化学研究グループ◦ CO2 分離・回収技術の高度化・実用化への取り組み

RITEToday

201７

信化学研究グループ【コアメンバー】

グループリーダー・主席研究員

中尾真一

サブリーダー・主席研究員

佐藤譲宣

主任研究員

山本

主席研究員

東井隆行

主任研究員

龍治

真

副主席研究員

余語克則

研究員

伊藤史典

主任研究員

石黒兼二郎

研究員

来田康司

主任研究員

甲斐照彦

研究員

段淑紅

主任研究員

加藤次裕

研究員

沼口遼平

主任研究員

後藤和也

研究員

藤木淳平

主任研究員

フィローズ アラム チョウドリー

主任研究員

三上智司

主任研究員

山田秀尚

CO2分離・回収技術の高度化・実用化への取り組み

１．CO2分離・回収技術の研究開発
CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）
は、収試験結果としては、再生エネルギー 1.5GJ/t-CO2

化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスであるCO2を達成可能な材料を見出している。現在、民間企業とを発電所や工場などの発生源から分離・回収し、回収共同で実用化研究に取り組んでいる。

したCO2を地中や海底に貯留・隔離する技術である。

膜分離法は、圧力を有するガス中から分離する際の地球温暖化対策としてCO2の大規模削減が期待で効率が非常に高いプロセスとして期待できる。現在は、きるCCSを早期に導入、実用化するためには、そのH2を含むガスからCO2を選択的に分離・回収する性

コストの約6割程度を占めると試算されている排出源能を発現する分子ゲート膜を用いて、IGCC等の高圧からのCO2分離・回収コストの低減が重要である。

ガスから分離・回収コスト1,500円/t-CO2 でCO2 を化学研究グループでは、CO2分離・回収技術の研究回収することを目指している。デンドリマーを用いる開発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収新規な高分子系材料がCO2/H2分離に優れていること法、膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げを見出し、このデンドリマーと架橋型高分子材料の分てきた。材料の開発に始まり、加工、システム検討ま離機能層を有する複合膜の開発を行っている。現在、でを一貫して研究開発していることが特徴である。

膜分離の事業化を目的に設立された次世代型膜モ

化学吸収法では、新化学吸収液の開発目標とした分ジュール技術研究組合の一員として、実用化を目指し離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するとともた分離膜、膜モジュール、膜分離システムを開発中でに、吸収液からのCO2回収温度を100℃以下で可能とある。膜材料の改良により、2.4MPaの高圧条件で、する画期的な吸収液を見出すことに成功した。開発しラボレベルで目標性能を達成した。さらに、膜モジュー

た化学吸収液は、民間企業で採用され、CO2回収設備ルを構成する実証用エレメントの製作を進めている。

商用1号機が運転中であり、更に2018年には商用2号これを用いた実機膜モジュールシステムの開発とし機が稼働予定である。て、実ガス試験による膜モジュール性能、プロセス適固体吸収法は、CO2高効率回収・低エネルギー消費型の固体吸収材の研究開発に取り組んできており、これまでに、低温で脱離性能の良い固体吸収材を開発し、26その実現可能性を検証中である。ラボレベルの連続回合性等に関する技術課題の抽出と解決に向けて取り組んでいる。
以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技

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RITE

Today 201７

術開発によりCO2削減に向けた研究開発をリードし、らのCO2 分離・回収において、CO2 の吸収・放散性かつ産業界が受け入れ可能で実用的な技術を開発して能に優れたアミン系化学吸収液を開発している。

いる。
２．化学吸収法
化学吸収法は、ガス中のCO2をアミン溶液からなる吸収液に化学的に吸収させた後、加熱することでCO2を吸収液から分離・回収する技術であり、常圧で大規模 に 発 生 す る ガ ス か ら のCO2 分 離 に 適 し て い る。
RITEでは、10年以上、化学吸収法における最大の課題であるCO2分離・回収コストを低減する高性能吸収液の開発に取り組んできた。
2004年度から2008年度においては、経済産業省

図１

化学吸収液を利用する高炉ガスからのCO2分離回収技術概要（METI）補助事業である「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発」プロジェクト（COCSプロ
ジェクトと呼称）を企画推進し、引き続き、国立研究開 発 法 人 新 エ ネ ル ギ ー・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構（NEDO）委託事業、「環境調和型製鉄プロセス技術開発」プロジェクト（COURSE50 Phase1 Step1、2008～2012年度）において、製鉄所プロセスガスからのCO2分離・回収を目的とした研究開発を行った。
これ等のプロジェクトを通じて、吸収液の分離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するとともに、こ

