡力 � 3.2.1-1 示実験結果

Sloan, 1990 基い式 3.2.1-4 示多式近似

式 3.2.1-4 適用範 271.8 K 283.3 K あ

̇ �= ��′ ( �− �) ( − �) 3.2.1-2

̇ � =_{� ∆�} ̇ � 3.2.1-3

�= . × − ∙ �− . × − ∙ �

_{+ .} _∙ _�_{+ .} 3.2.1-4

3.2.1-1 解析使用 CO2 相衡力曲線

Sloan, 1990

式 3.2.1-2 中総合速度定数 ��′ 値羽行実験結果羽

, 2004 用い羽実験結果 3.2.1-2 示横軸応容

器力縦軸総合速度定数あ中ッ羽実験値

算出値あ中曲線報作成近似関数式

3.2.1-5 あ生成速度生成時力式 3.2.1-5

応変知い Ambuehl and Madden, 2014

1 2 3 4

270 272 274 276 278 280 282

P

ressure

[

M

P

a

]

区間近似区間

formation

CO2hydrate

dissociation Experimental ( Sloan, 1990 )

(58)

51

究羽実験結果測定範外い述近

似関数適用仮定解析行う

��′= . . 9 � � 3.2.1-5

3.2.1-2 容器力総合速度定数関

(2) 応容器ッタン物質支

発電応容器ッタン物質支 3.2.1-3

(a) 示応容器 CO2 い

い水応容器空隙部以空隙部呼気相 CO2

ッタン気相 CO2

空隙部 CO2 質変 ̇ � 式 3.2.1-6 計算

̇ � CO2 解応速度あ式 3.2.1-1 用

い計算 ̇ � 応容器チタ経ッタン

流入質流あ 3.2.2 節計算方法述

(a) Generation mode (b) Energy storage mode ( Dissociation ) ( Formation )

3.2.1-3 応容器ッタン質支

0 5 10

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Kt

'

[

10

-6

1/

(

M

P

s

)

]

Pressure [ MPa ] Experimental ( Haneda, et al., 2004 ) Approximate curve

Measurement range

Buffer tank Reactor

,

Reactor Actuator

(59)

52

̇ �= ̇ �− ̇ � 3.2.1-6

応容器力 � 式 3.2.1-6 得空隙部質

用い式 3.2.1-7 計算 �C

2 CO2 気体定数 �

応容器温度あ水 CO2 密度 � � 異

表 3.2.1-1 応容器解応進行空隙部

容積変 � 応容器容積 � �

水応水あッタン

力容器温度 CO2 質用い理想気体状態方程式

計算

�= � �C 2 �

� − _� �+ _� � 3.2.1-7

貯蔵 3.1.2-1 b 3.1.3-2 示

う作動チタ通ッタン応容器

流入解析通路容積力損失無視 3.2.1-3

b 示う空隙部ッタン一空間空隙部

質変 ̇ � 計算 ̇ � CO2 生成応速度

あ式 3.2.1-2 3.2.1-3 用い計算貯蔵

応容器力 � ッタン力 � 式

3.2.1-8 得空隙部質用い式 3.2.1-9 計算

� ッタン容積あ

̇ _�= − ̇ _� 3.2.1-8

_�₌ _�₌ � �C 2 �

� − _� �+ _� � + � 3.2.1-9

(3) 応容器支

応容器温度変 Δ � 式 3.2.1-10 計算応容

(60)

53

用い計算水 CO2

比熱あ式 3.2.1-10 子熱源応容器供給熱

̇ � 示式 3.2.3-1 CO2 応要熱 ̇ �

式 3.2.1-1 3.2.1-3 差あ Δ ンン時間

間隔あ

_Δ _�₌ ̇ �− ̇ �

� + � Δ 3.2.1-10

(4) 生成解応計算流

節 (1) (3) 述解応計算流 3.2.1-4

示あンン時応容器温度 � 温度

相衡力

� = (� �) 空隙部容積 � � 空隙部

CO2 質 � 応容器チタ流 CO2 質

流 ̇ � ンン時間間隔 ∆ 用いンン時

解能最大値 � 計算次最大値相当

解必要熱 � 計算

必要熱ンン時間間隔間高温熱源応容器

供給熱 ̇i � ∆ 比較必要熱方大い場合

供給熱実際解質 � 計算余剰熱供給熱

必要熱差引い残熱い温度変 ∆ � 0

-a 供給熱方大い場合必要熱解質

計算余剰熱温度変計算 -b 最次時

力 �+ 温度 �+ 計算 -a -b

次生成応計算流 3.2.1-5 示応容器充

填水初期質あンン時応容器

温度 � 温度相衡力 (�

�) 生成応

水質 � ンン時間間隔 ∆ 用い

ンン時生成 � 計算次

生成相当生成必要熱 � 計算

必要熱供給熱差温度変計算

3.2.1-6 示う必要熱供給熱差あ

応容器温度計算生成速度増加

あ温度昇生成速度最次時力

(61)

54

3.2.1-4 解応計算流

= ( )

