グリーンＬＰガスの生産技術開発に向けた研究会

メタネーション関連技術
および産総研の取り組み紹介
エネルギープロセス研究部門
エネルギー変換プロセスグループ
エネルギー触媒技術グループ

倉本浩司
望月剛久

ゼロエミッション国際共同センター
水素製造・貯蔵基盤研究チーム
日本LPガス協会
2020年11月20日

高木英行

1

発表内容
産総研の紹介メタネーションの基礎 (原理やこれまでの取り組み、課題等)
メタネーションNEDOプロジェクトの状況
その他カーボンリサイクル技術、FT合成反応の概要について
産総研の最近の取り組み

2国立研究開発法人 産業技術総合研究所
１）経済産業省所管の国立研究開発法人（特定国立研究開発法人）
２）日本最大級の公的研究機関
研究者2,281名、事務職員：694名
役員・招聘研究員・ポスドク、テクニカルスタッフ:1,973名受入研究員等（企業、大学ほか）: 4,935名（2019年度受入延べ数）

３）全国に研究拠点
つくば、北海道、東北、福島、臨海（お台場）、中部、関西、中国、四国、九州

４）幅広い研究分野
エネルギー・環境領域
生命工学領域
情報・人間工学領域
材料・化学領域
エレクトロニクス・製造領域
地質調査総合センター
計量標準総合センター
3

エネルギー・環境領域
つくばセンター

エネルギープロセス研究部門
電池技術研究部門
省エネルギー研究部門
環境創生研究部門
安全科学研究部門
ゼロエミッション国際共同研究センター
再生可能エネルギー研究センター
先進パワーエレクトロニクス研究センター

関西センター＜持続可能な社会の構築＞
再生可能エネルギーの大量導入、省エネル
ギー技術の促進、高効率なエネルギー貯蔵、資源の有効利用、環境リスクの評価・低減などの研究開発を実施

福島再生可能エネルギー研究所

4エネルギープロセス研究部門
非在来型資源であるメタンハイドレート資源開発、ならびに、環境調和型炭素資源利用技術として水素製造・利用技術開発を推進し、新たなエネルギー産業の創出に貢献する。
炭化水素資源転換グループ

つくば西

グループ長 ：森本 正人

研究部門長

エネルギー変換プロセスグループ

グループ長 ：倉本 浩司

松岡浩一

エネルギー変換材料グループ

グループ長 ：曽根田 靖

副研究部門長エネルギー触媒技術グループ

グループ長 ：中村 優美子（兼務）

中村優美子

長尾二郎

水素材料グループ

グループ長 ：榊 浩司

日立造船-産総研循環型クリーンエネルギー創出
連携研究室 室長：シャーマ アトゥル（兼務）

総括研究主幹メタンハイドレート開発システムグループ

天満則夫

つくば西グループ長 ：鈴木 清史

北海道

メタンハイドレート生産技術グループ
グループ長 ：神 裕介

部門付：近野 淳子（兼務）

メタンハイドレートプロジェクトユニット

北海道

研究支援スタッフ：上原 由記子（つくば西）
天野 久美子（つくば西）
西田 浩美（北海道）
所属人員：計 105名（常勤研究職 37人）

2020年7月現在

5ゼロエミッション国際共同研究センター
設置趣旨
 政府の革新的環境イノベーション戦略の下、CO2削減対策を強化するために必要となるイノベーション創出を目的として、関連する環境イノベーション基盤研究を実施する。

センター理念 地球の気候変動というグローバルな問題を解決するために、世界の叡智をあつめて、基礎科学や産業技術を発展させ、ET革命*を実現する。 * Environment and energy technology

経 緯 2019年10月：安倍総理がグリーンイノベーションサミット
にて「ゼロエミッション国際共同研究拠点設立」を表明
 2019年10月：「Research and Development 20 for clean
energy technologies (RD20)」を産総研主催で開催。
 2020年1月：吉野 彰 博士 センター長就任 2020年1月29日：設立

合計 239名

研究職 119名
事務職 3名契約職員 52名
ほか
65名

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低炭素化利用技術に関する取り組み

7CO2メタネーション（直接法）
二酸化炭素と水素からメタンを合成する技術は1911年に仏の化学者サバティエが発見した古い技術

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
ΔH0298 = − 165 kJ/mol

Paul Sabatier
ノーベル賞に輝いた
フランスの化学者
1854-1941

メタネーション反応温度は300-500℃が最適

反応は反応前後で、モル数が減少する発熱反応であり、平衡論的には高圧低温で反応が促進
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https://www.jstra.jp/conference/9

