Sumitomo
Heavy Industries
Technical Review

Mar.2022
No.206

206

住友重機械

技報

環境・エネルギー技術特集

この印刷物は再生紙を使用しています

Printed in Japan

Special Issue for Environment and Energy Technology

ISSN 0387-1304

住友重機械技報 206
No.

巻頭言

2022

「環境・エネルギー技術特集」の発行に当たって小島英嗣

環境・エネルギー技術特集
論文・報告 流動床生物膜処理システム エアロインパクト
スマフロプラス（SMF-P01）による効率的な水道水質管理
嫌気処理排水からのエネルギー回収技術

松﨑祐子

1

畑中

總

5

清川達則，中條晃伸

9二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成
鈴木 崇，中條晃伸，牛木龍二，黒岩広樹

13

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

西村宗樹，平田一弘，中條晃伸

17

技 術 解 説 液化空気エネルギー貯蔵（LAES）技術の紹介

伊藤一芳

23

IZANATM（プラント運用支援システム）の開発

藤井大也，渡邊建聖，青木七海

25

立川彩子，中條晃伸

27

カーボンリサイクル技術

Sumitomo Heavy Industries
Technical Review

No.

206

Message for "Special Issue for Environment and Energy Technology"

2022

Eiji KOJIMA

Special Issue for Environment and Energy Technology
T / PAPERS"AERO -IMPACT", Moving Bed Biofilm Reactor System
Yuko MATSUZAKI

Efficient Quality Management for Tap Water by SMAFLO-PLUS (Model SMF-P01)
Satoshi HATANAKA

Energy Recovery Technology from Anaerobic Treated Wastewater
Tatsunori KIYOKAWA, Terunobu NAKAJYO

Preliminary Attempt to Synthesize Liquefied Hydrocarbons from Syngas Containing Carbon Dioxide
Takashi SUZUKI, Terunobu NAKAJYO, Ryuji USHIKI, Hiroki KUROIWA

Development of Thermochemical Heat Storage Technology Using Calcium Oxide
Motoki NISHIMURA, Kazuhiro HIRATA, Terunobu NAKAJYO

T/INVITATIONSIntroduction of Liquid Air Energy Storage System
Kazuyoshi ITO

Development of IZANATM (Plant Operation Support System)
Hirotada FUJII, Takemi WATANABE, Nanami AOKICarbon Recycle Technologies
Ayako TACHIKAWA, Terunobu NAKAJYO

1
5
9
13
17
23
25
27

「環境・エネルギー技術特集」の発行に当たって取締役
専務執行役員小島英嗣

住友グループの源流は四国・別紙銅山における銅の採掘にあります。その銅精錬による煙害に対処することを目的として，瀬戸内海「四阪島」に精錬所を移し，明治時代末期か
ら大正にかけて，大気汚染防止の技術をもって亜硫酸ガスによる煙害を克服した歴史に，
住友グループの環境技術への取組み姿勢が拝察されます。それから大きく時が経過します
が，当社単独では1960年代後半に，廃水処理技術や大気汚染防止技術の開発に着手しています。時代背景としては，高度経済成長によりもたらされた公害問題へ対処することが大きな社会課題でした。時代は変われども，環境技術が解決を目指すのは，長きにわたって
環境汚染への対処でした。
ところが，今日での環境問題は地球温暖化による気候変動であり，その主要因とされる温暖化効果ガスの排出削減が世界的視野での最重点課題になりました。また，その温暖化
効果ガスの代表格である二酸化炭素の排出に対して，逆に何らかの形式で吸収に相当する効果を合わせて全体の排出量をプラスマイナスゼロにする「カーボンニュートラル」という概念が生まれました。もはや，この言葉をメディアで見聞きしない日はないほど世界の大きな潮流になっており，経済活動を行ううえで不可避な考え方になりました。
地球温暖化防止の必要性は，エネルギー供給のあり方にも大きな変化を与えています。
石炭に代表される化石燃料による火力発電方式は地球からの退場を迫られています。すでに新設される電源のうち，約７割が太陽電池や風力発電に代表される再生可能エネルギー電源になりました。それらは自然エネルギー由来ですので，いわゆる不安定電源であり，それだけでは安定した電力ネットワークは構成できません。調整力をどのように組み込むかの検討も今後大きな課題になります。
当社は，従来の環境汚染防止技術としての廃水処理や大気汚染防止装置，またバイオマ
ス発電などの特長ある発電設備を提供する一方で，カーボンニュートラルに資する技術開発も進めています。後者の技術がカーボンニュートラルとしての効果をもたらすには，ほかの技術や設備と組み合わせた大きな枠組みでのシステム化や運用が必要になります。本
特集にて当社が携わるいくつかの技術や活動の一端を紹介させていただきますが，これを契機に他社あるいは関係機関との新たな協力関係に発展することを願ってやみません。

環境・エネルギー技術特集 論文・報告

流動床生物膜処理システム エアロインパクト

流動床生物膜処理システム エアロインパクト"AERO-IMPACT", Moving Bed Biofilm Reactor System
●松

﨑

祐

子＊

Yuko MATSUZAKI

流動床生物膜処理方式
Moving bed biofilm reactor system

本報では，スポンジ担体を用いた流動床生物膜処理方
式（MBBR）「エアロインパクト」を紹介する。流動床生物膜処理方式は，担体に付着した生物膜により効率的に排水を処理するものである。汚泥の返送が不要で管理が容易，高負荷運転が可能で装置の設置スペースが小さいといったメリットがあり，これまで広く採用されてきた
標準活性汚泥法の代替技術として注目されている。
MBBRの排水処理性能を確認すべく合成排水を用いて行ったラボ試験では，BOD＊1容積負荷＊22.5 kg/（ m3･d）

This paper introduces“AERO-IMPACT”, Moving Bed
Biofilm Reactor (MBBR) system. MBBR is an effective
wastewater treatment process utilizing sponge biofilm
carriers. It requires small footprint because of highloading treatment, and less operation since it does notneed sludge recycle. Due to these advantages, MBBR
has attracted attention as alternative technology toconventional activated sludge process.
Laboratory test using synthetic wastewater illustrated
its stable wastewater treatment performance at highvolumetric BOD load exceeding 2.5 kgBOD/(m3･d).

以上の高負荷運転で，安定した処理水質を達成した。

１

まえがき

近年，排水処理設備の老朽化に伴い，既存設備の延命化や機能向上が求められている。
有機性排水を生物処理する方式としては，微生物のフロッ
ク（活性汚泥）
により排水中の有機物を処理する標準活性汚泥法がこれまで広く採用されてきた。しかし，曝気槽のBOD容
積負荷が通常1.0 kg/（ m 3･d）前後，沈殿槽の水面積負荷 ＊3が1

スペース化を実現できる。活性汚泥濃度の管理が不要なうえ
維持管理作業を最小化したいという要望にも対応できること
から，設備のリノベーションにおいても標準活性汚泥法の代替技術として注目されている。

２
2.1

エアロインパクトの概要
基本フロー

図１に，エアロインパクトの基本フローを示す。

/ m2･h）程度で，比較的広い敷地が必要であった。
0.5～１m3（

担体槽，固液分離設備などで構成され，担体槽には散気装

一方，担体に付着した生物膜により処理を行う流動床生物置を設置し，曝気により酸素供給を行うとともに担体を流動以上の高負荷運転
膜処理方式は，BOD容積負荷2.0 kg/（m3･d）

させて排水と効率的に接触させる。出口には担体を槽内にと以上と効が可能であり，固液分離も水面積負荷４m3/（m2･h）

どめることを目的としたスクリーンを設け，スクリーン洗浄率の良い凝集沈殿槽または加圧浮上槽で行うことで設備の省用の散気管も設置する。

＊住友重機械エンバイロメント株式会社

住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告B

流動床生物膜処理システム エアロインパクト

曝気ブロワ

スクリーン

原水

LS

pH

DO

M

M

P
原水ポンプ
原水槽

図１

散気装置

スクリーン洗浄用散気管

担体槽

固液分離設備基本フロー
Flow diagram

新品

図２

生物膜付着後担体
Biofilm carriers

担体表面の生物膜は担体の流動や代謝により剥離して流下

上の高負荷運転が可能である。

するので，担体槽の後に固液分離設備として加圧浮上設備もBOD容積負荷を高くできることで，生物処理に必要なしくは凝集沈殿設備を設ける。だが，処理水を下水放流する

水槽容積を大幅に削減できる。既存の曝気槽を担体槽に場合などはこれらが不要となる場合もある。原水水質によっ流用する場合は，同じ容積で処理水量を増やすことが可てはきょう雑物分離スクリーンや固液分離などの前処理を検能である。また，担体から剥離した汚泥は処理水と分離討する。

する必要があるが，その分離を高効率の凝集沈殿槽また

2.2は加圧浮上槽で行うことで，一般的な沈殿槽に比べ面積

使用担体

図２に，生物膜を付着させる担体の外観を示す。排水処理を1/10以下にすることができる。

用の流動担体には球状，サイコロ状，円筒状などさまざまな

図３に，標準活性汚泥法との比較例を示す。標準活性ものがあるが，エアロインパクトでは高濃度に生物を保持す

汚泥法で曝気槽と沈殿槽を設置するのに必要な敷地面積

ることができるサイコロ状のスポンジ担体を採用している。

が約30×50 mなのに対し，高負荷処理可能なエアロイン

スポンジ担体は流動性が高く，効率的に排水と接触させる

パクトの担体槽と加圧浮上槽では15×40 m程度と半分以ことができるほか耐摩耗性にも優れている。また，頻繁な補充が不要であり，柔らかいので水槽の壁面を損傷しにくいな
ど多くの利点がある。
2.3

下のスペースに設置可能である。
（2）汚泥濃度や沈殿槽界面の管理が不要で維持管理が容易
標準活性汚泥法では，曝気槽内に浮遊する汚泥濃度が特長一定になるよう引抜量や返送率を調整する必要がある。

（1）高負荷での運転が可能で省スペース

一方，エアロインパクトでは微生物が担体に保持され活性汚泥法では，負荷を高くするとフロックの凝集性ていることから（図４），担体槽の汚泥濃度管理は不要で ，悪化などが懸念されることから，BOD容積負荷を1.0 kg/

汚泥を返送せずワンパスでの処理が可能である。活性汚（m ･d）前後とすることが一般的である。一方エアロイ

泥のようにバルキングによる沈殿槽での汚泥濃縮性の悪ンパクトでは，担体に高濃度に付着した活性の高い生物化や界面上昇などを懸念する必要もなく，維持管理作業

以膜により処理を行うので，BOD容積負荷2.0 kg/（m ･d）

を省略できる。

33

住友重機械技報 No.206 20222

論文・報告水量 2 500 m3/d, BOD1 500 mg/L
標準活性汚泥法
活性汚泥槽
4 000 m3

50 m

沈殿槽
表面積：250 m2

原水

活性汚泥槽

処理水

沈殿槽

担体
30 m

,

流動床生物膜処理システム エアロインパクト

余剰汚泥

返送汚泥
エアロインパクト
凝集槽

原水

生物膜

40 m

加圧浮上槽
表面積：20 m 2

加圧浮上槽
余剰汚泥
処理水

担体槽

図４

15 m

担体槽
1 500 m3担体への生物付着状況
Microorganism on biofilm carriers

凝集槽

図３

水槽容積および設置面積の比較
Comparison of MBBR with conventional activated sludge, as volume of tanks and their footprint

リノベーション前

リノベーション後（散気装置交換, スクリーン設置）
更新

スクリーン

高効率散気装置

図５

リノベーション例
Renovation of aeration tank

担体から剥離したSS（懸濁物質）の分離は，凝集沈殿
もしくは加圧浮上で行うことで安定した処理水質を得ることができる。
（3）既設曝気槽からの改造に対応
エアロインパクトは，既設の標準活性汚泥法からのリノベーションにも対応できる。

３

処理性能

合成排水を用い，ラボ試験で処理水質を確認した。
3.1

試験条件

表１に，試験条件を示す。出口に目幅1.5 mmのスクリーン

図５に，リノベーションの例を示す。曝気槽出口に担を設置した小型試験水槽を用い，種汚泥とともに担体を投入体を分離することを目的とするスクリーンを設置し，槽して運転を開始した。原水にはペプトン，肉エキスなどで調内に担体を投入する。散気装置は既設の流用も検討でき整した合成排水を用い，担体槽内の水温は20 ℃以上となるよるが，高負荷での運転とすることで空気量が不足する場う調整した。

合には改造・更新する。柔らかいスポンジ担体であるこ担体槽の後段で固液分離を行うことを想定し，処理水質はとから，メンブレンタイプのような高効率散気装置と組担体槽出口の溶解性BOD濃度で確認した。

み合わせて使用することも可能である。

3.2（4）余剰汚泥量の削減が可能
（減容型）

3

トに比べ，30％程度の汚泥減容効果が期待できる。

試験結果

図７に，原水および処理水BODの分析結果を示す。原水のエアロインパクトには，担体槽の前段に超高負荷の担BOD濃度は約1 300 mg/Lで推移した。平均のBOD容積負荷は体槽を設け，食物連鎖を利用して汚泥の発生量を低減でとなり，標準活性汚泥法に比べ高負荷の運2.6 kgBOD/（m3･d）

きる汚泥減容型のラインナップもある
（図６）
。超高負荷

転であった。

槽では分散状態の菌を優占化させて有機物の除去を行う。

一方，処理水の溶解性BODは20 mg/L以下まで除去されて後段の担体槽でそれらの菌を後生動物などに捕食させる

おり，除去率は98 ％以上で安定した処理であることを確認しことで，汚泥発生量を削減する。標準型エアロインパク

た。
住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告担体槽

図６

減容型基本フロー
Flow diagram of sludge reduction MBBR

表１

試験条件
Test conditions
水

流
容

担体槽

量 （L/d）

12

量 （L）

6

滞留時間 （h）

12

担体充填率（vol％）

沈殿槽

原水

30

原水BOD（mg/L）

原

凝集槽

処理水
（溶解性）

1 600

80

1 400

70

1 200

60

1 000

50

800

40

600

30

400

20

200

10

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

処理水BOD（mg/L）

超高負荷槽

流動床生物膜処理システム エアロインパクト

0

経過日数
（日）

図７

原水および処理水BOD
BOD value of raw and treated wastewater

処理水のSSは平均470 mg/Lで，使用した原水にSSは含ま

今後もこれらのシステムにより，新規設備の省エネルギー

れないことからBOD-SS転換率＊4は0.38 kgSS/kgBODとなっ化や省スペース化だけでなく既存設備の延命化，機能向上おた。標準活性汚泥法のBOD-SS転換率は一般的に0.3 kgSS/

