Our research focuses on CO2 emission reduction of energy conversion systems in terms of exergy engineering.

Exergy Engineering Research, Nakagaki Lab.

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2025年度の成果を紹介しています.This page introduces FY2025 synopses of our laboratory.

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修士論文の抄録とポスターは環境エネルギー研究科のwebsiteでご覧になれます.
 *Synopses and posters of Master's Theses are available on the WEEE's site.

データセンターの未利用排熱を活用した直接空気回収技術に関する研究
~固体吸収材を用いた統合システムの概念設計~ (曾 泊軒)Summary PDF
Research on Direct Air Capture Utilizing Unused Waste Heat from Data Center Servers
~Conceptual Design of Integrated System Using Solid Sorbents~ (Zeng Boxuan)

The rapid expansion of generative artificial intelligence is significantly increasing the energy demand of data centers, where large amounts of low-grade waste heat will be continuously released from servers. Effective utilization of this waste heat is essential for realizing integrated “Watt–Bit–Joule” coordination that links electricity consumption, digital processing, and thermal energy management. Meanwhile, solid sorbent direct air capture (DAC) can be regenerated at relatively low temperatures and is therefore a promising candidate for utilizing server waste heat while contributing to decarbonization in the telecommunications sector. In this study, we proposed a conceptual integrated system in which server waste heat from a 30 MW-class data center is used as regeneration heat for solid sorbent DAC.
Under a waste heat temperature of 70 °C, T–Q diagram analysis indicates that 64% of the available waste heat can be recovered. Cooling tower performance was evaluated using the Merkel theory and Tezuka’s empirical correlation. By reducing the cooling water temperature range, airflow inside the tower decreases, resulting in 89% reduction in fan power consumption.
A solid sorbent developed by Kawasaki Heavy Industries Ltd., regenerable at 60 °C, was experimentally characterized. Its adsorption isotherm and working capacity were incorporated into an one-dimensional numerical model. Multi-objective optimization of four reactor configurations identified the honeycomb-shaped fixed bed as optimal, achieving 1.26 GJ/ton-CO₂ at the knee point. The results demonstrate the effectiveness of integrating server waste heat with high-efficiency DAC systems.

アミノ酸塩水溶液を用いたDACシステムのコスト評価に基づく設計指針の提案 (佐藤 結斗)Summary PDF
Proposal of design guidelines based on cost evaluation of DAC systems using amino acid salt solutions (Yuito Sato)

Rising CO2 concentrations in the atmosphere are a key driver of global warming. Nowadays, Direct Air Capture (DAC) is regarded as a critical negative emission technology. Conventional liquid-based DAC technologies have some challenges like high environmental impact and costs, and these limit the implementation to society. In this study, amino acid salt solutions are considered as environmentally friendly solutions, and we investigated DAC processes using two types of solutions. We calculated the Levelized Cost of CO2 Capture (LCOC) which is an economic metric, and established design guidelines for these DAC systems and identified ideal liquid properties for future absorbent development.
As a result of this study, it is shown that variations in mass transfer performance drive a 25 % difference in LCOC between the two solutions. The result of Cost analysis showed that thermal costs for solvent regeneration and the capital expenditure of the air contactor are the key drivers for LCOC. In addition to this, process research under varying energy prices showed that the increase of heat prices makes processes using larger air contactors economically advantageous.
An investigation based on the correlation between vapor-liquid equilibrium characteristics and effective heat of reaction showed that solutions with a higher heat of reaction contribute to LCOC reduction. Under the conditions of this study, a 17 % cost reduction was achieved.

