革新的環境技術シンポジウム2021～2050年カーボンニュートラルを支えるイノベーション～

カーボンニュートラルを支える
CO2分離回収技術
2021年12月１日（火） 15:10～15:45(公財) 地球環境産業技術研究機構（RITE）
化学研究グループ中尾 真一

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本日の内容１．カーボンリサイクルとCO2分離回収技術
２．CO2分離回収技術
３．今後の方向、まとめ2

本日の内容１．カーボンリサイクルとCO2分離回収技術
２．CO2分離回収技術
３．今後の方向、まとめ3

カーボンリサイクル
CO₂を資源として捉え、これを分離・回収し、鉱物化によりコンクリート等、人工光合成等により 化学品、メタネーション等により燃料へ再利用し、大気中へのCO₂排出を抑制。

経済産業省
カーボンリサイクル技術ロードマップより
4CO2分離・回収 技術ロードマップ

低圧ガスを対象

高圧ガスを対象

出展：新エネルギー部会講演会の「カーボンリサイクル動向等について」（METI資料，2020年1月24日）

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CO2大規模固定発生源
事業用発電

鉄鋼（高炉等）

化学

窯業・土石等1)

国内CO2発生量(億トン/年)
1.64.0CO2ガス圧力低圧,高圧(IGCC)
低圧

0.6

0.3

低圧,高圧

低圧

CO2濃度
6-14, 40%

30-50%

18-20%

1) 国内部門別CO2排出量 （環境省,平成30年）

25%

6

低濃度大量CO2源
非電力部門のCO2排出量（運輸、業務、家庭）
総排出量の約30%

大気中に排出(400ppm)
DAC：Direct Air Capture

7本日の内容１．カーボンリサイクルとCO2分離回収技術
２．CO2分離回収技術
３．今後の方向、まとめ8

アミン化合物を用いる
RITEのCO2分離回収技術

9アミンとCO2の反応

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RITEにおけるCO2分離回収技術開発【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/高炉ガスからのCO2分離回収技術開発/CO2分離回収技術開発（高性能吸収液の開発）
体制: 日本製鉄㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業)、FY2018～（NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離・回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究（石炭火力発電所からのCO2分離・回収） 体制：KHI / RITE → (再委託) 名古屋大学【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～2021(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCC中間ガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合【DAC】 FY2020～2029 (NEDO委託事業)
ムーンショット型研究開発事業/大気中からの高効率CO2分離回収･炭素循環技術の開発（大気からのCO2分離・回収）体制：金沢大学 / RITE
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化学吸収法【化学吸収法】FY2008～（NEDO委託事業）「環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発(フェーズⅡ－ＳＴＥＰ１)/高炉ガスからのＣＯ２分離回収技術開発/ＣＯ２分離回収技術開発」
高性能吸収液の開発
体制:日本製鉄㈱ →（共同実施）RITE(吸収液開発）

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RITEアミンの実用化-COURSE50の成果
フェーズⅠにおいて開発した化学吸収液の一つは日鉄エンジニアリング㈱の省エネ型CO2回収設備（ESCAP®）に採用された

商業化1号機（日本製鉄室蘭製鉄所構内）

商業化2号機（住友共同電力新居浜西火力発電所内）
www.eng.nssmc.com

１号機(2014～)

２号機(2018～)

設備規模

120 t/day

143 t/day

排出源

製鉄熱風炉

石炭火力（※）

CO2用途

産業用CO2製造

飼料添加物製造※2号機は化学吸収法による石炭火力発電所の燃焼排ガスからのCO2分離回収技術として日本初の商業設備
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高性能吸収液の開発
１. プロジェクト・担当テーマ：高性能吸収液の開発
開発目標：COURSE50のフェーズⅠにおいて見出した混合溶媒吸収液を中心に、吸収液性能の更なる向上を目指すとともに、実用化研究開発を実施する。

【最新の成果】① 最適組成検討② 新規触媒開発

５％向上

（吸収）

目標ﾚﾍﾞﾙに削減

ﾌｪｰｽﾞI

20192020（放散）CO2ローディング [%](吸収量を100として)CO2回収エネルギー CO2回収率 [%][GJ/t]（分離回収エネルギー目標1.6GJ/t-CO2）

