Mg Soleil Project-5

I.         Introduction

1.1      Solar energy and Magnesium
1.2      Magnesium
1.3      Magnesium
1.4      Magnesium Fuel Cell (MgFC)
II.     Mg Soleil Project
2.1      Magnesium Recycling Society
2.2      Economic Effects


II. Mg Soleil Project
Mg Soleil project consists of:
1) To the gathered magnesium resources, including used magnesium;
2) To transport the smelted magnesium to target places; and
3) To use the magnesium products as intended. Examples: a) to convert the magnesium into electrical energy, for example, through the MgFC. b) to use the magnesium as light metal materials. The Mg Soleil project realizes a society (“magnesium recycling society”) where the magnesium is recyclably used with the aid of the solar energy. Mg Soleil project will pave the effective way to the "sustainable society"

2.1      Magnesium Recycling Society
The concept of the Mg Soleil project is pictorially shown in Fig. 1. Magnesium-contained materials naturally occurring, including used magnesium materials, are smelted by using solar energy to produce high purity magnesium (Mg).
The resultant magnesium takes the form of grain.　The grain magnesium is processed into flame-retardant magnesium. The flame-retardant magnesium is transported to target places.　In transportation of grain magnesium, no problem arises in the transportation.
The smelted magnesium stores solar energy.  In this sense, it serves as a carrier carrying solar energy.　The magnesium after used is smelted again and reused.　Note that the substantially limitless resources are recyclably used.　As seen from 2Mg + H2O → H2 + 2MgO, H2 can be generated. H2 has a variety of applications. Its typical application is the hydrogen fuel cell.
The following three technologies are essentially needed for the project.
1)       Mg smelting technology using solar heat
2)       MgFC (magnesium fuel cell)
3)       Technology to make Mg flame-retardant

Magnesium smelting technology:  Component technologies are substantially completed. A prototype of a smelting system using a solar furnace　was manufactured in his lab. The prototype successfully operated.

MgFC: The MgFC has been developed in such a level as to be operable as an emergency-use battery. The MgFC for automobiles is under development. The MgFC successfully produced about 80% of its theoretical electric capacity of the magnesium electrode (negative electrode). The problem that is left to the MgFC will be how to increase the electric capacity of the positive (air) electrode. The details of the MgFC will be given later. The technology for making Mg flame-retardant: Its research and development have already been completed. The technologies 1) and 2) will be subsequently described in detail.

2.2      Economic Effects

At least the following businesses will be produced during the course of carrying out the Mag Soleil project:
1)       To make magnesium flame-retardant
2)       To miniaturize magnesium into grain
3)       To sell furnaces (solar furnace, bio-furnace, fossil
           fuel furnace)
4)       To smelt magnesium
5)       To transport magnesium products to target places
6)       To make retort (at 1,200 degrees C, 1 Torr pressure
           reduction)
7)       To manufacture magnesium and air electrodes for dry and
           wet batteries
8)       To convert Mg (OH)2 →MgO
9)       To transport used magnesium to desert sites
10)     To take out and to separate semi-products
11)     To generate electric power by MgFCs
12)     To supply chains
13)     To operate recovery chains

"Hydrogen society" has been well known as a future energy society.  Many problems are still involved in the hydrogen when it is put into practice, however. More technology development is needed in generation, storage, and transportation of hydrogen. Much cost must be consumed for developing hydrogen technologies for its practical use.  I have never heard that the hydrogen embrittlement problem has been solved.  The hydrogen equipment being currently practically used is still expensive.  The hydrogen stations are still at high cost, 6 Oku-Yen/one station.

