二酸化炭素の分離回収・地中隔離技術の実用化・普及について

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1 我が国のクリーンコール技術開発の今後の展開 第 9 回日中エネルギー 環境総合フォーラム 2015 年 11 月 29 日ザ プリンスパークタワー東京コンベンションホール 国立研究開発法人新エネルギー 産業技術総合開発機構環境部統括研究員在間信之

2 年までの世界の石炭需要見通し 石炭は 石油や天然ガスなど他のエネルギー源に比べて 地域偏在性が低く かつ 安価で比較的 価格も安定 エネルギー需要全体の伸びに併せて拡大の見通しであり 今後とも重要なエネルギー源として期待 されている Mtoe Mtoe 27% 24% 46% 37% World primary energy demand by source World power generation by source 出典 : World Energy Outlook 2002, 2004, , 2014

3 [g-co 2 /kwh] 発電における燃料毎の CO 2 発生量の比較 効率のよい超超臨界石炭火力発電においても LNG 火力発電に比べおよそ 2 倍の CO 2 を排出 石炭火力最も発電の利用にあたっては 更なる効率の向上と CO 2 の貯留 利用が必要 発電燃料別 kwh 当たりの CO 2 発生量 CCS で削減 米 財務省基準 :500 g-co 2 /kwh EIB( 欧州投資銀行 ): 550 g-co 2 /kwh インド 中国米国ドイツ世界 石炭火力 CCS 付石炭火力 ( 日本平均 ) USC IGCC 石油火力 LNG 火力 LNG 火力 ( 日本平均 ) ( 汽力 ) ( 複合平均 ) 出典 : 電力中央研究所 (2009) 各研究事業の開発目標をもとに推計 : 海外については CO 2 Emissions Fuel Combustion

4 CCS の導入見通し 炭酸ガス発生抑制を行わない場合には 2050 年に 500 億トンに年間 CO 2 発生量は増加し世界の平均気温は約 6 増加する IEA のモデルでは平均気温の上昇を 2 に抑えるために年間 CO 2 発生量を約 150 億トンに削減する必要があり CCS はこの CO2 削減量の 14% を担うとされている 億 ton/ 年 600 発電効率向上と燃料転換 原子力発電 6 上昇 500 億トン 400 再生可能エネルギー 燃料転換 14% 200 省エネルギー 2 上昇 150 億トン 省エネルギー 38% 燃料転換 9% 発電効率向上と燃料転換 2% CCS 14% 再生可能エネルギー 30% 原子力発電 7% 出展 :GCCSI Global Status of CCS

5 4 NEDO における CCT の取組み CO2 回収コスト削減技術 発電効率の改善 NEDO プロジェクト 技術確立時期 IGCC (EAGLE STEP-1) 2006 年 燃料電池向け石炭ガスクリーンナップ技術開発 2017 年 次世代高効率石炭ガス化技術開発 2030 年 石炭火力発電における低炭素化 CO 2 分離 回収技術の開発 燃焼前回収法 EAGLE での化学吸収法 物理吸収法の適用性評価 (STEP-2 & 3) その他の回収法 2014 年 CO 2 回収型次世代 IGCC 技術開発 2035 年 CO 2 分離型化学燃焼石炭利用技術開発 2030 年 製鉄業における低炭素化 CO 2 分離 回収及び排出抑制 高炉製鉄所からの CO 2 削減 (COURSE50) 2030 年 2050 年 低品位炭の利用乾燥及び改質低品位炭利用促進事業 インフラ輸出の促進 石炭 FS 実証事業支援

6 発電効率の改善 5

7 CO2 分離 回収技術の開発 6

8 7 A-USC( 先進超々臨界圧火力発電 ) 技術概要 USC の更なる高温化技術として 蒸気タービンの蒸気温度を 700 以上に高めた高効率発電技術 特徴従来の微粉炭火力発電システムの構成を殆ど変えることなく 発電効率 46%( 送電端効率 HHV) が期待できる 技術確立時期 2016 年度頃 CO 2 排出原単位 710 g-co 2 /kwh 程度 35MPa, 高温 大径配管材料 ( 提供 ; 新日鐵住金株式会社 ) 送電端効率 ( HHV) 46% 程度 Boiler コスト目標従来機並みの発電単価 Steam Turbine ( 出典 ; 第 1 回次世代火力発電協議会資料 (A-USC 開発推進委員会 )(2015.6))

