2015年 2月13日 電源開発株式会社

技術開発部長 大塚 哲夫

石炭からのCO2分離・回収技術

～ EAGLEプロジェクトでの取り組みと将来展望 ～

NEDO FORUM テクニカルセッション TS-6 CO2分離回収技術の現状と展望

1

石炭火力発電の位置付け

2

発電方式毎のメリット・デメリット

個々の発電方式のメリット・デメリットを考慮し、極力メリットを活かすべく、長期的・安定的・経済的・クリーンに電力を供給できるよう、バランスのとれた電源のミックスを図ってきている。

電源構成に関する議論が行われる際は、メリットだけに着目するのではなく、想定されるデメリットも同時に認識しておく必要がある。

発電方式 供給の

安定性 経済性

地球

温暖化

需要変動

対応 備 考

揚水・調整池・貯水池式水力

△ △ ○ ○ 急激な需要の変動に対応できる。

石油 △ △ △ ○ 産出国が政情不安の国に偏在している。

天然ガス（LNG）

△ △ ○ ○ 世界的な需要の拡大による資源の奪い合いに注意が必要。大規模立地・パイプラインが必要

石炭 ○ ○ △ ○ CO2回収やガス化など、低炭素化に向け取組中。大規模・分散立地が可能。

原子力 ○ ○ ○ △ 更なる安全性の確保のほか国民的合意形成が一層重要に。

地熱 ○ ○ ○ △ 化石燃料と比較して小規模。

再生可能エネルギー法の施行によって、一層の普及が期待されている。

流込式水力 △ ○ ○ △

ピーク

電源

ミドル

電源

ベース

電源

3

世界の発電電力量の約41％が石炭火力で、最も大きな割合を占めている。

石炭火力の割合は、エネルギー消費の大きい中国、インド、米国で高い。

再生可能エネルギーの導入が進むドイツにおいても、約半分は石炭火力が占める。

日本では全発電電力量の30%を石炭火力が供給（2011年は27%）

主要国の電源別発電電力量の構成比（2012年）

出典) ＩＥＡ「Ｗｏｒｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｏｕｔｌｏｏｋ2014」，ドイツとデンマークはＩＥＡ「Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Information 2014」

30%

16%

29%

40%

41%

46%

34%

38%

72%

76%

18%

3%

2%

1%

5%

1%

1%

1%

2%0%

39%

49%

18%

28%

22%

12%

14%

30%

8%

2%

2%

17%

27%

19%

11%

16%

19%

3%2%

7%

16%

10%

2%

16%

4%

7%

11%

17%

4%

5%

5%

2%

8%

17%

2%

6%

5%

8%

33%

3%

2%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

日本

ロシア

EU

英国

世界計

ドイツ

デンマーク

米国

インド

中国

石炭 石油 ガス 原子力 水力 バイオ＋廃棄物 風力 その他再生可能

4

20,938

31,615

35,523

40,848

45,950

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

1990 2012 2020 2030 2040

CO

2排

出量

（M

t-C

O2)

世界のCO2排出量

総CO2排出量

発電（ガス）

発電（石油）

発電（石炭）

11,825

22,721

28,489

36,253

44,003

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

1990 2012 2020 2030 2040

発電

電力

量（TW

h)

世界の発電電力量

その他再生可能

風力

バイオ＋廃棄物

水力

原子力

ガス

石油

石炭

世界の発電とCO2排出の見通し IEA WEO2014 現行政策シナリオ

出典） IEA “World Energy Outlook 2014”の現行政策シナリオ※

※2014年央時点で公式に採用されている政策を考慮したシナリオ

世界の発電電力量の4割以上を石炭火力が担い、安定供給上今後も重要な位置づけ。 世界のCO2排出量の約3割が石炭火力からの排出であり、今後も増加傾向。 世界のCO2排出量の削減には、地球規模での石炭火力からの排出削減が鍵。