II. Mg Soleil Project

Mg Soleil project：
1) 収集したマグネシウム資源 （使用後のマグネシウムを含む） を精錬する。
2) 精錬したマグネシウムを目的地に運搬する。
3) マグネシウムを用途に合わせて使用する。
例：a) マグネシウムを MgFC を介して電気エネルギーに変換する。
b) マグネシウムを軽量金属材料として利用する。
Mg Soleil project は、このように太陽光を介しマグネシウムを循環的に利用する社会(Mg 循環社会)を実現する。壮大なスケールを持つプロジェクトである。「持続可能な社会」実現の切り札となる。

2.1 Mg 循環社会
Mg Soleil project の概念を Fig. 1 に絵図で示す。
天然にあるマグネシウム含有物（使用済マグネシウム）を、太陽光エネルギーを用いて精錬し、純度の高いマグネシウム（Mg）を得る。得たマグネシウムは粒状である。これを難燃化する。難燃化したマグネシウムを目的地に運ぶ。粒状物を運ぶ形となる。輸送上何の問題もない。精錬後のマグネシウムは太陽光エネルギーを内部に蓄えている。この意味でこのマグネシウムは太陽光エネルギーのキャリアとなる。使用後の酸化マグネシウムは再び精錬し、再利用する。無限に存在する資源の再利用である。
このように、マグネシウムは電気エネルギー等として、さらに軽金属材料として利用される。また、2Mg + H2O → H2 + 2MgO で示すように、H2 の発生が可能である。H2 は水素燃料電池の燃料として利用できる。
この Mg 循環社会の実現には、以下の三つの技術が必要である。
1) Mg の精錬技術 (太陽熱を利用した)
2) マグネシウム発電
3) マグネシウムの難燃化
マグネシウム精錬技術： 要素技術はほぼ完成している。その prototype は成功している、lab で。マグネシウム発電： 開発途上である。緊急用電源としては実用域に達している。マグネシウム電極（負極）の理論電気容量の約80%を取り出している。問題は空気極（正極）の容量値の上げであろう。詳細は後で述べる。マグネシウムの難燃化：この技術はすでに完成している。
1)   と 2)の技術については後述する。

2.2 経済的効果
1)   Mg Soleil project の実行おいて、以下のような事業が発生する。
1) マグネシウムの難燃化
2) 得たマグネシウムの粒化
3) 炉販売（太陽炉、バイオ炉、化石炉）
4) マグネシウムの精錬事業
5) 製品となったマグネシウムの国内への輸送
6) レトルト（retort）化 1,200℃加熱、1Torr 減圧）
7) 電池化（湿＆乾）、Mg 極 ＆ 空気極事業
8) Mg(OH)2 →MgO 事業
9) 使用済みマグネシウムの砂漠へ輸送事業
10)  取り出し・分離事業
11)  MgFC 発電事業
12)  サプライチェーン事業
13)   回収チェーン事業

「水素社会」が言われている。しかし、水素の扱いについては問題を抱えたままである。その発生、貯蔵、運搬にさらなる技術の開発が必要であり、費用もかかる。さ らに、水素脆化の問題、これも完全に解決されたという話を聞かない。費用に関 しては水素stations を見ればわかる。６億円/station と言われている。

Mg Soleil Project-4

I.         Introduction
1.1      Solar energy and Magnesium
1.2      Magnesium Smelting
1.3      Magnesium
1.4      Magnesium Fuel Cell (MgFC)

1.3      Magnesium
Magnesium is one of future metal materials.
The magnesium resources are almost limitless and eternally available. The magnesium materials that are mainly and currently smelted: seawater (MgCl2), underground salt water, dolomite (MgCO3･CaCO3), and magnesite (MgCO3).
Magnesium has excellent properties as the practical metal material. It is the lightest of the metal materials.
Further, it has excellent properties of specific strength, specific rigidity, vibration absorption, machinability, and depression resistance when compared with those of other metal materials.
Of the demand items of magnesium, the die casting product for automobiles exhibits a sharp increase of demand. This is the world trend.  The trend will be more and more intensified in future. The demand item of magnesium as an additive to the aluminum based alloy (around 40%) is the largest one at present.
Prof. Kohama has long engaged the development of the next generation high speed transport system (AeroTrain). Flame- retardant magnesium alloy (Mg-Al-Ca, developed by AIST) is used for making the train body.
The renewable energy- based power generators, such as solar battery and wind power, suffices for powering the train.
ART003  (AeroTrain movie): Fuel consumption amount = less than the half of that by Shinkansen, and = less than 1/5 of that by Linear Motor Car.