よび設備の効率化に貢献していく所存である。

kgBOD前後とされており，同等かやや高い値であった。

４

むすび

本論文は，化学装置（2021年８月号）に掲載されたものより抜粋し，加筆したものである。

（1）エアロインパクトは，担体に付着した生物膜により排水を処理し，維持管理が容易で設置スペースの小さい処理システムである。
（2）合成排水を用いたラボ試験の結果，BOD容積負荷
2.6 kgBOD/（ m3･d）と高負荷の運転で，処理水の溶解性
BODは20 mg/L以下と安定した処理が可能であった。
（3）ラボ試験でのBOD-SS転換率は0.38 kgSS/kgBODであり，標準活性汚泥法と同等かやや高い値であった。
エアロインパクトは酒類工場および飲料工場向けに稼働実＊1

BOD（Biochemical Oxygen Demand)：水の汚濁の指標の一つで，値が高いほど汚れている。
＊2

BOD容積負荷：生物処理槽（曝気槽など）の処理能力の指標の一つ 。

水槽容積当たり１日で処理するBOD量。
＊3

水面積負荷：固液分離装置の処理能力の指標。水槽面積当たり１時間で処理する水量。
＊4 BOD-SS転換率：処理したBODがSSに転換する比率。
※「エアロインパクト」，「スミシックナー」，「スミスラッジ」，「バイオインパクト」は，住友重機械エンバイロメント株式会社の登録商標です。

績があり，いずれも安定処理を継続している。
住友重機械エンバイロメント株式会社では，エアロインパ
クトのほか超高速型凝集沈殿装置「スミシックナー」，凝集剤添加型高濃度活性汚泥システム「スミスラッジシステム」，
膜分離活性汚泥法，高負荷型嫌気性処理システム「バイオインパクト」など，さまざまな排水処理設備をニーズに応じて提案することができる。
住友重機械技報 No.206 20224

環境・エネルギー技術特集 論文・報告

スマフロプラス（SMF-P01）による効率的な水道水質管理

スマフロプラス（SMF-P0１）による効率的な水道水質管理
Efficient Quality Management for Tap Water by SMAFLO-PLUS (Model SMF-P01)
●畑

中

總＊

Satoshi HATANAKA

図１

スマフロプラス（SMF-P01）
外観
SMAFLO-PLUS（SMF-P01）

近年，国内の水道においては給水人口の減少やライフサイクルの変化に伴い需要者の水道使用量が減少し，水道水の滞留に起因する残留塩素の低下が問題となっている。
従来の残留塩素低下対策である配水管路中間地点での追加塩素では使用水量減少に対応できないことから，水道事業者においては，巡回点検時の管末での管理排水作業により対応している。当社ではこのような状況に対し ，管末での管理排水を安全に自動制御することで作業者の労力削減，管理排水量の削減，水質管理の強化を図るス
マフロプラス（SMF-P01）をリリースした。

１

まえがき

日本の水道水は，安全性の観点から管末の給水栓時点における遊離残留塩素濃度（残留塩素）
を0.1 mg/L以上に保持する

5

Recently, tap water has consumed less in Japan,
because of depopulation and changes of life cycle. As
a result, the retention time in water supply pipes has
been longer and the concentration of residual chlorine
has been reduced.
Conventional countermeasure for this sanitation
problem, additional chlorine injection in the middle
point of the pipes, can’t be responded enough. So,
water supply utilities have dealt with the problem
to drain water at the end of the pipes in patrol andchecking. Under these situation, SMAFLO-PLUS(SMF-P01) has been released. This product can be
managed to automatically drain water safely in theend of the pipes, and reduced workforces and theamount of drained water, and also strengthened water
treatment management.

で，残留塩素濃度が高いことによる臭気にも留意し，配水池での残留塩素濃度の管理や，配水管路内での滞留によって水質が悪化した水道水の排除などの処置を行い，適切な水質を維持している。

ように水道法で定められており，これにより高い安全性が保一方で水道事業の施設能力は，社会インフラの特性から将たれている。水道事業者は末端での0.1 mg/Lを確保したうえ

来の人口増加を実情よりも過大に想定した計画給水人口で設＊住友重機械エンバイロメント株式会社

住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告図２

スマフロプラス（SMF-P01）による効率的な水道水質管理

スマフロプラス（SMF-P01）
装置内部
Inside of SMAFLO-PLUS（SMF-P01）

計され，多くの水道事業者においては浄水能力とともに配水

本装置と水道施設の配水管路とは20 Aの給水管で接続され ，池や配水管路の容量が過大となっており，実際の施設負荷率

水道水は装置内でサンプル水ラインと管理排水ラインに分岐は低い状況にある。

される。通常時はサンプル水のみ使用され，水質モニタ部になかでも，布設管路径とその延長距離により決定される配水管路の容量は，水道需要者による実際の使用量に比べて過供給されたサンプル水は外部排水経路に排出される。
図２に，スマフロプラス（SMF-P01）
装置内部を示す。

大となっており，配水管路内における水道水の滞留時間が増

本装置内部は，一体となった箱体が上部と下部の２室に分加することは避けられない。このことから，水道事業者が行割されており，上部には計装および水質モニタが，下部にはう技術者による管理排水作業の必要性がさらに高まっていく

管理排水制御部が格納されている。このような配置とするこことが予想され，水道技術者の確保問題を含め，効率的な管とで，管理排水により発生する湿気が下部から上部へ侵入す

末での水質管理手法が求められている。

ることを防ぎ，電気計装部への影響を回避している。

当社では，水道施設の運転維持管理を通じてさまざまな効

水質モニタ部では１L/minのサンプル水から色度，濁度お率化について検討を重ね，管末での遠隔水質管理と自動管理

よび残留塩素を常時測定する。色度と濁度の測定は透過光吸排水制御を同時に行うことで，末端における水質管理を安全

光度方式を採用し，測定セル部の窓にはワイパによる自動洗かつ効率的に行うことができるスマフロプラス（SMF-P01）

浄方式を採用することでメンテナンス性の向上を図っている。

を開発し上市した。

残留塩素測定部にポーラログラフ方式を，電極部にはビーズ

２

スマフロプラス（SMF-P01）の特長

図１に，スマフロプラス（SMF-P01）の外観を示す。

による連続洗浄方式を採用した。寒冷地では装置内部の気温低下によるサンプル水の凍結を防止すべく，サーモスタット
式のヒータによる保温機能も設けている。

本装置は，水質モニタに独自の自動管理排水制御機能を付

管理排水制御部は流量計，流量調整弁，停電遮断弁とそれ加した装置である。現況水道水質に即した最低限の管理排水らを接続する管で構成されており，水質モニタ部での水質測を自動で行うことで，水道法で規定されている「給水栓にお定結果をもとに流量調整弁を制御して必要最小限の管理排水

ける水が，遊離残留塩素濃度を0.1 mg/L以上保持するように制御を行う。排水制御の起動条件として設定可能な項目は色塩素消毒をすること」の順守に不可欠な水質管理作業の省力

度，濁度および残留塩素を標準としており，オプションとし化を可能とした。

てpH，導電率，水温による制御も設定可能である。測定した

また，本装置を導入する際の用地取得面積の最小化を目

各水質項目および水圧に対して任意の閾値を設定することに指した結果，装置の外形は底面が500×370 mm，高さがより，管理排水の開始と停止を自動で行わせることができる。

1 750 mmの縦長の形状となり，一般的な既設の水質監視装置

流量調整弁の開度制御ヒステリシスは，配水管路内の急激なに比べ約50 ％の用地面積を削減することが可能となった。

流速変化を回避する設定にしている。これにより，管路内部
住友重機械技報 No.206 2022

6

スマフロプラス（SMF-P01）による効率的な水道水質管理

論文・報告

50

0.45

45

0.4

40

0.35

35

0.3

30

0.25

25

0.2

20

0.15

15

0.1

排水量
（L/d），水温（℃）

残留塩素，排水開始 /停止濃度（mg/L）

2017 年９月〜2018 年９月
0.5

10
法定残留塩素濃度（mg/L）

0.05
0

5

20
17
/9
/1
20
17
/1
0/
1
20
17
/1
1/
1
20
17
/1
2/
1
20
18
/1
/1
20
18
/2
/1
20
18
/3
/1
20
18
/4
/1
20
18
/5
/1
20
18
/6
/1
20
18
/7
/1
20
18
/8
/1
20
18
/9
/1

0

残留塩素

図３

排水停止濃度排水開始濃度

排水量

年間残留塩素濃度，水温，管理排水量グラフ
Transition of a concentration of residual chlorine, water temperature and an amount of drained waterからの赤水発生リスクの回避やバルブ制御によるウォーター夏季の高水温時には，水温の上昇による残留塩素の消費がハンマーの防止を図ることができる。また，最大流量設定お想定されることから，配水池出口での残留塩素を高く管理しよびバルブ開閉速度の調整を可能とするほか，閾値付近でのている。このことにより，管末においても残留塩素濃度の上ハンチング防止制御を行っている。

昇が確認できた。

配水管路においては，一般需要者への水道水の供給はもと

また，日最低残留塩素濃度は年間を通して大きく変動してより，消火栓水の安定供給も重要な機能の一つである。本装いることが確認できた。この現象は，給水範囲が複雑な網目

置は，災害などによって万が一電源が供給されなかった場合状に連結された配水管路であること，そこに接続された水道に備え，水質の状態や管理排水の起動状態に関わらず管理排需要者の使用状況により水道水の配水経路や滞留時間に変動

水を停止し，配水管路内の水圧維持を優先させるフェイルセがあることが主な要因であると考えられる。このような季節ーフ機能を搭載している。

による変動や，日ごとに変化する管末での水質に対しても安管理排水制御部の寒冷地対策として，サーモスタットとテープヒータにより凍結防止を図っている。テープヒータは装定した残留塩素濃度を確保できた。
3.2

管理排水の最適化

置内部の排水管を通り，装置外部の排水経路まで延長させて

図４に１日当たりの自動管理排水量と，月ごとに排水量をいる。これにより，装置外排水経路の凍結に起因する配水不定めて手動で排水を行う定量排水量との比較グラフを，図５

良によって装置内に排水が逆流することを予防している。

には自動管理排水量と，10日ごとに排水量を定めた定量排水さらに，最大流量設定およびバルブ開閉速度の調整を可能

量との比較を示す。

とするほか，閾値付近でのハンチング防止制御を行っている。

図４および図５の自動管理排水量から，残留塩素の確保に

また，配水管路内での水圧保持を目的とした水圧によるフ必要な管理排水量は年間を通して大きく変動しているのが分ェイルセーフ機能も有している。

３3.1

実証試験事例
湖水を主な水源とした盆地での適用事例

図３に，年間の日最低残留塩素濃度グラフを示す。
本装置の導入により，管末での残留塩素を通年で0.1 mg/L
以上確保できた。この事例では冬季の水温低下時に残留塩素

7

水温

かる。
月ごとに排水量を定め，月の最大必要排水量を１ヵ月継続
した場合，自動排水に比べて排水量が大幅に増加し，想定不要配水量として405 m3/年の管理排水が発生するという結果
となった
（図４）
。
また，10日ごとに排水量を定めた場合では，想定不要排水（図５）。
量は235 m3/年となった濃度が上昇する傾向が認められた。この結果から，冬季にお自動管理排水の場合，日々の変化に追従して排水量を調整

いては配水池出口の残留塩素濃度を低減することが可能であするので，技術員による現地作業が不要となることに加え，ると認められた。

有効無収水量として本来水道料金が徴収できる水道水が大幅
住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告スマフロプラス（SMF-P01）による効率的な水道水質管理

定量排水と自動管理排水の差異（月ごと）
623 m 3/年
定量排水合計218 m 3/年
△自動排水合計
削減可能排水合計 405 m 3/年

管理排水量（m 3/日）

5
4
3
2
1

20
17
/1
0/
1
20
17
/1
1/
1
20
17
/1
2/
1
20
18
/1
/1
20
18
/2
/1
20
18
/3
/1
20
18
/4
/1
20
18
/5
/1
20
18
/6
/1
20
18
/7
/1
20
18
/8
/1
20
18
/9
/1

0

自動管理排水量（m 3/日）図４

想定不要排水量（m 3/日）

定量排水想定（期間MAX日量 m 3）

最適管理排水量と月ごとの最大排水量比較
Comparison between the most optimum amount of drained water and conventional maximum amountevery month

定量排水と自動管理排水の差異（10日ごと）453 m 3/年
定量排水合計218 m 3/年
△自動排水合計
削減可能排水合計 235 m 3/年

管理排水量（m 3/日）

5
4
3
2
1

20
17
/1
0/
1
20
17
/1
1/
1
20
17
/1
2/
1
20
18
/1
/1
20
18
/2
/1
20
18
/3
/1
20
18
/4
/1
20
18
/5
/1
20
18
/6
/1
20
18
/7
/1
20
18
/8
/1
20
18
/9
/1

0

自動管理排水量（m 3/日）

図５

想定不要排水量（m 3/日）

定量排水想定（期間MAX日量 m 3）

最適管理排水量と10日ごとの最大排水量比較
Comparison between the most optimum amount of drained water and conventional maximum amountevery 10 daysに削減できることを確認した。本装置により，水資源の有効本実証試験に協力いただいたすべての関係者に感謝する。

活用ならびに水道事業体の経営改善にも寄与することが期待できる。

４※「スマフロ」は，住友重機械エンバイロメント株式会社の登録商標です。

むすび

水道施設の配水管路内の滞留水を自動管理排水し，末端での水質を効率良く管理することができるスマフロプラス（SMF-P01）の特長と実証試験結果について紹介した。
（1）本装置により，配水管路末端の管理排水による水質管理を自動化することができた。
（2）実証試験地において年間を通して末端の残留塩素濃度を0.1 mg/L以上に確保することができた。
（3）従来の管理排水方法と比較し，きめ細かな排水量の調整により管理排水量の大幅削減が見込めるという結果を得た。
これらの結果から，スマフロプラスによる水質管理技術は将来の人口減少社会において水道施設の安定的な維持管理に有効であると確認できた。
住友重機械技報 No.206 20228

