6. ws effective use of thermal energy in industry_aist_obara

Advanced Industrial

Science and Technology

Haruhiko ObaraDeputy Director General,

Department of Energy

and Environment

Bilbao, 23rd June 2016

Overview of Japanese current activities in Thermal Energy

Management R&D “TherMAT’

METI Data, 2013

Petroleum8.98EJ

Coal 5.28EJ

Gas 5.09EJ

Industry 6..21EJ

Civilian4.54EJ

Transportation 3.24EJ

Nuclear 0.08EJ

Conversion Transportationstorage

Ｐowerelectricity

heatlight

Conversion

20

15

10

5

25

0

10

18

J

Primary energy supply21.0 EJ

Energy final consumption13.99EJ

Hydroelectric 1.58EJ

Un

use

d th

erm

al e

ne

rgy01Energy consumption in Japan

#WasteHeat The Effective use of termal energy in industry

Huge amount of unused heat, in the environment

http://thermat.jp/english/


03Unused heat

Cold start Energy flow in winter

Vehicle speed

Vehicle speed

engine rpm

engine rpm

Cooling Water Temp.(℃)

Cooling Water Temp.(℃)

Energy flow after engine warm-up

Time (sec)

Time (sec)

Fuel 100%

Fuel 100%

Fuel 100%

Engine Workload 24%

Ref. Nakagawa et al. , JIGIKAISHI Vo. 61. No.7 (in Japanese)

Further improvement of fuel efficiency

Fuel consumption and comfortability

Cooling Water 35%

Exhaust Loss26%

Engine Workload 39%

Engin

eEn

gine

Cooling Water 43%

Engine Warm up

11%HEAT From Body 13%

thermal loss (ventilation)

11%

Others9%

Exhaust Loss33%

Heater 24%

Engine Workload 24%

Heat demand at start up→Reduction of heat demand, heat storage, exhaust heat recovery

60% heat loss in Hybrid Vehicle→Convert heat loss to effective energy

04Energy flow in hybrid vehicle

Toyota Hybrid Vehicle

高性能蓄熱材、排気熱回収による熱収支改良

1~4MJ/Kgを超える

非常に高密度な蓄熱材料が欲しい！

Fuel 17.8MJ

Heat 10.9MJ

Cooling Water 6.2MJ

Heater 3.7MJ

Exhaust Loss2.4MJ

Heat Storage2.3MJ

Exhaust Heat Recovery 2.4MJ

Exhaust Heat 0.7MJ

HEAT From Body1.5MJ

HEAT From Windows 0.7MJ

Heat Storage In Cabin 0.8MJ

Heat management and fuel efficiency improvement in automobile

Others2.6MJ

High Density Heat Storage （1〜4MJ/Kg） Is Needed

Engine Workload6.9MJ

Regeneration

Hybrid Vehicle In Winter Season

Heat Demand Reduction 22.1MJ→10.9MJExhaust Heat 12.1MJ→5MJ

Workload

Ref. H. Okajima, Toyota Motor Corp. (2012)


Ex. Styrene Form Process

BEADSprimary foaming process

secondary foaming processMOLDING

drying PACKAGING

Conventional boiler system Heat pump system

cooling tower

cooling water

WATER TANK

steam

drain

Hot air

Steam boiler

warm waste water

heat source water

High temperature Heat pump

Exhaust heat from the industry 1018 JEstimated Primary energy reduction 48%

BEADS primary foaming process

secondary foaming processMOLDING

drying PACKAGING

Hot aircooling water

cooling tower

WATER TANK

Drying room(65〜70℃)

Drying room(65〜70℃)

warm waste water

Heat supply and demand mismatches!

