2023.2.13 16:15-16:50
革新的CO2分離回収技術シンポジウム
活動報告②

二酸化炭素分離膜モジュールの研究開発概要とCO2分離回収技術の海外動向

次世代型膜モジュール技術研究組合
技術部長 甲斐 照彦
1目次

１．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発概要
２．CO2分離回収技術の海外動向
・NETL 2022 Carbon Management Project
Review Meeting（2022年8月15-19日、米国）
・GHGT-16（2022年10月24-27日、フランス）

2目次

１．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発概要
２．CO2分離回収技術の海外動向
・NETL 2022 Carbon Management Project
Review Meeting（2022年8月15-19日、米国）
・GHGT-16（2022年10月24-27日、フランス）

3分子ゲート膜モジュールの研究開発
2005

高圧ガス（CO2-H2）
分離用
CO2分離膜の開発

2010

2015

2020

2025

2030

分子ゲート機能
CO2分離膜の技術研究開発

膜材料基盤研究

二酸化炭素分離膜モジュール
研究開発事業
膜組成検討
エレメント化検討

二酸化炭素分離膜モジュール実用化
研究開発

二酸化炭素
連続製膜・エレメント化 分離膜システム
IGCC等
実ガス試験
実用化研究開発
スケールアップ
システム検討4次世代型分離膜モジュールの開発＜対象＞高圧の燃料ガスから省エネルギー、低コストでCO2を分離回収しうる高性
能CO2選択透過膜（分子ゲート膜：高密度のアミノ基を有するデンドリマーを用いた高性能CO2分離膜材料）技術の実用化研究（燃焼前回収）＜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-CO25

分離膜（分子ゲート膜）について＜従来のCO2分離膜＞

CO2＜分子ゲート膜（保有技術）＞
H2の透過を阻害し、CO2を選択的に透過する機能膜

H2

膜断面

H2に対するCO2選択透過性（分離係数：α）
α < 1 （分子ふるい性膜）～ 10 （溶解選択性膜）

供給側

高圧
圧力

低圧
透過側

分子サイズ(nm)
H2 ＜ CO2 ＜ N2 ＜ CH40.290.33
0.36 0.38低いCO2/H2選択性⇒適用困難

高いCO2/H2選択性＋高い耐圧性⇒高圧ガス（IGCC等）からの分離に適している。
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CO2分離膜モジュール研究開発事業
研究開発体制次世代型膜モジュール技術研究組合
2011年2月～2016年3月 ㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱、住友化学㈱、RITE
2016年4月～ 住友化学㈱、RITE
二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（METI） (FY2011～FY2014)
CO2選択透過(分子ゲート)膜モジュールの基礎研究
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
FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～2021(NEDO委託事業)

膜エレメント開発、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験
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（FY2021～2023（予定））

膜モジュールの耐久性向上・スケールアップ、膜分離システムの基本設計

7「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」の概要〈概要〉
分子ゲート膜を用いた、膜モジュールおよび膜分離システムの実用化研究〈適用先〉①IGCC（CO2/H2分離）②水素製造プラント（CO2/H2分離）〈用途〉①液化＋貯留②Utilization（アルコール合成等）
膜分離システム

膜分離システム

適用先①：CO2分離回収型IGCCシステム

適用先②：水素製造プラント

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分離膜技術の研究開発の流れと事業の範囲

9連続製膜技術の開発
スロットダイ方式による連続製膜・カッティング・折り曲げ

乾燥機へ送液溶液

リーフ
基材

スロットダイ10

膜エレメントの開発
前事業：耐圧性を有する膜エレメント【10cm径、20cm長】の基本製法確立

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膜エレメントの実ガス試験（前事業）
目的: IGCCへの適用に向け、硫化水素等の不純物を含む石炭ガス化ガス（実ガス）を用いて、膜エレメント（10cm径、20cm長）の健全性の確認を行う。
膜エレメント評価装置の外観

試験内容：1) 膜エレメントの実ガスに対する耐久性評価（分離性能の経時変化）※石炭ガス化ガスの圧力条件に即して、全圧0.8MPaでの試験
2) 実ガス試験前後の模擬ガス(CO2/He/N2）分離性能評価

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膜エレメントの実ガス試験結果（前事業）
膜エレメントの石炭ガス化ガス（実ガス）に対する耐性を確認
He or HCO