環境・エネルギー技術特集 論文・報告

嫌気処理排水からのエネルギー回収技術

嫌気処理排水からのエネルギー回収技術
Energy Recovery Technology from Anaerobic Treated Wastewater
●清

川

達

則＊

Tatsunori KIYOKAWA

中

條

晃

伸＊

Terunobu NAKAJYO

バイオガス

嫌気処理後
排水

未活用の溶存成分
臭気成分など

排水

嫌気処理

e

発電

電極

e

反応

電極

H+

微生物

図１

の主力商品である循環流動層（CFB）
ボイラをはじめ，住友重機械エンバイロメント社の排水処理装置である「バイオインパクト」などが多くの発電事業者や産業界で採用され，2050年ゼロカーボン社会に向けた取組みの進展が期待されている。
当社では，排水処理における将来技術の開発をさらに進め，サステナブルな社会に対応する商品の提供を目指している。嫌気処理は省エネルギー性に優れた排水処理技術ではあるが，その処理水中に含まれる臭気物質への対策としてエネルギーを投入して追加処理している。本報では，処理水に含まれる臭気物質を利用した発電技術の原理実証について報告する。嫌気処理水中に含まれる硫化水素が電極と反応し，電流が発生することを確認した。その出力は処理水の供給流量に応じた調整ができる
ことも確認できた。本技術は，今までエネルギーを消費し廃棄していた処理水に対して，新たなエネルギー資源としての付加価値を創出できる可能性がある。

1.1

9

O2

嫌気処理水を用いた発電技術
Energy recovery technology from anaerobic treated wastewater

バイオマス発電はカーボンニュートラルであり，当社

１

H2O

まえがき
排水処理装置からの温室効果ガス排出

Biomass power generation uses biomass fuel, thismeans it's carbon neutral system. Our main products,
such as a circulating fluidized bed (CFB) boiler，anda wastewater treatment equipment "BIOIMPACT" by
Sumitomo Heavy Industries Environment，are used bymany power generating companies and industries. Ourcontinuous efforts toward a zero-carbon society in 2050
has been expected.
We have explored further technological development
for wastewater treatment，aiming to provide productsthat support a sustainable society. Although anaerobic
wastewater teatment is energy-saving technology,
additional treatment is required to remove odor material
such as hydrogen sulfide contained in anaerobic treatedwastewater. In this article，the power generation fromthe wastewater was demonstrated. Hydrogen sulfide
dissolved in transferred electrons to the electrode as amediator. Also, our system improved mass transport in
the anode by separating electrode and microorganisms,
allowing the power generation to be controlled the flow
volume. This technology has the potential to create
value as a new energy resource for anaerobic treatedwater that has been consuming energy for disposal.

は，微生物に空気中の酸素を供給することで高い有機物の分解活性を得る⑴ 活性汚泥法である。微生物は有機物分解に伴って水中の酸素を消費し続けることから，微生物の活性を維下水処理では，国内で排出される温室効果ガスの0.5 %に当持するには排水中に空気を吹き込み続けなければならない。

が排出されている。そのうちたる627万 t-CO（平成24年度）
2

このことから，活性汚泥法を用いた排水処理には大量の曝気

６割は下水処理場で消費される電力に由来しており，特に水動力が必要となる。

質浄化に必要な曝気動力の割合が大きい。排水処理に用いら

また，残りの４割は排水処理の過程においてガスとして大れる微生物処理では，排水中の有機物が微生物分解により低気中に排出されている。排水中に含まれる有機物が二酸化炭分子化され，浄化される。最も普及している微生物の活用法

素に変換されていることに加え，一酸化二窒素の排出も問題＊技術本部

住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告嫌気処理排水からのエネルギー回収技術

バイオガス回収

排水

発

前処理

図２

電

好気処理
（曝気）

嫌気処理

新しい処理フローNew process of anaerobic wastewater treatment

視されている。一酸化二窒素の排出には，排水中に含まれるで，排水中の有機物を分解すると同時に発電することができ窒素源から微生物反応により一酸化二窒素が生成されて大気る。

中へ放出される経路と，有機物を消費した微生物が増殖して特長として，曝気動力を必要としない嫌気的な反応条件下発生する余剰汚泥の焼却により放出される経路が存在する ⑵。

においても，電極を介して酸素を利用することで通常の好気

一酸化二窒素は，二酸化炭素の200倍以上もの赤外線吸収効処理に近い反応を得られることが挙げられる。さらに，発電果があるといわれ，大気中の存在量も年々増加していることにエネルギーを消費していることから微生物の増殖も少ない 。

から，注意すべき温室効果ガスとして認識されている。

これにより，微生物燃料電池を用いた排水処理は好気処理よ生産設備を持つ企業においても温室効果ガスの排出管理はりも投入するエネルギーが少なく，通常なら産業廃棄物としますます重要な課題になるが，非生産設備である排水処理でての処理が必要な余剰汚泥（増殖した微生物）の発生も少ない

多量の温室効果ガスが発生しているという状況に対して改善技術として期待されている。しかしながら，浄化後の水質基が望まれている。

準を満たすには，微生物が付着した大量の電極とその対極が1.2必要になるというコスト面の問題に加え，対極を設置する方省エネルギー化に向けた取り組み

住友重機械エンバイロンメント株式会社のバイオインパク
トに代表される嫌気処理は，微生物の嫌気反応を利用した排法や水圧への耐久性といった装置の構造上の問題もあり，現状では実用化された例は限られている。

水の浄化方法で，好気処理のように曝気を必要としないこと

微生物燃料電池は，先に述べた特殊な微生物を介さずに微から非常に省エネルギー性の高い処理技術といえる 。さら生物が生成した分子（代謝物）を介して電極へ電子を移動させに，嫌気処理では有機物分解で発生するバイオガスを用いてることでも発電は可能である。たとえば，微生物反応で生じ発電することも可能である。しかしながら，通常の好気処理た硫化水素が発電に関わることについて言及されている⑸。もと比べると処理水質が悪く，生物処理後の処理水には窒素源

し，嫌気処理水中に含まれている硫化水素を燃料に用いた発に由来するアンモニアや硫黄源に由来する硫化水素が含まれ電が可能なら，今までエネルギーを消費し廃棄していた処理臭気が発生する。このことから，嫌気処理後の処理水は曝気

水に対して，新たなエネルギー資源としての付加価値を創出などによる酸化処理の後に河川や下水に放流されている。つできる可能性があるといえる（図１，図２）。そこで，嫌気処

まり，嫌気処理後の処理水に対してエネルギーを投入して追理水中に含まれる代謝物を用いた発電技術について原理実証

加処理を行っているということである。嫌気処理技術は開発

を行った。

⑶

が進み普及しているが，さらなる省エネルギー化商品の開発に向けて新しい技術が求められている。当社では，排水処理

３

実証試験

の省エネルギー化に向けて嫌気処理水からのエネルギー回収

アノードおよびカソードにカーボンペーパーを用いた微生技術の開発を行ってきた。本報では，新技術の原理実証と開物燃料電池セルを用意し，アノードセルには嫌気処理水を供発への取組みについて紹介する。

した。通常の微生物燃料電池の電極であれば，排水および汚２

泥と長期間接触させて微生物の付着を促す必要があるが，こ処理水からのエネルギー回収

こでは新しいカーボンペーパーをそのままアノードとして使

微生物燃料電池は，微生物の代謝を利用して電力を回収す用した。嫌気処理水には人工排水をグラニュール（粒状の嫌る技術であり，排水処理に応用することで水質浄化と発電の気反応微生物）で処理した後の排出水を用いた。このとき，両立を可能とする技術として期待されている 。有機物分解

嫌気処理水中の硫化水素が反応に関与することが予想されたによって生じた電子を体外に直接放出できる特殊な微生物をので，人工排水の組成を調整し，異なる硫化水素濃度の処理

電極表面に付着させ，その電極と外部回路で接続された対極水を作成した。カソードセルには酸化剤としてフェリシアン

で酸化反応を進めることにより回路に電流が生じる。排水処

化カリウム溶液を供し，アノードとカソードはイオン交換膜

理では，その微生物が付着した電極を排水と接触させることで隔てた。ポテンショスタットを用いて電流電圧特性を調べ⑷

住友重機械技報 No.206 202210

論文・報告0.7

処理水0.2 mM
処理水1.8 mM
処理水3.3 mM
硫化水素溶液0.9 mM

電位（V）

0.5

2.0

最大出力（W/m 2）

0.6

嫌気処理排水からのエネルギー回収技術

0.4
0.3
0.2

1.5

1.0

0.5

0.1
0

0

0.010

0.005

0.015

0

0.020

0

1.0

図３

嫌気処理水および硫化水素溶液を用いたI-V値の測定
I-V curve of anaerobic treated wastewater and hydrogen sulfide
solution

3.0

4.0

図４

嫌気処理水
（黒）
および硫化水素溶液（白）を用いた際の最大出力
Maximum power output vs. hydrogen sulfide concentration ofanaerobic treated wastewater (black) and the solution (White)

たところ，嫌気処理水により電流が生じることが確認できたて電極表面における物質移動を促進している。通常の微生物（図３）。このことから，特殊な微生物が付着した電極を用い燃料電池においても電極に供給する流量の増加などにより，なくても，嫌気処理水からの電気エネルギー回収が可能であ

微生物の栄養源と生産物の交換が促進され，出力が向上する。

ることが明らかとなった。また，異なる硫化水素濃度の処理

その一方で，流量の変動などによる強い剪断力により電極表水を用いた試験では硫化水素濃度に応じて最大出力が向上し面に付着した微生物が剥がれてしまう可能性があり，電極にた（図４）ことから，嫌気処理水中の反応成分が硫化水素であ供給する流量の変動が装置の不安定な動作につながるというることが示唆された。硫化水素が電極表面で反応しているのリスクが生じる。

であれば，通電後の電極表面には反応産物として硫黄の蓄積

レドックスフローバッテリで用いられるセルに硫化水素溶が確認できるはずである。そこで，通電後の電極を取り出し液を供給し，最大出力を調べた。その結果，セルに供給するてEDX（Energy dispersive X-ray spectrometry）
分析した結流量の増加に従って最大出力が向上し，流れのない状況から

果，通電前後で硫黄元素の割合が増加した
（表１）
。処理水中

2.8倍の出力増加で頭打ちとなった（図５）。当初の期待どおの硫化水素由来の硫黄が電極に蓄積しているのであれば，処り流量の増加に伴って物質移動が促進されたと考えられる。

理水中の硫化水素濃度が減少していると推察されるので，試

嫌気処理水から発電を行う本技術は，微生物による有機物

験前後の硫化水素濃度を測定した。その結果，通電後には処分解と発電装置を分離したことで微生物付着電極が不要であ

理水の硫化水素濃度の減少が確認された（表２）。これによりる。このことから，電極に対する流量を変動しても装置への嫌気処理水中の硫化水素が電極と反応して減少し，反応産物

影響が少なく，流入排水の性状に合わせて嫌気処理槽から供が電極表面に付着したことが明らかとなった。

給される流量を調整することで，出力制御が可能になると期人工排水中には硫化水素のほかにもアンモニアなどさまざ
まな溶存成分が含まれる。そこで，通電前後の処理水中のアンモニウムイオン濃度を測定したところ，濃度の減少は確認

待される。

５

展望と課題

されなかった。さらに，ほかの溶存成分の影響を除外すべく

微生物燃料電池の原理を用いた嫌気処理水からのエネルギ

硫化水素を人工排水と同様の緩衝液に溶かした硫化水素溶液

ー回収方法について原理実証を行った。排水処理に用いられを用いて電流電圧特性の測定を行った。その結果，硫化水素る微生物燃料電池では，電極表面に付着した微生物の代謝を溶液からも電流が生じることが確認された（図３，図４）。こ

利用して有機物分解と発電を同時進行させる。一方，本技術

れにより，嫌気処理水中で燃料として反応する主成分は硫化では通常の嫌気処理において微生物による有機物分解を行い，水素であることが示された。

処理水中に溶け込んだ代謝物を用いて発電を行う。実際に，

４

11

2.0
硫化水素濃度（mM）

電流（A）

出力の制御へ向けての方策

人工排水の嫌気処理水から電流が発生することが確認され，本処理水中に含まれる硫化水素が電極と反応していることが排水の性状にもよるが，嫌気処理水中の硫化水素濃度は短示された（図３，図４）。このように水質浄化と発電の機能を期的にも長期的にも変動することが想定される。嫌気処理水

分離することの効果は長期信頼性の観点で大きい。通常の微からの発電技術の実用化に向けて，硫化水素濃度が変動する

生物燃料電池では，水質浄化に十分な反応速度を維持するに条件下でも出力を安定化させる工夫が必要である。

は，電極面積を増大させることが必要となり，サイズやコス

レドックスフローバッテリは，タンクに貯蔵した酸化還元

ト面が問題となる。また，反応槽の更新や新しい技術の運転

物質（金属イオンなど）を含む電解液をセルを介して循環させ管理にも対応しなければならない。これらの問題に対して，

る蓄電技術である⑹。反応効率を高めることを目的としてセ水質浄化と発電の機能を分離することで従来までの排水処理

ル内にバッフル板などを設置し，電解液を強制的に対流させ設備および性能を維持したまま，必要な電力に応じた大きさ
住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告EDXを用いた電極表面分析
EDX analysis result for sulfur
on anode

電極

硫黄
（%）

通電前

0.35

通電後

4.17

3.0
2.5
2.0
出力比

表１

嫌気処理排水からのエネルギー回収技術

1.5
1.0

表２

0.5

通電による硫化水素濃度の変化
Hydrogen sulfide concentration
before and after reaction

処理水

硫化水素濃度
（mM）

通電前

3.25

通電後

0.29

0

図５

0

20

40
60
80
流量（mL/min）

100

120

セルに供給する流量に応じた出力向上
Power output vs. flow rate to cellの装置を設置することが可能になる。さらに，処理水の供給コスト化についても順次検討を進めており，2025年頃の実用流量を制御するだけで，排水性状に依存した濃度変動に対し化を目指している。

て安定した出力が得られる可能性がある。ほかにも，通常の嫌気処理設備において脱臭装置として機能することがこの回収方法の利点として挙げられる。

６（1）微生物燃料電池の原理を利用した処理水からのエネル
ギー回収方法を考案し，動作を実証した。

嫌気処理では，処理水中に含まれる臭気物質を除去すべく
曝気処理などのエネルギーを投入している。これに対し本技（2）処理水中の硫化水素を燃料として発電することに成功した。

術では，嫌気処理水中の硫化水素が発電の燃料として使われ，反応後には硫化水素濃度の減少が見られた。このことから，

むすび（3）処理水の供給流量を変化させることで出力を変化させることに成功した。

本技術は嫌気処理水の脱臭装置としても機能すると考えられ ，
電力としてエネルギー回収ができ，同時に臭気除去に投入していた曝気動力の削減も期待できる。
本技術の応用としてバイオガスの脱硫装置への展開も考えられる。排水中に含まれる有機物は嫌気処理において微生物分解され，エネルギー資源であるバイオガスとして回収される。このとき，排水中に含まれる硫黄分も微生物の働きにより硫化水素へ変換される。バイオガスにはメタンだけでなく，二酸化炭素や硫化水素が含まれることが一般的であるが，特に硫化水素はガスエンジンなどを腐食させることから，脱硫（参考文献）(1)

Fuhs, G. Wolfgang, and Min Chen, Microbiological basis ofphosphate removal in the activated sludge process for the treatmentof wastewater, Microbial Ecology 2.2 (1975) : 119-138.
(2)

Peng, Yong-Zhen, et al., Anoxic biological phosphorus uptake andthe effect of excessive aeration on biological phosphorus removal
in the A2O process, Desalination 189, 1-3 (2006) : 155-164.
(3)Leitão, Renato Carrhá, et al., The effects of operational andenvironmental variations on anaerobic wastewater treatment
systems : A review, Bioresource technology 97. 9 (2006) : 1105-1118.

