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TODA, Yoshiaki

TODA, Yoshiaki (戸田 佳明) 0000-0002-8343-2890

Address
305-0047 1-2-1 Sengen Tsukuba Ibaraki JAPAN [Access]

Accepting Students

External affiliations

  • Visiting Associate Professor, Graduate Schools of Engineering and Science, Yokohama National University

Research

Keywords

renewable energy, geothermal power generation, casing material, heat resistant steel, corrosion, oxidation, high temperature and pressure, supercritical water, steam, acidity

Supercritical Geothermal Power Generation
Supercritical geothermal power generation is attracting attention as a renewable energy source that can generate greater power output than conventional geothermal power generation, regardless of day or night or weather conditions (Fig. 1). The supercritical geothermal fluid used in this power generation is acidic supercritical water containing various impurities, which is expected to significantly oxidize and corrode metallic materials. I am investigating the effects of simulated geothermal fluids on the oxidation and corrosion behaviors of metals and developing a well casing pipe to collect the supercritical geothermal fluid.

researchPicture

Fig. 1 Supercritical geothermal power plant

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

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Society memberships

The Japan Institute of Metals and Materials, The Iron and Steel Institute of Japan, The Geothermal Research Society of Japan

Funds

  • ISIJ Research Promotion Grant "Oxidation and Corrosion Behavior of Heat-resistant Steels in Simulated Geothermal Fluids with High Temperature, Pressure, and Acidity" (2026)
  • JSPS Grand-in-Aid for Scientific Research (C) "Oxidation and Corrosion Behavior of Metallic Materials by Acidic Supercritical Water Mixed with Solid Particles" (2025)
  • Japan Boiler Association Research Grant for Boilers and Pressure Vessels " Subcritical and Supercritical Water Oxidation Behaviors of Heat-resistant Steels" (2022)
  • JSPS Grand-in-Aid for Transformative Research Areas (A) "Science for Super-Titanium Creation in Super Thermal Field" (2021)
  • CAO/JST SIP ”Materials Integration for Revolutionary Design System of Structural Materials” (2018)
Center for Basic Research on Materials
Title

超臨界地熱発電用耐熱材料の評価と開発

Keywords

再生可能エネルギー，地熱発電，ケーシング材，耐熱鋼，腐食，酸化，高温高圧，超臨界水，水蒸気，酸性

Overview

超臨界地熱発電は二酸化炭素が発生しない再生可能エネルギーで、大型火力や原子力発電と同等の発電出力が得られ、他国の資源や昼夜･天候に依存することなくベースロード発電が可能であることから注目されている。この発電が利用する超臨界地熱流体は、酸化ケイ素等の固形不純物を含んだpH指数が2の酸性超臨界水であり、中性の熱水や水蒸気よりも金属材料を著しく酸化･腐食させることが予想される。そこで、固形不純物を含んだ酸性超臨界水による耐熱鋼の酸化･腐食試験を行う装置と方法を確立し、流体温度･圧力、不純物濃度やpH指数が耐熱鋼の酸化･腐食挙動に及ぼす影響を調査して、超臨界地熱流体を採取するための抗井ケーシング管に用いる材料を開発する。

Novelty and originality

● 超臨界水酸化試験装置の設計により650℃で23MPaまでの中性超臨界水よる酸化試験
● 固形不純物を含んだ酸性超臨界水による耐熱鋼の酸化･腐食試験を行う装置と方法の確立
● 流体温度･圧力、不純物濃度やpH指数が耐熱鋼の酸化･腐食挙動に及ぼす影響の系統的な調査
● 様々な地熱流体条件･環境における耐熱鋼の酸化･腐食挙動を予測するための材料モデリング技術の開発
● 超臨界地熱発電用坑井ケーシング材の選定･開発･設計およびカーボンニュートラルの実現

Details

image

超臨界地熱発電は、金属管の内枠（ケーシング）が付けられた坑井を地上から掘削し、火山地帯の深部3～5 kmに存在する400～500 ℃で30 MPa以上の超臨界状態（上図左）にある地熱流体を自噴させ、蒸気タービンを回して発電する方法である。しかし、金属材料の超臨界水に対する耐酸化性や耐腐食性に関する研究例やデータはほとんど無く、pH指数や不純物の影響を調べた結果は皆無である。そのため、超臨界地熱発電のケーシング材の選定も進んでいない。
そこで、圧力容器内で金属材料試験片を超臨界水に曝露できる超臨界水酸化試験装置（上図右）を設計し、9Crフェライト耐熱鋼と18Cr-8Niオーステナイト耐熱鋼の650℃における水蒸気－亜臨界水－超臨界水による酸化･腐食挙動を調査し、各材料の酸化速度定数の圧力依存性を決定した。また、種々の量の酸素を固溶させたチタン材料を500℃の超臨界水に曝露して酸化挙動を調査した結果、2 mass%までの酸素固溶は純チタンの超臨界水酸化に影響しないことを明らかにし、スクラップチタンが超臨界地熱発電プラントの高温構造部材に有効であることを示した。
今後は、酸性で固形不純物を含んだ、より地熱流体の実態に近い超臨界水による金属材料の酸化･腐食挙動の調査が必要である。しかし、酸性超臨界水を保持する圧力容器そのものが著しく酸化･腐食する恐れがあるため、試験片のみが酸性超臨界水に触れるように工夫した装置を設計･開発し、流体温度･圧力、不純物濃度やpH指数が耐熱鋼の酸化･腐食挙動に及ぼす影響を系統的に調査したい。

Summary

超臨界地熱は国内に豊富に存在すると予想され、昼夜･天候に関係無く利用できる再生可能エネルギーであるため、本研究により超臨界地熱流体の種々の条件が金属材料の酸化･腐食挙動に及ぼす影響を系統的に解明でき、超臨界地熱発電の坑井ケーシング材の設計に貢献できれば、カーボンニュートラルの実現に向けて大きく前進すると期待される。

Industrial Collaboration Office (Japanese text only)
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