活動報告② 固体吸収材を用いたCO2分離回収技術の開発状況

公益財団法人地球環境産業技術研究機構
化学研究グループ 主任研究員 木下 朋大
1

化学吸収法(アミン吸収法)とはアミンとCO2との化学反応を利用してCO2を吸収・脱離させる方法。

カルバメート2R1R2NH + CO2⇄

R1R2NCOO- + R1R2NH2+
バイカーボネート

R1R2R3N + CO2 + H2O⇄

HCO3- + R1R2R3NH+2

固体吸収材とは
溶媒(例：水)

比熱：4186 J/kg・K

化学吸収液

アミノ基
CO2と選択的に反応アミン化合物(例：モノエタノールアミン)

比熱：920 J/kg・K（A型シリカゲルの場合）

多孔質担体(例：シリカゲル)

固体吸収材

固体吸収材の特徴①水や溶媒を含まないため、加熱に必要なエネルギーが小さい②蒸発潜熱による熱ロスがない③多孔質担体由来の大きな比表面積による優れた気液接触性

3固体吸収材の開発を行っているNEDO事業
技術

膜適用先
IGCC・水素製造プラント

吸収液

高炉ガス

固体吸収材

発電所
(石炭火力)

CO2濃度

事業名

体制

現Phase40 ％(~3MPa)

カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／CO2分
離・回収技術の研究開発／二酸化炭素分離膜システム実用化
研究開発／高性能CO2分離膜モジュールを用いたCO2-H2膜分離システムの研究開発

NEDO事業・MGM技術研
究組合

2021~

22 ％

グリーンイノベーション基金事業／製鉄プロセスにおける水素活用プロジェクト／高炉を用いた水素還元技術の開発／外部水素や高炉排ガスに含まれるCO2を活用した低炭素化技術等の開発／C-2: CO2の分離・回収技術

NEDO事業
・日本製鉄
・RITE

2022~

12~14 ％

カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発/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

NEDO事業・川崎重工業
(KHI)
・RITE

2020~

NEDO事業・千代田化工建設
・JERA・RITE2022~

固体吸収材

天然ガス
火力

3~5 %

グリーンイノベーション基金事業／CO2の分離回収等技術開発／低圧・低濃度CO2分離回収の低コスト化技術開発・実証／天然ガス火力発電排ガスからの大規模 CO2分離回収技術開発・実証／ 天然ガス燃焼排ガスからの低コストCO2分離・回収プロセス商用化の実現

固体吸収材

大気0.04%

ムーンショット型研究開発事業/地球再生に向けた持続可能な資源循環を実現/大気中からの高効率CO2分離回収・炭素循環技術の開発

NEDO事業・金沢大・RITE

2020~≦ 10 ％

グリーンイノベーション基金事業／CO2の分離回収等技術開発／低圧・低濃度CO2分離回収の低コスト化技術開発・実証／CO2分離素材の標準評価共通基盤の確立

NEDO事業
・産総研
・RITE

2022~

吸収液
吸着剤
分離膜等

各種燃焼排ガス4

事業ごとの固体吸収材の特徴
石炭火力 (CO2濃度12～14 %)

天然ガス火力 (CO2濃度3～5％)

DAC (CO2濃度0.04%)

移動層（コンベア）

固定層

移動層または固定層O2

約5％

約13％

約21％

不純物など

SOx, NOxを含有

NOxを含有CO2濃度が比較的高いのでアミンとO2濃度が比較的高いため、酸化劣化

アミンとCO2の相互作用は(低温再生でCO2の相互作用は弱くし、低温再生耐性が重要。アミンとCO2の相互作きる範囲で)強く、優れた酸化劣化耐性性を重視。

用はある程度強くする必要がある。

も持ち合わせていなくてはならない。

移動層に適用するために摩耗強度、固定層なので担体の機械強度はそれ送風動力を削減するため、圧力損失の圧壊強度に優れた担体かつ流動しやほど必要ない。性能とコストの両立少ない構造体である必要がある。

