部 外 秘 太 陽 熱 を 利 用 した 淡 水 化 調 理 温 水 装 置 と 沙 漠 地 帯 でのバイオ 燃 料 生 産 大 阪 大 学 レーザーエネルギー 学 研 究 センター 實 野 孝 久 2012.4.10. 1
世 界 の 人 口 石 油 生 産 石 油 価 格 食 料 価 格 の 関 係 人 類 は 安 価 な 石 油 で 農 作 物 を 作 り 70 億 人 を 突 破 してしまった すでに 石 油 の 生 産 はピークとなり 価 格 上 昇 が 続 いている 農 業 には 肥 料 農 薬 耕 耘 種 まき 収 穫 運 搬 と 全 ての 工 程 に 石 油 が 使 われており 食 料 価 格 が 直 ちに 石 油 価 格 に 連 動 する 石 油 需 要 は 逼 迫 し 価 格 の 上 昇 は 止 まらず 食 料 価 格 も 上 昇 する 近 い 将 来 発 展 途 上 国 が 食 料 の 入 手 に 困 窮 することが 予 想 される ( 経 済 的 制 約 ) いずれ 石 油 生 産 量 が 減 少 すると 慢 性 的 な 食 料 不 足 の 時 代 となる ( 資 源 的 制 約 ) この 事 態 を 打 破 する 解 決 策 の 一 つが 太 陽 光 の 有 効 利 用 である ( 未 利 用 エネルギー 資 源 の 活 用 ) 2
従 来 型 の 資 源 消 費 型 の 淡 水 化 装 と 新 しい 自 然 熱 利 用 による 淡 水 化 3
従 来 型 の 太 陽 熱 利 用 方 式 の 欠 点 1. いずれの 方 式 も 原 水 が 太 陽 光 に 晒 されるため 藻 の 発 生 や スケール 結 晶 の 析 出 により 長 期 に 亘 って 使 用 し 続 けること が 困 難 である 2. いずれも 少 数 の 使 用 であれば 手 入 れ 等 も 簡 単 であるが 大 規 模 化 すると 耐 久 性 等 の 問 題 もあり 長 期 使 用 は 困 難 であると 予 想 される ( 実 際 長 期 大 規 模 で 使 用 されている 例 はほとんどない ) 3. いずれも 原 理 的 に 製 塩 まで 持 ち 込 めないため 濃 縮 された 海 水 を 廃 棄 する 必 要 があり 労 力 および 環 境 への 負 荷 が 大 きい 従 って 低 コストで 耐 久 性 があり 大 規 模 化 が 可 能 な 新 しい 太 陽 熱 淡 水 化 装 置 を 開 発 する 必 要 がある 4
新 規 太 陽 熱 蒸 留 装 置 5
黒 く 塗 ったプレート フィンで 太 陽 光 を 吸 収 する ガラス 窓 太 陽 光 密 度 0.1W/cm 2 蒸 発 部 吸 熱 部 ( 断 熱 箱 ) 原 水 吸 熱 部 ガラス 窓 放 熱 部 断 熱 箱 濃 縮 水 吸 熱 部 と 放 熱 部 にピッチの 違 うプレートフィンを 用 いて 効 率 の 良 い 加 熱 と 自 然 放 熱 による 冷 却 で 蒸 留 を 行 う 吸 熱 部 は 断 熱 箱 にいれた 黒 いプレートフィンで 太 陽 熱 を 吸 収 する( 特 許 出 願 済 み) 放 熱 部 には 自 然 対 流 を 誘 発 しやすい 大 きい 間 隔 のプレート フィンを 使 用 する 必 要 に 応 じてファンで 送 風 する 蒸 留 水 6
原 理 実 証 装 置 ( 受 光 面 積 1 m 2 ) 勝 川 熱 工 にて 製 作 中 受 光 面 積 :1x1m 角 度 :45 7
11 月 4 日 実 証 実 験 結 果 Fig1 時 間 別 平 均 値 をとった 日 射 と 生 成 量 の 関 係 Table1 11 月 4 日 実 験 結 果 (9 時 50 分 ~16 時 ) 生 成 量 (cm3) 平 均 日 射 (W) 効 率 (%) 3600 556.6 70.7 Fig2 日 射 と 効 率 の 関 係 左 論 文 右 実 証 実 験 データ
