サイエンティフィック・システム研究会
HPCフォーラム2016

ポスト｢京｣重点課題５｢エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発｣について
２０１６年８月２６日
岡崎 進
自然科学研究機構 分子科学研究所
名古屋大学大学院工学研究科

CO2

エネルギー問題は我が国喫緊の課題
低いエネルギー自給率と高い化石エネルギー依存率

2012年
エネルギー自給率

一次エネルギー

6.0%（一次エネルギー）
資源エネルギー庁 エネルギー白書 ２０１４
一次エネルギー
非化石エネルギー

2012年
再生可能エネルギー 7.2%
（一次エネルギー）

化石エネルギー

資源エネルギー庁 エネルギー白書 ２０１４2

我が国のエネルギー主要技術課題

サブ課題 Ａ

サブ課題 Ｃ

原子・分子のミクロな振る舞いが技術の中心的な役割を担っているため、課題の解決には計算科学の支援が不可欠となっているエネルギー技術
サブ課題 Ａ 太陽光エネルギー
新エネルギー源の創出・確保• 太陽電池• 人工光合成

サブ課題 Ｂ 電気エネルギー
エネルギーの変換・貯蔵• 二次電池• 燃料電池サブ課題 Ｃ 化学エネルギー

サブ課題 Ｂ

経済産業省 総合資源エネルギー調査会 基本政策分科会（平成２６年１１月 第15回会合資料）

エネルギー・資源の有効利用• メタンハイドレート
• CO２
• 触媒

新規エネルギー資源とエネルギーの有効利用 3

全体目標
社会的意義
ポスト「京」を駆使することにより、太陽光エネルギー、電気エネル
ギーや化学エネルギーにおいて中心的な役割を担う複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレーションを行い、実験研究者、産業界と連携して、高効率、低コスト、また環境に優しく持続可能なエネルギー新規基盤技術を確立する。

科学的意義
同時に、これまで計算機資源の不足により制限されていた孤立系や部分系における単一現象の科学から脱却し、現実系である界面、不均一性を有する電子、分子の複合現象を統合的に捉え得る新しい学術的視点を確立し、科学的なブレークスルーを達成する。
サブ課題A 新エネルギー源の創出・確保 － 太陽光エネルギー
太陽電池、人工光合成
サブ課題B エネルギーの変換・貯蔵 － 電気エネルギー
燃料電池、二次電池
サブ課題C エネルギー・資源の有効利用 － 化学エネルギー
メタンハイドレート、CO2 、高効率触媒4

サブ課題Ａ 新エネルギー源の創出・確保 ー 太陽光エネルギー
太陽電池と人工光合成は重要な低炭素の国産エネルギー源
 技術的課題 高性能太陽電池
低コスト化、高変換効率、長寿命

 高効率水素発生光触媒、高効率CO2固定触媒

 課題解決のために計算に求められていること（本課題研究において実施）

人口光合成の概念

 太陽電池のエネルギー変換効率要因の特定
短絡電流密度、開放電圧、曲線因子の計算、界面・モルフォロジー制御

 理論限界を超える、太陽電池の新機構提案
アップコンバージョン、ホットキャリア等

 金属錯体や半導体光触媒での水素発生機構解明と設計
 CO2固定法の指針開発（サブ課題Ｃとの連携）

 開発アプリケーション
 太陽電池シミュレータ

変換効率への寄与を構成要
素ごとに定量的に理解した上で、全体の変換効率を評価

主としてNTChemをベース
1万原子系の大規模TDDFT、QM/MM分子動力学、非断熱遷移動力学
多核金属錯体 人工光合成シミュレータ
半導体光触媒主としてGELLANをベース
1020 の電子配置からなる励起状態計算 構造最適化、物性計算

変換効率(η) ＝ 短絡電流密度(JSC)
x 開放電圧(VOC) x 曲線因子(ff) / 入射光強度

高効率太陽電池のための界面制御

太陽電池の全系シミュレーションイメージ

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サブ課題B エネルギーの変換・貯蔵ー 電気エネルギー・Liイオン電池
・固体高分子形燃料電池

 技術的課題

 低コスト化、高信頼性、高耐久性、汎用元素の利用
 高エネルギー密度、高出力密度、高速充放電
 次世代、次々世代電池の構築
電池が電気自動車開発の成否の鍵
現在、激烈な国際開発競争

