総 説 オレオサイエンス第 12 巻第 5 号 (2012) 183 Copyright C2012 by Japan Oil Chemists Society FTD 燃料と水素化 BDF との混合液体燃料を 使用した路線バスによる実証試験 Bus Field Trial Test using F

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1 総 説 183 Copyright C2012 by Japan Oil Chemists Society FTD 燃料と水素化 BDF との混合液体燃料を 使用した路線バスによる実証試験 Bus Field Trial Test using FTD and Hydrotreated BDF Blended Fuels 岡部伸宏 昭和シェル石油株式会社中央研究所 神奈川県愛甲郡愛川町中津 Nobuhiro Okabe Central Research & Development Laboratory, Showa Shell Sekiyu K.K , Nakatsu, Aikawa-cho, Aikohgun, Kanagawa, , Japan 論文要旨 : ディーゼルエンジン用として様々な代替燃料の実用化が検討されている中, 排出ガス低減効果が期待される FTD(Fischer-Tropsch Diesel) 燃料や植物油等を原料とする水素化バイオディーゼル燃料 (BDF) が注目されている これらはパラフィン燃料であり, 一般の軽油と組成が異なるため, 軽油仕様である既存車両への影響について調査が必要である 本稿では,FTD 燃料と水素化 BDF との混合液体燃料が, 長期にわたり車両改造を伴わずに利用できることを確認するため, 路線バスを用いた実証試験の結果について紹介する Abstract: FTD(Fischer-Tropsch Diesel) and Hydrotreated Bio Diesel Fuel(BDF) have focused on the effects on reduction of emissions from diesel engines, though various alternative fuels have been developed. FTD and Hydrotreated BDF are paraffinic fuels and have different components from those of conventional gas oil. This paper describes the results of long-term field trials of these fuels using commercial buses without any modifications. Key words: FTD, Hydrotreated, Biodiesel, HVO, paraffinic, field trial 1 はじめに 将来のエネルギー需要の増大, エネルギーセキュリティの観点から, 多様なエネルギー, 燃料が検討されている ディーゼルエンジンをベースとしたエンジンでは, 現在, 様々な代替燃料の実用化が検討されている Fischer-Tropsch 反応を経て得られる合成軽油である FTD(Fischer-Tropsch Diesel) 燃料は, 高いセタン価を有しディーゼルエンジンに適した燃焼特性と排出ガス中の Particulate Matter(PM) 生成へ影響を及ぼすとされている多環芳香族や硫黄分を含まない特徴を有するクリーンなディーゼルエンジン用燃料として注目されている 1,2) このような特徴を持つ FTD 燃料は, ディーゼル車両 連絡者 : 岡部伸宏 からの排出ガス改善のポテンシャルも期待されており, FTD 燃料の特性が排出ガスに与える影響の研究, さらには,FTD 燃料の特徴を十分に活用した超低排出ガス性能のディーゼルエンジン, 排気後処理技術の研究開発が行われている 3-7) また,CO 2 抑制の観点から脂肪酸メチルエステル (FAME:Fatty Acid Methyl Ester) に代表されるバイオマス由来のディーゼル燃料が海外, 特に欧州等を中心に導入が推進されている 現在, 様々なバイオディーゼル燃料の研究 開発がすすめられているが, 最近では, FAME と同様に植物油等を原料とし水素化処理して得られる水素化バイオディーゼル燃料 (BDF) が注目されている 植物油を原料としていることから HVO(Hydrotreated Vegetable Oil) 燃料とも称される HVO 燃料は芳香族や硫黄分を含まない FTD 燃料と類似の性状, 特徴を持つ燃料である 13

