新技術説明会 様式例

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1 1 膜分離を利用した 次世代 CO 2 分離回収技術による カーボンフリー水素の製造 九州大学カーホ ンニュートラル エネルキ ー国際研究所 准教授谷口育雄

2 2 化石資源依存からカーボンニュートラルへ 大気中の CO 2 濃度の増加に伴う地球温暖化および気候変動が深刻な問題となっている 化石資源エネルギー 水素エネルギー

3 我が国の電力事情 9 割が化石資源由来 3

4 想定される用途 1 火力発電所など大規模 CO 2 発生源における CO 2 分離 火力発電所 製鉄所 4

5 二酸化炭素分離回収 貯留技術 CCS: CO 2 Capture & Storage 貯留 輸送 圧縮 分離回収 4,200 円 /t-co 2 RITE report 2005 >7,200 円 /t-co 2 CO 2 分離回収コスト低減で実用化 5

6 6 従来 CO 2 分離回収技術とその問題点 モノエタノールアミン 4.0 GJ/t-CO 2 (4,200 円 ) 加熱!!

7 新技術 : 膜分離法 従来技術と比較して革新的省エネルギー 加熱等の追加エネルギー不要 分離回収コスト : 1,500 円 /t-co 2 が可能 分離膜 CO 2 の分圧 ( 濃度 ) 差が駆動 力となり 分離が進行する 7

8 CO 2 分離回収技術と適用用途 火力発電所 発生源対象ガス CO 2 分圧 /atm 適応技術 燃焼後 CO 2 /N 2 ~ 0.1 吸収液 膜 燃焼前 CO 2 /H 2 > 10 膜 酸素燃焼 O 2 /N 2 - ケミカルルーピング 製鉄高炉 CO 2 /N 2 ~ 0.2 吸収液 膜 石炭ガス化複合発電における CO 2 分離回収 CO + H 2 O CO 2 + H 2 CO 2 :H 2 = 36:54, 24 気圧 8

9 9 高性能 CO 2 分離膜の設計 CO 2 分離素材としての PAMAM デンドリマー ポリアミドアミンデンドリマー ( 第 0 世代 ) PAMAM 非常に高い CO 2 選択性 α(co 2 /N 2 ) = 4,000 α(co 2 /H 2 ) = 1,400 高分子マトリクスへの固定

10 10 簡便な CO 2 分離膜の調製 光重合 90 秒 ポリエチレングリコールジメタクリレート PEGDMA 高分子膜の特徴 極めて高いCO 2 分離性能安価な原材料簡便な合成法容易な成形 PEG ネットワーク PAMAM 含有 (50 wt%) 高分子膜

11 透過速度 /m 3 (STP)m/(m 2 s Pa) PAMAM 含有高分子膜の CO 2 分離性能 CO 2 /H 2 選択性 : 1,000 以上 世界最高レベルの分離性能 CO 2 選択性 PAMAM 含量 /wt% CO 2 分圧 : 0.05 気圧 相対湿度 : 80% 温度 : 11

12 CO 2 選択透過機構の解明 拡散 デンドリマーの擬似架橋 CO 2 は重炭酸イオンとなり膜を透過 CO 2 とデンドリマーの擬似架橋により H 2 の透過を抑制 12

13 13 CO 2 分離膜の想定される用途 本技術はCO 2 /H 2 からのCO 2 分離に極めて高い分離性能を示すため 石炭ガス化複合発電における CO 2 分離回収技術への利用が期待される それ以外にも 天然ガス井におけるCO 2 分離 ( 天然ガス精製 ) への利用も可能であると期待される また 天然ガスなどの改質によるH 2 生成における CO 2 分離には既に十分な分離性能を有しており カーボンフリー水素の製造へも展開可能である

14 14 石炭ガス化複合発電への利用と課題 分離膜の要求性能 透過性 /GPU CO 2 選択性 CO 2 分圧 /atm 目標性能 >10 現状 課題 耐圧性付与 耐久性評価 CO 2 分離回収コスト :1,500 円 /t-co 2 高圧での分離性能維持 CO 2 /CH 4 や CO 2 /N 2 分離性能評価 燃焼後排ガス分離 天然ガス精製

15 15 CO 2 分離性能向上 Q CO2 = N CO2 A t Dp CO2 a(co 2 / H 2 ) = Q CO2 Q H2 CO 2 透過速度 ( 流束 ) CO 2 選択性 CO 2 透過速度の向上 CO 2 選択性の向上 高分子マトリクスの最適化 デンドリマー化学構造改変 添加剤

16 16 企業への期待 1 高圧での分離性能評価については 高圧試験結果を分離膜材料開発にフィードバックすることにより克服できると考えている 高圧ガス分離試験装置を持つ企業との共同研究を希望 膜モジュール作成技術を持つ企業との共同研究を希望 また CO 2 分離回収技術を開発中の企業には 本技術の導入が有効と思われる

17 17 水素生成の現状 真の水素社会とは 再生可能エネルギーによって水を電気分解して得た水素の利用により確立される 現状で水素は 以下の2 通りで製造される 1 化石資源由来電気エネルギーを用いた水の電気分解 2メタンなどの水蒸気改質反応後者が安価であるが 精製時にCO 2 が発生する CH 4 + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

18 PSA オフガスからの CO 2 分離回収 18 カーボンフリー水素の製造 H 2 O, CO 2 H 2, CO 2, etc. CH 4 水蒸気改質 PSA H 2 燃料ガス 分離膜モジュール CO 2 H 2, CO 2, etc CO 2 分圧 : ~ 0.4 atm

19 19 カーボンフリー水素の製造コスト 既存 CO 2 分離膜の利用によるコスト試算 膜面積 : 172 m 2 膜単価 : 2 万円 /m 2 膜材料費 : 344 万円総モジュール作成費用 : 395 万円 運用時間 : 12 時間 / 日運用日数 : 300 日 / 年耐用年数 : 5 年 H 2 製造 : 300 Nm 3 / 時間 CO 2 分離回収付加コスト : 0.72 円 /Nm 3 -H 2

20 20 企業への期待 2 既に十分なCO 2 分離性能を有しているため パイロットスケールでの試験を通じて実用化の可否判断が可能 膜モジュール作成技術を持つ企業との共同研究を希望 水素ステーションなどを持つ企業との共同研究を希望 また 定置用燃料電池のカーボンフリー化にも本技術の導入が有効と思われる

21 21 本技術に関する国際学術誌への成果報告 1. Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Jinnai, H., J. Membr. Sci., in press 2. Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Jinnai, H, Kobunshi Ronbunshu, 71, , Taniguchi, I., Duan, S., Kai, T., Kazama, S., Jinnai, H., J. Mater. Chem., A, 1,14514, Taniguchi, I., Urai, H., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., J. Membr. Sci., 444, 96, Taniguchi, I., Kai, T., Duan, S., Kazama, S., Energy Procedia, 37, 1067, Kai, T., Taniguchi, I., Duan, S., Chowdhury, F. A., et al., Energy Procedia, 37, 961, Duan, S., Taniguchi, I., Kai, T., Kazama, S., Energy Procedia, 37, 924, Duan S., Kai, T., Taniguchi, I., Kazama, S., Desalin. Water Treat., 51, 5337, Duan S., Taniguchi, I., Kai, T., Kazama, S., J. Membr. Sci., , 107, Taniguchi, I., Kazama, S., Jinnai, H., J. Polym. Sci. B: Polym. Phys., 50, 1156, Taniguchi, I., Ootera, Y., Chowdhury, F.A., et al., Polym. Bull., 69, 405, Taniguchi I., Duan S., Kazama, S., Fujioka Y, J. Membr. Sci., 322, 277, 2008.

22 22 本技術に関する知的財産権 発明の名称 :Crosslinkabke amine compound, polymer membrane using crosslinkable amine compound, and method for producing polymer membrane 出願番号 :PCT/JP2012/ 出願人 発明者 :( 公財 ) 地球環境産業技術研究機構 : 段淑紅 甲斐照彦 風間伸吾 谷口育雄

23 23 産学連携の経歴 CO 2 分離膜 2008 年 年新日鉄エンジニアリングと共同研究実施 経済産業 省分子ゲート機能 CO 2 分離膜の技術研究開発 補助事業 2011 年 年新日鉄エンジニアリング 日東 クラレと技術研究組合を形成 経済産業省 二酸化炭素分離膜モジュール研究開発 委託事業 室温成形性プラスチック 2010 年 年リコーと共同研究実施 2012 年 - クラスターテクノロジーと共同研究実施

24 24 お問い合わせ先 九州大学 カーボンニュートラル エネルギー国際研究所 谷口育雄 TEL FAX

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