2-2 -1103

102COCH

4-9-1

Permeance [m (STP)m s Pa ]10N

2simulatedsyngasreal syngas

HeH2

simulatedsyngas-10-11He-1210-13100204060
Time [h]80100＜試験条件＞
実ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、H2S濃度約400ppm
模擬ガス： 温度85℃, 全圧0.8 MPa, 湿度80%RH、CO2/He/N2=11/19/70

12013IGCC用膜分離システムの経済性評価（前事業）CO2回収コスト [円/t-CO2]単膜の分離性能に基づくシミュレーション※を実施し、目標コスト、エネルギーを達成する膜材料の見込みが得られた。CO2回収率の影響を把握した。

IGCCのためのCO2回収設備を想定し、基本仕様を把握した。
実用化に向けて、低コスト化、コンパクト化等の課題抽出と仕様最適化方針を立案した。

膜ユニット（直列3段、並列7列）のイメージ図（例）
CO2回収率※設定条件： CO2回収量1,000,000 ｔ/年(63,000 Nm3/h)、CO2回収率90 %においてコスト目標
1,500円/t-CO2を達成する膜性能に基づき回収率依存性を算出

14CO2分離膜プロセスの基本仕様検討
IGCCや水素製造プラント等の適用先の調査結果に基づき、CO2分離膜プロセスを従来の2.4MPa仕様から3MPa仕様に変更。
⇒3MPaの耐圧性を有する膜材料、エレメントの開発
適用先（IGCC、水素製造プラント）の規模、装置基本仕様（例）(1)IGCC

1．IGCC・1,500℃級IGCC(370MW)
・CO2発生量233.6t/h
・入口圧力3MPa
2．水素製造プラント
・水素製造能力30,000m3N/h
・水素製造効率90%(CO2回収追加による向上)
・CO2発生量14.1t/h
・入口圧力3MPa(2)水素製造プラント

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分離膜及び膜モジュールの開発
膜エレメントのスケールアップのために、所定の透過性能を持ち、3MPa耐圧の膜組成、支持膜候補を選定

広幅支持膜のカール対策
カール対策前カール対策品１

カール対策品２

分離膜の改良による3MPa耐圧性の付与
3MPaの耐圧性を有し、目標CO2透過流束（1E-4）を達成する膜材料を得た。

CO2透過流束@3MPa[m3(STP)m-2s-1]

CO2/He選択性
＠3MPa

従来膜

9.5E-516

改良膜

1.2E-430

新規シール剤
改良支持膜等の部材と相性のよいシール剤候補を見出した。

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3MPaの耐圧性・分離性能向上＜試験条件＞温度85℃, 全圧0.7～3MPa, 供給ガス組成CO2/He=40/60，湿度60%RH

膜材料改良により、3MPaまでの耐圧性と分離性能向上を確認→今後、改良膜材料による膜エレメント作製、スケールアップを実施

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膜分離システムの分離回収コスト（膜単価、蒸気単価、電気代を±20%変化させた場合の感度分析）

±4.4%

±5.5%

±3.0%

影響の大きさ： 蒸気単価＞電気代＞膜単価⇒安価なユーティリティの活用が重要（例：プラント低温排熱の活用）

18まとめ・ IGCC、水素製造プラント等のCO2/H2分離への適用に向けた分子ゲート膜モジュールシステムの研究開発を実施中である。
・前事業において、石炭ガス化ガスを用いて膜エレメントの実ガス試験を実施しており、実ガス中の硫化水素等の不純物に対する耐性を確認した。また、単膜の分離性能に基づくシミュレーションを実施し、目標コスト、エネルギーを達成する膜材料の見込みが得られた。
・3MPaまでの耐圧性と高い分離性能を示す改良膜材料を見出した。
今後、改良膜材料による膜エレメント開発、スケールアップを実施する。
また、膜分離システムの基本設計・経済性評価を行う。

19実用化に向けたロードマップ
FY2011

2015

基盤技術研究2020 2021
実用化研究（モジュール）

量産化（連続製膜法の確立）

単膜

小型膜エレメントの製作法の確立（部材の最適化）

2024

2030

実用化研究
（システム）

実証・実用化

膜エレメントのスケールアップ（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用実用化（実用化に向けたシステム検討）

