1

地球温暖化対策としての大気中CO2の除去

2013．11．20

エネルギー戦略研究会（ＥＥＥ会議）第１９６回研究会

原子力システム研究懇話会

堀 雅夫

2

大気中CO2除去の研究を始めた経緯

1957～1998原研、動燃で軽水炉熱工学、ナトリウム高速炉の研究開発

1998～原子力水素生産の研究

2003～原子力と化石燃料やバイオマスとの協働プロセスによる発電・合成燃料生産・水素生産の研究

2007～Virgin Earth Challengeの呼びかけ→原子力・バイオマス協働プロセスによる大気中CO2除去の研究開始、国内外で発表。 近の発表↓

3

IPCC第5次評価報告書・WG1報告書（自然科学的根拠）

政策決定者向け要約（SPM）（2013.9.26発表）

観測事実：

気候システムの温暖化は疑う余地がない。1880～2012年において世界平

均気温は0.85℃上昇した。

温暖化の要因：

人間活動が20世紀半ば以降に観測された温暖化の主な要因であった可

能性が極めて高い。

将来予測：

世界平均気温の上昇に伴って、ほとんどの陸上で極端な高温の頻度が増

加することはほぼ確実である。中緯度の大陸のほとんどと湿潤な熱帯域に

おいて、今世紀の末までに極端な降水がより強く、頻繁となる可能性が非常

に高い。海洋へのさらなる炭素蓄積の結果、海洋酸性化が進行するであろ

う。

4

CO2の累積総排出量に応じた世界平均地上気温の上昇量

出所： IPCC 第5次評価報告書 「第1作業部会報告書 気候変動2013：自然科学的根拠 政策決定者向け要約」 図SPM.10（2013.9.26）

5

地球温暖化対策

緩和

Mitigation

適応

Adaptation

地球気候の改善・復元（気候工学）

(Climate) Geoengineering

「緩和」策を踏まえて、さらに積極的に地球気候を「改善・復元」する方策として、大気中からCO2を除去する技術およびそれと同様の効果が期待される技術（気候工学*）が研究されている。

* この用語は杉山昌広著「気候工学入門」（日刊工業新聞社2011年）で使用

6

大気中760 GtonC + 4 GtonC/Y

光合成113 GtonC/Y

呼吸・放出112 GtonC/Y

92 GtonC/Y 90 GtonC/Y 燃焼7 GtonC/Y

植生 600 GtonC

土壌 1400 GtonC 海洋（表・中・深層）38000 GtonC

化石燃料4000 GtonC

地球規模炭素循環（2000-2005）

参考： IPCC-AR4 2007 Report、Kevin Schaefer (NSIDC)、Charles Koven (Berkeley Lab)

永久凍土 1700 GtonC

7出所： 原図 “Geoengineering the climate：Science, governance and uncertainty,” the Royal Society, September 2009日本語の図： 清水貴史「宇宙開発に於けるイノベーション創出に向けて」 科学技術動向 2009年12月号

大気の平均的エネルギー収支

8図の出所： 杉山 昌広 「気候工学（ジオエンジニアリング）に関する文献調査」 電力中央研究所調査報告：Y09003（2010年）原図の出所： Lenton TM & Vaughan N. “Radiative Forcing potential of climate geoengineering”. Atmos. Chem. Phys. 9, 5539-5561 (2009)

地球気候を改善/復元するための技術太陽放射管理（SRM）と 大気中CO2除去（CDR）

SRM

CDR

9

バイオ発電/燃料＋CCS

世界 初のBECCS実証プラント（米国イリノイ州）

2011年より運転。エタノール製造プラントの排CO2をCCS。30万トンCO2/年～100万トンCO2/年（2013年）を地下2000ｍに注入。DOE資金。

図・写真の出所： http://biorecro.com/

10図の出所：J. Lehman, Nature 447, 143-144 (May 2007) および Black Carbon A/S, http://www.blackcarbon.dk/

バイオ炭＋バイオ発電/燃料

バイオ発電＋バイオ炭

↑自然の炭素サイクル ↑バイオ炭＋バイオ発電/燃料の炭素サイクル

炭素サイクル

BlackCarbonグループによる試験

11

バイオマス+原子力→バイオ炭＋バイオ燃料（液体）

バイオマス

炭

気化物

貯留

合成ガス

炭化

加工

ガス化

原子力

材料利用安定化貯留

軽油ガソリン

DME水素

燃料化

エネルギー利用

（化石燃料代替）

材料

熱

原子力

熱

乾燥

原子力

電気

各プロセスに必要なエネルギーを原子力から供給することにより、炭素の転換率を 大

にすることができる

現在の世界の人為起源CO2排出量＝約8 GtonC/年

1.0 GtonCのバイオマス処理（0.81 GtonCのCO2除去）に使用する原子力エネルギー量

は年0.36 GtonOE、1200 MWe(3000 MWt) プラント 150基（設備利用率 85%）に相当

1.0 GtC/年

0.45 GtC/年

0.36 GtC/年

出所： M. Hori “Nuclear Carbonization and Gasification of Biomass for Effective Removal of Atmospheric CO2”Progress in Nuclear Energy Vol.53, 1022-1026 (2011)

12

大気中CO2直接回収Direct Air Capture (DAC) by Carbon Engineering (Canada)

出所： http://carbonengineering.com/

CE社のプロトタイプ装置→

この後パイロット試験を2013-2015年, その後 初の商用プラントを2017年頃から予定。

13

CaSiO3 （珪酸塩鉱物）、CaCO3（炭酸カルシウム）などによるCO2吸収反応

を促進させる。

陸上 CaSiO3＋CO2 -> CaCO3+SiO2

海中 CaSiO3+2CO2+H2O -> Ca2+ +2HCO3- +SiO2

CaCO3+CO2+H2O -> Ca2+ +2HCO3-

Ca(OH)2+2CO2 -> Ca2+ +2HCO3-

海洋の酸性化を防ぎ、CO2貯留性を増加させるために、CaCO3や珪酸塩鉱

物（MgSiO3、CaSiO3）を塩水中で電気分解する方法も提案されている。

CaCO3 +2H2O+CO2+ 直流電力 ->↑H2+↑0.5O2+Ca2+ +2HCO3-

加速風化（Enhanced Weathering）

自然が行っている風化作用を加速する方法各種

14図の出所： C. Jones, et.al., “A forward look for UK research on climate impacts of geoengineering” LWEC (2013)元データの出所： Vaughan & Lenton (2011) & Lenton & Vaughan (2009)

宇宙太陽光シールド

成層圏エアロゾル

地表面の反射率増加（草地）

大気中CO2直接回収

地表面の反射率増加（砂漠）

バイオ発電＋CCS

雲の反射率増加（物理的）

バイオ炭＋バイオ発電

植林

海洋の肥沃化（鉄散布）

地表面の反射率増加（耕作地）

地表面の反射率増加（集落）

地表面の反射率増加（都市部）

雲の反射率増加（生物的）

海洋の肥沃化（燐散布）

海洋の肥沃化（窒素散布）

海洋の湧昇流強化

海洋の沈降流強化

海洋への炭酸塩付加

各種気候工学的技術の 大効果

放射強制力

放射強制力現在の温室効果 1.7 W/m2

産業革命前の2倍 3.7 W/m2

//

15

地球気候を改善/復元するための技術の効果・影響太陽放射管理（SRM）と 大気中CO2除去（CDR）

意図する効果 意図する効果

意図せぬ影響 意図せぬ影響

出所： C. Jones, et.al., “A forward look for UK research on climate impacts of geoengineering” LWEC (2013)

16

気候工学的技術の総合評価例

データ： “Geoengineering the climate：Science, governance and uncertainty,” the Royal Society, September 2009

5433発生源でのCO2のCCS

311.54宇宙太陽光シールド

2444成層圏エアロゾル散布

2332.5雲の反射率増加

1412.5砂漠の反射率増加

5311都市部の反射率増加

11.532海洋の肥沃化

521.94大気中CO2直接回収（DAC）

422.14加速風化

3222バイオ炭＋バイオ発電 （Biochar）

432.52.5バイオ発電＋CCS （BECCS）

4352植林

安全性適時性経済性効果技術

IPCCの緩和技術 CDR技術 SMR技術

17

Overall Evaluation of the Geoengineering Technologies

The Royal Society, “Geoengineering the climate: science, governance and uncertainty” The Royal Society (September, 2009)

18

気候工学技術におけるエネルギーの必要性

太陽放射管理（SRM）

太陽放射管理は大量のエネルギーを必要としない。

大気中CO2除去（CDR）

大気中CO2直接回収（DAC）は、空気中の希薄なCO2を回収し分離

するために大量のエネルギーを必要とする。

「加速風化」および「海洋の肥沃化」では、海洋のアルカリ化のために

電気分解を使用する以外は大量のエネルギーを必要としない。

バイオマスを用いる「バイオ発電＋CCS」、「バイオ炭＋バイオ発電」

などは大量のエネルギーを必要としない。

バイオマスを用いる「バイオ炭＋バイオ液体燃料」は燃料製造に外部

からエネルギーを供給した方が炭素の収率（除去効率）が高くなる。

19

大気中CO2除去技術で必要とするエネルギー量

150 基0.355

GtonOE/GtonC

178

KJ/mol CO2

バイオマス＋原子力→

バイオ炭＋バイオ燃料 （堀）

700 基1.663

GtonOE/GtonC

835

KJ/mol CO2

加速風化・海洋アルカリ化

電気分解（Rau: UCSC）

105 基0.249

GtonOE/GtonC

125

KJ/mol CO2

大気中CO2直接回収

（Lackner: Kilimanjaro Energy）

400 基0.942

GtonOE/GtonC

464

KJ/mol CO2

大気中CO2直接回収

（米国物理学会報告書）

125 基0.298

GtonOE/GtonC

150

KJ/mol CO2

大気中CO2直接回収

（Keith： Carbon Engineering）

年１GtonのCを除去するに必要な

１２０万ｋWe原子力プラント数

１GtonのCを除去するに必要な熱エネルギー

１molのCO2を除去するに必要な熱エネルギー

CO2除去技術

電力は発電効率40%で熱に換算。GtonOEは石油換算１０億トン。GtonCは１０億トン炭素。「バイオ炭＋バイオ燃料」の炭素除去量はバイオ燃料の化石燃料代替効果を含めた値。原子力プラントは電気出力120万kW・熱出力300万ｋWで設備利用率85%。「バイオ炭＋バイオ燃料」は炭素を0.45Gtonの炭素材、0.36GtonCの液体燃料（この熱量は使用原子力熱量とほぼ同じ）として供給、その他の技術は炭素をCO2として地中または海中に処分。

20

原子力の供給可能量 （2000-2100年）

単位: GtonOE/年 [石油換算10億トン]

10.01.3--原子力の発電以外への供給可能量

18.34.0--原子力の 大供給可能量 *2

8.32.7 0.5原子力発電による必要量 *1

2100年2050年2000年

*1 IIASA-WEC “Global Energy Perspective”（1998）のMiddle Course*2 小野 清、ほか 「世界における原子力エネルギー 大供給量の検討」 JNC TN9400 2001-028 （2000年12月） 適Pu

リサイクルの場合*3 K.S. Lackner “Capture of Carbon Dioxide from Ambient Air”, Eur. Phys. J. Special Topics Vol. 176, 93-106 (2009)*4 M. Hori “Nuclear Carbonization and Gasification of Biomass for Effective Removal of Atmospheric CO2” Progress in

Nuclear Energy Vol.53, 1022-1026 (2011)

現在のCO2発生量は全世界で約8GtonC/年。この半分量のCO2を大気中から除去するために

必要なエネルギー量は、「大気中CO2直接回収」*3 と「バイオ炭＋液体バイオ燃料」*4 の方式

のエネルギー使用量の 0.25～0.36 GtonOE/GtonC から1.0 ～ 1.4 GtonOE/年と推定され、上表

の「原子力の発電以外への供給可能量」から見て、Puリサイクル利用の適切な導入により2050

年以降対応可能と考えられる。

21

研究・開発

1988年～2011年に発表された気候工学に関する科学技術資料約750件では、１

位米国、2位英国。CDR68％、SRM13％。資金は政府、科学財団など。

民間資金で有名なのは、Virgin Earth Challenge と Bill & Melinda Gates

Foundation。前者はVirgin航空の創設者Richard Bransonが2500万ドルの賞金を

提供して大気中炭酸ガス除去のアイディアを募集している。現在ファイナリスト11

件に絞られており、その内訳は大気中CO2直接回収5件、バイオ炭3件、BECCS、

加速風化、総合生態系各1件。後者のBill Gatesの財団は気候工学の各種研究

への資金提供、直接回収の企業への投資などの支援をしている。

実証・実施

気候工学技術は今後、科学技術的課題と同時に社会的・倫理的・政治的・国際

的な課題の克服が必要である。気候工学技術を実証し実施するには国際的な

合意が必要な場合が多く、適切な統治（Governance）メカニズムを確立する必要

がある。

気候工学技術 実施への道程（１）

22

世界の石油生産量38.8億トン／年45.2億m3／年

石油起源のCO2排出量150億トン／年321億m3／年

（臨界状態73気圧に圧縮）

石油とその燃焼から排出するCO2の体積の比較

二酸化炭素回収・貯留（CCS）は石油産業より巨大な産業？

出所： Oxford Conference on Negative Emission Technologies, September 2013

1.65km

3.2km

23

CO2除去ビジネス

大気中CO2の除去をビジネスとする新会社が各種設立されている。直接回

収（DAC）では次の４社が活発な開発活動を行っており、Virgin Earth Challenge

のFinalistsに入っている。

Carbon Engineering（ハーバード大 David Keith）

Kilimanjaro Energy（コロンビア大 Kraus Lackner）

Global Thermostat（コロンビア大 Peter Eisenberger & Graciela Chichilnisky）,

Climeworks（チューリッヒ工科大 Christoph Gebald & Jan Wurzbacher）

CO2除去コスト

大気中CO2の除去コストは、直接回収の場合$600/tonCO2（米国物理学会）

～$200/tonCO2（Lackner 初期プラント）～$30/tonCO2（Lackner 将来プラン

ト）まで大差がある。$30/tonCO2まで下がるとガソリン1リッターあたりのCO2除

去費用は７￠と少い。

除去したバイオ炭、CO2の用途

バイオ炭として大量の炭素・黒鉛材料が供給されるので、現在の工業用以外

に農林業（土壌改良材）・建設業（黒鉛構造材）などへ用途が拡がる。

CO2は石油増進回収（EOR）などの用途のほか、還元して炭化水素燃料にす

ることもエネルギーさえ加えれば可能。

気候工学技術 実施への道程（2）

24

世界の環境・エネルギー対応策： これからの進め方（私見）

国際原則・枠組み

COPなどを通して温室効果ガス削減などの緩和策を促進

地球気候の改善・復元は大気中CO2を実質除去する方法を採用

京都メカニズムによる排出取引などの炭素プライシング（Carbon pricing）を進めて、

CO2排出者からCO2除去者への資金流通の国際的枠組みを確立（Feebate）

CO2除去事業は競争的環境で推進

緩和・改善・復元＊

緩和策： 電力化率を向上、電源は原子力と再生可能エネに転換。非電力エネル

ギーは節減してバイオマス起源に転換（例：自動車はPHEV化により燃料消費1/3）

CO2除去： バイオマス＋原子力でバイオ炭＋バイオ燃料を生産。バイオ炭は材料

利用、バイオ燃料は非電力エネルギー用途に供給

課題はバイオマス確保と原子力確保。バイオマスは農業・森林（約2GtonC/年）＋

植林成長分・エネルギー植物（例：藻類）など。原子力は2030～2050年リサイクル

導入・増殖比1.3以上

（＊ 一案、評価・競争の結果決まる）

25

26

提案されている太陽放射管理（SRM）のコンセプト

図の出所： http://thinkprogress.org

27Decay in Soil

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

Global Carbon CycleNatural

COCO22 SteadySteady

28

FossilFuels

Fossil BurningDecay in Soil

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

Global Carbon CycleAnthropogenic Fossil Burning

COCO22 IncreasingIncreasing

29

SolidCarbon

CarbonizationDecay in Soil

Biofuel

Gasification

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

Global Carbon CycleCarbon Removal

COCO22 DecreasingDecreasing

30

SolidCarbon

CarbonizationDecay in Soil

Biofuel

Gasification

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

Global Carbon CycleProposed Carbon Removal Using Nuclear Energy

COCO22 DecreasingDecreasing

NuclearEnergy

31

大気中760 GtonC + 4 GtonC/Y

光合成113 GtonC/Y

呼吸・放出112 GtonC/Y

92 GtonC/Y 90 GtonC/Y 燃焼7 GtonC/Y

植生 600 GtonC

土壌 1400 GtonC 海洋（表・中・深層）38000 GtonC

化石燃料4000 GtonC

地球規模炭素循環（2000-2005）

参考： IPCC-AR4 2007 Report、Kevin Schaefer (NSIDC)、Charles Koven (Berkeley Lab)

永久凍土 1700 GtonC

32

バイオマス・原子力協働プロセスの構成

バイオマス

炭

気化物

貯留

合成ガス

炭化

加工

ガス化

原子力

材料利用安定化貯留

軽油ガソリン

DME水素

燃料化

エネルギー利用

（化石燃料代替）

材料

熱

原子力

熱

乾燥

原子力

電気

各プロセスに必要なエネルギーを原子力から供給することにより、炭素の転換率を 大にすることができる

33

Photosynthesis;6CO2 + 6H2O + Sunlight C6H12O6 + 6O2

where C6H12O6 (glucose) represents biomass

Decay of plant residue;C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Carbonization (conversion of an organic substance into carbon or a carbon-containing residue through pyrolysis);

