2010.11.17

メタンハイドレート（独）産業技術総合研究所
メタンハイドレート研究センター（MH21研究コンソーシアム・SPL）
成田英夫
Methane Hydrate Research Center内容

1. 日本のエネルギー情勢と天然ガス
2. メタンハイドレートとはどんな物質か
3. 生産手法開発のために必要な室内試験
4. 生産手法とエネルギー効率
5. メタンハイドレートの性質を利用した新しい産業の開拓について

Methane Hydrate Research Center日本のエネルギー情勢と天然ガス
日本のエネルギー情勢と天然ガス

Methane Hydrate Research Center日本のエネルギー源と用途、一日の使用量
東京ドーム2/3
東京ドーム
2/3杯
杯

東京ドーム180
東京ドーム
180杯
杯

石油天然ガス

LNG船精油所

東京ドーム1/3
東京ドーム
1/3杯（石油換算）
杯（石油換算）

炭鉱

石炭

火力発電所

製鉄所

輸送燃料

暖房

都市ガス
セメント工場

産業ボイラー

化学製品

熱電併給

Methane Hydrate Research Center

ウラン

原子力発電所日本の一次エネルギー源推移
水力他
12%

水力他
原子力 6%
ガス
2%3%

原子力0%
石炭
27%

ガス
1%

石炭
16%

原子力
9%

水力他
6%

石炭19%

ガス
9%

1965

石油
60%

原子力
12%

水力他
5%

石油
73%

石炭
17%

原子力
11%

ガス
11%

水力他
5%

1975

石炭
21%

ガス
14%

1995
石油
55%

2004

石油
Methane Hydrate ResearchCenter49%

石油
57%

1985

日本の一次エネルギー需給構成（2008年度）

水力・地熱・新エネ 6%

原子力 10%

石油 42%

石炭 23%

天然ガス 19%

出典：総合エネルギー統計

Methane Hydrate Research Center我が国のエネルギー輸入先国と輸入量

石油：211.8百万トン
天然ガス：859億m3
石炭：185.6百万トン

出典：BP, Statistical Review of World Energy 2010
出典：IEA, Coal Information 2009

Methane Hydrate Research Center

天然ガス需給動向
900800700
天 然 ガ ス 供 給 量 （ 億 立 方 メ ー トル ）持続的経済社会、国民の安心･安全な生活の維持・発展のためには天然ガスの長期的安定確
保、自給率向上が必要

600
500
400
300
200
1000
1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

西暦

世界の動向
世界的な天然ガス消費の増加
非OECD諸国の加速的消費

天然ガス
需給動向・潮流

電力需要の増大電力化率の増加

わが国の動向日本は世界の3%、940億m3
自給率4%弱、多くはLNG輸入
2008LNG輸入額：4.5兆円超2030年は総供給の18%更に300億m3の供給が必要

産業用都市ガスの需要が増加

燃料の低炭素化

地球環境負荷低減の要請■発熱量当たりのCO2排出量●石炭：23650t-C/PJ（100%）●原油：18660t-C/PJ（79%）●天然ガス：13470t-C/PJ（57%）

エネルギー利用システムの変革●分散型●水素化社会●新輸送用燃料

Methane Hydrate Research Centerアジア諸国の天然ガス消費推移

BP Statistical Review of World Energy

Methane Hydrate Research Center

わが国のLNG
わが国のLNG輸入プロジェクトと契約期間
輸入プロジェクトと契約期間

Methane Hydrate Research Center国際的な非在来型天然ガス開発への取り組み

原始資源量

貯留層特性

（Ronger.H,1996）

生産量他（寺崎，2006）

コールベッドメタン

258兆m3

炭層に吸着
数10m3/ton

450億m3(米国，2003）

タイトサンドガス

210兆m3

κ：0. 1-0.5md
φ：5-15%1300億m3(米国，2003）

シェールガス

456兆m3

κ：0.001-2md
φ：4%以下170億m3(米国，2003）

貯留層（ガスが存在するところ）の浸透率が小さく、大きな生産量は望めなかった
水圧破砕技術の進歩、水平坑井掘削技術の進歩などにより経済性が見込めるようになってきた
Methane Hydrate Research Center米国の天然ガス長期需給計画