プレートフィンチューブ 吸 熱 体 による 蒸 留 実 験 吸 熱 体 : プレートフィンチューブ 受 光 面 積 : 1mx1m 蒸 留 方 式 : 減 圧 蒸 溜 法 冷 却 : 電 動 ファン(40W) 熱 効 率 : ピークで70% 生 成 水 量 : 4 l / 日 ( 日 本 では 日 射 が 弱 いため) 熱 効 率 が 高 いため 日 射 が 強 ければ 10 l /m 2 / 日 は 得 られる 見 込 み 本 機 で 一 応 の 作 動 確 認 が 行 えた ただし 装 置 コストが 高 いため このまま では 使 えない 格 段 の 低 コスト 化 が 必 要 9
直 接 太 陽 熱 利 用 法 太 陽 熱 調 理 湯 沸 かし 器 への 応 用 毎 日 世 界 中 で 厖 大 な 量 の 燃 料 ( 薪 炭 石 炭 天 然 ガス 石 油 )が 調 理 と 飲 み 水 の 殺 菌 のために 使 われている 太 陽 熱 を 利 用 出 来 れば 森 林 の 保 護 と 燃 料 節 約 ができる この 方 式 にすることで 格 段 の 低 コスト 化 が 可 能 となる 10
水 汲 みと 薪 集 めが 大 きな 労 働 負 担 女 性 や 子 供 に 水 汲 みと 薪 集 めが 負 担 となり 勉 学 等 の 時 間 が 取 れない 乾 燥 地 帯 では 薪 を 集 めることは 砂 漠 化 を 招 くことになる しかし この 人 たちの 足 下 には 強 い 太 陽 の 日 差 しが 降 り 注 いでいる この 太 陽 の 熱 で 汚 染 水 を 蒸 留 し 調 理 と 滅 菌 ができるはずである 11
太 陽 熱 淡 水 化 調 理 滅 菌 温 水 器 を 用 いると 飲 用 に 適 した 真 水 を 得 られると 共 に 水 汲 み 薪 集 めなどの 労 働 から 解 放 される この 時 間 を 利 用 し 勉 学 や 生 産 性 の 高 い 仕 事 を 行 うことができる 乾 燥 地 の 環 境 にとっても 森 林 資 源 の 収 奪 を 防 止 し 樹 木 の 保 全 に 役 立 つ 装 置 自 身 が 非 常 に 安 価 であることから 現 地 で 生 産 できるため 容 易 に 普 及 させることができる 並 列 運 用 すると 農 業 用 水 も 製 造 できる 現 地 で 支 援 を 行 うNGO NPOの 職 員 にとっても 清 潔 な 飲 料 水 が 確 保 できるのは 大 きなメリットとなる 材 質 を 配 慮 すると 数 十 年 間 の 使 用 が 可 能
食 物 生 産 と 競 合 しないバイオ 燃 料 生 産 砂 漠 地 帯 に 淡 水 化 施 設 を 作 り そこでバイオ 燃 料 を 生 産 する 太 陽 熱 では 生 成 できる 水 の 量 が 少 ないため 滴 下 ( 点 滴 ) 灌 漑 などの 節 水 灌 漑 法 を 採 用 する 乾 燥 地 帯 の 海 岸 線 付 近 で 淡 水 化 装 置 を 作 動 させ 油 脂 植 物 による 植 物 油 生 産 を 行 う 濃 縮 した 海 水 は 塩 にして 販 売 する ( 濃 縮 海 水 を 廃 棄 しない ) 植 物 油 を 水 素 添 加 触 媒 変 性 させて 分 溜 することで 石 油 とまったく 同 等 の 液 体 燃 料 (BHD)を 得 る BHD 生 産 に 必 要 な 水 素 は 太 陽 光 と 光 触 媒 で 現 地 生 産 する 油 脂 の 搾 り 粕 や 枝 葉 老 木 は 粉 砕 し 光 触 媒 でグルコースに 変 換 する このグルコースを 油 脂 を 作 る 藻 類 (オーランチオキトリウム)に 与 え 油 脂 に 変 換 する 13
