新潟大ら,太陽集熱による炭酸ガス熱分解に成功

新潟大学,東京大学,信州大学,米コロラド大学は,太陽集熱による炭酸ガス分解に新反応性物質を使用する技術を開発した(ニュースリリース)。

近年国内外で工場などから排出される炭酸ガスの分離・貯蔵(CCS)が広く行なわれるなど,炭酸ガスの利用方法についても研究が活発化している。

現状では,太陽光を使った炭酸ガス利用は太陽光発電に基づく水電解で水素を製造し,この水素を炭酸ガスと反応させてメタン合成をするメタネーションが有望とされているが,まだ実用化には至っていない。研究グループは,この事業で実験とシミュレーションによる要素研究と,社会実装に向けた課題やロードマップの整理に取り組んできた。

今回,新潟大学とコロラド大学は,キセノンランプによる集光を用いた室内実験と,米国立再生可能エネルギー研究所(NREL)が保有する太陽炉を用いた実験によって,反応性物質として酸素を吸蔵・放出する特性を持つセリア(CeO2)および新たにヘルシナイト(FeAl2O4)のフォームデバイス(多数の「空隙」を有する発泡体)を利用し,炭酸ガスを酸素と一酸化炭素に分離することに成功した。

実験では,まず高温にした反応器内にアルゴン(Ar)を流し込み,反応性物質から酸素を取り除く。その後,反応器内の温度を下げて炭酸ガスを流し込み,酸素を失った反応性物質によって炭酸ガスを還元し,一酸化炭素を発生させる。

これらのステップを繰り返すことで炭酸ガスを酸素と一酸化炭素に分離することに成功した。このような集熱反応実験と,ミクロ熱流動解析(東京大学),マクロ集熱反応器解析(新潟大学),システム解析(信州大学)を実施し,結果を相互に比較することで実際のプラントシステムの性能を高精度で予測することが可能となった。

このシミュレーション技術を用いてプラントの解析を実施し,太陽光から合成燃料までの総合変換効率をセリアについて10%以上に向上できる見通し。また,ヘルシナイトについてはセリアの2倍以上の反応活性を示すことを実験的に明らかにし,新しい反応物質として将来性が高いことを確認した。

この技術により,高温域でセリアが非常に良好な反応性が示され,セリアによる高効率プラントの概念設計を完成することができた。

一方で,ヘルシナイトはより低温で高い反応性を有することが明らかになった。ヘルシナイトは安価な鉄とアルミニウムから製造できるため製造コストを劇的に下げることができると考えられる。

研究グループは,高効率な炭酸ガス分解のめどが立ったことから,ソーラー燃料製造の低コスト化への応用が期待されるとしている。

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