放散量が12％向上
触媒（無）
（有）
時間

① 低回収エネルギーの新規組成を開発② 混合溶媒吸収液の放散性能を向上させる新規触媒を開発

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固体吸収法【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）
FY2018～（NEDO委託事業）「CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発」
FY2015～2020 ：移動層方式によるベンチスケール試験
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）
TUAT（シミュレーション）「CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究」
ＦＹ2020～ ：石炭火力発電所でのパイロットスケール試験
体制：KHI/RITE→（再委託）名古屋大学15固体吸収材の概念
担体(多孔質材料)

アミン化合物溶媒（水）目標コスト2000円台/t-CO2

アミノ基
水酸基
（例. モノエタノールアミン）

化学吸収液

固体吸収材

アミン化合物

アミン化合物＋＋溶媒（水）担体（多孔質材料）

再生温度：120℃

再生温度：60℃（廃熱利用可能）◎ 比熱の高い水溶媒に替わり低比熱の多孔質材料を担体として用いることで再生に必要なエネルギーを低減．
◎ 溶媒の揮発が無いため蒸発潜熱としての熱ロスが無．
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ＲＩＴＥ開発固体吸収材の性能
H2 N

HNn

NH2

RNH

HNn

N
H

R

再生率：35%

再生率：97%

CO2吸収性能保持率/ %CO2吸収・脱離量

嵩高い置換基R→ CO2の吸収・脱離性能が向上

市販アミン

新規合成アミン

100℃での酸化劣化耐性評価

低温（60℃）でＣＯ２再生率に優れる固体吸収材を開発
RITE：特許取得（米国、日本）O2 (20%) / N2 (80%) / H2O(RH50%)

ＲＩＴＥ開発アミン:酸化劣化耐性17ラボスケール固定層試験： スチーム供給の効果

100
CO2 Recovery & Purity [%]新規開発の固体吸収材を用いた減圧再生プロセス（VSA）と蒸気再生プロセス（SA-VSA）の比較．

PurityRecovery

分離回収E：<1.5 GJ/t-CO280
60
40
200

供給スチーム量(Vs) [g/min]

VSA

SA-VSA

スチームの影響（Tad :60˚C, TC:9min, TR:40sec, RH50%）
脱着工程でのスチームの供給量と共に回収性能が向上→スチーム供給によりCO2脱着が促進
湿潤模擬ガス(11%CO2)からVSAの2倍の回収率で高純度CO2を回収→RITE固体吸収材が優れたCO2分離回収性能を有することを実証*J. Fujiki, F. A. Chowdhury, H. Yamada, K. Yogo, Chem. Eng. J. 307 (2017) 273–282.

18固体吸収材開発：目標達成までのロードマップ
項目（基盤技術開発）
FY2010～FY2014（実用化研究） （スケールアップ・実ガス試験）
FY2015～FY2019

材料
開発

材料の大規模製造技術確立

（～1L）

シス
テム
開発
内
容

FY2020～FY2024（～15m3）（100m3～）スケールアップ（～8倍規模）2030頃

制度的仕組みの導入＋大規模
CCS
3,000t/day
石炭火力プラント（ラボスケール：～3 kg/day）（ベンチスケール：～5 t/day）（パイロットスケール：40 t/day）

固定層基礎試験
基本データ・特許取得

移動層適用検討
効率改善

移動層実ガス試験（石炭火力発電所）

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膜分離法
【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）
FY2018～2021(NEDO委託事業)「CCUS研究開発・実証関連事業/
CO2分離・回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発」～IGCC中間ガスからのCO2分離・回収～

体制：MGM技術研究組合
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二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発
高圧の石炭ガス化ガスから低コストでCO2を分離回収
高性能CO2選択透過膜（分子ゲート膜）技術の実用化＜目標＞ CO2分離・回収コスト： ≦1,500 円/t-CO2
CO2分離・回収エネルギー ： ≦0.5 GJ/t-CO2（大崎クールジェンプロジェクトガイドvol.13の資料をRITEで追記）

21

二酸化炭素分離膜の分離機構

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膜エレメントのスケールアップ検討
単膜の開発、大面積連続製膜技術はほぼ確立
スパイラルチエレメントの大型化を検討
リーフ長（集ガス管への巻取り長さ）

エレメント
*1

リーフ 長

試作結果

2インチ4インチ（Ａ）（改良前）

4インチ（Ｂ）
（改良後）

実機相当
8インチ

200～300mm

200～300mm※2inchと同じ

700～900mm

700～900mm（想定）

リーフ長が短くハンドリング難

ハンドリング良好（4インチの知見に基づき検討予定）*1 リーフ： 膜と透過ガススペーサーから構成され、集ガス管に接着して使用する大面積シート。リーフ長は集ガス管への巻取り長さに対応する。