2 184 FTD 燃料および水素化 BDF(HVO) 燃料は鎖状炭化水素のみで構成されるパラフィン燃料であるため, 芳香族分を含んでいる一般の軽油の組成とは異なっている そのため, ゴムなどの有機材料に対して一般軽油とは異なった影響を及ぼす可能性がある 自動車部品の燃料供給系統における有機材料は, シール部品や, 燃料ホースに用いられているが, 特にディーゼル機関を搭載する商用車は比較的過酷な条件で長期間使用されるため, 車両部品は高い耐久性が求められる 8) このような観点から,FTD 燃料とバイオ由来の水素化 BDF(HVO) との混合燃料が, 長期にわたり車両改造を伴わずに利用できることを実証するため, 路線バスを用いて車両に使用されている燃料噴射系統部品や, 燃料ホースなどへの影響を調査したので, その結果について紹介する 2 FTD 燃料および水素化 BDF(HVO) 燃料について 2 1 FTD 燃料 FTD 燃料とは,Fischer Tropsch Diesel 燃料の略称であり, フィッシャー トロプシュ反応 ( 略して FT 反応 ) により合成されたディーゼルエンジン用の合成液体燃料のことである FT 反応とは, 一酸化炭素 (CO) と水素 (H 2 ) から触媒を用いて CH 2 が何個もつながったパラフィンを合成する反応のことである. 合成されたパラフィンは炭素鎖の長さ ( 蒸留温度 ) により, ナフサ, 灯油, 軽油, ワックスなどに分けられ製品となる このプロセスのフローを Fig. 1 に示す FT 反応の原料となる合成ガス ( 一酸化炭素と水素との混合ガス ) は天然ガス ( メタン ) の水蒸気改質や部分酸化により製造する方法が主流であるが, 資源が豊富な石炭やバイオマスからも製造可能であり, 天然ガス, バイオマス, 石炭を原料として,FT 合成により得られる液体燃料をそれぞれ GTL(Gas to Liquids),BTL(Biomass to Liquids), CTL(Coal to Liquids) と個別に称している このようにして得られる FTD 燃料は硫黄分, 芳香族分を含まないパラフィン系燃料であり, 高セタン価であるなど, 一般の軽油と異なる様々な特徴を有する FTD 燃料はディーゼルエンジンからの排出ガスのクリーン化に大きく寄与し, 現行エンジンを使った試験結果では, 軽油と比べ触媒などで後処理する前の排出ガス中における PM( 粒子状物質 ) を約 50%,HC( 炭化水素 ) および CO( 一酸化炭素 ) を約 20% 低減することが示されている 3-7,10) また,FTD 燃料は多様な原料から製造することが可能であり, 市場導入時には既存のインフラを活用できることから, エネルギーセキュリティの観点からも軽油に代わる有望な代替燃料と考えられている Shell は 1973 年から天然ガスを原料とした GTL プロセスの研究を始め,1993 年にマレーシアのサラワク州ビンツルに小規模な GTL プラントを建設し, 商業生産を開始した 2003 年より,Qatar Petroleum と共に, カタール北部沿岸のガス田開発を行うと共に,Ras Laffan に 70,000 barrel per day(b/d, 1 barrel = 159L) プラント 2 基を有する大規模な Pearl GTL Plant を建設し 2011 年より操業を開始している 今回実証試験に用いた FTD 燃料は, 天然ガスを原料とし, マレーシアの Shell の GTL プラントで生産された Shell GTL Fuel を使用した 2 2 水素化 BDF(HVO) 燃料植物油を水素化処理して水素化 BDF(HVO) 