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革新的環境技術シンポジウム2020～ビヨンド・ゼロに向けたイノベーションの推進◆「排出源に則したCO2分離回収技術の実用化展開」
2020年12月9日（木） 15:10～15:45(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

革新的環境イノベーション戦略 令和２年１月21日
統合イノベーション戦略推進会議決定
イノベーション・アクションプラン
－革新的技術の2050年までの確立を目指す具体的な行動計画（5分野16課題）－
I.

エネルギー転換

IV. 業務・家庭・その他・横断領域–

再生可能エネルギーを主力電源に–最先端のGHG削減技術の活用–

デジタル技術を用いた強靱な電力ネットワークの構築–

ビッグデータ、AI、分散管理技術等を用いた都市マネジメントの変革–

低コストな水素サプライチェーンの構築––

革新的原子力技術／核融合の実現

シェアリングエコノミーによる省エネ／テレワーク、働き方改革、行動変容の促進–

CCUS／カーボンリサイクルを見据えた低コストでのCO2分離回収–

GHG削減効果の検証に貢献する科学的知
見の充実

II. 運輸–

多様なアプローチによるグリーンモビリティの確立

III.産業

V. 農林水産業・吸収源–

最先端のバイオ技術等を活用した資源利用
及び農地・森林・海洋へのCO2吸収・固定–

農畜産業からのメタン・N2O排出削減–

化石資源依存からの脱却（再生可能エネル
ギー由来の電力や水素の活用）–

農林水産業における再生可能エネルギーの活用＆スマート農林水産業–

カーボンリサイクル技術によるCO2の原燃料化など–

大気中のCO2の回収

イノベーション戦略16課題中の3課題がCCUS/カーボンリサイクルに関わる課題

2

アミン − CO2回収技術の中核を担う化学種
••N
R1

R3

R2
アンモニアの誘導体

MEA

MDEA

代表的なCO2回収用アミン（従来）2R1R2NH + CO2 → R1R2NCOO− + R1R2NH2+
カルバメート

R1R2R3N + CO2 + H2O→
 HCO3− + R1R2R3NH+バイカーボネート

・ アミン種（置換基R1, R2, R3）の違いでCO2回収性能をチューニング可能・ RITEは新規合成アミンを含め、膨大なアミンのデータを蓄積
3アミン化合物を中心としたCO2分離回収技術の研究開発
地球温暖化防止 → 発生源に適したCO2分離・回収技術
化学吸収液

低圧，高いCO2濃度

製鉄所

＜特徴＞
・C50プロジェクトで日本製鉄（株）と連携
・再生温度 ＜100℃
・分離回収エネルギー 2.0GJ/t-CO2

CO2
吸収分離
アミン構造の最適化＋水，有機溶媒

アミン化合物
アミン
アミノ基

固体吸収材
アミン構造の最適化＋多孔質固体

水酸基（ex. Monoethanolamine）

アミン構造の最適化
＋高分子膜

貯留

有効利用

情報交換による
シナジー効果低圧，低いCO2濃度＜特徴＞
・KHI（株），名古屋大と連携
・再生温度 60℃
・分離回収エネルギー ＜1.5GJ/t-CO2

最適技術の提供
圧力
濃度
温度
ガス組成
他

セメント工場
石炭火力発電
IGCC

発電所

情報交換によるシナジー効果

分離膜

高圧，CO2・H2混合ガス

化学

＜特徴＞
・MGM技術研究組合として活動・高圧のCO2・水素混合ガスからの回収では、高いCO2選択透過性を示し、分離回収エネルギー ca.0.5GJ/t-CO2
天然ガス精製4

RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 日本製鉄㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電所からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）
ＦＹ2020～先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究（石炭火力発電所でのパイロットスケール試験） KHI/RITE->名古屋大学【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

5大規模CCS プロジェクトとCO2分離回収技術**GCCSI-DataBaseと佐々木 孝（化学工学） 79（2015）826をもとにRITE追記・作成
ガス性 ガス中状
硫黄分

分離方法

分離素材

分離回収プ
ロセス高い
（≧0.1MPa）

中性

H2S

物理吸収

DEPG

Selexol

EOR

高い（≧0.1MPa）

還元性

微量

化学吸収

7

EOR

高い
（≧0.1MPa）

中性

H2S

物理吸収

DEPG

Selexol

天然ガス精製

1

帯水層
(海域)