化学吸収法におけるCO2分離素材の標準評価共通基盤の確立
~簡易評価ツールの構築とその応用~ (宮下 友)Summary PDF
Establishment of a common basis for evaluating the standards of CO2 separation materials in chemical absorption ~Establishment and application of simplified prediction model for CO2 separation performance~ (Yu Miyashita)

In order to reduce the energy requirement for CO2 separation, a number of separation materials have been developed. Therefore, it is necessary for the evaluation of CO2 separation performance to apply a simplified prediction model. This study aimed to establish a model through the validation of Lab-scale tests and to apply the model for techno-economic analysis (TEA) of a chemical absorption plant that has large solution reservoirs and operates according to electricity prices at a cement plant and waste-to-energy plant.
In the Lab-scale tests, it was important to consider the energy balance in the preheater and stripper column. By modifying the energy used for stripping CO2 in the tests, the results showed good agreement with literature values. Also, when reproducing the experimental results with the simplified model, the scale difference between Lab-scale tests and larger systems was taken into account by adjusting model parameters, and the model was able to reproduce the test results with reasonable accuracy.
In the TEA, the annual operating schedule of a chemical absorption plant was determined by solving an operating-cost minimization optimization problem using General Algebraic Modeling System (GAMS). When design margins are introduced, expansion of heat pump capacity is preferred. This is because the decrease in operational expenditure resulting from increased power sales can outweigh the increase in capital expenditure. Sensitivity analysis under multiple conditions showed that the total cost is most strongly influenced by the amine regeneration heat requirement, followed by the installed capacity of the heat pump.

化学吸収法におけるCO2分離素材の標準評価共通基盤の確立
~酸素濃度と高温滞留時間に着目した加速劣化法の開発~ (松澤 孝一)Summary PDF
Establishing a common basis for standard evaluation of CO2 separation materials in chemical absorption
~ Development of accelerated degradation methods focusing on oxygen concentration and high-temperature residence time ~(Koichi Matsuzawa)

Among CO2 capture technologies essential for achieving carbon neutrality by 2050, this study focuses on the chemical absorption method, which separates and captures CO2 using a basic aqueous solution called an amine.
In chemical absorption, the amine solution degrades over several thousand operating hours. Since evaluating degradation resistance in new amine development requires a similar or even longer time, the development of an accelerated test method that can reproduce the same degradation mode in a shorter time is desirable.
In this study, with the aim of establishing an accelerated degradation testing method, mixed amine solutions of AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol) and PZ (piperazine), which are regarded as next-generation standard solvents, were investigated. Operating conditions that contribute to degradation were systematically organized, and both accelerated degradation tests with intensified conditions and non-accelerated (normal) tests were conducted. Changes in liquid composition, liquid properties, and CO₂ separation and capture performance were evaluated.
As a result, under non-accelerated conditions, simulation of degradation was generally confirmed compared to previous studies. Furthermore, under accelerated 1 conditions, which increased the oxygen concentration and residence time in the flow path from the bottom of the absorber to the top of the regenerator (preheating section), accelerated degradation was confirmed. However, under accelerated 2 conditions, which increased the oxygen concentration and liquid flow rate, trends differing from those of non-accelerated and accelerated 1 conditions were observed in the vapor-liquid equilibrium characteristics and separation and recovery performance, making accelerated 2 unsuitable as an accelerated degradation test method.
When stress was defined as the amount of oxygen consumed for amine degradation minus the total amount of amine liquid, the accelerated degradation effect due to stress and the accelerated degradation effect due to liquid composition were generally consistent. The ratio of oxygen consumption in the absorber liquid reservoir and preheating section calculated during the stress calculation process showed that the preheating section accounted for a larger proportion than in accelerated 2, which may be the reason for the different trends.
Assuming that oxygen consumption in the absorber liquid reservoir is predominantly caused by metal ions, increasing the residence time in the stripper sump by raising the liquid level, and thereby increasing the liquid flow rate to approximately 4/3 times, is expected to achieve an accelerated degradation effect 1.16 times greater than that of accelerated 1 conditions. These results suggest that increasing the liquid flow rate may be an effective approach for accelerating degradation.
In this study, a testing method that accelerates degradation by increasing the oxygen concentration and the residence time in the preheating section was established. In addition, the acceleration of degradation through an increase in liquid flow rate may also be effective.

