研究活動概説⃝化学研究グループ

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０１９

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

杉田啓介

研究員

伊藤史典

副主席研究員		

馬場宏治

研究員

木下朋大

副主席研究員		

余語

克則

研究員

髙山信幸

主任研究員		

石黒兼二郎

研究員

段淑紅

主任研究員		

甲斐照彦

主任研究員		

後藤和也

主任研究員		

フィローズ アラム チョウドリー

主任研究員		

山田秀尚

主任研究員		

山本信

主任研究員		

龍治

真

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

型の固体吸収材の研究開発に取り組んできており、こCCS（Carbon dioxide Capture and Storage）

れまでに、低温で脱離性能の良い固体吸収材を開発し、は、化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスであるその実現可能性を検証中である。ラボレベルの連続回

CO2を発電所や工場などの発生源から分離・回収し、収試験結果としては、分離・回収エネルギー 1.5GJ/回収したCO2を地中や海底に貯留・隔離する技術であt-CO2を 達 成 可 能 な 材 料 を 見 出 し て い る。 ま た、る。

10m3規模での固体吸収材合成を可能とするスケール

地球温暖化対策としてCO2の大規模削減が期待でアップ合成技術を確立した。現在、民間企業と共同できるCCSを早期に導入、実用化するためには、その実用化研究に取り組んでいる。今後、石炭火力発電所コストの約6割程度を占めると試算されている排出源内に40t-CO2/day規模の試験設備を設置し、実ガスからのCO2分離・回収コストの低減が重要である。

試験を行う予定である。

化学研究グループでは、CO2分離・回収技術の研究

膜分離法は、圧力を有するガス源からCO2を低コス開発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収ト、省エネルギーで分離するプロセスとして期待され法、膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げている。RITEは膜分離の事業化を目的に設立されたてきた。材料の開発に始まり、加工、システム検討ま次世代型膜モジュール技術研究組合の一員として、高でを一貫して研究開発していることが特徴である。

いCO2分離性能を有する分子ゲート膜（高いCO2分

化学吸収法では、新化学吸収液の開発目標とした分離特性を有するデンドリマーと架橋高分子材料を用い離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するとともた複合膜）を用いて、石炭ガス化複合発電（IGCC:に、吸収液からのCO2回収温度を100℃以下で可能とIntegrated coal Gasification Combined Cycle）する画期的な吸収液を見出すことに成功した。また、等の高圧ガスから低コスト、省エネルギーでCO2を回COURSE50プロジェクトで開発した化学吸収液は、収することを目指した膜および膜エレメントの開発を民間企業で採用され、CO2回収設備商用1号機が運転行っている。実用化を目指し、量産化を念頭において、中であり、更に2018年7月には商用2号機が稼働を開

連続製膜技術および膜エレメント化技術の開発を進め始した。ているところである。また、実ガス試験による膜およ固体吸収法は、CO2高効率回収・低エネルギー消費

び膜エレメントの分離性能、プロセス適合性等に関す30

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２０１９る技術課題の抽出と解決を行うために、米国ケンタッ

こ れ ま で の 成 果 と し て は、2008年 度 か ら のキー大学応用エネルギー研究センター（UK-CAER）

COURSE50 PhaseⅠ Step1において、吸収液の分で、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験を開離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するととも始したところである。に、これまで120℃を必要としていた吸収液からの以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技

CO2回収温度を100℃以下で可能とする化合物を見術開発によりCO2削減に向けた研究開発をリードし、出し、吸収液開発に成功した。更に、2013年度からかつ産業界が受け入れ可能で実用的な技術を開発してのPhaseⅠ Step2においては、一層の高性能化を目い る。 ま た、International Test Center Network

指し、性能発現機構および関連する要素因子を明らか（CO2分離回収技術の研究開発を推進する世界各地のにした。2018年度からのPhaseⅡでは、Step2の成施設のグローバル連合）に加盟し、CO2分離回収技術

果をベースに、吸収熱低減に寄与する吸収形態改善やの早期実用化に向けて海外ネットワークを利用する活分極影響緩和の改善に新規技術を見出し、高性能化に動も推進している。

取り組む。
化学吸収法は成熟した技術と見なされているが、

2. 化学吸収法
化学吸収法によるCO2分離回収は、ガス中のCO2

RITEは、革新的な新規技術を継続的に提案し、常に世界をリードしている（図2）。

をアミン水溶液等の吸収液中に化学的に吸収させ、その吸収液から高純度CO2を温度操作または圧力操作により分離回収する技術である。RITEは、「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（経済産業省（METI）補助事業,COCSプロジェ
クトと呼称）以降、製鉄所プロセスガスを主対象にCO2分離・回収エネルギーおよびコストを低減し得る高性能吸収液の開発に取組んでいる（図1）。2008年に始まったCOURSE50（「環境調和型プロセスの技術開発」プロジェクト,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）
では、CO2削減目標30％の内、分離・回収によって20％削減と位置付けており、RITEへの期待は大きい。