 課題解決のために計算科学に求められていること（本課題研究において実施）

各電池共通の課題

 電極・電極被膜・電解質膜・電解液界面挙動の解明•

界面における電極反応、電極被膜生成、イオン輸送

固体高分子形燃料電池
e−e−

 各電池部材の最適材料設計・探索•••

高電圧・高エネルギー密度につながる正極・負極
高イオン伝導度、高耐久性をもつ電解液・電解質・電解質膜
白金代替触媒、短絡を防ぐセパレータ材

 開発アプリケーション

電池共通基盤技術

全電池ミュレータ
 電極反応、電極被膜、電極界面主としてstat‐CPMDをベース
5,000原子系の電位一定の第一原理分子動力学計算

各要素、電池プロセスのミクロな理解

H2O

H3O+カソード

アノード
H3O+

H2 高分子膜 O2
H2 → 2H++2e負極

V正極

 電解質膜、セパレータ、電極被膜、電解液と界面主としてMODYLASをベース
数億原子系の古典分子動力学計算

 電流電圧曲線

電池性能のマクロな理解

電極界面の反応抵抗、輸送抵抗、電気二重層
information transfer による全電池過程の統合的理解

高分子膜

O2 + 4e- + 4H+→ 2H2O

全電池シミュレーション

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サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用 ー 化学エネルギー
メタンやCO2等の分離・回収、貯蔵、変換、資源化→ ハイドレート利用、触媒開発、CO2吸収材開発■技術的課題高性能触媒■ ハイドレートからのメタンの効率的採取技術■ 元素戦略に立脚した高性能触媒の開発■ CO2の低コスト分離・回収、廃棄、資源化■課題解決のために計算に求められていること（本課題研究において実施）

メタンハイドレートの燃焼■ メゾスコピック系での相転移と安定・不安定性の解明• ハイドレートの分解の律速過程の解明とその解消法の提案、• メタン／CO2の高効率置換（CO2の廃棄）の可能性の検証■ 触媒反応経路の全面探索技術の確立• CO2還元を実現する高機能触媒提案■ 低コストCO2回収を実現するMOFの設計■開発アプリケーション

MOFへのCO2の吸収■ 多相共存MD シミュレータ
主としてMODYLASをベース
固相、液相、気相と界面を含む1,000万分子、1μsの分子動力学計算■ 触媒反応経路探索シミュレータ

メタンハイドレートの融解

NTChem+GRRM
1,000原子の電子状態計算に基づく系統的経路探索■ 凝縮相内化学反応シミュレータ
DC-DFTB-K
10万分子、サブナノ秒の全電子分子動力学計算

触媒反応経路の全面探索

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基盤アプリ設計開発「京」で実績のあるグループが、その世界最高水準のアプリケーションをベースに開発成果の利活用
産応協等・公開する。産業界と密接に連絡を取りながら、完成後の産業界への展開を前提に開発。
・エネルギー以外の広範な分野にも大きな波及効果
ソフトウェア名（開発者）・機能
京での性能実績
ターゲットアプリ

NTChem（中嶋）
汎用第一原理電子状態計算ソフト
化学反応計算ポスト「京」計算例

太陽電池ｼﾐｭﾚｰﾀ

9,840原子軌道71,288ノード
実効効率 32%
世界最高レベルの超並列

5千～1万原子系の励起状態DFT計算

5,520原子軌道21,672ノード
実効効率 32%
世界最高水準の高精度計算

1020以上の電子配置からなる
超高精度励起状態計算と構造最適化

凝縮相内化学反応ｼﾐｭﾚｰﾀ

量子化学

GELLAN（天能）階層的量子化学計算ソフト
高精度電子状態計算、QM/MM分子動力学
量子化学

MODYLAS（岡崎）
汎用分子動力学計算ソフト
自由エネルギー計算
多相共存系
分子動力学

stat-CPMD（館山）
第一原理分子動力学
反応自由エネルギー計算

固体電子論

人工光合成ｼﾐｭﾚｰﾀ

8,000万原子系65,536ノード
実効効率 41%
世界最高クラスの高速計算

電池ｼﾐｭﾚｰﾀ
多相共存系ｼﾐｭﾚｰﾀ

2,400原子系
3,840ノード
実効効率 29%

電池ｼﾐｭﾚｰﾀ

1‐10億原子系

反応スクリーニング
5千規模の原子系多重化学反応8実施体制実験、産業と連携したオールジャパンで研究を推進

実施者
B.エネルギーの変換・貯蔵
東京大（杉野（責） ）、物材機構（館山）、名古屋大（岡崎、長岡）
明確な責任体制

パートナープロジェクト
実施者が直接参加・共同研究
実証

協力者
産業界
[ソニー、パナソニッ
ク、IHI、MCHC R&D
シナジーセンター、RITE、旭化成、旭硝子、豊田中研、新日鐵住金、東レ、日産アーク、日東電工、富士フィルム、三菱樹脂、
産応協等]

