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特集

脱炭素社会に向けた石炭との付き合い方

特

将来の石炭および炭素資源利用のあり方に関する考察

集

林 潤一郎
発電等の規模感）を掴んでみる。後述するが，その条件を満1．はじめにたすのは可能かもしれないが相当に難しい。そこで，このことを踏まえ，エネルギー需要の一部を石炭利用によって社会の低炭素化，脱炭素化が叫ばれる中，石炭の利用は満たさざるを得ない場合の，カーボンニュートラルあるい最先端の転換技術をもってしても逆風の真っ只中にある。

はネガティブ転換の実現に向けたコンセプトと関連技術を例えば，日本政府はこれまで一定条件を満たした石炭火力考察する。

設備の輸出に対して，国際協力銀行の低利融資等による輸2．再エネのみで最終エネルギー消費を支えられるか？

出コスト引き下げを支援してきたが，如何なる石炭利用も温暖化ガス排出を長期間固定化するとの理由によって英国，米国をはじめとする国際社会からの批判を受けていわが国の年間発電電力量（ただし，2018 年）は，約 10,500 億る。国内メガバンクによる石炭火力新設への投融資の原則停止（2019 〜 2020）も記憶に新しい。

kWh である。この電力を太陽光発電によって生産するた石炭転換によって不可避的に発生する CO2 を分離回収めに必要な土地面積を以下の仮定に従って試算してみる。

し，地中に貯留する carbon capture and storage（CCS）技術は，再エネ電力としては風力も考えるべきであることを承知し現状では，石炭利用が今後許容されるための必須条件であているが，現在までの国内の設備容量は太陽光発電より 1るように見えるが，一方，太陽光，風力等の再生可能エネ桁小さいので，ここでは太陽光発電に限定することをお許ルギー（再エネ）に由来する電力の低価格化が世界的に進んし願いたい。1）システム容量 1 kW の太陽光パネル設置面でおり，実現できないリスクがあるだけでなく実現できて積は 10 m2，2）システム容量 1 kW あたりの年間発電電力量も割高になる石炭利用，さらには石油や天然ガスを併せたは 1.2 MWh，3）十分な蓄電設備を前提とする電力の有効利

化石資源の利用をできるだけ早期に停止し，再エネのみで用率は 90％（蓄電に伴う電力損失率 10％），4）発電設備を設置

エネルギー需要を賄う社会を実現すべきとの意見が主流にする土地の面積余裕率は 20％。試算結果は約 12,000 km2 でなりつつあるように見える。エネルギー需給の長期的な構あったが，この面積はわが国の総宅地面積（15,600 km2）の造変化への過渡期にある現在，産業界が比較的短期で対応77％に相当する。

できるものとしては，本特集でも取り上げている発電部門

次に，発電以外の石炭利用，すなわち鉄鋼生産およびセや産業部門における CO2 排出量低減に寄与する石炭利用技

メント製造を太陽光電力に由来する水素および熱（ジュール術開発を挙げることができる。

熱）で置き換えてみる。鉄鉱石の還元は鉄鋼生産において

本稿では，このような背景を踏まえ，まず，わが国の一最も多くの CO2 を排出するので，廃鉄等の鉄鋼材料リサイ

次エネルギー供給，最終エネルギー消費の現状をベースとクルが CO2 排出削減に有効であることは自明だが，一方，して，それらを再エネのみによって賄うための条件（再エネ

世界の鉄鋼蓄積の増加に必要な鉄鋼生産のためには，当面は鉄鉱石還元による製鉄が必要というのが鉄鋼業界の考え

Consideration of Coal Conversion and Utilizationin Future Decarbonized Societies
Jun-ichiro HAYASHI（正会員）
1996 年 九州大学 博士（工学）
現 在 九州大学先導物質化学研究所 教授
連絡先；〒 816-8580 福岡県春日市春日公園
6-1
E-mail jun-ichiro_hayashi@cm.kyushu-u.ac.jp方である例えば参考文献 1）。そこで，わが国の粗鋼生産量（0.95 億トン，2018 年）と同等量の粗鋼を専ら水素による鉄鉱石の還元と還元鉄融解によって生産することを考える。粗鋼をFe とみなし，鉄鉱石（Fe2O3）を水素によって Fe に還元するために必要な水素を高効率水電解（未実用化，製造動力 4 kWh/Nm3-H2）によって製造するとともに，吸熱反応である水素

2021 年 4 月 5 日受理

第 85 巻

第 6 号（2021）（3）

著作権法により無断での転載等は禁止されています323

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テムの実証試験 5）が準備段階にある。

還元および還元鉄融解（1800 K）に必要な熱をジュール熱に特集

よって供給する場合に必要な総電力量は約 2,800 億 kWh で

上記の石炭火力発電は，いずれも燃焼あるいは部分燃焼ある。一方，セメント生産に必要なエネルギーは，その主（ガス化）によって石炭を転換する。エクセルギー論に基づ要部分としての石灰石脱炭酸のみを考える。わが国で 1 年