基本組成検討
特許取得

膜エレメント
耐不純物性評価（実ガス試験）膜モジュール

耐久性の確認適用範囲の拡大（膜の特性に適した適用先）

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謝辞

本研究開発は、経済産業省および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）から次世代型膜モジュー
ル技術研究組合が受託した「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」、「二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発」（JPNP18006 (FY2018-2021)）、および「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」（JPNP16002 (FY2021-2023)）により実施された。

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目次

１．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発概要
２．CO2分離回収技術の海外動向
・NETL 2022 Carbon Management Project
Review Meeting（2022年8月15-19日、米国）
DOEの補助金を受けている企業、研究機関、大学等の報告会
https://netl.doe.gov/22CM-PSCC-proceedings

・GHGT-16（2022年10月24-27日、フランス）
GHGT：温室効果ガス制御技術国際会議（International Conference on Greenhouse Gas Control Technology）

https://ghgt.info/ghgt-16-proceedings/
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分離膜によるCO2回収技術の開発動向（米国DOE※）(1)
研究機関

分離膜規模

特徴等

主適用先

MTR

PolarisTM
membrane

ラボ

高透過性支持膜の開発
高選択性・透過性分離機能素材の開発

燃焼後GT, Universityat Buffalo

酸化グラフェン(GO)系
膜

ラボ

GO 膜の開発とスケールアップ

燃焼後

NETL
Research &Innovation
Center

ゴム状ポリマーブレンド膜

ラボ

高機能素材ゴム状ポリマーブレンドの複合薄膜開発及びとスケールアップ

燃焼後

The Ohio
StateUniversity

促進輸送膜

ベンチ

促進輸送膜材料、支持膜、膜エレメントの開発

燃焼後University at
Buffalo, SUNY

金属有機多面体ベースの膜

ラボ

高性能金属有機多面体（MOP）ベースの複合薄膜の開発

燃焼後

RSS Solvent
ResearchTeam, NETL
energy tech.
lab.

ポリアミド膜ラボ

燃焼前回収のための高温での水素分離

燃焼前
IGCC

※2022 Carbon Management Project Review Meeting - Point Source Carbon Capture （August 15-19, 2022）の公開情報（https://netl.doe.gov/22CM-PSCC-proceedings）を参照。

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分離膜によるCO2回収技術の開発動向（米国DOE※）(2)
研究機関

分離膜

規模

特徴等

主適用
先

MTR

PolarisTM
membrane

設計(CemexBalcones)

2700 ton/d, 16% CO2 (dry)のセメント工場への適用を想定した膜分離システムの設計

セメント工場

MPT

CeramicMembranes

ラボ

燃焼前回収のための無機膜、膜モジュール、膜プロセスの開発

燃焼前
IGCC

MTR

PolarisTM
membrane

パイロット（10～ MWe）
TRL7（WITC）

商業化に向けた大型パイロット試験

燃焼後
EOR

TDA
膜＋吸着剤
Research, Inc. ハイブリッドプロセス

パイロット（0.5～1MW）

MTR社の膜と表面改質したメソポーラスカーボ
ン吸着剤の組合せ

燃焼後
石炭

MTR

PolarisTM
membrane

パイロット（10TPD）

2段膜システムの開発。ノルウェーTCMでの実証試験

燃焼後

GTI + OSU

促進輸送膜

ラボ

促進輸送系の膜材料、膜エレメント、システムの開発。Wyoming Integrated Test
Centerでの実証試験を予定。

燃焼後石炭実用化に向けてはMTR社がリード（TCM(10TPD）、WITC（150TPDを計画））
その他は、新規膜のラボ、ベンチスケールの研究開発が多い。
※2022 Carbon Management Project Review Meeting - Point Source Carbon Capture （August 15-19, 2022）の公開情報（https://netl.doe.gov/22CM-PSCC-proceedings）を参照。

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吸収液によるCO2回収技術の開発動向（米国DOE※）
研究機関

液、性能

規模

特徴、動向等（★：液開発が主テーマ）

主適用
先
燃焼後
石炭

University of Illiois,Linde、BASF

新規アミン水溶液； 2.3GJ/tCO2 (Optimized BASF
OASE® blue solvent)

パイロット（10MW）★ Linde-BASF吸収液を用いた大規模なパイロット試験（建設中）

SRIInternational

新規Mixed-Salt系吸収液(K2CO3–NH3–amine-H2Osystem)； 2.2GJ/t-CO2

ベンチAbsorbers★ 新規Mixed-Salt系吸収液およびMixed-Salt Process (MSP) の開発

燃焼後石炭RTIInternational

非水系吸収液； 2.6GJ/tCO2

パイロット★非水系吸収液を用いたシステム。TCMでの実ガス試験

燃焼後
石炭

ION Clean
Energy, Inc.

