熱水排熱を長期に蓄えられる蓄熱セラミックスを開発――排熱エネルギーの再利用に期待 東大

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東京大学は2020年7月2日、38ºCから67ºCまでのお湯あるいは熱水の熱エネルギーを永続的に蓄えることができる長期蓄熱セラミックスを発見したと発表した。この新物質はスカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンという物質で、熱水などの100℃以下の熱のエネルギーを蓄えられ、圧力をかけることでその蓄熱エネルギーを取り出せる。火力発電所や原子力発電所などで排出される熱水の熱エネルギーを蓄えるのに有効だという。

火力発電所や原子力発電所で発生した熱エネルギーの全てを電力に変換することは難しく、実際には、発生した熱エネルギーの70%は廃熱として外部に失われている。廃熱は主に水で冷却され、熱水(100℃以下)として海水に放出され、有効に利用できていないのが現状だ。このような廃熱を逃さずに蓄えて再利用できれば、エネルギー効率の改善に加え、河川への熱水の放出に由来する周辺環境への悪影響を防げる。そのことから、廃熱処理の研究が進められている。

研究では、ラムダ五酸化三チタン(λ-Ti3O5)のチタンの一部をスカンジウム(Sc)に置換したスカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタン(λ-ScxTi3−xO5(λ相))という新物質を合成した。この物質はアーク溶解法により合成されたλ-ScxTi3−xO5(x=0.09、0.105、0.108)という組成だ。SPring-8のシンクロトロンX線回折測定により、無置換のλ-Ti3O5と同じ単斜晶系の結晶構造であることが分かった。また、透過型電子顕微鏡像からは、約100nm×200nmのストライプ状ドメインが凝集した物質であることが判明した。このスカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンは極めて高い安定性をもっており、367日後も変化しないことも確認している。

一方、このスカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンに圧力をかけると、瞬時にスカンジウム置換型ベータ五酸化三チタン(β-ScxTi3−xO5(β相))への圧力誘起相転移が観測された。圧力をかけることによりβ相へと転移した試料の吸熱特性を調べたところ、x=0.09の組成の試料では67 ℃に吸熱ピークが観測され、100℃以下の熱を吸収する固体-固体相転移型の蓄熱物質であることが明らかになった。また、λ相とβ相の間の相転移は、加圧と加熱により繰り返し起こることも確認し、低温排熱用の長期蓄熱セラミックスを見出すことに成功した。

研究者らは長期蓄熱と圧力による放熱のメカニズムも解説している。λ相とβ相のエンタルピー曲線で示されるように、加熱プロセスにおいてβ相が吸熱してλ相に転移した後は、再び温度を下げても極低温まで、λ相のまま維持される。これは、λ相とβ相の間にエネルギー障壁があることで、エネルギーが低いβ相に転移することなく低温までλ相が保たれるためだ。一方、このλ相に圧力を加えると、λ相とβ相の間のエネルギー障壁が消えて、β相へ転移するという仕組みだ。

研究者らはスカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンを用いた蓄熱システムの応用案も提示している。発電所では、川や海から水を汲み上げてタービンの冷却に使っているが、タービンを冷却したあとは熱水となる。この熱水を、長期蓄熱セラミックスを入れた蓄熱タンクに流し入れれば、長期蓄熱セラミックスは熱水からエネルギーを奪い、β相からλ相へと相転移してエネルギーを蓄える。蓄えられたエネルギーは、圧力をかけることで、必要なタイミングで取り出して再利用できる。

例えば、取り出した熱エネルギーを、河川や海から引き込んだ水を媒体として、近隣の工場やビルへと流すことで熱エネルギーを再利用できる。また、圧力をかけるまで蓄えられたエネルギーを放出しないという特性を活かし、蓄熱状態(λ相)の長期蓄熱セラミックスをトラック等で輸送して必要なタイミングで圧力をかけて熱を取り出し、離れた場所でも熱エネルギーを再利用できる。

提案された蓄熱システムを用いれば、火力発電所や原子力発電所で発生する熱水のエネルギーを、いつでもどこでも再利用できる。さらに、火力発電所や原子力発電所で発生する熱水が、蓄熱セラミックスに熱エネルギーを奪われて冷やされるため、河川や海に放出した際の温度上昇が抑制され、環境負荷を抑えられる。なお、スカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンの吸熱温度は、スカンジウムの含有量を変えることで制御でき、λ-Sc0.105Ti2.895O5の場合は45°C、λ-Sc0.108Ti2.892O5の場合は38°Cで吸熱することを確認した。

スカンジウム置換型ラムダ五酸化三チタンは、これまで再利用できていなかった温度範囲の熱エネルギーを蓄えることができ、熱マネージメントの可能性を広げると期待される。また、発電所に限らず、工場、輸送車両、携帯電話、および電子機器からの廃熱を回収する蓄熱用途など、さまざまな用途への応用の可能性を秘めている。

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