ENEX2023
火力発電分野における物質循環－ 炭素循環と窒素循環 －東京ビッグサイト
2023年2月3日
一般財団法人 電力中央研究所
エネルギートランスフォーメーション（EX）研究本部
森田 寛
1

SDGｓ視点からの物質循環（C, H, N）

2

持続可能な17の開発目標（SDGｓ）＊と物質循環

カーボン（C）だけではなく、化石燃料（CHNS＋Ash）の物質循環を視野に入れるべきでは？
C：炭素、H：水素、N：窒素、S：硫黄、Ash：灰＊ 2015年9月 国連サミットにおいて採択
https://www.unic.or.jp/activities/economic_social_development/sustainable_development/2030agenda/sdgs_logo/

3

カーボンリサイクル（CR：CO2循環）【炭素循環】

4

エネルギー資源の供給過程と利用形態
化石燃料→消費（燃焼）→CO2が発生

資源エネルギー庁 エネルギー白書2013 https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2013html/1-1-1.html

5化石燃料等からのCO2排出量と大気中のCO2濃度の変化

日本原子力文化財団 「原子力・エネルギー図面集」 https://www.ene100.jp/zumen/2-1-36平均気温の変化

日本原子力文化財団 「原子力・エネルギー図面集」 https://www.ene100.jp/zumen/2-1-5

7電気事業におけるCR技術の位置付け
電源の脱炭素化
再生可能エネルギー（主力電源化）

供
給側
（電源）

原子力（再稼働、リプレース・新増設）
ゼロエミッション火力（水素・アンモニア燃料、化石燃料＋CCUS／カーボンリサイクル(CR)）
CCUS
CO2回収

利用(CCU)

需
要側

直接利用（ドライアイスなど）
カーボンリサイクル(CR)（化学品、燃料、鉱物、NETs＊）

脱炭素化電源による電化推進
製造プロセス（原料・熱源）での脱炭素燃料利用(CN)

貯留(CCS)

石油増進回収(EOR)

カー
ボン
ニ
ュ
ートラル
実
現

＊ ネガティブエミッション技術（Negative Emissions Technologies） 8

CO2利用のフロー図（化学品、燃料）
メタン CH4

天然ガス
トランジション期での利用
ケミカルリサイクル【炭素循環】

還元分離回収の低コスト化

合成ガス CO＋H2

電源の脱炭素化CO2

経産省 カーボンリサイクル技術
ロードマップより作成

廃棄物、バイオマス

フィッシャー・トロプシュ（FT）合成

液体合成燃料（灯油、軽油など）

反応プロセスの省エネ化（低温・低圧化）
ガソリン
ベンゼン

H2

CO2フリー
水素の大量確保
メタノール CH3OH
エタノール C2H5OH

エチレン
プロピレン
合成ゴムなど9

EX研究本部における現状のCR関連研究
実施内容

実施項目

【石炭ガス化技術の分野拡大】
CO2回収型ポリジェネレーションシステム
炭素循環型社会に寄与する廃棄物再炭素循環型ガス化技術
資源化・ポリジェネレーション技術
廃棄物再資源化技術の調査、開発【SOFC評価技術の分野拡大】
固体酸化物形燃料電池/電解（SOFC/SOEC）を活用した需給調整用セルの開発

SOFC評価技術
SOFC/SOECリバーシブル技術【これまでの研究で得た知見をバイオマスへ展開】
バイオマス成分分離技術
バイオマスにおける新規変換技術のバイオマス炭化物による炭素隔離技術
開発（高機能成分の分離、炭素隔離
電気化学的炭素資源有効利用技術
としての炭化物、炭化物燃料による燃料電池）10炭素循環型社会に寄与するガス化技術のイメージ✓ 炭素はこれからも社会にとって重要な元素✓ 循環させて大気への排出を削減するには、様々な技術(A1～C2)が必要✓ ガス化技術は、B2(光合成)を除く全ての経路に貢献可能
B1
大気一時貯留炭素循環型社会（ｵﾌﾟｼｮﾝ）
B1:削減
B2
B2, B3:拡大