非水系吸収液；2.5～2.6 GJ/ｔ-CO2

パイロット★分離性能、安定性の高い新規非水系吸収液の開発

燃焼後
石炭University ofIllinois at UrbanaChampaign

相分離型吸収液；2.2GJ/ｔ－CO2

ベンチ★相分離型吸収液を用いた分離プロセスの開発

燃焼後
石炭

GTI 、他

メンブレンコンタクター（MDEA利用）； 回収率>90%、
エネルギー性能は報告無し

パイロット

中空糸状メンブレンコンタクター
名称“Carbo-Lock™” Hollow Fiber
Contactor Technology

燃焼後石炭現状）アミン水溶液
将来）MEA 90 wt.% andAPBS 2
APBS: Amine Promoted
Buffer Solutions

ベンチ

GTI社の新規吸収液システム（ROTACAPTM: Process）の研究開発燃焼後
石炭GTI(0.25TPD)（12MW）（0.5MWe）（40kWe）（0.5 MWe）（1TPD）

パイロットスケールの実証試験が多い。新規システムのベンチスケールでの研究開発。
※2022 Carbon Management Project Review Meeting - Point Source Carbon Capture （August 15-19, 2022）の公開情報（https://netl.doe.gov/22CM-PSCC-proceedings）を参照。

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固体吸収材（吸着剤）によるCO2回収技術の開発動向（米国DOE※）
研究機関

材料、性能

規模

特徴等

主適用先

Chevron U.S.A.
Inc.、Svante, Inc.他

新規MOF系吸着剤；性能記載なし

25TPD（予定）

Svante社の新規MOF吸着剤およびシステムの実証試験

燃焼後
石炭、天然ガス

InnoSepra, LLC

新規物理吸着剤プ
ロセス

ベンチ＠
TCM（予TCMでの実証試験
将来、100TPD（TCMの25倍規模）での実証試験を予定燃焼後
石炭

アミン系固体吸収材、MOF系吸着剤の構造体（Structured sorbent）開発。1 TPD の実証試験を計画中

燃焼後
セメント定）（4TPD）
Electricore, Inc.
Svante, Inc.

アミン系固体吸収材／MOF系吸着剤（VeloxoTherm™）

ベンチ

TDA Research Inc.

新規MOF系吸着剤；

ラボ

MOF系新規吸着剤（MOFの合成ス
ケールアップ、ペレット化技術）の開発

燃焼後
石炭GE Research
TDA
UCB

吸着剤： MOFおよラボ

吸着剤と高分子系担体の組合せによるコンタクター

燃焼後
天然ガス

CORMETECH, Inc.
Global Thermostat

ポリエチレンイミンとモノリス担体によるコン
タクター

ベンチ

DAC用の技術のNGCCへの展開

燃焼後
天然ガス

TDA ResearchInc./MTR

高分子系吸着剤

ラボ

マイクロ波を利用した新規TSA(MTSA)

燃焼後
天然ガス（0.001～0.01TPD）

びSSSA（アミン）；
高分子系担体固体吸収材（吸着剤）： ラボ、ベンチスケールの研究開発が多い。
※2022 Carbon Management Project Review Meeting - Point Source Carbon Capture （August 15-19, 2022）の公開情報（https://netl.doe.gov/22CM-PSCC-proceedings）を参照。

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まとめ
種々の分離回収技術について、従来の石炭燃焼排ガスに加え、天然ガス燃焼排ガス、DAC、Utilizationについても幅広く実証試験が行われている。
・膜分離法については、実用化に向けてMTR社がリードしている。
その他は、新規膜のラボ、ベンチスケールの研究開発が多い。また、膜と吸着剤のハイブリッドプロセスの研究開発も行われている。
・吸収液については、パイロットスケールの実証試験が多いが、一方で、新規吸収液やシステムのベンチスケールでの研究開発も行われている。
・固体吸収材（吸着剤）については、ラボ、ベンチスケールの研究開発が多い。また、DAC向けの研究開発の多くは固体吸収材である。
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ご清聴ありがとうございました28