1.4      Magnesium Fuel Cell
The magnesium fuel cell (MgFC) has been developed in such a level as to be operable as an emergency-use battery. The MgFC for automobiles is under development. The MgFC belongs to the category of the metal – air battery.
Negative electrode = magnesium alloy containing aluminum and calcium
Electrolytic solution = one selected from among sodium chloride solution, sodium hydroxide solution, sodium bicarbonate solution, and sodium percarbonate solution.
The positive electrode uses oxygen as an active material. Oxygen is taken into the battery though the positive electrode from external air. The MgFC successfully solved the self-discharge problem inherent to this type of the battery.
No self-discharge problem enables the magnesium-air battery to continuously operate. This fact is technologically significant. The MgFC has a mass energy density of 2.6 kWh/kg. The figure is 10 times larger than that of the lithium battery. MgFC is capable of powering the vehicle 500 km with 20 kg of magnesium.
The MgFC is scalable and its scale is expandable as intended. MgFC plants that can satisfy the whole electric energy consumed by the nation may be constructed. Prof. Kohama advocates swiftly energy- shifting from the traditional energy such as nuclear energy and fossil energy to magnesium fuel energy. He made a rough estimate of the building cost of a 1,000,000 kW magnesium plant at about 1000 Oku- Yen. Its details consist of about 500 Oku-Yen (magnesium smelting plant) and about 500 Oku-Yen (MgFC plant). 1000 Oku-Yen is lower than the half of the nuclear power plant.

1.3 Magnesium
マグネシウムは未来金属である。
マグネシウム資源はほぼ無限である。約 800 トンの海水に１トンの割合でマグネシウムが存在する。
現在、主に使用されるマグネシウムの精錬原料：海水(MgCl2)、地下かん水、ドロマイト(MgCO3 ･CaCO3)およびマグネサイト(MgCO3)。
その実用金属としての特性は非常に優れている。金属の中で最も軽い。比強度、比剛性、振動吸収性、切削性、耐くぼみ性などにおいても、他金属に比べて優れている。放熱特性がよく、電磁波に対してのシールド性がよい。 マグネシウムの需要項目の中で自動車用ダイカストの伸びが大きい。これは世界的な 傾向である。今後これは強まってゆく。アルミニウムをベースとした合金種への添加材（全体の約40%）、これが現在の最大の需要先である。
Prof. Kohama は次世代高速輸送システムの開発に長い間携わっている。 この車体に難燃性マグネシウム合金（Mg-Al-Ca合金、産総研九州センターが開発）を使用している。輸送体の駆動は太陽電池などの自然エネルギーによる発電電力で間に合う。 ART003 号機 (走行試験動画)。燃料消費量 = 新幹線の半分以下、リニアの 1/5 以下。

1.4 マグネシウム燃料電池
マグネシウム燃料電池（MgFC）は緊急用電池としては利用可能なレベルにある。自動車用   MgFCに向けて開発を進めている。後で詳しく述べる。マグネシウム燃料電池は金属―空気電池の一種。
負極材 = アルミニウム及びカルシウムを含有するマグネシウム合金電解液 = 塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、及び過炭酸ナトリウム水溶液からなる群から選ばれる少なくとも１つ。
陽極は酸素を活物質として使う。空気を陽極から取り入れて空気中の酸素を利用する。このMgFCは自己放電の問題を解決した。この種電池の持続動作を可能にした。意味は大きい。MgFC の理論エネルギー貯蔵量 2.6Ah/g。リチウムイオン電池の 10 倍以上。車に適用した場合、重量２０ｋｇで５００ｋｍ の走行が可能。
MgFC は scalable であり、用途に合わせて規模を拡大できる。日本国内の全必要エネルギーをマグネシウム燃料電池で賄える。Prof.   Kohama   は原子力・化石燃料からマグネシウム燃料へのエネルギーシフトを早急に行うべきとしている。 100 万 kW 級マグネシウムプラントの建設費は約 1000億円。 内訳は１）約 500 億円 = Mg 精錬プラント ＋ 2) 約 500 億円 = Mg 燃料電池プラント。 原発の半分以下。

Mg Soleil Project-3

I.         Introduction

1.1      Solar energy and Magnesium
1.2      Magnesium Smelting

1.1      Solar Energy and Magnesium
There are six types of primary energies available on the earth. Comparative calculation of those energies shows that solar energy is 64% or more of the total amount of those primary energies. The solar energy is limitless in amount and eternally available on the earth.    Magnesium is ranked in the 8th place in Clarke number, and is abundant in the Earth's crust and seawater. The fact leads to cheap resultant products.

