特集⃝脱炭素化に向けたキーテクノロジー

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０２０

脱炭素化に向けたキーテクノロジー：
CO2分離・回収技術の概要と新たな展開
 化学研究グループ

サブリーダー・

1. はじめに中尾杉田副主席研究員 余語主任研究員 甲斐主任研究員 山田

グループリーダー・主席研究員

主席研究員真一啓介
克則照彦秀尚一方、回収技術を対象ガスによって分類すると、現パリ協定の発効を受けて、2050年に向け、温室効行の大規模なCO2排出源として火力発電所、製鉄所高果ガス80%削減を目指したエネルギー転換・脱炭素炉、セメントプラント、化学プラントをターゲットに化の取り組みには、再生エネルギーの主力化をはじめし た 場 合、 燃 焼 後 に CO2を 分 離・ 回 収 す る Post-

CO2削減を進めつつ、CO2排出源から大気中への放Combustion、燃焼前にCO2を分離・回収するPre-出を大幅に削減できる技術として、CO2分離回収・有Combustionに大別される。

効利用・貯留（CCUS）の技術開発を進めておく必要

Post-Combustionは、発電所のボイラー等から発生する燃焼排ガスからCO2を分離・ 回収するもので、がある。
CCSでは、CO2分離回収コストは全体のコストの通常はほぼ大気圧で運転される。
排ガスの圧力が低く、約6割程度を占めると試算されている。一方、2019

CO2濃度も低いので、回収技術としては、CO2との年6月に策定されたカーボンリサイクル技術ロード

反応性が高いアミン化合物を液体で用いる化学吸収法

マップでは、CO2を資源として捉え、これを分離・回や固体表面に担持して用いる固体吸収法、深冷分離法

収し、鉱物化や人工光合成、メタネーションによる素などが適用候補技術となる。化学吸収法と固体吸収法

材や燃料への利用等とともに、大気中へのCO2排出をは、CO2液化を必要とする深冷分離法よりも低コスト抑制していくカーボンリサイクル（CCU取組み）がが期待される。

提案されている。

Pre-Combustionは、化学プラントなどでの水蒸気このCCUS取組みを進めていく上で、共通技術であるCO2分離回収コストの低減が重要である。

改 質 ガ ス か ら のCO2除 去 や、 石 炭 ガ ス 化 複 合 発 電（IGCC: Integrated coal Gasification CombinedCycle）などの石炭の部分酸化により生成したH2，

２. CO2発生源と回収の最適な組合せ

１），2)，3)

CO，CO2等の混合ガスからCO2を分離・回収するもCO2の分離・回収は、排出源から排出されるCO2ので、一般に処理するガスの圧力が高いので、圧力差の圧力や濃度といった物性に応じて最適な方法を選択で分離する物理吸収法や物理吸着法、膜分離法が適用

す る 必 要 が あ る（ 図1）。 分 離・ 回 収 技 術 と し て、候補技術となる。高圧ガスからCO2分離回収する場

CO2を液体に吸収させる化学吸収法と物理吸収法、固合、ガスを透過させるだけでCO2分離が可能な膜分離

体表面上に担持したアミン化合物に吸収させる固体吸法は、物理吸収法や物理吸着法よりも省エネ・低コス収法、固体表面上に吸着させる物理吸着法、膜分離法、トが期待される。

極低温下で液化し沸点の違いを用いて分離する深冷分離法等がある。

以上の整理を踏まえて、CO2を液体に吸収させる化学吸収法、固体表面を利用する固体吸収法、膜分離法を中心に、その技術の現状と新たな展開を概説する。
また、カーボンリサイクルのコンセプト図（図2）に示されているように、大規模発生源からのCO2回収
技 術 以 外 に、 大 気 か ら 直 接CO2を 回 収（DAC：Direct Air Capture）する技術への展開も紹介する。

図1

CO2排出源とCO2回収技術

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図2 カーボンリサイクルのコンセプト
https://www.enecho.meti.go.jp/category/others/carbon_recycling/pdf/concept_ja.pdf

3. CO2分離回収技術の現状と新たな展開Monoethanolamine） を 用 い たMEA法 で あ る。 よ3.1. 化学吸収法

く知られているように、MEA法には、再生時（(1)一般に、液体に気体が溶解する際、明確な化学結合の逆反応）のエネルギー消費、MEAの装置腐食性、状態の変化を伴う場合を化学吸収、そうでない場合をMEAの酸化劣化などの課題があり、これらがCO2分物理吸収とよぶ。CO2は酸性ガスであるため、塩基性離回収コストを押し上げている。その後、MEA法のの材料（B）に化学的に吸収される。その吸収反応は改良の他、代替アミンを用いたプロセスの開発、実証、可逆的であるため、混合ガス中のCO2を選択的に吸収商用化が盛んに行われてきた。化学吸収法によるさせた後、スチーム加熱等によって逆反応を起こすこCO2回収分野においては、特に日本の活躍が目覚まとで、CO2の分離回収が可能となる（図3）。

しい。

B + CO2 ⇄ B・COO		

(1)

1990年代に入り、三菱重工業（株）と関西電力（株）
は共同で、ポストMEA法の開発に着手し、独自の吸収液KS-1ならびにプロセスKM CDRを開発した。その後、化学プラントで発生する燃焼排ガスから回収したCO2を尿素製造などの原料に利用するプロセスでの商用化、さらには石油増進回収（EOR: Enhanced
Oil Recovery）への展開を進めてきた。現在稼働中のCO2分離回収装置で世界最大規模のものは、当該プ

図3

化学吸収法によるCO2分離回収スキーム

このような化学吸収法によるCO2分離回収の中で、アミン水溶液を用いる手法は、20世紀前半より知られる最も成熟したCO2分離回収技術である。

ロセスによるものであり、その容量は約5,000 tonCO2/dayに達する5)。
2000年代に入ると、欧州、米国、カナダ、豪州でも化学吸収法および他のCO2分離回収の開発は盛ん

燃焼排ガスは、CO2分圧が比較的低く、副成分としになり、日本でも、（株）東芝、（株）IHIなどが、化てO2を、さらには微量成分としてSOXやNOXなどを学吸収法による燃焼排ガスからのCO2回収分野に本含むことから、合成ガスや天然ガスに比べてCO2回収格参入した。その後、CCSが有効な温暖化対策技術の難易度は高い。そのような事情もあり、燃焼排ガスとして認知されると、当該技術のCCSへの適用を指対象とする本格的なCO2分離回収技術が確立するの向した研究開発が産官学によって加速的に実施されるは、1980年代に入ってからであった 。現在でもベようになった。この際、回収したCO2を産業利用するンチマークとされるモノエタノールアミン（MEA:のとは異なり、CCSそのものは利益を生み出さない4)

5

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ため、回収コストの削減に向け、大きな技術革新が求化学吸収法は着実な進化を遂げ、CCSでの実用化められる。アミン水溶液を用いた化学吸収法は、エネ達成に至っている。しかし、低コスト化に向け、プロルギー消費の低減に本質的な限界があるため、広く他セスの改良・効率化、再生エネルギー低減、吸収液のの回収法も研究されるようになったが、その実績と技耐久性向上などを目指した研究開発が依然として盛ん術の成熟度は他法よりも高いと言える。

である。RITEもこれまでに成し遂げた分離回収エネ

2014年、カナダのサスカチュワン州で石炭火力発電（Boundary Dam発電所3号機）における世界初ルギー削減を極限まで遂行すべく、新規溶媒を導入するなど、更なる研究開発を実施している。の商用スケールCCSが始動した。回収はアミンベースの化学吸収法（Shell社、Cansolvシステム）によ3.2. 固体吸収法

るもので、約3,000 ton-CO2/dayで累計約2 Mtを回CO2を固体と反応させて分離回収する吸着分離法

収し、EORおよび地中貯留を実施した。後継プロジェ

は装置の起動停止や運転が簡単なことや、大量の廃液クト（Shandスタディ）では、KM CDRプロセス採処理が不要なことから、化学的に安定で高性能な吸着用した次世代CCSシステムの実現可能性が検証され剤が開発されれば大幅なコスト低減も期待できる。ている 。先に述べたように、KM CDRプロセスは既吸着現象には、ファンデルワールス力による弱い物に世界最大の回収施設で稼働しており、その商用運転

