◆革新的環境技術シンポジウム◆CO2分離回収技術開発の世界動向とRITEの取組み(公財)地球環境産業技術研究機構（RITE）
化学研究グループ
風間 伸吾

1

目次

１．はじめにCO2分離回収における「安心、安全、安価（3A)」
２． CO2分離回収における世界動向（3Aへの取組み)
３．「３A」の実現に向けたRITEの取組み
・アミン吸収液
・分子ゲート膜
・固体吸収材・膜-吸収ハイブリッド
４．まとめ
2

CO2回収に求められる３A

CCSでのCO2回収に求められること・安心 （Anshin） ⇒有効な技術

・安全 （Anzen） ⇒環境負荷が極小
・安価 （Anka） ⇒市場の受容れ３Aの実現が国民の受容れに重要！
RITEは、この3つのAの実現を目指す！
3

安心(Anshin)
・IPCC Special Report“Carbon Dioxide Capture and Storage”（2006年2月公開）
でCO2排出量抑制におけるCCSの有効性が示される。
・“IEA CCS技術ロードマップ2009”で、2050年にＣＯ２削減の約20%（9 Gt-CO2）をCCSが担う。

2020年までに100個のプロジェクト（発電部門（1.5-4.5Mt/年） ： ３８個）を、2050年までに3400個のプロジェクトを立ち上げる必要がある。（ＩＥＡﾛｰﾄﾞﾏｯﾌﾟ）4

安全(Anzen)

・膨大な量のCO2を取扱うため追加的な安全の確認が重要
・ひとつは、2次的な環境汚染が無いこと→環境への影響の評価
・安全(安心)の実現には、
１．基礎データの取得（ラボ試験）
２．実証試験が必要
5

安価(Anka)

まだＣＯ２回収コストが高い！
安価の実現には、
１．今ある技術を使いこなす⇒現行技術のプロセス条件の最適化
・ﾌﾟﾛｾｽｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ精度向上
・実証試験での確認と経験の蓄積

２．新たな技術を作る
・革新的技術の開発
6

CCSコストの内訳
分離・回収

昇圧・輸送

圧入
圧入施設
圧入施設

ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ
ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ
大規模排出源 分離・回収 施設

大規模排出源分離・回収施設

回収貯留量：100万t-CO2/年
輸送距離：20km、7MPa
圧入：10MPa、ERD、10万t-CO2/年/本
深度：1000m

地層
地層圧送 施設

圧送施設

7,300～12,400円/t-CO2

貯留層貯留層

分離回収
昇圧
輸送
圧入

新設石炭火力発電所～帯水層貯留

５８％
４,２００円

8００円

2,3００円既設石炭火力発電所改造～帯水層貯留

６３％
７,８００円

0

2000

4000

6000

１,２００円8000

コ ス ト （円／t-CO2）

３,４００円

10000

12000

＜RITE成果報告書H17年度 ＞

14000
77

分離・回収 技術ロードマップ
2010

2020
▼

分離コスト 4,200円/tCO2

化学吸収

コストダウン・低再生ｴﾈﾙｷﾞｰ
吸収液開発
・未利用排熱利用・システム開発

技術確立

2030

2040

2050

CO2分離・回収本格適用

2,000円台/tCO2
分離ﾌﾟﾛｾｽの実現

更なるコストダウン
更なる適用範囲の拡大

さらに分離膜の高圧ガス適用で1,500円台に1,000円
台/tCO2・分離膜の大型化・連続製造

膜分離
物理吸収
吸着
深冷分離

高選択性
膜開発

コストダウン
大規模化

更なるコストダウン
更なる適用範囲の拡大
更なるコストダウン
更なる適用範囲の拡大

新方式基礎研究/適用検討

CO2地中貯留

RITE化学グループ

CO2海洋隔離石炭ガス複合発電（IGCC)
先進的超々臨界圧発電（A-USC)
石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC）

88

環境影響の世界動向(安全)2010年2月16日の会議：「燃焼後回収におけるアミン放散の環境影響」（主催：IEAGHG）“Environmental Impacts of Amine Emissions during Post Combustion Capture”
Oslo, Norway, 16th February 20102011年8月16日の会議：「燃焼後回収におけるアミンの健康と環境毒性」（主催：EPRI: Electric Power Research Institute）“Health and Environmental Toxicity of Amines for Post-Combustion Capture”
Palo Alto, CA, USA, August 16~17, 20119