Another famous professor having an approach to the technology development, which is similar to that of Prof. Kohama is present.   He is Prof. Donald R. Sadoway of MIT (Massachusetts Institute of Technology), who is widely recognized as a leading battery and energy storage expert.

He engages in developing grid-scale liquid metal battery (Mg and Sb electrodes, and a molten salt electrolyte) in cooperation with his group (Ambri Inc.). His basic approach to the battery development is to use materials that are abundant and readily available at neat locations. The approach leads to cost reduction of the resultant products, as a matter of course.

1.2 Magnesium Smelting
Magnesium compounds occurring naturally, which are gathered, are smelted by using solar energy. The resultant magnesium is utilized for its intents and purposes.

A solar furnace is used for the smelting process. The well-known Pidgeon process is employed for the smelting. The Pidgeon has long been in practical use, and there is no need of developing any additional technology in executing the process. Japan also smelted magnesium by using the Pidgeon process 20 years ago. A main reason why the Pidgeon process was employed is for easy development in executing the Mg Soleil project.

The Pidgeon process uses high temperature of 1,200 degrees C and catalyst for smelting. The high temperature is created by burning coal (inevitably emitting a large amount of CO2).

The Mg Soleil project uses a solar furnace to create the 1,200 degrees C temperature. Tohoku University of Prof. Kohama has long has long and successfully utilized the solar furnace for material research. The solar furnace produced high temperature near to 4,000 degrees C. There is no problem to produce 1,200 degrees C.

Prof. Kohama manufactured a prototype of the solar furnace in his lab.  The prototype successfully operated as intended.  He continues his research and development of the solar furnace while making the scale-up of the solar furnace. Note that the magnesium smelting process is performed substantially based on the solar energy. This indicates that the Kohama’s smelting solar furnace imposes little load to the environment.

1.1. 太陽光エネルギーとマグネシウム

地球上で利用可能な 1 次エネルギー６種類、その中の 64%以上が太陽光エネルギー。 無限で、絶えることがない。マグネシウムのクラーク数は８番目であり、地表および海水に広く、多量に存在する。これはできた製品の廉価につながる。

類似の考えを持つ人がいる。MIT の Donald R. Sadoway だ。氏は grid-scale liquid metal battery (Mg and Sb electrodes, and a molten salt electrolyte ) を開発している (Ambri Inc.）。氏の開発理念は電池に使用する材料 は豊富で、身近で入手し得る材料を使う、である。これは結果物である製品の廉価につながる。

1.2 マグネシウム精錬
天然に存在するマグネシウム、そして使用済みマグネシウムを精錬し、得たマグネシウ ムを利用する。
 
マグネシウムの精錬は太陽炉を用いて行う。精錬 process としては周知のピジョン process を用いる。 この技術は実用化されている技術であり、今それを実施するにあたり新たに開発する 技術は何もない。 日本でも２０年前にこの方法でマグネシウムの精錬を行っていた。Mg Soleil Projectの開発と進行の迅速を目的 にこの方法を採用した。
 
ピジョン process では 1,200 ℃の温度と触媒を使う。この高温は石炭を燃焼させて得る。大量の CO2 の発生を伴う。
 
Mg Soleil プロジェクトでは 1,200 ℃の温度を太陽炉で得る。太陽炉の利用に長い実績がある。4,000 ℃近い温度を得ている。1,200 ℃の温度は全く問題がない。lab でマグネシウム精錬太陽炉の prototype を作製し、その作動に成功している。規模を上げ、実験を継続している。このように精錬は実質太陽エネルギーを用いて行う。環境への負荷はほぼゼロ。