バイオマス発電所排ガスからの二酸化炭素の分離・回収、貯留技術の検討

エネルギー研究会
松宮 紀文

バイオマス：生物「bio」+量「mass」＝「biomass」
・木質資源、下水汚泥、家畜糞尿、食物残渣等動植物から生まれた再生可能な有機性資源
注) 化石燃料(石油、石炭、天然ガス等)は植物資源であるが、作成期間が長く再生可能な資源ではない。

バイオマス発電・バイオマス燃料を燃やして出る水蒸気やガスを使って、タービンを回して発電する、火力発電の一種。この電気の部分がグリーン電力となり、CO2を排出せず、環境に負荷を与えないというメリットがある自然エネルギー。

バイオマス・ニッポン
・地球温暖化防止、循環型社会形成、戦略的産業育成、農山漁村活性化等の観点から、農林水産省をはじめとした関係府省が協力して、バイオマスの利活用推進に関する具体的取組や行動計画を「バイオマス・ニッポン総合戦略」として平成14年12月に閣議決定。
・平成18年にはこの戦略が改訂され、平成21年には「バイオマス活用推進基本法」が制定された。

固定価格買取制度（FIT制度）
・平成24年7月に対象となった。

直接燃焼方式
木材などを燃焼させて水を沸騰させ、水蒸気でタービンを回して発電する方法。一般的な火力発電と同じ。
直接燃焼方式は作り出せる温度が比較的低いので、大型の設備でないと効率が悪くなる。ただし、大型化設備は大量の木材を安定して調達する必要があり、木材の品質確保・収集・運搬・加工等が困難。

熱分解ガス化方式
木材などを高温で蒸し焼き（熱処理）にした際に発生する可燃性の熱分解ガスを燃料にして、タービンを回して発電する。このガスを発電に用いるのが直接燃焼方式との違い。燃焼温度が比較的高く、また燃料の可燃成分を最大限活用できるため、直接燃焼方式よりも規模の小さい発電所を経済的に作りやすい特徴がある。

BECCSについて
化石燃料発電

化石燃料発電+CCS(FECCS)
Positive emission

Positive emission
CO2

CO2

石炭 石油 天然ガス

石炭 石油 天然ガス

バイオマス発電バイオマス発電+CCS(BECCS)

Zero emission
CO2

Negative emission
CO2
CO2

ﾊﾞｲｵ燃料

ﾊﾞｲｵ燃料BECCSの検討プロセス④CO2大気放出①木質ﾊﾞｲｵｶﾞｽ
発電所

②燃焼
排ガス

③CO2
分離・回収

⑥近距離輸送(ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ)⑤CO2液化⑦遠距離輸送(船舶)⑧CO2貯留（CO2,N2,O2等）①：10000kW⑥：CO2濃度90%以上の場合に適用可能
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CO2の分離回収技術
分離回収法

吸収法

化学吸収法
物理吸収法

吸着法
膜分離法 高分子膜
促進輸送膜
無機膜
深冷分離法
膜・吸収ハイブリッド法

概要
CO2 を吸収液に化学反応により吸収させた後、熱エネルギーで脱離させ回収する
CO2を吸収液に物理的に吸収し、減圧・加熱等をしCO2 の溶解度差により回収する
排ガスを多孔質固体である吸着剤に吸着させ、各気体の吸着力の違いを利用してCO2 を回収する
高分子素材に対する気体の透過速度の差を利用してCO2 を分離
排ガス中のCO2 と可逆的・選択的に反応するキャリアと呼ばれる溶液を支持膜に含浸させた液体膜
多孔中における気体の分子流、表面拡散流、分子ふるい作用等を利用してCO2 を分離
常温で気体の混合ガスを冷却し液化蒸留又は部分凝縮により単一成分に分離する方法
CO2 を吸収液に化学反応により吸収させた後、高分子膜を介して高圧側から低圧側に脱離させ回収する

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試算条件
CO2固定発生源：10000kW直接燃焼方式バイオマス発電所
CO2分離・回収法*：化学吸収法
膜-吸収ハイブリッド法
CO2分離・回収濃度：90％以上
CO2回収率：80%
CO2輸送：パイプライン(10km)

