CO2分離・回収技術

（固体吸収材、分離膜）の開発動向

(公財)地球環境産業技術研究機構化学研究グループ

平成２７年６月２２日

「次世代火力発電の早期実現に向けた協議会（第２回会合）」

1

(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

CO2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

目次

１．CO2分離・回収技術について

２．固体吸収材について

３．CO2分離膜について

2

ソース CO2(%) ガス圧(Mpa) 分離対象 開発技術

製鉄所 高炉ガス 20 0.2～0.3 N2、CO 化学吸収

火力発電所 12~14 0.1 N2、O2、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 H2、CO、H2S 物理吸収、化学吸収、膜

脱水

CO2分離回収フローチャート

高圧CO2/H2分離CO2/N2分離

環境省 国内外の技術動向調査より引用

3

発生源から見たCO2分離・回収技術

発生源 分離回収法 駆動力 技術開発の状況

燃焼前回収

高圧ガスからのCO2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、CO2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CO2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。CO2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CO2精製技術。酸素燃焼との組合せでは、コスト面からもO2分離技術開発が必要。

4

5http://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_su

bcommittee/014/pdf/014_008.pdf

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

現状 2020年 2030年

分離コスト［円/t-CO2］

4200円台 2000円台 1000円台(分離膜実用化 1500円台)

分離・回収エネルギー［GJ/t-CO2］

4.0 1.5 1.0

CO2分離・回収 技術ロードマップ

6

２．固体吸収材について

固体吸収材の概念図

アミン化合物

＋

担体

（多孔質材料）

固体吸収材化学吸収液化学吸収液

アミン化合物

＋

溶媒

（水）

溶媒

（水）

（例. モノエタノールアミン）

担体

(多孔質材料)

アミノ基水酸基

アミン化合物

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

40％程度

60％程度

7

1~2mm粒(球）状

2005 2010 2020

高炉ガス（20%-CO2）

2015プロジェクト

COCS

COURSE50 step2

燃焼排ガス（12%-CO2）

新日鐵住金エンジニアリング

二酸化炭素回収技術高度化事業（固体吸収材等技術開発）

RITE固体吸収材の開発経緯

COURSE50 step I

高炉用の新化学吸収液の開発

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）

更なる高性能吸収液の開発

電力・セメント用システム開発(基盤研究）

電力、セメント系民間企業協力（川崎重工、J-Power等）

分離回収コスト半減を目指した吸収液法の開発

「ESCAP®」の商業化（化学吸収法）

（固体吸収材）

米国国立エネルギー技術研究所（NETL）

と共同研究

8ラボ試験機(~5kg/日) ベンチ試験機(5t/日)

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

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

RITE固体吸収材のCO2吸収特性

再生率：35% 再生率：97%

再生性能の飛躍的向上に成功

1.5 GJ/t-CO2

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固体吸収材低温蒸気再生プロセス

2.5 GJ/t-CO2

RITE液*COCS project

潜熱

顕熱

反応熱 供給スチーム

・ RITE固体吸収材：分離回収エネルギー1.5 GJ/t-CO2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

CO2回収型火力発電所のエネルギー評価（発電効率への影響）

固体吸収材のエネルギー評価

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4発電効率の低下

[%p

t.]

CO2分離回収エネルギー [GJ/t-CO2]

60C

120C

130C

130C(従来)

抽気蒸気温度

（回収条件： 90%CO2回収）

高効率熱利用

低温再生

固体吸収材(RITE)

・低CO2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。

ボイラー

ガス清浄設備

固体吸収材プロセス

石炭

蒸気タービン

燃焼排ガス（蒸気）

（電気）

発電システムから、CO2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。

11

12

2413

2118

1909

2451

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1 1.5 2 2.5 3

吸収液

固体吸収材（RITE）

CO2分離回収エネルギー [GJ/t-CO2]

CO

2回収コスト

[円/t

-CO

2]

固体吸収材PEI/Q-30（NETL）

固体吸収材のCO2回収コスト評価

RITE固体吸収材は、低CO2分離回収エネルギー（1.5 GJ/t-CO2）低CO2回収コストを達成した。

石炭火力発電所100万kWh

CO2回収量100 万t/y(3,000 t/d)

固体吸収材プロセス

* 2005年貯留G報告書参考

* 国内での実施を想定CO2回収コスト（¥/t-CO2）

固定費＋変動費

CO2回収量=

（固定費） ・回収設備費 ・修繕費

・固体吸収材費 ・ﾒｰｸｱｯﾌﾟ費

（変動費） ・再生用蒸気 機器動力

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）

CO2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 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

成果・性能

再生温度 60～70℃ 120℃ 110℃以上 140 ～ 200℃

回収エネルギー 1.5 GJ/t-CO2 2.8GJ/t-CO2不明 5 GJ/t-CO2

回収コスト 2,000円台/t-CO2不明 $39.7/t-CO2

（吸収液：$68/t-CO2）$30/t-CO2（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-CO2/日）

ベンチ（200kg-CO2/日）→ パイロット

パイロット（200 t-CO2/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

他機関との性能比較

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基盤技術研究

フェーズ

（学術研究）

石炭ボイラ

排ガスへ適用（3,000t/day)

