内航船舶用排熱回収システムの開発

1. 内航船舶用排熱回収システムの開発 講演内容 １．研究プロジェクトの概要 ２．排熱利用スターリングエンジンの開発 ３．排熱回収システムの性能特性 ４．実海域におけるフィールド試験 ５．排熱回収システムの実用化検討 ６．まとめ エネルギー・環境評価部門 平田宏一

2. 開発コンセプト １．研究プロジェクトの概要 ●必要最小限の電力を貯蔵する。 ●設置スペースが小さい。 ●既存船への設置が可能である。 ★2 kWで2日間の蓄電 ★10 kW×10時間の利用 （独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構　基礎的研究推進制度（平成17～19年度） 「港湾内の環境保全を目指した内航船舶用排熱回収システムの開発」

3. ２．排熱利用スターリングエンジンの開発 スターリングエンジン 加熱と冷却を繰り返す外燃機関 2つのピストンと熱交換器で連続的な運転をさせている。 実用的な性能を得るために，高圧ヘリウムまたは水素を使用する。

4. ●多段式スターリングエンジンの開発経緯 H17年度 システム設計 実験用エンジン １号機開発 H18年度 実験用エンジン ２号機開発 H19年度 実験用エンジン ３号機開発 陸上実験 多段式スターリングエンジンのイメージ 実船実験

5. ●実験用スターリングエンジン１号機 仕様および目標性能 実験用スターリングエンジン（1号機）

6. ●高性能化のためのエンジン構造 ●低温な熱源で作動させるために銅製ヒータを採用。（ただし，腐食対策が必要） ●無潤滑ピストンシールを保護するための直動機構。 銅製ヒータ（φ6×t1.0×64本） スコッチ・ヨーク機構

7. ●実験用スターリングエンジン２号機 ●１号機の運転結果を踏まえて熱損失の低減を図った形状とした（基本構造に変更なし）。

8. ●熱損失低減のためのエンジン構造 ●再生器内の圧力損失を50%低減（200W→100W）。 ●再生器ハウジングの薄肉化による熱伝導損失低減。 再生器ハウジングの強度解析結果

9. ●実験用スターリングエンジン３号機 基本設計指針 ●作動空間の主要寸法は2号機と同じとし，ヒータ形状は変更しない。 ●低コスト化のために，機構部の基準面を変更（クランクケースの簡略化）。 ●フランジ部のボルト寸法・本数の見直し（メンテナンス性向上）。 ●軸受の剛性アップ（寿命6000時間）。

10. ●低コスト化のためのエンジン構造 ベースフランジ クランクブロック スコッチ・ヨーク機構 溶接式クランクケース ●クランクブロックは将来的に鋳物（アルミダイキャスト）をイメージした形状。 ●溶接構造とし，精度（垂直度，位置精度）が必要なのは2箇所。

11. ３．排熱回収システムの性能特性 ディーゼルエンジン仕様 ディーゼルエンジン 実験条件 ●ディーゼルエンジンの回転数を420 rpm一定として，負荷を変化させて，排ガス温度を調整。 ●スターリングエンジンは上流から1100，1000，950 rpmで運転。

12. ●発電出力／効率 発電出力 エンジン効率および排熱回収率 ●排ガス温度400℃において，2号機の発電出力は560W。 ●排ガス温度400℃において，全発電出力は1.3kW。 ●エンジン効率（取り入れた熱量に対する発電出力の割合）は6～8%。 ●排熱回収率（全排ガス熱量に対する発電出力の割合）は1.5%程度。

13. ４．実海域におけるフィールド試験 セメント専用船『パシフィックシーガル』 ディーゼルエンジン仕様

14. ●フィールド試験（東京－函館航路） ●排ガス温度は330～370℃。 ●最高発電出力は700W程度。 ●充電量は530W程度。 ●約36時間の連続運転。

15. ５．排熱回収システムの実用化検討 実用化のための技術課題 ●多段式スエンジンの最適化 ●熱交換器の腐食対策，長寿命化 ●エンジンの耐久性能 ●長期に安定したシールの開発 ●安全性を踏まえたシステム開発 ●船舶の電力需要とのマッチング 実用化のための開発フローチャート フィールド試験終了後のヒータ

16. ６．まとめ • 内航船舶の運航実態や蓄電池技術について調査結果に基づき，排熱回収システムの基本設計を行った。 • 高性能化や低コスト化を考慮し，低温排熱で作動する3台の排熱利用スターリングエンジンを完成させた。 • 3台のスターリングエンジンを多段に配置し，400℃のディーゼルエンジン排ガスにより加熱することで，最大発電出力1.3kWを回収した。 • フィールド試験により36時間の連続発電運転を行うとともに，発電・充電から船内電力供給にまでの実証を行った。 • スターリングエンジン1号機～3号機は延べ2500時間以上の運転を行っており，エンジンの信頼性を高めるとともに，多くの知見が得られた。