アミン放散の環境影響評価の内容(安全)（１）劣化物、揮散成分の評価（３）自然界への影響評価（２）拡散挙動、化学反応の検討（４）対策技術の提示“Environmental Impacts of Amine Emissions during Post Combustion Capture” Oslo, Norway, 16th Feb. 201010

ﾌﾟﾛｾｽｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ精度向上(安価)

CCSI：Carbon Capture Simulation Initiative (予算$20m)

・DOE/NETLが主宰。国立研究所、大学、企業が参画。
・コスト競争力のあるCCS技術の開発促進を目的とする。

NETL H.P.: NewsRoom, LabNotes - October 2011

11

RITE：ﾌﾟﾛｾｽｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ精度向上(安価)・RITE: CO2回収技術のインパクト評価の高度化①吸収法、②プロセス開発、③脱CO2排ガス、膜分離法等のプラント試験による回収CO2の材料開発

CO2回収技術の検討

環境影響評価（上記の情報に基づくエネルギー、コストの評価技術の開発）
CO2回収技術が発電システム等に及ぼすインパクトを評価する

国際共同研究連携・協力

CCSIを主宰するDOE/NETL
米国大学 等12

回収技術の主要国際会議(安価)
革新的ＣＯ２分離回収技術に関する主要国際会議：
1. ＧＨＧＴ： International Conference on Greenhouse
Gas Control Technologies(主催：ＩＥＡＧＨＧ 他)
ＧＨＧＴ-11は、2012年11月18-22日(京都)2. PCCC: Post Combustion Capture Conference(主催：ＩＥＡＧＨＧ)
1st PCCCは、 2011年5月17-19日(ｱﾌﾞﾀﾞﾋﾞ、ＵＡＥ)
3. NETL CO2 Capture Technology Meeting(主催：DOE/NETL)
2011年度は、2011年8月22-26日(ﾋﾟｯﾂﾊﾞｰｸﾞ、ＵＳＡ)
13

PCCC1
・2011年5月17~19日
・The Yas Hotel, Abu Dhabi, UAE
・Host: Masdar Carbon
Sponsors: Doosan Babcock, Gassnova, 三菱重工,EnBW
・参加者： 欧米を主に約110名、日本13名
・口頭発表2セッション計44件、ポスター19件
主たるテーマは、石炭燃焼排ガスから化学吸収法によりCO2を分離回収する技術-吸収液開発、基礎物性評価-劣化性、揮発性、金属腐食性-モデリング、シミュレーション-プラント試験-環境影響（7件）-次世代吸収液開発 等1st PCCC:プラント試験における吸収液評価
Technical Session: Pilot plant and Demonstration +Poster sessionからLinde, BASF,
RWE Power

IFP Energies
Novelles,
ENEL

Dong Energy,
Vattenfall,等(CESARﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ)

東芝

関西電力

新日鉄エンジ
ニアリング

吸収液

Gustav200
Ludwig540（仮名称？）

HiCapt（MEA40%+Inhibitor）

3mol AMP+2mol PZ

TS-1

新規吸収液

RITE開発液（COURSE50ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ）

評価プラント7t/d54t/d
Niederaussem， （Brindisi，ﾄﾞｲﾂ）伊）24t/d（Esbjerg，ﾃﾞﾝﾏｰｸ）

10t/d（三川発電所）2t/d（南港発電所）

30t/d

2.7~2.8
GJ/t-CO2

2.8
GJ/t-CO2

2.6
GJ/t-CO2

2.7
GJ/t-CO2（KS-1： 2.8）

2.7
GJ/t-CO2

回収エネルギー（熱統合技術含まず）

3~3.15
GJ/t-CO2

数ton~数10ton規模のプラント試験データが増えた。
ＣＯ２回収エネルギーは、2.6～2.8GJ/t-CO2（君津製鐵所、高炉ガス）

2011 CO2 Capture Technology Meeting
・DOE/NETLの研究開発プロジェクトの年次報告会
・出席者数： 327人（外国からは17カ国から54人）
・発表件数： 口頭発表 64件、ポスター発表 26件
燃焼前回収：
12件
酸素燃焼：
8件
ケミカル・ルーピング：
5件
燃焼後回収：
19件（吸収液：10件、吸着材：5件、膜：4件）