06Primary energy reduction by high temperature heat pump


07Concept of TherMAT project

Recycle

THERMOELECTRIC

WASTE HEAT GENERATING

Reduce

HEAT STORAGE

THERMAL INSULATION

Reuse

HEAT PUMP

TorayMino Ceramic

FurukawaHitachiFujifilmFurukawa ElectricNippon ThermostatYasunaga

Panasonic

ToyotaMitsubishi PlasticsPanasonic

MayekawaMitsubishi Heavy IndustryCentral GlassJohnson Controls - Hitachi

Thermal Management

ToyotaMazdaAisinCalsonic Kansei


蓄熱技術の研究開発

－高密度／長期蓄熱材料の研究開発－

■ 目標

蓄熱材料の高付加価値化(①高密度蓄熱材料、②長期蓄熱材料)および蓄熱温度ステー

ジの拡大を図り、次世代自動車における暖機時間の低減等の運輸(自動車)用途、ビル空

調における消費エネルギー低減等の民生(ビル)用途、工場の未利用熱有効利用等の産業

用途に資する蓄熱技術を確立します。

■ 平成２５年度の成果

高密度蓄熱材料（低温用）の開発では、水

分子の水素結合により形成された籠状構造

の中にゲスト物質を包み込んだ構造からな

るクラスレートハイドレートにおいて、高蓄

熱密度を実現するゲスト物質を確認しまし

た。

高密度蓄熱材料（中/高温用）の開発では、

反応熱の大きな吸着・脱離反応（吸着剤表面

に修飾した官能基と被吸着物質間の反応）を

利用する化学蓄熱材料を合成し、化学蓄熱の

可逆性を原理検証しました。

長期蓄熱材料の開発では、中/高温の潜熱

蓄熱材料の過冷却を利用する長期蓄熱にお

いて、蓄熱材料と相互作用を有する過冷却安

定化剤の最適組成を明確化・添加することで、

過冷却安定性を向上させました。

■ 今後の展開

高密度蓄熱材料（低温用）の開発では、低過冷却度、高応答化を実現するクラスレー

トハイドレートを確立する。高密度蓄熱材料（中/高温用）の開発では、吸着・脱離反

応の低温化、高蓄熱密度化の検討を行い、120℃以下の化学蓄熱材料を創出します。長

期蓄熱材料の開発では、最適組成の過冷却安定化剤について信頼性検証を行い、長期蓄

熱材の確立を目指します。

■ 用語解説

◆ クラスレートハイドレート

水分子が作る籠型構造（クラスレート構造）の中にゲスト分子を取り込んだ独特な構造を持つ

結晶。氷と類似構造を有することから、氷同等の高密度蓄熱が期待されます。

◆ 化学蓄熱材料

可逆的な化学反応に伴う発熱・吸熱現象を利用し、放熱・蓄熱を行なう蓄熱材料。潜熱蓄熱材

料に比べ蓄熱密度が高く、高密度蓄熱材料として注目されています。

◆ 過冷却

液体の状態のまま凝固点以下の温度まで冷却される状態。

ﾎｽﾄ(H2O)

