Molecular CO
Gate
Membrane CO2

2018.2.13 16:05-16:35
革新的CO2膜分離技術シンポジウム
活動報告①

H2

2

次世代型膜モジュール技術の進捗について

次世代型膜モジュール技術研究組合
専務理事 中尾 真一
1

目次

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

H2

2

１．CCSに関する最近の動向
２．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
３．まとめと今後の展開

2

目次

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

H2

2

１．CCSに関する最近の動向
２．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
３．まとめと今後の展開

3

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

二酸化炭素回収・貯留 (CCS, CO2 capture and storage)

分離・回収

H2

2

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）

分離・回収
パイプラ
イン輸送
大規模排出源CO2

不透水層（キャップロック）
CO2

陸域帯水層（地下深部塩水層）

海域帯水層（地下深部塩水層）
帯水層の顕微鏡写真

空隙部分にCO2を貯留

4

CCSとCO2分離・回収技術

Molecular CO
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Membrane CO

2H2

2「環境エネルギー技術革新計画」における技術ロードマップ（CCS）

5

Molecular CO
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Membrane CO2

COP21以降における国内の動き

H2

2

パリ協定を踏まえた地球温暖化対策– 約束草案を踏まえた地球温暖化対策の取組み計画の策定• 2030年度中期目標の着実な達成（温室効果ガス2013年度比26％削減）• 長期的な目標を見据えた、地球温暖化対策と経済成長を両立させる革新的技術の開発を強化する取組みを進めていく必要性(2016年4月策定済み）
エネルギー環境イノベーション戦略（内閣府総合科学技術・イノベーション会議）• 2050年を見据えた革新的なエネルギー関連技術の研究開発体制
エネルギー革新戦略 (METI)• 2030年に向けたエネルギー政策(2017年9月とりまとめ）
エネルギー環境イノベーション戦略に関するロードマップ（ワーキンググループ）• 特定した分野の技術ロードマップの策定、効率的な研究開発体制の構築
6

Molecular CO
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Membrane CO2

H2「エネルギー・環境イノベーション戦略」で推進する革新技術

2

有望分野の特定 ①非連続で大きいインパクト、②大きな排出削減ポテンシャル、③産学官の総力結集、④日本が先導し優位に立てる技術【5】二酸化炭素固定化・有効利用（抜粋）
本戦略におけるCO2
分離・回収コストの低減に向けた取組としては、研究開発を加速し、複数の分離法の組み合わせも含め、最も効率の高いCO２分離・回収技術を追求する。本技術は、CO2の大量処理が可能である二酸化炭素分離回収貯留（CCS）技術のコスト低減にも大きく寄与するものである。
http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/wg_enekan/4kai/shiryo1.pdf
http://www8.cao.go.jp/cstp/nesti/suishin/nestiroadmap.pdf

7

目次

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

H22１．CCSに関する最近の動向
２．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
３．まとめと今後の展開

8

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

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
200 ~ 400 °C 2~4 MPa
蒸気H22CO2CCS
回収・貯留

H2熱交換器石炭発電
O2ガス化炉

水性ガスシフト反応炉

組成: CO2 /H2=40/60
50 ~ 150 °C
2 ~ 4 MPa

CO2選択透過膜モジュール

9

Molecular CO
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Membrane CO

H2

2

CO2分離膜モジュール研究開発事業

2研究開発体制
次世代型膜モジュール技術研究組合～H28年3月
H28年4月～㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱、住友化学㈱、RITE
住友化学㈱、RITE

二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（METI）(H23FY～H26FY)
目標 回収コスト 1,500円/t-CO2を実現する
CO2選択透過(分子ゲート)膜モジュールの基礎研究
二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（METI）(H27FY～H31FY予定）
目標 石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験
回収コスト：1,500円/t-CO2、回収エネルギー：0.5GJ/t-CO2
10