図２

パイロット試験機の外観れまで120℃を必要としていた吸収液からのCO2回収温度を100℃以下で可能とする吸収液を見出し、開発することに成功した（図1、2）。これらの化学吸収液の開発成果については、新日鉄住金エンジニアリング株式会社の省エネ型CO2回収設備商用機に採用され、2014年秋に1号機（製鉄所排ガス用）が運転を開始した。また、先ごろ2号機（石炭火力発電排ガス用）の受注が決定し、2018年に運用開始予定である。このようにRITEの研究成果は、さまざまな大規模CO2発生源において、着実に実用化が進められている。
さらに、2013年度から引き続きNEDO委託事業、「環境調和型製鉄プロセス技術開発」プロジェクト（COURSE50

Phase1 Step2、2013～2017年度）

図３

高性能化学吸収液開発への挑戦に参加し、新日鐵住金株式会社と共同でCO2分離・回収コストをより一層低減する画期的な高性能化学吸収液の開発に取り組んでいる。
（図3）

本研究の目的は、温度スイングのみにより、CO2含有ガスの高いCO2分圧を維持しつつ、高効率にCO2

また、これまでの吸収液開発で培った研究経験を基の分離・回収が可能な吸収液（高圧再生型化学吸収液）に、高圧CO2含有ガス（例えば、石炭ガス化ガス）かを 開 発 す る こ と で あ る（ 図4）。 本 プ ロ セ ス で は、

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RITE

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CO2が高い圧力を保って回収されるため、回収後の圧縮に要するエネルギーが大幅に削減される。

図５

アミン固体吸収材

た 結 果、 脱 着 工 程 で ス チ ー ム を 供 給 す るSA-VSA(Steam-aided vacuum swing adsorption) プ ロ セ
図４

高圧下で高い吸収放散性能を有する新規吸収液

スの適用により、VSAプロセスの場合と比較して、回収率が飛躍的に向上した。さらに、SA-VSAプロセ

RITEはこれまでに、1MPa以上の高圧下において高ス を 最 適 化 し、 模 擬 ガ ス(12%CO2)か ら 回 収 純 度

いCO2回収量、高い反応速度、および低いCO2吸収98%、回収率93%でCO2を回収可能であり、RITE固熱を併せ持つ「高圧再生型化学吸収液」を見出してお体吸収材が優れたCO2分離・回収性能を有することをり、圧縮工程を含むCO2分離・回収エネルギーとして、実証した。また、固体吸収材の再生エネルギー1.5GJ/世界最高レベルの1.1GJ/t-CO2以下を達成する見通t-CO2を達成した（図7）。開発した固体吸収材によるしを得ている。

CO2分離・回収技術を石炭火力発電に適用した場合、現在は、更に高性能な新規高圧再生型化学吸収液の開発をRITE独自に推進すると共に、開発した吸収液の実用化検討を民間企業との共同研究において進めている。

化学吸収法（2.5GJ/t-CO2）と比べて発電効率の低下を約2%改善出来ると見込んでいる。
固体吸収材の研究開発は、米国等でも実施されているが、従来の固体吸収材は、高温の再生プロセスを伴うため、エネルギー的に不利であり、材料劣化などの３．固体吸収法
固体吸収法は、化学吸収剤であるアミンを多孔質支問題も生じやすい。RITEが開発した固体吸収材は、低温、低エネルギーで再生可能であるという特徴を有持体に担持させた固体吸収材を使うことで、化学吸収液と類似のCO2吸収特性を有しながら、再生工程で顕熱や蒸発潜熱に消費されるエネルギーの大幅低減が期待できる（図5）。
RITEは2010年から2014年度にかけて、経済産業省からの委託事業「二酸化炭素回収技術高度化事業」において、固体吸収材の開発を実施した。アミンの分子構造とCO2脱離性能との関係性を計算により明らかにしたことで、低温での脱離性能に優れ、高いCO2回収容量を有するRITE独自の固体吸収材を開発することに成功した。
ま た、 小 型 連 続 回 収 試 験 装 置（ 図6） を 用 い て、RITEが開発した固体吸収材のプロセス性能を評価し

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図６

小型連続回収試験装置

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高性能な固体吸収材システムを開発すべく、図9に示すロードマップで研究開発に取り組んでいる。

図７

RITE固体吸収材のCO2分離回収性能
図９

実用化へのロードマップ

している。
201５年度より経済産業省からの委託事業「二酸化４．膜分離法

炭素回収技術実用化研究事業（先進的二酸化炭素固体

日本政府が提唱する「クールアース50」の革新的吸収材実用化研究開発事業）」として、川崎重工業株

技術のひとつに「革新的ゼロ・エミッション石炭火力式会社と連携して、石炭燃焼排ガスを用いた移動層シ発 電 」 が あ る（CCS 付 き 石 炭 ガ ス 化 複 合 発 電、ステムによるベンチスケール試験および移動層システ

integrated coal gasification combined cycle

ムのシミュレーション技術の構築を進めている。またwith CO2 capture and storage (IGCC-CCS)）。石

同時に、固体吸収材の最適化にも取り組んでいる。

炭をガス化した後に水性ガスシフト反応でCO2とH2

RITEが開発したアミンは、市販のアミンと比較してを含む混合ガスを製造し、CO2 を回収・貯留して、高いCO2回収容量を有するが、大量合成に適した手法

H2をクリーンな燃料として発電に用いる（図10）。こに改良した結果、更に性能が向上した（図8）。の圧力を有する混合ガスから、1,500円/t-CO2以下の コ ス ト でCO2 を 回 収 で き る 新 規CO2 分 離 膜 モジュールを開発中である。