図2

高性能化学吸収液開発への挑戦

開発技術の産業利用の面では、RITEと新日鐵住金株式会社が共同開発した吸収液が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
ESCAPに 採 用 さ れ て い る（1号 機： 製 鉄 所 排 ガ ス
用,2014年運転開始、2号機（図3）：石炭火力発電排ガス用,2018年7月運転開始）。このように、RITEの研究成果は既に様々なCO2発生源を対象とする産業技術に貢献している。
これまでの研究開発で蓄積したアミン系化合物の反図1

 学吸収液を利用する高炉ガスからのCO2分離回収技術の研究化開発

応特性および吸収液性能、および吸収液開発・評価技術等をベースに、高圧CO2含有ガス（例えば、石炭ガス化ガス）を対象とするCO2分離回収において、吸収・31

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4.0MPa-CO2）を達成する見通しを得ている。
現在、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。
3. 固体吸収法
RITEは2010年から2014年度にかけて、METI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。固体吸収材は、化
図3 炭酸ガス販売用商用化2号機（住友共同電力株式会社 新居浜西火力発電所内）※新日鉄住金エンジニアリング株式会社写真提供

学吸収剤であるアミンを多孔質支持体に担持させたもので（図5）、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放散性能に優れたアミン系化学吸収液の開発も進めてネルギーの大幅低減を可能とする。

いる。
本研究の目的は、温度スイングのみにより高圧条件での放散プロセスを行い、高い圧力を有するCO2ガスを高効率に分離・回収できる吸収液（高圧再生型化学吸収液）を開発することである（図4）。本プロセス
では、CO2が高い圧力を保って回収されるため、既存のメチルジエタノールアミン系の化学吸収液やセレクソールなどの物理吸収液に比べ、回収後に必要となる圧縮エネルギーが大幅に削減できる。
RITEはこれまでに、1MPa以上の高圧下において高図5

アミン固体吸収材

いCO2回収量、高い反応速度、および低いCO2吸収熱を併せ持つ「高圧再生型化学吸収液」を見出してお開発した固体吸収材には、RITEが合成した新規アり、圧縮工程を含むCO2分離・回収エネルギー（回ミンを採用している（図6）。これまでに市販のアミ収後の圧縮エネルギーを含む）として、世界最高レベンに置換基を導入することで、低温での脱離性能に優ル の1.1GJ/t-CO2以 下（ 吸 収：1.6MPa-CO2、 再 生

れ、高いCO2回収容量を有する独自の固体吸収材を開発することに成功し、米国および日本において特許を取得した。

図6

RITE開発アミン

開発したRITE固体吸収材の性能に基づき、プロセスシミュレーションを行った結果、分離・回収エネル
図4

高圧下で高い吸収放散性能を有する新規吸収液

ギ ー1.5GJ/t-CO2の ポ テ ン シ ャ ル 性 能 が 示 さ れ、

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RITE固体吸収材によるCO2分離・回収技術を石炭火

現在、大量合成したRITE固体吸収材を用いて、川力発電に適用した場合、従来の化学吸収法（2.5GJ/

崎重工業株式会社明石工場に設置されている移動層シt-CO2）と比べて発電効率の低下を約2%改善できるステムの試験装置を利用して、ベンチスケール燃焼排見込が得られた。

ガス試験を実施中であり、これまでに5.5 t-CO2/day

2015年度から始まったMETIらの委託事業「先進規模でのCO2回収を達成している（図8）。吸収材の的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発」（2018年

移動特性およびCO2回収性能の把握、要素機器改善に度からはNEDOに移管）においては、実用化のためよる回収CO2純度の向上、ガス中水分の計測機器選の材料最適化、固定層システムを用いたプロセス最適定、実ガス試験に向けた課題抽出を進めている。

化・高効率化検討、および固体吸収材システムのシミュレーション技術の構築を行うとともに、川崎重工業株
式会社と連携して、石炭燃焼排ガスを用いた移動層ベンチスケール試験を実施している。
材料の最適化においては、これまでに、十分な摩耗強度や耐久性を有し、移動層システムに適した担体を選定し、また、新規アミンについては合成手法の合理化、スケールアップ合成を進めている。その結果、事業中間目標である「10m3規模の固体吸収材合成技術確立」を達成した。

図8 移動層ベンチスケール試験結果（川崎重工業（株）明石工場内のKCC移動層システムにて実施）

確立した手法によって大量合成（>10m3）した固今後、石炭火力発電所での実ガス暴露試験を経て体吸収材について、ラボスケール固定層試験装置（図40 t-CO2/day規模のパイロットスケール試験装置を7）を用いて、性能評価を行った。脱着工程で低温ス建造し、実ガス試験を実施する計画であり（2017年