鳥 取 大 学 の 報 告 乾 燥 地 研 究 センター 緑 化 保 全 部 門 井 上 光 弘 先 生 www.geocities.jp/soil_water_mitchy11/green2009oct30.pdf 14
淡 水 化 による 沙 漠 農 業 とBHDとの 組 み 合 わせのメリット 1. 沙 漠 で 植 物 油 を 生 産 することから 食 料 との 競 合 がない 既 存 の 農 地 を 浸 食 しない 2. 光 触 媒 による 水 素 発 生 と 整 合 性 が 良 い 3.リグニン 等 の 分 解 による 藻 類 油 でも 石 油 化 が 可 能 今 後 の 石 油 逼 迫 に 備 え 現 代 文 明 を 支 える 農 業 海 運 トラック 輸 送 に 必 要 な 液 体 燃 料 を 沙 漠 地 帯 で 生 産 する 課 題 BHDは 温 暖 化 対 策 として 着 手 されたが 原 料 入 手 の 困 難 から 頓 挫 している 石 油 枯 渇 対 策 として 新 たに 取 り 組 む 必 要 があるが 開 発 に 関 わっていた 石 油 会 社 ( 新 日 本 石 油 )は 大 規 模 施 設 のみを 考 えているため 小 規 模 施 設 を 新 た に 構 築 する 必 要 がある ( 新 日 本 石 油 は 技 術 協 力 は 行 える とのこと ) 15
砂 漠 で 海 水 を 太 陽 熱 で 淡 水 化 し 油 脂 植 物 を 滴 下 灌 漑 で 育 成 する 太 陽 熱 淡 水 化 装 置 滴 下 ( 点 滴 ) 灌 漑 油 脂 生 産 果 樹 園 + = 油 脂 果 実 搾 り 粕 枝 葉 老 木 + 背 面 照 射 立 体 光 触 媒 + 油 脂 生 成 藻 類 (オーランチオキトリウム) 植 物 油 背 面 照 射 立 体 光 触 媒 蒸 留 水 + = 水 素 バイオ 燃 料 BHD 農 業 用 液 体 燃 料 を 生 産 する 16
乾 燥 地 帯 で 淡 水 化 農 業 が 可 能 な 地 域 乾 燥 地 の 沿 岸 部 をグリーンベルトにして 液 体 燃 料 を 生 産 する 淡 水 化 農 業 が 可 能 な 地 帯 www.sizen-kankyo.net/ blog/image849.gif 17
インド バングラディシュでのヒ 素 汚 染 井 戸 水 対 策 汚 染 された 井 戸 水 を 蒸 留 で 飲 料 可 能 な 水 にする 究 極 の 浄 化 法 濃 縮 されたヒ 素 はバクテリアにより 無 害 化 されるので 表 層 水 に 放 出 できる 現 在 配 布 されているSONO( 吸 着 )フィルターは 安 価 ではあるが 大 量 の 廃 棄 物 を 生 み 出 すので 環 境 には 良 くない 蒸 留 法 ではガラス 管 シールドを 用 いれば 消 耗 品 する 部 品 をなくせる 家 庭 用 および 集 落 用 の 小 規 模 装 置 の 需 要 が 多 数 あると 推 定 される
