パラフィン系潜熱蓄熱材「エコジュール」と応用例の紹介

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わんどふじした
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1 パラフィン系潜熱蓄熱材エコジュールの開発と応用 Development and application of paraffin type thermal storage material ECOJOULE JX 日鉱日石エネルギー株式会社化学品本部蓄熱事業グループ JX Nippon Oil & Energy Corporation, Chemical Division of Thermal Storage Business Group 松岡秀男 Hideo Matsuoka キーワード : 蓄熱 (Thermal Storage) 潜熱(Latent Heat) 相変化物質(Phase Change Materials) パラフィン (Paraffin) 快適居住空間(Comfortable Living Space) 省エネ (Saving Energy) 太陽エネルギー (Solar Energy) 1. はじめに 25 年 2 月に京都議定書が発効され 28 年度から第一次約束期間が始まったしかし世の中の動きはなかなか呼応せず 27 年度温室効果ガス総排出量は基準年度 (199 年 ) に対し 8. 7% も高い結果となったしかしここにきて CO2 削減の動きが活発化し 29 年 9 月の国連気候変動サミットでは鳩山首相が条件付ではあるが 22 年までに 199 年比で25% 削減の国際公約を行いまた東京都も環境確保条例改正案で 22 年度までに 2 年度比で CO2 平均排出量の25% を削減することを 28 年に可決し 21 年 1 月から施行されたその他埼玉県等も CO2 削減を提唱している 28 年度の速報では CO2 排出量は対前年 6.2% 減の基準年比 1.9% 増まで低下してきたがこれは 28 年 9 月のリーマンショック以降の景気低迷による産業部門の排出量低下による CO2 削減であり本来の経済成長を維持しながらの CO2 削減とは程遠いものである内訳を見ると表 -1に示すように産業部門は基準年以下運輸部門もモーダルシフトやエコカーの推進により削減目標値に近づいてきているこれに対し相変わらず増加をしているのが民生用 ( 業務その他部門 + 家庭部門 ) である業務用 (1) 動力その他照明コンセント空調. 熱搬送表 -1 各部門のエネルギー起源 CO2 排出量 (26-28 年度 ) (3) 合計京都議定書基準年シェア 26 年度基準年比 1,59 1, % +12.% 産業部門 ( 工場等 ) 42.1% -4.7% 27 年度基準年比 1, % % 前年度からの増加率 <-6.7%> <-1.4%> 28 年度基準年比 1, % % 家庭用 (2) 動力照明他空調暖房給湯運輸部門 ( 自動車船舶等 ) 業務その他部門 ( 商業サービス事業所等 ) 家庭部門エネルギー転換部門 ( 発電所等 ) % % % % % % % % % % % % <-4.1%> <-4.%> <-4.6%> <-5.5%> % % % % 図 -1 各部門のエネルギー消費量内訳この民生用における業務用と家庭用の主なエネルギー消費量は図 -1に示すように空調暖房および給湯用であることがわかる

2 2. 快適生活空間人が快適に過ごせる究極の温湿度条件は前提条件によって多少変わるものの PMV( 平均予想温冷感申告 Predicted Mean Vote) や SET( 新有効温度 Standard New Effective Temperature) によると概略夏場 23~26 相対湿度 3~5%RH 冬場 2~24 相対湿度 3~5%RH で季節を通じては 22~24 程度相対湿度 3~5%RH が快適温度であると想定されるこの温度帯に適した状態にする為に夏は冷房冬は暖房にエネルギーを費やしているのが現状である 3. 自然エネルギーの活用現在空調暖房給湯に使用されているエネルギーの大半は質的レベルの高い電気や化石燃料 ( 天然ガス石油など ) であるが私たちの快適環境に必要な温度帯はせいぜい2-26 程度である為質的レベルの低い自然エネルギー ( 太陽熱冷風地中熱等 ) で十分代替可能である例えば太陽熱を給湯や暖房に用い夜間の冷風や地中熱 ( 地下水 ) を冷房に用いると言ったところであるしかしこの質的レベルの低い自然エネルギーは必要時に必ずしも供給が可能な訳ではなく安定したエネルギーとして使用することができないのが欠点であるこの不安定なエネルギーをうまく活用するためには時間的なずれを補うことが必要でありこれに蓄熱が重要な役割を占めることになる自然エネルギーで不足する熱源は再生可能エネルギーとしても認められているヒートポンプで大気熱を回収して取り込むことになるがこのヒートポンプも発生する冷温熱を充分に活用することができないこれも蓄熱と組合せることにより最適システムにすることができる図 -2にこのイメージフローを示す天然ガス他 1% 電気 35% (1 次エネルキー換算 ) 発電所 35% 熱 65% 給湯用 4-6 自然エネルキー回収 ( 太陽熱冷風地中熱等 ) ヒートポンプ自然エネルキーを主体に蓄熱を蓄利用し補完的にヒートホンフを用熱いることで需要と供給のアン 158% 空調用ハランスを解消する COP= 図 -2 イメージフロー (1 次エネルギー換算 ) 4. 昼夜間負荷平準化 CO2 を削減するための方策として原子力発電能力を高めることも重要なひとつであるしかし原子力発電は安全性を維持するために一定負荷で運転することが多く昼夜間の電力供給格差の是正にはつながらないオフィスビルでは高気密高断熱化による冷房空調負荷の増加やOA 関連機器の増加により又家庭では衣類乾燥機温水洗浄便座食器乾燥機等の新たな電力 ( 百万 kw) 2 家電製品の普及により昼間の電力消費は増加傾向を示している 175 百万 kw このため昼夜間の電力格差は是正されず 26 年度においても真夏の夜間電力使用量は昼間の5% 以下と 15 なっている ( 図 -3 参照 ) Δ88 万 kw この解消策として夜間余剰電力を利用した各種電力 1 消費平準化策が実施されてきており 24 年度までの蓄熱蓄電等の普及による効果は原子力発電所 1~2 基分に匹敵する16 万 kw に達していると試算されているしかし格差を是正する為にはまだまだ不十分で更なる 5 87 百万 kw 昼間のピーク電力に対し夜間は5% 以下まで低下している普及拡大が必要とされている夜間電力利用の蓄熱として循環冷却水を蓄熱槽に溜めておく水蓄熱 ( 顕熱 ) やより高い時蓄熱密度を持つ氷蓄熱 ( エコアイス ) などが普及してきたが図 -3 夏場の一日の電力消費量 (26 年度 ) (4)

