三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022) カーボンニュートラル特集

技 術 論 文1CO2 回収技術と回収 CO2 を有効利用するシステムへの取組み
Initiatives to Develop CO2 Recovery and Utilization Technology Systems

仙 波 範 明 *1

平 田 琢 也 *1

Noriaki Senba

Takuya Hirata

乾正 幸 *2

Masayuki Inui

米 川 隆 仁 *3
Takahito Yonekawa

中 川 裕 二 *4
Yuji Nakagawa

CO2 の排出量削減には，CO2 回収技術だけではなく，回収した CO2 の行き先，有効利用先が必要である。現状の CO2 の利用は，排出量に対して極僅かであり，地中保管（CCS：CarbonCapture and Storage）が現実的な選択と考えられる。しかし，貯留場所は偏在しており，そこから離れた地域では何らかの有効利用を図る必要がある。この課題に対して，三菱重工（以下，当社）グループでの取組み事例として，化学製品，燃料及び直接利用技術をそれぞれ紹介する。

|1. はじめに地球温暖化を背景とした脱炭素の動向に対して，再生可能エネルギーや水素への燃料転換技術の開発が加速している。しかし，すべてのエネルギーを化石燃焼以外で充足することは容易ではない。当社グループである三菱重工エンジニアリング株式会社では，燃焼排ガスからのCO2 回収技術を有しており，これまで石炭火力発電所や化学プラントに装置を納入，世界トップシェアを占めている。この技術を他の産業セクタにも適用を拡大し，脱炭素への社会ニーズに対応していく所存である。
一方，これまでの CO2 回収装置では，回収した CO2 は，地中保管（CCS）や石油増産（EOR：Enhanced Oil Recovery），尿素合成等に用いている。しかし，今後 CO2 回収を普及させていくには，CO2 の有効利用用途が必要であり，この技術開発について，当社グループの取組みを紹介する。

|2. 炭素源としての CO2炭素は，化学製品（メタノール，ポリエチレン，カーボンブラック等）として広く用いられている元素である。現在，これらは主に天然ガス（メタン）や原油から取り出されるナフサから製造されている。CO2 から製造することも技術的には可能であるが，CO2 はエネルギー的に安定な物質であり，メタンやナフサから製造するのに比べて，多くのエネルギーが必要である。図１に CO2，メタン及びメタノール等のエネルギー準位を示す。エネルギー準位は低いほどその物質が安定，すなわち反応しにくいことを示している。反応経路にもよるが，エネルギー準位が低い CO2（-394kJ／mol）から化学製品（メタノール，エチレン等）を製造すると，メタン（-51kJ／mol）や一酸化炭素（137kJ／mol）から製造する場合に比べて，エネルギーが必要になることを示している。当然ながらその分コストが高くなる。したがって，社会的にそのコストを許容する必要がある。

*1 総合研究所 化学研究部 主席研究員*2 成長推進室 事業開発部 エナジートランジショングループ 主席部員 工学博士
*3 三菱重工エンジニアリング株式会社 脱炭素事業推進室 次長*4 三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社エンジニアリング統括部 副事業部長

三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)

2

図１ 反応性からみた CO2 の性質|3. 現状の CO2 の保管場所，利用用途
現在排出されている人為的な CO2 排出量は年間約 400 億トンと推定されている。カーボンニュートラルを達成するには，これを 43～130 億トンまで削減する必要がある（図２）(1)。一方，回収が必要となる CO2 の量は，現在の 0.4 億トンから 43～130 億トンまで増加させる必要がある。これに対する CCS の貯留ポテンシャルは，IEA によると，８兆トンと言われており，2050 年の排出予想量ベースで数百年分以上と推定されている(2)。したがって，総量的には充分な CO2 の行き先があると言える。
現状，CO2 は冷媒や農業，溶接時の作動ガスとして，年間約 120 万トン利用されている。国内での CO2 排出量は，年間 1 000～1200 百万トンであり，それに比べると利用量は 0.1％程度に過ぎない(3)。前述したコストの問題と合わせると，CO2 の貯蔵，CCS が最も現実的な選択と考えられる。
しかし，現在の貯留場所は北米や北海周辺に偏っており，それ以外の地域では，遠く離れた貯留場所まで CO2 を運搬するか，回収した地域周辺で有効利用を図る必要がある。

図２ 必要な CO2 削減量|4. 回収した CO2 再利用
回収後の CO2 を再利用する場合，脱炭素化のため CO2 の固定もしくは化石燃料の消費量低減につながることが望ましい。当社グループでは，CO2 を再利用について，いくつかの検討を実施している。化学製品，燃料及び直接利用の例をそれぞれ挙げる。

三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)

34.1 炭酸ジメチル（DMC：Dimethyl Carbonate）
炭酸ジメチル（以下 DMC）は，リチウム電池の電解液として使用されている化学製品である。リチウム電池は長期間にわたって使用されるため，炭素の固定先の一つとして利用可能であり，今後のリチウム電池の普及に伴って使用量も増加することが見込まれる。すなわち，DMC によるCO2 固定が実用化すれば，例えば発電設備から排出される CO2 を回収し，リチウム電池の電解液として流通させる等の新規な資源循環モデルも開発可能となり，脱炭素社会の一端を担うことができる。
現行の DMC 合成は，CO を原料とするが，当社は CO2 を原料とするプロセスを，過去に構築している(4)。その合成法を以下に示す。現在，プロセスの最適化を検討している。
アセトンジメチルアセタール（以下，ADA：Acetone Dimethyl Acetal）を中間物質として利用し，CO2 とメタノールから DMC を合成する。反応は２段階に分割して行い，まず CO2 と上記 ADA を触媒上で反応させ DMC を得る。ここで副生成物として生成するアセトンをメタノールとエステル交換反応させることにより ADA を再生して，プロセス内で循環して利用する。（式(1)，式(2)，及び図３）

