スライド 1

CO2

CO2

G

M

G

M

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

2015.2.2

革新的

CO

CO2

CO2

G

M

G

M

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）

CO

CO

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, CO ₂ capture and storage

CO2

CO2

G

M

G

M

CCSとCO

₂

総合科学技術会議 環境エネルギー技術革新計画（2013年9月13日）、別添3：各技術項目のロードマップ等について 3

CO2

CO2

G

M

G

M

4

2010

2020

2030

技術ロードマップ（分離・回収技術）

分離・回収コスト

分離・回収エネルギー

4,200

/t-CO2

4.0GJ/t-CO2

2,000

/t-CO2

（分離膜の実用化で）

1,500

/t-CO2

2.5GJ/t-CO2

1,000

/t-CO2

(最終目標)

1.5GJ/t-CO2

CCSとCO2分離・回収技術

Today

「総合科学技術会議 環境エネルギー技術革新計画（2013年9月13日）、

別添3：各技術項目のロードマップ等について」より編集

CO2

CO2

G

M

G

M

エネルギー基本計画（抜粋）

第５節 化石燃料の効率的・安定的な利用のための環 境の整備

１．高効率石炭・ＬＮＧ火力発電の有効活用の促進

加えて、温室効果ガスの大気中への排出をさらに抑えるため、

ＩＧＣＣ等の次世代高効率石炭火力発電技術等の開発・実用化 を推進するとともに、２０２０年頃の二酸化炭素回収貯留（ＣＣＳ）

技術の実用化を目指した研究開発や、ＣＣＳの商用化の目途等 も考慮しつつできるだけ早期の

CCS Ready

エネルギー基本計画（2014年4月）

CO2

CO2

G

M

G

M

2~4 MPa

石炭

200 ~ 400 C

O

蒸気

CO + H

O

H

+ CO

熱交換器

水性ガスシフト反応生成物

組成

: CO

ca40 vol%/ H

/

: 50 ~ 150 C

: 2 ~ 4 MPa

H ₂ CO 2

ガス化炉 水性ガスシフト反応炉

水性ガスシフト反応

CO ₂

1,500

/t-CO ₂

次世代型膜モジュールの開発

CO2

CO2

G

M

G

M

1,500

/t-CO ₂

7

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

Q _CO2 > 3.0

10 ^-10 [m ³ (STP)m ^-2 s ^-1 Pa ^-1 ] a _CO2/H2 > 125

CO

ca. 40%

H

ca. 60%

初期目標性能：

Q _CO2 > 7.5

10 ^-10 [m ³ (STP)m ^-2 s ^-1 Pa ^-1 ]

α _CO2/H2

30

CO2

>90

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

CO2

CO2

G

M

G

M

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

t-CO ₂

分子ゲート膜モジュールの

IGCC

＊: 次世代型膜モジュール技術研究組合（富津研究室）の試算による

CO2

CO2

G

M

G

M

9

CO ₂

CO ₂

CO ₂

供給側

透過側

圧力 高圧

低圧

CO₂

CO ₂

a _CO2/H2 >125

CO ₂

a _CO2/H2 < 1

～

10

CO2 H₂

D _CO2 << D _H2

H₂

CO2

CO2

G

M

G

M

CO ₂ 分子ゲート膜の分離機構（推定）

HCO

CO

H

CO ₂

R N C O

O N R H H H H

R N C O

O N R H H H H

R N C O

O N R H H H H

R NH

H

N R

加湿条件下で高い分離性能

→

HCO

HCO

HCO

HCO

HCO ₃

CO ₂

重炭酸イオンとして 膜中を移動

CO2

CO2

G

M

G

M

11

実施体制 ^{経済産業省}

次世代型膜モジュール技術研究組合

倉敷研究室： ㈱クラレ内

茨木研究室： 日東電工㈱内

富津研究室： 新日鉄住金エンジニアリング㈱内

京都研究室

: (

)

経済産業省委託 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

次世代型膜モジュール実現に向けて

H23-H24

H25-H26

H27

CO2

CO2

G

M

G

M

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が1,500円

／t-CO

₂

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

次世代型膜モジュール技術研究組合の概要

CO2

CO2

G

M

G

M

実用化研究の体制

理事会

総務部 ﾌﾟﾛｼ ﾞｪｸﾄﾘｰﾀﾞｰ

中尾専務理事

技術部

倉敷研究室

（クラレ）

茨木研究室

（日東電工）

富津研究室

（新日鉄住金ｴﾝｼﾞ）

京都研究室

（RITE)

研究推進委員会

大学等

【再委託】

膜素材開発・プロセス適合性付与検討 膜モジュール実用化 膜システム開発

CO2

CO2

G

M

G

M

目次

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

CO2

CO2

G

M

G

M

目次

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

15

CO2

CO2

G

M

G

M

PVA 系分子ゲート膜

PVA

Ti crosslinker Dendrimer

16

PAMAM dendrimer N N

N H

NH N H

HN

O O

O O

NH ₂

NH ₂ H ₂ N

H ₂ N

PVA + Ti crosslinker

CO2

CO2

G

M

G

M

分子ゲート膜の分離性能（平成

24

(1) H. Lin, B. Freeman et al., Science, 311, 639-642 (2006) 17

0 20 40 60 80 100 120 140 160

1.0E-12 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 a (CO

/He ) [ -]

Q

[m

(STP)m

s

Pa

]

目標値

Q

>3.0

10

[m

(STP)m

s

Pa

] a

> 125

平成

24

(1)

CO2

CO2

G

M

G

M

分子ゲート膜の分離メカニズム（推定）

CO

CO

H₂O

HCO₃^-

HCO₃^-

HCO₃^-

HCO₃^-

R N C

O

O N R H H H

H

R N C O

O N R H H H H

R N C O

O N R H H H H

R N C O

O N R H H H H

CO

CO

CO

CO

ガス供給側

ガス透過側

平衡 平衡

R-NH₂

溶解

脱着 拡散

分子ゲート機能

主要CO₂透過機構

HCO ₃ ^-

律速？

CO2

CO2

G

M

G

M

CO

+ H

O HCO

+ H

cat

CO

+ H

O HCO

+ H

cat

Zn-H

O Zn-OH

+ H

Zn-HCO

Zn-OH

+ CO

Zn-HCO

+ H

O Zn-H

O + HCO

Zn-H

O Zn-OH

+ H

Zn-HCO

Zn-OH

+ CO

Zn-HCO

+ H

O Zn-H

O + HCO

Zn O H H

O = C = O

O H -H

- O = C = O

O C H O

O

H2O

O H H

O H C O N O

N

N Zn

N N

N

N Zn N

N

N Zn N

N

配位した

Zn

CO

H

O

HCO

反応速度の増加：反応促進触媒

炭酸脱水酵素(Carbonic Anhydrase(CA)) 活性中心

19

CO2

CO2

G

M

G

M

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

20 0

20 40 60 80 100 120 140 160

1.0E-12 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 a (CO

/H e) [ -]

Q

[m

(STP)m

s

Pa

]

25

平成

24

(1)

目標値

Q

>3.0

10

[m

(STP)m

s

Pa

]

a

> 125

CO2

CO2

G

M

G

M

目次

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

21

CO2

CO2

G

M

G

M

膜モジュールの開発

スパイラル型分離膜モジュール

22

集ｶﾞｽ管 非透過ｶﾞｽ

原ｶﾞｽ 原ｶﾞｽ ｽﾍﾟｰｻｰ

原ｶﾞｽ

透過ｶﾞｽ ｽﾍﾟｰｻｰ

分子ゲート 平膜

概略図 写真（プロトタイプ）

スパイラル型分離膜モジュール

（

4

20cm

>3MPa

CO2

CO2

G

M

G

M

23

添加剤により膜性能バラツキを大幅に低減

連続安定製膜について

CO2

CO2

G

M

G

M

モジュール効率の改善

モジュール構造の改良によりモジュール効率70%以上

CO

[%]=(

CO

)/(

CO

)

100

CO2

CO2

G

M

G

M

26

モジュールサイズの影響

CO2

CO2

G

M

G

M

目次

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

CO2

CO2

G

M

G

M

28

有効膜面積：

0.8556m ²

（接着部幅：

25

（接着部幅：

50

1m

供給ガス

H₂/CO₂=63.6/36.4 200,000Nm3/Hr 2.4MPa

透過ガス 大気圧

膜モジュール内部の計算モデル例

CO2

CO2

G

M

G

M

膜モジュール内部の

CO ₂

高圧（供給）側

低圧（透過）側

6

CO ₂

CO ₂

※高圧側と低圧側で範囲が異なる

CO2

CO2

G

M

G

M

30

膜モジュール性能と膜面積

膜モジュール性能と膜面積（計算例）

CO

回収率

CO

濃度(Dry)

膜面積小 膜面積大

膜性能低

膜性能高

CO2

CO2

G

M

G

M

31

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000

0.E+00 2.E-10 4.E-10 6.E-10 8.E-10 1.E-09 CO 2

/t on -CO 2

透過速度

m ³ /(m ²

sec

Pa)

CO ₂ /H ₂

=125

CO ₂

95 mol%

回収率：

90%

目標値

1,500

/ton-CO

目標値

1,000

/ton-CO

シミュレーションによる目標分離性能の算出

CO2

CO2

G

M

G

M

32

石炭ガス化プロセスフロー

ガ ス 化 炉

熱 回 収

脱 塵

脱 硫

シ フ ト 反 応

膜 分 離 石炭

回収ＣＯ

_２

ダスト類 硫黄

CO+H ₂ O→CO ₂ +H ₂

CO2

CO2

G

M

G

M

膜プラントの概念設計

設備能力

CO ₂

1,000,000 ton/

(63,000 Nm ³ /h) CO ₂

95 vol %

CO ₂

90 %

供給ガス 圧力

2.4MPaA

温度

60 ℃

組成

CO ₂ 36.4vol%(Dry) H ₂ 63.6vol%(Dry)

200,000 Nm ³ /h

モジュール

(20

)

長さ

1.6 m

本数

1,800

CO2

CO2

G

M

G

M

設備イメージ図全景

24m 56m

13m 1ユニット(恒温室)：5×10＝モジュール50本

1フロア：2×6＝12ユニット

全体：12×3フロア＝36ユニット（＝36×50＝モジュール1,800本）

34

CO2

CO2

G

M

G

M

まとめと今後の展開

１．分離膜技術の開発

膜材料の改良等により、模擬ガスに関してラボレベル で目標性能を達成。

２．実機膜モジュールの開発

モジュール構造の改良を行い、単膜の性能を引き出す モジュールの開発に成功。

３．膜分離システムの開発

シミュレーションによる目標性能の詳細検討、膜プラン トの概念設計等を実施。

今後： 実ガス中の不純物耐性や長時間運転による耐久 性等に関する評価を行い、分子ゲート膜、膜モジュール、

膜システムの実用化を目指す。

CO2

CO2

G

M

G

M

36

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

CO2

CO2

G

M

G

M

37

ご清聴ありがとうございました