石炭火力からのCO2排出量が 世界の総排出量に占める割合

2012年 2040年

30% 35%

石炭火力が 世界の発電電力量に占める割合

2012年 2040年

41% 40%

石炭

石炭

5

今後の石炭利用高効率発電の技術開発・・・更なる効率向上、CO2削減を目指して

次世代技術（A-USC, 石炭ガス化等）による更なる高効率化で世界トップ維持を目指す。

長期的にはCCS(CO2回収・貯留)との組合せによりゼロエミッション石炭火力を目指す。

AUSC: Advanced USC

IGCC : Integrated Coal Gasification Combined Cycle

IGFC : Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle

ST: 蒸気タービン

GT: ガスタービン

FC: 燃料電池

STGasifierGT

STGasifierGT

FC

STBoiler

USC：熱効率41%

蒸気温度約600度

IGCC： 熱効率46-48%

（2020年以降実用化）

IGFC：熱効率55%以上

（2030年以降実用化）

CO2排出 ▲１３％ ▲２５％

STBoiler

AUSC：熱効率46%

蒸気温度約700度

（2020年以降実用化）

CO2排出 ▲１１％

STBoiler

亜臨界：熱効率36%

蒸気温度約560度

CO2排出 ▲１７％(※)

(※)磯子火力リプレースによる実績値

次世代技術

石炭ガス化

高経年火力 最新鋭火力

6 微粉炭火力

石炭ガス化技術とCO2回収技術の取り組み

豪州カライド発電所

■実施機関：Jパワー/三菱重工

■処理ガス量： 1,750Nm3/h

■回収CO2量： 10 t-CO2/日

■試験期間：2007年度～2008年度 燃焼後回収法

酸素燃焼法

微粉炭火力発電

微粉炭火力発電 Ｊパワー・松島火力 化学吸収法試験装置

■実施機関：日本（Jパワー、IHI、三井物産）/豪州 ■試験規模： 30MW規模 ■回収CO2量： 70 t-CO2/日 ■試験期間： 2011年度～2014年度(予定)

燃焼前回収法 Ｊパワー・若松研究所 EAGLE試験装置

燃焼前回収法

石炭ガス化発電 ■実施機関：Jパワー/NEDO

■処理ガス量： 1,000Nm3/h

■回収CO2量： 20 t-CO2/日程度

■試験期間：2008年度～2014年度

空気吹（IGCC）

石炭ガス化発電 ■実施機関：11電力＋電中研

■石炭処理量： 1,700ｔ/日（250MW）

■試験期間：2007年度～2010年度

微粉炭火力発電

酸素吹（IGFC/多目的）

石炭ガス化発電 ■実施機関：Jパワー/NEDO

■石炭処理量： 150ｔ/日

■試験期間：2001年度～2014年度

CCP研究所 勿来発電所

豪州カライド発電所

石炭ガス化発電

CO2回収

Ｊパワー・若松研究所 EAGLE試験装置

Ｊパワー・若松研究所 EAGLE試験装置

7

酸素吹きガス化技術開発

NEDO補助事業

EAGLE: Coal Energy Application for Gas, Liquid and Electricity

EAGLEプロジェクト

8

ＥＡＧＬＥガス化炉概念図

上下段の酸素比をｺﾝﾄﾛｰﾙすることで 高効率ガス化・スラグ安定流下排出を可能とする

炉内温度 高 低

酸素

石炭

H2OCO2

CO2COH2

酸素

石炭

H2OCO2

CO2COH2

上段バーナ

下段バーナ

上段：酸素供給量「少」

石炭 →チャー

チャー + CO2 + H2O → CO + H2

下段：酸素供給量「多」

石炭 + O2 → CO2 + H2O

9

EAGLE 設備全容

10

石炭

ガス化炉 熱回収ボイラ

フィルタ

チャー スラグ

N2

O2

空気

空気 圧縮機 精留塔 空気

ガスタービン設備

G Comp GT 生成ガス 燃焼炉

空気分離設備

燃焼炉 熱回収ボイラ

第一 水洗塔

吸収塔 GGH

精密脱硫器

再生塔

S 回収 吸収塔

石膏

煙突

石炭ガス化設備 ガス精製設備

N2

第二 水洗塔

CO2 回収設備 (物理吸収法)

CO2 回収設備 (化学吸収法)

サワー シフト

COS 転化器

スイート シフト

150ton/day EAGLE パイロットプラントシステムフロー

11

EAGLE プロジェクト 実績

’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12 ’13 年度

設計 建設 試験

事前検討

[Step-1] [Step-2] [Step-3]

スィートシフト触媒/ 化学吸収 CO2 分離回収設備設置

Step 1 (1995 – 2006) - 酸素吹き噴流床ガス化炉の開発 - 燃料電池用ガス精製技術の確立

Step 2 (2007 – 2009) - CO2 分離回収（化学吸収法）試験 - 高灰溶融点炭ガス化適用可能性試験

Step 3 (2010 – 2014) - CO2 分離回収（物理吸収法、化学吸収法）試験

’14

サワーシフト触媒/ 物理吸収 CO2 分離回収設備設置

12

化学吸収法

CO

2吸

収量

CO2分圧(MPa)

物理吸収法

化学吸収法はCO2吸収量が

アミン量により限界に達する

低~中圧プロセス向け

高圧プロセス向け

物理吸収法/化学吸収法の特徴

CO2

物理吸収法

液相

Selexol

CO2(aq)

気相

液相中のCO2(aq)は気相のCO2濃度に比例して溶存する⇒　CO2分圧に比例して吸収量が増加

SelexolSelexol

Selexol

CO2

CO2

CO2(aq)CO2(aq)

化学吸収法： CO2とアミンが化学的に結合するため、CO2吸収量はアミン量に依存する

物理吸収法： CO2が物理的に吸収液に溶解するため、CO2吸収量はCO2分圧に依存する

高圧プロセスでは物理吸収法が有利

CO2

化学吸収法

[Amine]+ …[炭酸]-

液相

+H2O

CO2(aq)

気相

液相中でアミンとCO2は弱いイオン結合を形成⇒　吸収可能なCO2量はアミンのモル数が上限

HOCOOH(炭酸)

+Amine

CO2

CO2

13

EAGLE における CO2 分離回収システムフロー

圧縮機 シフト反応器

フラッシュ ドラム

H2S 吸収塔

CO2 吸収塔

再生塔

steam

CO2

H2S

H2, N2 物理吸収法

脱硫前の生成ガスをシフト反応させる

再生塔 シフト反応器

steam

CO2

H2, N2

CO2 吸収塔

脱硫後の生成ガスをシフト反応させる

化学吸収法

石炭ガス化炉

水洗塔

CO, H2, N2

S 吸収塔

G GT AC

シフト反応 : CO + H2O ⇔ CO2 + H2 14

Case 送電端効率 (HHV%)

効率低下 (%) 備考

IGCC (CO2回収なし) 45.6 Base

IGCC+CO2 回収 (化学吸収法) 38.2 -7.4 加熱フラッシュ再生方式適用

IGCC+CO2 回収 (物理吸収法） 39.2 -6.4

DOE 試算※1

Shell IGCC 31.2 -10.9 発電コストが約 1.4 倍に増加

EAGLE 試験結果に基づく CO2 回収型IGCC システム 検討結果

検討条件 発電出力 : 370MW ガスタービン : 1,500℃ 級 蒸気タービン蒸気条件 : 558/558℃ CO2 回収率 : 90%

15 ※1 出典 : Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Vol.1, Revision 2a, September 2013, DOE/NETL-2010/1397

CO2 分離回収により発電コストが大きく上昇。(DOE/NETL 試算結果より) EAGLE 試験結果から、CO2 分離回収による効率低下幅を抑制できた。 更なるコスト削減及び効率低下抑制が重要な課題であり、次世代技術として固体吸着剤や

膜分離技術の開発が進められている。

EAGLEプロジェクト成果の活用における

将来展望

16

EAGLEガス化炉のスケールアップ

プロセス開発ユニット (0.5t/d / 1981～1985 / 勝田)

HYCOL パイロットプラント (50t/d / 1991～1993 / 袖ヶ浦)

EAGLE パイロットプラント (150t/d / 2002～2013 / 若松)

OCG 実証試験プラント (1,180t/d / 2016～ / 大崎)

Rendering

17

石炭ガス化燃料電池複合発電実証事業（大崎クールジェン）

事業の内容

○ 高効率かつCO2分離・回収が容易な酸素吹石炭ガス化技術（酸素吹IGCC）を確立する。また、将来の酸素吹ガス化により得られる水素による燃料電池と組み合わせたトリプルコンバインドの発電技術(IGFC)を見越した実証を行う。

① 技術的特徴

○ IGFC送電端効率55%（←現状USC 41%） ○ ガス化し易い亜瀝青炭利用（低品位炭利用） ○ 酸素吹によるCO2分離・回収の容易性（CO2削減） ○ 酸素吹による水素利用（燃料電池）

② 実施者：大崎クールジェン（電源開発、中国電力）

③ 期間：2012年度～2021年度

可燃性ガス H2 CO等

空気

空気分離装置

酸素 ガス化炉

蒸気 タービン

ガス タービン

H2

燃焼器

空気 圧縮機

発電機

廃熱回収ボイラ

煙突

CO H2

H2

CO H2

CO2輸送・貯留へ

シフト反応器 CO2回収分離

<第１段階>

<第2段階>

<第3段階>

石炭ガス化複合発電（IGCC）

CO２回収技術

燃料電池組込み

H2

事業イメージ

既設排水処理設備

石炭ガス化設備

ガス精製設備

新設排水処理設備

CO2分離回収設備

空気分離設備

複合発電設備

完成予想図

実施場所：広島県豊田郡大崎上島町

今後のスケジュール

年度 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

第１段階 酸素吹IGCC

実証

第２段階 CO2分離・回収型IGCC実証

第３段階 CO2分離・回収型IGFC

実証

実証試験 酸素吹IGCC詳細設計・建設

実証 試験

CO2分離・回収 詳細設計・建設

適用技術評価 概念設計

CO2輸送 貯留試験

実証 試験

CO2回収一体型 IGCC/IGFC

詳細設計・建設

技術調査 概念設計

CO2

18

CO2 H2

※第１、２段階の技術評価・概念設計調査はNEDO事業として実施 ※第１段階は経済産業省補助事業として実施

酸素吹石炭ガス化技術の多様性

合成燃料 GTL DME等

シフト反応器

CO2貯留

高効率発電 IGCC IGFC

HRSG

GT ST

FC

AC

帯水層 炭 層

CO2

水素製造(H2)

Gas Clean Up

空気分離装置

石炭

石炭ガス化炉

酸素

合成燃料製造

シフト反応：CO ＋ H2O ⇒ CO2 ＋ H2

触媒

酸素吹石炭ガス化技術は、IGFCに至る「高効率発電技術」、石油代替の「合成燃料製造」、「水素製造」、効率的な「CO2分離回収」など多様な用途に展開できる。EAGLEプロジェクトでの酸素吹き石炭ガス化技術の開発およびCO2分離回収の低エネルギー化の成果により、各生産システムで経済性の向上が期待できる。

H2

EOR,EGR 19

CO2

分離 CO2分離技術の種類 ・化学吸収法 ・物理吸収法 ・膜分離法 、等

ガス化炉

ケミカル用 ガス精製

メタノール合成/

FT合成

発電設備

石炭ガス製造

化学製品製造

発電

電気

エチレン等 化学製品

石炭

化学製品 変換

蒸気

石炭ガス

石炭ガス 発電用 ガス精製

CO2

ポリジェネレーションシステム

石炭ガス化により発生する合成ガス（シンガス）から、コンバインドサイクルによる発電と、化学原料製造を、並列で行う。

ポリジェネレーションシステム例 20

水素利用

液化水素輸送船

液化水素

ローリー

液化水素

貯蔵タンク

液化・積荷

水素製造 水素輸送・貯蔵

プロセス利用 半導体製造・太陽電池製造

石油精製・脱硫 、等

エネルギー機器

未利用資源（褐炭）から 低コストな水素製造

水素ガスエンジン・水素ガスタービン・燃料電池、等

発電所 コンバインドサイクル 発電所、等

CCS 輸送用機器 水素ステーション・ 燃料電池自動車、等

ガス化・

水素精製

利用国（日本）

C JAXA

H2

資源国（オーストラリア）

褐炭

CO2

水素エネルギーチェーン構想

21

22

ご清聴ありがとうございました

EAGLEプロジェクトは、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）殿との共同研究、資源エネルギー庁補助事業として実施したものです。 22