すい球状である必要がある。

を重視。

システム
イメージ

アミンの特徴

担体の特徴←機械強度に優れた球状担体←安価な高比表面積担体(押し出し成形等も可能性あり)

不純物は基本的にないがガス(大気)の組

成は季節や天候によって大きく変わる← 低圧損のハニカム
or シート状担体

5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(カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発)～FY2019（基盤技術開発）

FY2020

FY2021

FY2022

FY2023

パイロット試験（40 t/day）

パイロット試験
設備詳細設計パイロット試験設備製作
★
7月着工
試運転
ベンチスケール試験（～5 t/day)

改造・効率改善

FY2024

実ガス試験・
プロセス評価★
9月試運転完了

材料開発
性能向上のための材料改良

材料の評価・改良

試験用材料提供
製造プロセスの最適化
試験用材料製造プロセス開発ラボスケール試験(～3 kg/day)

シミュレーターの高精度化と最適運転
プロセスの検討

材料製造方法の改良・技術確立
サプライチェーン構築
シミュレーターの改良
使用環境等に応じた性能予測6

固体吸収材の大量製造方法の確立

固体吸収材

数10m3規模の固体吸収材の工業的な製造方法を確立。
商用化に向けて製造プロセスの最適化や劣化材の処理(リクレーミングなど)についても検討中。
7ベンチ試験シミュレータ(感度解析例)

回収量 [t-CO2/day]
再生塔層高[m]循環量 [m3/h]

循環量 [m3/h]循環量 [m3/h]

吸収量 [t-CO2/day]

再生エネルギー [GJ/t-CO2]

計算値

分離回収エネルギー[GJ/t-CO2]

再生エネルギー [GJ/t-CO2]

実験値

回収量
[t-CO2/d]
回収量 [t-CO2/day]

吸収量 [t-CO2/day]

吸収量[t-CO2/d]

再生塔層高[m]

再生塔層高[m]今後はパイロット試験データを基にパイロット試験シミュレータの信頼性評価と最適な運転プロセスの検討を実施する予定。

8

天然ガス燃焼排ガスからの低コストCO2分離・回収プロセス商用化の実現(グリーンイノベーション基金事業)
事業の目的・概要（1）天然ガス利用のカーボンニュートラル化に向けて、ガスタービン排ガスからの低濃度CO2分離回収コストの低減を実現できる固体吸収材をコアとする国産技術を開発する。
（2）低コストプロセスを構築し、早期の社会実装につなげるため、商用化を念頭に置いたベンチ試験、実ガス実証試験による技術実証を行う。

実施体制

事業規模など※太字：幹事企業

千代田化工建設株式会社、株式会社JERA、公益財団法人地球環境産業技術研究機構(RITE) 事業規模：約100億円
 支援規模*：約87億円*インセンティブ額を含む。今後ステージゲートでの事業進捗などに応じて変更の可能性あり
補助率など：委託→2/3補助（インセンティブ率は10％）

事業期間2022年度～2030年度（9年間）

事業イメージ
固体吸収材

吸収材開発

プロセス開発

実ガス実証

CO2

排ガス

天然ガスタービン

CO2分離・回収プロセス

化学品、燃料等
CO2利用プロセス(検討中)

天然ガス燃焼排ガスからのCO2分離・回収プロセスの概念図

2022

2024

2030

2026
ステージゲート1

吸収材の開発新規固体吸収材の開発
ベンチ試験
及びラボ試験
性能確認・エンジニアリングデータ取得

ステージゲート2

実ガス実証試験
全体システム検討、長期運転実証

9役割分担RITE共同研究開発吸収材開発を担当••

天然ガスタービン排ガス向け新規固体吸収材の開発
新規固体吸収材量産方法の開発•CCUSとのインテグレーション検討のサポート
新規固体吸収材のコストダウン検討等を担当

