◆革新的環境技術シンポジウム2014◆CO2分離回収技術の現状(公財)地球環境産業技術研究機構（RITE）
化学研究グループ
中尾真一

1

目 次

１．はじめに
２．CO2分離回収技術の現状
３．まとめ

2

二酸化炭素回収・貯留(Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS)

分離・回収

圧入輸送

海上施設
より圧入
地上施設
より圧入

パイプラ
イン輸送

不透水層
（キャップロック）（地下深部塩水層）

パイプラ
イン輸送
大規模排出源

CO2

陸域帯水層

分離・回収

不透水層
（キャップロック）
CO2

海域帯水層
（地下深部塩水層）
出典：経済産業省「CCS2020」）

3

CCSとCO2分離・回収技術
総合科学技術会議（第114回）「環境エネルギー技術革新計画の改訂について」

4

CCSとCO2分離・回収技術
環境エネルギー技術革新計画の改訂における技術ロードマップ（CCS）

5

CCSとCO2分離・回収技術
技術ロードマップ（分離・回収技術）
2020年

2010年

2030年

分離・回収コスト
4,200円/t-CO2

2,000円台/t-CO2（分離膜の実用化で）1,000円台/t-CO2

1,500円台/t-CO2
分離・回収エネルギー
4.0GJ/t-CO2

2.5GJ/t-CO2(最終目標)

1.5GJ/t-CO2

Today
6

RITEの取組：発生源に適したＣＯ２回収技術
発生源の規模・CO2ガス圧により最適な回収技術の開発
主なＣ
Ｏ
２
排出源

事業用発電

国内CO2発生量*(億トン/年）

鉄鋼（高炉等）

窯業・土石等

化学

1.5

0.7

0.5

低圧

低圧

低圧～高圧

4.8

CO2ガス圧力 低圧～高圧（IGCC）*部門別CO2排出量（環境省、2012年）

適用
方法

大規模
低圧～高圧

小～中規模
低圧～高圧

小～大規模
中圧～高圧

化学吸収法

吸着法

膜分離法

目 次
２．CO2分離回収技術の現状（１）高性能化学吸収液の開発（２）高性能吸着剤（固体吸収材）の開発（３）次世代型分離膜モジュールの開発３．まとめ8

（１）高性能化学吸収液の開発
アミン
アミノ基

新日鐵住金
エンジニアリング

水酸基（ex. Monoethanolamine）

プロジェクト

2005

2010

2015

COCS
CO2分離回収エネルギー 半減

対象ガス
高炉ガス
（20%-CO2）

COURSE50 step1
COURSE50 step2“環境調和型製鉄プロセス”における回収技術

2020

環境調和型製鉄プロセス技術開発

BFGの有効活用

高性能化学
吸収液の開発日本鉄鋼連盟：COURSE50HPより引用 http://www.jisf.or.jp/course50/index.html

環境調和型製鉄プロセス技術開発

ミニ試験高炉とCAT-30の連動試験を予定（平成28年度）

日本鉄鋼連盟：COURSE50HPより引用 http://www.jisf.or.jp/course50/index.html

COURSE50 Step1成果
1.分離回収エネルギーの低減
設備スケールと分離回収エネルギー

GJ/t-CO2
4.0

3.0

2.0

42%低減

ｽｹｰﾙ
吸収液

MEA
Process

RN-3
RN液Process

1.0

2.再生温度の低減

COURSE
505kg-

1ton-30ton-

CO2/day

CO2/day

CO2/day(CAT-LAB)(CAT-1)(CAT-30)