9 8 水蒸気噴流床ガス化技術 ( 革新的ガス化技術 ) 技術概要ガスタービンの排熱で作る水蒸気を 噴流床ガス化炉に添加する IGCC システムの応用技術 特徴噴流床ガス化炉に水蒸気をガス化剤として添加することで 酸素比が低減され 冷ガス効率が向上する 技術確立見込み 2030 年度頃 CO 2 排出原単位見込み 570 g-co 2 /kwh 程度 送電端効率 ( HHV) 見込み 57% 程度 コストの見込み商用機の発電原価が USC と同等以下 ( 出典 ; 第 1 回次世代火力発電協議会資料 (NEDO)(2015.6))

10 CO 2 分離 回収技術 石炭焚ボイラー ポストコンバッション CO 2 回収技術 民間企業開発 酸素燃焼 CO 2 回収技術 METI 補助事業 ケミカルルーピング 石炭ガス化 プレコンバッション CO 2 回収技術 ( 化学 物理 ) CO 2 膜分離回収技術 METI 直轄事業 CO 2 回収型次世代ガス化技術 NEDO 技術開発 分離回収装置が必要 分離回収装置なし 9

11 CO 2 吸収量 CO 2 分離 回収技術の開発 (EAGLE STEP-2 & 3) 物理吸収法 : CO 2 が物理的に吸収液に溶解するため CO 2 吸収量は CO 2 分圧に依存する 化学吸収法 : CO 2 とアミンが化学的に結合するため CO 2 吸収量は吸収液成分 ( アミン ) の制約を受ける 高圧プロセス向け物理吸収法 CO 2 物理吸収法 ( イメージ図 ) 気相液相 分子単独で溶解 selexol CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 selexol CO 2 CO 2 selexol CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 selexol CO 2 は物理的に溶け込んでいて 吸収量は CO 2 の分圧に比例 化学吸収法 低 ~ 中圧プロセス向け 化学吸収法は CO 2 吸収量がアミン量により限界に達する 気相 CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 化学吸収法 ( イメージ図 ) 液相 Amine CO 2 2 化学的な結合 Amine CO 2 2 CO 2 分圧 ガスタービンの高温高効率化に伴う高圧プロセスでは物理吸収法の優位性が期待される CO 2 CO 2 Amine CO 2 2 Amine CO 2 2 CO 2 とアミンが弱いイオン結合をするため CO 2 吸収量はアミン量に依存 10

12 CO 2 分離 回収技術の開発 (EAGLE STEP-2 & 3) 石炭ガス化設備 空気分離装置 ガス精製設備 ガスタービン建屋 CO 2 分離 回収設備 ( 物理吸収法 ) CO 2 分離 回収設備 ( 化学吸収法 ) 150 t/day EAGLE パイロットプラント, J-POWER( 北九州市 ) 11

13 12 CO 2 分離 回収技術の開発 (EAGLE STEP-2 & 3) 化学吸収法と物理吸収法の開発 (EAGLE STEP-2 & 3) CO 2 分離 回収あり ( 回収率 : 90%) CO 2 分離 回収法送電端効率効率損失 CO 2 分離 回収なし 45.6% 化学吸収法 再生塔再生 ( 従来法 ) 加熱フラッシュ再生 ( 新開発 ) 34.8% 10.8% 38.2% 7.4% 物理吸収法 39.2% 6.4% (1,500ºC 級ガスタービン導入想定 ) 3.4 ポイント改善 さらに 1.0 ポイント改善 ( 高位発熱量ベース ) CO 2 分離 回収による効率損失の大幅な削減を達成 CO 2 分離 回収コストが 3 円 /kwh から 2 円 /kwh に低減可能かどうか今後精査

14 大崎クールジェン実証試験設備のシステム構成 第 1 段階 (2016~18 年度 ) 第 2 段階 (2019~20 年度 ) 第 3 段階 (2020~21 年度 ) 酸素吹 IGCC 実証 CO 2 分離回収型 IGCC 実証 CO 2 分離回収型 IGFC 実証 13