チ ー ム を 供 給 す るSA-VSA（Steam-aided vacuum

9月プレスリリース）、2020年代を目処に石炭火力発swing adsorption）プロセスを採用し、運転プロセ

電所からのCO2分離・回収に適した、より高性能な固スを最適化した結果、模擬ガス（12%CO2）から回体吸収材システムを確立すべく、研究開発に取り組ん

収純度>99%、回収率>90%でCO2を回収可能であでいる（図9）。

ることが確認された。この際、60°Cの再生工程で必要なスチームエネルギーは1.2 GJ/t-CO2と極めて低く、RITE固体吸収材が優れたCO2分離・回収性能を有することが実証された。

図9

研究開発ロードマップ

4. 膜分離法
日本政府が提唱する「クールアース50」の革新的技術のひとつに「革新的ゼロ・エミッション石炭火力 発 電 」 が あ る（CCS付 き 石 炭 ガ ス 化 複 合 発 電：
図7

ラボスケール固定層試験装置

Integrated coal Gasification Combined Cycle

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with CO2 Capture and Storage（IGCC-CCS））。

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H2選択性を有する複合膜の開発に成功している。

石炭をガス化した後に水性ガスシフト反応でCO2とこの成果の実用化を推進するために、現在、RITEH2を含む混合ガスを製造し、CO2を回収・貯留して、および民間会社を組合員とする次世代型膜モジュール

H2をクリーンな燃料として発電に用いる（図10）。こ

技術研究組合（MGM組合）によって、CO2分離膜、の圧力を有する混合ガスから、低コスト、省エネルギー膜エレメントの開発（図12）および膜分離システム

でCO2を分離回収する新規CO2分離膜モジュールを検討を実施中である。

開発中である。

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

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。

図12 C
 O2分離膜、膜エレメント（大面積の膜、支持体および流路材等の部材を一体化したもの）および膜モジュール（膜エレメントと収納容器（ハウジング）を組み合わせたもの）

METI委託事業の「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」（2011年〜2014年度）および「二酸化炭素回収技術実用化研究事業（二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業）」（2015年度〜2018年度）で開発した膜素材、膜エレメントや膜分離システムを基礎として、現在、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」（2018年度〜）において、実機膜モジュールシステムの開発を進めており、実用化に向け、MGM組合として連続製膜技術および連続製膜した膜を用いた膜エレメントを開発中である。また、2018年度より米国

図11分子ゲート膜の概念図

ケンタッキー大学応用エネルギー研究センター（UKCAER）で、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証

ここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、試験を開始している。

膜中に取り込まれたCO2が膜中のアミノ基とカルバ連続製膜でのCO2分離性能を向上させるために、まメートや重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さなず薄膜化のための製膜条件の最適化を行った。
その後、H2の透過を阻害することで、従来のCO2分離膜では最適化した製膜条件に基づき、連続製膜により薄膜化分離が難しかったCO2とH2を効率良く分離できると検討を行った。作製した分離膜の膜厚と分離性能の関考えている。

係を図13に示す。なお、模擬ガス試験においては、安全基礎研究段階として、優れたCO2透過速度とCO2/上の理由からH2の代替ガスとしてHeを使用している。

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なお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 Leadership*の認定プロジェクト「圧力ガスからForum, CSLF）のCO2分離」に登録されている。
*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、
図13 連続製膜の膜厚比とCO2分離性能の関係（QCO2：CO2パーミアンス、αCO2/He：CO2/He選択性）

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検討の結果、薄膜化によりCO2/He選択性を維持したままCO2透過性が向上することを確認した。

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、2017年9月には、2050年へ向けた

また、単膜の耐圧・耐久性検討を実施し、2.4MPa技術ロードマップが策定された。CO2革新的分離・回の高圧条件での模擬ガス試験において、約600時間の収技術では、分離・回収エネルギーを現在より半減さ耐久性を確認した（図14）。QCO2低下率は 25%／2せる（1.5GJ/t-CO2）中長期目標および2030年頃に年（16,000h）であり、単膜に関して目標値の達成システムレベルでの実証と2050年頃に普及のスケが期待できる。

ジュールが示された。さらに、2018年4月のエネル
ギー情勢懇談会では、産業部門と電力部門で引き続きCCS実用化に向けた課題へ取り組むことが重要と言及されている。
このような背景を受けて、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CO2回収技術を提案していくことも重要と考える。

図14 CO2分離性能の経時変化（単膜）（QCO2、QHe：CO2、Heパーミアンス、αCO2/He：CO2/He選択性）

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