3 氷蓄熱の場合は CO2 削減につながらないことから昨今急速に推進力が抑制されてきているそこで昨今新たな蓄熱材として冷房システムに求められる温度領域 (5 ~1 ) で蓄熱できる潜熱蓄熱材 (PCM: Phase Change Materials) が注目を浴びてきた注さらに冷凍機のCOP 1) を高めて使用するためにより高温度で蓄熱できるニーズも高まってきた 5. 常温潜熱蓄熱材の動き冷房システムに求められる温度領域での潜熱蓄熱材としては有機系無機系等があるが主要なものとしては 1パラフィンワックス類 2 水和物 3 脂肪酸類等が考えられる水和物については潜熱量はある程度高いが結晶化速度が遅いこと過冷却の問題があること毒性腐食性が高い等の課題があるこれに対しパラフィンワックス類や脂肪酸類には水和物に比べやや潜熱量は劣るが毒性や過冷却の影響が少なく繰返し蓄放熱特性が安定している等の特長を有する特にパラフィン系は脂肪酸類に比べ耐久性 ( 酸化劣化 ) も優れ価格も比較的安価なことから冷房温度領域での活用が高まってきている ( 表 2 参照 ) 表 2 主な蓄熱材の長所と短所このような背景から当社は独自の製造技術で冷房システムに適した融点種類蓄熱原理蓄熱物質主な長所 1 繰返し蓄放熱特性が安定 2 過冷却しにくい主な短所 ( 適用範囲 :3 ~3 ) のパラフィン系潜熱蓄熱材エコジュールを開有機系パラフィン潜熱量はやや低い 3 毒性腐食性が低い 4 耐久性に優れる 1 繰返し蓄放熱特性が安定発し 28 年 1 月から本格販売を開始した潜熱蓄熱脂肪酸他 2 過冷却しにくい 3 毒性腐食性が低い潜熱量はやや低い 1 結晶化速度が遅い本報ではこのパラフィ無機系水和塩 1 潜熱量がやや高い 2 過冷却しやすいン系潜熱蓄熱材エコジュ ( 芒硝酢酸ナトリウム等 ) 3 毒性腐食性が高いールについて特長と応固体金属 ( 溶融塩等 ) 顕熱蓄熱用例についてご紹介する液体水ブライン等化学反応吸収剤系臭化リチウムアンモニア等吸着剤系セオライトシリカケル等 (5) 6. エコジュールの特長エコジュールはパラフィン系潜熱蓄熱材の特長を最大限に活用できるように調整した蓄熱材で以下の特長を有する 1 生活温度領域 (3~3 ) の任意の温度で蓄熱が出来る表 -3 エコジュールの潜熱蓄熱量素材となるノルマルパラフィンは炭素数により固有の融点を相変化温度潜熱蓄熱量持っているがこのノルマルパラフィンをブレンドすることにより任意の温度の融点を得ることができる代表的な相変化温度 ( 融点 ) とエコジュールの潜熱蓄熱量を表 -3に記載する 2 狭い動作温度域で高い蓄熱量を有するエコジュールは 6 程度の狭い動作温度域で融解凝固を繰返し安定した性能を維持する DSC( 示差走査型熱量計 ) での結果を図 -4に記載する (KJ/kg) 16~18 11~13 16~18 11~13 17~19 (Kcal/kg) 38~43 26~31 38~43 26~31 4~45