インド バングラディシュにおけるヒ 素 汚 染 水の 蒸 留留 純 化 インド バングラディシュでは 表 層 水の 汚 染 対 策 として 井 戸 水の 使 用が 促 進 され 1000 万 本 の 井 戸が 掘 られた しかしヒマラヤ 山 塊 の 岩 石 中 のヒ 素 が 井 戸 水に 混 入し ていたため 10 年年 以 上 経 って 慢 性 ヒ 素 中 毒 の 症 状 が 現 れている 汚 染 井 戸 水のヒ 素 の 濃 度度 は10 ~30μg/リットルと 微 量量 であるため 除 去 する 事 が 難 しい インド バングラディシュで2000 万 人 インドシナ 他 を 加 えて1 億 5000 万 人が 汚 染 井 戸 水の 脅 威 に 晒 されている カンボジアなどでも 日 本 の 援 助 で 掘 られた 井 戸の 水が 汚 染 しており 多 くの 住 民が 慢 性 中 毒 になっている 残 念念 ながらこれまでは 有 効 な 対 策 がなく その 井 戸を 使 っている 我 々の 方 法 を 村 落落 単 位 で 設 置 すれば 大 幅 に 改 善 できる 19
光 触 媒 を 用 いた 太 陽 光 有 効 利 用 レーザー 用 光 学 素 子 の 製 造 技 術 の 研 究 で 偶 然 発 見 された 酸 化 チタン 微 結 晶 の 製 造 法 を 用 い 立 体 構 造 を 持 った 光 触 媒 が 得 られる これを 用 い 砂 漠 で 蒸 留 水 から 水 素 を 作 ったり 木 質 のリグニンを 分 解 してグルコースを 作 り 藻 類 によって 植 物 油 に 変 換 する 20
表 面 化 学 反 応 による 光 触 媒 の 形 成 [ 原 子 層 堆 積 法 (ALD)] 特 許 出 願 手 続 き 中 真 空 排 気 装 置 蒸 着 源 電 子 銃 イオン 源 遊 星 回 転 機 構 基 板 駆 動 装 置 基 板 ガス 導 入 装 置 システム 制 御 装 置 基 板 駆 動 制 御 装 置 蒸 着 速 度 制 御 装 置 膜 厚 制 御 装 置 膜 厚 モニター 装 置 ガス 制 御 装 置 イオンアシスト 装 置 原 料 ガス 電 磁 バルブ 反 応 チェンバー 大 型 基 板 電 磁 バルブ 原 料 ガス 真 空 排 気 制 御 装 置 バルブ 従 来 法 ( 蒸 着 装 置 ) 原 子 層 堆 積 法 で 酸 化 チタンを 成 膜 すると ある 条 件 下 で 光 触 媒 のアナターゼの 微 結 晶 が 全 面 に 出 来 ることが 判 明 した 排 気 装 置 原 子 層 成 膜 装 置 アナターゼ 微 結 晶 ALDによる 製 膜 結 果 この 方 式 ではバインダーを 用 いないために 自 己 分 解 が 生 じず 高 い 紫 外 線 利 用 効 率 が 得 られる この 光 触 媒 と 砂 漠 に 豊 富 にある 太 陽 光 で 水 からの 水 素 発 生 やリグニンの 分 解 が 可 能 となる
沙 漠 での 光 触 媒 の 活 用 法 光 触 媒 と 太 陽 光 の 紫 外 線 で 蒸 留 水 を 分 解 し 水 素 を 得 ることが 出 来 る その 水 素 を 用 いて 金 属 の 還 元 と 植 物 油 の 水 素 添 加 分 解 でバイオ 燃 料 を 作 る 1. 酸 化 金 属 の 還 元 沙 漠 の 砂 (シリコン) 海 水 中 の 塩 (ナトリウム マグネシウム リチウム)などの 還 元 を 行 う 沙 漠 鉱 山 2. リグニン セルロースのグルコースへの 分 解 と 藻 類 による 石 油 類 似 燃 料 の 生 成 光 触 媒 でリグニンをグルコースに 分 解 し 石 油 を 作 る 藻 (オーランチオキトリウム) により 植 物 油 に 変 換 させ 水 素 添 加 分 解 で ほぼ 原 油 と 同 じ 分 溜 成 分 が 得 られる この 方 法 では 沙 漠 で 作 られる 水 素 と 灌 漑 で 育 成 した 灌 木 などを 材 料 にして 石 油 類 似 燃 料 が 生 産 できる 非 産 油 国 の 沙 漠 で 燃 料 油 が 製 造 できる ことは 発 展 途 上 国 に 大 きなメリットを 生 む 沙 漠 油 田 22