Methane Hydrate Research Center米国の非在来型天然ガス供給構成

Methane Hydrate Research Center

天然ガス需要増加の背景
天然ガス需要増加の背景

1. 世界的な天然ガス需要の増加（特に、アジア諸国の天然ガス消費の増加）
2. わが国のエネルギー政策（低炭素エネルギーとしての導入、自給率の倍増）
3. わが国のLNG長期契約への懸念（今後10年間、東南アジアの大口契約更改）
4. 低炭素化社会実現への対応（発熱量あたりのCO2排出量：石炭の60%弱）
5. エネルギー利用システムの変革（分散型エネルギー、水素製造、輸送用新燃料）
天然ガスの長期安定確保、自給率の向上の必要性
メタンハイドレート資源への期待
Methane Hydrate Research Center日本周辺海域のメタンハイドレート資源分布（BSR
日本周辺海域のメタンハイドレート資源分布（BSR分布）分布）

メタンハイドレート資源開発の直接的効果●年産100億m3で自給率が4%→15%●CO2削減効果400万トン-C/年

東部南海トラフのみで13年分の原始資源量（1兆1400億m3）

Methane Hydrate Research Center世界のメタンハイドレート資源分布
永久凍土地帯、大陸の縁辺部の海域に賦存その量は、メタン量で2-14京m3、原始資源量で数百兆m3との報告

Methane Hydrate Research CenterメタンハイドレートとはMethane Hydrate Research Centerメタンハイドレートとは 見た目は、氷
水の分子からなる結晶水分子からできたカゴの中にメタンが入っている 氷とは、大きく性質が異なる
 低温・高圧で安定
0℃では26気圧以上、1気圧では-80℃以下
自然界でも発見されている。
常温・常圧では、分解してメタンを放出し、火をつけると燃える。
Methane Hydrate Research Center

ガス種と結晶型

7

ゲスト分子 結晶構造

水和数512

Guest molecule size (Å)

iso-C4H10
C3H86II 型

C2H651262

17 H2O512(CH2)3O
c-C3H651264

512
I型

51262

67 2/3 H2OStructure I25512

CO2I型

51262

5 3/4 H2OXe; H2SCH44O2N2KrAr

512
II 型

5 2/3 H2O

51251264

16851264

No Hydrates
Structure IIMethane Hydrate Research Centerメタンハイドレートの燃焼

Methane Hydrate Research Centerメタンハイドレートの燃焼

Methane Hydrate Research Center

Methane Hydrate Research Centerメタンハイドレート天然コア試料（東部南海トラフ）

孔隙率：40％、MH飽和率：60%

Methane Hydrate Research Center

基礎試錐コアの3D基礎試錐コアの3D画像
画像

Methane Hydrate Research Center

生産手法開発のために必要な室内生産手法開発のために必要な室内試験
試験

Methane Hydrate Research Centerメタンハイドレート資源開発の特徴と技術開発課題

掘削すると容易に自噴

MH資源開発用の新たな生産手法の開発が必要

掘削では自噴しない在来型
天然ガス資源固結した砂岩中に高圧のガスとして存在生産に伴い貯留層特性が大きく変化
MHは分解時に熱を吸収
未固結の砂層中に固体結晶状で存在

Methane Hydrate Research Center

1000m

2-300mMH層MH層BSR

基礎試錐「東海沖〜熊野灘」
 コア層分析（孔隙率、MH飽和率、鉱物組成、粒径分布、密度、ガス組成、断層撮影等）
 熱特性（熱伝導率、比熱、分解熱）
 力学特性（圧縮強度、剪断強度、弾性係数、圧密度、毛管圧）
 弾性波特性・比抵抗 絶対浸透率・有効浸透率
 結晶型、孔隙観測、孔隙内MH産状 分解試験による生産性解析

Methane Hydrate Research Centerコア試験設備は高圧ガス保安法に従って製作、操作しなければならない

低温防爆実験施設外観

低温防爆実験施設内部

圧密評価試験用低温実験室

相平衡特性など実験用キャビネット

Methane Hydrate Research CenterVolumetric strainv, %Deviator s tress q, MPa

コア試験設備①

天然コア力学特性試験装置

H8CB

6F4G
u =10 MPa, T =10~11 degC
c' =2.0 MPa
TK7 100
TK7 90 -FS 10

200-251015C20HG025

B2F
4051015
Axial strain  a , %2025

細粒分含有率の異なる供試体の排水三軸圧縮試験結果（プロット有：MH胚胎供試体、プロット無し：未胚胎供試体）
基礎試錐堆積物（コア ホルダー）
基礎試錐堆積物模擬（三軸型）
基礎試錐堆積物（スリーブ：一面せん断組み込み）
基礎試錐堆積物（スリーブ：一面せん断組み込み）
基礎試錐堆積物（スリーブ：一面せん断組み込み）