Molecular CO
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Membrane CO

2

研究開発項目とスケジュール（H27FY～H31FY）
年度

（１）
実機膜
モジュールの実用化研究（２）
実ガス試験による実用化研究（３）
経済性評価・
取りまとめ

H27FY

H28FY

H29FY

H30FY

模擬ｶﾞｽ試験に基づくﾌﾟﾛｾｽ適合性の確認、及び、課題抽出と解決
連続製膜とｴﾚﾒﾝﾄ化の課題抽出と解決

H2

2

H31FY

実ガス試験結果を反映した単膜、膜ｴﾚﾒﾝﾄのﾁｭｰﾆﾝｸﾞ

実ｶﾞｽ試験ﾌﾟﾛｾｽ・装置の基
礎検討・実ｶﾞｽ試験計画

実ガス試験装置の検討・設計・製作・設置
実ｶﾞｽを用いた単膜、膜ｴﾚﾒﾝﾄの検証試験及び、課題抽出と解決

模擬ｶﾞｽ試験結果に基づく経済性評価の検討（※）膜モジュール＝大面積膜の構造体（膜エレメント）＋容器（ハウジング）

実ｶﾞｽ試験結果に基づく経済性評価の検討
経済性評価
とりまとめ

11

Molecular CO
Gate
Membrane CO

CO2分子ゲート膜とは

2H22

CO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜
H2N

H2N

N
H
HN

OON
ON
O

N
H
NH

NH2
NH2

Dendrimer

HCO3

カルバメートによる擬似架橋

PVA
Crosslinker

重炭酸イオン

Dendrimer

12CO2分離膜と膜エレメント

CO2分離膜膜モジュール

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2H22膜エレメント（左: 2inch、右: 4inch；長さ 200mm）

膜モジュール中の膜エレメントのイメージ
13

Molecular CO
Gate
Membrane CO

22

分離係数

透過速度

分子ゲート膜のCO2分離性能※

H2

模擬ガス、ラボスケールで、目標性能を達成→ 実用化に向けた膜エレメント開発と実ガス等の実用化試験*操作条件: 85℃, 供給ガス: 0.7～2.4MPaA； 透過側: 大気圧(Ar sweep gas).

※：二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業(H23FY～H26FY)成果

14

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

連続製膜機を用いた製膜

H22

実用化に向け、一定長さ以上の大面積塗布が可能で生産性も高い連続製膜での分離膜の製膜技術を開発
枚葉製膜

連続製膜
乾燥機

送液
卓上コーター

卓上乾燥機

スロットダイ

基材

長尺生産

不可

可生産性

低高溶液粘度広範囲の塗布可能

枚葉製膜よりは範囲限定

基材固定

可

完全固定は難15

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2連続製膜に適した製膜レシピへの改良

H22１）スロットダイ塗布に適した粘度を設定し、塗布条件を確定
塗布液の粘度が低いと下方に垂れる

乾燥機へ

送液 スロットダイ
塗布処理の間溶液の粘度変化がないことを確認

基材

塗布条件の確定
ダイの配置
圧力
基材搬送速度溶液２）生産性と良好な膜外観を両立する乾燥温度の設定

試作条件
高温乾燥条件

乾燥温度
試作との差

連続製膜
乾燥後膜の観察

―
試作時+10℃

良好に乾燥
基材に皺発生16Molecular COGateMembrane CO

2連続製膜で作製した単膜の性能

H22・ 一定製膜条件にて、塗布幅320㎜、塗布長さ約20mを取得（連続製膜サンプル）・ エレメント試作用別条件にて、薄膜サンプルを約1m取得（薄膜品）
切り出した単膜（58cm2）の分離性能
膜厚比

QCO2QHe[m3(STP)/m2/s/Pa][m3(STP)/m2/s/Pa]

α

連続製膜
サンプル1とする

1.94E-11

1.18E-1216.5

薄膜品

0.1

7.73E-11

3.92E-1219.7

測定条件：
温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度70%RH； 透過側：大気圧17Molecular CO
Gate
Membrane CO

2連続製膜品で作製した膜エレメントの性能

H22１）試作エレメント
2inch径、長さ 220㎜のエレメントを試作
２）2inch径エレメントの初期性能⇒CO2の透過性能は単膜での測定結果と同等
膜エレメントと単膜（58cm2）の分離性能

膜エレメント単膜

QCO2QHe[m3(STP)/m2/s/Pa][m3(STP)/m2/s/Pa]

1.83E-11
1.94E-11

1.54E-12
1.18E-12α11.916.5

測定条件：
温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度70%RH； 透過側：大気圧

18

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

プロセス適合性：耐圧・耐久性（単膜（連続製膜））

H22QCO2QHe

分離係数

透過速度

IGCC想定全圧（2.4MPa）における単膜（連続製膜）の耐圧・耐久性を小型高圧試験装置にて確認

測定条件：
温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度60%RH； 透過側：大気圧2.4MPaの高圧条件での模擬ガス試験において、単膜に関して、 約80時間の耐久性を確認した。

19Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

プロセス適合性：耐圧・耐久性（単膜（連続製膜））

H22

QCO2QHe

QCO2=9.18e-11 – 1.4327e-15×Time

分離係数

透過速度

IGCC想定全圧（2.4MPa）における単膜（連続製膜）の耐圧・耐久性を小型高圧試験装置にて確認【H29FY成果】

測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度60%RH； 透過側：大気圧2.4MPaの高圧条件での模擬ガス試験において、単膜に関して、 約600時間の耐久性を確認した。
（QCO2低下率： 25％／2年（16,000h））

20

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

プロセス適合性：IGCCにおける不純物

脱硫
装置ビン

ボ排イ 熱
ラ 回収ーーガス
タ2①①CO2ガス
化炉

シ
フト
反応器

H2分
離膜

煙突成分

（ドライベース）

単位

CO236.4

vol.%CO2.9vol.%H253.3

vol.%N2,AIR

7vol.%

CH40.4vol.%

H2S

30ppm

COS

10ppm

COS： 硫化カルボニル

NEDO,平成16年度クリーンコール・テクノロジー推進事業 石炭ガス化を核とするコプロダクションシステムに関する調査 調査報告書, 04002145⁻2 (2005-3).

