サブ課題C

エネルギー・資源の有効利用 – 化学エネルギー

分離・回収、貯蔵、相互変換の高効率化によりエネルギー多消費型工業プロセスを革新

サブ課題 C 目標

サブ課題Cでは、資源・環境の観点から、メタンハイドレートの効率的な融解、触媒の高性能化、CO2分離・回収技術の発展に貢献すべく計算科学を用いた研究を進めています。
メタンハイドレートを発掘し、地上に取り出す過程の海水中でのメタンハイドレートの融解について、分子間に働く力から分子の動きを計算する分子動力学ソフトMODYLASなどを使って解析しています。
次に、化学反応がどのように起こるかを計算する反応経路自動探索法GRRMに、サブ課題Aで開発する大規模系の電子状態を正確に計算するNTChemを合体させて実用的問題に適用させる研究開発を進めています。併せて、白金(希少金属)を使わない燃料電池用の新しい触媒などの研究も行っています。
さらに、温室効果ガスのひとつであるCO2の分離・回収に関して、その効率化やコスト削減を取り上げ、大規模量子化学計算による化学反応を伴う分子動力学シミュレーションを実現したDC-DFTB-Kを用いて、CO2吸収・放出反応のメカニズムおよび性質を明らかにすることに取り組んでいます。また、吸収剤の改良や新しい吸収材料についても研究しています。

これらの課題に関して、実験では決して見ることができない分子の動きや反応の様子を見るために、世界最先端の理論・計算手法をそれぞれのシミュレータとして開発整備しています。各シミュレータとポスト「京」の強力な計算パワーを使って、化学エネルギーの創成から消費に至る過程において、資源利用の効率化や環境改善への指針を提供することが目標です。

サブ課題 C 概要

化学エネルギー創成から消費に至る過程において、メタンやCO2の分離・回収、貯蔵、触媒反応によるエネルギー・資源の有効利用に関わる基盤技術を開発し、高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の実用化への橋渡しとするための指針を提供します。そのために、電子状態理論と分子動力学法を基盤とした統合シミュレーション技術を構築し、実用的な物質設計に向けて分子レベルからの指針を提供します。こうした貢献によって、エネルギー多消費型の工業プロセスの革新を目指すものです。化学エネルギーを対象とする本サブ課題は、ハイドレート、触媒、CO2分離・回収という3点から構成されます。

ハイドレート

エネルギー資源として大量に存在するメタンハイドレートの効率的採取法の開発を目指して、大規模長時間MDシミュレーションを実施し、メソスケールでの解離の機構解明、解離の律速過程の探索を行ない、効率的な融解法への指針を得ます。さらに、ポスト「京」を駆使した大規模な構造探索から、蓄冷材としてのセミクラスレートの性能の向上のための包括的な評価を行います。

メタンハイドレート融解のシミュレーション結果

メタンハイドレート融解のシミュレーション結果

CC-BY Copyright © Masakazu Matsumoto

触媒

反応経路自動探索法GRRMをNTChemに連成し、CO2有効資源化と燃料電池非白金系触媒に焦点を当てた研究を行います。

CO2の分離・回収

分割統治法を中心としたアプリの高度化を行い、消費エネルギーコストを削減する新規アミンの提案・最適なアミン混合比を予測します。さらに、溶液系だけでなく金属有機構造体(MOF)やゼオライトのような多孔質材料を用いた手法に関する技術を確立します。

MOFへのCO<sub>2</sub>の吸収

MOFへのCO2の吸収

サブ課題 C 成果

これまでの成果をご紹介します。

サブ課題 C 研究体制

平成29年度は以下の研究開発を連携し実施します。
サブ課題全体の推進に責任を持つサブ課題責任者を設けています。

【図35】ppt資料[2-5 補足資料]p18テキスト、グラフ入る
  • サブ課題責任者
  • 田中 秀樹 教授
  • 岡山大学 異分野基礎科学研究所
  • サブ課題実施者
  • 武次 徹也 教授
  • 北海道大学 大学院理学研究院
  • サブ課題実施者
  • 中井 浩巳 教授
  • 早稲田大学 先進理工学部
  • サブ課題実施者
  • 奥村 久士 准教授
  • 分子科学研究所

サブ課題 C 実施計画

平成31年度までのシミュレーション技術の確立と実証と先行的成果の創出に向けて、年度ごとに目標を立てて研究開発に取り組んでいます。

【図37】ppt資料[岡崎先生_親WG資料案_V12_印刷用]p3の図入る
※「実施計画」ページの【図88】より「サブ課題C」の部分を流用