脱炭素のキーテクノロジー！二酸化炭素の分離回収技術の解説

今回の記事では脱炭素を達成するための、二酸化炭素(CO2)の分離回収技術について解説します。

2021年になってから、脱炭素の気運が高まってきています。例えば、アメリカではバイデン政権が2050年までにCO2排出量を0にする、という公約を掲げており、日本も2050年までにCO2排出量を0にする目標を掲げています。

クリーンエネルギーの代名詞である水素も、製造時のCO2排出の有無により、グリーン水素、ブルー水素、グレー水素などと使い分けられるようになりました。

プラントエンジニアのおどりば

 

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2021.01.28

ブルー水素、グリーン水素って何？プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説

https://yuruyuru-plantengineer.com/what-is-green-hydrogen

欧州では以前から水素含めたクリーエネルギーへの取り組みが進んでいましたが、米国でもバイデン大統領がクリーンエネルギーへの多額の投資を公約として掲げており、化石燃料からクリーンエネルギーへの移行は加速していくものと思われます。クリーンエネルギーの筆頭として挙がっているのが水素エネルギーですが、2021年になってからブルー水素、グリーン水素などの言葉がよく聞こえるになりました。一瞬、水素に色がついているような印象を受けますが、実際にはそんなことはありません。ではこれらの水素は何が違うのか、実用化技術...

究極的には、水の電気分解などで得られる水素（グリーン水素）のみをエネルギー源とすると、CO2の発生量は0となりますが、世の中に必要なエネルギーをグリーン水素だけで賄うのは現実的ではありません。

そこで、脱炭素(CO2排出量0)を達成するための現実的な手段としては、本来排ガスとして排出されるはずの二酸化炭素（CO2）を回収して大気に放出しないことです。

例えば、火力発電所の排ガス、水素製造装置の排ガス中のCO2を回収することです。

そのため、脱炭素の鍵となる技術は、排ガス中の二酸化炭素（CO2）を分離回収する技術です。

CO2の分離回収技術を挙げると以下のような種類があります。

本記事ではそれぞれの技術について、メリット、デメリットと共に内容を解説します。

物理吸収法

吸収液に高圧のCO2を物理的に吸収させ、その吸収液を減圧することでCO2を分離する方法です。

化学反応を伴わずに吸収液にCO2を取り込むことが可能です。

CO2源を高圧にする必要があるので、高温・高圧な石炭由来のガスからCO2を回収する際に有利と言われています。

出典：CCS（二酸化炭素回収貯留）の概要と展望

有名なプロセスとしては、Linde社のレクチゾールプロセスやUOP社のセレクソールプロセスが挙げられます。

吸収液としてはメタノールが良く用いられますが、ポリエチレングリコール溶液も用いられることもあります。

化学吸収法

吸収液にCO2を接触させることで、化学反応によりCO2を吸収させ、その吸収液を加熱することでCO2を分離する方法です。

CO2源は発電所の排ガスなど、低圧であっても適用可能なので、CO2分離回収技術としては最も多く用いられる技術です。

出典：千代田化工建設

国内でも技術開発が行われており、東芝や三菱重工では化学吸収法によるCO2回収設備の実績が多くあります。特に三菱重工は2016年に運転開始された、世界最大のCO2回収設備の実績（4776 ton/day)があり、CO2回収設備のパイオニアとして期待されています。

吸収液としては、モノエタノールアミンのアミン溶液やアンモニアが使われますが、主流はアミン溶液を用いるアミン法です。

アミン法は各社の技術開発の対象になっていますが、各社とも趣向を凝らしたアミン溶液を開発しています。

吸着法（PSA、TSA）

圧力差あるいは温度を利用して選択的にCO2を吸着、脱着することでCO2を分離する方法です。

圧力差を利用する場合はPSA（Pressure Swing Adsorption/圧力スイング吸着法）、温度差を利用する場合はTSA（Thermal Swing Adsorption/温度スイング吸着法）と呼ばれます。

出典：住友精化カタログ

吸着材としてはモレキュラーシーブ（ゼオライト）や活性炭が用いられることが一般的です。

液体を用いる物理吸収法、化学吸収法と比較して必要エネルギーが低く、安全性も高い技術です。

PSA自体は、窒素や酸素の精製においてよく用いられています。CO2の分離回収においては、これまではあまり用いられることありませんでしたが、これから普及していくと考えられています。

膜分離法

高分子膜や無機膜を用いて、圧力差を駆動源としてCO2を分離回収する方法です。

高分子膜であれば、排ガス中の各成分の高分子への溶解選択性を利用、無機膜であれば細孔径による分子篩能を利用します。

出典：Membrane Separation Technology in Carbon Capture

膜分離法によりCO2分離回収技術は新しい技術のため、膜材が高コストで回収後のCO2純度も高くないですが、今後は低コスト化、高性能化が進むと期待されており、注目されている技術の一つです。

深冷分離法

沸点の違いを利用してCO2を分離回収する方法です。

出典：ResearchGate

深冷分離は古くからある技術ですが、他の方法と比較して消費エネルギー、コスト面で劣るため、最近ではあまり用いられていません。

コスト比較

それぞれのCO2分離回収技術のコスト(CO2 1ton回収するために必要なコスト)を比較すると以下の通りになります。

出典：資源エネルギー庁資料、環境省資料

現行では物理吸収法、化学吸収法、吸着法のコストは大差がありませんが、膜分離法は高コストであることが分かります。

その一方で目標コストが最も小さいのは膜分離法で、今後最もコストダウンが期待されているのは膜分離法であることが分かります。

まとめ

本記事では脱炭素の鍵となる、排ガス中の二酸化炭素（CO2）を分離回収する技術ついて解説しました。

CO2の分離回収技術を挙げると以下のような種類があります。

それぞれのメリット、デメリット及びコストを加味すると、現行では化学吸収法によるCO2分離回収技術が最も妥当な技術であると言えます。

しかし、化学吸収法は小容量ではコストが悪化しやすいので、今後の広く普及していくためには、膜分離法の普及が必要不可欠だと言えます。

もちろん、これらの技術一つだけを選定するのではなく、膜分離＋PSAのように組み合わせることでそれぞれのメリットを組み合わせることも一案です。

どの技術が普及するにしろ、今後これらの技術が発達し、広く普及していくことを願っています。

この記事が役に立てば幸いです。それではまた他の記事でお会いしましょう。