第三回グリーンＬＰガスの生産技術開発に向けた研究会

SOECメタネーションとC2-4成分併産への挑戦
2021年１月22日
大阪ガス株式会社
エネルギー技術研究所
ｴｸﾞｾﾞｸﾃｨﾌﾞﾘｻｰﾁｬｰ 大西 久男

１．大阪ガスの都市ガス原料と供給ガスの変遷
創業時） 石炭を原料としガス燃料に変換、導管網を通じて供給し、（石炭に比べ）貯蔵不要・制御容易・クリーンなガス体エネルギーキャリアをお客さまにお届けする事業
1905（明38）

薪(ﾊﾞｲｵﾏｽ)→（都市ガス原料）▲創業

1972（昭47）

石炭石油

都市ガスの意義：
お客様先での貯蔵不要、石炭より制御性等に優れたクリーンなエネルギーキャリア

1990（平2）天然ガス

現大阪ドーム所在地

水素約55％、メタン約20％＋N2, HC, CO,
CO2（代表例）

15MJ/m3

19MJ/m3
1(46→)45MJ/m3

１．大阪ガスの都市ガス原料と供給ガスの変遷

詳細省略

エネルギー資源情勢の変遷に応じ、原料（一次エネルギー）を石炭→石油→LNGと変遷させながら、供給ガスの高熱量化（輸送効率向上）を進めてきた。
1905（明38）

薪(ﾊﾞｲｵﾏｽ)→（都市ガス原料）▲創業

1953（昭28）石炭1972（昭47）

石油
▲石油
導入

1990（平2）石油（ナフサ）

天然ガス合成ﾌﾟﾗﾝﾄ

自社開発・建造
低温水蒸気改質＋メタン化

LNG

▲LNG
導入

合成天然ガス（メタン）

▲天然ガス
転換完了

弊社旧北港製造所

約６億m3/年相当
200万m3/日（約8万m3/h）

1985-1996年操業

メタン89％、エタン7%、プロパン3%、ブタン1%（代表例）
純メタン(40MJ/m3)より高カロリー

15MJ/m3

19MJ/m3
エネルギー供給能力を３倍に2(46→)45MJ/m3

２．都市ガスの脱炭素化イノベーションへの挑戦

詳細省略

2050年に向け、「カーボンリサイクルガス」を製造する技術の研究開発により、「脱炭素社会においてもお客さまに都市ガスをお届けし続ける」ことに挑戦。
1905（明38）

薪(ﾊﾞｲｵﾏｽ)→（都市ガス原料）1953（昭28）

石炭エネルギー資源情勢変化

LNG

非化石資源？

▲天然ガス
転換完了

脱炭素社会情勢変化

情勢変化

都市ｶﾞｽの意義： 長期貯蔵可能、既存供給・消費
既存社会ｲﾝﾌﾗを活用可能なインフラを活用した供給「脱炭素エネルギーキャリア」

非化石ｴﾈﾙｷﾞｰ
電力
回収CO2

▲LNG
導入

2050

1990（平2）石油▲石油導入▲創業1972（昭47）ｶｰﾎﾞﾝﾘｻｲｸﾙ技術（メタネーション）

CO2

カーボンリサイクル
都市ガス

水15MJ/m3

19MJ/m3
エネルギー供給能力を３倍に3(46→)45MJ/m3

カーボンニュートラルに関する状況変化と議論の状況
https://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_subcommittee/033/033_004.pdf

まず、電力部門の議論を先行

https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012-1.pdf②燃料の脱炭素化（化石由来→非化石への転換）①電力の脱炭素化（全量非化石電源への転換）

4

２．都市ガスの脱炭素化 1)従来型メタネーション• 脱炭素社会においても、燃料が重要な役割を担うと考えられ、燃料の脱炭素化（化石資源由来→ （再エネ等）非化石由来への転換）への挑戦が重要。
• メタンは既存都市ガスインフラを活用でき、効率的に多くの需要家の脱炭素化に貢献できる。