A1

工場

製品

生活圏・輸送

A2

A3

A4 B3

燃料

CO2

(人工光合成, DAC含む)

C1

廃棄物

化石燃料

C1:削減
C2:拡大

発電所

再エネ等⇒拡大し、余剰を利用

植物等

C2

貯留層等
11

CO2回収型ポリジェネレーションシステム
石炭、廃棄物、バイオマスを用いてCO2を回収しながら高効率に発電し、かつ有価物も併産することで、CO2分離・回収コストも低減する需給調整機能付きCO2回収型ポリジェネレーションシステムの開発
電力
石炭
炭素系廃棄物*バイオマスガス
化炉

ガス
精製

合成ガス
CO, H2N2をほとんど含まない

O2 H2O CO2*主に廃プラスチックを想定

CO2
回収化
学合成製品
モノマー、BTX
メタノール
シュウ酸 等（貯留、(再利用)）

図CO2回収型ポリジェネレーションシステムの概要
12

SOFC/SOECリバーシブルセルによる需給調整
固体酸化物形燃料電池（SOFC：発電モード）を逆反応となる固体酸化物形電解（SOEC：負荷モード）としても活用し、需要と供給の両面から調整が可能となる低炭素なエネルギー変換機器の開発
SOFC/SOECの動作原理とは？

SOFC/SOECによる需給調整とは？

(＋)
SOECモード ＞ 1V

電位 (V)

酸素極
1/2O2 ＋ 2e– ⇔ O2-

SOFCモード ＜ 1V

≒ 1V

H2O ＋ 2e– ⇔ H2 ＋ O2–
水素極

SOFC
発電装置

リバーシブルに使える固体酸化物形セル（rSOC）

(－)
図

SOEC
電力負荷SOFC/SOECの動作電位イメージ

図

需要と発電の周波数調整イメージ
13SOFC/SOECリバーシブル技術
SOFC/SOEC需給調整システムにおいては、CO2を有効利用（カーボンリサイクル）するとともに、蓄電池よりも長い時間軸での調整力市場を
ターゲット
CO2CO

H2O
合成ガス－極H2O

H2電解質

H2

O2 ＋極O2－極CO2

リバーシブルに利用

CH4
電解質

O2 Air＋極表

電力

幅広い需給調整機能

電力

SOEC電解合成
再生エネ（余剰時）【高い設備稼働率】

SOFC発電再生エネ（不足時）図

需給調整市場における商品の要件＊

リバーシブル運転による需給調整概要＊ 第18回 需給調整市場検討小委員会2020/8/7より 14

バイオマス成分分離技術✓ アンモニアによる新たなバイオマス成分分離技術✓ 液化アンモニア（NH3）の相変化（気体と液体）を用いることで、水の蒸発を伴わずエネルギー消費が少ない常温でのプロセスを構築⑤ 再液化もしくは有効活用

液化NH30.85 MPa（20℃）④気化①混合②
抽出

抽出前のバイオマス① 液化アンモニアとバイオマスを混合② バイオマスに含まれる成分と水を抽出③ 抽出後のバイオマスと液化アンモニアを分離

図

③分離

NH3ガス

抽出物＋
水

抽出後のバイオマス④ 液化アンモニアを気化⑤ アンモニアガスを再液化

液化アンモニアを用いてバイオマスに含まれる成分を分離するイメージ15

バイオマス炭化物による炭素隔離技術＊✓ ネガティブエミッションとしてのバイオマスによる炭素隔離✓ 炭化処理によりバイオマスの腐敗を抑制、固定炭素分を土壌にすき込み✓ 低コストで地産地消に適したネガティブエミッション技術（NETs）
図

