戦略的省エネルギー技術革新プログラムフェーズ名：実用化開発

８０℃以上の低温廃熱を用いる革新的蓄熱材及びシステムの開発

事業実施法人名：高砂熱学工業(株)、石原産業(株) 、大塚セラミックス(株)、森松工業(株)共同研究先：日野自動車(株) 、共同研究先：産業技術総合研究所

研究開発期間：平成26年12月～平成30年3月

＜位置付け、必要性、重要性＞• 国内における工業製品の国際競争力向上や地球温暖化等の喫緊の課題を

解決するため、産業分野での大幅な省エネが必要• 省エネ・環境意識の高まりにより、各種工場では高温廃熱の発電・蒸気利用

が推進されてるが、100℃程度の低温廃熱は発生場所における用途が限定されること等から大部分が捨てられているのが現状

１－１．研究開発の背景

＜国内外の市場動向・技術動向＞• 電力安定供給のための、コージェネレーションシステム（CGS）の普及促進に

は、機器容量に相当した安定的な熱需要量が必要• CGSの稼働率の向上には蓄熱システムが有望であるが、現状では、蓄熱密

度が高く、蓄熱量当たりのコストが安い蓄熱システム（ガスエンジンCGSでの100℃以下のジャケット温水の廃熱も利活用できる蓄熱システム）は見当たらない 2

１－２．研究開発の目的、目標

＜従来の課題＞従来型の潜熱蓄熱システムでは、固液相変化材Phase Change Material（PCM）を蓄熱材として用いられているが、以下が課題① 蓄熱密度が低いため重量や容積が大きくなること、② 高価であること、③ PCMの固液相変化時の潜熱を利用するため蓄放熱温度がPCMの相変化