10 -122

浸透率 [m ]10 -1310 -1410 -15

K = 9.78689E-24*e 51.4555*

10 -16w

R2 = 0.703131
10 -170.3

0.35

0.4

0.45

0.50.55

孔隙率

浸透率評価装置

基礎試錐コア砂質試料の絶対浸透率測定結果

Methane Hydrate Research Centerコア試験設備②

基礎試錐コアの砂層上中下部のμフォーカスX線CT像（タービダイト成のため下ほど粗粒）

天然コア内部観測解析装置（マイクロフォーカスX線CT）

分解過程解析用可視化装置（高速X線CT）

基礎試錐コアのμフォーカスX
線CTによるガス、水、MH 、砂の分離像

坑井加熱法（第１回陸産試験）の可視化
上面の加熱面からの減圧法（第2回陸産試験）の 伝熱によって分解が可視化進行するためまっすぐ上部減圧面から分解が進み、 ゆっくり分解が進む同時に周辺からの熱移動によっても分解が促進。

Methane Hydrate Research Center

温水圧入法の可視化
下面（圧入井）から温水を圧入して上部（生産井）からガスを生産する手法であるが上部にMHが再生成して浸透性を悪化させる

コア試験設備③
砂泥界面の観測例（左下が砂層、右上が泥層）
砂層側にガス溜まりがあり自然界で泥層がガスをシールしていた傍証

孔隙内のメタンハイドレート
胚胎状況

天然コア孔隙内部観測装置（低温低真空度走査型電子顕微鏡）

凝集したフランボイダル・パイライト

砂質堆積層中のケイ藻

砂質堆積層中の（雲母）Methane Hydrate Research Centerメタンハイドレートを分解する手法

安定条件→分解条件
基本的な3手法① 温度を上げる② 圧力を下げる③ 生成・解離平衡条件自体を 低温高圧側にシフトさせる④ 上記手法の組み合わせ● 新たな手法

Methane Hydrate Research Center各種分解試験装置

MHコア減圧・加熱分解試験装置

熱水圧入法開発装置

水蒸気圧入法開発装置

インヒビタ圧入法開発装置

Methane Hydrate Research CenterTemperature (℃)

各種分解手法の可視化観測とモデル化

減圧法における生産速度と温度変化

減圧法

坑井加熱法

高速X線CT装置

温水圧入法（純水）

温水圧入法（塩水）担当研究者：海老沼孝郎/MhLabo

Methane Hydrate Research Center

生産手法とエネルギー効率

Methane Hydrate Research Center

生産シミュレータと解析手順

Methane Hydrate Research Center

減圧法

温水循環法（坑井加熱法）

 ポンプで坑内の水を汲み出す等により坑底圧を下げ、穿孔を通じMH層の圧力をMH分解領域まで低下する手法
 分解に消費される熱量は、MH層自身の熱量と上下地層からの伝熱により賄われるためエネルギー産出比が高い。

 温水を坑内に循環する等により坑壁を加温し熱伝導によりMH層を加熱し分解する手法。
 1年間のMH分解領域は坑井周辺数m程度
 温水を製造する必要がある事に加え、熱のMH層外への流出・移流、分解ガスの移流、MHの再生成によりエネルギー産出比は低い。

初期圧力

初期圧力

坑井加熱温度
3相平衡温度

温度

圧力

初期温度

温度

圧力

3相平衡圧力MH分解フロント

圧力
温度

MH分解フロント
距離

圧力
温度

Methane Hydrate Research Center

距離

初期温

Huff&Puff法（熱刺激法）
Huff&Puff法（熱刺激法）

温（熱）水圧入法（熱掃攻法）

 生産井から温水あるいはインヒビタを圧入してMHを分解し、時間をおいて生産井を減圧し分解ガスを生産する手法
 温水製造、ポンプ動力にエネルギーを費やすため、エネルギー産出比は低い。