電気化学的部分酸化による電力併産型カーボンリサイクル基幹物質転換に関する研究
~高利用率運転におけるSyngasへの影響~ (池田 健輔) Summary PDF
Research on conversion of basic materials for carbon recycling with electric power co-production by electrochemical partial oxidation
~Impact on Syngas during High-Utilization Operation~ (Kensuke Ikeda)

In the transition to carbon neutrality, decarbonization options must be compatible with existing energy infrastructure. Synthetic methane that can be transported through city-gas pipelines is attractive and aligns with Power-to-X routes. Many carbon-recycling schemes store carbon as liquid methanol, typically via syngas targeting CO:H2 = 1:2. This study proposes Electrochemical Partial Oxidation (EPOx) in a solid oxide fuel cell (SOFC) to couple oxygen separation and partial oxidation with low exergy loss, enabling single-step co-production of syngas and electricity for pipeline-grade blends and retrofit operation. To assess high-utilization operation with diluted methane, simulations and experiments were conducted on in-cell syngas formation. Because H2 diffuses faster than CH4 or CO, downstream regions can preferentially oxidize H2 instead of sustaining EPOx and related chemistry (including the CO water–gas shift). A conventional steady-state 1D SOFC model was extended to include explicit H2 consumption. The model predicts preferential H2 use near the outlet, reducing the syngas ratio to about CO:H2 = 1:1.8 and lowering heat absorption relative to EPOx, thereby increasing exergy losses. Experimentally, no open-circuit voltage was obtained and a dense layer formed in the porous anode. Two anode-substrate forming methods were compared: gel casting enabled more isotropic shrinkage and shorter fabrication time, while the doctor-blade method improved surface smoothness and substrate strength. Mercury porosimetry indicated gel casting produced higher porosity and larger pores.

鉄鋼スラグを用いたCO2鉱物化速度向上に関する研究
~粉体への水分添加と乾燥サイクルによる影響~ (賀 元) Summary PDF
Research on the Enhancement of CO₂ Mineralization Kinetics Using Steelmaking Slag
~Effects of Water Addition and Drying Cycles in Powder Systems~ (He Yuan)

This research investigates the effects of water conditions on the kinetics of CO₂ mineralization using basic oxygen furnace (BOF) steelmaking slag, with particular emphasis on the non-steady evolution of surface moisture states of powder particles under evaporative conditions and their governing influence on mineralization behavior. Previous studies have shown that an optimal range of water addition exists, which enhances reactant dissolution while avoiding excessive inhibition of gaseous CO₂ mass transfer. To address the rapid evaporation of surface moisture and the predominance of dry conditions after single spraying, a continuous spray–evaporation cycling operation was introduced. The results demonstrate that shortening the spray interval significantly enhances the CO₂ mineralization rate by extending the duration of an aqueous phase favorable for mineralization reactions.
Based on these findings, the sprayed slag powder was treated as a wet powder system, and an evaporation model based on wet powder drying theory was developed. The drying process was divided into three stages: surface free-water film evaporation, wet-core/dry-crust controlled drying, and sensible heating. Numerical predictions of the surface water film lifetime, water-film pH evolution, and surface temperature variations indicate that evaporation and drying behavior under water addition conditions is primarily governed by the lifetime of the surface water film formed after spraying.
Furthermore, the surface water film exists only for a short period, resulting in a limited time window for effective CO₂ mineralization. Within this window, evaporative concentration and a transient increase in system alkalinity cause Ca²⁺ dissolution to be concentrated in the early stage after spraying, appearing as a transient pH peak. Increasing the frequency of this transient process through spray–evaporation cycling is expected to further enhance the overall CO₂ mineralization rate.

海水を用いた有価物併産カーボンリサイクル技術実証と応用製品の研究開発
~有価物の回収率と純度の向上のための操作条件の検討~(大石 彰英)Summary PDF
Demonstration of carbon recycling technology that co-produces valuables using seawater and research and development of applied products
~Optimizing operating conditions to improve the recovery rate and purity of valuable materials~ (Shoei Oishi)
※2025年度修論発表賞