高い
（≧0.1MPa）

中性

微量

化学吸収

アミン

MDEA

2000

合成天然ガス

3

EOR

高い（≧0.1MPa）

還元性

H2S

物理吸収 メタノール Rectisol

Norway2008

天然ガス精製

0.7

帯水層(海域)高い（≧0.1MPa）

中性微量

化学吸収

アミン

aMDEA

米国

2010

天然ガス精製

8.4

EOR高い（≧0.1MPa）

中性H2S

物理吸収

DEPG

Selexol

8 Reformer

米国

2013

水素製造

1EOR高い（≧0.1MPa）

還元性

微量

吸着吸着剤

VaccumSing Ads.

9 Coffeyville Gasification Plant

米国

2013

肥料製造

1EOR

高い（≧0.1MPa）

還元性

H2S

物理吸収

DEPG

Selexol

10 Lost Cabin Gas Plant

米国

2013

天然ガス精製

0.9

EOR高い（≧0.1MPa）

中性

H2S

物理吸収

DEPG

Selexol

ブラジル

2013

天然ガス精製

3

EOR

高い（≧0.1MPa）

中性

微量

膜分離

高分子膜

Separex

12 and Storage

カナダ

2014

石炭火力発電（既設)

1EOR

低い

酸化性

SO2

化学吸収

アミンCansorv

13 Quest

カナダ

2015

水素製造

1帯水層(陸域)

高い（≧0.1MPa）

還元性

微量

化学吸収

アミン

Adip-X

サウジ
アラビア

2015

天然ガス精製

0.8

EOR

高い（≧0.1MPa）

中性

微量

化学吸収

アミン

Amine

UAE

2016

鉄鋼生産（水素還元）

0.8

EOR

高い（≧0.1MPa）

還元性

微量

化学吸収

アミン

Amine

16 and Storage

米国2017 エタノール合成

1

帯水層
(陸域)

不明

不明

微量

その他

不明

CornFermentation

17 Petra Nova Carbon Capture

米国

2017

石炭火力発電（既設)

1.4

EOR

低い

酸化性

SO2

化学吸収

アミン

KM-CDR

高い（≧0.1MPa）
高い（≧0.1MPa）

不明

不明

化学吸収

アミン

MEA

中性

微量

化学吸収

アミン

aMDEA

国

操業開始年

FaciltyIndustry

米国

1972

天然ガス精製

0.4 - 0.5

EOR

米国

1982

肥料製造

0.7

米国

1986

天然ガス精製

Norway1996

5 Weyburn-Midale

カナダ

6 Snøhvit CO2 Storage

プロジェクト名

CO2回収量 貯留タイ(Mtpa)
プ

Terrell Natural Gas Processing

1 Plant (formerly Val VerdeNatural Gas Plants)

2 Enid Fertilizer
Shute Creek Gas Processing

3 Plant

4 Sleipner CO2 Storage
Great Plains Synfuels Plant and7 Century Plant
Air Products Steam Methane

Petrobras Santos Basin Pre-Salt

11 Oil Field CCS

Boundary Dam Carbon Capture

Uthmaniyah CO2-EOR

14 Demonstration

Abu Dhabi CCS (Phase 1 being

15 Emirates Steel Industries)

Illinois Industrial Carbon Capture

18 CNPC Jilin Oil Field CO2 EOR中国

2018

天然ガス精製

0.6

EOR

19 Gorgon CO2 Injection Project

Norway2019

天然ガス精製

4帯水層(陸域)

上記に加え、カナダのAlberta Carbon Trunk Line (ACTL)が2020に２件（肥料製造と石油精製）、稼働開始

CO2分圧

炭酸カリウ
Benfieldム

6

COURSE50成果の産業利用
PhaseⅠにおいて開発した化学吸収液の一つは日鉄エンジニアリング㈱の省エネ型CO2回収設備（ESCAP®）に採用された

商業化1号機（日本製鉄室蘭製鉄所構内）

商業化2号機（住友共同電力新居浜西火力発電所内）
www.eng.nssmc.com

１号機(2014～)

２号機(2018～)