装置によって除去されている。一般的に普及している脱硫方(4) Du, Zhuwei, et. al., A state of the art review on microbial fuel法では，バイオガスをアルカリ溶液に吹き込むことで硫化水

cells : a promising technology for wastewater treatment and素を除去しているが，薬品コストが高いことが問題視されている。そこで，本技術を脱硫装置としてアルカリ溶液の再生に用いれば，発電によるバイオガスからのエネルギー回収と薬品コストの削減が両立するのではないかと考えている。
今回は，人工排水を用いた実証試験を実施した。実排水でbioenergy, Biotechnology advances 25.5 (2007) : 464 - 482.
(5)

Logan, Bruce E., and Korneel Rabaey, Conversion of wastes into

bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical
technologies, Science 337. 6095 (2012) : 686-690.
(6)

Shigematsu Toshio, Redox flow battery for energy storage, SEI

technical review 73. 7 (2011) : 13.

は異なる現象が生じる可能性も想定されるが，本技術で注目した硫化水素はすべての施設において発生することから，既存の嫌気処理設備に広く適応できると期待される。実排水を用いた反応性の確認は今後進めていく予定である。また，本試験ではカソードの酸化剤としてフェリシアン化カリウム溶液を用いているが，処理水への混入などのリスクを考慮すると現場で使用することは難しい。そこで，通常の微生物燃料
電池でも用いられる空気中の酸素を利用したエアカソードの適応を検討している。このエネルギー回収技術の実用化に向けて，発電した電力の活用方法や装置のスケールアップ，低住友重機械技報 No.206 202212

環境・エネルギー技術特集 論文・報告

二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成

二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成
Preliminary Attempt to Synthesize Liquefied Hydrocarbons from Syngas Containing Carbon Dioxide
●鈴

木

崇＊

Takashi SUZUKI

中

條

晃

伸＊

Terunobu NAKAJYO

牛

木

龍

二＊＊

Ryuji USHIKI

黒CO＋2H2

H2O
CH2

CH4

CH2

CH2

CnH2n
kdn
CnH2n＋2

C2H6

khn

＋H2
kp

樹＊＊

C2H4

kh2

＋H2

広

Hiroki KUROIWA

kd2

kh1

岩

CH−CH3＋H2
kp

CH−（CH2）n−CH3

液状炭化水素へ

触媒表面

図１

FT反応における炭素鎖成長機構
Chain propagation mechanism of FT reaction

地球温暖化への寄与率は二酸化炭素（CO2）76.7 %，メタン（CH4 ）
14.3 %，亜酸化窒素（N2O）
7.9 %，およびフロン類1.1 %といわれる。数値が示すとおりCO2は温暖化の代表的な原因物質である。近年，CO2の排出抑制につながるカーボンリサイクルの重要性が高まり，化学製品の原料化を行うケミカルリサイクル技術，CO2から都市ガスを得るメタネーション技術，CO2を炭素源として液体燃料を合成する技術などが注目されている。CO2の
液状炭化水素への変換技術にフィッシャー・トロプシュ（FT：Fischer・Tropsch）
法を挙げることができるが，CO2併給時は活性が低下するなどの例もある。そこで，シリカ担持コバルト触媒について，固定床常圧流通系反It has been reported that contribution of global
warming regarding CO 2 , CH 4 , N 2 O, and (hydro)
fluorocarbons was 76.7 %, 14.3 %, 7.9 %, and 1.1 %,respectively. Thus, CO 2 is one of the noticeable
molecular for greenhouse effect. Recently, convertingchemical products to raw materials, such as
methanation of CO2 to produce town gas, synthesisof liquefied hydrocarbons utilizing CO2 as a carbon
source, and so on, have been investigated fromthe viewpoint of carbon recycling. Particularly, FT
synthesis is one of hopeful techniques to yield liquefiedhydrocarbons from CO 2 and H 2 . In this work, wewish to report that catalytic behavior for FT reactionin the presence of CO 2 on silica supported cobalt
catalyst using continuous flow fixed bed reactor underatmospheric pressure.

応装置を用いてCO 2を含む合成ガスによるFT反応実験を行い，CO2併給時の触媒反応特性を検討した。

１

まえがき

本報では，シリカ担持コバルト触媒（Co/SiO2触媒）に，水素

温室効果ガスのなかでCO2の寄与率は76.7 ％と高く，地球（H2）と一酸化炭素（CO）の混合気体（合成ガス）およびCO2を規模での排出量は328億 tといわれる。排出量は中国>米国>

併給してFT反応による液体燃料合成実験を行い，CO2存在

インドの順になっており，日本が占める割合は3.4 %である。

下における触媒反応特性を検討した結果の一部を紹介する。

大気中のCO2濃度は2013年には400 ppmを超えており，平均温度はこの100年間で0.7 ℃上昇している。このような背景か

13などエンドユーザの負担が軽い技術が注目される。そこで

２

FT反応についてら，温暖化原因物質のCO2排出抑制につながるカーボンリサ

FT反応
（nCO＋
（n＋m/2）
H2→CnHm＋nH2O）
では，触媒表面

イクルの重要性が高まっており，これに関連する技術開発がで合成ガスからメタルカルベン（M＝CH2）を生成し，逐次増急がれている。

炭して液状炭化水素を得る（図１）。この反応は，1920年代にCO2を炭素源とする燃料化技術としてはメタン化，DME合Franz FischerとHans Tropschによって報告されて以来，数成，メタノール合成，液体燃料合成などが知られ，メタン化

多くの研究が行われている⑴。国内では，第二次世界大戦中による都市ガス主成分の合成，灯・軽油などの液体燃料合成に人造石油の生産技術としてFT反応の研究開発が進められ ，＊技術本部 ＊＊群馬県立産業技術センター

住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成

マスフローコントローラ
圧力計
Ar
調圧器 ボール ニードル 逆止弁
バルブ バルブ

電気炉

合成ガス

触媒床温度
指示計熱電対触媒床

熱電対ジャケット
リアクタ
Co/SiO 2 触媒

反応ガス→

触媒床温度
調節器熱電対

気液分離器

H2

焼結板
積算流量計
CO2

図２

生成ガス

FT反応に用いた固定床流通系装置
Continuous flow fixed bed reactor for FT reaction

滝川
（北海道）
などにプラントが設置された⑵。

固定床常圧流通系反応装置を使用してFT反応実験を行った。

FT反応を促進する触媒の活性金属としては鉄（Fe），コバ

その実験では，合成ガスおよびCO2と合成ガスの混合気体をルト（Co），およびルテニウム（Ru）が知られており，商業プ

通気し，FT反応特性について検討した。本報では，その検ロセスにはFeおよびCoを含む触媒が用いられている⑶。Fe討結果を報告する。

系触媒は，水性ガスシフト反応（CO＋H2O→H2＋CO2）に対すFT反応に用いたCo/SiO2触媒は次に述べる含浸法で調製しる活性が高く，石炭乾溜ガスのようにH2/CO比が低い合成ガ

た。触媒担体用SiO（２〜３mmφ球状）をあらかじめ空気中
2

スでも，COの一部がH2に転化することからFT反応が進行し500 ℃で数時間焼成し，比表面積約310 m2/gの担体を得た。

やすい。低温型FTでは，220〜250 ℃で生成物に占める揮発この担体を硝酸コバルト
（Co
（NO3）
水溶液に浸漬し2・4H2O）

油分が20 wt.%，軽油留分が15 wt.%程度得られる。高温型FTた後，ロータリーエバポレータに移し，減圧下60 ℃で水分をは320〜350 ℃で行われ，ナフサやLPG留分の生成に適する。

除去した。得られた物質を石英製炉芯管に移し，空気を約

低温型FTでは連鎖成長が進み，軽油などの中間留分が得ら

200 ml/minで通気しながら，横置型電気炉を用い500 ℃で３れやすい。Co系触媒は230 ℃前後の低温型FTに好適でFT反時間焼成して触媒前駆体を得た。この触媒前駆体を固定床反

応に対する活性にも優れ，連鎖成長が進むことから中間留分

応器に充填してH2を約100 ml/minで通気しながら400 ℃に加の灯・軽油や高品質ワックスの合成に適する。Ru系触媒につ熱し，シリカ担体上のCo種を水素還元して活性化し，Co/

いては，1930〜40年代にFT反応に対し活性を示すことが知SiO2触媒を得た。

られている。この触媒系は，FT反応に対する活性が高くRu

図２に，FT反応に使用した常圧流通系反応装置の構成を担持量が少量で済むので，担体の特徴を生かした触媒設計が示す。触媒床の下流側には液状炭化水素の回収を目的としたしやすいという特長を持つ。一方でRuは貴金属であることか

気液分離器を設け，この出口に湿式積算流量計を接続した。

ら触媒コストがかさむなどの問題もある。

触媒床にはCo/SiO2触媒の前駆体を充填し，アルゴン（Ar）を

これまでのFT合成の多くは，CH4を主成分とする天然ガス

100 ml/minで通気しながら150 ℃に昇温した後，H2に切り替を水蒸気とともに改質して得られた合成ガスが用いられた。

えて100 ml/minで通気し400 ℃まで昇温させ１時間還元した。

合成ガスの製造工程では，水蒸気改質反応（CH4＋H2O→CO

再びH2からArに切り替えて100 ml/minで通気し，150 ℃まで＋3H2O）と水性ガスシフト反応が進行して合成ガスとCO2の冷却した。その後，合成ガス（CO 33.8 ％，H2 66.2 ％，H2/CO

混合気体が生成される。この混合気体からCO2を除去してFT

比 1.96）を100 ml/minで導入し，触媒床の上面温度を230 ℃に合成に供されるのだが ，これにはCO2が反応系内に入るこ調節した。なお，FT反応の際には合成ガス100 ml/minに対とによる合成ガスの分圧低下などFT反応に適さないといっ

し，ArおよびCO2をそれぞれ20 ml/min通気した。生成ガスた理由があると考えられる。

は，所定時間経過後に気液分離器の出口にポリテトラフルオ⑷

３

CO2 を含む合成ガスによるFT反応の試み

ロエチレン製のガスバッグを取り付けて採取した。供給原料の流量制御にはあらかじめ各ガスで補正したマスフローコン

中間留分の生成に適するCo系触媒の担体として広く用いら

トローラを用い，反応ガスの積算流量は湿式積算流量計で求れる珪藻土系のシリカ（SiO2）
によりCo/SiO2触媒を調製し，めた。無機ガスとCH4の分析には活性炭充填カラムを備えた
住友重機械技報 No.206 202214

論文・報告100
合成ガス＋CO2

気相中の生成物組成（wt.%）

気相中の生成物組成（wt.%）

100
80
60
40
20
0

C2

C1

C3

C4

合成ガス＋Ar

80
60
40
20
0

C5＋

C1

C2

C3

C4

C5＋

生成炭化水素の炭素数

生成炭化水素の炭素数

図３二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成

合成ガスとArの混合ガスをCo/SiO2触媒に230 ℃で接触させたFT反応の軽質炭化水素分布
Distribution of light hydrocarbons after FT reaction using gas
mixture of syngas and Ar on Co/SiO2 catalyst at 230 ℃

図４

合成ガスとCO2の混合ガスをCo/SiO2触媒に230 ℃で接触させたFT反応の軽質炭化水素分布
Distribution of light hydrocarbons after FT reaction using gas
mixture of syngas and CO2 on Co/SiO2 catalyst at 230 ℃に伴う液状炭化水素の生成が確認された。
2.5

CO2存 在 下 で のFT反 応 特 性 を 把 握 す べ く， 合 成 ガ ス

C7
FID 出力（mV）

C6
2.0

100 ml/minにCO2を20 ml/min併給してFT反応実験を行った。

C10

C8

そのときのCO転化率は24.4％でC1，C2，C3，C4，C5+の生成物
分布はそれぞれ 47.8，9.6，11.5，20.0，11.2 wt.%だった
（図４）
。

C9

1.5

このようにC4およびC5+が生成されたことから，CO2を供給した場合でも低圧でFT反応の進行が確認できた。また，CO2

1.0

0.5

の転化率は4.3 %で，わずかにCO2が消費された。
常圧下のFT反応においては，C1とC2～C4の比が約４：６を
0

2

4

6

8

10

保持時間
（min）

図５

合成ガスとCO2の混合ガスをCo/SiO2触媒に接触させて得られた
液状炭化水素のクロマトグラム
Chromatogram of liquefied hydrocarbons obtained by feeding gas
mixture of syngas and CO2 onto Co/SiO2 catalyst