 圧入井から温水等を圧入してMHを分解し、分解ガスを生産井から生産する手法
 坑井間のMHを100%分解することも可能だが、温水製造、ポンプ動力にエネルギーを費やすため、エネルギー産出比は低い。
 圧入による孔隙圧の増加に注意が必要

Puff時圧力

流体圧入温度
初期圧力
温度

初期圧力

圧力
温度

圧入井圧力

圧力

Huff時圧力

Huff時圧入温度

圧力（Huff）
圧力（Puff）
温度（Huff）
温度（Puff）

3相平衡温度
初期温度

初期温度

生産井圧力
距離Methane Hydrate Research Center

減圧法についてポンプで坑内の水を汲み出す等により坑底圧を下げ、穿孔を通じMH層の圧力をMH分解領域まで低下する手法
分解に消費される熱量は、MH層自身の熱量と上下地層からの伝熱により賄われるためエネルギー産出比が高い。

回収率

減圧法

Temperature (℃)

各種生産手法のエネルギー効率、回収率試算結果

減圧法原理図

減圧度と生産性
減圧度と温度挙動（減圧しすぎると生産性低下） （生産性低下要因は氷生成）

Methane Hydrate Research Center

減圧法による生産① 掘削船により掘削② 最終ケーシングを設置・セメンチング③ 坑口装置・ライザーの設置＊④ 坑底壁にパーフォレーション（穿孔）打設⑤ チュービング・ポンプ等坑井機器を坑内に設置＊⑥ 坑底のポンプにより坑内の水をくみ出す。

海底⑦ 坑内の水頭が低下し、坑底圧が低下⑧ 低下した坑底圧が穿孔部を介し地層に伝播

上部地層⑨ メタンハイドレートが分解し、水とガスが発生。
⑩ ガスは圧力の低い坑内に移動し、生産される。

⑪ 生成した水ガスと同時に生産される。
減圧・MH分解
ガス メタンハイド ⑫ 生産水が坑内に流れ込み、坑内の水頭は上昇するため、ポンプによる水のくみ出しを継続し、坑内レート層水の圧力を低く維持。

下部地層
メタンハイドレート資源賦存域代表例：水深1000mの海底のさらに下200-300m（130気圧、13℃）
減圧生産法は、坑内の水を汲み出し地層圧を下げて地層内のメタンハイドレートを分解する方法

Methane Hydrate Research Center

陸上産出試験（カナダ・マッケンジーデルタ、2008.3
陸上産出試験（カナダ・マッケンジーデルタ、2008.3））

減圧法によって、メタンハイドレート資源から天然ガスを連続的に生産できることを実証
Methane Hydrate Research Center新しい産業を開拓する
ガスハイドレート機能活用技術
ガスハイドレート機能活用技術

Methane Hydrate Research Centerガスハイドレート機能活用技術体系

Methane Hydrate Research Centerガスハイドレートの機能と応用①高いガス包蔵性
ガス密度が約170cm3/cm3
 省エネルギー天然ガス輸送・貯蔵②大きな生成・解離熱
質量あたり水の約1.3倍の潜熱
 コンパクトな冷凍・冷房システム③高い生成・解離差圧273Kで約350kPa/K
 膨張発電、ガス作動媒体④高い反応選択性
ガスによって相平衡が大きく変化
 硫化水素ガスなどの分離プロセス
Methane Hydrate Research Centerガスハイドレートが創るエネルギー社会

消費地
吸気冷却発電

産ガス地

NGH

天然ガス受入基地

陸上輸送

NGH

マイクロGT

NGH
貯蔵施設

MH資源

GTL,DME,MeOH
転換工場

燃料電池車
水素製造

新輸送燃料

Methane Hydrate Research Center

定置型燃料電池

ガスハイドレート利用天然ガス輸送・経済性

初期設備コスト比較実現のためのキーテクノロジー

エネルギー効率比較①効率的低圧大量製造技術②大気圧下分解抑制技術

Methane Hydrate Research Centerx10 -3 [m3/kg]

混合ガスハイドレートのガス密度と結晶型の推移およびNMR
混合ガスハイドレートのガス密度と結晶型の推移およびNMR解析結果
解析結果

Gas inclusion density

メタン・エタン混合ガス系ハイドレートの結晶型変化（組成に応じⅠ型、Ⅱ型およびその混合型が出現）
sI

sII

sI

1.000.90

θS , θL

0.80
0.70
0.60
0.50

メタン・エタン混合ガス系ハイドレートの結晶型とガス密度0.40

▲：ΘS
●：ΘL

0.30

数パーセントから40パーセントのエタンを含む領域においてⅡ型を生成すると共に、ガス密度は低下する

0.20

020

40 60
yE / %

80

100

NMRによるメタン・エタン混合ガス系ハイドレートのケージ占有率解析結果

Methane Hydrate Research Center自己保存効果の原理

100μm

減圧分解時のMH表面観測結果
210K(-63℃)以下では白色の微細氷、250K(-23℃)以上では透明な氷膜の生成

ice sintering rates (a.u.)

