水素利用等先導研究開発事業／エネルギーキャリアシステム調査・
研究／エネルギーキャリアシステムの経済性評価と特性解析
目的
委託先：（一財）エネルギー総合工学研究所
水素を効率的に貯蔵・輸送等できるエネルギーキャリアについて、従来プロセスとの 比較検討等、エネルギー効率あるいは経済性の飛躍的向上が期待できる新規プロ セスの有効性を確認する解析評価研究を行い、そのプロセスを含むシステムの特性 セスの有効性を確認する解析評価研究を行い、そのプロセスを含むシステムの特性 解析を行い、システム全体の性能・経済性、開発課題、開発目標を把握する。
研究体制 研究体制
経済産業省 エネルギー総合工学研究所
エネルギーキャリアシステム調査・研究
／エネルギーキャリアシステムの経済
委託 (注)「エネルギーキャリア
システム調査・研究」の他 の委託事業と連携する NEDO
経済 性評価と特性解析
研究開発等責任者：坂田 興
開発項目
①汎用フレームワークの構築
②経済性評価・特性解析
③開発課題、開発目標の把握
「NEDO燃料電池・水素技術開発 平成２５年度成果報告シンポジウム」 2014年9月17日
③開発課題、開発目標 把握
実施内容例 ｴﾈﾙｷﾞｰｷｬﾘｱｼｽﾃﾑ一般化ﾌﾛｰ
-規模、空間的広がりと構成ﾌﾟﾛｾｽ-輸送
H
国外 大規模
キャリア 製造/再生
脱水素等 ｷｬﾘｱ形態変換
最終消費 (電力・熱) 輸送
(海上・長距離) 貯蔵 (積荷・揚荷)
再
H
大規模
貯蔵 輸送 (ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ)
国内
再 生可能 エ
(ﾊ ｲﾌ ﾗｲﾝ)国内大規模
長時間貯蔵
エ ネル ギ ー
国内でRE起源 ｴﾈﾙｷﾞｰ消費割
＋輸送 ｷｬﾘｱの形態変換
を行う場合も
国内 RE比率高
ー ( Ｒ
新規プロセスの経済性評価・特性解析を行うための、規模、空間的広がりも考慮した 研究成果
① 般化 設定した各プ セ に適用 分割したサブプ セ にも適用 統合され
要件
汎用フレームワークへの要件を抽出し、それを満たすよう汎用フレームワークを構築 するプロセスの特性値の抽出を行った。
①一般化フローで設定した各プロセスに適用。分割したサブプロセスにも適用。統合され るプロセスにも適用。
②エネルギーキャリアが各プロセスの入出力部にて、同等性質の有効エネルギーで表現
③エネルギーキャリア及びユーティリティーの有するエクセルギーに着目
要件
③エネルギ キャリア及びユ ティリティ の有するエクセルギ に着目
④プロセス各段階へのコスト加算分を算定でき、全体と併せ、各プロセスの経済性を表現
⑤キャリアが変わっても、各プロセスの効率（特性）とコスト（経済性）が表現
プロセスからの
汎用フレームワーク
最終エネルギーコストへの 当該プロセスの寄与分エネルギーキャリアシステム構成プロセス プロセスへの
エネルギーキャリアの流入
プロセスからの エネルギーキャリアの流出
EC(out) プロセスからの
エネルギーキャリア以外の 流出 RM(out)
仕事の流出
（電力、圧力、加熱、
冷却等）
W(out)
汎用フレ ムワ ク
[UE-EC(out)] - [UE-EC(in)]
[円/kWh]
ネルギ キャリアシ テ 構成 マス・エクセルギーバランス プロセス装置・機器の初期コスト
IC [円]
年固定費（人件費を除く） FCY FCY=α＊IC [円/y]
EC(in） EC(out)
年コスト分解 CY-EC(out)=
変動費分 VCY-EC(out)
＋固定費分 FCY-EC(out) マスフロー MF：
MF-EC(in) [kmol/y]
エクセルギーフロー EF：
脱水素等 最終消費
輸送 H
α：年固定費率
プロセスへの エネルギーキャリア以外の
プロセスへの 仕事の注入
（電力、圧力、加熱、
冷却等）
W(in)
例 ( )
年変動費分コスト VCY-EC(out)=
CY（EC(in)+RM(in)＋W(in) -RM(out)-W(out)）
年固定費分コスト
（除く人件費）
ＦＣＹ IC EF-EC(in) [kWh/y]
年コスト CY：
CY-EC(in) [円/y]
エクセルギー単価 UE:
UE-EC(in) [円/kWh]
質量単価 UM:：
UM-EC(in) [円/kg]
モル質量 MM[k /k l]
国外 大規模
キャリア 製造/再生
脱水素等 ｷｬﾘｱ形態変換
貯蔵 輸送 (ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ)
最終消費 (電力・熱)
国内 大規模
(海上・長距離) 貯蔵 (積荷・揚荷)
長時間貯蔵
＋輸送 ｷｬﾘｱの形態変換
を行う場合も 国内
比率高 再生可能エネルギー(Ｒ
「NEDO燃料電池・水素技術開発 平成２５年度成果報告シンポジウム」 2014年9月17日 エネルギーキャリア以外の
流入 RM(in) 例：EF1-W(in) 吸熱反応進行のため のエクセルギー注入
ＦＣＹ=α*IC モル質量 MM[kg/kmol]
によりUE～UM換算
を行う場合も RE比率高
Ｅ)等
対象エネルギ キャリアのプロセスとして 水電解 水素液化 貯蔵に対し 汎用 今後の開発課題
• 対象エネルギーキャリアのプロセスとして、水電解、水素液化、貯蔵に対し、汎用 フレームワークの改良・適用拡大を図る。
• 開発課題、開発目標の把握に向け、従来モデルの比較を考慮した実機イメージに 基づき 経済性評価・特性解析を進める
基づき、経済性評価・特性解析を進める。
スケジュール
汎用フレームワークの構築
Ⅰ エネルギ
ベンチスケール装置 構成・構造の判断、
目標提示
スケジュール
汎用フレ ムワ クの構築
各キャリア調査研究のデータ等を参考に、キャリアプロセスの経済性評価・特性解析 有効性評価、開発課題と目標の把握
Ⅰ エネルギー キャリアシステ ムの経済性評 価と特性解析
有効性評価、開発課題と目標の把握
Ⅱ 高効率メタン化触媒を用いた水素／メタン変換（キャリア：メタン）
水素を効率的に 貯蔵 輸送等で
Ⅲ 溶融塩を用いた水と窒素からのアンモニア電解合成（キャリア：アンモニア）
Ⅳ 水素分離膜を用いた脱水素（キャリア：メチルシクロヘキサン）
貯蔵、輸送等で きるエネルギー キャリア別の研 究プロジェクト
「NEDO燃料電池・水素技術開発 平成２５年度成果報告シンポジウム」 2014年9月17日
2013年 2014年 2015年
再生可能エネルギー貯蔵・輸送等技術開発
「水素利用等先導研究開発事業/エネルギーキャリアシステム調査 /高効率メタン化触媒を用いた水素・メタン変換」
/高効率メタン化触媒を用いた水素 メタン変換」
委託先：日立造船株式会社
時間的ミスマッチ：
発電出力の変動（季節・時間）→需要への追従不可
距離的ミスマッチ：
都市部から離れた場所に偏在
Water Electrolyzer Renewable Energy
発電出力の変動（季節 時間）→需要 の追従不可 都市部 離 場所 偏在
・長期貯留・燃焼/発電設備や インフラが不整備
・レアメタル必須
H H22
y
電気として ガスとして 高濃度CO2排出
LNG
Natural Gas Power Plant
Offshore Gas field CH
CH44 CO CO22 Recycling Recycling
Methanation Systems (Storage ＆Transportation)
本事業目的 本事業目的
図１にグリーンメタンプロセスの概要を示す。再生可能エネルギー発電電力 を水電解により水素（グリーン水素）に変換し 回収したCO と反応（メタン化）
Green Methanation Process Green Methanation Process
Recycling Recycling
図１．日立造船が描くグリーンメタンプロセス概略図
を水電解により水素（グリーン水素）に変換し、回収したCO2と反応（メタン化）
させグリーンメタンに変換する。メタン化においては、当社の高性能メタン化 触媒により水素を高効率かつ高速にメタンに変換することを可能する。
将来の大規模化再生可能エネルギー変換プロセス構築を見据え、本事業 では 国内電力会社の協力の下 離島を対象としたグリーンメタンプロセスの では、国内電力会社の協力の下、離島を対象としたグリ ンメタンプロセスの Feasibility Study、エネルギー利用形態を考慮したプロセス設計および実証、
本プロセス全体の総合効率向上を行うことを目的とする。
1
図２．グリーンメタンプロセス応用例
開発目標・開発項目・実施内容 開発目標・開発項目・実施内容
本事業における開発項目、平成27年度開発目標および平成25年度実施内容を表１に示す。
表１．開発目標、開発項目および実施内容
開発項目 目標（～H27年度） H25年度実施内容
①－１ 熱回収効率の最適 熱回収効率 ≧35%
a) ﾍﾞﾝﾁ実証設備導入・熱回収量の実計測 b) 熱回収に適した触媒組成 形状の検討
①総合効率FS
① 熱回収効率の最適
化手法検討 熱回収効率：≧35% b) 熱回収に適した触媒組成・形状の検討 c) 低温熱回収方法の検討
①－２ 総合効率最適化ﾌﾟﾛ
ｾｽ検討 総合効率: ≧75.7% 熱回収実証結果の評価とプロセスへの応用検討
②離島モデルの
経済性評価 ②－１ 離島ﾓﾃﾞﾙﾌﾟﾛｾｽ設計 プロセス設計完了 a) 物質収支からのメタン製造プロセスの 検討 b) メタン製造プロセス仕様の設定
②－１ 水素転換率最適化 水素濃度:≦5%@リアクタ出口 実証用ﾘｱｸﾀ 製造設備設計製作完了
③離島モデルの実証データ取得
・実証用ﾘｱｸﾀ・製造設備設計製作完了
・水素濃度:≦5%, 熱回収効率≧35%
＠実証用リアクタ
④実機に向けた共同会議 共同会議実施（2回・年）
研究体制 研究体制
図３に本研究開発の体制図を示す。実機にむけた評価に必要なデータ設定等についてエネルギー総合工学研究所と連携し、オブザーバーとして 本研究開発のFS検討・実証対象として電力会社に協力を依頼した
経済産業省 日立造船株式会社
PM： 熊谷 直和 NEDO 委託
連携
2
エネルギー総合工学研究所 携
（委託）
図３．研究体制図
平成
平成25 25～ ～27 27年度スケジュール 年度スケジュール
表２に平成25～27年度スケジュールを示す。
平成27年度の離島を対象とした実証試験に向け 26年度 研究開発項目 平成25年度 平成26年度 平成27年度 表２．本研究開発実施スケジュール
平成27年度の離島を対象とした実証試験に向け、26年度 までにプロセス設計とFSを完了させる。
主な研究成果（平成
主な研究成果（平成25 25年度） 年度）
研究開発項目 平成25年度 平成26年度 平成27年度
①総合効率のFS
①－１ 熱回収効率最適化手法の検討
①－２ 総合効率最適化プロセス検討
① 総合効率のFS
初年度となる平成２５年度は反応熱の最適回収方法を 検討するための基礎データ取得を主目的とし、メタン 化反応から発生する反応熱の回収量および、回収 方法を検討するためにベ チ ケ メタ 化反応
② 離島モデルの経済性評価
②－１ CO2源の選定と物質収支からの プロセス設計
② ２ 水素転換率の最適条件検討 方法を検討するためにベンチスケールメタン化反応
装置（図４）を設計・製作した。反応用触媒には自社 開発したNi担持ジルコニアを用い、理論化学量論比 H2/CO2=4の混合ガスを、流速3Nm3/h、反応圧力 0.5MPaAとして反応させたところ、メタン転換率
②－２ 水素転換率の最適条件検討
③ 実証試験によるプロセス最適化
③－１ 離島モデル実証試験
③－２ プロセス設計 28年度以降
97.14％・メタン選択率100％であった。しかしながら 熱力学的平衡組成では最大99.1％の転換率であり、
使用したリアクターの運転環境、構造の最適化が必 要と判った。
28年度以降
メタン化 既設 ケース(i) ケース(ii)
② 離島モデルの経済性評価
CO
ガスエンジン メタン化
回収
② 離島モデルの経済性評価
平成25年度は離島環境条件下、CO2供給源について２つのケー スを想定した。離島環境におけるCO2の獲得方法として既設 のガスエンジンからの排ガスを回収・再利用する方法をケー
ス(i)とし、離島内に存在する廃材等の木質バイオマスをガス CO2
ガス化炉
木質バイオマス
廃材排出 設備 ス(i)とし、離島内に存在する廃材等の木質バイオマスをガス
化してCO2を得る方法をケース(ii)（図５）とし、物質収支から のプロセスシミュレートによる経済性評価を試みた。但し、評 価に必要な収集データの拡充、ならびにユーザー側が想定す る規模や手法の反映を含めた更なる詳細検討が必要あるた め 平成26年度も引き続き実施する
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図４．ベンチスケール メタン化反応装置
図５．離島モデルのCO2獲得源 ケーススタディ
ガ 化炉 設備
め、平成26年度も引き続き実施する。
まとめ・今後の課題 まとめ・今後の課題
表３に平成25年度の開発成果まとめを示す。
実施項目 H25年度実施内容 H25年度成果概要
①総合効率のFS調査 a) ベンチ実証設備の構築・設備を用いた熱回収量の実計測 設備製作・基盤データ取得達成 表３．平成25年度実施内容および成果概要
①-１
メタン化プロセスにおける 熱回収効率の最適化手法の検討
b) 熱回収に適した触媒組成・形状の検討 基準データ取得達成
c) 低温熱回収方法の検討 回収方法の選定達成
①-２ 熱回収評価 解析 基盤となるデータ取得達成
① ２
総合効率最適化プロセス検討 熱回収評価・解析 基盤となるデ タ取得達成
（本項は平成26年度も継続）
②離島モデルの経済性評価
②-１ CO2源物質収支からのプロセス
a) 物質収支からのメタン製造プロセス検討 想定２ケースの基盤試算完了
（本項は平成26年度も継続）
仕様の基礎設定を完了
① 総合効率のFS
② １ CO2源物質収支からのプ セス
設計 b) メタン製造プロセス仕様の設定 仕様の基礎設定を完了
（本項は平成26年度も継続）
・今年度基盤データ取得用として製作した一般的なリアクタ仕様では、リアクタ入口側の触媒層が低温の供給ガスにより冷却されるため、回収熱の ロスが生じ、理論転換率より若干下回る結果となったため、リアクタ管構造および熱回収ルートのさらなる最適化が課題である。
・回収熱利用方法として、システムから発生する熱とマッチングしやすいORC発電などの中低温熱利用を検討したが、プロセスの規模が一定の大 きさを有する必要があるため、離島モデル規模においては、回収熱をプロセス内で利用するカスケード利用についても検討が必要がある。
② 離島 デ 経済性評価
② 離島モデルの経済性評価
外部系統電源から独立している離島において、予測した風力発電余剰電力量からシステム全体のプロセスシミュレーションを行い、
(ⅰ)風力、太陽光発電など余剰電力・・・⇒水素製造設備＋CO2回収設備(ガスエンジン排ガスから回収)＋メタン製造設備＋ガスエンジン (ⅱ)風力、太陽光発電など余剰電力・・・⇒水素製造設備＋CO2回収設備(木質バイオマスガス化)＋メタン製造設備＋ガスエンジン
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上記2ケースのメタン製造量・熱回収量を試算し、これらをベースとした各構成機器およびこれらからなるプロセス全体の概念試設計を実施した。平 成26年度以降は、メタン化試験等で得られたデータおよび利用者側からの意見等をフィードバックして概念設計の見直し・仕様決定を行なう。