理吸着と、化学結合による強い化学吸着がある。CO2

開始は2016年、米国NRGエナジー社と日本のJX石の物理吸着では主にゼオライトや活性炭が使用されて油 開 発（ 株 ） が 共 同 で 推 進 す るEORプ ロ ジ ェ ク トいるが、近年、MOF(Metal Organic Frameworks)（Petra Novaプロジェクト）においてであった 。同なども研究開発が進められている。一方、化学吸着のじ時期に稼働中あるいは建設中の大規模CCS施設（約吸着剤としてはナトリウムやカリウムなどのアルカリ0.7 Mt/year以上）21例では、化学吸収法11例（ア金属やアミン類を担持した無機多孔質材料、ハイドロミン：9、炭酸カリウム：2）、物理吸収法8例、物理タルサイト、酸化カルシウム、ケイ酸リチウムなどが吸着法1例、膜分離法1件が採用されている 。ちなみ使用されている10）。

6)5)7)に、天然ガス精製などにおいて、H2Sを有する高圧ガ

温度や圧力を変化させることにより、吸着した物質

スに対しては、化学吸収液よりも物理吸収液が使われを脱着して再生することにより、吸着剤を繰り返し使ることが多い。

用することができるが、水酸化リチウムや酸化銀などRITEでも2000年代初期より、CCSのコスト削減をの特殊な用途（有人宇宙活動など）に使用される吸着目指して、化学吸収液の開発を実施している。特に、剤は再生が困難であり、低温で使用されて廃棄される既存アミンに限らず新規合成アミンを対象に含めた大こともある。

規模な代替アミンの探索は世界的にも類のないものでこれまでに我が国では、高炉から発生するCO2を大あり、そのために計算化学を活用した分子設計手法を幅に削減するプロジェクトの一環として、吸着分離技導入するなど、新しいコンセプトで化学吸収法による術が研究されている。新エネルギー・産業技術総合開

分離回収エネルギーの削減に貢献してきた 。2008

発機構（NEDO）の「環境調和型プロセス技術開発」

年に始まった環境調和型プロセス技術の開発の中で，JFEスチール株式会社によりゼオライトを用（COURSE50）プロジェクトにおいては高炉ガスかいた物理吸着によるCO2の吸着分離プロセスの開発

8)らの省エネルギーCO2分離回収技術構築のために新が実施された。処理能力3 t-CO2/dayのベンチ試験装

日鐵住金（現、日本製鉄）（株）と共同で新規化学吸置が建設され、実ガスからのCO2分離性能を評価する収液を開発し、新日鉄住金エンジニアリング（現、日とともに、ガス前処理方法やコスト削減方法が検討さ鉄エンジニアリング）（株）が2014年に商用化した

れた。活性炭系材料よりもCO2純度を向上できるゼオ

CO2回収装置ESCAPに採用された。本装置によってライト系のCO2吸着剤によりCO2回収率80％以上，国内の製鉄所や発電所で回収されたCO2は、食品産業回収CO2濃度90％以上を達成し、回収エネルギー（真や化学産業において利用されている 。

空ポンプ動力）としては200kWh/t-CO2以下を達成

9)

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している11)。ただし、ゼオライトは水蒸気の存在下でTDA Research社 のAlkalized Alumina SorbentがのCO2吸着量が大幅に減少するため、前処理として除パイロットスケールで試験されている。反応熱の極め湿プロセスが必要であり、その分のエネルギー消費がて低い低コストのアルカリ化アルミナ吸着剤の開発大きいことが課題である。と、この吸着剤専用に設計されたCO2captureプロセ

一方、H2O耐性がある吸着剤としてポリエチレンイス（ほぼ等温条件で吸着と再生を実行するための独自ミン担持シリカなどのアミン修飾固体吸収材に関しての プ ロ セ ス ） を 開 発 し、NCCC(National Carbon

数多くの報告例がある。米国ではこれまでにエネル

Capture Center)にてパイロット試験が実施されてギー省（DOE: Department of Energy）の国立エネいる。

ル ギ ー 技 術 研 究 所（NETL: National Energy

その他に、Shell社はウィーン工科大学と共同で、Technology Laboratory）がアミンを粘土鉱物等に燃焼排ガスからのCO2回収を対象に、固体吸収材によ担持した固体吸収材の開発を進めている 。固体吸収るTSAプロセスの開発を行っており、これまでに流動材は、化学吸収剤であるアミンを多孔質支持体に担持層の試験装置（50 kg/day）で、回収率90%、MEAした固体（図4）で、物質が2相の界面に集積する吸法 と 比 べ て40%の エ ネ ル ギ ー 削 減 を 確 認 済 み で、着現象とは異なり、CO2が担持されたアミン相内部へ