Carbon recycling technology that permanently fixes CO₂ in mineral form is attracting attention as a strategy to mitigate global warming. This study aimed to scale up a CO₂ mineralization process utilizing Mg²⁺ in brine discharged from seawater desalination plants, focusing on improving valuable material recovery, product purity, and energy efficiency. Using a 20 TPD demonstration facility on Osaki, operations were generalized through equilibrium modeling with PHREEQC combined with laboratory validation. Incorporation of the saturation index enabled accurate simulation of solid–liquid equilibria in desulfurization and co-saturation steps and prediction of optimal operating conditions based on solution composition. One of the key challenges identified was that the Osaki process achieved a Mg2+ recovery rate of only 92.5 wt%, along with SO₄²⁻ contamination in the main product. To overcome this problem, a modified process was proposed in which electrodialysis-derived NaOH is added to precipitate Mg as Mg(OH)₂, thereby improving recovery and purity. The operations of Mg(OH)₂ precipitation, thermal decomposition, and subsequent CO₂ mineralization were established, confirming the feasibility of producing WMaCS concrete. Material balances and electricity demand were compared using demonstration data. The Mg(OH)₂ process yielded up to 76.0 kg of WMaCS per 20 t of seawater, while the Osaki process offers the advantage of zero liquid discharge (ZLD). The NaOH addition process reduced total power consumption by 74.8%, with electrodialysis accounting for only 16.5% of total electricity use. By quantitatively organizing the trade-offs of each process, it has become possible to propose the optimal process according to the conditions.

卒業論文・計画(4年生)

海水を用いたカーボンリサイクル技術におけるKCl とMg 炭酸塩の高純度化

2050年までのカーボンニュートラル実現に向けて,新たなカーボンリサイクル技術の開発が求められている.その中でも,海水中に含まれるMgイオンを利用したCO2鉱物化プロセスは水素が不要である点から早期の社会実装が期待できる.本技術はMg炭酸塩のCO2鉱物化によるCO2削減だけでなく,プロセスで生じる石膏,芒硝,NaCl,KCl等により利益創出が可能である.KClは主に農業肥料での利用が想定されており,NaClの混入をできるだけ排除した高純度の結晶が求められる.一方,本プロセスではCarnallite(KMgCl3・6H2O)としてNaCl と等質量比で生成されるため,MgCl2水和物およびNaClとの分離が課題として挙げられる.本プロセスで生成可能なKClの純度を調査するため,溶媒水に対するCarnalliteとNaCl混合物の最適添加量をPHREEQCにより算出後,ラボ試験にて検証した.その結果,82.6mol%の純度でKClを生成可能であることが確認された.また,本プロセスのうち,炭酸塩工程が気液あるいは液液接触の場合,Mg炭酸塩はNaClが混合した状態で生成される.NaClは有効利用先において,製造ラインの腐食の原因となるため,可能な限り低減させる必要がある.Mg炭酸塩は溶解度が小さいため,純度向上には水洗処理が有効である.最適水洗処理条件の予測手法を確立することで,洗浄不足の回避や廃液量の低減が期待できるため,予測モデルを作成したが,そのモデルによる推測値と実験値との間には乖離が生じた.Mg炭酸塩純度に及ぼす洗浄時間および洗浄液量比の影響を実験的に調査したところ,乖離は縮小し,いずれも純度向上に有効であった.さらに,大崎上島実証拠点におけるパイロットスケールのプロセスでも検証し,本モデルの有効性を確認した.(深山 俊輔)