実証・商用化フェーズ

（補助事業）

~2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020~

ラボ試験

（～５kg/day)

大規模CCS

石炭火力プラント

ベンチ試験

(5t/day)燃焼排ガス実ガス試験

(数十t/day)

＋制度的仕組みの導入

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）

吸収塔

再生塔

乾燥塔

事業目的達成までのロードマップ

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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 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

経済性評価 装置耐久性

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3．CO2分離膜について

供給側

透過側

圧力

高圧

低圧

< CO2分子ゲート膜 >

H2に対するCO2選択透過性(α)

αCO2/H2 < 1 （分子ふるい性膜）～10 （溶解選択性膜）

CO2 H2

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高いCO2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-CO2（目標）

CO2 H2

HCO3

CO2 H2

CO2

R N C

O

O N R

H

HH

H

R N C

O

O N R

H

HH

H

R N C

O

O N R

H

HH

H

R NH2 H2N R

HCO3

HCO3

HCO3

HCO3

デンドリマー膜断面

分子サイズ(nm)

H2 ＜ CO2 ＜ N2 ＜ CH4

0.29 0.33 0.36 0.38

CO2分離膜

< 従来のCO2分離膜 >

CO2分子を選択的に透過するゲート機能を有した革新的なCO2分離膜

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CO2分離膜モジュール

CO2分離膜（単膜） 外観

スパイラル分離膜モジュール（4インチ，20cm プロトタイプ）

分離機能層

膜断面図5cm

CO2分離膜

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組成: CO2 /H2

=40/60

50 ~ 150 C

2 ~ 4 MPa

石炭

O2

蒸気

2~4 MPa200 ~ 400 C

CO + H2O ⇔ H2 + CO2

熱交換器 H2

CO2

ガス化炉 水性ガスシフト反応炉

水性ガスシフト反応

CO2選択透過膜モジュール

CCS

回収・貯留

発電

CO2分離膜モジュールのIGCCへの適用

目標：CO2回収コスト1500円/t-CO2以下とする。

模擬ガス、ラボレベルで目標性能を達成。

分子ゲート膜の分離性能* 大気圧~2.4MPaにて、CO2透過試験を実施

1.E-11

1.E-10

1.E-09

0 200 400 600 800 1000

Q [

m3(S

TP

)/(m

2s

Pa

)]

pCO₂ [kPa]

0

50

100

150

200

250

300

0 200 400 600 800 1000α

CO

2/H

e [-

]pCO₂ [kPa]

透過速度

分離係数

単膜（58cm2）

単膜（1.2cm2）

2インチモジュール

単膜（1.2cm2）

単膜（58cm2）

2インチモジュール

2.4MPa 2.4MPa

目標達成領域

目標達成領域

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CO2分離膜研究成果概要

【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)

56m24m

13m

【設備能力】 CO2回収量 100万ton/y ← 25万kW発電相当

【回収条件】 CO2濃度 95 vol%，CO2回収率90%

【供給ガス条件】 IGCCガス条件を想定※CO2 36.4vol%(Dry)､ H2 63.6vol%(Dry)

設備イメージ全景図＊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

CO2分離膜プラントイメージ

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METI高度化事業_分離膜① 分離膜②

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）

膜材料 新規ﾎﾟﾘｱﾐﾄﾞｱﾐﾝﾃﾞﾝﾄﾞﾘﾏｰ／PVA系共重合体 PolarisTM（詳細非開示、PEG系材料と推定）

用途 CO2/H2分離（IGCC、高圧） CO2/H2分離（IGCC、深冷分離組合せ）

研究・技術概要・課題

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。

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。

成果・性能

①CO2透過速度［m3(STP)m-2s-1Pa-1］

②CO2選択透過性α（CO2/H2)

③回収エネルギー

④回収コスト

操作条件：85℃、大気圧～2.4MPa①1×10-9～1×10-10

操作条件：10℃、圧力不明（3MPa程度）①7.5×10-9

②700～30 ②11.8

③0.5 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： 2/3CO2分離膜＋深冷分離＋H2分離膜： 1/2

④1,500円/t-CO2 （ラボレベルでの目途） ④$23/t-CO2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

αが低く、CO2分離膜+液化システム、H2分離膜とのハイブリッドを提案。

支援の状況 METI支援事業 米国DOE支援事業

出典・事業 成果報告 Journal of Membrane Science389(2012)441-450 /Science, 311, 639-642 (2006) 21

他機関との性能比較

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CO2分離膜実用化に向けたロードマップ

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 ］

２）CO2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- CO2 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。• CO2分離膜プロセス採用に向けた活動。

研究・開発体制

＋ IGCC関係企業との連携（電力会社、エンジニアリング会社等）

2011 15 20 25 30 35

１）CO2分離膜

ﾓｼﾞｭｰﾙ研究開発事業

２）CO2分離膜

ﾓｼﾞｭｰﾙ実用化研究開発事業

H23FY H26 H27 H28 H31 H32 H37 H42 H47

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