2018年からは、オーストリアのViennaGreenCO2の 移 動 現 象 を 伴 う た め「 固 体 吸 収 材（solidプロジェクトとして1 ton/dayのパイロット試験を進sorbent）」と呼ばれている。

めている（対象はバイオマス発電）。

12)

アミン系以外の材料で大規模検討された例として、韓国電力公社（KEPCO社）が中心にアルカリ金属の炭酸塩を用いたCO2分離回収技術がある15)。炭酸カリ
ウムを担持した材料を用いた流動層によるTSAプロセ
スでCO2を回収するプロセスが検討されている。すで
図4に10MW相当、約200 t-CO2/d規模での実用化試験固体吸収材の概念図

アミンを多孔質支持体に担持することで、水溶液とを実施済みで、80％の回収率で680時間の連続試験して用いる化学吸収法よりもCO2の脱離にかかるエを実施しており、再生温度が140〜200℃、回収エネネルギー損失（水を加熱するための顕熱，潜熱）が低

ルギーは5 GJ/t-CO2と報告されている16）。

く、また、再生時の蒸発による吸収液の損失が少なく、さらに、固体吸収材は室内や宇宙などの閉鎖空間で装置腐食性が低い利点もあるとされている。ポリエチのCO2の除去や、空気からの直接CO2回収（Directレンイミン(PEI)を担持した固体吸収材を移動層あるAir Capture：DAC）など、より低濃度のCO2排出

いは流動層での吸着分離に適用すると分離回収エネル源への適用も検討されている（図5）。

ギーが1.8 GJ/t-CO2にまで低減できると試算されている13）。
米国ではDOEのファンドを得てこれまでに様々な固体吸収材の検討がパイロットスケールで進められており、ADA-ES Inc.社が実施した市販ポリアミンを用いたパイロットプラント試験（約20 t/day）では再生に吸収液と同様の高温蒸気（120℃）が必要であり、

図5

DACの概念図

回収エネルギーは2.8 GJ/t-CO2と報告されている。

世界に先駆けてスイスのClimeworks社は独自のア

また、SRI Int’l社では循環流動層を用いた温度スイン

ミン担持固体吸収材を利用したDAC装置を商用化しグ吸着（TSA）試験200 kg/day程度のベンチプランている。焼却炉の排熱を利用して脱着を行なっている

ト試験が実施されており、回収コスト＄39.7/t-CO2

ため、設置場所は100℃以上の排熱が利用できる場所（吸収液は＄68/t-CO2）と報告されているに限られるが、回収したCO2をビニールハウスに供給。また、

14）

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し、野菜や果物の成長を促進することを想定している。

膜分離法は連続操作（再生処理が不要）のため設備

20m の敷地に回収ユニットを3段重ねで設置すると、がコンパクトになり、また、特に圧力を有するガス源

CO2回収量は150 ton-CO2/yearとされている。米国からのCO2分離において、他の分離法に比べ低コスト

ではCarbon Engineering社がパイロットレベルで実かつ省エネルギーでの分離が可能となる。一方で、膜証試験を行なっている他、複数の企業がDACについて

分 離 法 は 比 較 的 新 し い 技 術 で あ り、CCSの た め の研究を行っているが、これらのシステムは、現状技術

CO2分離回収技術としては、化学吸収法や固体吸収法レベルでは極めて高コストになることが示されている。に比べて研究開発が遅れており、ラボ〜ベンチスケー

現状技術レベルでは吸収塔の規模が極めて大きくなる

ルの比較的小規模での検討に留まっている。膜材料とため、回収コストは少なくとも＄100/ton-CO2と見積しては、高分子膜、無機膜、有機／無機複合膜、促進もられているが、バイオマス利用CCSと比較して広大輸送膜など、種々の新規膜材料が開発されているとこな土地の利用を必要しない点が有利と言われている。