けば，それらの発電における最大のエクセルギー損失は，間に利用される石灰石（0.61 億トン／年；2018 年）を生石灰に燃焼あるいは部分燃焼で発生する化学エネルギー損失であ転換するのに必要な熱量をジュール熱として供給する場合る。したがって，更なる発電効率の向上には，発熱反応でに必要な電力量は少なくとも約 300 億 kWh である。このよある石炭あるいは燃料ガスの燃焼・部分燃焼の総括反応に

うに，鉄鋼・セメント生産に必要な電力量は上で想定した対する寄与を小さくする必要がある。IGCC および IGFC のプロセスのみを考慮した場合でも3,100億kWh程度になる。

アドバンスドタイプとして提案された先進 IGCC およびさらに，天然ガス，石油およびこれらに由来する製品（燃IGFC（A-IGCC および A-IGFC4）は，ガスタービンあるいは燃料料）のエネルギー消費も再エネ電力で置き換えてみる。資電池（FC）からの排熱によって吸熱反応（エクセルギー再生型の源エネルギー庁による統計に基づくわが国のエネルギーバ石炭ガス化）を駆動するもので，57 〜 65％の効率が試算されランス・フロー（2018 年） を解析すると，石油由来製品のている。このような発電効率の向上は，換言すれば CO2 排最終消費は輸送用燃料（自動車等の燃料）；3.0 EJ，加熱等の出係数の低減であり，発電コストに占める CCS コストのための燃料；3.4 EJ，天然ガスの場合は，都市ガスとして削減にも直接貢献する。

2）の利用（加熱等）；1.1 EJ がある。以上に産業用の加熱・上記エクセルギー再生と脱燃焼を同時に実現できれば，原理

発生用途；0.9 EJ を合わせると，8.5 EJ のエネルギー消費

的には石炭を燃料とする発電の効率はさらに向上する。となる。自動車や加熱の電化によるエネルギー効率の大幅

Tsutsumi ら 6）が提案した Super IGFC は，石炭の水蒸気ガスな向上を（荒っぽいが）3 倍とすると，上記の 8.5 EJ は約 7,800化（吸熱反応）を FC 排熱のみによって駆動し，シフト反応と億 kWh の電力で代替されると概算される。

ガス分離を経て得られる水素を燃料として FC を駆動し，以上に試算した電力量の合計は，＝ 21,400 億 kWh とな

さらに蒸気タービンも駆動する複合発電である。エクセルる。これは，さきの試算と同様の方法で土地面積に換算す

ギー解析によれば，理想化した Super IGFC の効率は（驚くると，24,800 km（宅地面積の 1.6 倍）となる。電力消費デバイ

ことに）89％であり，部分燃焼ガス化およびガスタービン燃スの効率は今後も向上すると期待されるが，それによる電焼の排除によるエクセルギー損失低減の効果が著しい。

力需要減を期待するのは楽観的に過ぎる。高度情報化に伴Super IGFC は 未 だ 本 格 的 研 究 開 発 に 至 っ て い な い が，う電力消費量の増加が著しいためである。24,800 km とい

700℃の触媒水蒸気ガス化による褐炭の完全転換 7），石炭

う面積は，筆者が住む福岡県の面積に，同県に隣接する佐ガス化にそのまま適用できる可能性がある円筒電極挿入式

賀県，長崎県，大分県および熊本県の面積を加えたものにの溶融炭酸塩型燃料電池 8）（一種のダイレクトカーボン燃料電ほぼ等しい。このように，わが国のエネルギー需要を太陽池）による高効率発電の基礎研究が進んでいる。

22

光発電＋蓄電のみで賄うのは，決して不可能とは言えない

4．コ プロダクション～カーボンニュート
ラル／ネガティブな電力と炭素資源の併産は実現するか？

が，政府の相当な決断があったとしても容易でないことは明らかである。最近，海外からの大規模な水素輸入等が検討されているが，それのみによって容易に解決できる問題とは言えない。

4.1

3．発電の高効率化～究極の複合発電は実現するか？

CCS の課題とコプロダクション

CO2 の発生が不可避である発電等と CCS の組み合わせがカーボンニュートラル炭素資源転換の最有力候補であることは既に述べたが，CCS の実用化には，プロセスから排出

わが国は石炭（微粉炭） 火力発電の技術に関して世界のされる CO2 の分離・回収よりもその後の輸送と地下貯留をトップランナーであり，世界最高水準の蒸気温度を達成し実現できるかどうかが障壁となろう。世界規模で見れば，た超々臨界圧火力プラントの発電効率は約 43％（石炭 HHV

地層の潜在な CO2 貯留容量は人為的 CO2 を当面の間貯留し基準）である 。これまで，関係省庁によるロードマップ続けるのに十分であり，貯留容量は制約でないと考えられる

3）

4）

に従い，先進超々臨界圧（A-USC；発電効率〜 46％），ガス化

9）

複合発電（IGCC；46 〜 50％），ガス化燃料電池複合発電（IGFC；

CO2 を圧入，貯留する方式では投資コストを回収できない55％）が開発され，このうちIGCCは国内で商用化しており，との厳しい見方もある。分離回収した CO2 を液化して海外

IGFC は，CO2 分離回収と燃料電池（FC）を組み込んだシスの受入地に輸送する場合は CO2 の国際取引に由来する経済324。しかしながら，わが国がそうであるように，帯水層に（4）

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化学工学公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/的・政治的リスクが生じることを考えれば，CCS（CO2 貯留）

表1頼みの石炭利用でよいのか，との疑問も生じる。
CCS の代替となり得るのは，石炭から電力と「地上で貯天然ガス（CH4） 石炭（CH4）

改質剤

水蒸気

CO2水蒸気CO2

発電効率，％ -LHV ※ 138.5

46.245.855.9

オレフィン（CnH2n）

0.62

0.48

0.260.17

メタノール（CH4O）

0.62

0.48

0.260.17

二次炭素資源収率，原料炭素基準中で筆者が有望と考えるコプロダクションは従来からある
IGCC コプロダクション（電力と合成ガスあるいはそれに由来する化学品の併産） の原理を革新したもので，前節に述べた

Super IGFC の概念（脱燃焼および FC 排熱による吸熱的ガス化駆動）にも基づく。コプロダクションの概念図を図 110）

ギ酸（CH2O2）

1.87

1.440.790.49

シュウ酸（C2H2O4）

3.74

2.89

1.580.99※1に示

燃料電池の発電効率（基準：消費した水素の LHV）が 60％の場合。

す。コプロダクションは，石炭あるいは他の炭素資源の吸熱的ガス化（改質），燃料電池（発電・熱供給），シフト反応，率が異なる（表 1）。コプロダクションは，生産する化学品

ガス分離および合成ガス転換の五つの主要プロセスからなが酸素リッチ・水素プアであるほど同じ発電効率におけるる。

化学品収率が高くなる。褐炭を原料とする場合，特にシュ断熱系を仮定したシステムの数値シミュレーション結果

ウ酸を生産する場合，その収率が 1 を超えており，コプロの例（原料；褐炭，メタン）を図 2 に示す。図中の各直線の右ダクションによって自立したカーボンネガティブ発電（外端は，FC の発電効率（消費される H2 の LHV 基準）を 60％とした部から CO2 を正味で取り込んで有機物化する発電）の可能性がある

場合に相当し，原料と改質剤の組み合わせによって発電効と言える。水素リッチ原料であるメタンの場合は，極めて高いシュウ酸収率が得られることが分かる。しかしながfeedstockgasifier (reformer)

steamsyngas

ら，二次炭素資源として有機酸を生産するコプロダクショ

heat supply to
steam generator

ンを実現するには，システム・要素技術の開発は無論，有shift reactor

機酸の貯留（地上）と利用に大きな課題がある。一方，オレsyngas converters
joule
heat

heat & steam/H2 supply
fuel cell(MCFC or SOFC)

O2フィンを合成する場合は，原料炭素の一部をそれに転換す

H2/CO2/steam
H2/CO/CO2/steam
H2Power

H2/CO2 or
H2/CO2Gas separator

steam or water CO2 (a)CO2 (b)

るに過ぎないものの，基幹化合物を電力とともに生産できるアドバンテージがある。

secondarycarbon resource

4.2(a) discharge of CO2 for carbon-positive coproduction(b) intake of CO2 in case of carbon-negative coproduction

コプロダクションと製鉄の結合

製鉄プロセスは，カーボンネガティブコプロダクション

図 1 コプロダクションシステム（改質剤：水蒸気）の概念図
MCFC：溶融炭酸塩形燃料電池（溶融塩がガス化反応場となる），SOFC：固体酸化物形燃料電池で生産したシュウ酸の一部を製鉄プロセスに利用することによってカーボンニュートラル化できる。シュウ酸は水素キャリアであり，このうち後者の水溶液は，鉄鉱石中の鉄

Yield based on coal or CH4 carbon分をシュウ酸鉄（Ⅲ）として水溶液中に高濃度で溶解する。
steam gasification
CO2 gasification