共同研究開発火力発電所での実ガス実証試験を担当

プロセス開発を担当

••
•
•
•

CO2分離回収プロセスの開発
商業機の概念設計とR&D方針へのフィードバック
ベンチ・実ガス試験装置の設計・運転
商業機の試設計
CCUS*1)とのインテグレーションの検討•••

CYDの社会実装に向けた取組内容

RITEの社会実装に向けた取組内容•JERA

千代田化工(CYD)••

マーケティング・市場調査
プロセスのコストダウン検討等を担当

火力発電所とのインテグレーション検討
事業計画の策定
火力発電所での実機実証試験

JERAの社会実装に向けた取組内容••

全体システムの検討
JERAゼロエミッション2050日本版
ロードマップに沿った事業化検討等を担当

本プロジェクトの目的：天然ガスタービン排ガスからの低コストCO2分離・回収プロセス商用化の実現
10プロセスに適合した材料の開発
固体吸収材における水分の影響①②③

この研究ではH2Oの影響として、以下の報告がなされている。
①カルバメートとペアカルバミック酸【CO2吸収量が増加する反応】②バイカーボネート生成【CO2吸収量が増加する反応】③アミンとH2Oが水素結合し、吸着サイトを奪う【CO2吸収量が減少する反応】

必ず有利に働くわけではない

J. Young, E.G-Diez, S. Garcia, M.V.D. Spek, The impact of binary water-CO2 isotherm models on the optimal performance ofsorbent-based direct air capture process, Energy Environ. Sci., 2021, 14, 5377

11

プロセスに適合した材料の開発
開発したアミンの酸化劣化耐性
100℃の空気に42hさらして強制的に酸化劣化を促進させた結果を以下に示す。
天然ガス火力用アミン(RGB5)

4%CO2の吸収量4%CO2の吸収量

市販アミン

酸化劣化試験前

酸化劣化試験後

酸化劣化試験前

酸化劣化試験後

市販アミンよりもCO2吸収量に優れ、酸化劣化に対して非常に強いアミンを開発した。
※左右の図で軸のスケールは同じ

12大気中からの高効率CO2分離回収・炭素循環技術の開発(ムーンショット型研究開発事業)
大気中から直接CO２を回収（Direct Air Capture）し、回収したCO2を有価物に転換する炭素循環技術の確立に向けて、以下の研究開発を実施する。
【実施内容】
研究開発項目1．大気中からの高効率CO2回収技術開発 →RITE固体吸収材の適用
研究開発項目3． CO2の有効利用性、LCA評価→他プロジェクト、企業との連携＊研究開発項目2．炭素循環のためのCO2変換技術開発（液体炭化水素燃料合成）は2022年度にて終了。
他プロジェクトのCO2変換技術との連携を探索中。
【期間】 2020年度～最長2029年度

13

実施体制

14

全体スケジュール
2020

DACプロセス検討（空気再生方式）（蒸気再生ハニカムロータリー式）
ベンチスケール試験（金沢大）
DACプロセス検討
小型試験機(RITE内)

ベンチスケール試験
パイロットスケール試験

2023

2024

2025

材料改良
合成法最適化

シミュレーター作製（最適な濃縮法提案）

2026

2027

2028

2029

材料および製造法改良・性能向上検討（空気再生法式に十分耐えうる吸収材の開発）
シミュレーション検討(運転条件最適化)

シミュレータ改良

低濃度CO2回収プロセス検討(間接加熱型, ロータリー型TSA粗濃縮システムの確立)
蒸気再生式ハニカム
ロータリー式の検討

設計・製作・
試験
設計・
製作

CO2有効利用性、LCA評価（RITE)
CO2変換技術の開発
膜開発、膜反応器開発（RITE)＊2022年度にて終了

2022

新規材料探索体制変更(MHIに再委託)