4 融解潜熱 kj/kg DSC 温度走査条件 : ±.5 /min 凝固 :2 融解 :4 エコジュール 16 タイプ潜熱 23kJ/kg 融解潜熱凝固潜熱凝固潜熱 kj/kg 温度図 -4 エコジュールの動作温度域 3 非危険物 ( 可燃性固体 ) であるエコジュールはノルマルパラフィンを特殊な方法でゲル化 ( 固形化 ) もしくはスラリー化 ( 水溶液化 ) して非危険物の形態にしている融点 2 以下のノルマルパラフィンは危険物に属し一定数量以上は消防の許可が必要になるがエコジュールは木材かんなくず合成樹脂類等の可燃性固体に属する為一定数量 (3kg) 以上の場合でも消防への届出だけで対応が可能となる表 -4 エコジュールの適用法規名称適用法規消防法ノルマルパラフィン危険物第 4 類第 3 石油類等 2,L 以上は許可が必要エコジュール非危険物 ( 可燃性固体類等 ) 3,kg 以上は届出が必要 ( 指定可燃物 ) 木材かんなくず合成樹脂等の可燃性固体類は一定数量以上で消防への届出は必要エコジュールとノルマルパラフィンの比較表を表 -4に記載する 4 安定性能を長期間保持できる素材となるノルマルパラフィンは化学的に安定な為酸や塩基に対しても不活性で長期に安定した性能を持つ上記の特長を生かして各種用途に潜熱蓄熱材が使用されている 7. 潜熱蓄熱材の応用例潜熱蓄熱材の適用用途について図 -5に示す 1ビル ( 固定式蓄熱 ) 空調用ここで当社が注力している固定式蓄熱タイプの適用事例について紹介する < 特長と実績 > 既存水蓄熱槽があり増熱ニーズがありながら冷凍機の増設スペースがない等のビルに適用される固定式タイプ ( ゲルパック ) をマンホールから水槽に搬入でき又工期も短くできるのが特長固定式水蓄熱用についてはすでに新聞社公営施設地域冷暖房施設ホテル等での実績がある図 6,7に形態と導入時のイメージを記載する

5 図 -5 エコジュールの主な適用用途図 -6 エコジュールの形態図 -6 エコジュールの形態図 -7 エコジュールを導入した蓄熱槽のイメージ

6 < 実績例 > 冷凍機運転状況と冷房負荷状況について表 -5 図 8に記載する表 -5 運転負荷状況また蓄熱材と水槽内水温の温度推移を図 -9に記載するこの図でわかるように蓄熱時は 7.5 近傍から相変化が起こりほぼ一定温度で凝固が終了する蓄熱量投入蓄熱材夜間移行率 12,6MJ 14,kg 約 2% この間の応答時間は4-6 分程度である放熱時は水温の上昇が緩やかなこともあり6 近傍から融解を開始し 4 ピークシフト率約 23% 8 近傍で融解を終了するこの間の応答時間は約 2.5 時間でピークカットに充分可能な応答速度になっている導入前後の設備と効果の内訳については図 -1と表-6に記載する熱量 (Mcal/h) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: 2: 21: 22: 23: 放熱 R-14( 蓄熱 ) R-14( 夜間対応 ) R 時刻温度変化 8 槽目水温 17 槽目水温 8 槽目潜熱材温度 17 槽目潜熱材温度図 -8 冷凍機運転状況および冷房負荷状況 14 潜熱材中心温度水温 ( ) 表 -6 効果の内訳項目増蓄熱効果比率 1 蓄熱水槽設置約 8,9MJ 約 71% 2 温度差拡大 (8 9.5 ) 約 1,7MJ 約 13% 22: : 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: 3 エコジュール導入約 2,MJ 約 16% 時刻 * ただし 2 と 3 は組合せによる両者の相乗効果が含まれている図 -9 蓄熱材と水槽内水温の温度推移効果については以下の通り昼間の冷凍機を2 台運転から1 台運転に変更し 1 台は予備及び夜間蓄熱専用にできたピーク時に冷凍機を停止し契約電力料金を下げることが出来た契約種別の変更安価な深夜電力利用でランニングコストの低減が出来た図 -1 導入前後の設備

