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てるえかいじ
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1 3-2 石炭利用と CO 2 分離固定化技術キーワード : 石炭二酸化炭素分離回収分離コスト CO2 隔離技術 ( 財 ) 地球環境産業技術研究機構化学研究グループ丸山忠 1. まえがき地球温暖化防止のための基本的な対策として化石燃料の燃焼変換プロセスによる大気中へのCO2 等の温室効果ガス排出量を低減していくことが重要な課題であるこのためにはエネルギー利用の高効率化省エネルギー技術の普及 CO2 の発生を伴わない新エネルギー技術の実用化などが有効であるがこれらの方策だけでCO2 の削減目標の達成が困難となる場合には大気中への排出されているCO2 を分離回収して隔離するいわゆる緊急避難的な対策を実施する場合も考えられる但しこのCO2 を分離回収する方法によりどの程度のコスト負担増になるのかまた現状でどのような技術開発課題が想定されるか等について十分に調査評価しておく必要がある本報では単に比較が容易であるとの理由により主に石炭火力発電プロセスにCO2 分離回収技術を適用したケースについてこれまでの調査により得られた国内外でのCO2 分離コストの評価結果及び技術開発の現状課題等について報告する 2.CO2 削減プロセスの体系表.1に示されたCO2 削減対策の体系のなかで本稿が焦点を当てているのが CO2の分離技術とその経済性であるまた CO2 分離回収技術には図.1に示すように固定発生源中の CO2 濃度の濃淡によりそれぞれ経済的に最適な CO2 分離回収技術が存在するが現状では技術の進展や規模の点で吸収法が優位である CO2 削減対策表.1 CO 2 削減対策の体系高効率発電効率向上コージェネレーション化学 ( 物理 ) 吸収法省エネルキー物理吸着法燃焼後処理膜分離法 CO2 分離酸素燃焼法 IGCC 燃焼前処理 NGCC 地中貯留貯留 / 隔離海洋隔離 CO2 固定化学的方法有効利用生物的方法

3. 石炭火力発電とCO 2 分離技術環境省の平成 13 年度統計発生源火力発電所セメントプラント鉄鋼プラント化学プラント炭素隔離に占めるコストの比率 1) によると温暖化ガス総排 CO 2 濃度 7%-14% 約 24% 約 27% 30-50% 出量は 12 億 9,900 万トンで CO2 はそのうちの 9 割を占めているので約 11 億 7 千万トン-CO2/

2 3. 石炭火力発電とCO 2 分離技術環境省の平成 13 年度統計発生源火力発電所セメントプラント鉄鋼プラント化学プラント炭素隔離に占めるコストの比率 1) によると温暖化ガス総排 CO 2 濃度 7%-14% 約 24% 約 27% 30-50% 出量は 12 億 9,900 万トンで CO2 はそのうちの 9 割を占めているので約 11 億 7 千万トン-CO2/ 年と推定される分離 CO2 濃度分離回収このうち石炭火力発電によ回収地中貯留 70%~90% る排出量は総発電量 kwh 技術石炭火力発電所から化学吸収法で分離化学吸収法膜分離法吸着法する場合と CO2 排出原単位 2) から約 1 億 2 千万トン程度と想定され貯留貯留海洋隔離地中貯留るので石炭火力発電は我 30%~10% 技術地中貯留の場合が国のCO2 総排出量の約 1 割程度を占めている RITE(( 財 ) 地球環境産業図.1 燃焼排ガスとCO2 分離回収 / 貯留技術技術研究機構 ) では主に化石燃料燃焼排ガス中の CO2 を低コストで分離回収する研究を実施している一方将来の火力発電プラントとして開発中の IGCC や酸素燃焼などの次世代型発電プラントから CO2 を分離回収する技術開発も行われている以下に発電プラントから CO2 を分離回収する 3 通りの技術分類を示す (1). 燃焼前回収法 (PCDC) IGCC( 石炭ガス化複合発電システム ) で生成する合成ガス (CO,H2) をシフト反応にかけて CO2 H2 を主成分とするガスを合成した後 CO2 を分離回収して H2 リッチガスを製造するシステム石炭ガス化プロセスは数十気圧の高圧下でガス化が行われるので CO2 ガスも高い分圧を保有していることになり CO2 分離に有利に働くこのため既存技術として物理吸収法が有利 DOE は CO2 分離膜や水素分離膜 CO2 ハイドレート法等の分離技術の研究も実施中 (2). 酸素燃焼法 (OXFC) 既設ボイラーの改良や新設ボイラー用として酸素燃焼法が研究されている発電効率の向上設備のコンパクト化 CO2 分離回収設備コストの削減が期待される但し大量の酸素ガスが必要となるため大規模な酸素プラント ( 深冷分離 PSA など ) が必要であり酸素製造のための電力負荷が増大する米国では酸素プラントを使わない不要となる酸素選択的分離膜による酸素富化燃焼ボイラの研究を実施しているが膜性能の向上が不可欠でありまたコスト低減などの課題があり実用化には時間がかかると思われる

3 (3). 燃焼後回収 (PCC) 燃焼排ガスから既存のアミン法で CO2 を回収すると正味の発電量は 1~2 割程度低下してしまうと言われている RITEではCO2 分離に要するエネルギー量低減を目的としたCO2 分離膜膜 - 吸収ハイブリッド法新規吸収剤の開発などを実施している具体的な CO2 分離プロセスフローを図.2 に示す図.2 CO 2 分離回収と発電プロセス 4. 発電方式とCO 2 分離コスト 4.1 NEDO-IAE によるコスト検討例 3) ( 財 ) エネルギー総合工学研究所 (IAE) が NEDO と平成 8 年度に実施した調査報告の概要を表.2 に示す IGCC+ 物理吸収法 (PCDC) と微粉炭ボイラー +アミン法による燃焼後 CO2 回収法 (PCC) と比較すると発電コストが約 15[ 円 /kwh] 程度で大差がないが電力コストは CO2 を回収しない場合に比べて 4 から6 割の以上コストアップとなっている CO2 分離回収 + 液化貯蔵までのコストにおいては IGCC 法が 5,700[ 円 /ton-co2] 微粉炭ボイラー方式が 6,500[ 円 /ton-co2] と燃焼前回収法が後回収法に比べて低コストになっている CO2 トン当たりの分離回収コストの算出にあたっては CO2 分離回収設備の導入による年間固定費及び所内電力消費に起因する電力費等の総費用を回収した CO2 量で割ったコストで示しているいずれにしても CO2 分離回収することで電力単価が 9[ 円 /kwh] が 15~16[ 円 /kwh] と大幅な上昇を招くことが示されている

4 表.2 NEDO- エネ総工研による調査結果プロセス送電端効率発電コスト CO2 回収コスト (A) 液化貯蔵コスト (B) 地中処理 ( ハイフ長 : 100km) CO2 回収コスト合計 % \/kwh \/t-co2 \/t-co2 \/t-co2 \/t-co2 微粉炭ホイラー微粉炭ホイラー +CO2capture( アミン法 ) ,220 2,280 1,600 8,100 IGCC(O2) IGCC(O2)+ 物理吸収 (Selxol) ,108 2,573 1,602 7,283 IGCC(Air) IGCC(Air)+ 物理吸着 (PSA) ,975 2,360 1,110 8,445 LNG 複合発電 LNG 複合発電 +CO2capture( アミン法 ) ,880 2,680 1,710 9,270 出典 :NEDO-エネ総工研, 火力発電フラントからのCO2 回収システムに関する調査 (Ⅱ), 平成 5 年 3 月 4.2 MITによる CO2 分離回収コスト検討例 4) 表.3には MIT(Massachusetts Institute of Technology) の J.David により 2000 年時点及び 2012 年において想定される CO2 分離回収コスト ( 以下分離コストは後述する Cost of CO2 avoided を示す ) が示されているこの検討例によると石炭をガス化し CO2 を燃焼前に分離回収する IGCC+Capture 方式 (PCDC) による CO2 分離回収コスト ( 但し隔離コストは含まず ) は 2000 年時点で 26[$/t-CO2] であったものが 2012 年時点で 18[$/t-CO2] に電力コストが同じく約 6.7[ /kwh] が約 5.1[ /kwh] に低減できると想定している低減の理由として 2012 年時点での IGCC の固定費低減と熱効率の向上がそれぞれ 10% 以上見込まれることによる CO2 分離回収コストを示す Cost of CO2 avoided の定義は CO2 分離なしのプラント (ref) に対して CO2 分離回収設備を付加したプラント (cap) の両者の発電コスト原単位の差 (COE= /kwh) を CO2 排出量原単位の差 (E=kg-CO2/kWh) で除したものとして次式で定義されるここでの CO2 排出量原単位の差は分離回収された CO2 量のみをカウントしている以下に CO2 分離回収コスト (10MPa 加圧を含む ) の算出式を示す Cost of CO2 avoided=(coecap-coeref )/(Eref - Ecap)[$/t-CO2] CO2 分離回収コストを比較すると IGCC+Capture 方式は PC( 微粉炭火力 )+Capture 方式に比べて 4 割以上を安価になり発電コストの増分は前者の方が後者に比べて著しく低いとの試算結果が読み取れるすなわち IGCC 方式に物理吸収法を採用することで微粉炭燃焼方式にアミン吸収法を採用する CO2 分離回収方に比べてコスト CO2 分離回収の低減が期待されることを示している

5 表.3 MIT による CO2 分離コスト検討例 Capital Cost Efficiency LHV Energy Penalty Cost of electricity CO2 emission Cost of CO2 avoided CO2 分離法プロセス年代 $/kw % % /kwh kg/kwh $/t-co2 IGCC(Ref.) , IGCC+Capture 1, 物理吸収法 IGCC(Ref.) , IGCC+Capture 1, 物理吸収法 NGCC(Ref.) NGCC+Capture 1, MEA 法 NGCC(Ref.) NGCC+Capture MEA 法 PC(Ref.) , PC+Capture 2, MEA 法 PC(Ref.) , PC+Capture 1, MEA 法註 1) コスト解析 :CO2 回収コストには 100atm 加圧を含むが輸送隔離コスト ($10/ トン -CO2) を含まない註 2) (Ref.):CO2 分離回収なし IGCC: 石炭ガス化複合発電システム NGCC: 天然ガス複合発電システム PC: 微粉炭焚きボイラー出典 :Jeremy David and Howard Herzog, The cost of carbon capture (GHGT-5,2000 年 ) 4.3 ユトレヒト大による CO2 分離コスト検討例 5) C.Hendriks らは同様に石炭利用の発電方式において PCDC 方式と PCC 方式による CO2 分離回収コストの評価を行っているコスト評価は既存技術から得られたコスト数値を利用していると想定されるが IGCC 方式による CO2 分離回収法が微粉炭火力回収より大幅に低コストであると評価しているその結果を表.4に示す表.4 ユトレヒト大学による検討例 Cost of CO2 Power Cost avoided Investment Annualized Cost Spe.CO2 emission MW /kwh $/t-co2 M$ M$ kg/kwh PC PC+MEA IGCC(O2) IGCC(O2)+ 物理吸収 (Selexol) 註 :CO2 を 8MPa まで圧縮するコストを含む PC: 微粉炭燃焼ホイラ MEA: アミン回収法 (O2): 酸素ガス利用ガス化出典 :Chris Hendriks,"Carbon Dioxide Rmoval from Coal-Fired Power Station(1994),Klluwer Academic Publishers