バイオマス炭化物による炭素固定技術のイメージ

表

他のNETsとの比較
単位

BESCS

BECCS aDACCS b (HT)DACCS (LT)電力

kWh/t-CO2

45336

852

800

熱

kWh/t-CO2

130

1,702

1,547

電力

kWh/t-Bio

268753--

バイオマス最低必要量t-Bio/日

2170--コスト$/t-CO2

30～120100～200

項目
入力
出力200～300

a：バイオエネルギーCCS（BioEnergy with Carbon Capture and Storage）
b：直接大気回収CCS（Direct Air Carbon Capture and Storage）＊ バイオ炭（Biochar） 16

電気化学的炭素資源有効利用技術✓ 未利用バイオマス中の固定炭素分を有効利用する技術✓ 既存の小型バイオマス発電システムでは、発電効率や小規模化に限界✓ バイオマス利用拡大を意図したダイレクトカーボン燃料電池（DCFC＊）の開発
未利用バイオマス

固体炭素
燃料

廃木材・廃棄物など

酸化剤ガス
入口
出口

自然循環

燃料槽
（固体炭素燃料＋炭酸塩）

炭素資源の有効利用生成ガス出口

DCFC発電システム

図☺ 地産地消型☺ 高発電効率☺ 小規模対応可

DCFCの社会実装イメージ

DCFC

奥地での使用

DCFC

市街地での使用

セル

セル

灰分など
灰抜き出し口図

円筒形DCFCのイメージ図＊ Direct Carbon Fuel Cell 17

【窒素循環】18

窒素循環とは？
✓ 窒素：生物に不可欠な元素であり、あらゆる産業に深く関与✓ 窒素固定：不活性な窒素分子（N2）を他の窒素化合物（反応性窒素）に変換するプロセス✓ 窒素循環：窒素がどのように移動するかを表す生物地球化学的循環の一部

400℃以上、10MPa

自然界での窒素循環（例：陸域生態系）
窒素循環 - Wikipedia

人為的な窒素固定（ハーバー･ボッシュ法）

2億t-N/年（≒自然界での窒素固定量）

出典：図説窒素と環境の科学

19地球規模での窒素循環の状況✓ 反応性窒素が環境中に流出、地球上に蓄積し、環境汚染が拡大✓ 窒素の生物地球化学的循環は、既に高リスク状態

ハーバー･ボッシュ法と世界人口 出典：図説窒素と環境の科学

プラネタリー・バウンダリーにおける地球の状況
https://www.env.go.jp/policy/hakusyo/h30/html/hj18010101.html

窒素利用がもたらす窒素汚染
https://www.naro.go.jp/publicity_report/press/laboratory/niaes/143545.html

20窒素問題を取り巻く情勢✓ 国連環境計画（UNEP）が国際窒素管理システム（INMS）プロジェクトを主導し、2023年に国際窒素アセスメント（INA）を公表予定✓ 2022年2月28日～3月2日 第5回国連環境総会再開セッション（UNEA5.2）において窒素管理に関する決議が採択

INMSプロジェクトの構成
出典：図説窒素と環境の科学

UNEA5.2における決議（抜粋）

日経新聞
2022年3月21日

https://www.env.go.jp/press/files/jp/117592.pdf

21

日本の廃棄窒素フロー （2010年） ＊総廃棄窒素（576万t-N/年）の内訳では、燃料由来が最も多く（370万t-N/年）✓ 359万t-N：62%が窒素（N2）に無害化処理されて大気に排出✓ 196万t-N：34%が反応性窒素のまま環境中に排出（大気：水域 ≒ 2：1）
窒素（N2）として排出
総廃棄窒素（脱硝＆脱窒）

単位：Gg-N/年

1000Gg=100万t

359万t-N

99万t-N

576万t-N

196万t-N→：人間活動に関わる反応性窒素の収支→：大気に関わる反応性窒素の収支→：水域に関わる反応性窒素の収支→：大気に関わる窒素→：環境中の窒素反応性窒素のまま排出＊ K. Hayashi et al., Environmental Pollution 286 (2021) 117559 22