沿岸部等の適地、FCV等における利用①水素直接利用

再エネ等

水電解非化石電力(100)

水素(75～80)*②従来メタネーション
サバティエ反応

H2O

CO2

メタン
(55～60)

既存の都市ガスインフラ（供給・貯蔵・利用）を活用可能

非化石電力由来の水素直接利用・従来メタネーション・SOECメタネーションの比較
5

1)従来型メタネーション 「水電解・サバティエ反応技術」

詳細省略• 非化石電力により水を電解して得られる水素と、多様なＣＯ２の回収技術により回収されたＣＯ２を用いて「サバティエ反応」によりメタンを合成するもの
熱損失

熱損失
発熱反応

発熱反応
非化石電力
H2 O

4H2O+電力 →4H2+2O2+発熱

水電解装置

水素H2

変換効率
約55-60％※※ 投入電力のうち半分近くが失われる

CO2+4H2→ CH4+2H2O＋発熱（165kJ/mol）

CO26

サバティエ反応装置

メタン
CH4第4回 2050年に向けたガス事業の在り方研究会（資料7）日本ガス協会
説明資料 より抜粋

ご参考）7

２．都市ガスの脱炭素化 2)ＳＯＥＣメタネーション• 脱炭素社会においても、熱需要分野等において燃料が重要な役割を担うと考えられ、燃料の脱炭素化（化石資源由来→ （再エネ等）非化石由来への転換）への挑戦が重要。
• メタンは既存都市ガスインフラを活用でき、効率的に多くの需要家の脱炭素化に貢献できる。
• 「SOECメタネーション」は、非化石電力100を活用して、水電解水素（75～80）より高い効率で85～90の化石燃料を代替（削減）。製造に要する電力量当たりの化石由来CO2の削減効果大きい。

再エネ等

水電解水素(75～80)**水電解の場合

非化石電力②従来メタネーション
サバティエ反応H2O(100)

CO2メタン(55～60)メタン一貫プロセス化(直接合成法)③(革新技術)SOEC※メタネーション※ 固体酸化物形電解セル

H2O

沿岸部等の適地、FCV等における利用①水素直接利用(85～90)
化石燃料の削減効果大

既存の都市ガスインフラ（供給・貯蔵・利用）を活用可能

CO2

非化石電力由来の水素直接利用・従来メタネーション・SOECメタネーションの比較
82)革新的メタネーション 「SOEC共電解・メタン化反応技術」• ＳＯＥＣ＊１を用いて、水蒸気をＣＯ２と共に非化石電力等により 電気分解（共電解）することによって 水素とＣＯを生成し、メタン化反応によりＣＨ４を合成するもの。 ＊1 Solid Oxide Electrolysis Cell：固体酸化物形電解セル
一貫プロセス化

吸熱反応
非化石電力

H2O
CO2

従来より少ない電力で電解可能

水蒸気化熱（>132kJ/3mol）

排熱を有効利用
発熱反応
水素H2＋

CO

ＳＯＥＣ共電解装置

ｴﾈﾙｷﾞｰ変換効率

CO+3H2→ CH4+H2O

85~90％
メタンCH4＋発熱（206kJ/mol）

メタン化反応装置

水をCO2と共に電気分解• メタン化反応（発熱反応）で発生する熱をＳＯＥＣ共電解反応（吸熱反応）に有効利用することが可能であり、共電解に必要な電力を削減できるため、エネルギー変換効率が高い

9

（ご参考） SOECによる「高温電解方式」の特長

詳細省略

高温水蒸気電解方式： 水の電気分解に必要なエネルギーのうち、吸熱により賄える割合が大きく、電力として供給必要なエネルギーが小さいため、他方式に比べ電力効率が高い。