ろである17）。

2

RITEで は，2010年 度 か ら 経 済 産 業 省 委 託 事 業

Post-Combustionでは、低圧ガスの分離のため、（2018年度からNEDO事業）において，固体吸収材圧縮機や真空ポンプの設置が必要となり、コスト、エを用いた石炭火力発電所からのCO2回収技術の実用ネルギーを既存技術よりも大きく低減するのは難し化研究を進めている。これまでにCO2の脱離性能に優い。また、コスト、エネルギーを低減するためには、

れ，なおかつ高い吸収容量を有する新規固体吸収材の必要膜面積を低減させる観点から、分離係数よりも透開発に成功している。
この技術をベースに開発を進め、過 性 が 高 い 膜 の 開 発 が 重 要 と さ れ て い る。Post-

固体吸収材を10 m 規模で合成し、川崎重工業（株）

combustionのための分離膜開発に関する基礎研究はの移動層システムベンチスケール試験装置において多数実施されているが、パイロットスケールの実証試

7.2 ton-CO2/day規模の回収性能を確認している。

験は少ない。また、膜分離法単独では回収率、純度に現在、2020年代を目処に石炭火力発電所からのCO2限界があるため、膜分離法と他の分離法の組合せ（ハ分離回収に適した、より高性能な固体吸収材システムイブリッド化）に関する研究開発が多く行われている。

を確立すべく、研究開発に取り組んでいる。また同時

Air Liquide社では、氷点下で高い分離性能を発現すに、室内や宇宙などの閉鎖空間や大気中からの回収なる高分子膜（cold membrane）と液化を組み合わせど、より低濃度のCO2排出源への適用可能性についてたプロセスを開発している17)。燃焼排ガス中のCO2も検討を行っている。

（濃度12%）を膜で58%以上に濃縮し、さらに液化に3

よって95%以上のCO2として回収するというプロセ
3.3. 膜分離法

スを想定している。NCCCにおいて、6.5 t-CO2/d規膜分離法は、圧力差によって分離膜の供給側から透模 で の ベ ン チ ス ケ ー ル 実 証 試 験 を 実 施 し て い る。

過側へCO2を透過・分離する分離法である。膜分離の膜（MTR社）と吸着剤（TDA
TDA Research社では、メカニズムは、大きく分子ふるい機構、溶解拡散機構

Research社）の膜―吸着剤ハイブリッドシステムのに分けられる（図６）。分子ふるい機構では、細孔径検討を行っており、ノルウエーのCO2 Technologyよりもサイズの小さなガスが選択的に透過する。一方、Centre Mongstad (TCM) にて実証試験を行う予定

溶解拡散機構では、膜材料に親和性のあるガスが選択である17)。MTR社では、膜プロセスと液化のハイブ的に透過する。

リッドプロセスの検討を行っており、NCCCでの実証 試 験（20t-CO2/d規 模 ） に 続 い て、Wyoming
Integrated Test Center (WITC) でのパイロットスケールの実証試験（200t-CO2/d規模）を実施する予定である17)。
Pre-Combustionでは、高圧ガスの分離のため、真図6膜の分離機構空ポンプ等が不要となり、低コスト、省エネルギーの8

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分離が可能となるが、一方で、Post-combustionとDamプロジェクトや米国のPetra Novaプロジェク異なり、高温、高圧での耐久性などが要求されること

ト、日本のCOURSE50プロジェクトでは、個々の改になる。また、Pre-combustionでは主にCO2とH2を良した吸収液を使用した商用機が稼働しているが、分離する系を対象にしているので、H2の分子サイズCCS実用化を広く推進するには、更なる回収コストの方がCO2より小さいため、H2を選択的に透過するの低減が課題である。

膜材料の方が多く、一部の例外を除き、H2選択透過大幅なコスト低減を期待できるのが固体吸収法で、膜に関する検討が主に行われてきた。基礎研究で検討

装置の起動停止や運転が簡単なことや、大量の廃液処されている新規膜材料は耐熱性のある材料（中空糸炭理が不要なこと、水を使用しなくても良いことが大き素膜、パラジウムナノ粒子を担持した有機無機複合膜、な特徴である。高いCO2吸着・脱離性能を有する固体