ｹﾞｽﾄ物質ｸﾗｽﾚｰﾄﾊｲﾄﾞﾚｰﾄ

蓄冷

放冷

R R R R R R

官能基

吸着剤

被吸着

物質

蓄熱

放熱

<120℃被吸着

物質被吸着

物質

(b)中/高温用蓄熱材料（化学蓄熱）の

動作原理

図１．高密度蓄熱材料の動作原理

(a)低温用蓄熱材料（クラスレート

ハイドレート）の動作原理

Guest substance

Host substance

Clathrate Hydrate

Discharge

Storage

Cold storage by Clathrate Hydrate

thermal output thermal output

Output drop

Problem of Latent heat storage

thermal output

Using porous metal

This work

Heat storage module with porous metal

計算シミュレーションを用いた材

料探索スクリーニング技術の開発

■ 目標

従来性能を大きく凌駕する高性能な熱マネジメント材料の開拓には、高予測性シミュ

レーション技術とデータベース技術の活用が有用です。産総研や東京大学で培ってきた

これらのオリジナル技術を熱物性解析／熱マネジメント材料探索スクリーニング問題

にカスタマイズすると同時に、組合参画企業の利用を容易にし、計算機シミュレーショ

ン技術を活用した高性能材料、新規材料の探索スクリーニング研究を推進します。


共有計算機を導入し、計算シミ

ュレーションプログラム・スキー

ムの共用計算機上への移植作業を

開始し、その性能評価を行いまし

た。蓄熱材料に関しては、糖アル

コールやパラフィンを対象とした

融解過程の分子動力学計算を実施

し、蓄熱密度や応答温度等を支配

する分子物性を詳細に解析する

事で、パラメータの妥当性など

の検証を行いました。熱電材料

に関しては量子輸送理論の基づく第一原理計算シミュレータ【産総研】を移植し、有機

金属薄膜に対して検証研究をおこなう一方で、半古典輸送理論に基づく第一原理計算シ

ミュレータ【東大】の特に高温熱輸送部分の計算精度の向上を計り、その検証を、無機

合金系材料を対象として行いました。

■ 今後の展開

共用計算機上に導入の計算シミュレーションプログラム・スキームの組合員への普及

活動を行います。計算シミュレーション手法の熱マネジメント材料研究に特化した高度

化研究も行います。

■ 用語解説

◆ 分子動力学計算

ニュートン運動方程式を数値的に解く事で、原子・分子の運動を計算機上でシミュレートし、

物質の構造変化や各種物性を解析／予測するための代表的な計算手法。

◆ 輸送理論

電気や熱の流れを計算する為の理論。流れを量子力学的に計算するアプローチ（量子輸送理論）と

古典的に扱うアプローチ（半古典輸送理論）があります。いずれの場合も経験パラメータを用いず、

全ての材料を計算対象とする事が出来る非経験的な計算（第一原理計算）を行います。

図：量子輸送理論の基づく第一原理計算シミュレータによる有機金属錯体

分子多層膜の ZTの温度依存性の計算結果例。電極との接合（インセット）

も含めて熱伝導度、電気伝導度、ゼーベック係数を計算する。

熱電モジュール評価装置

計算シミュレーションによる候補材料スクリーニング技術

Core Technology

The first principle calculation of thermoelectric performance of the multilayer organic metal complex.