Hydrate dissociation and

製造したMHの偏光顕微鏡像

ガス分子
水分子
ハイドレート分子

自己保存効果の原理(a)分解速度＞焼結速度：白色氷粒の生成、自己保存効果が発現しない(b)分解速度＜焼結速度：透明な氷膜の生成、自己保存効果の発現
Methane Hydrate Research Center高効率ヒートポンプの開発

圧縮機
分解器
M
搬送ポンプ

ガス

水

冷熱を得る
吸熱

7℃

ポンプ

圧縮機

蒸発器
5℃

生成器
ガス

38℃
凝縮器

ハイドレート＋水膨張弁

37℃
放熱

発熱

外気
35℃

12℃

従来型ヒートポンプ

ハイドレート利用ヒートポンプ

低圧・高温でハイドレートを生成するゲストを探索中

HFC-32 ハイドレート（構造I)
最高生成温度 21℃（1.4 MPa）

HFC-32 + シクロペンタン
ダブルハイドレート（構造II)
最高生成温度 27℃ （1.7 MPa)

シクロペンタンハイドレート（構造II)
生成温度 7.7℃（大気圧）ダブルハイドレート

ゲスト物質単位量あたりのハイドレート生成熱・分解熱は同量の冷媒の蒸発・凝縮熱の4倍−8倍．
ヒートポンプにおける消費エネルギーの大半は冷媒（ガス）の圧縮仕事→ハイドレートヒートポンプでは，
ガスと水との同時圧縮により，圧縮仕事を大幅に低減可能（等温圧縮に近い圧縮が可能）
現状、1.5〜2MPaで25-28℃程度の生成温
度は確保
HFC-32 + シクロペンタンハイドレート系での試算結果：COP > 8

Methane Hydrate Research Center③ガス分離技術（バイオガスの脱硫、炭酸ガス分離濃縮）

それに代わる簡易で経済的な分離手法を開発。
TBAB（臭化四ブチルアンモニウム）は、化学工業原料として通常使われているものですが、水と接触するとTBABハイドレートという特殊な結晶を作ります。
この生成時に水に溶解している硫化水素などのガスを取り込むため、結果的に硫化水素が分離できることになります。

●理論計算にて、炭酸ガス-窒素混合ハ
イドレートは、低温ほどハイドレート中の炭酸ガス濃度が高まると予測。
●この性質を煙道ガス中の炭酸ガス分離濃縮プロセスとして実証試験を実施●-70℃、2.1MPaにおいてCO2濃度3%→59%に濃縮。
●-90℃、0.7MPaにおいてCO2濃度3%→47%に濃縮。

ハイドレート中のCO2比率（−）

これまでの工業的脱硫プロセスは、アミン法等が適用されてきましたが、環境負荷、経済性の問題から大規模なプラントにおいて主に利用。

TBABハイドレート結晶と分解過程

Methane Hydrate Research Centerメタンハイドレートを利用した温室のエネルギーマネジメント
1.補光、施設電力に使用
1.補光、施設電力に使用
2.LEDによる生育制御
2.LEDによる生育制御●赤色は伸長●青色は肥育熱
温室の熱源

煤・硫黄のない天然ガスをどこから入手するか？

CO2

清浄水

光合成に必要な二酸化炭素の供給
分解冷熱による空調利用

塩排斥効果により不純物の少ない水が生成

提案：メタンハイドレートを使う
Methane Hydrate Research Center

農・林・畜産系バイオメタンのハイドレート化利用
TBABハイドレート
脱硫プロセス

家畜の糞尿

バイオメタンプラント

NGH製造プラント

3200m3-CH4/台

ソフトバイオMethane Hydrate Research Centerご清聴ありがとうございました

H15基礎試錐コアＸ線CT像

Methane Hydrate Research Center