示すCo/SiO2触媒を用いた場合，10気圧でC10～C14が27.9 wt.%
生成されるという報告例がある⑸。今回行ったCO2を供給したFT反応においてC1とC2～C4の比を見ると約５：５だった 。
常圧でCO2を併給しても，C2～C4への連鎖成長が合成ガスを供給したときの報告例に近い値を示したことから，加圧系で反応させることで中間留分の生成が促進されるものと推定された。
Arを供給した場合とCO2を供給した場合のCO転化率を比TCD-GC（熱伝導度型ガスクロマトグラフィー），軽質炭化水較すると，CO2を導入した場合には約20%減少してFT活性が素の分析には球状シリカ充填カラムを備えたFID-GC（水素炎

低下した。このときCH4の生成は抑制され，C4およびC5+がイオン化型ガスクロマトグラフィー），液状炭化水素の分析

増加したことから（図４）
連鎖成長が促進したことが分かった。

にはシラン処理担体にジメチルシリコンを担持した充填カラ

気液分離器にn-デカン（n-C10H22）を注入し，これと相溶性のムを備えたFID-GCを用いた。なお，記載の流量は標準状態高い液状炭化水素を回収して，GC（ガスクロマトグラフィー ）

換算値
（STP）
である。

による分析を行った。得られた液状炭化水素のクロマトグラ

４

Co/SiO2 触媒による常圧下の FT 反応

FT反応の連鎖成長には，圧力依存性があることが知られている。常圧系流通装置では，CO2を導入するFT反応では合成ガス単独の場合と比較し，CO2の通気によって合成ガスの

15

ム
（図５）
にはC7～C9留分が検出された。このように常圧の反応であっても，中間留分に相当する炭化水素の生成が確認された。

５CO2 併給下の触媒の反応特性

分圧が低下する。このことから，合成ガスを通気するFT反図１に示したように，FT反応は触媒表面のCo＝CH2にメ

応では，不活性ガスのArをCO2併給時と同量通気して合成ガチレン（＝CH2）が逐次挿入するもの（kp）で，反応条件によっスの分圧をそろえた。

てLPG分，揮発油留分，中間留分およびワックス分まで炭素

合成ガス100 ml/minにArを20 ml/min供給したときのFT反鎖が成長(連鎖成長)する。また，Co/SiO2触媒にはオレフィ

応におけるCO転化率は31.2 ％だった。図３に示すように，ンからの連鎖成長が進みやすいという特性も知られている⑹。

C1，C2，C3，C4，C 5+の生成物分布はそれぞれ57.3，10.3，

これらの反応と並行して，Co＝CH2とH2が反応するメタン化

11.4，13.7，7.3 wt.%となり，C4およびC5+が生成されことか

反応
（kh1）
や触媒表面から，連鎖成長途中におけるオレフィン

ら合成ガス分圧が84.4 kPa（633.3 mmHg）の低圧でもFT反応の脱離（kdn），あるいはオレフィン水素化物の脱離（khn）が起
住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告二酸化炭素を含む合成ガスからの液状炭化水素合成

＝

CH 2

合成ガス＋CO2
H 2O

合成ガス＋ArCo（HV）

合成ガス＋CO2
ブテン選択性（arbit.）

合成ガス＋ArFT 反応
2H 2＋CO(syngas)

CO2接触後触媒

CO

液状炭化水素選択性向上
メタネーション抑制
Co（HV）
シフト反応

H2

活性点の
酸化還元

20

25

30

H 2O

CO 2

還元活性化後触媒

Co（LV）

35

H 2O

CO転化率（%）

3H 2＋CO
メタン化反応図６

還元活性化後、およびCO2 接触後のCo/SiO2触媒におけるCO転化率およびブテン選択性
Selectivity of butene as a function of CO conversion in FTreaction on virgin and CO2 dosed Co/SiO2 catalyst

H2

メタン化反応促進
CH4＋H 2O

Co（LV）

図７

合成ガス－CO2接触時のコバルト活性種酸化状態と反応特性
Oxidation state of Co species and characteristic of FT reaction
after contacting gas mixture of syngas and CO2 and these reactivity

こる。特に，CH4およびオレフィン水素化物（パラフィン）が傾向があるので，メタン化反応に伴うCo＝CH2の消費が抑制

脱離した場合には，それ以降の連鎖成長が困難になる。したされるとともに，反応中間物質のオレフィンの水素化反応もがって，合成ガスにCO2を加えたときには，メタン化反応の抑制された。このようにして触媒表面での連鎖成長
（kp）
が促

抑制
（kh1の抑制）とC5+留分の増加（kpの促進）
により，FT反応

進され，液状炭化水素選択性が改善したものと考えられた。

選択性の改善効果があるものと考えられた。
CO2を加えたことによって，メタン化反応のような触媒表

６むすび面におけるCo=CH2の水素化反応が抑制されたのであれば，（1）Co/SiO2触媒を用いて常圧におけるFT反応実験を行っ

連鎖成長途中で脱離した炭化水素中のオレフィン/パラフィ

た。合成ガスとAr，合成ガスとCO2の混合気体を触媒にン比（kdn/khn 速度比）
はCO2が接触した触媒表面では増加する接触させた結果，液状炭化水素の生成が確認された。まことが考えられる。そこで，Co/SiO2触媒に対してCO2接触

た，系内の加圧によって液状炭化水素生成が促進されるの有無によるブテン/ブタン比（オレフィン/パラフィン比）の可能性が考えられた。

挙動を調べることにした。図６に，水素還元して活性化した（2）CO2の併給によりメタン化の抑制，生成物中のオレフ

Co/SiO2触媒と活性化したCo/SiO2触媒にCO2を接触させ，

ィン/パラフィン比の向上および連鎖成長が促進した。

合成ガスとCO2，合成ガスとArの混合気体を供給したときの（3）CO2の併給により触媒表面の活性点における酸化状態

CO転化率およびブテン選択性を示す。還元活性化後の触媒がやや高くなり，これに伴って水素化活性が抑制され，において，CO転化率は30〜32 %でブテン選択性は低かった。

連鎖成長が促進されたと考えられる。

一方，CO2接触後の触媒ではCO転化率は24〜26 %に抑制され，ブテン選択性は向上した。
FT反応におけるCO2を加えた場合の触媒反応特性について考えてみたい。図７に示すように，活性化直後のCo/SiO2触媒のCo種は低酸化状態（Co（LV））で水素化活性が高いことか
ら，触媒表面ではFT反応の中間体のCo＝CH2が水素化されやすく，合成ガスとArを通気した場合にはメタン生成が多くなる（CO＋2H 2 ＋Co→Co＝CH 2 ＋H 2 OおよびCo＝CH 2 ＋
H2→CH4＋Co）。これに対し，CO2併給下ではシフト反応の（参考文献）(1)

古川安, 化学と工業, 66, 544-546, 2013.

(2)

乾智行, ペトロテック, 23, 377-381, 2000.

(3)

鈴木崇, ペトロテック, 25, 590-595, 2002.

(4)

M. K. Gnanamani, B. H. Davis, et. al., Appl.Catal A : General, 499,

39-46, 2015.
(5)

藤元薫, 斎間等, 冨永博夫, 石油学会誌, 26, 258-263, 1983.

(6)

T. Suzuki, Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 33, 857-860, 2008.

(7)

T. Suzuki, H. Iwanami, T. Yoshizawa, H. Yamazaki, and Y. Yoshida,Int. J. Hydrogen Energy, 20, 823-830, 1995.

時計回りループ（CO2＋Co（LV）→CO＋Co（HV）およびH2＋Co（HV）→H2O+Co（LV）（逆水性ガスシフト反応））がわずかに進んで，やや酸化状態が高いCo（HV）とCo（LV）の酸化還元⑺が繰り返される。これにより，合成ガスとArの混合気体を触媒に接触させたときに比べてCo（HV）が存在しやすくなるものと考えられた。活性点が高酸化状態に近づくと水素化活性が抑制される
住友重機械技報 No.206 202216

環境・エネルギー技術特集 論文・報告

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発
Development of Thermochemical Heat Storage Technology Using Calcium Oxide
●西

村

宗

樹＊

Motoki NISHIMURA

平

田

一

Kazuhiro HIRATA

弘＊

中

條

晃

伸＊

Terunobu NAKAJYO

反応器

蒸発/凝縮器

化学蓄熱装置の外観
Experimental apparatus of thermochemical heat storage system

脱炭素社会実現に向けた再生可能エネルギーや省エネ
ルギー技術の導入拡大の一環として，蓄熱技術の応用が期待されている。蓄熱技術の一つである化学蓄熱は，エネルギー密度（蓄熱密度）
が高く装置サイズおよびコストの面で利点がある。当社では，この化学蓄熱のなかでも酸化カルシウム（CaO）の水和脱水反応を用いたCaO/
H2O系化学蓄熱に着目し，蓄放熱動作の実証を行った。
また，装置設計において性能に大きく関わる熱交換性能と気固反応性能の両立が課題となっているが，数値計算によりこれらの解析を可能とする蓄熱材反応計算モデルを開発した。これにより把握が困難であった化学蓄熱材の反応状態が予測可能となり，試作試験を実施することなく装置形状の違いによる性能への影響を事前評価でき

Thermal energy storage (TES) can help to reduceenergy consumption and enhance shares ofrenewable energy to achieve decarbonized society.
Thermochemical heat storage (TCS) technology has
relatively high energy density among TES technologies
making the system smaller and low-cost. TCS basedon CaO/H2O which involves hydration/dehydration
reaction of calcium oxide has been experimentallyinvestigated in lab-scale to verify heat storage/release
operation. To improve performance of TCS system,
both heat exchange and solid-gas reaction are criticalfactors. Numerical analysis model that integrates
those factors has been developed to simulate behavior
of TCS materials during the reaction which is difficult
to measure in actual tests. This report introduces labscale demonstration results of TCS based on CaO/
H2O and numerical analysis model of TCS reaction.

る基盤を作った。本報では，CaO/H2O系化学蓄熱の原
理実証と蓄熱材反応計算モデルの開発について紹介する。

１

17

まえがき

強化による広域送電も難しいことから，一時的に電力を貯蔵する蓄電技術が必要となる。蓄電技術には古くから用いられ

産業革命以後の世界平均気温上昇を２℃未満に抑えることている揚水発電をはじめ，蓄電池などいくつかの方式があるで合意したパリ協定を踏まえ，日本政府は2050年までに二酸が，近年注目されているのが蓄熱発電である。蓄熱発電は電化炭素（CO2）の排出を実質ゼロとする脱炭素社会（カーボン力もしくは太陽熱などを熱エネルギーとして蓄熱媒体に蓄え，ニュートラル）を実現することを表明した。これを達成する

蒸気タービンなどの熱電変換により熱エネルギーから発電すには再生可能エネルギーの導入を大幅に拡大することで化石る技術である。熱電変換を有することから決して効率は高く燃料の消費を削減することが重要である。しかし太陽光発電

ないが，システム自体が低コストなのでコストメリットが大や風力発電はその特性から安定的な発電が困難であり，系統

きい。近年，国内外において太陽光発電の電力価格が低下し＊技術本部

住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告表１

代表的な蓄熱媒体の特性
Characteristics of major heat storage materials

蓄熱形態

蓄熱媒体

蓄熱温度
（℃）

エネルギー密度（MJ/m3）

顕熱蓄熱

シリコーンオイル

300〜400

189

顕熱蓄熱

亜硝酸塩系

250〜450

548

顕熱蓄熱

硝酸塩系

265〜565

898

顕熱蓄熱

炭酸塩系

450〜850

1 512

顕熱蓄熱

液体ナトリウム

270〜530287

潜熱蓄熱

亜硝酸ナトリウム

270

373

潜熱蓄熱

硝酸ナトリウム

307

389

潜熱蓄熱

硝酸カリウム

333

561

潜熱蓄熱

炭酸ナトリウム

854

701

化学蓄熱

FeO/CO2

180

2 600

化学蓄熱

CaO/H2O

500

3 000

化学蓄熱

CaO/CO2

800〜900

4 400

化学蓄熱

NH4HSO4/NH3

467

3 082

化学蓄熱

SrO/CO2

1 108

3 948

蓄熱（脱水反応）

反応器

放熱（水和反応）蒸気

冷却

400 ℃〜〜30℃
Ca（OH）
2 → CaO〈吸熱〉

蒸気

蒸発 /凝縮器

高温熱回収

図１

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

低温熱回収

熱利用

30〜150 ℃

330〜600 ℃

蒸気→ 水

Ca
（OＨ）
2 ← CaO

蒸気←水

〈発熱〉

CaO/H2O系化学蓄熱の動作原理
Operating principle of CaO/H2O thermochemical heat storageていることや，太陽光発電などが需要を超えないよう出力抑かし，蓄熱技術は熱を一時的に蓄えることでこのような未利制することにより再生可能エネルギーによる電力を捨ててし用排熱の回収や利用にも適応が可能であり，工場などのさらまうという事例が増えている。こうした状況に対しては，たなる省エネルギー化に貢献することができる。

とえ効率が低くても電力を一時的に貯蔵し，少しでも有効利

当社では，このような蓄エネルギー需要への対応に加え，用することが望まれる。2017年時点で実装されている電力貯自社内および顧客施設の省エネルギー化を促進すべく，蓄熱蔵技術においては，揚水貯蔵が世界の総蓄電容量の96 %と圧技術の一つである化学蓄熱に着目し開発を進めている。

倒的に多く，次に多いのが熱的貯蔵（蓄熱発電）の1.9 %であり，蓄電池をはじめとする電気化学貯蔵の1.1 %を上回っている⑴ 。

２

化学蓄熱の概要

蓄電池はコスト低下が進み導入量が増えると予想されている

蓄熱技術は，物質の温度変化を利用する顕熱蓄熱，物質のが，太陽光発電由来の電力の夜間利用を想定した試算では，

相変化時の転移熱を利用する潜熱蓄熱，物質の化学反応もし2030年の蓄電池予想コストと比較しても蓄熱発電の経済性が

くは吸着熱を利用する化学蓄熱に大きく分類される。

蓄電池を上回ると報告されており，蓄熱発電が今後も電力貯蔵の選択肢の一つとなることが示されている 。
⑵

表１に，代表的な蓄熱媒体の特性を示す⑶。顕熱蓄熱は，シンプルな装置構造が多く最も実証化が進んでいるが，エネ

また，脱炭素化の促進には再生可能エネルギーへの転換を

ルギー密度（蓄熱密度）が低い。潜熱蓄熱は，相転移温度が一進めることと同時に，エネルギーを効率的に利用する省エネ

定であることから蓄熱および放熱時の温度が一定で扱いやす

ルギー化も重要である。現在，国内で消費される１次エネル

い。化学蓄熱は，実用化例がまだ少ないがエネルギー密度

ギーの半分程度がエネルギー変換や利用の際に発生する排熱（蓄熱密度）
は最も高く，また，反応気体と蓄熱材を隔離すれとなっており，産業界においては500 ℃を超える高温の排熱