温度（融点）に限定されること、④ 蓄熱槽からの放熱でPCMの一部が相変化して熱ロスが発生すること

＜目的、目標＞① 幅広い湿度帯において水蒸気の吸着が可能で、テンプレートや高価な原材

料を使用しないハスクレイをベースに、高密度蓄熱・低温廃熱利用が可能で、蓄熱量当たりのコストが安価である蓄熱材（吸着材造粒物）を開発

② 蓄熱材の充填槽を核として構成される蓄熱システムを開発・実証することで80℃以上の低温廃熱に適応可能な蓄熱・熱利用技術を確立 3

２－１．研究開発体制

4

２－２．研究開発内容

吸着材による蓄熱の仕組み

空気+水分

空気

熱（廃熱等）または直接投入

①蓄熱時（水の脱着） ②放熱時（水の吸着）

吸着材（湿潤）

空気+水分（湿潤空気）

空気（高温・乾燥）⇒ 熱利用

吸着材が乾燥（水が脱着）

吸着材が発熱（水が吸着）

吸着材（乾燥）

繰り返し利用

① 吸着材（湿潤状態）を加熱することで吸着材を乾燥（＝蓄熱）

② 吸着材（乾燥状態）に水を吸着することで吸着材が発熱（＝放熱）

⇒これを繰り返すことで実質的に廃熱を吸着材に蓄熱することが可能 5

２－２．研究開発内容

項目 PCM（従来ｼｽﾃﾑ）

吸着材蓄熱（今回開発）

化学蓄熱（研究段階）

蓄熱材 酢酸ｿｰﾀﾞ / ｴﾘｽﾘﾄｰﾙ等 ﾊｽｸﾚｲ 水酸化ﾏｸﾞﾈｼｳﾑ等

蓄熱密度 238kJ/L / 157kJ/L 588kJ/L 約1,000kJ/L

利用温度 58℃ / 121℃①空調（暖房）・給湯

80～120℃①空調（暖房）・給湯②空調（冷房・外調）③除湿

200～250℃①空調（暖房）・給湯②蒸気

蓄熱/放熱原理 固液相変化/融解 水吸脱着/発熱 化学反応/発熱

潜熱ﾛｽ あり なし なし

国内実績 ﾌｨｰﾙﾄﾞ実証 なし なし

備考 熱媒油（第4石油類）の使用

註：顕熱蓄熱は除く

・100℃程度の低温廃熱が利用可能で、かつ蓄熱密度が高い・乾燥（除湿）、冷暖房、給湯といった多様な熱利用が比較的簡易に可能

⇒ 吸着材蓄熱方式に着目し、高性能吸着材「ハスクレイ」を採用6

蓄熱技術の比較

２－２．研究開発内容

蓄熱システムの想定用途

蓄熱槽

ﾌｧﾝ

ファンユニット

温水ﾎﾟﾝﾌﾟ

蓄熱槽

ﾌｧﾝ

ファンユニット

散水

暖房・給湯温水（～40℃）

加湿冷風（23℃, 2～95%RH）

室内室内

乾燥温風（100～40℃）

乾燥工程

①高湿度空気を蓄熱槽に供給 ⇒発熱②高温乾燥空気を乾燥工程に供給③室内排気（高湿度空気）を回収

①

②

③

①高湿度空気を蓄熱槽に供給 ⇒発熱②高温乾燥空気を水と熱交換、温水供給③常温乾燥空気に散水 ⇒温度低下・加湿④低温・加湿空気を空調利用⑤室内排気を回収

①

②

③④

⑤

乾燥温風（100～40℃）

• 定置型（蓄熱/放熱が同サイト）、オフライン熱輸送型（蓄熱/放熱が別サイト）ともにシステム構築可能

• 日野自動車工場間でオフライン熱輸送の実用化検証試験を実施

１．乾燥プロセス ２．給湯・空調プロセス

7

２－２．研究開発内容

蓄熱材の「熱を与えると水が脱離（乾燥）する」「水を吸着すると発熱する」特徴を用いて、工場廃熱をオフライン輸送する実用化検証試験を実施

A工場（廃熱発生サイト）

B工場（熱需要サイト）

工場

工場

運搬トラック

①工場の廃熱で蓄熱材を乾燥

（蓄熱）

②乾燥した蓄熱材を熱の利用先まで運搬（オフライン輸送）

③蓄熱材に水を吸着させ発熱（熱利用）

④水吸着した蓄熱材を廃熱発生サイトまで運搬

（繰り返し利用）

運搬トラック

A工場廃熱発生サイト

B工場熱需要サイト

低温廃熱を工場間でオフライン輸送する実用化検証試験

（日野自動車工場間）

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２－２．研究開発内容

ハスクレイ

• 非晶質アルミニウムケイ酸塩（HAS：Hydroxyl Aluminum Silicate）と低結晶性粘土（Clay）からなる複合体の無機系吸放湿材

• 2008年に産総研が開発ハスクレイの合成方法

ハスクレイのTEM写真

ハスクレイの外観

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２－２．研究開発内容

（１）材料開発

• 安価で500kJ/L以上の高い蓄熱密度の蓄熱材(改良型ハスクレイ造粒品)を開発• 製造技術のスケールアップを図り、1,000ton/年レベルの生産を可能とする量

産製造技術を確立• 今後は、開発した蓄熱材の市場投入に向けて①信頼性の確認、②1,000円/kg

を実現するための量産工程・製造システムの検討改良型ハスクレイ造粒品の外観 量産製造装置の外観

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低コスト化検討

これまで 合成時に180℃以上の高温条件が必要

今回開発 合成プロセスを見直し100℃以下で合成が可能

更なる蓄熱密度の向上

これまで 524kJ/L＠100℃再生

今回開発 材料組成の改良や造粒条件の最適化により、588kJ/L＠100℃再生

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100

吸着

量(w

t％)

相対湿度(％）

ハスクレイ(吸着)

ハスクレイ(脱着)

改良型ハスクレイ量産品(吸着)

改良型ハスクレイ量産品(脱着)

２－２．研究開発内容

（１）材料開発

• 吸脱着サイクル1,200回後のものが、初回の吸脱着量の4％減であることを確認

• 改良型ハスクレイ量産品の物性（吸着等温線など）を取得

ハスクレイ（従来）

改良型ハスクレイ量産品

合成温度 200℃ 95℃

吸着量(60%RH) 45ｗｔ％ 32wt％

比表面積(m2/g) 802 520

合成時の加熱前洗浄 有 無

合成コスト 高 低

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２－２．研究開発内容

（２）システム開発

10kg級蓄熱材充填槽の試験装置 100kg級蓄熱材充填槽の試験装置トラック搭載時の蓄熱システム

（2ton級蓄熱材充填槽）蓄熱ユニット

• 蓄熱材10kg～2ton級の試験装置で蓄放熱性能を評価→蓄熱材充填槽の仕様（圧力損失1kPa以下、蓄熱密度500kJ/L）を確定

• 蓄放熱性能の試験データに基づき、設計/提案ツールを開発→システム仕様設計だけでなく、システム導入検討のための費用対効果の

導出にも利用可能

運転制御盤

蓄熱材充填槽

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蓄熱材充填槽

ファンユニット

２－２．研究開発内容

（２）システム開発

• 蓄熱材充填槽の仕様（圧力損失1kPa以下、蓄熱密度500kJ/L）を確定

圧力損失の測定試験結果 2ton級蓄熱材充填槽による検証試験結果

500kJ/L

※運転終了条件：熱供給側への省エネ効果が無くなるまで

圧力損失:最大0.7kPa 運転終了時の蓄熱密度：537kJ/Lインキュベーション

終了時

検討後

①2ton級蓄熱材充填槽での検証試験において圧力損失0.7kPa（1kPa以下）、蓄熱密度537kJ/L（蓄熱密度500kJ/L以上）を確認

②充填槽の圧力損失計測と性能試験から、低圧損と蓄熱材性能の確保が可能な造粒体粒径を抽出③安定的な蓄放熱性能を維持し軽量/コンパクトな2ton級蓄熱材充填槽の仕様・構造を確定