CO2貯留：地中貯留*化学吸収法は一部実用化されている技術であり、多くの文献でも紹介されているが膜-吸収ハイブリッド法は基礎研究段階であり紹介例が少ないため次ページに概念図を示す。

処理ガス
気液分離器
中空糸多孔膜

容器B

キャリア溶液の透過
ガスの放散
回収濃縮 CO2>98.5%
VP
膜モジュール

容器A
循環キャリア溶液

フィードガス
CO2/N2 CO2:1.515%

膜-吸収ハイブリッド法概念図
寺本：ニューメンブレンテクノロジー2007

10000kWバイオマス発電所排ガス組成

発電所排ガス
167℃

成分CO2N2O2
H2 O
合計

組成(-) 流量（Nm3/h)
0.122
9040.20.658
48757.8
0.044
3260.40.176
13041.6
174100試算前提条件(分離部)膜-吸収ハイブリッド法

吸収法

動力

・Sep.Purif.Technol. 46 (2005) 26-32及び機械工学便覧に基づく・低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
1.気体冷却動力（海水等常温液体）：3000000Nm3/hrの排ガスをΔ 35℃冷 技術開発編 CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望に基づく却するのに4900ｋWの動力が必要と過去にPRO2で試算した結果に準拠
1.気体冷却動力（海水等常温液体）：3000000Nm3/hrの排ガスをΔ 35℃
2.ブロアー動力：WB=PinFeZγ /(γ -1)[(Pf/Pin)( γ -1)/zγ -1]/ η B
冷却するのに4900ｋWの動力が必要と過去にPRO2で試算した結果に準拠
Pinはブロアー入口圧力（大気圧）、Feは排ガスの流量、Zは段数、γ は気 2.電力 23938ｋW
体の比熱比、Pfはモジュールへのガス供給圧力、η Bはブロアー効率で0.85 3.スチーム 1733GJ/h
3.送液動力：WL= Lρ g△h/ η L
4.熱交換機冷却水 68940t/h
Lは液の体積流量、ρ はキャリア溶液密度、△hはポンプヘッド(10m)、η L
は送液ポンプの効率（0.8）
4.真空ポンプ動力：WV=PpFpZγ /(γ -1)[(Pe/Pp)( γ -1)/zγ -1]/ η V
Ppはモジュールの出口圧力、Fpはモジュール透過ガス流量、Peは真空ポンプの出口圧力（大気圧）、η Vは真空ポンプ効率(0.7)
5.真空ポンプ冷却水動力
真空ポンプの効率が100%の場合の真空ポンプ動力の5.4%

コスト・化学工学論文集、31 (5) 325-330 (2005)に基づく
動力費 12 円/kr-CO2
設備費用 ブロアー 11.54 億円 3000000 Nm3/ｈｒ
送液ポンプ 1.15 億円 1000 m3/min
真空ポンプ 1.2 億円 1600 Nm3/min
中空糸膜モジュール 2000 円/m2
冷却除湿ポンプ 25 億円 3000000 Nm3/ｈｒ
固定費 設備費用の14%、
人件費 年間経費 6,000,000 円/年・人
年間労働時間 8000 時間
従業員 6 人分離部

・化学工学論文集、31 (5) 325-330 (2005)に基づく
動力費 12 円/kr-CO2
スチーム費 0.3円/MJ
冷却水費 3円/ｔ
設備費 冷却除湿ポンプ 25 億円 3000000 Nm3/ｈｒ
その他合計 65.67 億円 2900000Nm3/hr
固定費 設備費用の14%、
人件費 年間経費 6,000,000 円/年・人
年間労働時間 8000 時間
従業員 6 人

試算前提条件(貯留部)

動力貯留部
コスト

膜-吸収ハイブリッド法

吸収法

・低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
技術開発編 CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望（Vol.2）に基づく
CO2圧縮機 61000ｋW 725000ｋｇ/ｈｒ
送液CO2ポンプ 800kW 725000ｋｇ/ｈｒ
貯留CO2ポンプ 44ｋW 725000ｋｇ/ｈｒ

・低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
技術開発編 CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望（Vol.2）に基づく
CO2圧縮機 61000ｋW 725000ｋｇ/ｈｒ
送液CO2ポンプ 800kW 725000ｋｇ/ｈｒ
貯留CO2ポンプ 44ｋW 725000ｋｇ/ｈｒ

・低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
技術開発編 CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望（Vol.2）に基づく
動力費 12 円/kr-CO2
設備費用 CO2圧縮機 2000 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
CO2輸送ポンプ 3 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
貯蔵タンク 15700 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
CO2圧入ポンプ 3.4 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
輸送パイプ 820 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ固定費
設備費用の14%、
人件費
年間経費 6,000,000 円/年・人
年間労働時間 8000 時間
従業員 2 人・低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
技術開発編 CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望（Vol.2）に基づく
動力費 12 円/kr-CO2
設備費用 CO2圧縮機 2000 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
CO2輸送ポンプ 3 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
貯蔵タンク 15700 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
CO2圧入ポンプ 3.4 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
輸送パイプ 820 百万円 725000 ｋｇ/ｈｒ
固定費
設備費用の14%、
人件費
年間経費 6,000,000 円/年・人
年間労働時間 8000 時間
従業員 2 人CO2
Pump

High Pressure
strage Tank

11MPa
30℃

8MPa
20℃

CO2
Pump

8MPa

50℃

P310km

排ガス回収量調整部
P2Strge PlaceCO2 Absorption
Separation Unit

化学吸収法 分離・貯留プロセスフロー図CO2 Strage Process

⑨Stack

CO2PumpHigh Pressure
strage Tank

CO2Pump

Compressor
⑧8MPa
25℃
8MPa
20℃

11MPa
30℃

Vaccum Cool. W
Pump
⑦25℃
101.3kPa

vapor-liquid
separater

Entrained
Solvent
Demister

Combustio Air
Pre-Heater

Cooling
Drum⑥Combustion Air
for Biomass Boiler③25℃
13.2kPa
④10km

②①60℃
13.2kPa

167℃
101.3kPa⑤60℃
Solvent
105.8kPa Recycle Pump

blower

Cooling Water
Recycle Pump

60℃
105.8kPa

Strage PlaceAir
Spray Water from Biomass Boiler

Hybride CO2 SeparationMembrane Unit

CO2 Strage Process

膜-吸収ハイブリッド法

分離・貯留プロセスフロー図

Flue Gas from
Biomaass Biler(Pressurised by
FDF in BiomassBoiler)分離・貯留コスト比較

動力費
分離回収部

固定費*1
人件費
小計
動力費

貯留部

固定費*1
人件費
小計

分離回収・貯留合計
炭素税*2

化学吸収法

膜-吸収ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ膜

1.73
2.20
0.31
4.24
1.02
4.15
0.11
5.28
9.52
6.00
3.52

1.25
1.96
0.31
3.52
1.02
4.15
0.11
5.28
8.80
6.00
2.80

単位円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2円/kg-CO2BECCS*1:固定費：設備費用の14%*2：原晋一：化学装置 5 14 (2016)
分離コスト[3円/kg-CO2）]+輸送コスト[2円/kg-CO2]+日本固有コスト[1円/kg-CO2]=6円/kg-CO2

試算結果
1. 10000kWのバイオマス発電所燃焼排ガスを膜-吸収ハイブリッド法と化学吸収法で分離回収して地中貯留する場合のBECCSコストを試算した。
その結果、化学吸収法が9.38円/kg-CO2、膜-吸収ハイブリッド法が8. 80円/kg-CO2となり膜-吸収ハイブリッド法がCO21kgあたり約0.6円安くなった。
2. 貯留プロセスは「低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書技術開発編CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望（Vol.2）」の報告値に基づき試算したので同じ値である。
3. 分離回収プロセスにおいて膜-吸収ハイブリッド法は吸収法と異なり吸収液中のCO2の脱離に熱エネルギ-を用いず真空ポンプを用いているのがこの差となった。
4. BECCSはカーボンニュートラルなバイオマス発電所排ガスを対象としているため、そのコストは炭素税6.0円/ kg-CO2 以下にする必要があり、更なる低コスト化が必要である。ただし、今回はバイオマス発電所の燃焼排ガスの熱回収を評価せず、BECCSコストを試算したが、発電所を含めたプラント全体で考えると更なるコストの削減が可能になると考える。