材料開発・シミュレーション（RITE）

2021

性能確認
試験

LCA評価に基づく有効なDACシステムの構築（空気再生・間接加熱型＝空調利用、蒸気再生ハニカムロータリー式の改良）

改造・試験

スケールアップ
検討・製作

改良検討・
設計

製作・工事

実証

移設
改良検討・設計

LCA評価
事前準備

長期実証

LCA評価

製作・工
事

長期実証

解体
研究

LCA最終評価
社会実装性評価

脱水膜と水素透過膜の開発
小型膜反応器
設計・製作

性能評
価試験

他プロジェクトのCO2変換技術との連携を検討

15

材料開発のスケジュール

16

RITEにおけるDAC開発体制
再生蒸気

基礎物性データの提供
大気材料特性の改良提案

CO2フリー空気
高純度CO2

プロセスシミュレーション

ラボ試験装置(~数100g/d)

DACシステム評価装置(~数kg/d)

17

新たに開発したRITEアミンの特徴
CO2脱着温度とアミン種の関係

RITEアミンG2

市販アミン

強度(m/z=44, CO2) [a.u.]

RITEアミンG130405060708090100

脱離温度 [℃]

RITEアミンG1：低温再生性は良いが、酸化劣化耐性をもっと高めたい。

RITEアミンG2：低温再生性を犠牲にせず、酸化劣化耐性を大幅に向上。
18

新たに開発したRITEアミンの特徴
酸化劣化に対する耐性
100℃の空気に42hさらして強制的に酸化劣化を促進させた結果を以下に示す。

CO2吸収能力が失われる

酸化劣化試験前

酸化劣化試験後

RITEアミンG2

0.04%CO2の吸収量

0.04%CO2の吸収量

市販アミン

CO2吸収能力がほとんど低下しない

酸化劣化試験前

酸化劣化試験後

RITEアミンG2の開発で得られた知見をもとに、G3を開発中。
※左右の図で軸のスケールは同じ

19

新たに開発した担体の特徴

ハニカム

新基材

全く新しい構造体

充填率 ：大接触効率：大充填率 ：大吸収量 ：大圧力損失：小吸収量 ：大圧力損失：大吸収量 ：小圧力損失：小新基材

単位重量当たりの吸着量 [mol/kg]

ビーズ

開発目標

(構造に依存)

00.02

0.04

0.06

0.080.1

CO2分圧 [kPa]

RITEアミンと相性の良い担体を開発し、開発目標を大幅に上回るCO2吸収量を確認。
20

シミュレーションによる吸脱着挙動の把握
新基材の挙動を予測可能なシミュレーションモデルの構築(ラボ試験装置)

50

実験値

温度 [℃]

100

圧力 [kPa]

計算値
040
20
0

時間 [min]
実験値
計算値

60

時間 [min]

実験値

回収CO2流量 [mL/min]

回収CO2流量 [mL/min]

実験値
計算値

80

時間 [min]

計算値

時間 [min]ビーズ、ハニカム、新基材のいずれにおいてもシミュレーションモデルを構築。

21

DACシステム評価装置による材料評価

開発したDACシステム評価装置を設置
RITE・三菱重工が連携

22

DACシステム評価装置による材料評価

回収CO2量 [kg]RITEアミンG1＋従来基材(ハニカム)

12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
サイクル数 [-]

安定して大気中から高濃度(>95%)のCO2を回収できることを確認。
(この試験の回収量は3 kg/day程度)
23実証試験(@2025大阪万博)

2023年7月20日 RITEプレスリリース (https://www.rite.or.jp/news/press_releases/pdf/press20230720.pdf)より

24

2021年度以降に米国で開始されたDACプロジェクト(固体吸収材)

No.

実施者

プロジェクト
番号

プロジェクト名

1State University of
New York (SUNY)

米DOE／FE0031969

Direct Air Capture using Trapped Small Amines in HierarchicalNanoporous Capsules on Porous Electrospun Fibers

02/01/2021～10/31/2023

2Columbia University

米DOE／FE0031963

Next Generation Fiber-Encapsulated Nanoscale Hybrid
Materials for Direct Air Capture with Selective Water Rejection

01/01/2021～10/31/2022

3

Palo Alto ResearchCenter (PARC), Inc.