→膜劣化への影響が懸念されるH2Sについて、2.4MPaにおける曝露試験を実施

21

プロセス適合性：耐不純物性（H2S）

Molecular CO（単膜（連続製膜）） Gate
Membrane CO

2H22〈曝露試験条件〉
・圧力：2.4MPa以上；温度：85℃±3℃；
ガス組成：CO2(33%)＋H2S(500ppm)＋N2バランス（湿度：約80%RH）
・試験期間：7日間

分離係数

透過速度

曝露試験前後の分離性能 （”前”：曝露試験前、”後”：曝露試験後）

測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度60%RH； 透過側：大気圧

曝露試験前後で分離性能はほぼ同程度→H2Sに対する耐性を確認した。

22

Molecular COGate
Membrane CO

2

プロセス適合性：湿度依存性（単膜（連続製膜））

H22

分離係数

透過速度

分離性能の湿度依存性を小型高圧試験装置で確認

測定条件：
温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度40～90%RH； 透過側：大気圧

シミュレーションに反映させるために、分離性能の湿度依存性を把握した。

23

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

実ガス試験機システム概要（例）H22

本事業において検討する範囲

実ガス試験プロセス・装置の基本計画を検討した。
24

Molecular CO
Gate
Membrane CO2

海外実ガス試験についての検討

H2

2

国内での実ガス試験には、水性ガスシフト反応器、各種前処理設備の製造、設置を含む費用と準備期間が必要→水性ガスシフト反応器、各種前処理設備を保有する試験サイトとして、ケンタッキー大学※で実ガス試験を実施予定（来年度）。
※University of Kentucky – Center for Applied Energy Research (UK-CAER)＜ガス化炉：Gasification＞
・ 酸素吹きプラント
・ 石炭使用量：1ton/day
・ Syngas流量：72.6kg/h＜水性ガスシフト反応器：WGS＞
・ Co,Fe触媒＜酸性ガス処理設備＞・ アミン吸収液による回収法
・ 昇圧設備： 2.76MPa
・ 脱硫設備https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2015/gas-ccbtl-proceedings/Gasification-and-CTLWorkshop-Presentation-2015-UKCAER.pdf

25

目次

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2H22

１．CCSに関する最近の動向
２．次世代型膜モジュール技術開発の進捗
３．まとめと今後の展開

26

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

まとめ

H22

・前プロジェクトで確立した基盤技術を元に、実用化に向け、膜性能の操作条件依存性や耐圧性、耐久性、耐不純物性等の検討を進めている。
・CO2分離膜の量産化に向けた連続製膜技術を確立し、膜エレメントの開発を進めている。
・石炭ガス化ガスを用いた試験に向け、米国UK-CAERの試験サイトを選定し、実ガス試験準備を進めている。
27

CO2分離膜実用化に向けたロードマップ
FY20112015 2017

基盤技術研究フェーズ

2020

実用化研究
フェーズ

2025
実証フェーズ

Molecular CO
Gate
Membrane CO

2

H2

2

2030
商用化フェーズ

研究・開発体制

次世代型膜モジュール
技術研究組合＋ IGCC関係企業との連携（電力会社、エンジニアリング会社等）

１）二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY～）(計画・課題）• 実ガス等の実用化試験による技術課題の抽出、解決• 実用化段階の分離・回収コスト1,500円/t- CO2以下の達成• 実機膜モジュールシステムの開発
２）実証フェーズ・商用化フェーズにおける課題• IGCC実ガス、実機での長期試験、大規模な実証試験による実績の蓄積• 膜、モジュールの商業生産プロセスの検討、膜大面積化、量産体制の構築• CO2分離膜プロセス採用に向けた活動
28

謝 辞

Molecular CO
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Membrane CO2

H22

本報告は、経済産業省から次世代型膜モジュール技術研究組合が受託した
平成23～26年度「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」
及び
平成27、28年度「二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業」の一環として行われたものである。
29

Molecular CO
GateMembrane CO2

ご清聴ありがとうございました

2H230