Testing system of thermoelectric modules

Computer simulation and screening of candidate material

Heat storage

08Recent results

ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ有機熱電材料およびﾓｼﾞｭｰﾙ

■ 目標

中低温域の膨大な未利用熱エネルギーの活用の活用を促進するために、様々な熱源の

形状に対応できるフレキシブル且つ、軽量で加工しやすく、希少金属を使用する必要の

ない有機熱電材料およびモジュールの実現を目指しています。


熱電技術の開発にあたって、有機材料の

特長を生かした、軽量、フレキシブルで希

少金属を使用しない、有機熱電材料とこれ

を利用したモジュールを、高い生産性が期

待できるプリントテクノロジーを用いて実

現することができれば、社会に貢献できる

と考えて、これに着手しています。

本年度から、新規な有機系熱電材料開発

およびモジュール開発を進めており、材料

開発では有機単独系と有機-無機ハイブリ

ッド系の材料開発を進めています。

有機単独系材料開発では、まず現象理解

の観点から研究を進め、熱電現象の根源で

ある熱励起キャリア発生現象の解析を行い

ました。また、材料の固体中での微視的な

存在状態と熱電性能の関係の把握を行いました。無機材料を用いた材料開発では、本質

的には“硬い”無機材料に対して、フレキシブル性を付与するために有機材料との複合

化を行い、有機-無機ハイブリッド材料の原理的な確認を行いました。また、モジュー

ル開発では、設計技術開発の観点から検討し、設計シミュレーション技術の構築を行い

ました。

■ 今後の展開

有機系熱電材料の性能向上を進め、実用レベルとなる材料の開発を目指します。さら

に、開発した材料を用いたモジュールの開発を進め、フレキシブル熱電モジュールの実

現を目指します。

■ 用語解説

◆ 熱励起キャリア

熱によって材料中で自然に発生するキャリアで、電子もしくは正孔です。熱電発電デバイスで

は、このキャリアが拡散することで起電力を発生します。

図１．ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ有機熱電ﾓｼﾞｭｰﾙの試作例

Flexible thermoelectric module

排熱発電技術の研究開発

■ 目標

工場でこれまで捨てられていた排熱や蒸気の有効利用を目指し、高効率小型排熱発電

技術を開発すると共に、排熱の実態や市場ニーズを調査し、小型排熱発電機器に関する

ビジネスモデルを明らかにします。


市場調査とビジネスモデルの明確化では、

3業種 9工場での排熱実態調査を行い、各工

場での発電装置の容量と台数を設定して発

電効果を明確化しました。

高効率小型排熱発電技術開発では、エアコ

ン等の既存ヒートポンプデバイスをベース

として、1kW クラスの排熱発電の ORC 発電原

理サイクル装置（低温熱源 100℃以下）を構

築し、排熱発電原理を実証しました。また、

10kWクラスの排熱発電では、ガスエンジン排

ガス利用を想定した超音速ノズルを有する

膨張タービンの空力設計を完了しました。

余剰蒸気利用排熱発電技術開発では、再生

ブレイトンサイクル（50kWクラス）を想定し、

要素性能目標を策定すると共に、重要要素で

あるターボ圧縮機の設計を実施しました。

■ 今後の展開

市場調査とビジネスモデルの明確化では、

排熱発電に適した現地排熱実態調査を行い、ビジネスモデルを明確にします。高効率小

型排熱発電技術開発では、1kWクラスにおいて実工場排熱を利用した排熱実験を行なう

と共に、10kW クラスでは基本要素技術の確立を行います。余剰蒸気利用排熱発電技術

開発では、圧縮機、タービンの翼車仕様を確立すると共に、気体軸受の基礎要素技術を

構築します。

■ 用語解説

◆ ORC (Organic Rankin Cycle）オーガニックランキンサイクル

熱（排熱）エネルギーを電気に変換するサイクルであり、発電所などで使用されている蒸気サ

イクル（ランキンサイクルシステム）の作動媒体を、一般的な水から、排熱のような低温シス

テムに最適な物性を持つ媒体（有機の低沸点媒体）に交換し、水では沸騰させられない小温度

差エネルギーでも蒸気を発生させて、膨張機を回して電力に変換するものであり、排熱回収発

電サイクルとして期待されています。

◆ ブレイトンサイクル

等圧燃焼形ガスタービンエンジンの理論サイクル。

冷媒ポンプ

凝縮器蒸発器

膨張機

発電機G

排熱

冷却水

冷媒

電力

熱源

図１．排熱発電コンセプト

(a)低温用蓄熱材料の動作原

理

図２．ORC 発電原理

断熱技術の研究開発

■ 目標

産業／工業炉に使用される断熱材料について、ファイバー等の飛散による悪影響が少

なく、高強度と高断熱特性を兼ね備えたファイバーレス断熱材料の開発を図るとともに、

これらの部素材を効率的に組み合わせてシステム化することで 50%以上の排熱削減を実

証します。


ムライト粉末などを含む水系スラリーを

調整し、これをゲル化、凍結、乾燥、焼成

して断熱材料の試作を行いました。初期固

形分量を変更することで、気孔径、気孔壁、

気孔率等の気孔形態が異なるモデル断熱材

料を作製しました。その結果、熱伝導率は

中間目標値の 0.25W/m・Kを達成したが、圧

縮強度が目標値を達成せず、強度改善が今

後の課題です。ムライトを使用した場合で

も、アルミナ等のファインセラミックスの

ゲル化凍結法でよく観察されるマイクロメ

ートルサイズの気孔が均一に分布した組織

が明瞭に観察され、既存の部材よりも高い

断熱性、蓄熱性を有する材料の開発、もし

くは開発の可能性を見出しました。また、

断熱材料の試作と並行して産業／工業炉の新しいシステムを検討し、蓄熱放熱システム、

排気ガス熱回収システムを組み込んだラボスケール検証炉の基本仕様を決定しました。

■ 今後の展開

断熱性多孔質セラミックスの製造工程の設計を行うと共に、低熱伝導、高強度を兼備

する断熱材実現のための製造プロセス因子の精査を行います。またラボスケール検証炉

の設計を実施すると共に、試作部材装置の設計・製作を実施し、排気廃熱状態などを測定す

ることで性能評価を実施します。

■ 用語解説

◆ スラリー

セラミックス原料粉体が溶媒中(水や有機溶剤)に懸濁している流動体。

◆ ゲル化凍結法

大量の水分を保水できる高分子ゲルに微量のセラミックス粉末を分散させ、これを凍結するこ

とでゲル内に細孔源となる氷が形成され、氷結晶を取り除いて焼成しセラミックス多孔体を製

造する手法。

図１．ムライト断熱材の組織初期固形分量(a)3%,(b)9%

100μm

(a) (b)