C6H12O6 + (Heat) C (charcoal) + Volatiles, Gas and Condensibles

Steam gasification;C + H2O + Heat CO + H2

FT synthesis;CO + 2 H2 CH2 + H2O

where CH2 represents synthetic fuels (FT diesel oil, typically)

Biomass-Nuclear Synergistic Process

Relevant Chemical Reaction Formula

34

バイオマス・原子力協働プロセスの地球規模炭素循環における効果

光合成による炭素固定量の 1/10 （6 Gton炭素/年）を処理する場合

安定な固体炭素として循環から除く炭素分 2.7 Gton/年

合成燃料として化石燃料を代替する炭素分 2.2 Gton /年

-------------------------------------------------------

大気中に排出される炭素分（将来、長期的） -0.9 Gton/年

（2000年-2005年） +4.0 Gton/年

参考ケース

大量の炭素・黒鉛材料が製造されるので、現在の工業用以外に農林業（Biochar）・建設業（黒鉛構造材）などへ用途拡大

35

必要な原子力エネルギー供給量（参考ケース： 6 GtonC/年を処理する場合）

1.74合計

0.58補助動力分、熱損失分、その他

必要分として50％

1.16小計

0.70ガス化プロセス

0.24炭化プロセス

0.22乾燥

バイオマス・原子力協働プロセスに必要な熱量 [GtonOE/年]

（熱量の単位： GtonOE = 109 ton石油換算）

36

炭化プロセス (400~500˚C) および ガス化プロセス (700~850˚C)

超高温炉（VHTR） 出口温度 800~950˚C

ガス冷却高速炉（GFR） 出口温度 850˚C

鉛冷却高速炉（LFR） 出口温度 550~800˚C

炭化プロセス (400~500˚C)

ナトリウム冷却高速炉（SFR） 出口温度 550˚C

バイオマス・原子力協働プロセスに

熱供給の可能性がある原子炉型（第4世代原子力システム）

参考文献：”The Generation IV International Forum, Introduction to Generation IV Nuclear Energy Systems and the International Forum”http://www.gen-4.org/PDFs/GIF_introduction.pdf (2008)

37

原子力の持続的大量供給の条件

• 長期世界規模で見ると、核燃料のFBRによる増殖・リサイクル利用は必須

• 熱中性子炉から高速中性子炉への移行期間における核分裂物質（fissile）の供給バランスが課題。核原料物質（fertile）は豊富

– 熱中性子炉： 核分裂物質インベントリー小、増殖比＞１– 高速中性子炉：核分裂物質インベントリー大、増殖比＜１

• 適切な倍増時間の高速炉のタイムリーな導入が必要

38

　世界における原子力エネルギー 大供給可能量

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120(年）

（GW）

ワンススルー

WEC-B（参考）

FBR2050-1.2

FBR2030-1.2

FBR2050-1.3FBR2030-1.3

プルサーマル

39

原子力の供給可能量 （2000-2100年）

単位: GtonOE/年 [109 ton石油換算]

10.01.3--非電力用途への供給可能量

18.34.0--原子力の 大供給可能量 *2

8.32.7 0.5原子力発電による必要量 *1

2100年2050年2000年

*1 IIASA-WEC “Global Energy Perspective”（1998）のMiddle Course

*2 小野 清、ほか 「世界における原子力エネルギー 大供給量の検討」JNC TN9400 2001-028 （2000年12月） 適Puリサイクルの場合

バイオマス・原子力協働プロセス（参考ケース）の必要熱量= 1.74 GtonOE/年

40

炭素資源と原子力の協働的プロセスの効果

化石燃料やバイオマスの燃焼不要によるこれら炭素資源の使

用量の節減とCO2排出量の削減、炭素資源のノーブル・ユース

の増進

化石燃料/バイオマスと原子力の両方を高効率で利用するの

で両資源の節約

高効率の資源利用と安価な原子力熱コストによる経済性

41

Biomass-NuclearSynergistic

Process

C (Feed) 6 GtonC

C (Loss)

C (Solid)

C (Fuel)

Heat (Nuclear)

1.1 GtonC

2.7 GtonC

2.2 GtonC

1.74 GtonOE

C (Feed) 6 GtonC

C (Loss)

C (Solid)

C (Fuel)