燃料を製造する技術は, バイオマス由来合成燃料の製造技術として注目されている これは, 水素化により植物油脂由来の不飽和結合の飽和化, および酸素の脱離が起こり, Fig. 2 のように植物油脂のトリグリセライド構造が分解されることで,FTD 燃料と同様のパラフィン燃料を製造する技術である 水素化処理植物油としては,JX 日鉱日石エネルギーが開発している BHD(Biohydrotreated diesel) やフィンランドの Neste Oil が製造する NExBTL(Next Generation Biomass to Liquids) が知られており, これらの水素化処理植物油はノルマルパラフィンを主成分としていることから, セタン価が高いが, 低温流動性が悪いという特徴を持つ そのため, 異性化によりイソパラフィン比率を高めるなど, 低温特性の改 Fig. 1 Outline of FT Fuel Process Fig. 2 水素化処理の一例 14

3 185 善の取り組みがなされている 原料は植物油の他に動物油 ( 獣脂 ) 等, 多様な油脂から製造が可能である 植物油をエステル交換して得られる FAME の場合は, 原料由来の不飽和脂肪酸エステルが相当量含まれるため, 酸化安定性の問題が生じやすいが, 水素化 BDF(HVO) 燃料は水素化処理時に不飽和部分が水素添加され飽和炭化水素となるため,FAME と比較し非常に酸化安定性に優れた特性を持つ この様にして得られた水素化 BDF(HVO) 燃料は芳香族分を含まないパラフィンのみであり, 組成, 温度範囲 ( 蒸留特性 ) 等の特性は FTD 燃料に近い Neste oil は水素化 BDF(HVO) 燃料を NExBTL という名称で製造し, 市場導入している 2007 年に Porvoo( フィンランド ) の石油精製設備に NExBTL の第一プラントを,2009 年には第二プラントを完成させ ( 合計 7,500 B/D の生産量 ), 水素化 BDF(HVO) 燃料を製造している 原料は, 輸入したパーム油, 動植物油や菜種油が使用されている また,Neste oil は 2007 年 ~ 2010 年の間, ヘルシンキ市内の 300 台のバスで水素化 BDF(HVO) を軽油に 30% 混合した燃料や水素化 BDF (HVO)100% での走行試験を行っており, 排出ガスの低減の検証や実車走行を行い, 水素化 BDF(HVO) の使用でも問題なく走行できることを確認している 9) 最近では,Neste oil はシンガポールに再生可能な原料から軽油代替燃料を製造する設備としては世界最大級のプラント (17,700 B/D) を建設し,2010 年 11 月よりパーム油を原料に水素化 BDF(HVO) 燃料を製造している 更に同規模のプラントをオランダのロッテルダムにも建設し,2011 年より稼動を開始している ここで生産された水素化 BDF(HVO) 燃料は, 軽油に混合し, 主に欧州で利用が進められている 族分を含有している一般軽油と比較して,FTD 燃料はパラフィン燃料であることから低密度, 高セタン価という特徴がある FTD 燃料がゴム部品に及ぼす物理的性状影響を把握するため, 車両の燃料ホースに使われているニトリルブタジエンゴム (NBR), 水素化ニトリルブタジエンゴム (HNBR), フッ素ゴム (FKM) を用いた簡易的な材料浸漬試験を行った 8) 浸漬試験は,JIS K 6251 に準拠しダンベル状に加工したゴム部材を,FTD 燃料, 一般軽油中に浸漬し, 浸漬後の物理性状 ( 引張り伸び率, 引張り強度, 硬度, 体積, 重量 ) の変化を確認した 測定を行った物理性状の中で, ゴム部材の体積変化は O リングのようなシール部品の実用性能と相関があり, 引張伸び率や硬度は, 燃料ホースの実用性能と相関がある 本研究で着目した O リングでは体積変化によるシール部位からの燃料漏れ, 燃料ホースでは, 引張伸び率の低下による靭性の低下や, 硬度の上昇に起因する燃料ホース表面のクラックは燃料ホースの破断に繋がる恐れがある 試験燃料は 55,85,120 に設定し約 1000 時間浸漬後の性状を測定した Fig. 3 に結果を示す 浸漬後の