耐 熱 性 ガ ラ ス 状 高 分 子 膜 等 ） が 検 討 さ れ て い る。

吸収材は、室内や宇宙などの閉塞空間でのCO2除去

MTR社 で は、H2分 離 膜（N2ス ウ ィ ー プ ） と 液 化、や、空気からの直接CO2回収（DAC）など、低濃度CO2分離膜を組み合わせたプロセスを提案し、NCCCのCO2排出源への適用も期待されている。

にてベンチスケールの実証試験を予定している。また、

一方、Pre-Combustionでは、処理するガスの圧力がスペーサーなどの膜エレメント部材の改良検討を実施

高い傾向にあるので、CO2との親和性も利用できる膜分している 。

離法がコスト的に最も優位と考えられる。現在、実ガス17)

RITEと 民 間 会 社 に よ り 設 立 さ れ た 次 世 代 型 膜 モ
ジュール技術研究組合は、主にPre-combustionへの試験や膜システムの開発に向けた研究が進められている。

適用を目的として、2011年度から経済産業省委託事

CCUSを広く普及させるためには、より省エネル業（2018年度からNEDO事業）において、新規CO2ギー・低コストなCO2分離回収技術を提案していくこ

分離膜（分子ゲート膜）モジュールの研究開発を進めと以外に、事業者にインセンティブを与える施策やている。通常の膜と異なり、CO2/H2の混合ガスからCO2排出基準規制、固定価格買取制度、炭素税等の導CO2を選択的に透過させることが出来るため、CO2入が必要と考えられる。

分離後の高圧のH2を再加圧することなくIGCCのガス参考文献

タービンに導入することが可能となる。
実用化に向け、

1) CCS技術の新展開 監修 茅陽一 編集（財）地球環境産業技術研究機構 シーエムシー出版 （2011年11月30日第1刷発行）
2) J ST研究開発の俯瞰報告書 エネルギー分野（2017年）／CRDSFY2016-FR-02 （2017年3月）
3) 平成25年度シャトルシップによるCCSを活用した二国間クレジッ
ト制度実現可能性調査委託業務 報告書，みずほ情報総研株式会
社，独立行政法人産業技術総合研究所，千代田化工建設株式会社（平成26年3月）
4) Oko et al., Int. J. Coal Sci. Technol., 4, 5-14 (2017).
5) 平 田ほか, 三菱重工技報, 55, 42-47 (2018).
6) Bruce, 2019 Carbon Capture, Utilization, Storage, and Oiland Gas Technologies Integrated Review Meeting (2019).
7) 佐々木, 化学工学, 79, 826-830 (2015).
8) Nakao et al., Advanced CO2 Capture Technologies, Springer (2019).
9) 日鉄エンジニアリング(株)ホームページ.
10) S.Choi et al., ChemSusChem 2009, 2, 796.
11) H. Saima et al., JFE Tech. Rep., 32, 44 (2013).
12) R. V. Sirwardane, U.S. Patent 6,908,497 B1 (2005).
13) J .S. Hoffman et al., Proc. the 33rd International TechnicalConference on Coal Utilization & Fuel Systems, June 1-5(2008), Clearwater, Florida, USA.
14) Nelson, T., et al., 2014 NETL CO2 Capture Technology
Meeting, Pittsburgh PA, US (2014.7),
15) Y. C. Parka et al., Energy Procedia 37 (2013) 122.
16) Park, Y.-C., et al., Energy Procedia, 63 (2014) 2261-2265.
17) Proceedings of 2019 Carbon Capture, Utilization, Storage,and Oil and Gas Technologies Integrated Review Meeting(2019), https://netl.doe.gov/node/9041.

連続製膜技術の開発及び連続製膜した膜を用いた膜エレメントの開発を行っているところである。
４. おわりに１）
CCUS取組みを進めていく上で、共通技術であるCO2分離回収の低コスト化が重要である。
本 章 で は、 燃 焼 後 にCO2を 分 離 回 収 す るPost－Combustion、 燃 焼 前 にCO2を 回 収 す るPreCombustionに大別して、それに適するCO2分離回収法を概説した。
Post-Combustionでは、処理するガスの圧力が低いので、CO2との反応性が高いアミン系化合物を利用する化学吸収法や固体吸収法がコスト的に優位と考えられる。
化学吸収法では、モノエタノールアミン法をベンチマークとして、低コスト化を目指し、種々の吸収液を用いる方法が開発されている。カナダのBoundary9