1.1 GtonC

1.7 GtonC

1.4 GtonC

Biomass Only Process

Combustion 1.45 GtonOE1.9 GtonC

Yield of ‘Biomass Only Process’ is about 60 %

of ‘Biomass-Nuclear Synergistic Process’

Comparison of Two Biomass Processes

42

Comparison of Two Biomass Process – Assumption of Calculatios

Combustion Heat of Carbon = 394 KJ/mol = 32.8 GJ/tonC

Here, 1 tonOE = 42 GJ

Therefore, Combustion Heat of 1.28 GtonC = 1 GtonOE

Net Heat Required for the Process is 1.16 GtonOE

For Biomass-Nuclear Synergistic Process 1.16 x 1.5 = 1.74 GtonOE

For Biomass Only Process 1.16 x 1.25 = 1.45 GtonOE

To Generate 1.45 GtonOE of Heat by Combustion of Carbon, It Is Necessary to Use 1.45 x 1.28 = 1.86 GtonC.

So, the Yield of Biomass Only Process will be (4.9 -1.86) / 4.96 = 0.62 = about 60% of Biomass-Nuclear Synergistic Process.

43

バイオマス・原子力協働プロセス

大気中炭素をバイオマスの炭化によって安定化することは、古生代に

バイオマスが地熱で炭化して生成した石炭などの化石燃料を、人類が

燃焼してCO2を排出してきたことに対する「復元」の作業である。

これまでの人為起源CO2排出は地球規模のものなので、これに対する

復元作業は当然、地球規模の大規模なものになる。

処理するバイオマスには、森林などの木質（植生、土壌中）のほか、栽

培エネルギー植物（陸上、海中）や融解永久凍土などもある。

実際に処理する規模は、地球温暖化の深刻度、実施中のCO2の排出

抑制策の効果、生態系への影響などを評価して判断することになる。

地球環境復元のミッション

44Source: IPCC Fourth Assessment Report, Chapter 7, Fig.7.3 (2007)

The Global Carbon Cycle for the 1990s

Unit in Gton Carbon, Flux in Year-1

Pre-industrial ‘Natural’ Fluxes in Black, ‘Anthropogenic’ Fluxes in Red

45

Photosynthesis;6CO2 + 6H2O + Sunlight C6H12O6 + 6O2

where C6H12O6 (glucose) represents biomass

Decay of plant residue;C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Carbonization (conversion of an organic substance into carbon or a carbon-containing residue through pyrolysis);

C6H12O6 + (Heat) C (charcoal) + Volatiles, Gas and Condensibles

Steam gasification;C + H2O + Heat CO + H2

FT synthesis;CO + 2 H2 CH2 + H2O

where CH2 represents synthetic fuels (FT diesel oil, typically)

Biomass-Nuclear Synergistic Process

Relevant Chemical Reaction Formula

46

Concept of Synergistic Electricity GenerationUsing Hydrogen Produced from Carbon Resources and Nuclear Energy

Nuclear Energy(Heat)

Carbon Resources(Fossil Fuels, Biomass)

Hydrogen

Electricity

SteamReformer

Fuel Cell

Water

Water

CO2

Oxygen(Air)

CH4+2H2O --> CO2+4H2

-165KJ/mol (Nuclear Heat)H2+1/2O2 -->H2OΔG/ΔH＝83%

47

Scheme of Synergistic Hydrogen Production By FBR-Heated Natural Gas Membrane Reformer

48

Schematic Diagram of Synergistic Electricity GenerationUsing Natural Gas and Nuclear Energy

49

U.S. Japan

U.S., Japan

S.Africa,

Canada, S.Africa,

U.S., Japan

Many Countries

R&Ds

Various methods of hydrogen production

Feed to theFollowingProcesses

Hydrogen(H2)

Heat (1a)

Heat (1b)

H2O

CH4, H2O

Water Splitting

Steam Reform.

Increase of efficiency and yield of conversion by nuclear energy

FT Oil (4)Syn Gas（CO+H2）

Heat (2)Hydrogen(C6H12O6)n

BiomassGasification

Fuel production from flue gas of coal fired power plant

FT Oil (4)Syn Gas（CO+H2）

HeatHydrogen (3)CO2

CO2Reduction

CommentsFinalProducts

InterimProducts

NuclearSupply

RawMaterialsProcess

Reduction of CO2 emission to a halfFT Oil (4)Syn Gas

（CO+H2）

Heat (2)Hydrogen CH0~1

CoalGasification

Upgrading from bitumen from oil sands

GasolineDiesel Oil,

etc.