米DOE／
FE0031951

TRAPS: Tunable, Rapid-uptake, AminoPolymer aerogel Sorbent
for direct air capture of CO2

02/16/2021～03/31/2023

4Cormetech, Inc.

米DOE／FE0032094

Bench-Scale Testing of Monolithic Poly Propyleneimine
Structured Contactors for Direct Air Capture of Carbon Dioxide

09/15/2021～09/14/20235Carbon Collect, Inc.

米DOE／
FE0032097

Spatiotemporal Adaptive Passive Direct Air Capture

10/01/2021～06/30/2023

6Global Thermostat,LLC

米国／DOE FE0031957

Demonstration of a Continuous-Motion Direct Air Capture(DAC) System

10/01/2020～07/31/2023

7Black and Veatch
Corporation

米DOE／FE0032101

Scaleup and Site-Specific Engineering Design for Global
Thermostat Direct Air Capture Technology

10/01/2021～03/31/2023

8

University ofCincinnati

米国／
DOE FE0032128

Energy-Efficient Direct Air Capture System for High Purity CO2
Separation

10/01/2021～10/31/2024

9Georgia Tech
Research Corporation

米DOE／FE0032129

Hybridizing Heat-Integrated 3D Printed Modules with Mass
Manufacturable, Low Pressure Drop Fiber Sorbents

10/01/2021～09/30/2023

10

University of Illinois

米DOE／FE0032100

Direct Air Capture-Based Carbon Dioxide Removal with UnitedStates Low-Carbon Energy and Sinks

10/01/2021～03/31/2023

開始日

25

2023 FECM/NETL Carbon Management Research Project Review
Meetingに参加してhttps://netl.doe.gov/sites/default/files/netl-file/23CM_PSCC29_Wu.pdf

以前は石炭燃焼排ガスを対象とした CO2分離回収技術のプロジェクトが中心であったが、今回は天然ガス複合サイクル(NGCC)燃焼排ガスを対象としたプロジェクトが増加していた。
26

2023 FECM/NETL Carbon Management Research Project Review
Meetingに参加して報告研究機関

ガス源

CO2分離回収技術

特徴

NCCC(実ガス試験センター)

石炭燃焼排ガス
NGCC燃焼排ガス

吸収法、吸着法、膜分離法など

NFCC実ガス試験を2021年に開始
DAC, Uについても試験実施

TCM(実ガス試験センター)

流動接触分解装置排ガス吸収法、膜・吸着剤ハ
イブリッドプロセス

TCMは商用化前の最終段階の評価(アミン分解物評価など)

膜・吸着剤ハイブリッ
ドプロセス

膜でCO2の一部と水を分離し、後段の吸着剤でCO2を分離する。
経済性評価により低コストを確認。

TDA Research, Inc.

NGCC燃焼排ガス

石炭燃焼排ガスION Clean Energy

NGCC燃焼排ガス吸収法(非水系吸収液)

パラメータ変化試験、耐久性試験などを実施。大規模実証試験を計画。

MTR

石炭燃焼排ガス膜(Polaris)

WITCにて膜としての最大規模の実証試験装置(30t/d)を建設中。

石炭燃焼排ガス

Dual-adsorbent(MOF structuredadsorbent)

アミンとMOFを直列的に組み合わせた吸着剤を新規開発。

Electricore, Inc.,
Svante27

謝辞
この成果は、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）の以下の委託業務の結果得られたものです。

・カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発 (JPNP16002)
・グリーンイノベーション基金事業 (JPNP21024）

・ムーンショット型研究開発事業 (JPNP18016)

DAC (Direct Air Capture) 実験棟の整備にあたっては、SMBC日興証券株式 会社及び三井住友DSアセットマネジメント株式会社のイノベーティブカーボン ニュート
ラルファンドから頂いた寄付金を使わせていただきました。

28

ご清聴ありがとうございました。

29