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太 陽 光 利 用 による 資 源 生 産 システム 太 陽 光 が 豊 富 にある 砂 漠 地 帯 が 資 源 国 になる 太 陽 光 植 物 による 光 合 成 に 匹 敵 する 太 陽 光 の 工 業 利 用 法 太 陽 熱 紫 外 線 太 陽 熱 紫 外 線 太 陽 熱 海 水 汚 染 水 淡 水 化 装 置 光 触 媒 装 置 水 素 還 元 装 置 光 触 媒 装 置 蒸 留 水 水 素 金 属 シリコン 金 属 マグネシウム 金 属 ナトリウム リグニン セルロース 糖 類 藻 類 食 塩 稀 少 金 属 飲 料 水 食 料 農 業 用 水 植 物 油 バイオ 燃 料 BHD 低 コスト 太 陽 電 池 鉱 業 原 料 世 界 中 の 屋 根 を 太 陽 電 池 に! ( 究 極 の 電 力 対 策 ) 石 油 原 材 料 (スクワレン) バイオ 燃 料 BHD 24
以 上 の 検 討 により 数 値 的 な 詰 めはまだ 十 分 ではないが 太 陽 光 を 工 業 的 に 利 用 する 道 筋 が 明 示 できた もしこれらの 方 法 が 実 現 されたら 燦 々と 太 陽 が 降 り 注 ぐ 沙 漠 の 国 が 最 も 資 源 に 恵 まれた 国 となるため 現 在 貧 困 に 喘 ぐ 多 くの 国 が 経 済 的 に 自 立 する 手 段 となる 別 の 意 味 では 現 状 では 採 算 が 取 れない 太 陽 電 池 や 太 陽 熱 発 電 と 利 用 分 野 が 限 られる 太 陽 熱 温 水 器 を 除 くと 人 類 初 の 本 格 的 な 太 陽 光 の 工 業 利 用 法 になる 可 能 性 がある また 資 源 の 乏 しい 我 が 国 が 発 展 途 上 国 を 助 けるために 進 める 世 界 貢 献 としても 大 きな 意 義 を 持 つ 光 触 媒 でのリグニンの 糖 化 と 藻 類 による 石 油 化 は 日 本 の 大 量 の 未 利 用 森 林 資 源 である 間 伐 材 を 活 用 できるため 山 林 の 有 効 活 用 が 可 能 となるので 我 が 国 でもメリットが 大 きい ( 石 油 代 替 えエネルギー ではなく 日 本 の 山 林 の 活 性 化 として 意 味 がある ) 25
協 力 して 頂 きたい 事 項 淡 水 化 調 理 温 水 装 置 および 光 触 媒 はいずれも 日 本 国 内 では 日 射 量 が 少 なく あまり 実 用 的 ではない そのため 乾 燥 地 砂 漠 での 活 用 試 験 を 考 える 必 要 がある ODA 等 の 予 算 獲 得 には 実 績 と 現 地 政 府 からの 要 請 が 重 要 である この 目 的 のために 現 地 との 緊 密 な 連 携 のとれる 組 織 の 協 力 が 必 要 であり 早 い 段 階 からの 関 与 が 望 まれる 装 置 的 な 見 通 しが 立 った 時 点 から 現 地 導 入 を 始 められるようにあらかじめ 準 備 を 進 めておきたい 特 に 望 ましいのは 地 域 開 発 として 取 り 組 んでくれる 組 織 である 装 置 の 販 売 も 可 能 であるが 現 地 での 生 活 改 善 を 目 指 した 地 域 開 発 を 行 いたい 装 置 が 簡 単 であるため 原 理 が 判 れば 外 国 に 先 に 進 められる 可 能 性 が 高 い 早 期 に 日 本 の 国 際 貢 献 であることを 明 確 にしておく 必 要 がある 即 応 力 の 高 い 民 間 の 力 を 活 用 したい