加圧湿式のCO2鉱物化における苦鉄岩種の影響予測

2050年のカーボンニュートラル実現に向け,産業・運輸部門等の脱炭素化が困難な部門から排出されるCO2を相殺するため,ネガティブエミッション技術(NETs)の社会実装が急務である.中でもCO2鉱物化は,国内の岩石資源を活用できる点で期待されている.しかしながら,岩種ごとの溶解速度や,密閉系でのpH変動に伴う反応率の推移については,定量的な検討が不十分である.本研究では,国内の代表的な苦鉄質・超苦鉄質岩4種(玄武岩・斑レイ岩・カンラン岩・蛇紋岩)を対象に,湿式ボールミル容器内での回分反応を想定した数値シミュレーションを行い,CO2固定に最適な岩種と操作条件の検討を目的とした.対象岩石の全岩化学組成に基づき,主要構成鉱物(カンラン石,輝石,斜長石等)のモル分率を算出し,岩石の溶解モデルを構築した.溶解速度の算出には,Brantley(2008) 等に基づくpH依存性を考慮した速度則を採用した.反応系として,市販の湿式ボールミルを想定し,加圧CO2(2気圧)条件下における非定常反応プロセスをモデル化した.気液平衡にはHenry則を適用し,岩石溶解に伴うpH上昇と,炭酸塩鉱物の析出量の経時変化を予測する数式モデルを構築した. 解析の結果,CO2飽和平衡時のpH(約3.8)環境下では,反応次数の小さいForsteriteを主成分とするカンラン岩が最大の固定速度を示した.一方,玄武岩類はAnorthiteの反応次数の影響で溶解が抑制され,蛇紋岩も高いMg含有量に対し速度は低調であった.以上より,微酸性域での速度性能はカンラン岩が優れるが,総固定量は岩石固有の鉱物化ポテンシャルや水分量にも依存する.したがって単純な岩種の優劣ではなく,それぞれの岩石特性に応じた操作条件の選定が不可欠であることを明らかにした.(住谷 拓真)

ランキンサイクルによる排熱利用を想定したメタネーション反応器のモデリング

日本全体のCO2排出量のうち13.3%を鉄鋼業が占めており,製鉄所におけるCO2排出量削減が求められている.CO2削減方策としてカーボンリサイクル高炉(CR高炉)が提案されており,本研究室では補助還元剤としてメタンを用いることを想定している.CR高炉は通常高炉と比べエクセルギー率が低いことが課題となっており,これに対してランキンサイクルによるメタネーションの排熱利用が検討されている.排熱回収率を97%,反応器温度を550°C で一様と仮定し検討した結果,エクセルギー率が向上し排熱利用の有効性が示唆された.一方で,実際には反応器内には温度や濃度に分布が生じるため,排熱回収率は反応器の構造に依存する.以上を踏まえ,本研究では排熱利用の詳細な検討を可能にするメタネーション反応器のモデリングを行うことを目的とする.反応器形状として向流で熱媒油を流すシェルアンドチューブ型反応器を想定し,反応管内はNi 触媒の充填層とした.単管の1次元定常のエネルギー保存式および化学種保存式を立式し,反応速度式としてXu/Froment型の式を代入した.また,単管内部の反応ガスから熱媒油への伝熱を生成項として熱媒油のエネルギー保存式を立式した.これらの保存式をべき乗法で離散化し,ガウスザイデル法で反復計算するプログラムをFORTRANで実装した.境界条件として,モル分率がCO2:H2=1:4,温度が250°C の混合ガスを設定し計算を実行した結果,発熱反応に伴い入口部から急速に温度上昇する温度分布が形成され,ピーク温度は686°C,排熱回収率は89.3%となった.エネルギーバランスとして,反応ガスと熱媒油のエンタルピー変化の相対誤差を0.18%程度に抑えており,系内のエネルギー収支を適切に計算できるモデルが完成した.(山口 雄貴)

厚み方向に均質な微細構造を持つSOFCアノード基盤の成型法

2050年までのカーボンニュートラル実現に向け,レトロフィットを考慮したエネルギー輸送法が検討されており,その中でもメタンは化成品への応用性の高さと都市ガスインフラが活用可能なため注目されている.メタンから保存の容易なメタノールへの変換としてCO+2H2の合成ガスを経由する方法が一般的であり,その中でも膜分離による酸素分離動力の削減と排熱のエクセルギー再生利用が可能となる電気化学的部分酸化(EPOx)に着目し,膜分離反応器として平板型固体酸化物形燃料電池(SOFC)を利用した熱自立型EPOxシステムを検討している.SOFCに用いるコイン平板型のアノード基板は,昨年度までプレス成型にて作製していたが,表層に緻密層が形成され,燃料ガスの細孔ネットワークパスを塞ぐことで発電性能が低下し,表層を研削除去する必要があった.そこで本研究では,厚み方向に均質な微細構造を持つ新たなアノード基板の作製法を検討した.押出成型法とドクターブレード法の2種類を検討し,材料に用いる増粘剤の種類と重量割合,混練体の加水率をパラメータとして変更することにより,アノード基板の成形性向上を目指した.増粘剤について3種類を試行してアノード基板を作製し,クラックの有無,径方向収縮,平板面の反り等の挙動を室温条件下で自然乾燥後の基板から確認し比較した結果,物理的強度と表面性状の優位性から増粘剤としてセランダーを選択した.また,押出成型法では平板側面に亀裂が生じ物理的強度が低下するため,作製法としてドクターブレード法を選択した.成型したアノード基板を走査型顕微鏡にて観察した結果,表層における緻密層形成は認められず,厚み方向に均質な微細構造を持つSOFCアノード基盤の成型法に目途を付けた.(榎原 健人)