・各種水電解方式
アルカリ水電解固体高分子水電解高温水蒸気電解Ｔ⊿Ｓ 吸熱により賄えるｴﾈﾙｷﾞｰ

水蒸気⊿Ｇ 電力として供給必要なｴﾈﾙｷﾞｰ
電解電圧:1.7～2.2V（4.1～5.3kWh/Nm3）

電解電圧:1.3V（3.1kWh/Nm3）

10

詳細省略

高効率変換実現のポイント

共電解部内の高温排熱と、合成反応部の低温排熱等をそれぞれ有効利用することにより、廃熱を最小化し、電力投入量を最小化
一貫プロセス化

高温共電解部②セル内部で高温排熱（ｼﾞｭｰﾙ発熱）を電解反応熱に有効使用
し、供給電力を最小化

合成反応系

断熱

①最小電力で 700~800℃
通電自己電解可能
非化石電力
CO2
水発熱により反応吸熱を賄い
熱自立化

合成ガス
（CO, H2）

CO+3H2→ CH4+H2O＋発熱（206kJ/mol）

水蒸気 水蒸気化熱（>132kJ/3mol） 反応排熱を有効利用＋気化熱

200～400℃③合成反応系低温排熱等を蒸気生成に有効活用

11

燃料等を生成ＳＯＥＣメタネーション技術の特長「SOECメタネーション」による次世代ガス合成が実現すれば、①水素調達不要 脱炭素電源（供給過剰となりうる時間帯等）を有効活用。
②水電解水素より変換効率が高い
 水素より高い効率で化石燃料を代替（削減）可能。製造に要する電力量当たりの化石由来CO2の削減効果大。

③ランニングコストの大部分を占める電力使用量が少ない
 電力量従来比約2/3に。将来、脱炭素電力の供給過剰時等のコスト抜本的低下により、現行LNGに近い製造コストも期待。

④増熱成分を併産し、現行都市ガス（45MJ/Nm3）に近い
熱量のカーボンリサイクルガスの合成も技術的に可能→ 但し、未だ開発段階の技術
12

研究開発の取り組み状況１
当社では産業技術総合研究所と共同で、ＮＥＤＯの先導研究（ＣＯ２直接分解）事業（2019-2020年度）にて、ＳＯＥＣの共電解性能の向上、燃料等生成反応の制御などの技術課題に関する基礎研究に取り組んでいる。
事業説明概略図

次世代火力発電等技術開発／次世代火力発電技術推進事業／
CO2有効利用技術の先導研究（CO2直接分解）
New Energy and Industrial Technology Development Organization

研究開発内容＜概 要＞

再生可能エネルギー電力等を原料（エネルギー源）としてCO2を還元し、既存インフラを有効利用できる燃料や化学製品へとカーボンリサイクルするための先導研究を行う。
＜事業期間＞２０１９年７月～２０２１年２月＜委託先＞ 大阪ガス株式会社、国立研究法人産業技術総合研究所

ＳＯＥＣ共電解ガス燃料生成システム
再生可能ｴﾈﾙｷﾞｰ等

CO2を水蒸気と 合成ガス
“共電解” （CO, H2）

電力CO2
水

水蒸気＋気化熱

既存インフラ

燃料等生成反応器

SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)

メタン＋α（メタン生成反応の場合）

CO+3H2 → CH4+H2O+発熱
反応排熱を有効利用

本技術開発に関連する当社の保有技術と取り組み
大阪ガスが蓄積してきた 燃料電池技術（SOFC技術、触媒技術、熱利用マネージメント技術）や、SNG製造（メタン化）プラント開発・設計技術などを活用し、各機関・各社さまのご協力を得ながらイノベーションにチャレンジしていきたい
SOEC
共電解装置