2.5

2.5

2.3
（GJ/t-CO2）

更に高性能化したRN系吸収液での平衡モデル計算により2.0GJ/t-CO2の目標を達成。

RN液は95℃での再生を可能に（低温廃熱の活用）

COURSE50 Step2 概要◎ NEDO委託事業として日本鉄鋼連盟が受託している「環境調和型製鉄プロセス技術開発」
第1段階第2ステップ（COURSE50 Phase1 Step2）に着手⇒ Step1に引き続き、新日鐵住金株式会社殿との共同実施（平成25年7月～平成29年度）[目標] 高炉ガスからのCO2分離回収コスト 2,000円/t-CO2以下を可能とする新規高性能吸収液の開発[高性能吸収液の開発目標]◎ 分離回収エネルギーの更なる低減◎ 再生温度の一層の低減◎ CAT-LABおよびCAT-1による性能評価

これまでの成果と今後の予定【成果】
・世界トップレベルの分離回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成。
また再生温度の低減（９５℃）も達成。（RN液）
・RN液は、新日鉄住金エンジニアリング㈱殿の商用プロセスESCAP®の吸収液として採用された。

【今後の予定】・これまでの知見を活かし、新しい技術を取り入れ、分離回収コスト2000円/t-CO2以下を実現する高性能化学吸収液を開発する。
◎分離回収エネルギーの更なる低減◎より一層の低温再生化の実現

発電におけるPost-combustion回収技術動向（１）CCS(CO2回収)実証プロジェクト
Southern Company社 Plant Barry発電所, Alabama(US)テストサイズ： 15万トンCO2／年（発電量25MW相当）
テスト期間： 2011年～2014年（完了）
吸収液： 三菱重工業 KS-1
回収CO2： 帯水層貯留

出典：The Global Status of CCS 2012, GCCSI

発電におけるPost-combustion回収技術動向（２）CCS商用実証 (Boundary Dam Carbon Capture Project)
SaskPower社 Boundary Dam発電所 #3, Saskatchewan(Canada)（カナダCO2排出規制対応)
サイズ： 100万トンCO2／年（発電量110MW）
運転開始： 2014年10月（竣工）
吸収液： Shell Cansolv社 DC103
回収CO2： 1)Aquistore貯留サイト（帯水層貯留実験）
2)Cenovus社へ販売予定（EOR）

出典：SaskPower CCS Information and Planning Symposium (2013) and website

その他世界の大規模統合プロジェクト(LSIP)
LSIP対象CO2量：石炭火力発電所：年間80万トン以上、その他産業：年間40 万トン以上

出典：The Global Status of CCS 2014, GCCSI

回収技術テスト機関（１）
National Carbon Capture Center, Birmingham, USA（US DOE, NETL, ＋資源、電力会社）
設備：
PSTU(Pilot Solvent Test Unit):
10トンCO2／日(0.5 MW)
パイロットスケール設備（2系統）: 20トンCO2／日(1 MW)
ベンチスケール設備（現在5系統）: <2トンCO2／日(<0.1 MW)
PSTU & Pilot-scale Test 設備

実施企業
PSTU: Babcock&Wilcox、日立、Cansolv、Clean Carbon Solutionなど
ﾊﾟｲﾛｯﾄ: Aker, BASF/Linde, MTR
ﾍﾞﾝﾁ: Codexis（酵素モジュール）
MTR、Akermin（酵素＋炭酸塩）など

Pilot-Scale Test Bay

PSTU

出典：2014 NETL CO2 Capture Technology Meeting

回収技術テスト機関（２）Technology Centre Mongstad, Norway（Gassnova（ノルウェー政府委託）, Statoil, Shell, Sasolが出資)
テストサイズ：10万トンCO2／年（refinery cracker + power plant)
1号設備. Alstom（エンジニアリング） チルドアンモニア法
2号設備. Aker Clean Carbon（吸収液） アミン吸収法プラント
実施・関心企業
・Shell Cansolv（2014.11～）
・Siemens
・三菱重工業、バブコック日立（現、三菱日立ﾊﾟﾜｰｼｽﾃﾑｽﾞ）
出典：TCM website

