5.2 液体水素輸送タンカーの開発

5.2.1 研究開発目標

　大量の液体水素の長距離輸送に適したタンカーを建造するために必要な技術開発項目および開発目標を明確にすることを第I期の目的とした。
　ニューサンシャイン計画の検討の中で、21世紀のエネルギーの一つとして水素エネルギーの利用が考えられており、その利用形態の一つに液体水素（ＬＨ₂）がある。 この液体水素の利用に係わる全ての要素に専門的な技術検討を加え、判断のベースを作るためＷＥ−ＮＥＴ研究が進められている。
サブタスク5.2液体水素輸送タンカーの開発部会では、液体水素を生産地から消費地まで大量に、効率良く、しかも安全に輸送するための、液体水素タンカーの開発に取り組んでいる。
　過去３年間の主な研究項目は、以下の通りである。

1. 平成５年度
   • 液体水素の物性値（性質）の調査
   • タンク材、断熱材、支持材の材料データ調査
   • ＬＮＧ船、陸上水素タンク等の現状技術調査
   • 液体水素輸送タンカーの技術的課題の検討

2. 平成６年度
   • 試設計を行なう上での要求仕様の検討
   • 船体、タンク、タンク支持、タンク断熱、ドームなどの要素技術の検討
   • ２０万m³液体水素タンカーの試設計

3. 平成７年度
   • 断熱構造の要求性能と候補断熱の検討
   • 各断熱構造の検討
     　スーパーインシュレーション方式
     　真空パネル方式（ホールド真空）
     　真空パネル方式（ホールド常圧）
     　ポリウレタンフォーム（ＰＵＦ）断熱方式（ホールド真空）
   • ホールド真空化の予備検討

　本年度の研究の目的は、昨年度に抽出された断熱構造に関する技術的課題をさらに具体的に検討するとともに、これらの課題を解決するために必要な実験や数値解析などを提案することである。

5.2.2 平成8年度の研究開発成果

5.2.2.1 要求性能と候補断熱構造

(1) 要求性能
　液体水素輸送タンカーの断熱構造を真空断熱、非真空断熱に大別し、それぞれの基本的機能および要求性能について整理した。設計ボイルオフレート（ＢＯＲ）は、平成６年度の検討結果から0.2〜0.4％／日に設定し、検討を行なうこととした。

(2) 候補断熱構造
　平成７年度の研究で検討した断熱構造のうち、候補として残った構造についてその概要および抽出された技術的課題をまとめた。

5.2.2.2 断熱構造検討

(1) ホールド常圧＋極厚ＰＵＦ方式
　この断熱方式は、ＬＮＧ船タンクと同様、タンク表面にＰＵＦを施工し、その周りのホールドスペースに窒素（Ｎ₂）ガスを封入する方式である。ここでは、熱対流の影響を無視し、熱伝導のみを考慮したＰＵＦ＋継ぎ手部の侵入熱計算を実施した。その結果、継ぎ手部からの侵入熱量は、タンク全体からみれば影響が小さいことを確認し、昨年の検討結果と同様、ＰＵＦ厚さ１ｍでＢＯＲ＝0.2〜0.4％／日が達成できることが分った。今後、熱対流影響の評価を定量的に把握する必要があり、そのためにも実験が必要である。
　また、Ｎ₂ガスのＰＵＦ内およびタンク表面での凍結が断熱性能に悪影響をおよぼす可能性がある。今年度は、この対策として、ＰＵＦ表面に気密膜を設け、ＰＵＦ内およびタンク表面へのガス侵入を防ぐ方法を提案した。今後、この気密膜の性能を検証する必要がある。
　以上、この断熱方式で必要な実験項目は、以下の通りである。

1. 熱対流影響の確認
2. Ｎ₂ガス凍結影響の確認
3. 気密膜溶接部の気密性の確認

(2) ホールド常圧＋真空パネル
　この断熱方式は､タンク表面に真空パネルを施工し、その周りのホールドスペースにＮ₂ガスを封入する方式である。今年度は、真空パネルおよび継ぎ手部を２次元でモデル化した、ＦＥＭ熱伝導解析を実施した。モデル化の範囲を図５−２−１に、解析結果の一部を図５−２−２に示す。解析の結果、パネル外装材からの侵入熱が他の部分より大きいことが分った。解析で得られた熱伝導率を用いて侵入熱量を計算すると、ＢＯＲ＝0.4％／日を達成するためには、外装材影響を無視した場合、パネル厚さ約300mmであるのに対し、影響を考慮した場合約500mm必要になることが分った。この断熱方式では、パネル外装材の影響をいかに抑えるかが、課題であり、必要な実験項目は、以下の通りとなる。