設備規模

120 t/day

143 t/day

排出源

製鉄熱風炉

石炭火力（※）

CO2用途

産業用CO2製造

飼料添加物製造※2号機は化学吸収法による石炭火力発電所の燃焼排ガスからのCO2分離回収技術として日本初の商業設備
7

吸収液の高性能化
開発目標：
本PJのフェーズⅠ－STEP2において見出した混合溶媒吸収液を中心に、吸収液性能の更なる向上を目指す（分離回収エネルギー目標1.6GJ/t-CO2）
フェーズⅠ開発液（水溶媒）
既開発混合溶媒吸収液（エチレングリコール（EGL）系）
2019年度開発（新規混合溶媒）
極めて高い低温再生能
8

RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 日本製鉄㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電所からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）
ＦＹ2020～先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究（石炭火力発電所でのパイロットスケール試験） KHI/RITE->名古屋大学【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

9

先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発＜対象＞石炭火力発電所（燃焼後回収）＜目標＞分離回収コスト2,000円台/t-CO2、エネルギー< 1.5 GJ/t-CO2○固体吸収材とは担体(多孔質材料)

アミン化合物

溶媒（水）

アミノ基水酸基（例. モノエタノールアミン）

化学吸収液 （従来型）

固体吸収材

アミン化合物

アミン化合物

＋＋

溶媒（水）

担体
（多孔質材料）

ＣＯ２再生時に比熱の大きい水を加熱する必要が無いため、ＣＯ２分離回収エネルギーの低減が可能
10移動層ベンチスケール試験設備（川崎重工業（株） 明石工場内に設置）

装置改良を実施・供給機・コンベア等輸送機器
・ホッパー並列化・バルブ＜ベンチ試験装置の概観＞（2017年度）（2018年度）（2019年度）

最大回収量確認試験： 7.2 t/dを確認(目標値6.5t/d)

11目標達成までのロードマップ（基盤技術開発）
項目

FY2010～FY2014（実用化研究） （スケールアップ・実ガス試験）
FY2015～FY2019

材料
開発

材料の大規模製造技術確立（～1L）（～15m3）

シス
テ
ム
開発
内
容

FY2020～FY2024（100m3～）スケールアップ（～8倍規模）2030頃

制度的仕組みの導入
＋

大規模
CCS
3,000t/day
石炭火力プラント（ラボスケール：～3kg/day）（ベンチスケール：～７ t/day）（パイロットスケール：40 t/day）

固定層基礎試験
基本データ・特許取得

移動層適用検討
効率改善

移動層実ガス試験（石炭火力発電所）

用途展開（閉鎖/宇宙空間、大気からの回収、その他発生源）

12

RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 日本製鉄㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電所からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）
ＦＹ2020～先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究（石炭火力発電所でのパイロットスケール試験） KHI/RITE->名古屋大学【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

13二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発
高圧の石炭ガス化ガスから低コストでCO2を分離回収
高性能CO2選択透過膜（分子ゲート膜）技術の実用化＜目標＞ CO2分離・回収コスト： ≦1,500円/t- CO2
CO2分離・回収エネルギー ： ≦0.5 GJ/t- CO2（大崎クールジェンプロジェクトガイドvol.13の資料をRITEで追記）

14

二酸化炭素分離膜の分離機構

15

膜エレメントのスケールアップ検討
単膜の開発、大面積連続製膜技術はほぼ確立
スパイラルチエレメントの大型化を検討
リーフ長（集ガス管への巻取り長さ）

エレメント
*1

リーフ 長

2インチ

4インチ（Ａ）（改良前）

4インチ（Ｂ）
（改良後）

実機相当
8インチ

200～300mm

200～300mm※2inchと同じ

700～900mm

700～900mm（想定）

リーフ長が短くハンドリング難

ハンドリング
良好

試作結果*1 リーフ： 膜と透過ガススペーサーから構成され、集ガス管に接着して使用する大面積シート。

（4インチの知見に基づき検討予定）

16

石炭ガス化炉実ガス試験
米国ケンタッキー大学応用エネルギー研究センター（UK-CAER）で石炭ガス化炉からの実ガスを用い、単膜（膜素材）の実ガス耐性を確認中

・膜素材の実ガス耐性を確認中
・模擬ガス（H2S濃度 ～1,000 ppm）
を用いた加速試験により、H2S耐性を確認

17不純物添加試験（単膜）

加速条件（硫化水素約1,000ppm）での膜素材の耐性を確認＜測定条件＞ 温度85℃、供給側全圧2.4 MPa、透過側大気圧
非透過ガス（供給ガス）組成： CO2/H2/N2/CO/=36/63/0.3/0.7+H2S, COS（模擬ガス）
CO2/H2=33/67（不純物無し）