ば断熱の必要がないことから熱の長期貯蔵も可能である。化

がいまだに存在している。排熱回収型のボイラ発電やヒート

学蓄熱の作動温度域は選択する蓄熱材によって異なり，100

ポンプなどの排熱利用技術は費用対効果があれば導入される～1 100 ℃程度の幅がある。CaOの水和脱水反応を利用するが，排熱自体が間欠的である場合などは費用対効果が小さく，

CaO/H 2O系では500 ℃程度の作動温度域でエネルギー密度

結果として排熱がそのまま廃棄されているケースも多い。し（蓄熱密度）
も比較的高い。また，CaOの原料である炭酸カル
住友重機械技報 No.206 202218

論文・報告

636
1 000

560

496

441

394

352

315 （℃）

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

真空ポンプ

熱媒

循環恒温槽
バルブ

100
トレー 5
10

1

トレー 3
トレー１
1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

水和反応における蓄熱材温度と蒸気圧の平衡関係
Equilibrium relationships between temperature andvapor pressure on hydration reaction

450

トレー５
トレー１
熱媒入口

400
350
温度
（℃）

250

1

トレー３
熱媒出口

熱媒流量：100L/min
熱媒入口温度：100℃
蒸発 / 凝縮器水温：50℃

300

200
150
100

図４

3 500

0.9

50
0
−30

実証試験装置の概略図
Schematic diagram of demonstration equipment

図３

反応率, 熱回収率（−）

図２

蒸気 / 凝縮器

反応器

蓄熱材温度103/T（1/K）

3 000

0.8
0.7

2 500

0.6
0.5

2 000

0.4
反応率

0.3
0.2

生成熱量

0.1
0

30

60
90
時間（min）

120

150

180

0

1 500

熱回収率
回収熱量
0

30

60

90

120

150

1 000

生成熱量, 回収熱量（kJ）

蒸気圧（kPa）

ヒータ

0
180

時間
（min）

放熱試験結果Result of heat release experiment

シ ウ ム（CaCO3）は国内に多くの資源があり，安価で安定供できる。化学蓄熱のヒートポンプ利用は，ケミカルヒートポ

給にも適している。これらの理由から当社ではCaO/H 2O系

ンプとも呼ばれる。

化学蓄熱の開発を進めている。
図１に，CaO/H2O系化学蓄熱の動作原理を示す。装置は一般的に蓄熱材の入った反応器と，水の入った蒸発器およ３
3.1

CaO/H2O 系化学蓄熱の原理実証
水和反応温度測定試験

び凝縮器の両方の機能を備えた「蒸発/凝縮器」から構成さ

CaO/H2O系化学蓄熱の特徴である広い反応温度域の実証とれる。蓄熱時は，水和状態の蓄熱材である水酸化カルシウム

して，供給する蒸気圧を制御可能な試験装置を作成し，水和に熱を加えると反応気体である蒸気を放出しなが
（Ca
（OH）
2）

反応温度測定試験を行った。蓄熱材には粒径1 000μm以下の

ら，CaOに変化していく。この蒸気は配管で接続した蒸発/凝CaCO3から焼成したCaOを４g用い，それをφ25×16 mmのス

縮器で冷却することで液体に凝縮し，圧力が低下する。このテンレス製円筒容器に充填し装置内に設置した。反応気体にことから蓄熱反応中の蒸気圧は，反応器では高く蒸発/凝縮

は純水から生成した水蒸気を用いた。事前に真空ポンプで装器では低い状態となり，この圧力差で蒸気が自動的に蒸発/

置内を十分に減圧し，バルブで接続した配管から水蒸気を装凝縮器側へ移動する。反対に放熱時は，蒸発/凝縮器側を加置内に導入して水和反応を開始した。図２に，水和反応にお温することで蒸気を生成し，反応器にその蒸気を導入すると ，いて最高温度を記録した時点の蓄熱材温度と蒸気圧の平衡関

脱水状態のCaOが蒸気を吸収しながら発熱する。蒸気は，放係を示す。供給蒸気圧を2.2～521 kPa（飽和水温20～153 ℃）の熱時においても反応器と蒸発/凝縮器の圧力差により外部動範囲で変化させたとき，蓄熱材反応温度は314～601 ℃と広力なしに自動で移動する。

い範囲の水和反応温度を示した。また，蒸気圧と蓄熱材温度

このように化学蓄熱材は主に気体の反応媒体と反応するが，に強い相関が見られたことから，４章の蓄熱材反応計算モデ

その関係は蓄熱材温度と反応気体圧力の平衡関係によって決ルの反応温度予測にはこのデータから得られた回帰式を用いまっており，この原理を利用することで蓄熱時の温度より放ている。

熱時の温度を高温化させるヒートポンプの効果を得ることが
19

住友重機械技報 No.206 2022

700
トレー５
トレー１
熱媒入口

温度（℃）

500

トレー３
熱媒出口
反応率, 蓄熱効率（−）

600

400
300

熱媒流量：100L/min
熱媒入口温度：700℃
蒸発 / 凝縮器水温：10℃

200
100
0
−60

図５

0

60

120
180
時間（min）

240

300

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

1

18 0000.9

16 0000.8

14 0000.7

12 000

0.6
0.5
0.4

反応率

10 000

蓄熱効率

8 000

供給熱量

0.3

蓄熱量

6 000

0.2

4 000

0.1

2 000

0

360

0

60

120

180
240
時間
（min）

300

供給熱量, 蓄熱量（kJ）

論文・報告

0
360

蓄熱試験結果Result of heat storage experiment

蒸気供給
6.8 kPa

回転軸

解析条件

16 mm

蓄熱材

12.5 mm

温度測定点

対流熱伝達率0.5 W/m2K

壁面輻射率

0.9

ガス拡散係数

0.01 m2/s

熱伝導率0.15 W/mK
（蓄熱材）

かさ密度

500 kg/m3

初期温度

60 ℃

ステンレスカップ

図６

蓄熱材反応解析のモデルと条件
Model and conditions for reaction analysis of heat storage material

3.2

蓄放熱動作実証試験

次に，1.5 kgの蓄熱材を充填可能な実証試験装置⑷を製作し，

験では，バルブを閉じて反応器と蒸発/凝縮器を遮断した状
態とし，反応器を熱風ヒータで一定時間予熱して蒸発/凝縮

蓄放熱動作実証試験を行った。図３に，実証試験装置の概略

器も循環恒温槽で温調する。その後バルブを開放し脱水反応

図を示す。ステンレス製の反応器内には蓄熱材充填トレーが５を開始させる。

段設置されており，各トレー上には熱交換パイプが環状に配

図４に，反応器熱媒温度を100 ℃，蒸発/凝縮器水温を50 ℃

置されている。熱交換媒体には空気を用い，熱媒温度制御にに設定して行った放熱試験結果の一例を示す。右のグラフはは熱風ヒータを使用した。蓄熱材には前述したものと同様の蒸発/凝縮器の水位から算出した蓄熱材の反応率とそれに応CaOを用い，各段に300 gずつ充填した。蒸発/凝縮器には銅

じた生成熱量，熱媒の受熱量から算出した回収熱量と熱回収製の熱交換パイプ，反応率測定用の水位計などが設置されて率をプロットしている。各トレーの平均温度は，蓄熱材の水いる。蒸発/凝縮器内には約１kgの純水を入れ，外部に設置

和反応による発熱で試験開始直後に390 ℃付近まで急上昇し，した循環恒温槽との熱交換で温度制御を行った。反応器は蒸熱交換後の熱媒出口温度 は約10分後に300 ℃程度にまで達し

発/凝縮器とバルブで接続され，それぞれが真空ポンプによた。ピーク時の蓄熱材平均温度は，3.1の水和反応温度測定

り減圧が可能な構造となっている。反応器と蒸発/凝縮器は試験の結果から水温50 ℃に対応する蒸気圧で予想される反応

厚さ25 mmの断熱材で外側を覆われている。試験中は反応器温度とほぼ一致していたことから，本装置による水和反応は

内の１
（最下）
，３
（中間）
，５
（最上）
段目の蓄熱材充填トレー

問題なく進行していたものと考えられる。ピーク時の熱出力に設置した熱電対で蓄熱材温度を測定した。

を熱媒の流量から計算すると約400 Wであった。反応率を見

放熱試験手順について説明する。まず，CaO状態の蓄熱材

ると70分程度で反応が完了しており，そのときの蓄熱材温度が入った反応器および純水の入った蒸発/凝縮器をそれぞれ

は発熱がなく，熱媒による冷却効果のみで温度が急低下して減圧する。反応器および蒸発/凝縮器はそれぞれ熱風ヒータ ，いることが分かる。試験における熱回収率は55 %とやや熱ロ

循環恒温槽で設定温度に温調を行う。その後，それぞれをつスが大きいが，反応器の熱容量が大きいことや断熱が不十分

なぐバルブを開放することで水和反応を開始させる。蓄熱試であることなどが原因と思われ，これらは今後の対策により
住友重機械技報 No.206 202220

論文・報告図7

酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

化学蓄熱材充填層における温度・圧力・反応率の解析結果
Numerical analysis result on temperature, pressure and conversion field of thermochemical heat storage material bed

改善できると考えられる。
図５に，反応器熱媒温度を700 ℃に，蒸発/凝縮器水温を表わす方程式を立てた。一次元系における各方程式を次に示す。

10 ℃に設定して行った蓄熱試験結果の一例を示す。バルブ開充填層内の圧力変化

放直後に各トレーの温度が蓄熱材の吸熱反応によって低下し

ρ
∂
∂2
＝ ⎛
⎝∂ 2 −∂⎛⎝ていることが分かる。その後しばらくは吸熱反応の継続によ∂∂

り低温の状態が続き，熱媒が最初に通過する最下段トレー１
では，100分ごろに吸熱反応の終了を示す温度変化の変曲点

充填層内の温度変化が表れている。熱媒が最後に通過するので温度が比較的低い

Δ
∂
∂2
＝α⎛
⎝∂ 2 ＋∂⎛⎝

最上段トレー５では，最下段トレー１および中段トレー３に∂∂比べ吸熱による温度差が小さく熱交換が遅いことから，反応速度も遅く反応終了が分かりにくい。反応率を見ても最終的に90 %程度までしか反応していないことから，低温部分に未反応の蓄熱材が残っていると考えられる。全体の反応を早く

充填層内の反応率変化∂＝∑∂

終了させるには蓄熱材の温度分布を小さくし，全体を均一に反応させていくことが必要であると考えられる。
本装置では，1.5 kgの蓄熱材を用いた蓄放熱動作が実証できた。実用化に向けてさらなる蓄熱密度の向上を狙い，今後はコンパクトかつ高出力・高効率の反応器の開発を行っていく。

４

蓄熱材反応計算モデルの開発

蓄熱材反応速度2∂−3（−＝ （1− ）∂）

1.096・104＝

153.3・ −−
4.81・104
1＋5.25・104・ −−＝2.27・107・ − 9.631

化学蓄熱は気体と固体の化学反応を扱うことから，熱交換21

だけでなく，気体拡散および化学反応という３つの現象が相

ここで，Pは圧力，Tは温度，Xは反応率を示しており，Dは互作用しており，これらを総合的に改善していくことが装置

ガス拡散係数，ρはかさ密度，Rは気体定数，mcaoはCaOのモ

設計のポイントとなる。しかし，実際の化学蓄熱装置では形

ル質量，αは熱拡散係数，ΔHは反応熱，Cは比熱，k は反応状や反応条件のわずかな違いによって反応挙動が大きく変わ

速度定数，Peは反応平衡圧力である。反応平衡圧力Peの計算るので，何が性能支配因子であるかの見極めが難しい。そこ

式には3.1の水和反応温度測定試験から得られた回帰式を用いで当社では，化学蓄熱に関わる３つの現象を複合的に計算し ，た。これらの方程式を空間および時間的に解き，微小時間ご

蓄熱材反応の経時変化を解析可能な反応計算モデルを開発しとの温度，圧力および反応率を計算した。１次元および２次ている。これにより，装置形状や反応条件の違いによる影響

元での反応計算モデルはプログラミング言語のPythonを用いをコンピュータ上で事前評価できることから，試作試験の削て構築し，次に軸対称および３次元の反応計算モデルはオー

減や性能支配因子の抽出が期待できる。

プンソースの熱流体解析ツールであるOpenFOAMを用いて構

CaO/H2O系における蓄熱材反応のモデル化には文献⑸⑹を築した。OpenFOAMはソルバーがC++で記述されており，そ

参考にし，蓄熱材充填内の温度，圧力および反応率の変化をのソースコードを変更することでユーザが任意の計算を行う
住友重機械技報 No.206 2022

論文・報告酸化カルシウムを用いた化学蓄熱技術の開発

400
350
実測値

温度（℃）

300

解析値

250
200
150
100
50
0

0

300

600

900

1 200

1 500

時間
（s）

図８

放熱反応における温度変化の実測値と解析値の比較
Comparison between measured and analyzed temperature during heat release reaction

ことが可能である。また，３DCADデータから作成したメッ
シュを用いることができるので，モデルの形状自由度が高い。

（4）蓄熱材反応計算モデルを開発し，蓄熱材の反応状態を経時的に解析することが可能となった。

このOpenFOAMに蓄熱材充填層内の温度，圧力および反応

今後はCaO/H2O系化学蓄熱の実用化に向け，開発した蓄熱率を計算するコードを実装し蓄熱材反応の非定常解析を行っ

材反応計算モデルなどを活用しながら装置性能の向上を図っ

た。

ていく。

開発した反応計算モデルを検証すべく，3.1の水和反応温度測定試験を再現した解析を実施し，解析結果を試験の実測実証試験を行うに当たり，ご指導いただいた国立大学法人

データと比較した。図６に，解析のモデルおよび条件を示す。

千葉大学の小倉裕直教授およびご協力いただいた研究室の学円筒形状であることから軸対称解析を用い，蓄熱材充填層の生の皆様に心より感謝申し上げる。

上面に6.8 kPaの圧力を境界条件として設定した。図７に，温度，圧力および反応率の解析結果をコンター図で示す。反応（参考文献）

開始後から蒸気が充填層内で拡散して水和反応により温度が(1) 国際再生可能エネルギー機関 (IRENA), 要旨 電力貯蔵技術と再生可能上昇し，その後は放熱が早く起こる外壁付近から反応が進行し，最後に中央部分の反応が終了する様子が分かる。図８に，温度測定点における温度変化の実測値と解析値の比較を示す。
反応開始直後に温度が急上昇し，反応中は蒸気圧に対応する
反応温度を維持して，その後反応終了の変曲点が現れ，温度が低下する様子を解析によって再現することができた。
本報では放熱反応の解析例のみを示したが，蓄熱反応についても同様に解析が可能で，どちらもさらなる解析と検証で精度向上を試みている。また，現状では複数の固体領域の設定で，蓄熱材と金属容器などを含めた熱伝導を解くことができているが，今後は熱媒の流体領域も同時に計算し，熱媒との熱交換まで含めた複合的な解析へと発展させていき，装置

エネルギー：2030年に向けたコストと市場, 2017.
(2) T. Okazaki, Electric thermal energy storage and advantage ofrotating heater having synchronous inertia, Renewable Energy, 151,
2020, 563-574.
(3) Yuan Y, Li Y, Zhao J, Development on Thermochemical Energy
Storage Based on CaO-Based Materials : A Review, Sustainability,
10 (8), 2018.
(4) 菊地良鷹, 石山雄大, 藤田浩樹, 平田一弘, 中條晃伸, 小倉裕直, 工 場排ガ
ス熱駆動ケミカルヒートポンプ試験機の運転性能向上の検討, エネル
ギー・資源学会論文誌, 40 (4), 2019, 111-118.
(5) 松田仁樹, 石津貴, 李寿珏, 架谷昌信, Ca(OH)2/CaO可逆熱化学反応を利用した化学蓄熱に関する化学速度論的研究, 化学工学論文集 , 11(5),1985, 542-548.
(6) 松田仁樹, 李寿珏, 石津貴, 架谷昌信, CaO充填層の水和発熱反応に伴う放熱特性, 化学工学論文集, 13(1), 1987, 20-28.