15 大崎クールジェンプロジェクト ガス精製設備 石炭ガス化設備 凡例対象事業実施区域計画区域既設排水処理設備 大崎発電所 1-1 号 空気分離設備 新設排水処理設備 複合発電設備 CO 2 分離回収設備 14

16 IGFC 向け石炭ガスクリーンナップ技術開発 石炭ガス化ガス中の微量成分の把握 微量成分除去技術の把握 燃料電池の有害不純物許容濃度 被毒挙動の把握 燃料電池用ガス精製技術の検討微量成分を除去する技術はあるのか? 2015 年 9 月開始 石炭ガス化ガス中にはどんな微量成分が存在するのか? 微量成分を常時測定する技術はあるのか? 燃料電池を被毒する物質は? 許容濃度は? 石炭 石炭 ガス化炉 ガス化炉 湿式ガス精製精密ガス精製燃料電池 (SOFC) 石炭ガス化ガス中の微量成分の把握 微量成分除去技術の把握 燃料極 電解質 空気極 燃料電池の有害不純物許容濃度 被毒挙動の把握 2017 年度終了大崎クールジェンプロジェクトに反映 燃料電池用ガス精製技術の検討 15

17 CO2 回収型次世代 IGCC 技術開発 CO 2 分離 回収設備やシフト反応器の不要な CO 2 回収型 IGCC 技術 CO 2 回収後も 42% の送電端効率が期待できる革新的な IGCC 基盤技術の開発 (CO 2 分離 回収に相当する効率損失は 2 ポイント ) CO 2 分離 回収に相当するコスト :3 円 /kwh から 2 円 /kwh への低減が期待できる技術 2015 年 8 月 ~ 要素技術開発実施 合成ガス 燃焼器 GT ST G 電力 ガス化炉 石炭酸素 CO: 66% H 2 : 24% CO 2 : 5% 酸素 CO 2 リサイクル CO 2 GT: ガスタービン ST: 蒸気タービン G: 発電機 CO 2 リサイクル CO 2 回収 技術確立時期 : 2035 年 16

18 ケミカルルーピング燃焼技術開発 中小型石炭火力発電所向け (100 MW ~ 500 MW) 空気分離装置不要 排ガスがほとんど CO 2 CO 2 分離 回収設備不要 CO 2 回収後も送電端効率 46% を目指す技術開発 CO 2 分離 回収に相当するコスト : 4 円 /kwh から 2 円 /kwh への低減が期待できる技術 2015 年 10 月開始 空気反応塔 窒素 MO X 石炭 MO X 燃料反応塔 窒素 蒸気 ( 発電用 ) HRSG サイクロン サイクロン 蒸気 HRSG 窒素 : (98%, dry) CO 2 : (98%, dry) HRSG: 排熱回収ボイラ 空気 MO X-1 技術確立時期 : 2030 年 17

19 世界の IGCC プロジェクトの動向 世界各国で複数の IGCC プロジェクトが進捗 運転開始されているものも存在 また 計画段階でプロジェクトが進捗していないものや安定運転できていないものも見られる 海外プロジェクトの例 Kemper 米国 Southern 社 発電端出力 582MW 2015 試運転開始 貯留量 3.0Mtpa Green Gen 中国 GreenGen 社 発電容量 250MW 400MW 2013 運転開始 運転中 建設中 計画中年数は運開予定時期 : 日本プロジェクト m Nov Tianjin IGCC Put into Operation First 250MW IGCC in China First 2000t/d Dry Coal Powder Gasifier in China Design, Construction, Commission and Operation by CHNG IGCC 700m Puertollano ( スペイン,318MW,1997) Polk Power ( 米,315MW,1996) Wabash River ( 米,296MW,1995) Buggenum解体 ( オランダ,284MW,1994) 大崎 CG ( 日,2021, 166MW, 0.3Mtpa) 酸素吹 IGCC:2017 CO2 分離回収型 IGCC:2019 IGCC+CCS Teeside ( 英,2018, 850MW, 4.2Mtpa) Don Valley Hatfield ( 英,2018, 650MW, 4.75Mtpa) Cash Creek New Gas Green Gen ( 中,2013, MW, 2Mtpa) IGCC Taean ( 韓,400MW,2015) 勿来 Edwardsport ( 日,250MW,2007~) IGFC ( 米,2018, 770MW, 5Mtpa) HECA ( 米,2018, 400MW, 3Mtpa) Kemper ( 米,2015, 582MW, 3.5Mtpa) ( 米,618MW,2013~) Summit ( 米,2018, 400MW, 2Mtpa) 広野 勿来 ( 日, 各 500MW,2020~) ( 出典 ;Japan CCS フォーラム 2015 NEDO 資料 (2015.6) に IAE が加筆 ) 18

