米乐(中国)官方网站 创建一个积极自然的循环型社会！发电生物炭生产技术

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）能源效率研究部马场宗明首席研究员、零排放国际联合研究中心今里一树首席研究员、山本纯副研究主任、石田隆夫首席研究员太田道宏研究组组长将热管理与生物质碳化炉中的热电转换单元和隔热材料相结合。生物炭提高生产力，同时回收废热发电合拍片我们已经确立了系统设计理念。

生物炭去除大气中的二氧化碳₂可以长期固定负发射技术，碳中和做出贡献在传统的小型生物炭生产设备（碳化炉）中，碳化产生的废热没有得到有效利用，而是排放到大气中。为了有效利用废热，同时提高生物炭生产率，适当管理干馏炉内的热量非常重要。

这次，通过在小型碳化炉中结合热电转换单元和隔热材料来管理热量，我们可以提高生物炭的生产率，同时利用废热发电零排放电源可以实现。根据我们的计算，假设运行 8 小时从 1093 公斤木材生产生物炭，该电源可回收 74 千瓦时的电力。该发电量相当于同时点亮约 90 个 LED 灯泡（100 W 型）并运行 2 至 3 个送风风机。这种独立供电能力对于电力基础设施维护困难的山区具有重要意义。此外，该系统生产的生物炭为 916 kg CO₂许久。日本各地未使用的生物质同时实现区域分布式能源生产和碳封存，构建可持续的当地循环生态系统。自然积极的推广做出贡献

到2050年实现温室气体零排放的碳中和社会，CO₂生物炭是植物从大气中吸收的二氧化碳。₂可以长期固定。然而，传统的碳化炉对碳化过程中热量的有效利用考虑不够，废热没有得到有效利用而排放到大气中。

此外，日本森林资源的有效利用也是一个问题。森林约占日本国土面积的70%。其中约40%为人工林，以人工林为主的森林资源每年约6000万平方米。³增加^*1每年产生的森林资源约有970万吨是间伐或主伐后未清除的森林残留物，其中约71%在森林内未被利用。^*2尽管这些未利用的材料作为生物质资源具有巨大的潜力，但由于收集和运输成本高昂，其利用尚未取得进展。此外，当考虑在电力基础设施不发达的地区使用时，确保独立的电源供应也成为一个重要问题。

在AIST零排放国际合作研究中心，我们正在进行热电转换材料性能改进和热电转换模块发电性能评估技术的研究和开发。热电发电我们一直在考虑安装技术。此外，节能研究部一直在开发在工业和交通领域利用未利用热量的技术。

这次，为了通过应用热电发电技术实现碳中和并创造新价值，我们提出了一种将生物炭生产过程中的废热转化为电力的新系统。

新开发的技术将小型碳化炉与热电转换装置和隔热材料相结合，同时生产生物炭并产生废热（图1）。在传统的碳化炉中，碳化过程需要几个小时，产生的废热被释放到大气中，但采用这项技术，安装在炉壁上的热电转换装置将这些热量转化为电能。

11147_11306针翅式散热器附着在结构上。采用这种针翅式散热器，大大提高了与外界空气的热交换效率，增加了流经热电转换单元的热量，增加了发电量。通过使用自然风冷式散热器进行冷却，可以有效地与外部空气进行热交换，而不需要风扇等额外动力。结果，我们确认，当炉子表面温度为181℃时，热电转换材料中会出现约75℃的温差，从而可以产生14W的电力（图2）。

基于上述实验室规模的验证结果，我们对小型碳化炉进行了概念设计和热/物料平衡分析。我们假设了一种新型紧凑型碳化炉结构，将这些元件添加到没有热电转换单元和隔热材料的基础模型中，并定量评估了其有效性。为了最大限度地发挥热电转换机组的性能，我们对机组的安装面积和冷却条件进行了优化。具体而言，碳化炉表面2m，长、宽、高各2m。²安装热电转换单元并在剩余区域使用隔热材料来保暖，我们找到了生物炭生产力和发电的最佳条件。这次，假设干燥的栎木（原产于日本的橡木）作为生物质原料，我们分析了使用1093 kg的栎木在500至1000 ℃范围内进行碳化处理时的热质平衡，发现当在500 ℃的相对较低温度进行碳化处理时，生物炭的生产率最大化。在这些条件下，可以生产 277 公斤生物炭，从而将这种生物炭中固定的碳量减少为 CO₂中的916公斤此外，我们还表明，在碳化过程中可以连续发电 092 kW（图 3）。该发电量足以同时点亮约 90 个 LED 灯泡（100W 型）或运行 2 至 3 个送风机。根据该分析方法，无绝热结构的基础型小型炭化炉热损失较大，需要投入189kg原料进行燃烧，并根据投入的生物质质量计算固定为生物炭的碳量。₂的百分比(CO₂固定比例)为770%。通过这项技术，由于隔热材料的作用，我们能够将燃烧原料的量减少到928公斤，因此即使在碳化过程中进行连续发电，CO₂固定比率估计为 838%。