設計に役立てたい。

５むすび（1）本報では，CaO/H2O系化学蓄熱の原理実証と蓄熱材反
応計算モデルの開発について紹介した。
（2）CaO/H2O系化学蓄熱において，反応気体である蒸気の圧力操作によって314～601 ℃の範囲の水和反応温度が得られることを確認した。
（3）1.5 kgの蓄熱材を用いた実証装置では，熱媒との熱交換による蓄放熱動作を実証し，最大400 Wの放熱出力が得られた。
住友重機械技報 No.206 202222

環境・エネルギー技術特集 技術解説

液化空気エネルギー貯蔵（LAES）
技術の紹介

液化空気エネルギー貯蔵（LAES）技術の紹介
Introduction of Liquid Air Energy Storage System
●伊

藤

一

Kazuyoshi ITO

芳＊

2. 貯蔵
（液化空気）

1. 充電（蓄電）

3. 放電
（送電）

交流電力

交流電力

温熱と冷熱の外部供給を追加すれば, システム
効率が向上
外気
空気

工業用空気液化装置を使用して外気を冷やすことで液化

図１１

液化空気を標準的な断熱タンクに
低圧で貯蔵

LAES技術のプロセス概念図
Process of LAES system

はじめに

ギーを貯蔵
（充電）
して電力の必要なときに，需要に合わせて ，
この圧縮空気で空気タービンを回し発電（放電）
する。充電時

世界的な気候変動対策は，これまでの低炭素社会から大きに発生する高温排熱や放電時に発生する冷排熱は，それぞれ

く脱炭素（カーボンニュートラル）
社会へと，これまでにない

熱貯蔵タンクに貯蔵され，高温排熱は発電時に，冷排熱は次速さで推移している。特にエネルギー部門では，電力供給にの液化プロセスへ利用することでエネルギー利用効率を高めおける脱炭素化の動きは化石燃料発電からの早期のフェードている。

アウトと，それに代わる主要電源として太陽光発電や風力発設備の主要機器構成を図２の配置概念図に示す。設備は，電などの再生可能エネルギー電源（再エネ電源）への転換が主充電系を構成する大容量空気圧縮機とクライオ冷凍機を含むたるシナリオとなっている。太陽光発電や風力発電は，自然冷凍蓄電モジュール，液化された空気を貯蔵する液化空気貯

エネルギーを電力に転換できる優れた技術ではあるが，その蔵モジュール，放電系としての空気膨張タービン発電モジュ

発電量は天候や季節に依存し，再エネ電源を最大限に利用すールと，エネルギー有効利用の目的で圧縮機の高温空気の熱るには，電力需要に合わせた電力調整が必要である。これまエネルギーを再利用する高熱貯蔵系として高温熱貯蔵モジュでは再エネ電源の比率も低く，火力発電設備などの出力調整

ールや，極低温の液化空気を蒸発・加熱していく際の冷熱エにより電力需給調整が行われ電力系統の安定化が実現されてネルギーを再利用する冷排熱貯蔵系としての低温熱貯蔵モジ

きた。しかし，再エネ電源の比率が上昇するにつれ，より多ュール，ハイグレード冷熱貯蔵モジュールで構成される。貯くの電力調整機能が必要となり，揚水発電や蓄電池などのエ蔵モジュールのサイズにより，貯蔵エネルギーや放電時間なネルギー貯蔵技術の開発が進められている。

どの設備設計に容易に対応できる。

当社は，このエネルギー貯蔵分野への対応として2020年２月に液体空気エネルギー貯蔵（LAES）
技術の開発者でもある
英国のハイビューエンタープライズ（HVP）
社に投資し，業務提携をしながらその世界的な拡大に取り組んでいる。
本報では，LAESの技術と今後の展開について述べる。

２

LAES装置のエネルギー貯蔵の原理

３

LAES技術の特長

エネルギー貯蔵技術は，数kWの単位の蓄電池から数百MWを超える揚水発電までさまざまな研究開発が進んでいる 。
LAES技術の特長としては，次の３点が挙げられる。
① 大容量で比較的長時間の電力供給に対応
図３に，技術別の容量対応MAPを示す。LAES技術は，

HVP社の液化空気エネルギー貯蔵技術は，クライオバッテ

小型の蓄電池系と大型の揚水発電の間の中間規模（数リーの登録商標を持ち，極低温のクライオ技術を利用してよ

10 MW〜数100 MW）の容量をカバーし，その設備は数時りコンパクトに大容量のエネルギーを貯蔵することができる。
図１に，LAES装置の機能概念図を示す。余剰の再エネ電
力で空気を圧縮・液化し，圧縮（液化）
空気のかたちでエネル
23

液化空気をポンプで加圧し, 温めて気化させながらタービン発電機を通して放出＊エネルギー環境事業部

間から数日の比較的長時間の電力供給に適している。
② 電力系統の安定化に寄与
LAES技術と蓄電池系との大きな違いは容量だけでな
住友重機械技報 No.206 2022

技術解説

液化空気貯蔵モジュール

ハイグレード
冷熱貯蔵モジュール

空気膨張タービン発電機（TEG）モジュール

冷凍蓄電モジュール

液化空気エネルギー貯蔵（LAES）
技術の紹介

高温熱貯蔵モジュール

低温熱貯蔵モジュール

LAES装置概念図
Layout of LAES system

図２

24時間

時間

12時間

フロー電池
4時間

リチウムイオン電池
2時間
10 MW

100 MW

1 GW

電力
図３

エネルギー貯蔵技術適用MAP
Technology application map for energy storage

く，タービン発電機を持っているという点である。火力

どの際の地域における電力システムの強靭性）を考慮した非発電などで培われた電力通信技術が出力調整に利用でき常時のライフラインを担保する電源の確保も必要となってくることから，既存の電力系統に簡単に接続することが可る。その場合には，充電容量だけでなく周波数制御などの機能であり，慣性力の提供や周波数制御への貢献などによ能が必要となってくる。現在，最も有効な設備としては揚水り電力系統の安定化に寄与することができる。

発電が挙げられるが，建設条件に地形や水資源などの制約が③ 熱エネルギーとの高い親和性
エネルギー貯蔵というと，再エネ電源の余剰電力利用や不足時の補完が目的と考えてしまうが，LNGの気化時て LAES 技術の利用や，工場などからの排熱を有効活用したエネルギーの利用などを検証していきたい。

の冷排熱や工場での蒸気利用後の温排熱など，未利用排再エネ電源の主電源化には，技術を競うのではなく，そ熱エネルギーも多く存在する。LAES技術は，冷熱貯蔵れぞれの技術の良さを組み合わせた共創が必要と考える。

と高温貯蔵のプロセスを持つことを紹介したが，この貯LAES 技術をさまざまな技術の組合せの一つとして社会貢献

蔵モジュールに冷温および高温の排熱を外部から供給できる技術へと展開していきたい。

（排熱利用）することで熱効率を高めることができる。
電力だけではなく，未利用熱エネルギーを利用できる点もLAES技術の特長といえる。

４ある。このことから今後は，都市型の小規模水力の代替としLAES技術のビジネスモデルとしての展望

前述のとおり，エネルギー貯蔵には多くの技術が開発され

５

おわりに

（1）LAES技術は，大容量のエネルギーの貯蔵が可能な技術である。周波数制御による電力調整など，電力系統の安定化に寄与する機能を有しており，設置の容易性から
都市型揚水発電のような利用が可能である。

ているが，再エネ主電源化社会を実現するには，小規模の容（2）LAES技術は，余剰電力の蓄エネルギー利用だけでな量対応から大規模の長時間対応まで，さまざまな技術の融合

く，冷排熱，高温排熱ともに有効利用することができる。

が必要になると考えられる。また，今後の地域社会の在り方（3）LAES技術は，蓄電池系との連携も可能で，それぞれを考えれば，レジリエンス性（通常運転時のみならず，台風の長所を生かしてより良い社会の共創への貢献を目指しや地震などで起こる広域の電力系統事故による大規模停電なたい。

※「クライオバッテリー」は，ハイビューエンタープライズ社（英国）の登録商標です。

住友重機械技報 No.206 202224

環境・エネルギー技術特集 技術解説

IZANATM（プラント運用支援システム）の開発

IZANATM（プラント運用支援システム）の開発
Development of IZANATM (Plant Operation Support System)
●藤

井

大

Hirotada FUJII

也＊

渡

邊

建

聖＊

青

Takemi WATANABE

木七

Nanami AOKI海＊

運転状態監視SHIクラウド

他クラウド連携

データ分析
運転支援
レポート作成閉域網

情報共有サービス

データ共有

エッジ
サーバ
お問合せ窓口
運用アドバイス
各種センサ

DCS

定期点検サポート
住友重機械工業

お客様設備

IZANATMの概念図
Flowchart of IZANATM

１

析，レポート機能，分析ツールなどが挙げられる。いずれもはじめにこれまで納入してきた運用上のノウハウが含まれた評価を可

近年CFBボイラには使用例が少なくなっている石炭以外に，視化している。また，人工知能（AI）を支える代表技術である

カーボンニュートラルの特性を有するバイオマス燃料，有効機械学習をベースとした評価方法を取り入れていることも特利用が期待される廃棄物系燃料など，エネルギー資源の有長である。これらの基本機能は，当社の主力機種の一つであ

効活用の観点で多種多様の燃料（図１）の適用が進められてるCFBボイラへ適用することで評価精度を上げてきた。さらきた。これらの燃料は性状が安定しないことが課題であったに今後は，深層学習をベースとした評価方法の発電プラント

が，循環材保有による熱容量が大きく，燃料の攪拌能力が高への適用や，他機種への適用拡大などに向けて開発に取り組

いCFBに適用することで課題を克服し，有効に活用できるよ

んでいく。

うになった。しかしながら，燃料種によっては全水分，塩素（Cl），アルカリ金属類（Na，K）など，CFBボイラの運用に大IZANATM が提供するイノベーション

きく影響する性状の変動があり，運用上の制約を設定せざる（1）クラウドを活用することによって，データストレージ

を得ない場合もあった。また，通常の制御に加え，経験によの一元化や運転データ・評価結果の共有が可能になる。

って得られた運用上のノウハウを必要とする場合もあった。

その結果，プラントの運転状態をタイムリーに把握できは，製品知識を含めるようになり，ユーザは運用方針が決めやすくなる。また運用上のノウハウを可視化することで，正常かつ高効率なた，これまでプラントを訪問して行ってきた運転状況のプラント運用を支援することを目的に開発を進めてきた。

把握，運転データの取得・評価などのメーカーによる支プラント運用支援システムIZANA

２

25

３

TM

IZANATM の開発

援業務が遠隔地からでもできるようになる。
（2）メーカーの製品知識・運用上のノウハウをシステムにIZANATMは，メーカー独自のノウハウをシステムに織り組み入れることで，プラントの運転状態が正常か異常か込むことでプラントを安全・安定状態にいざなうように開発を自動判定できる。これまでは運用上のノウハウを持っ

されており
（図２）
，安定稼働・効率の維持，不具合の未然防たベテランの運転員や，調整のノウハウを持ったメーカ

止，効率改善支援，運用の省力化，人材育成・ノウハウの伝ーアドバイザーの評価が必要であったが，システム上の承に効果的であると期待している。これらをシステム上で実学習をベースに正常か異常かを判定できるようになる。

現するには，運転データの蓄積と共有が必要不可欠であるこ

最終的には人の判断に委ねられるが，本システムによっとから一方向通信，閉域網の通信環境，プライベートクラウて一定の評価を常に得ることができ，プラント運用の支ドなどを活用したシステムを軸にセキュアなプラットフォー