1. 熱対流影響の確認
2. 外装材（含継ぎ手部）の熱伝導影響の確認
3. 少数の真空パネルによる冷却実験 （上記 2. の確認を含む）
4. 大型モデルタンクによる総合的断熱性能確認実験 （上記 1. の確認を含む）

(3) ホールド真空＋ＰＵＦ方式
　この断熱方式は、ＰＵＦのパネルをタンク表面にボルトなどで取り付け、パネル層を含むホールド空間を真空に維持することで、断熱性能の向上とガスの凍結防止などを達成させる方法である。まず、今年度、新たに得られた真空下のＰＵＦ熱伝導率を用いた侵入熱量計算を行なった（ホールド真空度10^-4Torrと仮定）。結果の一部を図５−２−３に示す。
　この検討からＢＯＲ0.3％／日を達成するためには、常圧ＰＵＦ熱伝導率を用いた場合、厚さ約500mm必要になるのに対し、真空下ＰＵＦ熱伝導率では、約250mmで達成可能との結果を得た。
　次に、真空スペースの実現可能性検討として、種々の脱ガスデータを用いた真空粗引き時間の検討を行なった。計算結果を図５−２−４に示す。この断熱方式では、10^-2Torrまでをポンプで粗引きし、その後は、クライオポンプ効果により最終的に熱対流がなくなるとされる10^-4Torrを目標とした。ＰＵＦの脱ガス量をスチロール並みと仮定すると、10^-2Torrを約50時間で達成可能なのに対し、天然ゴム並みの脱ガス量では、1000時間以上という非現実的な時間となることが確認された。この検討から、真空スペース実現のためには、脱ガス量が大きく影響を及ぼすことが分かり、今後、ＰＵＦの正確な脱ガスデータ測定が必要である。
　次に、真空度劣化の検討として、現在用いられている種々のリーク検査の探知能力を調査し、許容できる溶接欠陥数を試算した。今後、実測リーク量との検証が必要である。
　以上、この断熱方式では、ホールド真空の実現方法および真空度維持方法が最重要課題であり、必要な実験項目は、以下の通りである。

1. ＰＵＦの脱ガスデータの計測
2. クライオポンプの性能の確認
3. タンク、船殻の溶接線からのリーク量計測

(4) スーパーインシュレーション（ＳＩ）
　スーパーインシュレーションとは、断熱層となる空間を真空に保持し、熱伝導や対流による熱伝達を抑えた上で、断熱面に積層断熱材を施工し、熱放射による伝熱を遮断する断熱方式である。本年度は、ＳＩ断熱材の施工範囲を変えた侵入熱量計算およびＳＩ断熱材の仕様および施工方法について調査、初期検討を行なった。その結果、大型球形タンクにＳＩ材を施工する場合の問題点等が明確になった。また、(3) の断熱方式と同様、真空スペースの実現およびその維持方法が重要課題であり、必要な実験項目は、以下の通りである。

1. システムとしての断熱性能実験
2. 真空度がシステム全体の断熱性能に及ぼす影響の確認
3. ＳＩ材の脱ガスデータの計測
4. タンク、船殻の溶接線からのリーク計測

5.2.2.3 実験方案の検討

(1) 断熱性能確認実験
　平成７年度の研究から真空断熱方式では、その真空度がシステム全体の断熱性能に大きく影響をおよぼすことが分った。今年度は、真空断熱の実現性を確認する基礎実験として、実験装置、実験方法および、計測データの概要について検討を行なった。 本実験は、各真空断熱方式の可否を確認する重要な実験であり、早期に実施する必要がある。

(2) 断熱要素実験
　平成７年度の研究から各候補断熱に用いられる断熱材の液体水素温度レベルでの熱伝導率を正確に計測する必要があることが分った。本実験は、貯蔵部会と共同で、平成９〜10年度にかけて実験準備と実施が予定されており、今年度は、各断熱方式で候補となる試験体案について検討を行なった。

5.2.3 今後の進め方及び課題
　平成10年度に予定している断熱性能評価試験に供する試験体の設計を実施する。