该技术的优点是即使是小规模也能高效运行。与大型炭化炉不同，该系统的长、宽、高均设计为2米，可用4吨卡车运输。在典型的碳化过程中，生物炭的生产大约需要5至10小时，因此这次我们假设平均时间为8小时进行分析。热电转换装置在碳化8小时内可稳定发电092千瓦，总计发电74千瓦时。这使得在没有电网电力的山区引入它成为可能，通过在当地生产和消费生物炭，我们有望建立一个利用当地未使用的生物质的分布式能源生产系统。此外，该系统生产的生物炭有望作为土壤改良材料。生物炭的多孔结构提高了土壤的保水能力，也有助于保留养分。通过引入该技术而使用适量的生物炭将有助于提高各地区农田的生产力并促进生物多样性，从而实现对自然有利的举措。

该技术从四个方面为实现可持续社会做出贡献：有效利用未利用的生物质、分布式能源生产、长期固碳以及通过土壤改良提高农田生产力。特别是像日本这样森林资源丰富且地理位置分散的国家，这使得通过固碳既可以提高地区能源自给自足，又可以应对气候变化。

这次，基于同时碳化生物质和发电的系统的设计理念，我们对热电转换单元进行了实验室规模的测试，并通过假设采用热电转换单元和隔热材料的新结构的小型碳化炉进行数值分析，定量地阐明了其有效性。

未来AIST开发的高性能热电转换模块^{*3, 4}等材料进一步提高性能，并利用实际的森林残留物进行示范实验，以评估各种生物质原料和环境条件下的性能。我们还致力于创建一个更小、更轻、增强便携性并且可以部署在更多领域的系统。此外，我们还将对所生产的生物炭的土壤改良效果和长期碳储存能力进行研究，并评估其对环境的整体贡献。以2030年社会实施为目标，计划从实验室规模的概念验证层面扩大规模，进行示范实验。未来，我们将基于该技术，致力于构建本地循环型能源和材料系统，为实现可持续发展社会做出贡献。

已出版的杂志：能量转换和管理：X
论文标题：将热电装置集成到热解反应器中用于生物炭和电力联产
作者：马场苍明、今里一树、山本敦、石田隆雄、太田道宏
DOI：https://doiorg/101016/jecmx2024100725

发明名称：“发电装置”
申请号：JP 2024-047207
发布日期：2024 年 4 月 5 日

生物炭

木炭是通过在低氧环境下加热植物等生物材料制成的。由于它难以长期分解，因此可用于土壤改良和碳储存，并且可用于应对气候变化。生物炭的生产和使用可减少大气中的二氧化碳₂这是植物在生长过程中从大气中吸收的二氧化碳。₂可以作为生物炭长期固定。[返回来源]

合拍片

同时生产多种产品或价值的流程或概念。在能源领域，是指在一个生产过程中同时生产多种能源形式和资源。它还被应用于工业和农业等领域，作为实现循环经济的重要途径而受到关注。[返回来源]

负排放

大气二氧化碳₂不仅减少排放，而且实际上去除大气中的二氧化碳₂预计这将成为应对气候变化的新方法。[返回来源]

碳中和

人类活动产生的二氧化碳₂的量的概念发射和吸收为零。例如，工业活动排放的二氧化碳₂将被森林吸收和技术恢复所抵消。许多国家和公司都制定了目标作为应对全球变暖的措施。由于很难实现完全零排放，因此目标是在排放和吸收之间取得平衡。[返回来源]

零排放电源

指在发电过程中不排放温室气体或有害物质，或排放量极低的电源。在本研究中，它是指利用热电转换装置将生物质碳化过程中产生的废热转化为电能的系统。它利用通常释放到大气中的废热来发电，而不产生额外的燃料或排放。[返回来源]

未使用的生物质

来自目前未使用的植物和动物的资源。例如，稻草和间伐木。这些材料具有用作燃料和材料的潜力，并且作为新资源而受到关注。[返回来源]

自然积极

积极恢复和改善自然环境的努力和想法。其目的不仅是为了防止自然遭到破坏，也是为了增加生物多样性并改善生态系统的功能。其中包括重新造林和可持续农业。它作为环境保护的新目标正在引起全世界的关注。[返回来源]

热电发电

利用固态半导体元件直接将热能转化为电能的发电技术。通过在热电转换材料两端之间产生温差，材料内部的电子和空穴移动，从而产生电力。该技术对于有效利用未使用的热能非常有用。[返回来源]

针翅式散热器

一种有效散热的装置，其结构为从基板上立起许多针状翅片(突起)。它们由铝和铜等材料制成，具有高导热性，广泛用于冷却电子设备和发热部件。针状翅片大大增加了与空气的接触面积，增加了自然对流的冷却效果。这是一种安静且高度可靠的冷却方法，不需要风扇的动力。[返回来源]

1. 森林资源现状（林业厅，2022 年 3 月 31 日）
2. 摘自《生物质利用促进基本计划（第三版）》（农林水产省，2022年9月6日）
3. AIST 新闻稿“开发转换效率11%的热电转换模块”（2015年11月26日）
4. AIST 新闻稿“级联热电转换模块实现 12% 的效率”（2018 年 5 月 22 日）