ラボ試験から実証試験までの幅広い研究開発16米国におけるCO2回収技術の展望(安価)J. Figureoa, NETL

17

CA模擬触媒の開発(安価)CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3-Roger Aines, Lawrence Livermore National Laboratory, Presentation at GCEP Carbon Capture Workshop
May 26-27, 2011, STANFORD UNIVERSITY, Stanford, California

18米国MTR社の分離膜システム(安価)

膜面積 914,000 m2⇒ システム開発の重要性

回収CO2濃度：88%19実証試験での確認、経験蓄積(安全/安価)
主要な実用化プロジェクト：
スライプナー（ﾉﾙｳｪｰ）： ｱﾐﾝ、天然ｶﾞｽ、100万ｔ/年、96年スノービット（ﾉﾙｳｪｰ） ： ｱﾐﾝ、天然ｶﾞｽ、70万ｔ/年、08年インサラ（ﾉﾙｳｪｰ） ：ｱﾐﾝ、天然ｶﾞｽ、100万ｔ/年、04年主要な実証プロジェクト：
ラック（仏）：
純酸素、発電ﾌﾟﾗﾝﾄ、6万ｔ/年、09年マウンテニア（米） ： ﾁﾙﾄｱﾝﾓﾆｱ、発電ﾌﾟﾗﾝﾄ、10万ｔ/年、09年モンスタッド（ﾉﾙｳｪｰ） ：ﾁﾙﾄｱﾝﾓﾆｱ、ｱﾐﾝ、発電ﾌﾟﾗﾝﾄ、10万ｔ/年

20苫小牧地点における実証試験計画(案)

CCS実証試験実施に向けた専門検討会(第2回)(H23.11.10.)資料：苫小牧地点における実証試験計画(案)より

21

苫小牧地点におけるCO2回収実証試験(案)PSA下流ガス
運転圧力：0.13MPa
CO2濃度：52.5mol%
CO2分圧：0.068MPa

CCS実証試験実施に向けた専門検討会(第2回)(H23.11.10.)資料：苫小牧地点における実証試験計画(案)より

22

CO2分離回収システム(案)CCS実証試験実施に向けた専門検討会(第2回)(H23.11.10.)資料：苫小牧地点における実証試験計画(案)より

23

RITEの取組：発生源に適したＣＯ２回収技術
発生源の規模・CO2ガス圧により最適な回収技術の開発
火力発電所

国内CO2発生量(億トン/年）

製鉄所（高炉等）

セメント工場

製油所等

1.8

0.50.1低圧

低圧

高圧、低圧3.7

CO2ガス圧力 低圧、高圧（IGCC）

適用

大規模
低圧・高圧

大～中・小規模
中・高圧

中規模
中・高圧

方法

化学吸収法

膜分離法

吸着法

24新規なアミン吸収液の開発(COCS) (安価)
「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発」(COCS: Cost-Saving CO2 Capture System, 2004～08年度）
化学吸収法を用いた低コストCO2分離回収技術の開発
製鉄所

(貯留)

化学吸収法
CO2 conc.
2％

高炉ガス
CO2 conc.
20％（Absorption）（Regeneration）（Reboiler）

1. 新吸収液開発

CO2分離回収コスト半減

CO2 conc.
99％

2. 低品位廃熱利用

CO2分離回収エネルギー：2.5 GJ/t-CO225

COURSE50(安価)ＣＯＣＳの成果を引き継ぐ新化学吸収液とプロセスの開発（NEDO事業） H20～H24年【目標（H24年度）】 分離回収エネルギー 2.0GJ/t-CO2新アミン液の開発(COURSE50)
新日本製鐵㈱－東京大学－(公財)RITEの共同研究
合成化学手法、R6
R1
計算化学手法による
R5
N
新吸収液開発R2OH