顕熱蓄熱型エコスチームブースターの検討

(長谷川 真子)特許申請中につき,一時的に非公開

高圧蒸気に対応したゼオライトエコボイラの概念設計

(芳野 颯真)特許申請中につき,一時的に非公開

オートクレーブを用いた気液平衡特性試験における液濃縮の抑制に関する研究

CO2分離回収技術の一つである化学吸収法は既に実用化が進んでいる技術であるが,アミン系吸収液の再生エネルギーが課題である.その低減に向けた吸収液の開発促進には,気液平衡特性など吸収液の基礎特性評価が不可欠であり,グリーンイノベーション基金にて昨年度までに,気液平衡特性の標準評価法が確立された.しかしながら,オートクレーブ装置を用いた試験では試験後にアミン濃度が上昇する課題が残されている.アミン濃度の変化は平衡CO2分圧測定精度に影響するため,本研究では,オートクレーブ試験で生じるアミン濃縮を抑制し,測定精度の向上を図ることを目的として,原因の分析に基づいた対策法を検討した.装置の構造と機能から,濃縮の原因は①凝縮水の装置内への還流不足,②吸収液からの水の揮発に対する加湿水の供給不足の二つと推定した.まず,①の対策として,凝縮液還流の流路を凹状部を除去するように変更し,複数回の試験を実施した結果,アミン濃縮に改善がみられた.次に②の対策として,状況把握のために試験中のガス湿度測定のためのインライン温湿度センサを加湿器とリアクタ入口の間及びリアクタ出口と排気部の間に導入した.当該温湿度センサを校正した後,試験中の5分毎のガスの湿度および温度と試験前後の液量秤量結果を基に,水の揮発量と加湿器の供給水量のバランスを求め,アミン濃度の継時変化を定量的に評価した.次に,従来研究から加湿器の水位と温度が加湿器通過後の設定温度における湿分飽和度に影響することがわかっており,加湿器の水位および温度の変化に対する湿分飽和度の変化を測定した.これらの測定と推算の結果に基づき,アミン濃度を一定に維持し得る水位および温度を検討した.(松本 日向)

化学吸収液の高温熱物性測定の高精度化に関する研究

近年深刻化している地球温暖化対策として,CO₂排出量の削減が強く求められており,CO₂の分離回収貯留技術が注目されている.本研究で扱う化学吸収法は約40°C の吸収工程と約120°C の再生工程から構成される技術であり,技術成熟度が高く,低濃度CO₂濃度においても他の分離技術と比較して低コストでの回収が可能であることから,有効な手段として位置づけられている.一方で,アミン吸収液の再生熱量の低減が課題である.そこで,各素材メーカーにおいて,再生熱量の低減を目的とし,優れた性能を持つ新たなアミン吸収液の開発が進められている.新規開発されたアミン吸収液のCO2分離回収性能評価には,基礎特性の高精度な測定が不可欠であるが,統一された評価法は存在せず,中立かつ公平に評価することが困難である.そこで本研究では,文献値が豊富なモノエタノールアミン(MEA)の30wt%水溶液を用い,基礎特性として熱物性(比熱・反応熱)の測定手法の妥当性検証を実施した.化学吸収法における吸収再生工程の両温度域の熱物性評価が重要となるが,昨年度までの研究では,特に高温度域の測定値において文献値との乖離が大きかった.このため本年度は約120 °C の高温度域条件での測定誤差要因の解明と精度の向上を目的とした.まず,熱損失を相対的に低減すべく,液量を増加させたところ再現性が向上した.また,リアクタ加温用ジャケット部における温度分布が確認され,加えた熱量を過大に評価していることを突き止めた.その対策として,同ジャケット部の外側を断熱することで温度分布を低減可能であり,熱収支をより正確に評価可能することに成功した.これら試験条件の改良により測定結果の妥当性向上を実現した.(髙松 奈菜美)