2

− + ̇ ∆

Calculate the maximum value of dissociation

= ∆

Calculate the amount of heat

̇_i _∆

= ∆

Dissociation by the supplied heat (Without temperature increase)

= ̇i ∆ ∆ , ∆ =

∆ = ̇ − ̇

+ ∙

Dissociation by the supplied heat (With temperature increase)

= ̇ ∆ ∆ ,

+ = + − ̇ ∆ C 2

+ =

Calculate the next step

+ = e ( ) + = + ∆ ∆

Calculate the next step ( )

( )

( -a) ( -b)

yes

no ̇ �

̇ �

(62)

55

3.2.1-5 生成応計算流

3.2.1-6 生成応温度変

= ′ ₋

e ( ) ( − )∆

Calculate the formation rate

= ∆

Calculate the amount of heat

∆ = ̇ − ̇

+ ∙

Temperature variation

+ = + ₊ C 2

+ = + ∆ ∆

Calculate the next step ( )

( )

P

ressure

[

M

P

a

]

Driving force

amount of formation

̇ �

(63)

56

3.2.2 チ

タ

発電機

チタ発電機部制御ッ 3.2.2-1 示

チタ入力応容器力ッタン力

差 � 回転速度 ω� あチタ入力軸

� 作動流 ̇ � 出力軸電力荷 ̇ �

発電機入力発電機動揺方程式回転速度時間

変 ��⁄ 計算初期回転速度 ω 足合わ回転速

度 ω� 求回転速度軸発電機端発電電力 ̇ �

計算

3.2.2-1 チタ発電機制御ッ

CHEG-BS チタン型タ株式会社

TAIYO, 2015 用いチタ回転速度 ω� 出入作動

力差 ( �− �) 入力条件え 3.2.2-2 a 示

タ特性基い作動流 ̇ � 軸 � 求

3.2.2-2 b タ出力機械効率タ

出力流入作動動力あ定格出力 1500 rpm �−

� = 0.5 MPa 機械効率 26 % 程度あ株式会社 TAIYO,

2015

��

�

2D-Lookup table ��

� _�

� +₊

̇ _�

f(u)

Swing equation

×

̇ �

̇_�

�̇�

�

Actuator

Generator

��

̇ �

2D-Lookup table

(64)

57

(a) Torque and mass flow of (b) Output and mechanical efficiency working gas

3.2.2-2 解析使用チタ特性株式会社 TAIYO, 2015

チタ発電機回転系回転速度変率 ��⁄

式 3.2.2-1 示うチタ軸 � 発電機電

気的 � 差比例

�� = _�− _�= _�− ̇ �/

�

= �−( ̇ �+ ̇_� �)/

3.2.2-1

述回転系慣性ンあ電気的

電力荷 ̇ � 発電機効率定格速度 � 求電力

荷電力需要 ̇ � 熱媒体環電力和

ηmech(1500 rpm)= 0 5 10 15 20 25 30 35 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1500 2000

M ass fl ow of w orki ng ga s [g/s] To rque [ N m ]

Rotation speed [rpm] Rotation speed [ rpm ]

20 25 30 35 40 0 200 400 600 800

1000 1500 2000

M ech a nica l E ff ici en cy [ % ] O utpu t [ W ]

Rotation speed [ rpm ] Rotation speed [ rpm ] ηmech(1500 rpm)=

トップページ 北見工業大学学術機関リポジトリ（KITR） 川合政人 学位論文

CO

2ハイドレートの解離膨張特性を用いた発電シス

テムに関する研究

著者

川合 政人

学位名

博士（工学）

学位授与機関

北見工業大学

学位授与番号

10106甲第157号

研究科・専攻名

寒冷地・環境・エネルギー工学専攻

学位授与年月日

2017- 03- 17

博

士

論

文

CO2

解

膨 張 特 性

用 い

発 電

関

究

2016

12

学 籍 番 号

1171400011

属

寒冷地

環境

学

攻

環境

学

Doctral thesis

Study on a power generation system

using dissociation expansion characteristics

of the CO2 hydrate

December 2016

Student ID number

1171400011

Affiliation Cold Regions, Environmental and Energy Engineering

CO

ハ イ

レ ー

の 解 離 膨 張 特 性 を

用 い た 発 電 シ ス テ ム に 関 す る 研 究

-

目 次

-

1

章

緒 言

1.1

自 然

発 電 技 術

1.1.1

地 球 環 境 問

47.7%

33.1%

8.3%

7.6%

2.5% 0.8%

Middle East

Americas

Former Soviet

Africa

Asia Pacific

Europe

World total

2.73

×

10

m

R/P : 52.5

1.1.2

トップページ北見工業大学学術機関リポジトリ（KITR）川合政人学位論文

川合政人

膨張特性

用い

発電

学籍番号

ハイ

レー

の解離膨張特性を

用いた発電システムに関する研究

目次

緒言

自然

発電技術

地球環境問

自然

発電技術

着目点

特性

目的

意義

貯蔵

特性

解析方法

生成

実験

結果

考察

開発

動的

構築

発電

概要