脱離量（減圧）

吸収量（13kPa,40℃）

CO2吸収・脱離量合成法
改良
ベンチ試験材
組成の検討
・スケール
アップ合成

図10 分離膜を用いた石炭ガス化複合発電（IGCC）からのCO2分離回収

市販アミン
図８

RITEアミン
ベンチ試験用アミンの合成

このRITEアミンを用いた固体吸収材をスケールアップ合成し、2016年11月よりベンチスケール試験

RITEでは、デンドリマーを用いる新規な高分子系材料が優れたCO2とH2の分離性能を有することを見出し、このデンドリマーと架橋型高分子材料の分離機能層を有する複合膜(分子ゲート膜)の開発を行ってきた。図11に分子ゲート膜の概念を示す。

を開始している。なお、本事業では2020年を目処に

ここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、石炭火力発電所からのCO2分離・回収に適した、より膜中に取り込まれたCO2が膜中のアミノ基とカルバ

29化学研究グループ◦ CO2 分離・回収技術の高度化・実用化への取り組み

図11RITEToday

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分子ゲート膜の概念図

メートや重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さなH2の透過を阻害することで、従来のCO2分離膜では分離が難しかったCO2とH2を効率良く分離できると考えている。
基礎研究段階として、優れたCO2透過速度とCO2/H2選択性を有する複合膜の開発に成功している。
この成果の実用化を推進するために、2011年に次世代型膜モジュール技術研究組合を設立し、CO2分離膜およびCO2分離膜モジュール（図12）の開発、膜分離システム開発を実施中である。

図1230

CO2分離膜と膜エレメント

図13

分子ゲート膜の分離性能

METI委託事業「二酸化炭素分離膜モジュール研究を推進している。更に、実機膜モジュールシステムの開発事業」（2011年～2014年度）において膜材料の開発を進めており、模擬ガスを用いた膜モジュール性改良を進め、2.4MPaの高圧条件で、平膜に関しては、能、プロセス適合性等に関する技術課題の抽出と解決

ラボレベルで目標性能を達成した（図13）。

を行っている。

膜モジュールに関しては、大面積への塗工や水素漏検討例として、IGCCの石炭ガス化ガス中にN2ガス洩など、エレメントの製作に関連する課題が顕在化しを含有した場合の分離性能に及ぼす影響を調べるためたため、現在のMETI委託事業「二酸化炭素回収技術に、CO2/Heの分離性能とCO2/N2の分離性能を比較実用化研究事業（二酸化炭素分離膜モジュール実用化

した結果を図14に示す。ガス組成（CO2/Heまたは研究開発事業）」（2015年度～）において、改良検討

CO2/N2）によらず、CO2透過速度は同程度の値を示

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施しており、国際協力体制の下で研究開発を行っている。
＊炭素隔離技術の開発と応用を促進するための国際協力を推進する場として米国が提案した組織。

５．おわりに2015年12月、COP21で「パリ協定」が採択され、これまで以上にCO2排出量の低減が必須となってきた。我が国では、2016年4月に、2050年頃という長期的視点に立った「エネルギー・環境イノベーション戦略」が策定され、CO2固定化、有効利用も有望分野として特定された。CO2革新的分離・回収技術は、分離・回収エネルギーを現在より半減させる（1.5GJ/t-CO2）中長期目標が示された。
様々なCO2排出源に対し、最適な分離・回収技術を提案することにより、CCS実用化を推進していかなければならない。そのためにも、実用化ステージに近いものは、スケールアップ検討や実ガス試験を通して、技術を確立していく必要がある。更には、革新的技術開発を推進し、より省エネルギー、低コストな技術を提案していくことも重要と考える。

図14

CO2/N2分離性能とCO2/He分離性能した。また、分子サイズの大きなN2はHeよりも透過速度が低く、結果として、CO2/N2の選択性はCO2/Heの選択性よりも1桁高い値を示し、N2ガスが混入してもCO2分離性能へ与える影響はないことが明らかとなった。
また、本プロジェクトでは、プロジェクト後年度に石炭ガス化実ガスを用いた試験を実施する予定であり、現在、準備を進めているところである。
分子ゲート膜の開発は、炭素隔離リーダーシップ
フ ォ ー ラ ム（Carbon Sequestration LeadershipForum, CSLF)＊の認定プロジェクト「圧力ガスからのCO2分離」に登録されている。また、ノルウェー
科学技術大学ともCO2分離膜に関する学術交流を実31