非化石電力
H2O

排熱を有効利用
メタン化
反応装置
CO+3H2 → CH4+H2O

水蒸気をCO2と共に電解吸熱＋発熱（206kJ/mol）

水素H2

CO+(2+1/n)H2→ 1/nCnH2n+2 +H2O

CO
CO2＋発熱（167kJ/mol-CO）

固体酸化物形
電解セル

触媒
一貫プロセス化・スケールアップ

エネファームの逆反応であり、エネファーム技術の活用が可能

ｴﾈﾌｧｰﾑTypeSの逆反応

メタンCH4エタン
C2H6 C H
4→都市ガスの標準熱量（45MJ/m3）に近いガスを得る方法を開発中

北港製造所
約６億m3/年相当
200万m3/日（約8万m3/h）

1985-1996年操業

1410

メタンだけでなく増熱成分を併産

ナフサ
メタン
OGAS-SNGプラント「世界最高の発電効率（55％）を持つ家庭用燃料電池」
2020年4月発売

C3H8ご参考）

日本ガス協会資料より

15

関係者外秘

本技術によるカーボンリサイクルメタンの政策的意義

詳細省略

SOECメタネーション技術により製造されるカーボンリサイクルメタン（次世代都市ガス）は、エネルギー政策基本方針である安全性を大前提とした、安定供給性・経済性・環境の3E+Sを満たす重要なエネルギーとなり得る
SOECメタネーション技術の実用化により、エネルギー政策基本方針の「3E+S」に貢献
自給率向上• 国内非化石エネルギーから安定してガス燃料を創出
エネルギーコスト低減• LNGコスト水準に近いカーボンニュートラル
メタン実現の可能性• 既存の都市ガスインフラの活用による経済的な脱炭素化が可能
温室効果ガス削減• カーボンニュートラルメタンを都市ガスとして普及拡大させることにより、化石燃料使用量の大幅削減が可能（約0.8億トン/年のCO2削減ポテンシャル）

安全性が大前提•

安全技術が確立された都市ガスの供給・貯蔵・利用インフラを活用（出典）資源エネルギー庁パンフレットから作成
16

（ご参考）都市ガス合成に関する主な反応① サバティエ反応 （＝②＋③）
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

ΔH = -165kJ/mol （発熱）

② 逆シフト反応
CO2 + H2 → CO + H2O

ΔH = +41kJ/mol （吸熱）③ COメタン化反応 （水蒸気改質の逆反応）

CO + 3H2 → CH4 + H2O

ΔH = -206kJ/mol （発熱）④ FT合成（フィッシャー・トロプシュ合成）反応
CO + (2+1/n)H2 → 1/nCnH2n+2 + H2O
ΔH = -167kJ/mol-CO （発熱）17

３．メタン＋増熱成分併産への挑戦①• 合成ガス（CO, H2）から、メタンだけでなくC2～C4成分を併産する触媒の研究に挑戦。
• 触媒表面で生成するメチレン(-CH2-)基の ①水素化(メタン化反応)と ②炭素鎖重合(ＦＴ合成反応）の両方を進行させる触媒（Light-FT触媒）による熱量制御の可能性を明らかにした。
資源エネルギー庁 石炭課助成事業（平成22～25年度）「低品位炭からのクリーンメタン製造技術研究」の成果

18

３．メタン＋増熱成分併産への挑戦• 合成ガス（CO, H2）から、メタンだけでなくC2～C4成分を併産する触媒の研究に挑戦。
• 触媒表面で生成するメチレン(-CH2-)基の ①水素化(メタン化反応)と ②炭素鎖重合(ＦＴ合成反応）の両方を進行させる触媒（Light-FT触媒）による熱量制御の可能性を明らかにした。

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Ru/Fe系触媒のCO水素化反応温度依存性
・ 原料ガスのH2/CO=3、S/C=1、GHSV=4000/ｈの条件では、275℃以上でCO転化率が100%となった。
・ いずれの温度でも、メタンとともにC2以上の炭化水素を併産することができた。
なお、この反応での生成物には不飽和炭化水素は極微量しか含まれておらず、ほとんどが飽和炭化水素であった。
・ 反応温度を上げると、メタン化反応が優勢となり、C2以上の生成割合は減少。
CO転化率、C1-C4発熱量
225

温度（℃）

250

91.1%、 51.7 MJ/m3(N)C1
C2
C3C4C5～CO
CO2275
300
325
0%

20%

100.0%、46.8 MJ/m3(N)100.0%、44.4 MJ/m3(N)100.0%、42.0 MJ/m3(N)
40%
60%
80%
炭素数基準の反応後ガス組成

100%

反応ガス組成=CO：12.4%, H2：37.2%, H2O：12.4%, N2：バランス、GHSV=4000/h、圧力=3.1 MPa
20

３．メタン+増熱成分併産への挑戦②• C2～C4成分を主に併産する条件は見出しものの、C5以上の炭素鎖成長の完全な抑制が困難であり、触媒表面がC５～∞成分により覆われることなどにより、反応活性の低下が徐々に進行。
• 現在、触媒の改良と新規反応制御技術の適用などにより、C2～C4成分の選択的併産（C5以上の生成抑制）手法を研究中。
合成ガス（CO、H2）

H

O

H

HO

H

メタン化反応H C H H C H

OC

CO水素化反応

メチレン基

H H C H H

H H C H H

水素化

水素化

メタン

炭素鎖重合速度 ＜ 水素化速度

FT合成反応触媒炭素析出反応OCC

H C H H C H

炭素析出炭素鎖重合

H C H
H C H
H C H

水素化速度 ＜ 炭素鎖重合速度

触媒仕様、反応条件により水素化速度と炭素鎖重合速度のバランスをコントロール

炭化水素（C2～）

C5以上の生成を抑制する必要有り。
一般的には、炭素鎖の連鎖成長確率が連鎖数によらないため、鎖長の長い炭化水素の生成を完全に抑制することが困難。

21

（ご参考） 燃料と電力の関係のパラダイム転換「化石燃料からCO2等を排出し発電する時代」 から「非化石電力とH2OやCO2から非化石燃料・化学原料を合成する時代」 へ

炭素社会

カーボンニュートラル社会
H2O

化石燃料

火力発電などCO2H2O

非化石燃料

電力

電気分解＋合成反応

CO2非化石電力

・ 日内変動大→需給ﾐｽﾏｯﾁ
・ 貯めにくい・ 高温熱利用に不適
22

４．多様な燃料製造との連携の可能性について「SOEC共電解・メタン化技術」
吸熱反応
非化石電力
H2 O水蒸気化熱（>132kJ/3mol）

CO2排熱を有効利用
発熱反応
水素H2＋

CO

CO+3H2→ CH4+H2O

メタンCH4＋発熱（206kJ/mol）

メタン化反応装置

ＳＯＥＣ共電解装置「SOEC共電解・ＦＴ合成技術」
吸熱反応
非化石電力
H2O 水蒸気化熱（>88kJ/2mol）
CO2排熱を有効利用発熱反応
水素
H2＋CO＋発熱（167kJ/mol-CO）

ＦＴ合成設備ＳＯＥＣ共電解装置
共通技術領域

CO+(2+1/n)H2→ 1/nCnH2n+2 +H2O

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グリーン
ＬＰガス

e-fuel（参考） ＳＯＥＣ技術の産業上の広がり
当社にて低コスト化・スケールアップに適した新型ＳＯＥＣ技術を開発中。
都市ガス合成だけだなく、水素やアンモニア、液体燃料（ガソリン、ディーゼル油など）、アルコールなどの化学原料等の高効率合成にも展開可能。
他業界との連携も進めていきたい。
水素
H2

全用途共通

ＳＯＥＣ（高温電気分解ｾﾙ）
水素
H2

非化石電力
H2 O
CO2

SOECの低コスト化・スケールアップ等が全用途共通課題。
新型SOEC技術を開発中。

気化熱（吸熱）

多様な合成 組成の非化石CO 反応 燃料等
発熱反応を生成＋ N2

非化石燃料・化学品

アンモニア
メタン
CH4
C2H6

都市ガス

C4H10

ＬＰＧ

C3 H 8

反応排熱を有効利用

高効率（省電力）合成可能
脱炭素時代における広い産業分野の国際競争力の源泉となりうる技術
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液体燃料
メタノール
化学品原料等
Daigasｸﾞﾙｰﾌﾟ外秘