火力分野における窒素循環の意義
CO2と同じような流れ
循環型社会
SDGs

地球規模

300万t/年 (2030)＊
3,000万t/年 (2050)＊

窒素の生物地球化学的循環は高リスク状態

産業活動
現状は大量のエネルギー消費と反応性窒素の排出を伴う窒素利用

窒素問題に対する国際的な関心の増大

火力分野
アンモニア燃料利用による窒素流入量の大幅増加
脱炭素に加えて窒素管理の重要性が増大

環境負荷の小さい循環型の窒素利用への転換

火力向け
窒素循環

＊ https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/green_innovation/energy_structure/pdf/003_04_00.pdf

23石炭火力における排煙処理設備
プラント構成図出典：火力原子力発電 Vol.65 No.2 (2014)

将来

現状

分解（脱硝）せず、NH3等に変換

NH3を還元剤としてN2に分解（脱硝）

【資源化】

【無害化】
NOx除去
ばいじん除去

SOx
除去

排水処理設備へ
フライアッシュ

脱硫石膏（セメント原料等） （石膏ボード等）
https://hags-ec.com/column/theres-a-clear-difference-betweencement-and-mortar-what-are-their-characteristics/【循環利用】
https://www.denhome.co.jp/archives/5775

24将来的な反応性窒素の資源化プロセス✓ 現状は、反応性窒素の無害化のため多くのエネルギーを消費✓ 窒素利用と環境負荷の低減を両立させた“窒素循環”

25

SDGｓ視点からの物質循環（C, H, N）に関する研究の方向性

26

C，H，Nの物質循環と相関（化学品、燃料）
サバティエ反応（4H2＋CO2 → CH4＋2H2O）【H2O：自然界での中心的循環物質】

H2、H2O(単結合)

H水電解（グリーン水素）

物質循環に関する留意点✓ LCA分析・検証✓ インセンティブな標準・規格化✓ 廃棄物（人工物）の循環・再利用✓ バイオマス（生物資源）の積極利用✓ 水電解における副生酸素（Ｏ２）の利活用✓ 水（H2O）資源の確保✓ 技術開発 ～ 事業開発 ～ 社会実装の体制【H2：人為的、自然界共電解【燃料】（合成ガス製造）での循環無し】メタン CH4【課題】大量・安価なCO2【化学品】
フリー水素の確保
合成ガス（H2＋CO）【燃料＆化学品】
シュウ酸 (COOH)2
アンモニア NH3
ハーバー・ボッシュ法
フィッシャー・トロプシュ合成
メタノール CH3OH（3H2＋N2 → 2NH3） 【化学品】
BTX（ベンゼン、トルエン、 （合成ガス → 液体燃料）
硝酸 HNO3キシレン）
亜硝酸HNO2循環型製造プロセスの要件
O2✓ 脱炭素化（電源および燃料）(二重結合)✓ 省エネ化（低温・低圧化）✓ 効率化（新技術：触媒、膜分離、プラズマガス化等）

CO2電解（CO, C製造）

【人為的かつ自然界での循環有り】
C(単～三重結合)

C

CO2(二重結合)【課題】CO2分離・回収の低コスト化

尿素合成（CO2＋2NH3 → (NH2)2CO＋H2O）【化学品】
尿素 (NH2)2CO
ポリウレタン、アミノ酸【人為的かつ自然界での循環有り】
N2(三重結合)N

NH3(単結合)【課題】廃棄される反応性窒素（NH3 ,NOx）の再資源化
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研究の方向性2050年に向けた7つの目標＊
セクター
カップリング

物質循環（C, N）・カーボンリサイクル（CO2）の確立

エネルギー変換・貯蔵（H2）システムの構築

系統安定化技術＊ 電中研HP https://criepi.denken.or.jp/topics/20210701_mission.html

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