20 COURSE50 プロジェクトの特徴 従来の高炉製鉄法 鉄鉱石 コークス炉ガス (COG) COURSE50 開発による高炉製鉄法 鉄鉱石 C O G 改質装置 コークス製造 コークス炉 (1) 高炉からの CO2 排出削減技術開発 1 水素還元に適した原料 2 水素還元高炉用水素増量コークス製造技術コークス炉ガス (COG) コークス炉 高強度 高反応性コークス 水素リッチガス 3 コークス代替還元材製造技術 コークス コークス 高炉 高炉 高炉ガス (BFG) 4水素還元高炉反応制御技術 銑鉄 高炉ガス (BFG) 銑鉄 (2) CO2 分離回収技術開発 CO リッチガス 燃料として自家消費 6 CO2 分離回収技術 化学吸収法 物理吸着法 熱 電力 5 未利用排熱活用技術 廃熱回収ボイラ カリーナサイクル発電システム ヒートポンプ スラグ顕熱回収技術等 CO 2 排出量 100% CO 2 排出量 70% 技術開発項目 (1) コークス炉ガスを改質して水素を増量し コークスの一部代替として用いて 鉄鉱石を還元する技術を開発する (CO 2 を 10% 削減 ) (2) 製鉄所内の未利用排熱を利用して 高炉ガスから CO 2 を分離 回収する技術を開発する (CO 2 を 20% 削減 ) 製鉄所からの CO 2 排出量 30% 削減 実用化 普及 :2030~2050 年 19

21 COURSE50 STEP-2 の今後のスケジュール 現在 年度 H20~24 (2008~12) H25 (2013) H26 (2014) PhaseⅠ H27 (2015) H28 (2016) H29 (2017) 2018~27 PhaseⅡ 2030~50 ステッフ 1 ステッフ 2 高炉からの CO 2 排出削減技術の開発 要素技術開発 10m 3 規模試験高炉設計 建設 CO 2 分離回収技術開発 化学吸収液の高性能化 試験操業 データ解析 実用化開発 実用化 普及 物理吸着の高効率化 スケールアップ検討 未利用排熱の活用技術の検討 エンジニアリング 吸着剤の構造改良 CO 2 回収エネルギーの低減 温度レベルの低い排熱を効率よく回収することが可能な熱交換器の開発 20

22 南米 欧米 アジア太平洋地域 高効率石炭火力発電 低品位炭利用 その他 計 NEDO の FS 事業のこれまでの実績 国別項目別件数 モンゴル 2 2 中国 台湾 1 1 ベトナム タイ 1 1 インドネシア ミャンマー 1 1 インド スリランカ 2 2 カザフスタン 3 3 ウズベキスタン タジキスタン キルギス 1 1 ウズベキスタン タジキスタン 1 1 キルギス 1 1 オーストラリア 米国 カナダ 2 2 ポーランド 3 3 ブルガリア 2 2 トルコ 1 1 ハンガリー ルーマニア セルビア 1 1 ハンガリー 2 2 ボスニア ヘルツェゴビナ 1 1 ブラジル 1 1 チリ 1 1 計 年度から 2015 年度まで 25 ヶ国で 56 件の FS 事業を実施高効率石炭火力発電案件 : 26 件 低品位炭利用案件 ( ガス化 改質 乾燥 ): 16 件 21

23 ご清聴ありがとうございました

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