図２．試作した断熱材料

Microstructure of mullite heat insulator

High Strength Light Weight heat insulator

Exhaust heat recovery unit

Products

Furnace

Exhaust heat recovery power generation

Low GWP, nonflammable refrigerant

Exhaust

Power generation

water-cooled or air-cools

Organic Rankine Cycle (ORC) System

Heat insulation Thermoelectrics

09Recent results

車両用小型吸収冷凍機の開発

■ 目標

排熱を回収しそのエネルギーで空調できる図１のような車両用の吸収冷凍機を開発

する事で冷房時の燃費向上を目指します。これまで吸収冷凍機は定置用大型システム

の開発が中心であり、質量も体積も車両等に搭載できるレベルにありません。車両へ

の搭載のため車両環境に対応可能で小型、軽量なシステムの開発を行います。


軽量化のために①構造材の軽

金属化開発。小型化のために②

作動媒体改良開発を行いまし

た。

①軽量化のため腐食の抑制

が困難で従来使用されていな

いアルミ材について表面コー

ティング方法、接合方法を腐食

評価により絞り込みました。

②車両環境においても作動

媒体を改良する事で吸収性能の低下を抑制できれば、小型化可能となります。改良作

動媒体として粘性、結晶化温度を重点に検討し、LiBr を含んだ多成分系溶液を候補と

しました。また、従来困難な結晶化温度を高精度で計測する装置、および粘性計測系

を開発し、今後の媒体選定に必要な計測の準備を整えました。

■ 今後の展開

軽金属を用いた試作機を設計する事で軽量化技術を確立します。また、改良作動媒体

を物性値評価から絞込み、装置内で実際に流動状態等の確認を行う事で小型化技術の

確立を目指します。

■ 用語解説

◆ 用語吸収冷凍機

熱をエネルギー源として冷房するシステム。吸収液が冷媒を吸収する際に生じる気化熱を利用

して冷房します。冷媒で薄まった吸収液を濃縮するために排熱を使用します。

◆ 用語作動媒体

吸収冷凍機システム内の冷媒と吸収液。

◆ 用語結晶化温度

LiBr水溶液中の LiBrが結晶析出する温度。

図１．車載吸収冷凍機イメージ

吸収冷凍器

排熱回収器エンジン

排気

冷風

Loop heat pipe system

産業用高効率高温ヒートポンプ

■ 目標

100→200℃加熱で COP 3.5を達成する産業用高温ヒートポンプシステムを開発します。

そのために、最適ヒートポンプサイクル、冷媒、圧縮機、膨張機（動力回収）、熱交換

器、断熱材、蓄熱材などの要素技術開発を行い、統合解析シミュレーション技術、エン

ジニアリング技術を確立し、幅広い産業への適用拡大を図ります。


CO2ヒートポンプ給湯機で用いられている

遷臨界サイクルを用い、最適な冷媒の選定、

サイクルと機器構成、制御等の検討を行い

ました。図 1 の基本計算モデルにおいて性

能シミュレーションを行った結果、目標 COP

達成の見通しが得られました。

物性値が既知でない高温の物性値を測定

するために冷媒物性値測定装置を設計・製

作した。圧縮機・膨張機はターボ型とし、

200℃まで運転するためには潤滑油の使用

は困難であり、オイルフリー化の基本検討

を行いました。市販されている熱交換器か

ら使用可能な熱交換器の調査と検討を行い、

被加熱媒体の種類により適用可能な熱交換

器を選定しました。加熱部の熱損失を最小

にするために、市販されている断熱材に関

して調査と検討を行い、複数の断熱材を組合せて使用することが適切であることを明ら

かとしました。

■ 今後の展開

平成 26～平成 27年度は、ターボ圧縮機・膨張機の試作機設計・製作・性能試験、マ

ルチフィジックス統合解析シミュレーション技術の確立、熱交換器伝熱解析技術の確立

等の要素技術開発を中心に研究開発を行い、平成 28 年度以降に高温ヒートポンプ試作

機設計・製作・性能試験を行っていきます。

■ 用語解説

◆ 遷臨界サイクル

圧縮機吐出ガスの状態が臨界圧力および臨界温度より高い超臨界領域となり、膨張後の状態が

臨界圧力より低い亜臨界領域となるヒートポンプサイクル。

◆ COP

成績係数（Coefficient Of Performance）と呼ばれ、ヒートポンプの熱効率を示す係数。ヒー

トポンプの消費電力に対する加熱熱量の割合を示したもの。COP=3.5 は、消費電力の 3.5 倍の

加熱熱量となることを表しています。

図１．ヒートポンプの基本計算モデル

図２．ターボ圧縮機の翼部解析モデルの一例図⑥-(1)-9 第1段圧縮機初期検討数値計算格子

低温駆動・低温発生機の開発

■ 目標

産業分野で使われている燃料を使った熱源に代わり、省エネ性に優れた排熱で駆動さ

れる低温発生ヒートポンプ冷凍機を開発します。従来の温水焚吸収式冷凍機に対して駆

動熱源温度を低減したサイクルおよびその作動範囲を拡大する新媒体を実用化します。


低温駆動用の基本サイクルとして２段吸