式(1) DMC 合成反応

式(2) ADA 合成反応

図３ 炭酸ジメチル（DMC）合成法

一方，DMC の需要は，年間平均成長率で最大８％の市場となり，特に車載用バッテリー向けで顕著な需要増が見込まれる。2020 年時点では年間約 70 万トン，2028 年には年間約 140 万トンまで拡大する可能性がある（図４）(5)。需要地として特に多いのは欧米，アジア（特に中国）で，

三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)

42020 年時点での需要割合は，中国（26％），日本（11％），北米（12％），欧州（15％）と予想される（図５）(5)。CO2 の貯蔵地域から離れた東アジアで一定の需要が見込まれており，CO2 の利用用途として期待することができる。

図４ DMC 需要の予測

図５ DMC の地域別需要

4.2 メタン（メタネーション）
メタンは都市ガスとして使用されており，CO2 からメタンを製造することにより，化石燃料である天然ガスの消費量低減につながる。メタネーションは，CO2 と水素を高圧高温条件下で反応させ，メタンを生成するもので，下記の反応式(3)で表される。
CO2＋4H2→CH4＋2H2O・・・・・・・式(3)
この反応には，水素が必要となる。水素自身でも燃料となり，またカーボンフリーではあるが，メタンに比較すると発熱量が低い。そのため，既存のメタンを送っている都市ガスと混合すると，発熱量の低下につながる。回収した CO2 と反応させメタンにすることにより，発熱量の低下を防止することができ，影響なく，既存の都市ガスのインフラをそのまま使用することが可能となる。
当社グループの三菱重工エンジニアリング株式会社及び三菱重工環境・化学エンジニアリン
グ株式会社では，横浜市，東京ガス株式会社と共同で，CO2 回収/メタネーションの実証試験を計画している（図６，2022 年１月にプレス発表）。具体的には，横浜市の清掃工場に小型の回収装置を設置し，都市ごみ焼却炉の燃焼排ガスから CO2 を回収する，一方太陽光発電や余剰電力により水を電気分解し水素を得る。この２つをメタネーションによりメタンに変換する。現在，試験三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)

5計画を進めており，CO2 の回収試験を実施する予定である。
CO2 の再利用におけるメタネーションの最大の利点は，既存の都市ガスのインフラをそのまま使用することができるところである。一方で水素の入手先やコストが課題となる。

図６ 都市ごみ焼却炉からの CO2 回収/メタネーション

4.3 農業利用
施設園芸においては，ビニールハウス内の環境制御を行うことにより，作物の品質や収量を高める試みがあり，その一つに CO2 施用法（CO2 肥用法）がある。植物は，葉表面の気孔から CO2 を取り込み，光エネルギーを利用して CO2 と植物内水分から酸素と糖を生産（光合成）する。一般には，CO2 濃度が高いと光合成速度が増加し，また気孔が閉じ気味となり気孔からの水分蒸発（蒸散）が減るため，植物にとっての水の節約ともなる。ハウス内の CO2 濃度は，大気中同等の400ppm から数千 ppm 程度で維持管理されることが想定され，化成品合成原料のような高純度なCO2 は必ずしも要求されない。現状の CO2 施用方式は，燃焼方式（灯油，LPG）や製品利用方式（液化炭酸ガス）であるが，完全燃焼による有害物生成回避や燃料・液化炭酸ガスのコスト高や炭酸ガスの安定調達（少量・分散），といった課題がある。
当社グループである三菱重工エンジニアリング株式会社は，本年６月に小型 CO2 回収装置の初号機を，広島県内にある太平電業殿向けに納め，バイオマス焚きボイラの排ガスから CO2 を回収している。この CO2 は発電所内に新たに設置されたビニールハウスに送られ，農業用に利用されている。このように，周辺環境によっては，農業利用も利用用途の一つとなり得る。

|5. まとめ
CO2 の排出量削減には，CO2 の回収だけでなく，固定／保管が大きな課題である。量的な観点から，CCS が最も現実的な選択となるが，貯留場所が北米，北海周辺に偏在しており，そこから離れた地域では回収した CO2 の有効利用，固定化技術が求められる。
当社グループでは，化学製品，燃料，直接利用等様々な利用用途を検討しており，CO2 回収から再利用，固定化に至るカーボンサイクルの確立に注力している。しかし，CO2 は化学的に安定な物質であり，化学製品や燃料の原料として用いるのは，経済的には課題が多い。これらの課題に対して，当社グループだけではなく，関連する企業，自治体等とも協力しながら，CO2 削減に寄与すべく技術開発を進めていく。

参考文献(1) McKinsey 1.5℃シナリオ，IEA Net Zero by 2050，IEA SDS，IPCC 等(2) Global CCS Institute, 2020, The Global Status of CCS : 2020, Australia(3) 2015～2017 年頃に実施された NEDO のプロジェクト“CO2 分離型化学燃焼石炭利用技術開発”の国
内 CO2 市場調査データ。（JCOAL と IAE が担当）
(4) CO2 エミッションフリー石油代替燃料製造プラントと LNG プラント，重工技報，第 41 巻，第４号，p204207（2004）(5) Dimethyl Carbonate Market – Global Forecast to 2025 （Market and Market TM）

三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)

6