動力システム研究グループ

バイオ燃料利用

 バイオ燃料は植物・食品廃棄物などから製造される燃料で、燃焼時の二酸化炭素（CO₂）の排出がゼロと考えられている燃料です※。一般的にバイオ燃料は、他の低・脱炭素燃料（メタン、メタノール、水素やアンモニア）と比較して船のエンジンで従来使用されている燃料（軽油や重油）と特徴が類似しているため、既存のエンジンと設備での利用が可能です。その利用のし易さから、バイオ燃料の利用によるCO₂の排出低減が注目されています。

 しかし、バイオ燃料は、下図に示すように様々な種類があります。原料の種類が多く、製造方法も様々なため、バイオ燃料の中には、軽油や重油に比べて燃焼性が異なるものがある他、時間によりその性質が変わる恐れがあるなど、貯蔵性や品質の保持に課題があるものもあります。また、船では、バイオ燃料と軽油や重油を混合して利用することが想定されており、混合した燃料の特徴や燃焼性を調べる必要があります。

 海技研では、これまでに様々な種類のバイオ燃料の性状や安定性並びに燃焼性を調査する研究を実施しています。

• 性状試験
  

  バイオ燃料、重油との混合油について、動粘度・密度の温度依存性を計測し、エンジンでの使用時の最適な温度条件を調べています。

• 安定性試験
  

  バイオ燃料と重油との混合安定性、バイオ燃料の安定性や品質保持期間の目安となる酸化安定性試験をおこなっています。

• 燃焼性試験
  

  燃料の着火性を調べる試験と合わせて、所内の 大型エンジン実験設備 を使用して、バイオ燃料使用時の燃料消費量や排ガス成分の変化を調査しています。

水素燃料利用

 水素は、燃焼時にCO₂を排出しない燃料であり、船舶への利用が期待されています。そこで、舶用ガスエンジンの燃料に水素を使用する技術の研究・開発を進めています。水素は、容易に着火し、その後も高速で燃焼する特徴があります。そのため、水素を燃料とするためには、エンジン内の燃焼において、この水素の激しい燃焼特性を適切にコントロールして、安定かつ安全な運転を実現することが必要です。研究では、発電出力400 ㎾の天然ガスを燃料とする火花点火エンジンを、海技研が独自に開発した水素噴射システムをレトロフィットして水素燃焼実験を進めています。これまでの、水素専焼に近い条件の実験から、適切な調整によって、安定燃焼、クリーンな排ガス、高い熱効率などを実証しています。さらなる水素の燃焼を抑制する技術として、排ガスを吸入空気に混合して燃焼するEGR技術や水噴射技術などの研究も進めています。

アンモニア燃料利用

 アンモニア（NH₃）は、水素と同様に炭素を含まないので燃焼してもCO₂を発生しない燃料です。水素に比べて容易に液化することができ、単位体積当たりの発熱量は、液化水素の約1.6倍と、燃料として積載性が優れています。この様な観点から、船舶の代替燃料として注目が集まっています。動力システムグループでは、ディーゼルエンジンを利用してアンモニアと軽油を混焼させることでアンモニアを燃焼させて、アンモニア燃料利用のための基礎的な実験を実施してきました。実験では、アンモニアが未燃のまま排出されることや温室効果ガスである亜酸化窒素（N₂O）が排出されることを明らかにし、それらの低減方法を研究開発してきました。

 今後は、アンモニアと軽油の混焼状態の詳細な解析や水素を利用した燃焼システムを開発し、アンモニアを安全に効率良く燃焼させるための研究を実施します。

プラズマ利用技術

 プラズマとは、固体・液体・気体に次ぐ物質の第4の状態であり、気体を構成する分子が電離し陽イオン（正電荷）と電子または陰イオン（負電荷）に分かれて運動している全体として電気的に中性な電離した気体であり、近年、ガス燃焼支援やガス改質へのプラズマの利用が注目されています。そこで、プラズマリアクターの１つであるマイクロ波プラズマリアクターを開発すると共に、ガス燃焼支援やガス改質に対する性能検証実験を行っています。現在、開発したマイクロ波プラズマリアクターを用いて、アルゴン、窒素、空気、メタン、アンモニア等がプラズマ化できることを確認しており、その性能や特性の調査を進めています。

触媒による排ガス浄化

 エンジンは燃料を燃焼させた後のガス（排ガス）を排出しています。排ガスには、温室効果ガスや環境負荷物質が含まれます。それらを浄化するために触媒が利用されています。マイクロリアクター（小型流通式反応器）と呼ばれる装置を用いて、触媒の開発・性能評価を実施しています。この装置では、ボンベガスを用いて排ガスを再現し、任意の温度やガス組成で触媒の性能を試験することができます。触媒は実際に使用する触媒から切り出した小型の物を使用し、触媒の入口と出口のガス組成を排ガス分析器によって分析することで、性能評価を行っています。さらに、排ガス中の水分を再現するために、蒸発器を備えており、精製水を蒸発器に供給することで、排ガス中の水分濃度についても再現することが可能です。