18

膜エレメントの実ガス試験
電源開発㈱ 若松研究所所有の石炭ガス化炉からの実ガスを用いた試験

膜エレメント評価装置の外観

加湿器

膜モジュール恒温水槽

制御盤、分析機器等（建屋内）

実ガス
膜モジュール（恒温水槽内）圧縮空気タンク

純水タンク
コンプレッサー装置全体

19

膜エレメントの実ガス試験結果（2020.3）
H2CO2N2CO2/H2CO2/N2CO25020010-11150
 [-]Permeance [m3(STP)m-2s-1Pa-1]

10-10CO2/CO

10-12100
5010-130510時間 [h]1520005101520時間 [h]膜エレメント（2インチ）の初期耐久性を確認＜測定条件＞ 温度85℃、供給側全圧0.85 MPa、透過側大気圧
非透過側組成 ： H2/CO2/N2/CH4/CO=8.7/17.6/48.6/0.054/25.0 vol%、H2S: 約350ppm
透過側組成： H2/CO2/N2/CH4/CO=3.3/92.4/2.4/検出限界以下/1.9 vol%20

実用化に向けたロードマップ
FY2011
基盤技術研究フェーズ

2015

2020 2021
実用化研究
フェーズ

実証フェーズ（スケールアップ、実ガス試験）

量産化

膜エレメントのスケールアップ（連続製膜法の確立）

単膜
基本組成検討
特許取得

2025

小型膜エレメントの製作法の確立

2030
商用化フェーズ（実機膜エレメント（製品サイズ）製作法の確立）

2030頃

膜分離システムの開発

IGCC用商用化（商用化に向けたシステム検討）（部材の最適化）

膜エレメント

耐不純物性評価（実ガス試験）膜モジュール

膜モジュール製法とシステムの確立

適用範囲の拡大（EOR，天然ガス，褐炭ガス化ガス等） 21

地球温暖化問題に対する新たな取り組み
Negative Emission Technologies ②
大気中からのCO2回収(Direct Air Capture)の可能性 ?

DIAGRAM BY JOE ZEFF, NATIONAL GEOGRAPHIC

22

Climeworks, Oct. 2015, the world's first commercial
carbon-capture plant (900t-CO2/year)
回収量： 900 t-CO2/year
Heat：1800-2,500kWh/t-CO2（100℃）
Electricity：350-450kWh/t-CO2
ごみ処理施設の排熱を利用
固体吸収材（フィルター）式
回収したCO2を農業利用➢ Climeworks, the direct air capture (DAC) plant is capable of removing 900 tonnes of carbon
dioxide (CO2) from ambient air annually.
➢ The agricultural enterprise buys up to 900 tonnes of the gas annually from Climeworks atmarket prices

Source: http://www.climeworks.com/

23

「ムーンショット型研究開発事業／2050年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現」（1）温室効果ガスを回収、資源転換、無害化する技術の開発（採択予定先：８/26 ＮＥＤＯ HPより）（表中敬称略、プロジェクトマネージャーの五十音順に掲載）

研究開発プロジェクト

プロジェクトマネージャー

委託予定先

電力利用CO2固定微生物の創出と気相反応システムの構築による大気CO2資源化技術の開発

国立研究開発法人産業技術総合研究所
加藤 創一郎

国立研究開発法人産業技術総合研究所
国立大学法人東京工業大学
国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学

大気中からの高効率CO2分離回収・炭素循環技術の開発

国立大学法人金沢大学
児玉 昭雄

国立大学法人金沢大学
公益財団法人地球環境産業技術研究機構

電気化学プロセスを主体とする革新的CO2大量資源化シス
テムの開発

国立大学法人東京大学
杉山 正和

国立大学法人東京大学
国立大学法人大阪大学
国立研究開発法人理化学研究所
宇部興産株式会社
清水建設株式会社
千代田化工建設株式会社
古河電気工業株式会社

C4S*研究開発プロジェクト*C4S: Calcium Carbonate Circulation System forConstruction :建設分野の炭酸カルシウム循環システム