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２－２．研究開発内容

（２）システム開発/日野自動車工場間での2ton級蓄熱システム検証試験を実施

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放熱

メイン排気ダクト系統より分岐

羽村工場：塗装工程の排気脱臭装置No.2 RTOより排熱回収

160℃大気へ

空気／空気熱交換器

メイン排気ダクト

外気

温水供給

日野工場(厚木技研)：ペレット乾燥機へ

110℃

新田工場：機械加工温水洗浄機へ

高温低湿空気供給

蓄熱

大気へ

輸送

蓄熱ユニット

2ton級蓄熱材充填槽

２－２．研究開発内容

（２）システム開発/日野自動車工場間での2ton級蓄熱システム検証試験を実施

• 2ton級蓄熱材充填槽の蓄熱ｼｽﾃﾑ試験装置において工場の乾燥工程を模擬した蓄放熱試験を実施し、システムシミュレーションモデルとの比較も含めて放熱速度などの設計蓄放熱性能を確認

検証試験結果例：蓄熱（2/13） 検証試験結果例：放熱（2/21）

吸着量：385 kg

401 kg

放熱量：537 kJ/L

565 kJ/L

※運転終了条件：熱供給側への省エネ効果が無くなるまで

脱着量：382 kg

417 kg

蓄熱量：593 kJ/L

649 kJ/L

※運転終了条件：出入温度差が20℃以下になるまで

温度

絶対湿度、風量

温度

絶対湿度、風量

出口空気状態が入口空気に漸近

ﾍﾟﾚｯﾄ乾燥機

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３－１．研究開発成果

• 安価で500kJ/L以上の高い蓄熱密度の蓄熱材(改良型ハスクレイ造粒品)を開発し、1,000ton/年レベルの生産を可能とする量産製造技術を確立した。

• 蓄熱材10kg～2ton級の試験装置で蓄放熱性能を評価し設計/提案ツールを開発した。

• また、日野自動車の工場間でのオフライン熱輸送を行い、温水/乾燥空気供給での廃熱利用性能を評価した。

• 開発した設計/提案ツールにより、実証サイトを探索中

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３－２．今後の展望

• 今回開発した蓄熱システムはオフライン熱輸送システムとして、地方自治体の汚泥・ごみ焼却場廃熱、工場廃熱等の広域熱利用システムだけでなく、工場やコージェネレーション等で発生する低温未利用廃熱を、冷暖房・給湯・除湿・乾燥・温室・クリーンルーム外気処理などに幅広く活用する定置型システムとしても展開が期待できる。

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３－２．今後の展望

• 本年度の実用化開発フェーズの成果によって企業化判断（フィールドテストFTのための開発品審査）を行い、FTシステムを実証する。事業化判断（製品市場投入・営業活動開始のための商品審査）を経て、2020年度に販売を実施したい。

2017FY（H29年度）

2018FY（H30年度）

2019FY（H31年度）

2020FY（H32年度）

2021FY（H33年度）

2022FY（H34年度）

2023FY（H35年度）

2024FY（H36年度）

①NEDO実証開発ﾌｪｰｽﾞ

②製品設計

③設備投資

④生産・製作

⑤販売

CGS導入規模万kW/年

- - - 100 130 150 160 160

◇企業化判断

◇事業化判断

商品説明 販売

FTｼｽﾃﾑ試作

FTｼｽﾃﾑ実証実用化開発ﾌｪｰｽﾞ

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３－３．省エネルギー効果

2022年時点： 1.57万kL/年

（CGS廃熱利用1.42万kL/年,工場廃熱利用0.15万kL/年）

2030年時点： 7.88万kL/年

（CGS廃熱利用7.19万kL/年,工場廃熱利用0.69万kL/年）

※ 省エネルギー効果量=指標A×指標B

用途比較対象

項目 2022年 2030年

産業用

ボイラー指標Ａ（効果量） 0.080 kL/年･kW 0.080 kL/年･kW指標Ｂ（導入量） 7.7 万kW 39.1万kW

省エネルギー効果量 0.62万kL/年 3.12万kL/年

電気ヒーター

指標Ａ（効果量） 0.230 kL/年･kW 0.230 kL/年･kW指標Ｂ（導入量） 1.9 万kW 9.8万kW

省エネルギー効果量 0.45万kL/年 2.26 万kL/年

民生用指標Ａ（効果量） 0.140 kL/年･kW 0.140 kL/年･kW指標Ｂ（導入量） 2.6 万kW 13.0万kW

省エネルギー効果量 0.36万kL 1.82 万kLＣＧＳの廃熱利用での省エネルギー効果量

1.42 万kL/年 7.19 万kL/年

比較対象

項目 2022年 2030年

ボイラ－

指標Ａ（効果量） 0.019 kL/GJ 0.019 kL/ GJ

指標Ｂ（導入量） 44.0 TJ/年 205.5 TJ/年

省エネルギー効果量 0.08 万kL/年 0.40万kL/年

電気ヒーター

指標Ａ（効果量） 0.056 kL/GJ 0.056 kL/GJ

指標Ｂ（導入量） 11.0 TJ/年 51.4 TJ/年

省エネルギー効果量 0.06 万kL/年 0.29 万kL/年

工場の廃熱利用での省エネルギー効果量

0.15 万kL/年 0.69 万kL/年

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