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膜エレメントの実ガス試験
電源開発㈱ 若松研究所所有の石炭ガス化炉からの実ガスを用いた試験

膜エレメント評価装置の外観

加湿器

膜モジュール恒温水槽

制御盤、分析機器等（建屋内）

実ガス
膜モジュール（恒温水槽内）圧縮空気タンク

純水タンク
コンプレッサー装置全体

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４インチ膜エレメントの実ガス試験結果

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実用化に向けたロードマップ
FY2011
基盤技術研究フェーズ

2015

2020 2021
実用化研究
フェーズⅠ

実用化研究フェーズⅡ（スケールアップ、耐久性試験）

量産化

膜エレメントのスケールアップ（連続製膜法の確立）

単膜
基本組成検討
特許取得

2023

小型膜エレメントの製作法の確立

2030
実証試験
フェーズ

（実機膜エレメント（製品サイズ）製作法の確立）

2030頃

膜分離システムの開発

IGCC用商用化（商用化に向けたシステム検討）（部材の最適化）

膜エレメント

耐不純物性評価（実ガス試験）膜モジュール

耐久性の確認26

ムーンショット型研究開発事業／地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現【研究開発プロジェクト名】
大気中からの高効率CO2分離回収･炭素循環技術の開発【実施者】金沢大学(公財) 地球環境産業技術研究機構【期間】 2020年度～2029年度【実施内容】
1．大気中からの高効率CO2回収(DAC)技術開発→RITE固体吸収材の適用
2．炭素循環のためのCO2変換技術開発→膜反応器による液体炭化水素燃料合成
3．液体炭化水素燃料適用性、LCA評価→ユーザー企業と連携

27

カーボンリサイクルの実現

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DAC技術開発スケジュール
2020～2024年度（基盤技術開発フェーズ）
材料・システム開発

2025以降（パイロット試験（予定））
大規模実証

空気（CO2 400 ppm）

CO
CO22
CO2

CO2回収後空気開発項目

大規模実証による検証項目

・DAC用新規吸収材の開発

・数t/dのCO2を大気から直接回収し、CO2変換反応・圧損(送風動力)の低減に適用可能な純度のDAC技術の確立

・装置の小型化・吸収材や装置の耐久性の評価

・高効率プロセス開発(季節や温湿度、設置場所などの影響評価)

小規模装置の技術確立

地球温暖化問題対策として有効なDACシステムの構築に目途

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本日の内容１．カーボンリサイクルとCO2分離回収技術
２．CO2分離回収技術
３．今後の方向、まとめ30

今後の展開：多様な排出源からのCO2回収・固定化技術開発
最重要課題：石炭火力、製鉄からのCO2回収技術の早期実用化
CCUS/Carbon Recycleに向けて多様な排出源からのCO2回収技術が必要：
これまでに開発した技術をもとに様々なCO2排出源への適用を検討
PCO2 > 1 MPa：高圧ガス（ICGG、 天然ガス、褐炭ガス化ガス）
PCO2～1 MPa:各種化学工業プロセス（アンモニア製造他）
PCO2= 13～22 kPa ：燃焼排ガス（石炭火力発電所、製鉄所、セメント工場）
PCO2= 3～7 kPa ：燃焼排ガス（天然ガス火力発電所、ガスエンジン）
CO2濃度 = 0.1～1% :室内/閉鎖空間 （オフィス、工場、宇宙空間）
CO2濃度= 400 ppm：空気中からのCO2回収（DAC: Direct Air Capture）
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まとめ1.化学吸収法（高炉ガス）
・開発液を実用化、商業化2号機が稼働開始（CCU用途)
・さらに高性能化を目指し、新規吸収液を開発

2.固体吸収法（石炭火力ガス）
・移動層ベンチスケール試験で回収量7.2t/d、回収率90%を達成
・パイロット試験に向けた実ガス試験フェーズを開始

3.膜分離法（IGCCガス）
・連続製膜技術開発、小型膜エレメント開発
・硫化水素耐性、膜エレメントの初期実ガス耐久性確認

4.新たな取り組み
・DAC(Direct Air Capture)研究開発開始32

謝辞：本研究開発は、METI委託事業ならびにNEDO委託事業の一環として実施しました。

ご清聴をありがとうございました。
Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth
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