国立大学法人東京大学
野口 貴文

国立大学法人東京大学
国立大学法人北海道大学

Cryo-DAC(冷熱利用大気CO2直接回収)の研究開発

国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学則永 行庸

国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学
東邦瓦斯株式会社
学校法人東京理科大学

統合化固定･反応系(quad-Csystem)の低濃度化とモジュール化で実現する炭素完全循環社会

国立大学法人東北大学
福島 康裕

国立大学法人東北大学
公立大学法人大阪
株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ“ビヨンド・ゼロ”社会実現に向けたCO2循環システムの研究開発

国立大学法人九州大学
藤川 茂紀

国立大学法人九州大学
国立大学法人熊本大学
国立大学法人北海道大学

資源循環の最適化による農地由来の温室効果ガスの排出削減

国立大学法人東北大学
南澤 究

国立大学法人東北大学
国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
国立大学法人東京大学24

ムーンショット型研究開発事業／地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現【研究開発プロジェクト名】
大気中からの高効率CO2分離回収・炭素循環技術の開発【実施者】金沢大学(公財) 地球環境産業技術研究機構【期間】 2020年度～2029年度【実施内容】
1．大気中からの高効率CO2回収(DAC)技術開発→RITE固体吸収材の適用
2．炭素循環のためのCO2変換技術開発→膜反応器による液体炭化水素燃料合成
3． 液体炭化水素燃料適用性、LCA評価→ユーザー企業と連携
25

プロジェクトの概要図
適用性、LCA評価(研究開発項目3)
CO2

ユーザー企業と連携

CO2
CO2

e-fuel極低濃度CO2液体炭化水素燃料空気

CnH mMoonshot cycle
CO2H2CO2 フリー空気

CO2CO2CO2

脱水膜

Sweepgas

DAC(研究開発項目1)
CO2材料・システム開発

H2 O

CO2変換(研究開発項目2)

高濃度 CO2膜反応器の開発26

今後の展開：多様な排出源からのCO2回収・固定化技術開発
最重要課題：石炭火力、製鉄からのCO2回収技術の早期実用化
CCUS/Carbon Recycleに向けて多様な排出源からのCO2回収・固定化技術が必要：
これまでに開発した技術をもとに様々なCO2排出源への適用を検討
PCO2 > 1 MPa：高圧ガス（ICGG、 天然ガス、褐炭ガス化ガス）
PCO2～1 MPa:各種化学工業プロセス（アンモニア製造他）
PCO2= 13～22 kPa ：燃焼排ガス（石炭火力発電所、製鉄所、セメント工場）
PCO2= 3～7 kPa ：燃焼排ガス（天然ガス火力発電所、ガスエンジン）
CO2濃度 = 0.1～1% :室内/閉鎖空間 （オフィス、工場、宇宙空間、潜水艦）
CO2濃度= 400 ppm：空気中からのCO2回収（DAC: Direct Air Capture）➪ 「大気中からのCO2回収（約400ppm：Direct Air Capture）」技術の開発にも着手
27

まとめ
1.化学吸収法（高炉ガス）
・開発液を実用化、商業化2号機が稼働開始（CCU用途)
・さらに高性能化を目指し、新規吸収液を開発

2.固体吸収法（石炭火力ガス）
・移動層ベンチスケール試験で回収量7.2t/d、回収率90%を達成
・パイロット試験に向けた実ガス試験フェーズを開始

3.膜分離法（IGCCガス）
・連続製膜技術開発、膜エレメントスケールアップ検討
・膜素材の硫化水素耐性確認
・膜エレメントの初期実ガス耐久性確認
28

まとめ4.新たな取り組み
・CCUへの取組み：

炭酸塩固定化技術について
太平洋セメント-JFEスチール-RITEで研究会を設立
検討開始
・DAC(Direct Air Capture)：NEDOムーンショット型研究開発事業で検討開始

29

謝辞：本研究開発は、METI委託事業ならびにNEDO委託事業の一環として実施しました。

ご清聴をありがとうございました。
Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth30