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実用技術化プロジェクト

低CO2 排出型次世代火力発電用新規耐熱材料の開発

領域概要


運営総括(PO):
原田 幸明 /
物質・材料研究機構 特命研究員

 世界のCO2 発生の42%は火力発電によるものです。また現在の世界の全電力の68%を占める火力発電量は2040年には1.4倍以上になると予測されることから、低CO2 排出型の次世代火力発電システムの創出が強く求められます。

 ガスタービンを初めとする熱機関は熱力学の法則からより高温で運転することによって発電効率が高まりCO2 排出量の低減にきわめて有効な手段になります。その操業温度の限界を作っている最大要因が耐熱材料です。石炭火力や天然ガス火力などの種々の方式において、高温高効率操業の要求を満たすような新規超高耐熱材料の開発は不可欠です。

 本プロジェクトでは、最高温部に用いられる金属間化合物やオーステナイト耐熱鋼の性能限界を大きく改善し、1800℃級のガスタービンや800℃級の火力発電という従来にない高効率の火力発電を可能とする材料の開発を進めるとともに、700℃級火力発電用の高効率・高稼働設計を実現するフェライト系鉄基超耐熱材料の開発、高性能の航空機用として開発されたNi基超合金にリサイクル性を付与して火力発電への転用を促進させる技術など、これまでのALCA研究成果を基にさらに統合的に推進することによって、2030年をめどとした社会実装を目指し5年後に産業界とともに実証研究へ展開できる基盤を構築することを目指しています。


H25

超合金タービン翼の直接完全リサイクル法の開発

原田 広史 (物質・材料研究機構 構造材料研究拠点 リサーチアドバイザー)

超合金タービン翼の直接完全リサイクル法の開発 概要図

使用済みのニッケル超合金タービン翼をカルシアるつぼ中で再溶解することによって、付着した硫黄などの不純物を除去し、元の超合金と同等以上の素材としてタービン翼に再使用するための研究を進めています。

 高コストが普及の妨げとなっている次世代超合金タービン翼材の直接完全リサイクル法を確立し、そのライフタイムコストを1/4にまで引き下げることにより、各種ガスタービンへの普及を大幅に促進させ、熱効率向上による化石燃料消費削減によりCO2 排出を削減することを目的とします。運用中の金属コーティング材の混入による主要元素濃度の変化、環境に依存するイオウなど不純物元素の混入、の2つの原因による合金組成変化、材質劣化を抑制し100%の強度と耐酸化性を維持しながら繰り返しリサイクルし、大型インゴットを作製する技術を確立します。

H25

MoSiB基超高温材料の先進的デザインと鋳造プロセスの確立

吉見 享祐 (東北大学 大学院工学研究科 教授)

MoSiB基超高温材料の先進的デザインと鋳造プロセスの確立 概要図

1500℃以上の超高温域で作動可能な無冷却高圧タービン動翼を実現するために、モリブデンとケイ素、ホウ素からなる新規な超高温材料を、先進的なアイディアでデザインしその材料特性を明らかにします。さらに、新規超高温材料の実用化に向けて、実験室レベルを超えた、高圧タービン動翼に適用可能な大型素材の提供を可能とする鋳造技術の検討を行います。

H23

窒素を有効利用した次世代超耐熱フェライト鋼の実用化総合研究

中島 英治 (九州大学 大学院総合理工学研究院 教授)

窒素を有効利用した次世代超耐熱フェライト鋼の実用化総合研究 概要図

既存鋼を凌ぐ高強度・高延性を達成

 高効率・低CO2 排出量の700℃級次世代火力発電ボイラ管への適用を想定して、高強度耐熱鋼の開発を行っています。安価かつ無尽蔵の元素資源である窒素を有効利用することで、高温強度と経済性の両立を目標としています。これまで鋼への添加元素として着目されることの少なかった窒素ですが、本研究で開発した鋼は既存鋼と比べて10倍以上の高温強度を達成しており、新しい材料設計の可能性を提示しました。今後は、更なる高強度化と実機への適用に向けた取り組みを進めていきます。

H22

MoSi2 基Brittle/Brittle複相単結晶 超耐熱材料の開発

乾 晴行 (京都大学 大学院工学研究科 教授)

 高融点、高温強度に優れた遷移金属シリサイドを組み合わせたBrittle/Brittle複相材料という全く新規な概念のもと、異相界面の原子構造、元素分配、界面元素偏析の制御から、組織の熱安定性の向上、高強度化、高靭性化を図り、MoSi2 基超耐熱高温材料の開発を行います。そして、旧来合金では達成できない燃焼温度1800℃級ガスタービンの実現に貢献します。

MoSi2基Brittle/Brittle複相単結晶 超耐熱材料の開発 概要図

MoSi2 /Mo5Si3複相単結晶合金中の異相界面にみられるLedge-Terrace構造の原子分解能STEM像とその原子配列モデル

H22

革新的800℃級超耐熱鋼の設計要素技術

竹山 雅夫 (東京工業大学 物質理工学院 教授)

 Fe基でもNi基に匹敵する高強度化は可能である! 我々はALCA第1フェーズにて、発電効率を大幅に向上させる800℃級火力発電プラントを念頭に、この温度では世界に類を見ない鉄ベースの材料設計に挑戦し、新たな強化機構「粒界析出強化」を利用した超耐熱鋼の組織設計指導原理の構築とその開発可能性を強度及び水蒸気酸化特性両面から実証してきました。本プロジェクトでは、研究体制に企業を加え、本指導原理に基づき、ボイラー側の熱交換器用の鋼管およびタービン側の車室部材の製造・成型のための要素技術研究を行います。

革新的800℃級超耐熱鋼の設計要素技術 概要図

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