6 4.4 IEAによる CO 分離回収コスト検討例 6) IEA( 国際エネルギー機関 ) は天然ガスと石炭を燃料に用いた発電プラントに対する CO2 分離回収コストの検討評価を実施している石炭燃料については発電コストが IGCC 方式 +CO2capture( 物理吸収法 ) 方式の電力コストが 6.9[ /kwh] CO2 分離回収コストが 37[$/t-CO2] となり微粉炭燃焼 +CO2capture (MEA 回収法 ) による電力コスト 6.4[ /kwh] とは大差ない但し微粉炭燃焼 +CO2capture (MEA 回収法 ) のCO2 分離回収コストが CO2 分離回収なし (ref) の場合と比較して 47[$/t-CO2] とやや高くなり IGCC 方式の方にコスト優位性があるとしているこれらの検討を表.5 に示した表.5 IEA( 国際エネルギー機関 ) による CO2 分離コスト評価 Process Eff.(LH V) Specfic Investment Cost of electricity CO 2 emission Cost of CO 2 avoided % $/kwe /kwh g/kwh $/t-co 2 NGCC ref NGCC+CO 2 capture(mea 法 ) NGCC+CO 2 capture+co 2 recirculation POCC(O 2 )+CO 2 capture( 物理吸収法 ) Supercritical p/f (coal) 46 1, ref Supercritical p/f+co 2 capture(mea 法 ) 33 1, IGCC(O 2 ) 46 1, ref IGCC+CO 2 capture( 物理吸収法 ) 38 2, 註 : 輸送隔離コスト (=10$/t ー CO 2 ) を含まないが CO2 圧縮コストは含むものと推定発電プラント出力 =500MW 出典 :Harry Audus, Leading optiions for the capture of CO 2 at power stations (IEA ホームヘーシ ) 5. CO2 分離コストの総合評価 5.1 CO2 分離回収コスト NEDO-エネルキー総合工学研究所の評価によると CO2 分離コスト+ 液化コストは燃焼後回収 (PCC) 方式で約 6,500[ 円 /ton-co2] 燃焼前回収(PCDC) 方式が約 5,700[ 円 /ton-co2] 程度となり双方の CO2 分離回収液化コストにも顕著な差はでていない一方海外の著者らによる検討例はいずれも PCDC(IGCC) 方式による CO2 回収コストが PCC 方式 ( 燃焼後回収 ) よりも低コストになると評価している特に MIT の検討によると IGCC+ 物理吸収法 (2012 年時点 ) で 18[$/ton-CO2] の低コスト分離が可能であると予測している 5.2 CO2 回収に伴う発電コスト

7 CO2 回収に伴う発電システムとして評価した電力コストは前記の海外発表文献によると PCDC 方式 (IGCC) で約 5~7[ /kwh] 程度を想定している CO2 回収に伴う発電コストの上昇は PCDC 方式では約 1~2[ /kwh] 程度の上昇に止まりこの程度であれば将来的に CO2 分離回収の実現も可能と思われる一方 NEDO-エネルキー総合工学研究所の検討例では IGCC で約 10[ 円 /kwh] IGCC+CO2 回収 (PCDC 方式 ) となると約 15[ 円 /kwh] と評価し CO2 回収に伴う発電コストの上昇は約 5[ 円 /kwh] と大幅な上昇となるまた CO2 分離コストは CO2 回収なしの微粉炭ボイラーによる我が国の発電コストは約 9[ 円 /kwh] 程度であるのに対し海外文献によると 3.7~4.1[ /kwh] であり約 2 倍の格差があることから我が国の発電所における CO2 分離回収コストは海外でのコストより高価になる傾向にある 6. 二酸化炭素の隔離技術固定発生源から大量に分離回収されるCO 2 は有効利用に提供することは量的に限度があり最終的には地中あるいは海洋隔離へ輸送することになる図.3には大量の CO2 を地中あるいは海洋中に隔離するための概念図を示している地中隔離では EOR 等の既存技術も含まれている石油増進回収枯渇油田への注入 (EOR) 帯水層への注入枯渇ガス田への注入 (EGR) 炭層メタン増進回収 (ECBM) 150~700Gt-CO 2 320~9,900Gt-CO 2 510~1,100Gt-CO 2 >15Gt-CO 2 全世界の CO 2 排出量 :23.1Gt-CO 2 / 年 Gt( ギガトン )=10 億 t 日本の CO 2 排出量 : 1.2Gt-CO 2 / 年 5,100~ Gt-CO 2 数値は世界の隔離ポテンシャル ( 出典 :IEAGHG) 海洋中に隔離する研究については主に 1000~2000m 程度の図.3 二酸化炭素の貯留隔離技術中深層希釈溶解法を研究しているが環境影響への評価の議論があり実海域での実証試験はまだである地中の帯水層へCO2 を貯留する技術については次ページの表.6に示すように既に我が国及び海外で実施されているなかでもノルウェーでは天然ガス精製のために随伴するCO2 をアミン吸収法で分離して地下帯水層へ毎年 2 千万トンを隔離しているがこれには同国における 50[$/ トン CO2] の炭素税が隔離のインセンティフとなっている我が国では新潟県の長岡市で帯水層への CO2 貯留実証試験が本年 7 月に開始され約 1.5 年

8 間で1 万トンの CO2 を貯留する予定であるこの実証試験は CO2 貯留を目的とした陸域での試験でありその成果に注目が集まっているカナダでは EOR のため約 320km 離れた米国ノースタコタ州の石炭カス化炉から分離回収した 5000 トン / 日の CO2 を購入し油田に注入しているここでは国際共同研究として圧入時の CO2 の移動に関する各種の観察手法や地震探査法などの研究も実施しており CO2 地中貯留に関係する重要な知見が蓄積されるものと期待されている表.6 CO2 地中貯留プロジェクト本プロジェクト長岡ノルウェー Sleipner カナダ Weyburn 実施主体 RITE Statoil 社カナダ石油技術研究センター (PTRC) 場所ガス田上の帯水層陸域 ( 複雑な地層 ) 深度 :1.1km ガス田上の帯水層海域深度 :1.0km 油層 (EOR) 陸域 ( 大陸型地層 ) 深度 :1.0km 開始時期 2003 年 7 月 ( 圧入期間 :1.5 年間 ) 1996 年 10 月 ( 圧入期間 :20 年間 ) 2000 年 9 月 ( 圧入期間 :20 年間 ) 規模ほかレート : 6,700t-C O 2 / 年総量 :1 万 t-c O 2 CO 2 源 : 市販品レート : 100 万 t-c O 2 / 年総量 :2,000 万 t-c O 2 CO 2 源 : 天然ガス随伴レート : 5,000t-C O 2 / 日総量 : 2,000 万 t-c O 2 CO 2 源 : 石炭カス化炉 EOR: Enhanced Oil Recovery( 石油増進回収 ) 7.DOE( 米国エネルギー省 ) の炭素隔離プログラム 7) DOE が 2003 年 3 月に公表した Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan に掲げられた CO2 対策のための研究指向分野は第一に化石燃料 ( 特に石炭 ) を利用する過程において発生する CO2 の分離回収技術第二に回収した CO2 を地中や海洋に隔離する技術第三に陸上生物や土壌中への炭素隔離量の測定または地中や海洋に隔離した CO2 拡散やリーク等の定量的測定技術と評価基準作り第四に CO2 回収や隔離の先進的な技術開発を提唱しそれぞれに関する定量的開発目標を示しているこの背景には温暖化カス排出削減のための京都議定書 (Kyoto Protocol) を批准せずに独自の温暖化対策を展開しようとしていることと関連している以下に米国の研究指向の内容を示す

