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脱炭素化の新たな選択肢~石炭から水素の安定製造目指し、日豪約9000キロを結ぶサプライチェーン構築へ~

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 オーストラリア南東部ビクトリア州の州都メルボルンから約150キロ東に位置する炭鉱地区、ラトロブバレー。19世紀から石炭を採掘し、電力産業が盛んな同地区で、「脱炭素化」の切り札となる水素を軸にした世界初のプロジェクトが始まった。現地で未利用のまま豊富に存在する石炭から水素を製造し、約9000キロ離れた日本に運ぶ壮大なサプライチェーン(供給網)の構築を目指す新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)助成による実証事業だ。Jパワー(電源開発)、川崎重工業、岩谷産業、シェルジャパンの4社が設立した「技術協同組合CO2フリー水素サプライチェーン推進機構(HySTRA)」が中心になって進める。

液化水素運搬船のイメージ図 資料提供:HySTRA
液化水素運搬船のイメージ図 資料提供:HySTRA

 4月12日にラトロブバレーで開かれた起工式典にはJパワーや川崎重工業など日豪の参加企業のほか、オーストラリアのマルコム・ターンブル首相(当時)らが出席。首相は声明で、「エネルギー資源の多様化を図る、水素サプライチェーンの商用化に向けた初のステップとなる」と期待を表明した。

未利用の「低品位炭」をクリーンエネルギーに転換

 事業の中核になる石炭は英語で「brown coal(褐色の石炭)」と呼ばれる「褐炭(かったん)」だ。一大産地のラトロブバレーは地表下から深さ250メートルまで埋蔵が確認され、日本の総発電量の240年分まかなえる豊富な資源量を誇る。採掘コストも低く安価に入手できる一方で、炭素の含有量が少なく、水分を50~60%と多く含むため、火力で使う瀝青炭(水分15%以下)などに比べ輸送や発電の効率が悪い。結果、需要はほぼ炭鉱近くの発電所のみに限られ、「低品位炭」とされる。

石炭の種類
石炭の種類

 実証では、この未利用資源である褐炭から水素を製造。液化して日本へ輸送し、荷役・貯蔵に至るまで、一連のサプライチェーン構築に向けて取り組んでいる。将来的には、水素製造の際に発生するCO2を分離・回収し、CO2フリーの水素サプライチェーンの実現を目指す。年内に現地の基礎工事に入り、2019年に水素ガスの製造プラント、低温の液化設備、港湾の積み荷・揚荷用基地などを設置し、20年にも試験運転の開始に向けて一歩ずつ進めていく。

水素サプライチェーン構想の概要 (写真提供:HySTRA)
水素サプライチェーン構想の概要 (写真提供:HySTRA)

「貯(た)め」「運び」「利用」できるエネルギー源

 パリ協定発効後、世界では温室効果ガス削減に向けた「脱炭素化」への動きが急速に広がっている。エネルギーの脱炭素化の実現には、再生可能エネルギー拡大はもちろん、化石燃料利用の脱炭素化や、水素エネルギーの活用など、多様な組み合わせが欠かせない。

 その1つである水素(H2)は、酸素(O2)と化学反応することで発電し、排出するのは水(H2O)のみ。発電時に二酸化炭素(CO2)など温室効果ガスを排出しないクリーンなエネルギー源だ。

 日本政府が昨年12月に策定した水素基本戦略は国内の再生可能エネルギーの余剰電力や海外の未利用エネルギーなどを水素に転換することで、「貯め」「運び」「利用」できる特性を指摘。日本にとって、「エネルギー安全保障と温暖化対策の切り札」と評価した。

 ただ、政府が目指す水素社会の確立には、需要と供給の両面でコストの壁が立ちはだかる。天然にほぼ存在しない水素は、現在は天然ガスなどを改質する製造方法が主流だが費用がかさむ。それゆえ採算確保を不安視する供給業者は投資に及び腰だ。供給体制が整わない中、燃料電池車(FCV)の普及が進まないなど需要拡大も見込めず、大量生産による費用低減は見込めない。「鶏が先か、卵が先か」の状態だ。

 水素のステーション価格は現在、1立方メートル(0度、1気圧の標準状態)あたり100円程度だが、政府は商用化を目指し30年に30円まで下げる目標を掲げる。

水素基本戦略の概要 出典:資源エネルギー庁資料をもとに作成
水素基本戦略の概要 出典:資源エネルギー庁資料をもとに作成

褐炭を「ガス化」して安価で大量の水素製造

 こうした需給の課題を一挙に解決する可能性を秘めるのが、今回の日豪の水素サプライチェーン構築実証事業だ。水素製造の過程で活用されるのが、Jパワーが培ってきた「石炭ガス化技術」である。

 ガス化の仕組みはこうだ。褐炭を細かく砕き、酸素とともにガス化炉に噴出。炉内で1000度以上に加熱すると、微粉炭の主成分の炭素(C)が水分(H2O)や酸素(O2)と化学反応し、主に水素(H2)と一酸化炭素(CO)の可燃性ガスになる。

石炭ガス化の原理
石炭ガス化の原理

 このガスから水素を取り出し、マイナス253度で液化して輸送することで、炭鉱から離れた国での大量利用を可能にする。また、低価格の褐炭を原料として製造費用を引き下げ、需要先は世界中に拡大できる。需給両面で水素の普及を後押しするシナリオだ。

 Jパワーの小俣浩次・技術開発部ガス化技術担当部長は「安価で、未利用のまま豊富に存在する褐炭をガス化することで、水素を最も安く製造する有望な方法の一つになる」と指摘する。

Jパワーの小俣浩次・技術開発部 ガス化技術担当部長
Jパワーの小俣浩次・技術開発部 ガス化技術担当部長

「EAGLEプロジェクト」の独自構造を採用

 Jパワーは1980年代から石炭ガス化技術の開発を開始した。元来は、化石資源を化学製品の原料として利用しやすい水素、一酸化炭素に転換する技術であったが、「石炭ガス化複合発電(IGCC)」とよばれる高効率発電技術の開発に取り組んできた。IGCCでは、石炭をガス化して生じる可燃性ガスを燃焼させ発電すると同時に、排熱も用いて発電する。高い効率で石炭からエネルギーを得ることで石炭使用量を減らし、CO2排出削減につなげる「クリーンコールテクノロジー」だ。

※IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle

 Jパワーは新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と共同で実施してきた「EAGLEプロジェクト」において独自技術を開発。酸素の供給量を適切に制御することで、石炭ガス化炉の高効率化と安定稼働の両立を実現する。結果、EAGLEは1日150トンを処理できるガス化炉の大型化を実現するとともに、石炭の発熱量をガスに移行する比率も世界最高水準の82%を達成した。

EAGLEガス化炉の断面図
EAGLEガス化炉の断面図

「当社は10年以上にわたり、この石炭ガス化炉の安定運転を続けた。蓄積した技術と経験、人財は今回の水素サプライチェーン構築に役立つものだ」と小俣氏は話す。

多目的石炭ガス製造技術(EAGLE)のパイロット試験プラント
多目的石炭ガス製造技術(EAGLE)のパイロット試験プラント

 ラトロブバレーに建設予定の小規模ガス化炉で試験を繰り返すほか、日本のJパワーのEAGLEガス化炉でも運用性やトータル性能を検証する予定だ。小俣氏は「褐炭は成分にばらつきがあるので、多くのデータが必要になる。ガス化炉が安定稼働する条件を見つけ、どれだけ効率を上げられるかが課題だ」と説明した。

目指すはCO2フリーの水素製造

 水素は発電時にはCO2を排出しないが、石炭をガス化して製造する際の排出は避けられない。そこで、実証に併せ、ラトロブバレーではオーストラリア連邦政府とビクトリア州政府の共同基金で、新たなプロジェクトにも着手している。

 発生するCO2を分離・回収し、長期間貯留する「CCS技術」だ。排ガスから化学反応を利用してCO2を分離し、高純度で回収。枯渇したガス田などに輸送し、圧縮機で深さ1000メートル以上の地層の砂粒の隙間に封じ込め、実質的な排出ゼロを目指す。

 ラトロブバレーから約80キロ先の沖合には枯渇しかけた海底油田が存在し、大規模な貯留容量が見込まれる。

 今後、褐炭からの水素製造には「CCSは不可欠」と小俣氏は話す。将来的にラトロブバレー沖でCCSが可能になれば、日豪の水素サプライチェーンはCO2フリーを実現できる。

脱炭素化の実現に向け取り組みつづける技術開発

 Jパワーは国内でも中国電力と共同で、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成を受けて実施している「大崎クールジェンプロジェクト」(広島県)において、クリーンコール技術の商用化に向けた実証事業を進めている。IGCCだけでなく、CO2分離・回収技術を組み合わせた技術でも、実証事業に向けた建設工事を開始しているほか、ガス化により発生した水素を燃料電池に活用して発電効率を高める「IGFC(石炭ガス化燃料電池複合発電)」の実現に向けた小型IGFCの技術実証も予定している。

※IGFC:Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle

 小俣氏は「IGCCやIGFC、CCSは技術レベルや商用化の見通しがそれぞれ異なる。それでも脱炭素化の実現のためには、複数の選択肢を持つことが重要だ。今回の褐炭による水素製造もその1つ。将来を見据えて、脱炭素化の選択肢を1つでも増やすために、これからも技術開発に取り組みたい」と前を向いた。

提供:J-POWER(電源開発株式会社)

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