新アミン液のプロセス開発

R3

R4

アミン分子の例

新日鉄エンジアリング㈱実高炉ガス（BFG)を用いる1ｔ/ｄ・30ｔ/ｄ装置でのプロセス開発
26

試験装置の外観
CAT： Chemical Absorption Test plant
吸収塔
再生塔

再生塔
吸収塔
リボイラー

リボイラー

CAT-LAB

RITE
化学吸収液は、RITEと新日鐵が 「CAT‐LAB」（模擬ガス試験装置）等を用いて開発

CAT-1
CAT-30

撮影日： 2010年6月

27

アミン吸収液の性能
設備スケールと分離回収エネルギー（GJ/t-CO2）

CAT-30ｽｹｰﾙ → CAT-LAB CAT-1
吸収液↓ 5kg-CO2/d 1t-CO2/d 30t-CO2/d
RITE-5C
3.4
3.1
2.7
RN-1
2.82.9
2.5RITE-5C；ＣＯＣＳプロジェクト開発吸収液
RN-1；ＣＯＵＲＳＥ５０プロジェクト開発吸収液28次世代型膜モジュールで何が変わるか(安価)
水性ガスシフト反応

CO + H2O ⇔ H2 + CO2

CO2200 ~ 400 C 2~4 MPa
蒸気熱交換器H2

石炭O2ガス化炉

水性ガスシフト反応炉

水性ガスシフト反応生成物
組成: CO2 ca40 vol%/ H2 / 微量成分
温度: 50 ~ 150 C、圧力: 2 ~ 4 MPa

CO2回収コスト：1,500円/t-CO2
CO2透過速度:7.5 x 10-10 (m3 m-2 s-1 Pa-1 )、CO2/H2選択性:30
（膜2段）

29

理想的な分離膜とは乾燥タオル

濡れたタオル

水
繊維

水
空気空気

水
30

CO2分子ゲート機能
CO2分子が他のガスの透過を抑制
CO2N2、H2etc.

CO2供給側高H O
R N C OH
N R
HHH
H O
R N C O
N R
HH

圧力CO2

低透過側CO2N
H
HN

H2NOON
ONON
H
NH

NH2

NH2

HCO3R NH2

H2N R

H O
R N C O

H
N R
HH

CO2

PAMAM デンドリマー
H2N

H2, N2

Carbamate(mol/moldendrimer)

2.6

Bi-carbonate(mol/moldendrimer)

0.36

31

次世代型膜モジュール技術研究組合
組合員： ㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄ｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ㈱、（財）地球環境産業技術研究機構
設立： 平成23年2月17日
事業の概要： 二酸化炭素回収コストが1,500円／t-CO2を実現する次世代型分子ゲート機能
CO2分離膜モジュールに関する基盤・基礎・応用技術開発及びその事業化検討。
革新的CO2膜分離技術シンポジウム(東京、2011.11.4)資料より転載

32デンドリマーハイブリッド膜のCO2分離性能50

膜厚：500μm ⇒薄膜化

RITE
CO/H/H selectivity
CO2 2 2 2選択性(―)

40300倍程度

複合膜化

3020

目標
Ref.1

10600 nm
35ﾟC

0-14
1010-1310-12

103Koutestu, Kazama et al.
J. Membr. Sci. 287 (2007) 51-11

10-10

10-9

2

32Permeance,m (STP)/(ms Pa)
CO
2透過速度 / m (STP)/(m s Pa)(1) H. Lin B.Freeman et al., Science, 311, 639-642 (2006).

高CO2圧で使用可能
33

膜モジュールの開発と評価
分離機能層

スパイラル型分離膜モジュール(試作)

分離膜断面写真モジュール収納部位

高精度模擬ガス試験装置

革新的CO2膜分離技術シンポジウム(東京、2011.11.4)資料より加工

34

天然ガス田からのCO2膜回収への期待(安価)MGM膜:
CO2/CH4=58
既存膜:
CO2/CH4=20
洋上CO2回収設備のイメージ写真：Sleipner Project

CO2濃度50％の天然ガス田からのCO2回収で、MDEA法に比べて、大幅な分離回収コストの削減の可能性
35

固体吸収材の開発(安価)・アミンを均質に大量固定 多孔質支持体
・アミン類似の吸収特性
・溶媒(水）が不要

100
蒸気75
液昇温

NH 2 NH 22NH

NH 2NH 222NH

NH

22NH

2H2 NNHNH

22NH2H22NH2NH 22N222NH

NH

NH

NH 2 NH 22NNH

NH 2 NH 2NH

2H N2H

NH2NH

NH

2N222H2NH 22NHNHNHNH

NH2 NH22NH 2NH

NH2 NH2 NH2NH2 NH NHNH 2NH

2NH 2NH

2NH

NH

22NHNH

2N2H22NH2 NH

NH

NH25022NH

NH 22NH

2NHNH 2NH

222NH2 NH2NH2 NH2NH 2NH 2 NH 22NNH

2N2NH

2H NHNH

2 N

2NH 2 NH 2 NH

NH 2 NH 2H2H2NH 2NH

22NH
2NH

NH2NH2NH2NH2 NH2・シリカ・ポリマー・粘土鉱物など

NH

NH

MEA30%

2NH2NH20NH

NH 2NH2NH2NH2NH2 NH22 NH
2 NH2反応

NH22NH2NH 2 NH 225・プロセス最適化
・アミン/担持方法検討
・新規材料探索NH2NHNH

CO2分離回収エネルギー 比率(％)