FKM 試験片の物理性状の変化は FTD 燃料と一般軽油で概ね同様の傾向を示した NBR 試験片は体積が一般軽油では膨潤するのに対し,FTD 燃料では変化が見られなかった また, 引張伸び率は同程度であったが, 硬さは FTD 燃料と一般軽油に浸漬したものを比較すると,FTD 燃料に浸漬し 3 FTD 燃料の車両ゴム部品への影響調査 FTD 燃料と一般軽油の性状を Table 1 に示す 芳香 Table 1 供試燃料の性状及び組成 FTD JIS2 号軽油 密度 15 ) g/cm 動粘度 30 )mm 2 /s 流動点 % 蒸留性状 50% % セタン価 硫黄分 mg/kg <1 6 芳香族分 vol% < Fig. 3 簡易浸漬試験結果 - 物性の変化 15

4 186 たゴム部材の方が硬化していた これらのわずかな差が実使用環境下でゴム部品寿命への影響を与えるか確認し, この燃料の実用性を検証するため, 公道での実車走行試験を行った 4 路線バスによる実証試験 4 1 FTD 燃料による実証試験 FTD 燃料の実車走行試験に関してはトラックを用いて期間限定で行ってきているが 8), 長期にわたり車両改造を伴わずに利用できることを確認するため, 東京都の協力を得て, 都バスの営業運転に使用されているハイブリッドバス 日野ブルーリボンシティハイブリッド ( 新長期規制対応,2015 年度重量車燃費基準達成車両 ) による実証運行を行った 運行期間は 2009 年 2 月 ~2010 年 1 月の 1 年間, 都バス品川自動車営業所管内の路線バスとしてハイブリッドバス車両 2 台に FTD 燃料を給油して営業運行を行った 比較用に一般軽油を給油したハイブリッドバス車両 2 台も同様に営業運行を行った 10,11) 1 年間の営業運行の結果,FTD 燃料を使用した車両における燃料供給系統の燃料による不具合, 燃料のにじみ, 漏れは観察されなかった インジェクター, ポンプにも異常は見られなかった また, 燃料ホースを試験開始 6 ケ月後 ( 約 km),1 年後の終了時 ( 約 km) に回収し, ホース内側の NBR の引張り試験 ( 切断時伸び変化率 ) を行った結果を Fig. 4 に示す FTD 燃料, 軽油ともにほぼ同等の影響を示した このことから,FTD 燃料の車両の燃料供給系統への影響は一般軽油とほぼ同等であると考えられる Fig. 4 燃料ホースの切断時伸び変化率 FTD 燃料と水素化 BDF との混合燃料による実証試験バイオマスを原料としたパラフィン燃料である水素化 BDF(HVO) 燃料を FTD 燃料と混合し, 車両の燃料供給系統への影響を調べるため実車走行試験を行った CO 2 抑制の観点, コスト, 原料の入手性の観点から混合比は FTD 燃料を 8 割, 水素化 BDF(HVO) 燃料を 2 割とした Table 2 に混合燃料の性状を示すが, 水素化 BDF(HVO) 燃料は FTD 燃料と類似の性状, 特徴を有しているので, 混合燃料であっても FTD 燃料とよく似た性状になっている 東京都の協力により,FTD 燃料と水素化 BDF(HVO) 燃料との混合燃料を用いた実証運行を実施した 10) 供試車両は 2009 年の FTD 燃料実証運行と同じハイブリッドバス車両 1 台を使用した 2010 年 7 月 ~2010 年 12 月の 6 ケ月を FTD 燃料と水素化 BDF(HVO) 燃料との混合燃料を使用して都バス小滝自動車営業所を起点に東京都区内で営業運行を実施し Table 2 供試燃料の性状及び組成 FTD 燃料 FTD+HVO 燃料 JIS2 号軽油 密度 ) g/cm 動粘度 ) Mm 2 /s 引火点 流動点 CFPP 蒸留 IBP % % % EP セタン指数 硫黄分 ppm <1 <1 7 芳香族分 vol% <1 < 総発熱量 MJ/kg

