成果報告書詳細
管理番号20140000000112
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 製鉄プロセスにおける排熱を利用した熱電発電技術の研究開発
公開日2015/4/25
報告書年度2011 - 2013
委託先名JFEスチール株式会社 株式会社KELK 国立大学法人北海道大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本研究では、製鉄プロセスにおける排熱を利用した熱電発電技術の研究開発を行った。
1.熱電発電ユニットの高出力化 
素子の小型化、数百対の熱電素子数の一体組み立てを行い、素子密度を約65%向上したユニットを作製し、その特性を評価した。現行品に比べ有効出力密度約65%向上を確認し、出力密度0.3W/cm2の目処を立てることができた。
2.熱電発電ユニットの温度ばらつき低減 
温度計測ユニットを作製し、温度分布を実測した。ふく射熱源の場合受熱板内の温度バラツキが約10℃以内であることを確認した。
3.熱電発電ユニットの高耐久化 
熱電発電ユニット耐久試験装置を作製し、ユニットの出力、ユニットの温度分布、ユニットの絶縁性等の評価を行った。ユニットの絶縁性改善のために、1)モジュールの沿面距離の増加、2)ユニット内のN2フローを実施し、良好な絶縁特性を得ることができた。所定の条件下で500時間のユニット耐久試験を行った。大幅な出力低下は見られなかった。
4.熱電発電システムの研究 
JFEスチール株式会社東日本製鉄所京浜地区の連続鋳造ラインに株式会社KELK製の熱電発電ユニット56個からなる10kW級熱電発電システムを設置した。スラブふく射熱を利用した熱電発電の実証試験を実施し、発電出力の数値シミュレーションによる予測値と実測値とを比較して整合性を確認した。また、製鉄所内電力系統との系統連系も試み、問題ないことを確認した。また耐久性を含めた性能評価を完了し目標を達成した。 試験期間中に28台のユニットを交換し、試験後のユニットの分析を行った。いくつかの発電モジュールで熱電素子接合部の劣化に起因すると思われる抵抗上昇が確認された。
5.熱電発電システムが製品に及ぼす熱的影響の評価
形態係数を考慮したシミュレーションにより、熱電発電ユニットが製品(スラブ温度)に与える影響の評価を行い、許容限界値であるΔT<10℃を達成するための条件として以下の知見を得た。
1)受熱板の表面温度が250℃の場合、スラブと受熱板の高さを1.0m以上に設定する
2)受熱板の表面温度が285℃に上昇の場合、スラブと受熱板の高さを1.4m以上に設定する
以上のように、熱電発電システムが製品に及ぼす熱的影響の評価を行い、システム-製品間最短距離の決定を行う目標を達成した。
6.熱電発電システムのLCA的評価
BiTe系素子を使用した熱電発電システムのLCA評価を実施し、以下の知見を得た。
1) 熱電発電システムを用いて稼働率80%、10年間発電した場合、原油使用削減量は5.79 [kL/Unit] と判明した。
2) エネルギー回収年は0.23-2.49[year]と判明し、太陽光発電の0.96-2.6[year]と同程度の値を得た。 3) エネルギー収支比,CO2排出原単位はそれぞれ2.29-5.76、132 [g-CO2/kWh]と判明した。これらの値は熱電発電ユニットの長寿命化により改善できる可能性がある。 以上のように、エネルギーの量的LCA算定を完了し、目標を達成した。
これまでに10kW 級の熱電発電プロジェクトは前例がなく、また、このような熱電発電システムを長期間にわたって使用した例はないため、今回の実験は非常に価値のある試験である。熱電発電技術の普及には実際の排熱源における実施例の積み上げが必須であり、今回の試験結果は今後の普及に向けて実用化開発の足がかりとなると考える。
英文要約This research & development describes the thermoelectric generation (TEG) system using the waste heat in the steelmaking process. The development items and achievements for each research and development are summarized below.
1. High power output of TEG unit
High element density TEG proto-type unit was developed. The power output was investigated and the 65% improvement of effective power output density was confirmed. The prospect is seen in this research program to get power output density 0.3W/cm2.
2. Reduction of temperature distribution non-uniformity of TEG unit
We developed temperature measurement unit and evaluated temperature distribution of TEG unit. In case of radiation heat transfer, though heat collection plate is conventional structure, temperature distribution within 10℃ was confirmed.
3. High durability of TEG unit
We developed the durability test equipment and measured power output, temperature distribution and electrical insulating properties of TEG unit. To improve electrical insulating properties, we tried to increase the creepage distance of module and flow N2 in TEG unit. According to 500hr durability test under Th=250℃, Tc=30℃, significant power output drop was not found.
4. Development of TEG system
TEG system was installed in the continuous casting line of JFE to recover waste heat. The result of power output showed a good fit between the simulation and experimental data. The durability of the TEG system had been evaluated from March 2012 to February 2013. From analysis of TEG units, the deterioration of junction was observed in some units.
5. The effect of the TEG unit on the steel product
The effect of the TEG unit on the steel product was evaluated by a simulation that considered view factor, and the following result was obtained.
1) When the temperature at heated surface (Tteg) was set at 250℃, the height of the heated surface: H was set to 1.0 m or more, temperature difference of a permissible limit value: ΔT < 10℃ was achieved at any position of the slab.
2) Even if it was a severe operating condition(Tteg=285℃), ΔT < 10℃ at all the positions of the slab was achieved by setting H to 1.4 m or more.
6. Evaluation of TEG system using life cycle assessment (LCA)
The LCA evaluation of the TEG system was carried out. In this report, energy profit time (EPT), energy profit ratio (EPR) and CO2 emission intensity were calculated for the TEG system with Bi2Te3 type thermoelectric devices.
1) EPT of TEG system was found to be 0.23 to 2.45, showing same level with solar power.
2) EPR of TEG system was calculated to be 2.29 year and CO2 emission intensity was found to be 132.2 g-CO2/kWh. These indexes may be enhanced by the prolonging of life time.
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