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CO2

CO2 H2

CO2

Molecular

Gate

Membrane

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CO2

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Molecular

Gate

Membrane

1

次世代型膜モジュール技術の進捗について

次世代型膜モジュール技術研究組合専務理事 中尾 真一

2015.10.2

革新的CO2膜分離技術シンポジウム講演 ４

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Membrane目次

１．CCS技術の概要

２．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（H23FY～H26FY）の成果概要

（１） 分離膜技術の開発（２） 実機膜モジュールの開発（３） 膜分離システムの開発

３．二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY ～）の概要及び研究開発計画

2

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Gate

Membrane目次

１．CCS技術の概要

２．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（H23FY～H26FY）の成果概要

（１） 分離膜技術の開発（２） 実機膜モジュールの開発（３） 膜分離システムの開発

３．二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY ～）の概要及び研究開発計画

3

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Membrane

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

石炭ガス化複合発電(IGCC)

30~50 2～4 H2、CO、H2S 物理吸収、化学吸収、膜

脱水

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

4

CO2分離回収フローチャート

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Gate

Membrane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。

5

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6

帯水層の顕微鏡写真空隙部分にCO2を貯留

分離・回収 輸送 圧入

海上施設より圧入

パイプライン輸送

分離・回収

大規模排出源

パイプライン輸送

地上施設より圧入

不透水層（キャップロック）

不透水層（キャップロック）

CO2

CO2

陸域帯水層（地下深部塩水層）

海域帯水層（地下深部塩水層）

二酸化炭素回収・貯留 (CCS, CO2 capture and storage)

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Membrane発電技術一覧

7次世代火力発電の早期実現に向けた協議会(第4回会合)【資料2】p3(2015年7月)から転記

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http://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_

subcommittee/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］

4,200円台 2,000円台 1,000円台(分離膜実用化 1,500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

CO2 H2

CO2

CO2 H2

CO2

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Membrane

CO2 H2

CO2

CO2 H2

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Molecular

Gate

Membrane目次

１．CCS技術の概要

２．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（H23FY～H26FY）の成果概要

（１） 分離膜技術の開発（２） 実機膜モジュールの開発（３） 膜分離システムの開発

３．二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY ～）の概要及び研究開発計画

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10

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

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11

設立： 平成23年2月17日

事業の概要：

二酸化炭素回収コスト1,500円／t-CO2を実現する

次世代型分子ゲート機能膜、実用膜モジュール及び

膜システムに関する基盤・基礎・応用技術開発を行い、

IGCC＋CCS実証プラント運転を実施してその事業化を目指す。

組合員

RITE、 ㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱

次世代型膜モジュール技術研究組合の概要

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従来の高圧用物理吸収法に比べ

・低エネルギー物理吸収法の１／３～１／４ *

・低コスト

1,500円／t-CO2 （目標）

分子ゲート膜モジュールのIGCCへの適用

＊: 次世代型膜モジュール技術研究組合の試算による

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CO2 H2

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Gate

Membrane1,500円/t-CO2を実現する要求膜性能の検討

分解ガスの圧力を利用し、動力を使用しないために再設定した目標膜性能

QCO2 > 3.0×10-10 [m3(STP)m-2s-1Pa-1]αCO2/H2 > 125

CO2 ca. 40%

H2 ca. 60%

初期目標性能：QCO2 > 7.5×10-10 [m3(STP)m-2s-1Pa-1]、αCO2/H2＞30

CO2回収率＞90％濃度＞95 vol%

1段システム

供給ガス 非透過ガス

透過ガス

CO2回収率>90％濃度＞95 vol%

供給ガス

非透過ガス

透過ガス

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14

CO2分子ゲート膜とは

CO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜

供給側

透過側

圧力

高圧

低圧

CO2

CO2分子ゲート膜CO2/H2

>125

CO2 H2

DCO2

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15

CO2分子ゲート膜の分離機構（推定）

HCO3

CO2 H2

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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

加湿条件下で高い分離性能→モジュール構造、システム上の水蒸気供給手法の導入

カルバメートによる分子ゲート機能

HCO3

HCO3

HCO3

HCO3

HCO3

CO2は重炭酸イオンとして膜中を移動

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MembranePVA系分子ゲート膜（例）

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PVA

Crosslinker

Dendrimer

Dendrimer (example)

N N

NH

NH

NH

HN

O O

OO

NH2

NH2

H2N

H2N

OH

OH

OH

Ti ORRO

HO

HO

HO

+

PVA + crosslinker

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17

PVAの種類を変えることで、分子ゲート膜のH2O収着量向上(PVA-A＜ PVA-B＜ PVA-C)

耐乾燥性向上のための高分子マトリクスの検討

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18

耐乾燥性：パーミアンス（Q）、CO2/He選択性（α）の湿度依存性

吸水性の高いPVAを使用することで、湿度40～80%RHで安定なCO2分離性能を有する膜を開発した。

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CO2 H2

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Gate

Membrane分子ゲート膜の分離性能の向上

ラボレベルで目標分離性能を達成世界最高レベルの分離性能を更新

(1) H. Lin, B. Freeman et al.,Science, 311, 639-642 (2006)

19

目標値QCO₂>3.0×10-10

[m3(STP)m-2s-1Pa-1] CO₂/He > 125

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1.0E-12 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09

(C

O2/H

e)

[-]

QCO₂[m3(STP)m-2s-1Pa-1]

■平成25年度

○平成24年度

(1)

Target

目標値QCO2 > 3x10-10

αCO2/He > 125

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Membrane

目標： CO2回収コスト1,500円/t-CO2以下

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

20

CO2分離性能と目標達成領域

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CO2

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Gate

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21

耐久性（3,000時間連続試験）

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

0 1000 2000 3000

Q [

m3 (

STP

) m

-2s-

1P

a-1]

Time [h]

101

102

103

0 1000 2000 3000

CO

2/H

e [

-]

Time [h]

測定一時停止（172h）

CO2

He

中圧条件（全圧0.7MPa）において、3,000時間までの耐久性を確認*

*：3,000時間で測定を終了

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22

CO2分離膜モジュール

スパイラル分離膜モジュール外観

（左2インチ、右4インチ）

CO2分離膜及び膜モジュール

CO2分離膜（単膜） 外観 分離機能層

膜断面図5cm

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実機膜モジュールの開発

４インチへのスケールアップをしても２インチモジュール同等の性能を発現できることを確認

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24

CO2分離コスト試算の前提とした分離性能曲線（例）

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[%RH]

1段目 21段目 41段目 58段目

[%RH]

透過側

非透過側

膜エレメント内部の相対湿度分布（シミュレーション例）

シミュレーションにより膜エレメント内部の相対湿度、全圧、CO2分圧等の分布を計算

点線：ガスの流れ

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CO2分離コスト試算

検討条件温度 85 ℃組成 CO2 36.3 vol %（ドライベース）

H2 63.7 vol %（ドライベース）H2O 計算条件によって設定

非透過側圧力 2.4 MPa透過側圧力 大気圧付近

目標性能CO2回収量 100万t/Year (63,000 Nm

3/h)CO2濃度 95 vol %以上CO2回収率 90 %以上

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CO2分離コスト試算結果

項　目 計算値 単　位

CO2回収量 125.3 t/h

膜面積 190,000 m2

蒸気使用量 24.1 t/h

モジュール効率

設備費 600 円/t-CO2

膜ｴﾚﾒﾝﾄ及びﾓｼﾞｭｰﾙ容器費用 350 円/t-CO2

変動費 540 円/t-CO2

処理費合計 1,490 円/t-CO2

なし

CO2分離コスト 1,500円/t-CO2を達成

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項　目 計算値 単　位

蒸気使用量 24.1 t/h

蒸気原単位 0.192 t/t-CO2

電力使用量 50 kW

電力原単位 0.4 kWh/t-CO2

合計エネルギー原単位 0.55 GJ/t-CO2

エネルギー原単位の試算結果

エネルギー原単位： 0.55 GJ/t-CO2他プロセス（吸収法等）の1/3程度

・必要エネルギーの大部分は、膜の性能発揮に必要な水分を確保する水蒸気・膜分離に必要な圧力は分解ガスの圧力をそのまま使用するのでガスの圧縮などの動力は不要・表中の電力は、照明、制御等の一般的な雑電力

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【設備能力】 CO2回収量100万ton/y←25万kW発電相当（IGCCベース）

【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（巾33mx奥行45mx高17m）

CO2分離膜プラントイメージ

29

スキッド集合体ブロック図（巾11.5ｍｘ奥行10mx高1.3m)

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Membrane目次

１．CCS技術の概要

２．二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（H23FY～H26FY）の成果概要

（１） 分離膜技術の開発（２） 実機膜モジュールの開発（３） 膜分離システムの開発

３．二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY ～）の概要及び研究開発計画

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二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（H23FY～H26FY）

【成果】分子ゲート機能CO2分離膜モジュールの基本技術を確立

二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY～ ）

【目的】 実ガス試験による

膜モジュール性能、プロセス適合性等に関する技術課題の抽出と解決

実用化段階において分離・回収コスト1,500円/t-CO2以下を達成する実機膜モジュールシステムの開発

31

前プロジェクト成果と現プロジェクトの目的

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実施体制図（H27FY～ ）

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研究開発項目

実ガス試験による実用化研究

実機膜モジュールの実用化研究

経済性評価・取りまとめ

実ガス試験プロセス・装置の検討

小型ガス化炉における実ガスを用いた検証試験

模擬ガス試験に基づくプロセス適合性課題抽出

実ガス試験結果を反映した

膜モジュールのチューニング

膜モジュールおよび周辺技術

の検討

実ガス試験プロセス・装置の最適化

発電所実ガス試験プロセスの検討

発電所実ガス試験に向けた最適化・検証

発電所実ガス試験に向けた実ガス試験結果のデータ解析

(素材、モジュール、プロセス）

発電所実ガス適用に向けた実機膜モジュールシステムの詳細

検討

プロセス適合性付与と模擬ガス試験による検証

実機膜モジュールシステムの詳細検討・経済性評価・とりまとめ

実機膜モジュールシステムの検討

実ガス試験結果を反映した実機膜モジュールシステムの検討

耐圧性、耐久性等 耐不純物性等

研究開発項目とスケジュール（H27FY～ ）

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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による技術課題の抽出、解決• 実用化段階の分離・回収コスト1,500円/t- CO2 以下の達成• 実機膜モジュールシステムの開発

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

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謝 辞

本報告は、経済産業省から次世代型膜モジュール技術研究組合が受託した

平成23～26年度「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」及び平成27年度「二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業」

の一環として行われたものである。

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36

ご清聴ありがとうございました