大型実験施設[SPring-8]

大型国家プロジェクト[元素戦略、ARPChem、ImPACT、NEDO、JSTALCA、JST-CREST、
JSTさきがけ、経産省未利用熱エネルギー革新的活用等]

国内外研究機関[実験研究者：井上（首都大）、今堀（京大）、中村、堂免、瀬川（東大）、但馬（理研）、石谷（東工大）、阿部（京大）、神谷（大阪市大）、沈（岡山大）、三野（名大）、山田（東大）、高田、久保（物材機構)、今西（三重大）、駒場（東理大）、原田（東大）、太田（横国大）、星永（千葉大）、内田（北大）、佃（東大）、清水（北大）、野口（物材機構)、依馬（岡山大）、北川（京大）、中尾（RITE)、古川、鹿又（早大）]

AICS

量子化学、固体電子論、分子動力学の有機的連携

CREST：元素戦略（玉尾（理研））
CREST：分子技術（山本（中部大）
元素戦略：触媒・電池（田中（京大））

（中嶋）
AICS

C.エネルギー・資源の有効利用
岡山大（田中（責） ）、北大（武次）、 触媒
早稲田大（中井）、分子研（奥村） （武次）

ImPACT(伊藤(東大))CREST：分子技術(山本(中部大))JST-ALCA(魚崎(NIMS)）NEDO(太田(横浜国大))元素戦略：触媒・電池(田中(京大))

ポスト
「京」
開発主体：
理研

ARPChem（瀬戸山（三菱化学））
CREST：相界面（花村（東工大））、分子技術（山本（中部大））

コデザイン

A.新エネルギー源の創出・確保
神戸大（天能（責））、AICS（中嶋）、東京大（山下）基盤アプリ設計開発：
理研

代表機関：分子科学研究所（岡崎進）

実験、産業界と強力な連携体制を構築、一方で実施者は厳しく絞り込み（１１名）

計算機科学

国内外研究機関[理研AICS、東大情基セ、名大情基セ、北大情基セ、神戸大、電通大、慶大][理論・計算科学者：大阪府大、金沢大、技術組合FC-Cubic、岐阜大、京大、京都工芸繊維大、慶大、産総研、電通大、東北大、阪大、福井大、分子研、名工大、名大、理研、國立交通大（台湾）、成均館大（韓国）]

重点課題
重点課題①
重点化題⑥
重点課題⑦

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まとめ
ポスト「京」

全体目標と期待される成果
サブ課題Ａ 新エネルギーの創出・確保：太陽電池、人工光合成
サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵：燃料電池、二次電池
サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用：メタンやCO2の分離・回収、貯蔵、触媒反応○複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレーションの確立○実験研究者、産業界と連携、高効率、低コスト、また環境に優しく持続可能なエネルギー新規基盤技術を確立○現実系である界面、不均一性を有する電子、分子の複合現象を統合的に捉え得る新しい学術的視点を確立

平成27年度
サブ課題Ａ
新規エネルギー
資源の創出・確保
太陽光エネルギー

サブ課題Ｂ
エネルギーの変換・貯蔵
電気エネルギー（電気化学エネルギー）

サブ課題Ｃ

平成31 年度
光合成シミュレータ

・可視光領域での水素製造光触媒
・水から酸素を取り出す金属錯体触媒・システムとしての人工光合成

太陽電池シミュレータ
天然光合成メカニズム
人工光合成のためのエネルギー原理
先行的成果

平成36年度

高効率有機太陽電池

全電池プロセスシミュレータ

人工光合成系
高効率次世代太陽電池・新規変換機構
・非鉛化新規ぺロブスカイト太陽電池
・ナトリウム電池、リチウム空気電池等の本格研究

先行的成果

電気自動車用Liイオン電池

次世代電池、次々世代電池

車載用高分子形燃料電池

非白金燃料電池、発電用燃料電池

先行的成果

多相共存ＭＤシミュレータ

・多角的な材料開発
・ＣＶ曲線予測技術の確立

反応経路探索シミュレータ

エネルギー・資源の有効利用
化学エネルギー

凝縮相内化学反応シミュレータ

・メタン回収とCO2廃棄の同時実施
・窒素固定固体触媒メタン、H2ハイドレート解離機構

メタン、H2、CO2ハイドレート貯蔵

CO2分離・回収機構

燃料電池用非白金系触媒
CO2分離・回収機構用高性能材料

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