9 CO2 の分離回収技術の開発 DOE トップレベルの開発計画 CO2 の地中や海洋隔離技術の開発植物地中海洋隔離量の測定監視基準作成先進的な隔離技術の開発今回の報告の対象とした CO2 の分離回収技術の開発 (CO2 Capture Roadmap and Program Plan) の内容は以下の4 分野における研究開発を推進している 1.PCDC: 燃焼前回収技術 - 石炭ガス化と水素製造利用 2.OXFC: 酸素燃焼技術 - 酸素分離膜酸素富化燃焼による効率化 3.PCC : 燃焼後回収技術 - 新吸収液新吸着剤セロエミッション発電 4.ADC : 新規プロセス - ケミカルルーピング燃焼法 DOE はこれらの研究を推進して 2018 年度までに米国経済活動量に対する GHG 排出量を現在に比べて 18% 削減するという目的を掲げているが GHG 排出絶対量の削減につながるかが課題である 8. まとめ化石資源の輸入国である我が国ではエネルギー源の多様化エネルギー資源の安定的確保が課題である石炭は可採埋蔵量が 200 年以上と想定され全世界に広く分布して供給安定性や経済性にも優れた重要なエネルギーである石炭エネルギーを利用する際に発生する CO2 を分離回収する際のコストについて国内外の研究例を調査した結果石炭燃焼排ガスから CO2 を分離回収する (PCC) 方式と石炭をガス化して H2 リッチのガスから CO2 を分離する (PCDC) 方式による分離回収コストを検討した結果前者の方式が優位とする検討例がほとんどであった IGCC プロセスから CO2 を分離回収する技術はセレクソール法等によりほぼ確立されているので石炭ガス化プロセスの普及が進めばより低コストでの CO2 分離回収が可能と思われる一方米国 DOE の CO2 Capture Roadmap and Program Plan では国内に豊富に存在する石炭資源と CO2 地中貯留サイトを利用し石炭ガス化プロセスで分離された CO2 の隔離を行うことを計画している石炭ガスで得られた水素リッチガスを利用して水素インフラと水素社会の実現することにより CO2 対策を進めていこうとしているまた我が国では分離回収した CO2 の隔離技術の実証試験として今年から新潟県長岡市で全量約 1 万トンの CO2 の地中貯留試験が始まり貯留システム実用化のための安全性その他の検証を開始したしかしながら我が国で大量の CO2 を分離回収し地中あるいは海洋に隔離する必要性がいつ頃訪れるかは予測が困難であるが将来的に CO2 対策技術の一つして備えておく必要があると思わ

10 れるこのように大量の CO2 を分離回収する場合には莫大なコスト負担がかかりこのため大量の CO2 を低コストで分離するための技術開発と経済性の検討を進めていくことが重要である RITE では CO2 の隔離技術の研究開発の他に膜分離技術 CO2 吸着剤の開発膜 - 吸収ハイブリッド法等の基礎的な研究開発により低コストで CO2 を分離回収する技術開発を進めているこれまでの検討を踏まえて我が国における CO2 分離回収 / 隔離の研究開発の方向付けを以下に整理した CO2 分離回収隔離技術の課題 1.CO2 地中隔離および海洋隔離技術の実証試験を推進するまた短期的には燃焼後回収 (PCC= 微粉炭焚きボイラーなど ) における低コストの分離回収技術開発を開発する 2. 中長期的視野で燃焼前回収 (IGCC= 石炭ガス化 ) に適用できる低コスト CO2 分離回収技術を開発するとともに大量の CO2 地中貯留海洋隔離技術の実用化を進める ( 引用文献 ) 1) 環境省ホームページ ( 2) 本藤祐樹, 電中研ニュース338,2000 年 10 月 3) NEDO-エネ総工研, 火力発電フラントからの CO2 回収システムに関する調査 (), 平成 5 年 3 月 4) Jeremy David and Howard Herzog, The cost of carbon capture (GHGT-5,2000 年 ) 5) Chris Hendriks,"Carbon Dioxide Rmoval from Coal-Fired Power Station(1994),Klluwer Academic Publishers 6) Harry Audus, Leading options for the capture of CO2 at power stations (IEA ホームヘーシ ) 7) U.S. DOE Office of Fossil Energy National Technology Laboratory, Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan, March 12,

スライド 1

スライド 1 次世代火力発電協議会 ( 第 2 回会合 ) 資料 1 CO 2 回収利用に関する今後の技術開発の課題と方向性資源エネルギー庁平成 27 年 6 月目次 1. 次世代火力発電による更なるCO 2 削減の可能性 2. CO 2 の回収貯留利用に向けた取組 3. 次世代技術によるCO 2 回収コスト低減の見通し 4. CCUに関する技術的課題 5. 今後の技術的課題とロードマップの策定に当たり検討すべき論点