援が可能となる。具体的な異常検知として，非常停止のムを構築している。

要因の一つである噴破での事例を挙げる。噴破（ボイラ

主な機能として，重要評価指標の可視化，異常検知，アラ

チューブからの蒸気漏れトラブル）検知モデルは，製品

ーム発生時におけるメーカー独自のガイダンス，アラーム解

知識をデータから学習したモデルに組み込むことによっ＊エネルギー環境事業部

住友重機械技報 No.206 2022

技術解説

木質チップ
（木質バイオマス）

建設廃材

農業系バイオマス

建設廃材

林地残材
TDF

農業系バイオマス

廃プラスチック燃料（バーク含）（廃タイヤ燃料）

図１

製紙スラッジ

森林未使用材（生木チップ）

林地残材（バーク含）

製紙スラッジ（高含水状態）

脱水スラッジ
ペレット化燃料

CFBの適用燃料例
Examples of fuels for CFB boiler

図２

制御ネットワークと分離した構成
ファイアウォール装置で情報系, DMZネットワークを分離しエッジサーバ, 閲覧PCを置いているので既存
ネットワークに影響がない

●

クラウド

DMZネットワーク

クラウドの入口でセキュリティ対策
・アンチウイルス
・IPS/IDS
・IPフィルタリング

エッジサーバファイアウォール装置

閲覧PC

ゲートウェイルータ

プラント
管理システムコントローラPC

制御ネットワーク
DCS

PLC

PLC

閉域網

仮想 UTM 装置

仮想サーバ

独立した仮想サーバ
他プラントのシステムの影響を受けない

セキュリティ基本思想
Basic concept for securityて作られている。微小な破孔による噴破を検知できるモている。統計的手法や深層学習などの新しい技術についデルであることと，燃料などの影響で運転状態が変化しては，その表示方法を含めて継続して開発を進め，プラ

やすいCFBボイラの特性に対して環境変化に対応したロ

ント運用支援に有用なものを探求していく予定である。

バストネス（外乱の影響によって変化することを阻止す（3）運用支援

る内的な仕組み）が特長であり，噴破が拡大してボイラ

システム上の機能で評価結果を表示することによって，が大きく破損することの防止や，従来に比べて計画的な24時間体制の支援を可能としている。さらに，運用支援

停止操作および補修計画を立てられることが期待される。

を担当する技術者に評価結果を発信することで，プラン

また，CFBボイラにとって重要な循環材の異常に対してトの運用状態を共有し，早期のトラブル対応や適切な時

早期検知が可能で，循環材の固着や流動不良などの防止期の人的支援やメンテナンスが可能となる自由度も有しもにも対応が可能である。

ている。

（3）本システムを使い続けることによってシステム上に運４

機械学習の適用事例
An example of machine learning

閉域ネットワーク網でのクラウド接続
インターネットからの攻撃を受けない

発電所

情報ネットワーク

図３●

IZANATM（プラント運用支援システム）の開発（4）適用範囲

転データ，評価結果が蓄積され，さらに学習が進む。こ

現状ではCFBボイラを中心とした発電プラントへの適れにより評価精度を上げることができ，より正確な評価用が可能であるが，今後はCFBボイラ以外への適用を進とともに運用上のノウハウが深化する。

めていく予定である。

IZANATMの現状評価（1）通信環境

５

おわりに（1）IZANATMは，CFBボイラ発電プラントの製品知識や現在は主に短いサイクルでデータを収集し，比較的長運用ノウハウを組み入れてプラント運用を支援するシス

い時間をかけて変化や異常を捉えて評価している。プラテムである。さらにクラウドを活用することで運用ノウ

ント効率，循環材の変化，噴破といった時間単位での評価に対して有効な手段となっている。
（2）評価機能
重要評価指数である効率の可視化，プラント運用における異常検知の可視化，異常を可視化したアラーム解析

ハウが蓄積され，活用の幅を広げることができる。
（2）IZANATMを使い続けることによって発電プラントのノウハウが蓄積され，学習の成果として評価精度を上げることが可能となり，運用上のノウハウの伝承も可能となる。

機能，技術伝承となるレポート機能および分析ツールなどについては，ユーザとともに作り上げる自由度も有し
住友重機械技報 No.206 202226

環境・エネルギー技術特集

技術解説

カーボンリサイクル技術

カーボンリサイクル技術
Carbon Recycle Technologies
●立

川

彩

子＊

Ayako TACHIKAWA

中

條

晃

伸＊

Terunobu NAKAJYO〈バイオマス発電〉〈カーボンリサイクル技術〉

・CFBボイラでのバイオマス燃焼により低 CO 2 発電を実現

・CO 2 から基幹物質に変換する
技術を開発

その他燃料

CaCO 3（炭酸Ca）

図１

１

CO 2

CO 2

HCOOH
（ギ酸）

CH 3OH（メタノール）

SHIが目指すカーボンリサイクル
SHI's carbon recycle vision

はじめにガスをターゲットとしたCR技術の検討を進めている。
図１に，当社が目指すCRの姿を示す。バイオマス発電や2021年4月，日本の2030年度の温室効果ガス削減量目標値

機械から排出されるCO2をカーボンリサイクルし，地域社会を「2013年度比46 ％削減」とすることが首相より表明されでの利用や固定を目指している。前述のCR燃料合成技術のた。日本国内の2013年度の二酸化炭素（CO2）
排出量は13.1億 t

ほか，分類の①に該当するホウ素ドープダイヤモンド（BDDであり，エネルギー起源の排出が87.7 %を占めている。

：Boron Doped Diamond）
電極での電気化学還元，②に該当

2030年に温室効果ガスの排出量を46 %削減し，2050年にカーする藻類培養，③に該当する灰を使った炭酸塩化の技術開発

ボンニュートラルを達成するには，再生可能エネルギー比率を行っている。本報では，それぞれの技術について概説する。

を上げるとともに，CO 2 を回収して利活用するカーボンリ
サイクル（CR：Carbon Recycle）技術や，回収したCO2を地中に貯留する（CCS：Carbon Capture and Storage）
技術の社
会実装が必要である。

27

水素

植物・藻類

CO 2

〈社会での利用・固定〉・動力を CO 2 フリーエネルギー・
脱炭素燃料へ転換
・カーボンリサイクル原料に転換

２

SHIのカーボンリサイクル技術

2.1 電気化学還元
CO2の電気化学還元の歴史は古く，1914年にはFischerら⑵CR技術は，CO2を炭素資源として捉え，回収して再利用すによってアマルガム電極でのギ酸生成が報告されている。以る技術である。経済産業省資源エネルギー庁が作成したカー

降も銅
（Cu）
などの各種金属電極を使った電気化学還元⑶が検

ボンリサイクルロードマップ ⑴の分類によると，CRは①化討されてきたが，複数の生成物が同時に出てきてしまう選択

学品，②燃料，③鉱物，④その他の４つに大別される。①は性や，電極寿命に課題があった。当社では，学校法人慶應義炭素（C）を含む化合物やバイオマス由来の化学品やオレフィ

塾大学（栄長研究室）の指導の下，CO2をBDD電極で電気化学

ンなどの汎用物質への変換，②は合成燃料，バイオ燃料およ）
還元し，ギ酸あるいは合成ガス（一酸化炭素
（CO）
＋水素
（H2）

びガス燃料化，③はコンクリート，炭酸塩および炭素としてを生成する研究を行っている。BDD電極には電位窓が広い

固定，④はCO2を空気から直接回収する技術（DAC：Directという特長があり，水の電気分解が起きにくく，CO2還元反Air Capture）などのネガティブ・エミッションへの貢献であ応を選択的に起こす状態を作り出すことが可能なことから，る。

所望の生成物に対して高いファラデー効率での変換が可能で当社は，化石燃料を使用する装置や機械を製造・販売してある。また，物理化学的に安定しているので実際に運転する

おり，製品使用時のCO2排出量削減は喫緊の課題である。こ際の安定性や耐久性が期待できる。生成物であるギ酸は化学のことから，我々は環境・エネルギー分野を重点課題と位置

製品の原料のほか，水素キャリアとしても期待されている。

づけ，省エネルギーや電化，燃料転換の検討とともに，排出合成ガスについては，化学製品の原料として使用することを＊技術本部

住友重機械技報 No.206 2022

技術解説

図２

電解セル
Electrolytic cell

図３

培養した藻類Cultured algae

想定している。

図４

カーボンリサイクル技術

炭酸塩化
Carbonation

状の良いCaCO3を得ることを可能とした（図４）。CaCO3は，

図２に，実験で使用している電解セルを示す。現在，ラボ

ゴムやプラスチックなどさまざまな用途で使用されるが，販レベルでの試験を実施しており，90 ％以上のファラデー効率

売価格が安いことから，より高付加価値化を目指すか，別のでCO2をギ酸あるいは合成ガスに変換できることを確認してプロセスへの適用を検討している。現在はCaを溶媒に溶出さいる。一方で，大規模化に向けて電流密度を上げること，電せる際の溶出率向上と，CO2を反応させる際の効率向上を検極面積を大きくすることに加え，セルのスタッキング設計が討中であり，2030年までの実用化を目指している。

課題となっている。今後数年でこれらの課題を解決し，実証

また，海水中に含まれるCaを使いCO2を固定する技術も検試験フェーズに進む予定である。

討している。燃焼灰を使ってCO2を固定する場合は，灰に含2.2 藻類培養

まれるCa量でCO2固定量が決まってしまうが，海水中のCaを藻類は成長スピードがほかの植物と比べて圧倒的に速く，使用できればCO2固定量に制限がかからない。この技術は，藻類培養は大気中あるいは排気ガス中のCO2回収に適した手沿岸の発電所や海洋での実用化を目指して検討を進めている。

段である。現在，多くの企業や研究機関が藻類培養に取り組んでおり，化石燃料の代替にすべくプロジェクトが進んでい

３

おわりに

る。しかし，藻類を培養して有価物を精製するには多くのコ本報では，当社で技術検討をしている３つのCR技術につストとエネルギーを必要とし，現時点での商業化の成功例はいて概説した。世界中でCR技術の開発は行われているが，健康食品と色素のみで数少ない。当社では，発電所などで発CO2を大量に，エネルギーをかけずに変換する技術はまだ出生するCO2を使用して藻類を培養・育成し，抽出および精製てきていない。今後も多くの技術が開発されると考えられてを行わずにより低コストで燃料化する方法について検討を重おり，当社でも2030年までの上市を目指し，技術開発を進め

ねている。

ていく。

現在は成長速度の速い藍藻類に注目して培養を行っており（図３），規模を拡大したときの培養条件の最適化を目指して（参考文献）

研究を続けている。将来的には発電所の近くで藻類を培養し ，(1)

その藻類を燃料として電気を作り，排出されたCO2を藻類培養に使うような，地域で炭素が循環するカーボンサイクルを

経済産業省カーボンリサイクルロードマップ(https://www.meti.

go. jp/press/2021/07/20210726007/20210726007. pdf).
(2)

F. Fischer and O. Przizza, Ber. Deut. Chem. Ges., 47, 256(1914).

(3)

Y. Hori, K. Kikuchi and S. Suzuki, Chem. Lett., 1985, 1695.

作ることを目指したい。
2.3 炭酸塩化炭酸カルシウム（CaCO3）はCO 2 よりもギブスの自由エネ
ルギーが低く，CO 2とカルシウム（Ca）を反応させてCaCO3に変換する際に，攪拌やポンプなどの動力以外のエネルギーを必要としない。当社では，バイオマス発電所から排出されるCO2を燃焼灰中のCaと反応させて，CaCO3として固定する技術の開発を行っている。
燃焼灰の成分であるCaを溶媒中に溶出した後に，CO2を吹き込んでCaCO3を取り出すIndirect方式を採用しており，性
住友重機械技報 No.206 2022

28

住友重機械技報第206 号発行に当たり

住友重機械技報第206号をお届け致します。

本誌は，当社が常々ご指導いただいている方々へ，最近の新製品，新技術をご紹介申し上げ，
より一層のご理解とご協力をいただくよう編集したものです。
本誌の内容につきましては，さらに充実するよう努めたいと考えますが，なにとぞご意見キ

賜りたく，今後ともよろしくご支援下さるよう，お願い申し上げます。

リ

なお，貴組織名，ご担当部署などについては，変更がございましたら裏面の用紙にご記入
トのうえ，FA X でお知らせいただきたくお願い申し上げます。また，読後感や不備な点を簡単

リに裏面用紙にご記入願えれば幸いに存じます。

線

2022 年３月〒 141-6025 東京都品川区大崎 2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
住友重機械工業株式会社
技術本部

技報編集事務局

（宛先）

（発信元）
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住友重機械工業㈱技術本部 技報編集事務局 行
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変減速機，インバータ● 機械式減速機：［同心軸］サイクロ減速機，サイクロギヤモータ
アルタックス，精密制御用サイクロ減速機，コンパワー遊星歯車
減速機，［平行軸］パラマックス減速機，ヘリカルバディボックス，
プレストギヤモータ，［直交軸］パラマックス減速機，ハイポニッ
ク減速機，アステロ直交ギヤヘッド，ベベルバディボックス，ライタックス減速機，HEDCON ウォーム減速機，小形ウォーム減速機 ● 変速機：［機械式変速機］バイエル無段変速機，バイエル ･
サイクロ可変減速機，［電気式変速機］インバータ，インバータ搭
載ギヤモータ，サーボドライブ，DC ドライブ

金属加工機械
● 鍛圧機械：フォージングプレス，
油圧プレス，
フォージングロール，
クーラント処理装置 ● SPS（放電プ
超高圧発生装置 ● 工作機械，
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成形機，
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射出成形用金型，PET システム，
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インモールドラベリング成形システム

船舶海洋● 船舶：油槽船，
石油製品運搬船

サイクロ，アルタックス，コンパワー，パラマックス，バディボックス，プレスト，
ハイポニック減速機，
アステロ，
ライタックス，HEDCON，
バイエルおよびバイエル・
サイクロは，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

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レーザアニール装置●

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イクロマシン ● レーザアニール装置 ● ウエハ研削装置
環境施設● 環境 ･ エネルギー関連プラント：循環流動層（CFB）
ボイラ，ロー
タリーキルン式産業廃棄物処理施設 ● 大気関連プラント：電気集下水処理施
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化学装置，原子力装置 ● 圧
力容器：リアクタ，
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スブレンド撹拌槽， スーパーブレンド（同心２軸型撹拌槽）， バイ
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CYPRIS は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

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事 務 局 技術本部
編集協力 （株）千代田プランニング委住 友 重 機 械 技 報

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第206号

非売品

2022 年３月10日印刷
発

発

行

３月20日発行

行

住友重機械工業株式会社〒 141-6025 東京都品川区大崎2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
お問い合わせ電話 横須賀 046-869-2300

人

千々岩敏彦
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Sumitomo
Heavy Industries
Technical Review

Mar.2022
No.206

206

住友重機械

技報

環境・エネルギー技術特集

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Printed in Japan

Special Issue for Environment and Energy Technology

ISSN 0387-1304