国際石油開発帝石株式会社
若山 樹
2019年12月6日
気候変動・災害対策Biz 2019 カンファレンス「NEDOのCCUSに係る取組について」

NEDO-CO2有効利用技術開発（CO2メタネーション）
2019年12月06日
国際石油開発帝石株式会社
日立造船株式会社
国立研究開発法人産業技術総合研究所
国立大学法人名古屋大学

CO2メタネーション技術の概念図

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CO2メタネーションのロードマップイメージ
2017年度（平成29年）速報値
・GHG排出量1,294百万tの0.077%
・エネルギー起源CO2排出量1,191百万tの0.084%

1,000,000 実CO2を利用した

CO2削減量(Log., t-CO2/y/Unit)

Plate反応器で世界初

100,000

基盤技術開発スケール
約8 Nm3-CO2/h
約47 t-LNG/y
約1.8億円

商用スケール
約60,000 Nm3-CO2/h
約35万t-LNG/y
約855億円

10,000

実証スケール
約10,000 Nm3-CO2/h
約5.9万t-LNG/y約241億円

1,000

技術開発スケール
約400 Nm3-CO2/h
約0.24万t-LNG/y約26億円

100
調査研究スケール
約2 Nm3-CO2/h

凡例

実CO2を利用したPlate反応器で世界最大規模

CO2削減量(Nm3/h)
CH4生産量実CO2を利用したS&T反応器で世界初事業規模(電解槽・メタネーションのみのCAPEX)

10
2016年（調査）～2025年（技術開発）

2025年超（実証）2030年超（商用）スケールアップによるコストダウンを補完する段階的な技術開発が必要
GHG: Green House Gas, LNG: Liquefied Natural Gas, CAPEX: Capital Expenditure, S&T: Shell and TubeCopyright © 2018 INPEX CORPORATION. All rights reserved.

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CO2メタネーションの技術開発4テーマの位置付けCopyright © 2018 INPEX CORPORATION. All rights reserved.

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技術開発4テーマの進捗サマリー
研究開発項目目標（実施計画書から抜粋）

進捗

達成度

メタネーション反応速度を測定し、下記項目を実施 (2017～2019年度)① 触媒温度・化学種濃度予測(±5%精度)② 反応熱回収率85%以上実現条件明示③ プレート型反応器熱流体シミュレーション

目標①&②達成の準備段階として、- 全自動触媒反応評価装置による反応速度データを取得- 反応・流動・伝熱を連成したCFD（数値流体力学）基礎モデルを構築- Hitz触媒の試験予定- 構築モデルにより、測定データを再現済み（±5%精度）③ Hitz触媒で得られた速度モデルを組み込んだシミュレーションを実施中。

① 達成
② 進行中
③ 進行中

メタネーション触媒の活性低下率5%/8,000hを達成するための下記条件の明確化を実施① 許容温度範囲 (FY2017-2019)② 不純物の許容濃度上限値 (FY2017-2019)③ 実CO2ガス試験による触媒活性劣化の有無確認および不純成分による劣化機構の解明① Hitz触媒およびチューブラー／ペレット触媒を用いたメタネーション反応特性、発熱挙動、温度均一化に関する検討② H2SおよびVOC曝露によるHitz触媒の活性低下挙動調査とメカニズム解明③ 実CO2ガス反応試験（一部実施済、劣化機構解析中）

① 進行中
② 進行中
③ 進行中
注: 各々
一部達成を含む

プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)

8 Nm3-CO2/hメタネーション施設の① 試験装置の設計 (FY2017)② 施工 (FY2018)③ 試運転（定格・部分負荷運転）(FY2018)④ 4,500 hの定格連続運転等 (FY2019)を実施① 実CO2ガス組成を考慮した装置設計済② 試験装置・ユーティリティー構築済③ 目標達成し得る運転計画を作成中④ 試運転を経て、温度・圧力・負荷を変動させた各種試験を経て、連続運転に移行予定

① 達成
② 達成
③ 進行中
④ 進行中

プロセス適用性・経済性評
価(INPEX/Hitz)

下記各スケールにおけるメタネーション事業の適用性・経済性評価を実施① 400 Nm3-CO2/h (FY2017, FY2019)② 10,000 Nm3-CO2/h (FY2018)③ 60,000 Nm3-CO2/h (FY2019)④ CO2有効利用トータルシステムの総合評価（反応器比較）(FY2019)① 適用性評価としてエンジニアリング実施中② 副生O2及び熱販売の市場調査済③ HitzからのPID, PFD等資料待ち、全体について
CH4販売に加え、副生O2及び熱販売については検討済④ 反応器比較検討実施中

① 進行中
② 達成
③ 進行中
④ 進行中

反応熱エネルギーマネージメン
ト技術(NU/AIST)

触媒活性マネージメン
ト技術(AIST/NU)

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反応熱エネルギーマネージメント技術(NU/AIST)

Temperature, K1073

シミュレーションの精度873
Tgas (Sim.)0.25 MPaG

673

Tcat (Sim.)T (Exp.)

473
00.3

0.6

0.9

1.2

1.5

Length, m

計算に必要なパラメーターは全て、実験条件と物性値に基づく触媒層温度分布を再現

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反応熱エネルギーマネージメント技術(NU/AIST)
単管シェルアンドチューブ反応器

多管シェルアンドチューブ反応器

30万cell

856万cell

気固液全領域解像した数値計算
small scalelarge scale

赤：ガス
青：反応器
白：冷却媒体Labプレート反応器 181万cell
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8Nm3/hプレート反応器(1/4) 320万cell7触媒活性マネージメント技術(AIST/NU)

充填層内超高温領域形成による触媒熱劣化
TEM観察

500℃および600℃における水素前処
理の時間とメタン生成量の関係4

前処理温度：500℃

メタン生成量/mmol/min

321001545

H2前処理なし

90

600℃-45時間H2前処理

水素前処理時間/hr
4XRD解析（H2前処理温度・時間と結晶子径）

前処理温度：600℃

メタン生成量/mmol/min

321001545
水素前処理時間/hr

前処理温度

前処理時間

結晶子径(Ni)

結晶子径(Zr)

なし

なし

124Å

56Å

500℃

15時間

167Å

58Å

500℃

45時間

170Å

62Å

600℃

15時間

164Å

61Å

600℃

45時間

193Å

62Å

90

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 600℃：H2前処理時間が長いほど、Ni結晶子径が増大
8触媒活性マネージメント技術(AIST/NU)

随伴CO2直接導入実験（INPEX越路原プラントからの実ガス）
H2/CO2, INPEX/N2 = 800/200/55 [ml/min]

実ガス（CO2）供給後、入り口から失活し温度が低下

INPEX-CO2 injected

SUS 3/8”

約100 mm

ペレット：32 g

16 g（上流側）

16 g（下流側）

TC：管軸に沿って20 mm間隔、5点除湿後、TCD/FIDにてガス分析
 著しいNi結晶子径増大と反応活性点の低下（特に上流側）
 実ガスには微量のH2SとBTXが存在。
 炭素析出無し。化学的失活が発生。原因物質の特定が必要。
 ガスクリーニングによる失活回避（HITZと連携、実ガス対策）
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結晶子径(Å)

CO吸着量

Ni(1,1,1)

Zr(1,1,1)

ml/g%

未使用触媒

21257.03.071.61

上流側

38860.90.170.09

下流側

30858.2

1.790.949プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)
竣工した8 Nm3-CO2/hの試験設備（2019年8月末撮影）
注：メタネーション
コンテナ2は管理室の背面に設置

PEM型
電気分解槽

約10 m

メタネーション
コンテナ１

トレインC

メタネーション反応容器

管理室
高圧受電盤

約20 m
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約10 m
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プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)
この中を高圧水が循環

プレート側面

プレート側面
スポット溶接によるドットパターン型プレート
メタネーション触媒

プレートとプレートの間に高効率触媒を充填試験設備で採用している反応器の特殊な内部構造
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高効率でメタンを合成し、合成時の反応熱を、一般的なシェル＆チュー
ブ型構造以上に、効率よく回収に期待できる
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プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)
INPEX
発電所
高圧受電盤
（INPEX所掌）

PEM型
電気分解槽

メタネーション
コンテナ１（CO2の脱水等）

試験設備配管の識別テープ色・水素(H2)：赤・二酸化炭素(CO2)：緑・H2/CO2：赤と緑・メタン(CH4)：黄色
・高温水・スチーム：茶色
・水：水色
・計装空気：白H2(99.999%)

粗CO2スチームドラム（スチームの復水）

メタネーション反応容器（プレート型）

H2/CH4混合ガス(H2:CO2=4:1）
脱硫塔（H2S等の除去）

精製
CO2

随伴CO2
INPEX
トレイン-C

メタネーション試験設備の概要

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粗CH4メタネーション
コンテナ2（H2/CO2の (粗CH4混合・昇圧） の精製）
精製CH4
INPEX
フレアライン12

プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)： 100％ (8 Nm3-CO2/h)： 238℃： 0.7 MPaG

＞96 mol.％-CH4を達成

100100909080807070

測定箇所切り替え

6050605040

水素流量

4030302020

CO2流量

100H2および、CO2流量 /Nm3/h

CH4濃度/ mol.% 運転負荷 熱媒水温度 反応圧力100

時間軸

温度、圧力、負荷を変動させた各種試験後、定格連続運転に移行予定
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プロセス運転マネージメント技術(Hitz/INPEX)
プラント運転-経過報告_S&Tとの比較 （触媒層内中央部の温度分布）

700

項目

Plate
_長岡

S&T
_柏

反応圧力 / MPaG

0.70.7

熱媒体循環温度 /℃

238240

熱媒体と熱伝導率 / W m-1 K-1

高圧水

炭化水素系油反応器あたりの入力反応ガス量/ Nm3h-14015

触媒層内
最高温度 / ℃525650

150

1触媒層充填空間あたりの反応ガス処理量 / Nm3 h-1

102.14

類似環境のS&Tと比較すると、プレート型の冷却が効果的だと評価

1触媒層充填空間における単位充填触媒重量あたりの反応ガス処理量/ Nm3 h-1 kg_cat.-1

0.710.76

S&T_柏

触媒層内温度 / ℃

600〇熱回収率は、安定運転時に生産した蒸気量から、89～95％の結果が期待される

500

400

300

200

Plate_長岡

100
050

100

触媒層長さ / cm

（想定の最高温度は595～635℃程度であり、想像以上の冷却効果が期待される）

0.62

0.114

プレート型の、１充填空間あたりの許容ガス処理量、ひいては、反応器あたりの許容ガス処理量の増加が期待できる（冷却能力に余裕があるので、より多い反応熱量を処理できる可能性大）Copyright © 2018 INPEX CORPORATION. All rights reserved.

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プロセス適用性・経済性評価(INPEX/Hitz) 60,000 Nm3/h事業の収益性評価
 メタン販売だけでも電力料金が3円/kWh弱であればIRR=9.5%を満たす。
 酸素・熱の外販収益を加味すれば、電力料金6.3円/kWhでもIRR=9.5%を満た60.0%
す。 事業売り上げ内訳
売上・価値50.0% ⑥11%

熱O239%

11%
10%

30.0%

20%

IRR

CO220%②③ ④
ケース①⑤⑥

○

ケース②○
○ ○

○

○

熱ケース③○
ケース④
○
ケース⑤○

○

○

CO2

○

○

○

O2

○

①CAPEX: 8万円/kW

20.0%

IRR=9.5%

10.0%

CH458%
0.0%

0.0

30%
-10.0%
2018
技術検討委員会

CH4⑤④40.0%③②①2019
推進委員会

1.0

2.0

3.0

4.0

5.06.07.0

8.0

電力料金（円/kWh）-20.0%

 PV2030+のロードマップ（2004年策定）における2030年の再エネ価格7円/kWhを試算に適用すると、国内生産モデルはIRR=9.5%を満たせない。ただし、2004年から状況は大きく変わっており、導入量・価格共に野心的な戦略が必要。
 CO2メタネーションの事業化には、電気代は2-3円/kWh以下が望ましい。
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プロセス適用性・経済性評価(INPEX/Hitz)

8 Nm3-CO2/hスケールの基盤技術開発事業実施

400 Nm3-CO2/hスケールの技術開発事業実施（想定）10,000 Nm3-CO2/hスケー
ルの実証事業実施（想定）

8 Nm3-CO2/h

400 Nm3-CO2/h

10,000 Nm3-CO2/h

60,000 Nm3-CO2/h スケールアップによるCAPEXの低減イメージ図
 事業を進めていく中で、課題やコスト削減対象が明確となり、徐々に削減していけるイメージ
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