その他の代表的な用途について以下に記載する 2ビル ( 循環式蓄熱 ) 空調用水溶液タイプ (M/C スラリー ) を1 次側に用い昼夜間電力平準化を訴求した用途で大型施設での実績がある 3ビル ( 躯体蓄熱 ) 空調用躯体と潜熱蓄熱材を組合せ高い温度で蓄熱をして昼間のピーク電力削減を訴求した用途で清水建設と実証評価を行い 21 年度の第 8 回環境設備デザイン賞の設備器具

7 その他の代表的な用途について以下に記載する 2ビル ( 循環式蓄熱 ) 空調用水溶液タイプ (M/C スラリー ) を1 次側に用い昼夜間電力平準化を訴求した用途で大型施設での実績がある 3ビル ( 躯体蓄熱 ) 空調用躯体と潜熱蓄熱材を組合せ高い温度で蓄熱をして昼間のピーク電力削減を訴求した用途で清水建設と実証評価を行い 21 年度の第 8 回環境設備デザイン賞の設備器具システムデザイン部門で入賞を果たした図 -11に一部を記載する図 -11 第 8 回環境設備デザイン賞の入賞の資料抜粋 4 住宅 ( 床下蓄熱 ) 冷暖房用夏場は地中の熱エネルギーとヒートポンプ給湯器の冷排熱を用いて室内空調に冬場は太陽熱エネルギーで室内暖房に用いる現在実証評価中である 5 住宅 ( 壁蓄熱 ) 冷暖房用蓄熱材を練りこんだ壁材の内面に太陽熱で温めた 3 の温水を循環し室内の暖房と蓄熱材への蓄熱を行い日変動を蓄熱材で緩和して暖房エネルギーを削減太陽熱不足時はヒートポンプで補完するシステムで実証評価中である

8 6 住宅 ( 床 ) 暖房用電気床暖房に蓄熱材を用いる多数の使用実績がある 2) 7 移動空間用 ( キャニスター注用車空調用定温輸送他 ) 北米仕様のプリウスのキャニスターに搭載されている 8 屋外利用用 ( カーブミラー橋梁凍結防止用他 ) 冬場の太陽熱で蓄熱しカーブミラーの表面を外気温より高くすることで曇らないようにする橋梁に蓄熱材封入鋼管を設置して橋梁の凍結を抑制するもので実績がある 9 日用品用その他寝具用冷感枕保冷材等に使用されている 8. おわりに CO2 削減や省エネルギーを推進していく為には無駄なエネルギーを出来るだけ少なくし繰返し使用できるエネルギーを活用することが重要でありそのような観点から生活温度領域で活用できる自然エネルギー (+ヒートポンプ) に蓄熱を組合せることがベストミックスとなる冬場の自然エネルギーを常温潜熱蓄熱材に最大限蓄熱し必要時に使用することによって従来の暖房エネルギーを半減することも可能になる今後住宅は高気密高断熱の方向に進むが夏場は夜間の冷風や地下冷熱を取り込み蓄熱材に貯めて昼間に使用し冬場は昼間の太陽熱を取り込み蓄熱材に貯めて夜間に使用することを主体とし補完的にヒートポンプを活用する事で快適性を維持しながら省エネ CO2 削減に寄与するシステムができあがる快適生活空間を享受する為の常温での蓄熱用途は多岐に亘っており我々が予期しない未知の分野に今後ますます用途は拡がることを期待している < 参考文献 > (1) オフィスビルの省エネルギー 27 年度省エネルギーセンター資料 (2) 家庭用エネルギー統計年表 27 年度版 ( 関東 ) (3) 環境省データ (4) 電気事業連合会資料 (5) 松岡秀男 : 常温潜熱蓄熱材料の技術動向建築設備と配管工事,47 巻,8 号,63,p8-11(29) 注 1) COPとは成績係数 (Coefficient Of Performance) のことで冷房機器などのエネルギー消費効率の目安として使用される係数定格冷房定格暖房時の消費電力 1kW あたりの冷房暖房能力を表したもの注 2) キャニスターとは活性炭を用いて燃料タンク内で発生するガソリン蒸気の大気放出を抑制する環境対策用の自動車部品でエコジュールはその活性炭の温度を一定に保持する部分に使用されキャニスターの性能を向上させている

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蓄熱冷剤の事業化に向けた原料対応について石油化学品部　開発推進グループ第 2 回経営戦略講演会資料パラフィン系潜熱蓄熱材エコジュールのご紹介と電気自動車等への蓄熱技術の応用株式会社ジャパンエナジー石油化学品部蓄熱グループ 1 目次 Ⅰ. はじめに (CO2 削減のための潜熱材の必要性 ) Ⅰ-1. はじめに Ⅰ-2. 民生用の CO2 削減の為には Ⅱ. 潜熱蓄熱材エコジュール Ⅱ-1. 蓄熱材の種類 Ⅱ-2. エコジュールができるまで Ⅱ-3. パラフィンの蓄熱機能とは