データセンターへの直接空気回収技術適用による冷却負荷低減の検討

産業革命以降,化石燃料への依存により地球温暖化が深刻化しており,主因であるCO2の正味排出量をゼロとする取り組みが求められている.CO2の主要な排出源としては電力部門が最も大きいが,産業部門や輸送部門には技術的制約により2050年においても脱炭素化が困難な業種がある.これらの残余排出量を相殺する手段として,既に大気中に放出されたCO2の除去技術である直接空気回収技術(DirectAir Capture,以下DAC)が注目されている.そこで本研究では,アミン系固体吸収材を用いたDACに着目し,データセンターのサーバー冷却により発生する約 65°C の低温未利用排熱を,吸収材の再生工程における負圧蒸気生成の熱源として活用する統合システムを研究対象とする.本年度は,データセンターにおける冷却負荷低減とCO2回収を同時に達成するシステムの可能性を検討し,ラボスケールでの実証試験に向けたプロセス設計を行った.まず,ラボで作製した 90°C 再生用のアミン系固体吸収材を用い,学内サイクル試験装置の改良および試験手順の確立を通じて,マスバランスが成立する試験系を構築した.次に,入手した低温再生材料について 25 および 60°CにてCO2吸着量を測定し,吸着等温線の温度依存モデルを構築し,ラボスケール実証試験における設計指標となるWorking Capacity を決定した.さらに,同試験のプロセスフローを整理して,CO₂回収量,冷却負荷低減量,装置規模の概算評価を行い,排熱利用DAC システムの試験装置としての導入可能性や有効性を検討した結果,デモ機として導入可能な試験装置では,年間CO2回収量は 22.90kg ,冷却塔のファン動力は 0.01394W 削減可能であることが明らかとなった.(金井 いぶき)

直接空気回収システムの性能低下に関する研究

地球温暖化の抑制策の一つとして大気中からCO2を取り除く直接空気回収システム(以下DAC システム)が有力視されている.DACシステムの課題はコストであり,ポリエチレンイミンなどの高分子アミン担持シリカ(以下固体吸収材)を用いた蒸気支援温度圧力スイング吸着によるDACシステム(以下S-TVSA固体DACシステム)は,数あるDACシステムの中で再生コストの観点で優位であるが,固体吸収材の劣化等によるCO2回収性能低下が課題の一つである.そこで,シミュレーションなどを用いて劣化進行を予測し,最適な固体吸収材の交換時期や操業条件の提案などを可能にすることが重要と考えられるが,現状では実操業データが不十分で,劣化進行予測のモデル構築の試みは見当たらない.本研究では,劣化進行速度を,関与する各種因子の関数として表現することを目的とし,曝露試験装置を構築するとともに固体吸収材におけるアミンの凝縮水への溶脱,CO2との反応によるアミンの化学変化,アミンの酸化劣化等,性能低下の諸要因のうち支配的であると考えられるアミンの酸化劣化に着目し試験を行った.固体吸収材について,シリカにポリエチレンイミンをメタノール溶液とし細孔内に水素結合させる方法で作製を行った.既往文献の研究では曝露ガスのO2濃度や温度条件に加え,固体吸収材の水およびCO2の吸着量が酸化劣化進行に影響を与えることが指摘されており,上記に加えCO2濃度,相対湿度等の諸条件を制御したガスに固体吸収材を曝露し,時間をパラメータとした曝露後の固体吸収材のCO2平衡吸着量減少量をシステムの性能低下指標として測定・評価を行った.その結果,本暴露試験装置による固体吸収材のCO2平衡吸着量減少を確認した.(青木 雅樹)

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