SCO(CH2)

Heat （Steam）

HydrogenCH1.5

Ultra Heavy OilUpgrading

Relevant Chemical Reactions;(1a) Hydrogen Production by Water Splitting H2O H2 + (1/2)O2

(1b) Hydrogen Production by Steam Reforming CH4 + H2O CO + 3H2

(2) Hydrogen Production by Steam Gasification of Coal C + H2O CO + H2

(3) Reduction of CO2 by Reverse Shift Reaction CO2 + H2 CO + H2O(4) Synthesis of FT Oil by Fischer-Tropsch（FT）Reaction CO + 2H2 → 1/n(CH2)n + H2O

R&Ds on Nuclear Production of Synthetic Fuels

50

1990-2100年の１次エネルギー供給WEC Middle course 原子力積極利用ケース

単位は石油換算10億トン (Gtoe)

34.719.89.0合計

11.44.41.6水力、再生可能

8.3 18.32.7 4.00.45原子力

15.0 5.012.7 11.46.9化石燃料

2100年2050年1990年

51

6 Gton C / Y 15 Gton DryBiomass / Y 7.5 Gton H2O / YReduction of moisture content* = 50 %

* Moisture content = ratio of water to dry biomassLatent heat of vaporization of H2O = 5.39 x 105 Kcal / tonH2OCoefficient of performance of vapor compression and condensation(VCC) process = 6Thermal efficiency of nuclear reactor = 0.3

∴ Nuclear heat required for VCC Drying = 0.224 GtonOE

Nuclear Heat Required for Drying of Biomasswith Moisture Content of 50%

by the Vapor Compression and Condensation Process

Compressor

Condensation/HeaterWater

Steam

Biomass to be dried

Nuclear Electricity

52

参考： CO2発生量当りの発電電力量

日本（2010） 386 kJe/mol CO2 (熱量では965 kJ/mol CO2)

日本（2011） 310 kJe/mol CO2 (熱量では775 kJ/mol CO2)

米国（2006） 260 kJe/mol CO2 (熱量では650 kJ/mol CO2)

仏国（2006） 1800 kJe/mol CO2 (熱量では4500 kJ/mol CO2)

53

一次エネルギー使用量

0

20

40

60

80

100

ICEV HEV PHEV BEV

パワートレイン

相対

値 ガソリン

電気

炭酸ガス排出量

0

20

40

60

80

100

ICEV HEV PHEV BEV

パワートレイン

相対

値 ガソリン

電気

評価条件

パワートレイン

ICEV： ガソリンエンジン車

HEV： ハイブリッド車

PHEV：プラグインハイブリッド車

BEV： 電気自動車

燃費（小型車クラス、EPA燃費）

ICEV： 12.8 km/L（Versa）

HEV： 21.3 km/L（Prius）

PHEV： 21.3 km/L、4.73 km/kWh（想定）

(電力走行割合, UF = 50%)

BEV： 4.73 km/kWh（Leaf）

エネルギー転換効率

原油 -> ガソリン（車載） 83.3%（JHFC）

一次エネ -> 電力（使用端） 46.5%（JHFC）

炭酸ガス排出量

2.78 kg-CO2/L （環境省*JHFC）

0.472 kg-CO2/kWH （電事連2010年度*JHFC）

自動車電動化のエネルギー・環境効果

参考： JHFC 「総合効率とGHG排出の分析」報告書（2010）

54

次世代自動車の走行距離当りの一次エネルギー投入量標準ケース（日本平均電源構成、JC08モード走行）

出典： JHFC総合効率検討作業部会報告書（2010年）

0

0.5

1

1.5

2

2.5

エンジン ハイブリッド プラグイン （電池）電気 燃料電池車 燃料電池車 燃料電池車

自動車 自動車 ハイブリッド車 自動車 （オンサイト改質）（オフサイト改質） （水電解）

1km

走行

あた

り一

次エ

ネル

ギー

投入

量[M

J/km

].

図１

55

次世代自動車の走行距離当りのCO2排出量標準ケース（日本平均電源構成、JC08モード走行）

出典： JHFC総合効率検討作業部会報告書（2010年）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

エンジン ハイブリッド プラグイン （電池）電気 燃料電池車 燃料電池車 燃料電池車

自動車 自動車 ハイブリッド車 自動車 （オンサイト改質）（オフサイト改質） （水電解）

1km

走行

当り

のC

O2排

出量

[g-C

O2/

km].

