太陽光下 1 光触媒による水の分解で得た水素 / 酸素から 2 水素分離膜等を用いて水素を安全に分離し 3 合成触媒を用いて水素と二酸化炭素から化学品原料である低級オレフィンを製造する人工光合成 化学プロセスを確立し 化石資源からの脱却や資源問題 環境問題の解決を目指す 1) 光触媒水分解水素製造 hv H 2 O H 2 + 1/2O 2 目標 : 太陽光変換効率 η 10% (~2022) H 2 O ARPChem 人工光合成 PJ について (2012~2021 NEDO-PJ) ソーラ水素プラント Sun 2) 水素分離 目標 : H 2 /O 2 高選択分離膜の開発, 安全技術 (~2022) H 2, O 2 混合カ ス 3) 低級オレフィン合成 分離膜 O 2 H 2 CO 2 + 3H 2 (CH 2 ) + 2H 2 O 目標 : 低級オレフィン収率 80% (~2017) 太陽光応答光触媒 CO 2 CO/H 2 製造 オレフィン合成 分離 C2-C4 オレフィン 1
水の光分解のためのデバイス形態 H 2 /O 2 分離生成型 パラレルセル型 タンデムセル型 O 2 O 2 H 2 変換効率 >2% H 2 H 2 /O 2 同時生成型 光触媒シート H 2 O 2 変換効率 >1% 2
Water splitting on photocatalyst sheet ( 太陽電池系の材料は一切含まない ) Solar simulator(am 1.5 G) at 318 K ph=6.8 最終的には R2R 等で光触媒シートを作る 3
STH (one-step excitation) / - 光触媒に求められる光電気化学特性 0.5 QE/% 100 40 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10% via two-step excitation 80 60 40 20 30 20 10 0 Photocurrent / ma cm -2 640 nm 以上に吸収端を持つ材料が必要 (10%) 最終目標 (2021) (3%) 中間目標 (2016) (1%) 中間目標 (2014) 400 600 800 Wavelength / nm 1000 人工光合成 PJ の目標 太陽光照射下でエネルギー変換効率 10% を目指す 4
水分解水素製造量と必要な反応器面積 日本国内 (η=10 %, 1,400 kwh/y, 1,900 h/y) 反応器面積 ( ヘクタール ) H 2 製造量 (t/y) 20 100 500 0.5 2.4 11.8 日本国内であれば 数ヘクタールの面積があれば 数 100 トン / 年の水素製造は可能 パイロット設備 小型商業プラント規模に相当 赤道直下サンベルト地帯 (η=10 %, 2,600 kwh/y, 4,000 h/y) 反応器面積 (km 2 ) H 2 製造量 (t/y) 1,000 10,000 50,000 100,000 0.1 1.3 6.3 12.7 Smart-Grid 方式を前提として考えれば Solar-H 2 導入量が 20% あれば 100 万トンーオレフィン / 年規模に対応できる 5
ソーラ水素プラント 20,000 m 2 (2 ha) ソーラ水素プラント Sun 水素ステーション 300 500 Nm 3 /h (27 45 kg/h) NEDO 燃料電池 水素技術開発ロードマップ 2010 圧縮水素供給技術 / 圧縮水素ステーション 2020 年達成目標規模より 日本国内 ( 日照 : 1,400 kwh/y m2, 1,900 h/y) 変換効率 η = 10 % 想定時水素生産量 : 44.8 kg/h (233 kg/day) 20, 000 m 2 規模のソーラ水素プラントで水素ステーションの 20-36% 相当の水素を供給することが可能 この水素供給能力は 燃料電池自動車約 43 台 / 日に相当する ソーラ水素供給量は水素ステーション (24h 稼働 ) 供給能力の 20 36 % 相当 圧縮水素タンク : 171 L, 35 MPa (H2 重量換算で 5.4 kg/ 台 ) 1 充填あたり走行距離 : 620 km ソーラ水素による水素供給能力約 43 台 / 日 6
CO 2 /CH 4 の選択率 ゼオライト分離膜ガス分離性能 CO 2 /CH 4 分離 ゼオライト膜 ゼオライト膜はポリマー膜では不可能な高透過量 分離係数の両立が可能 H 2 /CH 4 分離 ゼオライト膜 ポリマー膜 CO 2 の透過のしやすさ ゼオライト膜の利用可能性 : 天然ガスからの CO 2 分離 COG からの H 2 取り出し 水分解の H 2 /O 2 分離など 7
エチレン製造コストのプロセス及び地域依存性 ( 概略 ) 地域 EU 中東 北米 中国 --------- East Asia 原料 & プロセス ナフサエタン石炭 CH 4 クラッカー CTO MTO 相対製造コスト 100 10 20 60 90 石炭天然ガス CO/H 2 CH 3 OH (CH 2 ) n エチレンフ ロヒ レン CTO : Coal to Olefins MTO: Methanol to olefins 日本発 MTO は三菱化学 + 日揮法が完成 ライセンス活動中 フ テン等 8
三菱化学 - 日揮のオレフィン製造技術 メタノール /DME プロピレン C4 以上のオレフィン混合物 + メタノール /DME プロピレン * 他法に比較し 高生産性 高収率 2013 年に Pilot 運転終了 技術完了 プロセスライセンス 触媒販売 CO 2 からのオレフィン合成 CO 2 +3H 2 CH 3 OH + H 2 O は CO+2H 2 CH 3 OH よりも平衡的不利であり 低収率で recycle が多い 人工光合成 PJ では CO 2 +3H 2 からの反応で高収率プロセス ( 平衡回避 ) を検討中 CO 2 +H 2 CO + H 2 O で先ず CO を製造して ( 水を抜いて )CO+ 2H 2 として用いれば既存法で CH 3 OH 合成可能 三菱化学では COG の精製 改質 CH 3 OH 合成はベンチ試験実施 プロセスが通せることは確認 9
化学原料 エネルギーをどう考えるか? 現在の化学プロセス : CO 2 排出 資源枯渇 相対価格 原油 石油精製 燃料油 ガソリン等 1.0 ナフサ 化学原料 1.2~1.5 メタンの改質反応 : CO 2 排出の少ない化石資源 Shale 革命 CH 4 + 0.5O 2 CO + 2H 2 フィッシャー トロフ シュ反応 燃料 CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 メタノール合成 MTO 反応 化学原料 技術互換性 (CO/H 2 経由の反応 ) CO 2 を炭素資源として活用する ( 安価な排出 CO 2 の利用 ) 人工光合成プロセス : 21 世紀に実現したい究極の化学プロセス H 2 O + 太陽光 H 2 + 1/2O 2 CO 2 + 3H 2 CO + 2H 2 +(H 2 O ) オレフィン合成触媒フ ロセス 化学原料エチレン フ ロヒ レン フ テン等 10 10
CO 2 emission (10Kton-CO 2 /1million ton-olefin) 800 600 加算される : オレフィン + 副生物燃焼による CO 2 排出 : フ ロセス運転に必要なエネルギーの換算 CO 2 排出 ( 分離 精製 ) : オレフィン製造に必要なエネルギー換算 CO 2 排出 ( 反応 ) : 原料として使用される CO 2 : カーボンフットプリント 400 除外される 200 Solar H 2 + 排出 CO 2 0 ナフサクラッキンク CH 4 +O 2 改質 ハ イオマス改質 -200 CH 4 +CO 2 改質 -400 オレフィン合成法の CO 2 排出量見積もり比較 11
人工光合成法の理想形 CO 2 + 3H 2 (CH 2 ) + 2H 2 O CO/H 2 系に比較すると平衡的に不利 ( 工夫しないと Energy 消費大 ) 現実形 CO 2 削減効果と経済性のバランス 人工光合成の前駆形 3/2CH 4 +H 2 O + 1/2CO 2 2(CO+2H 2 ) BASF の計画? CO 2 が資源化できており 人工光合成と整合性がある 化石資源ベースの現実形オートサーマル法 CH 4 +H 2 O+ 1/2O 2 CO +2H 2 + H 2 O CO + 2H 2 (CH 2 ) + H 2 O CO 2 を原料としていないので人工光合成と整合しない 12
オレフィン製造 100 万トンあたりの CO 2 排出量と製造コスト ; 粗見積り プロセス 原料 On-site CO 2 排出 Carbon foot print ナフサ Cracker ナフサ 135 万トン 584 万トン CH 4 +O 2 改質法 CO 2 +CH 4 改質法 人工光合成法 原単位 単価 原料費 + Energy 費 製造コスト C2~C4 オレフィン 100 万トン /kg /kg /kg CH 4 49 万トン 360 万トン O 2 105 15 1.14 80 105 1.14 12 8 CH 4 0.86 80 CO 2 83 万トン 318 万トン 0.69 3 H 2 O 0.28 2 71.5 8 CO 2 2.75 3 71-209 万トン 106 万トン Solar-H 2 0.31 200 8 CH 4 + 0.5O 2 CO + 2H 2-9kcal 0.75CH 4 +0.25CO 2 +0.5H 2 O CO + 2H 2 +39kcal CO 2 +3H 2 CO + 2H 2 + H 2 O + 10kcal CO + 2H 2 CH 3 OH -21.7kcal 目標 120 *1: 素反応の吸熱 発熱量は CH 4 燃焼で補償 ( 伝熱考慮 ) *2: O 2 製造 CO 2 分離 MTO 反応 オレフィン分離等に使用するエネルギー量を CO 2 排出量として計算 13
人工光合成化学プロセス実用化のシナリオ Sun 拡大 クラッカー エチレン O 2 フ ロヒ レン 水分解反応器 GTO フ テン類 改質 化学産業 水分解 H 2 CO/H2 GTO: Gas to olefin 化石資源由来 H 2 精製 鉄鋼コークス CH 4 CO 2 発電所 CO2 分離 LNG 14
オレフィン製造規模 ( 年産 ) 光触媒モシ ュール規模 実用化に向けての見通し及び取り組みについて 100 万 t 10 万 t 商用機 < ソーラー / 化石資源 H 2 > 10 km 2 1 万 t 大型 P < 化石資源 H 2 > 1 km 2 1,000t 100t 10t 合成触媒 一部供給 小 中規模実証プラント 基数増で対応 スケールアップ容易 10 万 m 2 1 万 m 2 1,000 m 2 1t 小型 P ヘ ンチフ ラント 100 m 2 100kg 10kg 1kg 2010 ラボ ラボ 2015 モジュール 人工光合成実証 PJ 光触媒 分離膜 2020 2025 2030( 年 ) 10 m 2 1 m 2 0.1 m 2 人工光合成 PJ の実用化に向けたシナリオ 15
ご静聴ありがとうございました オレフィン合成プラント ソーラー水素製造プラント 16