36され，固体として析出する。さらに，シュウ酸鉄（Ⅱ）
は適切な雰囲気中で加熱すると，外部からの水素供給を要せず

oxalic acid

oxalic acidに 500℃以下の低温で還元鉄に転化する 11）。シュウ酸合成

24には水素が必要だが，鉄鉱石を鉄に還元するのに必要な正味の水素量はさきに述べた水素還元の場合と同じである。

formic acidformic acid1

シュウ酸の分解によって生じた CO2 をコプロダクションに2Coal00.2

全量戻すことによって，石炭を使いながらのカーボン

olefinolefin0

シュウ酸鉄（Ⅲ）は日光照射によってシュウ酸鉄（Ⅱ）に還元

steam reforming
CO2 reforming

0.40.60

ニュートラル製鉄が可能となる。シュウ酸をメディアとす

CH400.20.4

る鉄鉱石還元法は，溶解工程を経るため還元鉄を高純度が0.6しやすい等の優位性もあり，今後の技術開発が期待される。

Electrical efficiency on coal or CH4 LHV basis, -4.3

図2 プロダクションの発電効率と二次炭素資源の炭素基準収コ率の関係
左：石炭（褐炭；CH0.9O0.3），右：メタン。各線の右端：FC の発電効率（消費した H2 の LHV 基準）が 60％，左端（効率 0）：発生電力を全てジュール熱としてガス化・改質に供給した場合。合成ガス
転換反応（総括）はいずれも発熱なので，熱自立すると仮定
第 85 巻

第 6 号（2021）

カーボンニュートラルセメント製造

合成ガスからのシュウ酸合成は，セメント製造のカーボンニュートラル化にも貢献する可能性がある。図 3 に示したように，高温焼成炉において石灰石の脱炭酸による生石灰の製造，炭素資源の改質および部分燃焼（高温ガス発生の（5）

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325

集原料

特留可能な固体あるいは液体」を生産する技術である。そのコプロダクションの発電効率と二次炭素資源収率（例）公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/

CaCO3
CH4O2
steam

特H2100 mol
100
92.5
96185

reformer &calciner@1300 K

CaO
(98.8%)

steam/H2/CO/CO2

H2
CO
CO2

membraneseparator& cooler

shift reactor &steam generator
water

集

図3

CCS あるいは炭素資源転換原理を革新したコプロダクショ
ンによるカーボンニュートラル石炭利用は，再エネ電力生syngas
converters

産は国土面積等によって強い制約を受けるわが国にとって，2050〜2060年頃まで，あるいはそれ以降も欠かせない，あるいはエネルギー安全保障上必要となる可能性がある。

methanol (46.4)
oxalic acid (76)
CO2 (0)

また，高度石炭転換技術はバイオマス転換に即転用可能なものが少なくなく，国際的な普及も期待される。

 ーボンニュートラル石灰石焼成プロセスの概念図（ただカし，炭素資源がメタンの場合）

参考文献
1）日本製鉄カーボンニュートラルビジョン 2050, https://www.nipponsteel.com/ir/
library/pdf/20210330_ZC.pdf（2021）
2）高江俊介：東芝レビュー , 74, 18-21（2019）
3）資源エネルギー庁：石炭火力の新設基準の考え方について , https://www.meti.
go.jp/shingikai/enecho/shoene_shinene/sho_energy/karyoku_hatsuden/pdf/
h30_01_05_00.pdf（2016）
4）JCOAL：次世代高効率石炭ガス化発電プロセス , http://www.jcoal.or.jp/coaldb/
shiryo/other/2_2B5.pdf
5）大崎クールジェン（株）：第 3 段階 CO2 分離・回収型 IGFC 実証 , https://www.
osaki-coolgen.jp/project/step3.html
6）Panthi, D., B. Choi and A. Tsutsumi：Proc. AIChE 2012 Spring Meeting and 8th
Global Cong. Process Safety 2012; Houston, TX（2012）
7）Yang, H. et al.：Energy Fuels, 30（3）, 1616-1627（2016）
8）Sugiura, K. et al.：ECS Trans., 83, 151-157（2018）
9）Global CCS Institute：世界の CCS 動向 2020 年版 , https://www.globalccsinstitute.
com/wp-content/uploads/2021/03/Global-Status-of-CCS-Report-2020-Japanese.pdf
10）林潤一郎 , 前一廣：化学工学会第 50 回秋季大会 , A114-115（2018）11）Santawaja, P. et al.：ACS Sustainable Chem. Eng., 8（35）, 13292-13301（2020）
12）林潤一郎：学術振興会第 148 委員会講演会資料（2018）

ため不可欠）を同時におこない，生石灰とともに生成した合成ガスを（例えば）メタノールとシュウ酸に転換することによって CO2 の発生をゼロにできる可能性がある 12）。

5．おわりに
本稿では，石炭あるいは天然ガスを利用する発電，製鉄およびセメント製造のカーボンニュートラル化の可能性を，現在実証中のシステムから概念が提案されている段階のシステムにわたって考察した。本稿で述べたように，

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