5 187 軽油に代わる有望な代替燃料であると考えられ, また, 現在, 経済性や安定供給等の課題もクリアーされつつあり, 将来, ディーゼルエンジン用として利用される燃料の 1 つになると予想される 謝辞 Fig. 5 実証運行車両外観 本報の車両部品への影響調査, 実車の実証試験は,( 独 ) 交通安全環境研究所が受託した 国土交通省次世代低公害車開発 普及促進事業 等の一環として実施されたことをここに記して, 関係者各位に感謝の意を表する Fig. 6 燃料ホースの切断時伸び変化率 2 た 実証運行車両の外観を Fig. 5 に示す 6 ケ月間の営業運行の結果,FTD 燃料と水素化 BDF (HVO) 燃料との混合燃料を使用した車両における燃料供給系統の燃料による不具合, 燃料のにじみ, 漏れは観察されなかった インジェクター, ポンプにも異常は見られなかった また, 燃料ホースを試験後に回収し, ホース内側の NBR の引張り試験 ( 切断時伸び変化率 ) を行った結果を Fig. 6 に示す 2009 年度に行った実証試験の FTD 燃料, 軽油での結果とほぼ同様の結果を示した このことから,FTD 燃料と水素化 BDF(HVO) 燃料との混合燃料の車両の燃料供給系統への影響は一般軽油とほぼ同等であると考えられる 5 まとめディーゼルエンジンに適した燃焼特性と硫黄分, 芳香族分を含まず排出ガスのクリーン化に大きく寄与できるパラフィン燃料である FTD 燃料, バイオ由来の水素化 BDF(HVO) 燃料は, 実用化において一般の軽油と同等に使用できることが, 今回の商用バスを用いた実証運行により確認できた 今後, エネルギーセキュリティの観点から, 天然ガス, 石炭, バイオマスから製造可能な FTD 燃料, バイオ由来の水素化 BDF(HVO) 燃料は, 文献 1)R. Clark, et al., Future fuels and lubricant base oils from Shell Gas to Liquids(GTL)technology, SAE Technical Paper No (2005) 2)D. Liebig, et al., Benefits of GTL Fuel in Vehicles Equipped with Diesel Particulate Filters, SAE Technical Paper No (2009) 3) 新城崇, 河本桂二, 新沢元啓, 木村修二,GTL 燃料組成 性状改良による直噴ディーゼルエンジンの性能改善, 自動車技術会講演会前刷集 No (2005) 4) 内田登, 平林浩, 阪田一郎, 北野康司, 吉田博, 岡部伸宏, 革新的次世代低公害車総合技術開発, 自動車技術会講演会前刷集 No.86-07, (2007) 5) 阪田一郎, 小型ディーゼルエンジンにおける FTD 燃料活用技術,No JSAE SYMPOSIUM,P.13-18, (2008) 6)R. Nishiumi, T. Nakajima, K. Kitano, I. Sakata & R. Clark, Improvement of DI Diesel Engine System by Utilizing GTL Fuel Characteristics, SAE Technical Paper (2009) 7) 内田登, 阪田一郎, 北野康司, 岡部伸宏, 坂本頼子, FTD 合成燃料を用いたディーゼル燃焼の改善, 第 20 回内燃機関シンポジウム前刷集 (2009) 8) 岡部伸宏, 坂本頼子,FTD 燃料の材料への影響調査および最近の動向について,No 自動車技術会シンポジウム (2010) 9)R. Mäkinen, P. Saikkonen, A. Amberla, N-O. Nylund & K. T. Erkkilä, Bus Fleet Operation on Renewable Paraffinic Diesel Fuel, JSAE /SAE ) 石井素, 川野大輔, 鈴木央一, 北野康司, 内田登, 岡部伸宏, 高木恒輝, 末藤祐二, 合成軽油 (FTD) 自動車の開発試作 実用化, 交通安全環境研究所フォーラム 2010(2010) 11)M. Masuko, Y. Sakamoto, N. Okabe, I. Sakata & K. Kitano, Effect of Fischer-Tropsch Diesel on Fuel Supply System, JSAE /SAE

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