回収技術テスト機関（３）Carbon Capture Test Facility (CCTF) at Shand, Canada（SaskPower社と日立の共同開発、2015年初頭に完成)
設備：
テストサイズ：最大約4万トンCO2／年（120トンCO2／日)
アミン吸収法テストプラント
得られた知見は、Boundary Dam発電所
実証プロジェクトに活用

出典：SaskPower website

目 次
２．CO2分離回収技術の現状（１）高性能化学吸収液の開発（２）高性能吸着剤（固体吸収材）の開発（３）次世代型分離膜モジュールの開発
３．まとめ21

（２）高性能固体吸収材の開発
アミン研究開発
アミノ基

・ 新規材料開発

水酸基（ex. Monoethanolamine）

固体吸収材

アミン吸収剤
多孔質担体

期待効果（目標）
蒸発潜熱

2.5 GJ/t-CO2
1.5 GJ/t-CO2

顕熱・システムレベルの性能評価手法開発石炭火力発電所

反応熱

分離回収
高性能吸収液（RITE液）

圧縮貯留へ

固体吸収材
（目標）

目標： 石炭火力発電所の燃焼排ガスに対してCO2分離回収エネルギー：< 1.5 GJ/t-CO2

22新規固体吸収材
RITE固体吸収材

計算化学に基づく
新規アミン設計

96%
再生効率を飛躍的に増大

35%

S. Choi, J. H. Dress, C. W. Jones, ChemSusChem
2009, 2, 796-854.をもとに加筆作成

従来
アミン

RITE
アミン

減圧再生率（40°C）

アミン系固体吸収材として世界トップレベルの吸収・脱離性能

23新規固体吸収材の分離回収エネルギー
再生エネルギー（Aspen Adsorptionを用いた試算）

2.5 GJ/t-co2
2.0 GJ/t-co2

潜熱
顕熱

熱ロス etc.

小型CO2連続回収試験装置

1.5 GJ/t-co2

反応熱（吸収熱）

RITE液*COCS project

RITE固体吸収材

2塔式吸着プロセスRITE固体吸収材

3塔式吸着プロセス

コスト試算

RITE固体吸収材の性能評価を実施中

RITE固体吸収材では、再生エネルギー2.0 GJ/t-co2でも分離回収コスト¥2,000台達成可能

RITE固体吸収材：分離回収エネルギー1.5 GJ/t-co2を達成見込み。
低温再生が可能であるため、廃熱利用の可能性がある。
24

CO2回収型発電システムへの新規固体吸収材適用

固体吸収材は、吸収液と比較して発電効率を2%向上させる。
25

これまでの成果と今後の予定【成果】
・計算化学による性能予測を活用した材料設計で、CO2吸収量（6mol/kg）
ならびに低温（減圧）脱離性能（> 90%）に優れた世界トップレベルの材料を開発（特許出願）
・分離回収エネルギー <2GJ/t-co2を達成、 目標（1.5GJ/t ）に見通し【今後の予定】・連続回収試験による性能評価
・材料改良、システム検討、要素技術完成

実用化検討フェーズへの移行

26

目 次
２．CO2分離回収技術の現状（１）高性能化学吸収液の開発（２）高性能吸着剤（固体吸収材）の開発（３）次世代型分離膜モジュールの開発
３．まとめ
27

（３）次世代型分離膜モジュールの開発
水性ガスシフト反応

CO + H2O ⇔ H2 + CO2

CO2

200 ~ 400 °C 2~4 MPa

蒸気 熱交換器
石炭H2O2
ガス化炉 水性ガスシフト 水性ガスシフト反応生成物
組成: CO2 ca40 vol%/ H2 / 微量成分
反応炉
温度: 50 ~ 150 °C、圧力: 2 ~ 4 MPa

CO2回収コスト：1,500円/t-CO228

次世代型膜モジュール技術研究組合
組合員： ㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱、（公財）地球環境産業技術研究機構
設立： 平成23年2月17日
事業の概要： 二酸化炭素回収コストが1,500円/t-CO2を実現する次世代型分子ゲート機能CO2分離膜モ
ジュールに関する基盤・基礎・応用技術開発及びその事業化検討。
29