世界のメタネーション実証プラントプロジェクト
橋本先生、日立造船グループが1995年世界初の実証
欧州は早くても2009年から2011年以降に世界で急激に実証加速“Power to Gas projects review: Lab, pilot and demo plants for storing renewable energy and CO2”,
M. Bailera et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 69 (2017) 292–312

10炭酸ガスの水素化（メタネーション）による炭酸ガス再利用技術と技術課題について

メタン化触媒充填反応器
安定化・効率化への取組み
充填層内超高温領域形成による触媒熱劣化特性解明
コンタミ（S、VOC等）による触媒の化学的失活挙動調査

メタネーションリアクター
最適運転・操作条件の提示

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NEDO「次世代火力発電等技術開発/次世代火力発電基盤技術開発/CO2有効利用技術開発」
発電・化学分野などから回収したCO2と再エネ由来水素等からのメタン合成プロセスを産学官連携で開発（INPEX・日立造船・産総研・名古屋大学）

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高濃度CO2メタネーションプロセスにおける触媒活性マネージメントおよびプロセス最適化に関する研究（INPEXからの委託研究） メタン化反応にともなう触媒層の超高温化とその影響評価
 随伴CO2に含まれる不純成分（硫黄など）の影響評価
 触媒層内超高温領域形成を回避する反応速度制御法の探索
メタン化プロセスにおける技術的問題点

メタネーション触媒評価システム

リアクター入口での迅速なメタン化反応

高温領域の形成
高温領域の形成
・メタン化触媒の熱失活・不純物による活性金属の化学的劣化の加速

種々の条件（温度、圧力、ガス供給速度、触媒活性）下で、メタン化反応における局所的発熱・触媒熱劣化特性、不純物による化学的劣化挙動を系統的な実験により解明にし、高効率で安定した操作条件を提示する。
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Hitz充填層リアクター（3Nm3/h）内における温度分布の一例
ホットスポット領域における触媒の熱劣化挙動（温度と失活の定量的な関係）（参照）水素利用等先導研究開発事業／エネルギーキャリアシステム調査研究
高効率メタン化触媒を用いた水素・メタン変換成果報告書（平成26～29年度）

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CO2メタネーション反応に及ぼす圧力およびH2S濃度の影響-250oC
常圧
0.75MPa
H S=0ppm
H S=0ppm
H S=0.5ppm
H S=0.5ppm
22

H2S=1ppm
H2S=3ppm

H2S=5ppm

22

H2S=1ppm

H2S=3ppm

H2S=5ppm いずれの圧力においても硫化水素濃度の増加に伴い急激に失活が見られる
 高濃度の硫黄分が存在すると、触媒の失活に伴い反応温度が低下し、ある温度で急激に触媒活性が失われる
 硫黄濃度が低濃度では高圧条件が有利であるが、高濃度では逆の傾向

15触媒活性傾斜による局所的高温領域の抑制
局所的温度上昇の抑制と高収率の両立を実現(特願2019-017829)

活性が異なる触媒を傾斜配置
CO2 , H2

触媒活性
低T/K

高活性触媒を単純充填した場合、リアクター入口領域にホットスポット形成

目標

100-0 (収率)Ni-YSZ (89%)

中活性傾斜
Ni-YSZ (90%)

高CH4, H2O

触媒活性に傾斜をつけることで反応器内の温度分布を均一化

触媒充填層型反応器内ホットスポット形成を回避する安価で簡便な手法の提案
16メタネーション試験設備

プラント概念図

国際石油開発帝石（株）長岡鉱場
越路原プラント敷地内（8Nm3/h規模）

17プロセス適用性・経済性評価

https://www.nedo.go.jp/content/100902796.pdf

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CCR研究会 (Carbon Capture & Reuse)
産業界から排出されるカーボンをキャリアとして再生可能エネルギー由来水素と組み合わせた代替エネルギーを提供することで、化石燃料の使用量削減に実効的なカーボンニュートラルの対策を提案するとともに、2050年に向けた新たなエネルギー供給システムの構築に寄与することを目指す
2016年設立
加盟団体：団体会員34社

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経済産業省カーボンリサイクル室資料
https://www.enecho.meti.go.jp/category/others/carbon_recycling/pdf/concept_ja.pdf

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CO2利用のフロー図（化学品、燃料、炭酸塩）

経済産業省カーボンリサイクル技術ロードマップ
https://www.meti.go.jp/press/2019/06/20190607002/20190607002-1.pdf

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経済産業省カーボンリサイクル技術ロードマップ
https://www.meti.go.jp/press/2019/06/20190607002/20190607002-1.pdf

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Fischer-Tropsch (FT) 合成反応
n CO + 2n H2(CH2) n + H2O

FT合成の特徴
・CH4～Waxまで幅広い炭化水素が生成（Schultz-Flory分布側に従う）
・主に直鎖のパラフィン、オレフィンが生成
・化石資源だけでなく、CO2、バイオマス等様々な原料から炭化水素生成が可能

欠点
・目的の成分を高選択的に得ることは難しい
・直鎖の炭化水素のためガソリンには不向き
・メタネーション同様高い発熱反応で採算性を考慮すると大規模設備が必要（ガス化部分のコストが約6割）

Hans Tropsch80

ガソリン留分
CH4 (MAX 45%)

軽油留分
(MAX 35%)60

C2-4100

生成物選択率 (C-mass%)

利点

Franz Fischer

C5-940C2-420000.2

C10-200.40.60.8
連鎖成長確率 (α)

1新たなCCUプロセス構築を目指した取り組み

24アンモニア合成触媒開発と実証試験
エネルギーキャリアとして期待されるアンモニアを、再生可能エネルギー由来の水素等を利用して高効率に製造するプロセスを開発→ より低温で高い活性を有する触媒およびその工業製造技術に関する研究

アンモニア生成速度 (mmol gcat-1 h-1)

＜実証試験装置＞
高性能な新規触媒の開発に成功：
酸化物およびメソポーラスカーボン（MPC）を担体として利用
80

MPC-1800
70 MPC-1500
60 MPC-2100
50（FREA：福島再生可能エネルギー研究所）

403020100300活性炭
350400450反応温度 (℃)

500

触媒工業製造技術開発

再生可能エネルギー由来の水素を原料とするアンモニアの合成実証試験、さらに、合成したアンモニアを燃料とするガスタービンによる発電に世界で初めて成功
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鉄系触媒を用いたメタン分解による水素・炭素併産技術開発【メタン熱分解】CH4 = 2H2 + C
ΔH:75kJ/mol（メリット）炭素分は固体炭素として直接固定（デメリット）効率が低い（吸熱反応を生成した水素燃焼で補う）【水蒸気改質】

CH4 + H2O = 4H2 + CO2CH4
H2

ΔH:253kJ/mol（メリット）高効率、確立された技術（デメリット）炭素分はCO2として排出。生成物からCO2を分離し、固定化する必要

Bulk
diffusion

Surfacediffusion

Carbon
Fiber

Al2O3

メタン分解機構イメージ
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高品質バイオ燃料製造技術開発
FAME混合軽油(B20)の酸化安定性

バイオディーゼル(FAME)の水素化
多不飽和FAME転化率(%)

100

60

市販Pd触媒4020

油糧作物（パーム、菜種、ジャトロファ等）

開発Pd触媒

80

軽油
020

4060
流通時間(h)80

軽油+軽油+ H-FAME
FAME
多不飽和FAME量を少なくしたHFAMEを軽油に添加すると 軽油のスラッジ生成抑制に効果

100

Pd分散度、担体酸性状等を最適化することにより、高い活性を維持

部分水素化
触媒

FAME(B100)

石油系
軽油

H-FAME(B100)

H-FAME混合軽油(Bx)

実車による走行試験

従来の熱分解油糧作物搾油残渣、木質系バイオマス等

石油系
軽油

急速熱分解触媒

触媒存在下
バイオオイル(Bio-oil)

水素化脱酸素触媒

脱酸素改質油（ガソリン・軽油代替燃料）

油糧作物から得られる油脂分から酸化安定性を向上させた高品質バイオディーゼル（H-FAME）
燃料を、および油糧作物の搾油残渣、その他木質系バイオマス等から急速熱分解により製造したバイオオイルを経由した芳香族系炭化水素燃料を製造するための触媒開発
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