収方式を採用し、図１に示す原理確認用試

作機を設計、製作しました。

また、低温発生用の技術として、環境へ

の影響が小さい水冷媒の凍結温度を、図２

のように低下させて蒸発温度を０℃未満に

低減する「氷点降下剤」を採用しました。

この新媒体により、未利用熱エネルギーの

活用分野が冷房から冷蔵等の低温に拡大す

る。この新規媒体の実用化技術として、炭

素鋼と組合せた場合の腐食特性および有効

な腐食抑制剤の選定を行いました。

さらに、低温駆動・低温発生機の作動範

囲を拡大するために、従来媒体の結晶化に

よる作動範囲を拡大できる新吸収剤の調査

を行い、候補媒体を選定しました。

■ 今後の展開

図１の試作機を用いて、低温駆動サイク

ルの成立性とその性能、挙動を明らかにし

ます。この結果をもとに実用機規模の製品

試作機を開発し、実用化を進めます。氷点

降下剤については、より詳細な氷点降下特

性および腐食抑制特性の取得を進め、新吸

収剤についても基本物性および伝熱特性の把握を進めます。

■ 用語解説

◆ 温水焚吸収式冷凍機

75℃～95℃の温水で駆動され、空調用の冷水を冷却する熱駆動型の冷凍機。コジェネレーショ

ンの一部、または太陽熱温水を利用した冷房等に活用されています。

◆ 氷点降下剤

冷媒である水と共沸現象を呈し、水の構造に影響を及ぼして凍結温度を低下させる有機物。こ

の有機物の有効性は従来から指摘されていたが、これまで詳細なデータの不足により実用化に

至っていませんでした。

図 1. 低温駆動原理試作機の外観

図 2. 氷点降下剤添加時の凍結温度特性

氷点降下領域

水－氷点降下剤の組成割合

10

5

0

-5

-10

-15

凍結温度

(℃)

Absorbing Refrigerator

Heat pump system

expander

first-stage compressor

second-stage compressor

third-stage compressor

heaterEvaporator

Heat Exchanger

Absorbing Refrigerator

Engine

Cool Air

Exhaust

Exhaust Heat Recovery

In-vehicle Absorption Refrigerator

Evaporator

Liquid

Vapor

EvaporatorReservoir

Heat pump Thermal management10Recent results

Summary


11

Reduction of huge unused heat is a crucial issue in Japan.

Concept of TherMAT project is reduce, reuse, recycle of thermal energy with heat

storage, thermoelectric, heat pump, etc.

Thermal management of automobile is one of the promising application.

Heat supply and demand mismatches in industry will be reduced by thermal

management technologies.


12Ideas for a Japan Spain collaboration

Collaboration in Thermal Energy Management R&D project

Furnace, Thermal energy storage, Energy harvesting, etc

Exchange information, regularly

Use of elemental technologies, ex. Insulator, refrigerant, heat exchanger, etc.

developed in both projects

Promote the development of system and application

Possible introduction of high temperature heat pump and refrigerator developed in

Japanese project to Spanish industry

Energy saving in Spanish industry

Future collaboration in thermal management of transport, residential sectors

Discussion of possible application for renewable energy

THANK YOU

どうも有難う御座います

ESKERRIK ASKO

GRACIAS

Haruhiko Obara

[email protected]

AIST

For further information

mailto:[email protected]

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