アミン吸収液NH

2NH2NH
2NH2 NH2NH2NH2

多孔質支持体へのアミン吸収液成分の担持分離回収エネルギー1.5～2.0 GJ/t-CO2
分離回収コスト1,500～2,000円/t-CO2 を目指す
36

膜・吸収ハイブリッド分離技術(安価)
膜の微細孔から圧力差で吸収液をフラッシュすることによりCO2を放散させる
新しい吸収液再生技術を開発 → 化学吸収法のエネルギー消費低減
処理後ガス

吸収塔

CW

膜フラッシャー（再生）

CO2
多孔質膜

真空ポンプ

CO2吸収
CO2放散
供給ガス

加熱併用時

送液ポンプ
低温熱源

HW

低温廃熱の活用

・天然ガス改質による水素製造におけるＣＯ２除去・バイオガスからのＣＯ２除去

37

膜・吸収ハイブリッド分離装置
膜モジュール
気液分離器

制御盤

吸収塔
膜モジュール

気液分離器

真空ポンプ

液ポンプ

ガスポンプ

RITE/大陽日酸（株）共同開発試験機（膜モジュール部）－平成18-19年度 京都議定書目標達成産業技術開発促進事業－
38

バイオガス精製 実用化のイメージ
コジェネレーション
CH460%（発電機）

自己発電CH4CO2CO2貯湯槽

CH4CH4脱硫塔

CH4メタン醗酵槽膜・吸収ハイブリッド
分離装置

天然ガス自動車

CH4CH4

燃料ガス

カロリー調整器

精製装置

都市ガス用燃焼器（給湯器など）CO2CO2CO2ＣＯ２CH4
≧98%

容器

・水素製造オフガス中のＣＯ２の分離・除去
39

CO2発生源-回収方法-貯留の最適化(安価)
インプット
（発生源）

CO2濃度、圧力、回収率
ガス組成、微量成分

回収方法選択・システム最適化

アウトプット
（貯留）

CO2回収
コスト削減

CO2濃度
ガス組成、微量成分40化石燃料起因CO2の削減技術の進展方向
実用化時期（年度）
2010

CO2回
収の
経済
性

中
小規
模

2020

2030

効率向上

2040

膜、吸着（酸素富化燃焼）

分散型CCS →輸送と貯留がポイント

CCS

膜、吸着（水素製造）
CCS

吸収（発電等）固体吸収材（発電等）

純酸素 (発電）

大

常圧ガス源

規

吸収（天然ガスCO2回収）膜（発電等）

膜＋吸収（天然ガスCO2回収）

模膜、吸着（天然ガスCO2回収）
高圧ガス源
効率向上

吸収法（IGCC）

膜、吸着（IGCC）
膜、吸着（酸素富化燃焼）

41

まとめ
・大量のCO2を取扱うCCSでは、CO2分離・回収に「安心」、「安全」、「安価」（３Ａ）が求められる。
・RITEは海外の研究機関と協力して３Ａの実現を目指している。具体的には以下を実施中である。
-革新的なＣＯ２回収技術開発-高精度なプロセス評価技術(含：環境影響）-実証試験への貢献
42謝 辞・本報告は、■経済産業省補助金事業 「分子ゲート機能CO2分離膜の技術研究開発」■経済産業省委託事業「二酸化炭素膜モジュール研究開発事業」■経済産業省委託事業「二酸化炭素回収技術高度化事業 」■経済産業省補助金事業「低品位廃熱を利用するＣＯ2分離回収技術 」■新エネルギー・産業技術総合開発機構の研究開発プロジェクト「環境調和型製鉄プロセス技術開発」の一環として行われたものである。

43

44

ご清聴ありがとうございました

Kazama@rite.or.jp
Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth44