10周年記念パネル

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1 次世代火力発電の早期実現に向けた協議会 ( 第 2 回会合 ) CO 2 分離 回収技術 ( 固体吸収材 分離膜 ) の開発動向 平成 27 年 6 月 22 日 ( 公財 ) 地球環境産業技術研究機構化学研究グループ (METI 直轄事業 ) 二酸化炭素回収技術実用化研究事業 固体吸収材 先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業 CO 2 分離膜 二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業 1

2 目次 1.CO 2 分離 回収技術について 2. 固体吸収材について 3.CO 2 分離膜について 2

3 CO 2 分離回収フローチャート CO 2 /N 2 分離 高圧 CO 2 /H 2 分離 脱水 環境省国内外の技術動向調査より引用 ソース CO 2 (%) ガス圧 (Mpa) 分離対象開発技術 製鉄所高炉ガス ~0.3 N 2 CO 化学吸収 火力発電所 12~ N 2 O 2 SOx NOx 化学吸収 固体吸収 膜 石炭ガス化ガス発電 (IGCC) 30~50 2~4 H 2 CO H 2 S 物理吸収 化学吸収 膜 3

4 発生源から見た CO 2 分離 回収技術 燃焼前回収 発生源分離回収法駆動力技術開発の状況 高圧ガスからの CO 2 分離 石炭ガス化ガス (IGCC) 等 化学吸収法 温度差 EAGLE PJで検証 汎用のアミン溶液では 物理吸収法 の方が効率が良いと報告されている 物理吸収法分圧差 ( 濃度差 ) 温度差 EAGLE PJ で検証 高圧条件下では 化学吸収法よりエネルギー的に優位と報告される OCG 実証検討準備中 膜分離法 分圧差 ガス圧を利用するので 吸収法に比して 省エネ 低コストが期待される 実用化検討段階 発電では H2 圧力を維持する上で CO 2 選択透過膜が望ましく 適用によりプロセス効率が向上する 燃焼後回収 常圧ガスからの CO 2 分離 現行火力発電等 化学吸収法 温度差 実証 実用化段階 一部 高炉ガス向け商業運転 エネ ルギー コスト等 低減検討中 固体吸収法分圧差 ( 濃度差 ) 温度差 原理は吸収法と同じ 実用化検討段階 吸収材の開発 プロセスの開発が行われている CO 2 との反応性等の改善により エネルギー消費 コスト面で吸収法よりも優位となる見込み 深冷分離法 温度差 ( 相変化 ) 混合ガスの冷却液化で蒸留 部分凝縮により分離する 液化 CO 2 精製技術 酸素燃焼との組合せでは コスト面 からもO 2 分離技術開発が必要 4

5 CO 2 分離 回収技術ロードマップ 分離コスト [ 円 /t-co 2 ] 分離 回収エネルギー [GJ/t-CO 2 ] 現状 2020 年 2030 年 4200 円台 2000 円台 1000 円台 ( 分離膜実用化 1500 円台 ) 総合資源エネルギー調査会基本政策資料エネルギー関係技術開発ロードマップについて bcommittee/014/pdf/014_008.pdf 5

6 2. 固体吸収材について 6

7 固体吸収材の概念図 アミン化合物 担体 ( 多孔質材料 ) 溶媒 ( 水 ) 水酸基 アミノ基 ( 例. モノエタノールアミン ) 化学吸収液 固体吸収材 アミン化合物 + 40% 程度 アミン化合物 + 溶媒 ( 水 ) 60% 程度 1~2mm 粒 ( 球 ) 状 担体 ( 多孔質材料 ) 固体吸収材 : 再生時 比熱大きい水の加熱が不要なため エネルギーの低減が可能 7

8 RITE 固体吸収材の開発経緯 新日鐵住金エンジニアリング プロジェクト ( 化学吸収法 ) COCS ESCAP の商業化 高炉ガス (20%-CO 2 ) 分離回収コスト半減を目指した吸収液法の開発 COURSE50 step I 高炉用の新化学吸収液の開発 COURSE50 step2 更なる高性能吸収液の開発 ( 固体吸収材 ) 燃焼排ガス (12%-CO 2 ) 米国国立エネルギー技術研究所 (NETL) と共同研究 二酸化炭素回収技術高度化事業 ( 固体吸収材等技術開発 ) 電力 セメント用システム開発 ( 基盤研究 ) 二酸化炭素回収技術実用化事業 ( 固体吸収材実用化研究開発 ) 電力 セメント系民間企業協力 ( 川崎重工 J-Power 等 ) ラボ試験機 (~5kg/ 日 ) ベンチ試験機 (5t/ 日 ) 8

9 固体吸収材研究開発概要 固体吸収材方式の利点 現状のアミン液法が 120 に対し 60 程度の低温再生 ( 廃熱を利用可能 ) 再生時に水の蒸発がない 排水が出ない 設備コストが安い 一般鋼材でプラントを構成 装置 敷地面積が吸収液法と比較してコンパクトにできる可能性 9

10 RITE 固体吸収材の性能試算 計算化学に基づく新規アミン設計 分離回収エネルギー ( 吸着分離シミュレーション結果に基づく試算 ) RITE 固体吸収材の CO 2 吸収特性 2.5 GJ/t-CO 2 潜熱 顕熱 1.5 GJ/t-CO 2 再生率 :35% 再生率 :97% 反応熱 供給スチーム 再生性能の飛躍的向上に成功 RITE 液 *COCS project RITE 固体吸収材低温蒸気再生プロセス RITE 固体吸収材 : 分離回収エネルギー 1.5 GJ/t-CO 2 を達成 低温 (60 C) 再生が可能 : 廃熱利用によりさらに必要エネルギーを低減できる可能性がある 10

11 発電効率の低下 [%pt.] 固体吸収材のエネルギー評価 CO 2 回収型火力発電所のエネルギー評価 ( 発電効率への影響 ) 石炭 12 抽気蒸気温度 ( 回収条件 : 90%CO 2 回収 ) ボイラー 蒸気タービン C 120C 130C 高効率熱利用 燃焼排ガス ( 蒸気 ) ( 電気 ) 6 130C( 従来 ) 低温再生 ガス清浄設備 固体吸収材プロセス 発電システムから CO 2 分離回収のための再生用蒸気 機器動力が供給されるため 発電効率が低下する この影響を小さくすることが望まれる 4 2 固体吸収材 (RITE) CO 2 分離回収エネルギー [GJ/t-CO 2 ] 低 CO 2 分離回収エネルギーであり 発電効率の低下を抑制できる 低温再生が可能であり 更なる改善が 期待できる 11

12 CO 2 回収コスト [ 円 /t-co 2 ] 固体吸収材の CO 2 回収コスト評価 石炭火力発電所 100 万 kwh CO 2 回収量 100 万 t/y (3,000 t/d) RITE 固体吸収材は 低 CO 2 分離回収エネルギー (1.5 GJ/t-CO 2 ) 低 CO 2 回収コストを達成した 固体吸収材プロセス 3,000 固体吸収材 PEI/Q-30(NETL) 吸収液 2,500 固体吸収材 (RITE) , CO 2 回収コスト ( /t-co 2 ) 固定費 + 変動費 = CO 2 回収量 ( 固定費 ) 回収設備費 修繕費 固体吸収材費 メークアッフ 費 ( 変動費 ) 再生用蒸気機器動力 1,500 1,000 * 国内での実施を想定 * 2005 年貯留 G 報告書参考 CO 2 分離回収エネルギー [GJ/t-CO 2 ] 12

13 他機関との性能比較 METI 高度化事業 _ 固体吸収 1 固体吸収 2 固体吸収 3 研究機関 RITE ADA-ES Inc., DOE/NETL( 米国 ) SRI International, DOE/NETL( 米国 ) KEPCO( 韓国 ) CO 2 吸収材 新規開発アミンを多孔質担体に担持 ポリアミン (PEI) をシリカ担体に担持 炭酸カリウム / 多孔質担体 研究 技術概要 成果 性能 新規化合物を設計 合成し 多孔質担体に担持した高性能固体吸収材を開発 材料開発 プロセス検討は ラボレベル評価を終了 材料開発からプロセス検討段階に進み 20t- CO2/day のパイロット試験を実施 循環流動層を用いたプロセス開発 及びスケールアップ検討 アルカリ金属炭酸塩による CO2 分離回収 循環流動層を用いたプロセス開発 及びスケールアップ検討 再生温度 60~ 以上 140 ~ 200 回収エネルギー 1.5 GJ/t-CO 2 2.8GJ/t-CO 2 回収コスト 2,000 円台 /t-co 2 不明 $39.7/t-CO 2 ( 吸収液 :$68/t-CO 2 ) 不明 5 GJ/t-CO 2 $30/t-CO 2 ( 目標 ) 開発スケール ラボ ベンチ 石炭火力燃焼排ガス ベンチ パイロット (20t-CO 2 / 日 ) ベンチ (200kg-CO 2 / 日 ) パイロット パイロット (200 t-co 2 / 日 ) 石炭火力燃焼排ガス 技術評価 回収エネルギー低く 回収コスト達成の目処 実用化開発レベル 回収エネルギーは 高性能化学吸収液と同程度 実用化研究開発進み セメント工場 ( ノルウェー ) でパイロットプラント試験進行中 回収エネルギー 一般的化学吸収法よりも大きい 再生温度高い (140~200 ) 支援の状況 METI 支援事業米国 DOE 支援事業韓国政府支援事業 出典 事業 成果報告 NETL CO2 Capture Technology Meeting 2014, GCCSI News GHGT-12 13

14 基盤技術研究フェーズ ( 学術研究 ) 事業目的達成までのロードマップ 実用化研究フェーズ ( 先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業 ) ( 民間企業との事業化研究 ) ~ ~ 実証 商用化フェーズ ( 補助事業 ) 大規模 CCS ラボ試験 (~5kg/day) ベンチ試験 (5t/day) 吸収塔再生塔乾燥塔 燃焼排ガス実ガス試験 ( 数十 t/day) 石炭火力プラント + 制度的仕組みの導入 石炭ボイラ排ガスへ適用 (3,000t/day) 課題材料最適化低コスト 大量合成 高耐久化 実用プロセス開発 経済性評価 スケールアップ実排ガス試験システム開発 プロセス最適化 廃熱利用 装置耐久性 14

15 3.CO 2 分離膜について 15

16 CO 2 分離膜 < 従来の CO 2 分離膜 > 膜断面 CO 2 H 2 H 2 に対する CO 2 選択透過性 (α) α CO2/H2 < 1 ( 分子ふるい性膜 ) ~10 ( 溶解選択性膜 ) 分子サイズ (nm) H 2 < CO 2 < N 2 < CH 供給側 高圧 圧力 低圧 透過側 < CO 2 分子ゲート膜 > CO 2 H 2 CO 2 H 2 H O H R N C O N R H HCO 3 H H O H R N C O N R H H HCO 3 HCO 3 R NH 2 HCO 3 H O H R N C O N R HCO 3 H H CO 2 H 2 N R デンドリマー CO 2 分子を選択的に透過するゲート機能を有した革新的な CO 2 分離膜 高いCO 2 選択透過性 低エネルギー 物理吸収法の1/3~1/4( 試算 ) 低コスト 1,500 円 /t-co 2 ( 目標 ) 16

17 CO 2 分離膜 CO 2 分離膜 ( 単膜 ) 外観 分離機能層 5cm 膜断面図 CO 2 分離膜モジュール スパイラル分離膜モジュール (4 インチ,20cm プロトタイプ ) 17

18 CO 2 分離膜モジュールの IGCC への適用 水性ガスシフト反応 石炭 CO + H 2 O H 2 + CO ~ 400 C 蒸気 2~4 MPa CO 2 CCS 回収 貯留 熱交換器 H 2 発電 O 2 ガス化炉 水性ガスシフト反応炉 組成 : CO 2 /H 2 =40/60 50 ~ 150 C 2 ~ 4 MPa CO 2 選択透過膜モジュール 18

19 透過速度 Q [m 3 (STP)/(m 2 s Pa)] 分離係数 α CO2/He [-] CO 2 分離膜研究成果概要 分子ゲート膜の分離性能 * 大気圧 ~2.4MPa にて CO 2 透過試験を実施 1.E-09 単膜 (1.2cm 2 ) 目標達成領域 単膜 (58cm 2 ) 単膜 (1.2cm 2 ) 200 目標達成領域 1.E-10 2 インチモジュール 単膜 (58cm 2 ) 1.E p CO₂ [kpa] 2.4MPa 目標 :CO 2 回収コスト 1500 円 /t-co 2 以下とする 50 2インチモジュール p CO₂ [kpa] 2.4MPa 模擬ガス ラボレベルで目標性能を達成 19

20 CO 2 分離膜プラントイメージ 設備能力 CO 2 回収量 100 万 ton/y 25 万 kw 発電相当 回収条件 CO 2 濃度 95 vol%,co 2 回収率 90% 供給ガス条件 IGCC ガス条件を想定 CO vol%(Dry) H vol%(Dry) 必要モジュール数 モジュール本数 1,800 本 (20 インチ 長さ 1.6 m) 13m 24m 56m * 二酸化炭素回収技術高度化事業 ( 二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業 ) 成果 設備イメージ全景図 20

21 他機関との性能比較 METI 高度化事業 _ 分離膜 1 研究機関 企業次世代型膜モジュール技術研究組合 MTR( 米国 ) 分離膜 2 膜材料新規ホ リアミト アミンテ ント リマー /PVA 系共重合体 Polaris TM ( 詳細非開示 PEG 系材料と推定 ) 用途 CO 2 /H 2 分離 (IGCC 高圧 ) CO 2 /H 2 分離 (IGCC 深冷分離組合せ ) 研究 技術概要 課題 成果 性能 1CO 2 透過速度 [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] 2CO 2 選択透過性 α(co2/h2) 3 回収エネルギー 4 回収コスト CO2 を選択透過する次世代型 CO2 分離膜の基盤 基礎 応用技術開発 模擬ガス ラボレベルの成果 今後 実ガス試験などの実用化研究開発を行い 事業性判断し 事業化に向けた取り組みが必要 操作条件 :85 大気圧 ~2.4MPa ~ ~ 膜モジュールと深冷分離組み合わた CO2 回収技術の開発 水素分離膜によるシステムへと目標設定が見直されている 操作条件 :10 圧力不明 (3MPa 程度 ) GJ/t-CO2 以下 (Selexol と比べ 1/3 以下 ) 3 電気代比較 (Selexol と比べ ) CO2 分離膜 + 深冷分離 : 2/3 CO2 分離膜 + 深冷分離 +H2 分離膜 : 1/2 41,500 円 /t-co 2 ( ラボレベルでの目途 ) 4$23/t-CO 2 以上 ( 消費電気代から試算 ) 開発スケールラボ ベンチ (H27 以降 計画中 ) ベンチ 技術評価 IGCC 適用を模擬した高圧条件で CO2/H2 分離性能は 世界最高水準である 支援の状況 METI 支援事業米国 DOE 支援事業 α が低く CO 2 分離膜 + 液化システム H 2 分離膜とのハイブリッドを提案 出典 事業成果報告 Journal of Membrane Science389(2012) / Science, 311, (2006) 21

22 CO 2 分離膜実用化に向けたロードマップ 基盤技術研究実用化研究フェーズ実証フェーズ商用化フェーズ H23FY H26 H27 H28 H31 H32 H37 H42 H47 1)CO 2 分離膜モシ ュール研究開発事業 研究 開発体制 2)CO2 分離膜モシ ュール実用化研究開発事業 次世代型膜モジュール技術研究組合 [ クラレ 日東電工 新日鉄住金エンジニアリング RITE ] + IGCC 関係企業との連携 ( 電力会社 エンジニアリング会社等 ) 2)CO 2 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で 技術課題を抽出し解決する 実用化段階の分離 回収コスト 1,500 円 /t- CO 2 以下を達成する 分離膜技術 実機膜モジュール 膜システムを作り上げる 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 CO 2 分離膜プロセス採用に向けた活動 22

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