図2

56

電気自動車とプラグインハイブリッド車の

充電に必要な電力 [キロワット時]

20 GW(100万KWプラント20基)

590 億KW時

（全発電量の5.9 %）

自家用乗用車全部がプラグインハイブリッド

自動車（PHEV）

29 GW（100万KWプラント29基）

840 億KW時

（全発電量の8.4 %）

自家用乗用車全部が

電気自動車（BEV）

夜間8時間充電に

必要な設備容量

（ 100万KWプラントの基数）

充電に必要な電力量

（全発電量に占める％）

参考データ

日本の全発電量 年10000億KW時

年平均発電出力 115 GW

大需要（真夏昼） 180 GW

夜間需要（真夏） 90 GW～120 GW

想定条件

登録車

4200万台 年走行10,000Km 電費6Km/KWh

軽自動車

1500万台 年走行 7,500Km 電費8Km/KWh

プラグインハイブリッド車の電力走行割合（距離） 70%

図3

57

国

乗用車

台数

[万台]

V2G電力

＠15kW/台

[GW]

全発電電力（平均）

[GW]

V2G／全発電電力

[ -- ]

フランス 2922 438 50 8.85

ドイツ 4465 670 58 11.49

イギリス 2845 427 40 10.81

米国 19100 2865 417 6.86

日本 5444 817 113 7.23

図4 プラグイン自動車（PEV）から系統への電力サービス（V2G ）

乗用車V2G電力と全発電電力 [キロワット]

Kempton, W. and A. Dhanju, “Electric Vehicles with V2G: Storage for Large-Scale Wind Power”

Windtech International 2 (2), pp 18-21 (March 2006)の図に日本のケースを加筆・編集

全乗用車の電力（kW）は系統の全発電電力（kW）の７倍！

自動車の1日の平均走行時間は62.3分（米国統計）、1日23時間は駐車中！

58

プラグイン自動車の融通可能電力（系統接続率＝65%）

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

年（西暦）

自動

車融

通電

力（万

kW）-

1台当り融通電力：3kW 1台当り融通電力：6kW 太陽光変動幅

図4

堀雅夫・金田武司 「プラグイン自動車・電力系統間の双方向電力流通システム－そのコンセプトと効果－」2010年自動車技術会春季大会 学術講演会前刷集 No.52-10 p.9～14 （2010年5月）

59

発電のCO2排出原単位と自動車の「Source-to-Wheel」CO2排出量EPA複合燃費

020406080

100120140160180200220240

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

発電のCO2排出原単位 [kg/kWh]

自動

車の

CO

2排

出量

[g/

km]

エンジン車

ハイブリッド車

プラグインハイブリッド車

電気自動車

摘要

ガソリンのCO2排出原単位： 2.80 kg/L発電所上流のCO2排出は排出原単位の14.3%エンジン車燃費： 12.8 km/Lハイブリッド車燃費： 21.3 km/L電気自動車電費： 4.73 km/kWhプラグインハイブリッド車：ハイブリッド車燃費と電気自動車電費をユーティリティファクターUF=0.5 で合成

日本の発電のCO2排出原単位電力各社2009年度実績

関西 東京

中国 沖縄四国

北海道

中部

北陸

九州 東北

電気自動車： 2011 日産・リーフ Automatic プラグインハイブリッド車： リーフ＋プリウス（UF=0.5） を想定

ハイブリッド車： 2011 トヨタ・プリウス 1.8 L, 4 cyl, Automatic エンジン車： 2011 日産・ヴァーサ 1.8 L, 4 cyl, Automatic

2009年度2010年度

平均2011年度

平均 原子力ゼロ

60

発電のCO2排出量と自動車のCO2排出量

020406080

100120140160180200220240

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

発電のCO2排出原単位 [kg/kWh]

自動

車の

CO

2排

出量

[g/

km]

エンジン車

ハイブリッド車

プラグインハイブリッド車

電気自動車

摘要

ガソリンのCO2排出原単位： 2.80 kg/Lエンジン車燃費： 12.8 km/Lハイブリッド車燃費： 21.3 km/L電気自動車電費： 4.73 km/kWhプラグインハイブリッド車：ハイブリッド車燃費と電気自動車電費をユーティリティファクター UF=0.5 で合成

発電のCO2排出原単位と自動車のCO2排出量

日本の発電のCO2排出原単位電力各社2009年度実績

関西 東京

中国 沖縄四国

北海道

中部

北陸

九州

加 日 英 米 中 豪

各国の発電のCO2排出原単位

（2006年）

仏 伯 EU 独

平均

東北