開発体制

O-OHOH-PAMAM dendrimer+・膜材料・製膜方法
・膜構造・プロセス適合性
・耐久性
・分離メカニズム

PEGDMA+TMPTMA

力協互

相「デンドリマー膜材料（アクリレート／PVA）」

分離膜の開発：京都研究室、倉敷研究室

次世代型膜モジュール技術研究組合

相互

協
力

相互協力で効率的に研究開発を推進

分離機能層相互協力「膜断面とプロト型モジュール」

膜モジュールの開発：茨木研究室

・膜モジュール・モジュール構造・耐久性「高精度模擬ガス試験装置」

膜分離システムの開発：富津研究室

30

CO2分子ゲート膜とは・CO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜
CO2H2

供給側
高圧

DCO2 << DH2
従来のCO2分離膜

CO2H2圧力低圧
透過側

αCO2/H2< 1 （分子ふるい性膜）～10 （溶解選択性膜）

CO2分子ゲート膜
αCO2/H2>30

Carbon Sequestration Leadership Forum（CSLF）認定プロジェクト:
CO2 Separation from Pressurized Gas Stream
Nominators: Japan (lead) and United States

31

CO2分子ゲート膜の分離機構（推定）CO2

H2, CH４H O
R N C O

HN R
HH
HH O
R N C O
N R
HH
CO2

HCO3R NH2

H2N RH O
R N C O

HN R
HH

CO2

加湿条件下で高い分離性能

32

PVA系分子ゲート膜
PVA
Ti crosslinker
Dendrimer

33

PVA系複合膜の分離性能
160■

平成25年度○平成24年度

目標値

QCO₂ >3.0×10-10[m3(STP)m-2s-1Pa-1]
α CO₂/He > 125140α(CO2/He) [-]

120
100
80
60
40
200
1.0E-12(1) H. Lin, B. Freeman et al.,Science, 311, 639-642 (2006)(1)

1.0E-11
1.0E-10QCO₂ [m3(STP)m-2s-1Pa-1]

1.0E-0934

Molecular CO
GateMembrane CO

2分離膜モジュールの開発

H22スパイラル型分離膜モジュール（4インチ，20cm プロトタイプ）>3MPaの耐圧性を確認
35これまでの成果と今後の予定【成果】
・分子ゲート機能デンドリマー膜で世界最高レベルCO2/H2選択性を実現し、1,500円/t-CO2を可能とする分離膜（単膜）の目処を得た。
・実機膜モジュールの開発、膜分離システムの検討についても予定通り進捗している。
【今後の予定】・実ガス試験等に基づき、膜モジュール性能、耐久性等に関する技術課題の抽出と解決を行う。
・分離・回収コスト1,500円/t-CO2以下を実現する分離膜技術、実機膜モジュール、膜システムの技術確立を行う。
36

目 次

１．はじめに
２．CO2分離回収技術の現状
３．まとめ

37

３．まとめ１．化学吸収法
・目標は、高炉ガスからのCO2分離回収コスト
2,000円/t-CO2以下の技術確立
・CCS実用技術としてのさらなるブラッシュアップ

２．吸着法
・RITE固体吸収材は、アミン系固体吸収材としてトップレベルの吸収性能
・今後は、CO2分離回収エネルギー1.5 GJ/t-CO2以下を目指す 。
38

３．まとめ３．膜分離法・分子ゲート機能分離膜で、分離・回収コスト1,500円/t-CO2の目処を得た。
・実機膜モジュール、膜分離システムも、鋭意、開発・検討中。
・今後は、実ガス試験等に基づき、分離・回収コスト1,500円/t-CO2以下を目指す。

39

謝 辞

本研究開発は、METI委託事業、並びにNEDO委託事業の一環として実施した。

40

41

ご清聴ありがとうございました

Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth41