サマリー

 レポート概要

地球温暖化は、想定していたよりも早く地球上の生態系に大きな影響を及ぼし始めた。地球温暖化による異常気象は、地球上に大きな災害をもたらし始めている。原因は、化石資源をエネルギーや化学品原料として用いてきた人為的な地球温暖化ガスの増加である。温暖化を抑制するためカーボンニュートラルを実現することは、文明を享受してきた先進国の義務である。

カーボンニュートラルを実現するには、エネルギーや化学品分野では、二酸化炭素を排出しないこと、そして二酸化炭素を原料として使うことが必要である。エネルキーは化石資源の利用を止め、再生可能エネルギーに転換しなければならない。日本政府は2050年までに、温室効果ガスの排出ゼロを目指すことを宣言し、気候変動サミットでは2030年の温室効果ガスの削減量を13年比で46%削減することを発表した。第6次エネルギー基本計画では2030年の電源構成を再エネ36～38%,原子力20～22%,石炭19%,LNG20%,石油等2%,水素・アンモニア1%とすることが閣議で決定された。

現在の再生可能エネルギーは水力を含め18%,原発は4%程度である。日本は、地政学上CCSは困難である。原子力発電もリスクが大きすぎる。バイオマス資源も少ない。その中で、再エネの導入が急速に進むと予想される。再生可能エネルギーからの水素製造は最も重要な課題である。太陽光や風力による再エネが増加することが予想される。人工光合成は究極の技術であるが、早期な結果を求めず着実に開発が進むことを期待したい。再生可能電力からはアルカリ電解、PEM、SOECそして共電解が実用化されつつある。大量に発生する余剰エネルギーから水素を製造し、メタンやLPG、e-fuelなどのエネルギーを製造したい。化学品ではCO2と再エネ水素からメタノールや化学品が製造できる。メタノールからはポリマーやほとんどの化学品原料になる軽質オレフィンを合成することができる。

日本は、従来エネルギーに乏しい。エネルギーの大半を輸入に依存している日本こそ再エネに取り組まなければならない。不足のエネルギーは海外のグリーン水素をNH3やMCHなどのキャリアに転換して輸入しなければならない。2050年のカーボンニュートラルの日本は、再エネや再エネから製造されたグリーン水素、そして大気中のCO2がエネルギーや化学品の原料と成ることが予想される。石油精製設備もナフサクラッカーも無くなってしまう。そうすると、石油化学はナフサ由来のエチレンセンターではなくCO2とグリーン水素からの新しい化学センターに替わることになる。新しい触媒や発酵法などを用いたプロセスの開発が必要となる。

一方、環境を汚染している廃プラスチックや廃棄物は貴重な炭素資源である。これらはリサイクルされなければならない。ケミカルリサイクルには触媒は必須である。今回、第一線で地球温暖化と闘っておられる先生方に最新の技術を紹介して頂くことになった。多くの研究員の皆様のお役に立てることができることを願っている。

■　監　　修：室井 髙城　■　編集発行：（株）シーエムシー・リサーチ

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目次

第Ⅰ編　合成ガス

第1章　Ni微粒子内包ゼオライト触媒によるメタンのドライリフォーミング　　多湖輝興，藤墳大裕
1　はじめに
2　熱力学的考察
3　DRM反応触媒
　3.1　固体炭素ガス化反応の促進
　3.2　繊維状炭素析出の抑制
　3.3　金属微粒子の内包構造
4　金属微粒子内包ゼオライト触媒によるDRM反応
　4.1　貴金属微粒子内包ゼオライト触媒
　4.2　Ni微粒子内包ゼオライト触媒
5　おわりに
参考文献
　　
第2章　CO2の電解還元によるCO合成　　山中一郎
1　はじめに
　1.1　電気分解とCO2還元
　1.2　SPE電解
2　CO2-水の共電解によるCO合成
　2.1　SPE電解によるCO2還元法
　2.2　Co-N-C化合物カソード触媒
　2.3　Co-4,4’-dmbpy/KB(673K)触媒のCO2還元活性点
　2.4　CoN4Cx触媒の高活性化
3　おわりに
参考文献
　　
第3章　佐賀市におけるCCUを活用した資源循環の取組　　江島英文
概要
1　はじめに
　1.1　佐賀市の概要
2　佐賀市のバイオマス事業の取組
　2.1　バイオマス産業都市さが
　2.2　既存施設の利用
　　(1)　佐賀市下水浄化センター施設概要
　　(2)　佐賀市下水浄化センターの取り組み
　　(3)　佐賀市清掃工場の施設概要
　　(4)　佐賀市清掃工場の資源循環の取組
　　(5)　佐賀市清掃工場のCCU事業
3　二酸化炭素回収装置について
　3.1　稼働状況
　　(1)　稼働時間
　　(2)　エネルギー消費量，エネルギー効率
　　(3)　二酸化炭素削減量等
　　(4)　二酸化炭素分離回収液の性状等に関するデータおよびその分析結果
　　(5)　廃棄物焼却排ガスによる二酸化炭素分離回収設備等への影響及び回収プロセスの改善に必要と考えられる方策
　　　(i)　当該事業でCCU設備を設置した廃棄物発電電力量
　　　(ⅱ)　当該発電施設で用いる廃棄物のうちバイオマス由来分の割合
　　　(ⅲ)　二酸化炭素削減量等(二酸化炭素の分離回収量)　
　　(6)　採算性の分析及び事業性向上の検討状況
4　おわりに
　4.1　CCUでサーキュラーエコノミーを可能に

第Ⅱ編　メタン・LPG

第1章　CO2メタネーションによるカーボンニュートラルメタン(CNM)の製造と実装に向けた課題　　鎌田博之
1　はじめに
2　再生可能エネルギーとカーボンニュートラルメタンの活用
3　メタネーションによるカーボンニュートラルメタンの製造
　3.1　メタネーションプロジェクトの概要
　3.2　高耐熱Ni触媒を使ったメタネーション技術の開発
4　実装のための課題と今後の展開
5　まとめ
参考文献
　　
第2章　室温域作動のメタン化反応と構造体触媒システムで拓くCO2ガスの資源化　　福原長寿
1　はじめに
2　触媒充填型反応システムによるメタン化反応
3　構造体触媒反応システムによるメタン化反応
4　CO2を高速処理するメタン化反応
5　室温域作動のメタン化反応(オートメタネーション)　
6　ラボレベル装置による実ガスの室温域メタン化処理
7　おわりに
参考文献

第Ⅲ編　メタノール・DME・ギ酸

第1章　CO2からのメタノール合成　　中村潤児
1　はじめに
2　メタノール合成の平衡論と速度論
3　Cu/ZnO系触媒の活性点
4　表面科学的手法によるモデル触媒研究
5　おわりに
参考文献
　　
第2章　二酸化炭素／ギ酸サイクルによる水素キャリア技術　　兼賀量一，姫田雄一郎
1　はじめに
2　水素キャリアとしてのギ酸の特性
3　ギ酸からの水素発生
4　CO2からのギ酸／ギ酸塩製造
　4.1　水素化反応によるギ酸／ギ酸塩合成
　4.2　CO2電解還元によるギ酸／ギ酸塩合成
5　海外動向
6　まとめ
参考文献
　　
第3章　CO2からのジメチルエーテル(DME)の合成　　武石　薫
1　はじめに
2　一酸化炭素からのDME合成に関して
3　二酸化炭素からのDME合成に関して
4　おわりに
参考文献
　　
第4章　メタン酸化によるメタノール・ギ酸合成～カーボンニュートラル循環型酪農システムへの展開～　　大久保敬
1　はじめに
2　メタンを燃焼させずに酸化
3　いかにしてメタンのC-Hを切断するのか
4　二酸化塩素のメタンの酸化試薬としての利用
5　反応条件の検討
　5.1　フルオラス溶媒
　5.2　二層反応系
6　反応機構
7　北海道興部町との取り組み
8　カーボンニュートラル循環型酪農システムへの展開
9　今後の展望
10　謝辞
参考文献

第Ⅳ編　燃料

第1章　二酸化炭素の転換による低温でのメタンなどへの合成　　山野遼太，関根　泰
1　はじめ
2　電場印加反応場を用いたCO2メタネーション
　2.1　担持金属による反応活性の比較
　2.2　反応活性の温度依存性
　2.3　反応メカニズム及び電場印加効果の検討
　2.4　反応活性点の検討
3　電場印加反応場を用いた逆水性シフト反応
　3.1　高分散担持Ru触媒の調製及び活性比較
　3.2　熱触媒反応との活性挙動の比較
　3.3　想定される電場印加の効果についての検討
4　まとめ
参考文献
　　
第2章　e-fuel製造技術　　里川重夫
1　はじめに
2　e-fuel製造プロセス
3　プロセス効率化のための新しい電解技術
4　CO2直接水素化触媒による燃料製造の研究動向
5　おわりに
参考文献

第Ⅴ編　化学品

第1章　エタノールからの1,3-ブタジエン　　本田一規
1　はじめに
2　化学品原料としてのバイオエタノール
3　反応パス
4　エタノールからのブタジエン製造プロセスの歴史
5　国内の開発動向
6　プロジェクト動向
　6.1　Axens/IFP/Michelin
　6.2　ETB Catalytic Technologies
　6.3　Synthos
　6.4　横浜ゴム／産総研
参考文献
　　
第2章　酸化セリウム触媒とニトリル脱水剤を用いた二酸化炭素とメタノールからの炭酸ジメチル合成プロセス　　冨重圭一，大野　肇，福島康裕
1　はじめに
2　二酸化炭素とアルコールからの有機カーボネート合成と固体触媒
3　副生するH2Oの除去による生成物収率の向上
4　2-シアノピリジンの再生
5　2-シアノピリジン脱水剤を用いた二酸化炭素とメタノールからの炭酸ジメチル合成プロセスの構築と評価
　5.1　プロセス設計とシミュレーション
　5.2　ライフサイクル評価
6　まとめ
参考文献
　　
第3章　メタノールからC3，C4の合成　　横井俊之
1　はじめに
2　CON型ゼオライト
3　［A,B］-CONの直接合成とMTO反応特性
4　CON型ゼオライトの骨格組成の検討による酸性質制御
5　ポスト処理によるCIT-1の高性能化
6　実用化に向けた検討
7　おわりに
参考文献
　　
第4章　CO2を原料とするポリマーの合成　　杉本　裕
1　はじめに
2　CO2とエポキシドの共重合による脂肪族ポリカーボネート合成と樹脂物性
　2.1　CO2とエポキシドの交互共重合
　2.2　CO2-エポキシド交互共重合体(CO2由来脂肪族ポリカーボネート)　の性質
　2.3　CO2-エポキシド交互共重合体の工業規模での製造
　2.4　CO2-エポキシド交互共重合体のガラス転移温度の向上をめざした研究
3　CO2-エポキシド交互共重合体への機能性付与
　3.1　親水性・水溶性
　3.2　導電性
　3.3　側鎖反応性
4　おわりに
参考文献

第Ⅵ編　水素製造・キャリア

第1章　人工光合成　－水素製造を中心として－　　堂免一成
1　はじめに
2　「人工光合成」型光エネルギー変換
　2.1　光電気化学的エネルギー変換
　2.2　光触媒的エネルギー変換
　　(1)　均一系光触媒を用いるエネルギー変換
　　(2)　不均一系光触媒を用いるエネルギー変換
　　　(2)-1　「1段階光触媒」による水分解および二酸化炭素還元
　　　(2)-2　「2段階光触媒」による水分解および二酸化炭素還元
3　エネルギー変換型光触媒の大規模応用への試み
　3.1　光触媒シートと水分解パネル
　3.2　受光面積100m2をもつ水素製造システムの屋外試験
4　今後の展望と課題
参考文献
　　
第2章　ターコイズ水素：メタン熱分解による水素製造　　高木英行
1　はじめに
2　メタン熱分解によるターコイズ水素製造の特徴
3　国内外における技術開発動向
4　産業技術総合研究所での取組
謝辞
参考文献
　　
第3章　有機ケミカルハイドライド法水素貯蔵輸送システムの触媒技術　　岡田佳巳
1　はじめに
2　SPERA水素システム
　2.1　システムの概要
　2.2　SPERA水素システムの特長
3　開発の経緯
4　“SPERA水素”®システムによる国際間水素サプライチェーン実証
5　SPERA水素システムの触媒技術
　5.1　水素化触媒
　5.2　脱水素触媒
6　Hydrogeniousによる有機ケミカルハイドライド法の実用化状況
7　謝辞
8　まとめ
参考文献
　　
第4章　エネルギー／水素キャリアとしてのアンモニアから水素を製造する触媒・プロセス　　佐藤勝俊，永岡勝俊
1　はじめに
2　アンモニア分解用触媒の開発
　2.1　Ru系アンモニア分解触媒の開発
　2.2　Ni系アンモニア分解用触媒の開発
3　コールドスタート型アンモニア酸化的分解プロセスの構築
　3.1　触媒の酸化熱を利用したコールドスタート
　3.2　アンモニアの吸着熱を利用したコールドスタート
4　おわりに
参考文献
　　
第5章　再生エネルギー由来水素によるアンモニア合成を目指した触媒開発　　難波哲哉，眞中雄一，松本秀行
1　再生可能エネルギー貯蔵を目指して
2　アンモニア合成触媒の活性評価
3　Ru-CeO2間相互作用とアンモニア合成活性の相関
4　様々な反応条件下でのアンモニア合成活性
5　速度論モデル解析
6　再生可能エネルギー由来水素を想定したアンモニア合成実証試験
7　まとめ
参考文献
　　
第6章　メタンから水素とベンゼンを生み出すMTB触媒　　山本　陽
1　はじめに
2　メタン芳香族化反応について
3　固定床式MTB触媒
4　固定床オンライン反応─再生運転
5　流動床反応
6　球状流動床触媒
7　カーボンリサイクルの観点からみたMTB　反応
参考文献
　　
第7章　熱化学水素製造　町田正人
1　硫黄系熱化学サイクル
　1.1　Sulphur-Iodine(SI)サイクル
　1.2　Hybrid Sulphur(HyS)サイクル
　1.3　Solid Sulphur(SoSu)サイクル
2　硫酸分解反応の特徴
3　SO3分解触媒の研究開発動向
　3.1　貴金属触媒
　3.2　酸化物触媒
参考文献

第Ⅶ編　燃料電池

第1章　燃料電池用各種触媒の現状と展望　　吉武　優
1　はじめに
2　燃料電池用燃料製造触媒
3　燃料電池用電極触媒
　3.1　PEFC用電極触媒
　　(1)　水素極用電極触媒
　　(2)　酸素還元用触媒
　3.2　固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)用電極触媒
4　その他の燃料電池反応
　4.1　直接メタノール燃料電池(DMFC)　
　4.2　二酸化炭素の還元
　4.3　直接ギ酸燃料電池(DFAFC)　
　4.4　燃料電池の色々な展開
5　最後に
参考文献
　　
第2章　燃料電池自動車用高活性・高耐久性Pt系触媒の開発　　大門英夫，稲葉　稔
1　はじめに
2　Pt触媒の微粒子化による高活性化
3　Pt合金触媒とPt　コアシェル触媒のORR活性と耐久性
4　Pt系触媒の耐久性向上
5　担体材料の耐久性向上
6　高い電池特性を目指した実用触媒への取り組み
7　おわりに
謝辞
参考文献

第Ⅷ編　廃プラスチックのリサイクル

第1章　触媒を用いたプラスチック・ケミカルリサイクルの工業化　　府川伊三郎
1　プラスチックのケミカルリサイクルとは
2　触媒が使用されるケミカルリサイクル
3　PETの解重合法ケミカルリサイクルに使用される触媒
　3.1　PETの解重合法の種類(メタノール分解法，加水分解法，MEG分解法)　
　3.2　PETの解重合法ケミカルリサイクルの開発状況
　3.3　3社の開発触媒
　　(1)　Loop Industries(カナダ)の開発
　　(2)　Ioniqa(オランダ)の触媒技術
　　(3)　IBM(米国)の触媒技術
4　混合廃プラの熱分解法ケミカルリサイクルに使用される触媒
　4.1　混合廃プラ(PE／PP／PS)の熱分解法ケミカルリサイクルとは
　4.2　PE，PP，PSの無酸素条件下での熱分解特性と熱分解用触媒が研究される理由
　　(1)　PE，PP，PSの無酸素条件下での熱分解特性
　　(2)　熱分解用触媒が研究される理由
　4.3　熱分解法触媒とプロセス
　　(1)　熱分解法触媒と水素添加触媒
　　(2)　熱分解プロセス
　4.4　熱分解法触媒の開発・工業化
　　(1)　欧州における化学メーカーと熱分解油メーカーの提携による開発
　　(2)　LyondellBasellの触媒使用熱分解プロセスの開発
　　(3)　熱分解油メーカーの状況
　　(4)　日本における過去(1990～2010年)の熱分解法の開発と工業化
謝辞
脚注
参考文献
　　
第2章　廃プラスチックの触媒による油化(HiCOPプロセス)が描く未来　　野田修嗣
1　はじめに
2　ケミカルリサイクルループの必要性
3　HiCOPプロセスの優位性
4　事業化へ向けた油化装置の開発
5　ケミカルリサイクルループが描く未来

第3章　プラスチックのケミカルリサイクルにおける触媒研究動向　　熊谷将吾，吉岡敏明
1　はじめに
2　熱分解法
　2.1　油化
　2.2　ガス化
3　水素化分解
4　おわりに
参考文献

第Ⅸ編　今後の展望

今後の展望　　室井髙城
1　はじめに
2　水素社会の到来
　2.1　CCU(Carbon Capture and Use)　
　2.2　グリーン水素
3　エネルギーキャリア
4　CO2フリー燃料の製造
　4.1　グリーン燃料の合成
　4.2　クリーン燃料
　　(1)　クリーン燃料製造触媒
　　(2)　e-fuel
　4.3　バイオマスから燃料
5　CO2を原料とした化学品
　5.1　メタノールセンター
　5.2　プロピレンセンター
　5.3　合成ガス(CO/H2)から化学品の合成
　5.4　CO2からプラスチックの製造
6　バイオマスの利用
7　廃棄物の利用
8　電解技術
9　発酵技術
10　おわりに
参考文献

執筆者一覧

室井 髙城　アイシー・ラボ
多湖 輝興　東京工業大学 物質理工学院応用化学系 教授
藤墳 大裕　京都大学大学院工学研究科 化学工学専攻 助教
山中 一郎　東京工業大学 物質理工学院 応用化学系 教授
江島 英文　佐賀市役所 企画調整部 バイオマス産業推進課 課長
鎌田 博之　㈱IHI 技術開発本部総合開発センター 化学システム開発部 主幹
福原 長寿　静岡大学 大学院総合科学技術研究科工学専攻 化学バイオ工学コース 教授
中村 潤児　筑波大学 数理物質系物質工学域
兼賀 量一　産業技術総合研究所 省エネルギー 研究員
姫田 雄一郎　産業技術総合研究所 ゼロエミッション国際共同研究センター 首席研究員
武石　薫 　静岡大学 大学院総合科学技術研究科 工学専攻 化学バイオ工学コース 准教授
大久保 敬　大阪大学 高等共創研究院 教授
山野 遼太　早稲田大学 先進理工学研究科応用化学専攻 修士課程
関根　泰 　早稲田大学 先進理工学研究科応用化学専攻 教授
里川 重夫　成蹊大学 理工学部 教授
本田 一規　日揮グローバル㈱ エンジニアリングソリューションズセンター・技術研究所 技術研究所長
冨重 圭一　東北大学 大学院工学研究科 教授
大野　肇 　東北大学 大学院工学研究科化学工学専攻 助教
福島 康裕　東北大学 大学院工学研究科化学工学専攻 教授
横井 俊之　東京工業大学 科学技術創成研究院
杉本　裕 　東京理科大学 工学部 教授
堂免 一成　東京大学 特別教授室 特別教授，信州大学 先鋭材料研究室 特別特任教授
高木 英行　国立研究開発法人 産業技術総合研究所 ゼロエミッション国際共同センター 水素製造・貯蔵基盤研究チーム 研究チーム長
岡田 佳巳　千代田化工建設㈱ 技術開発部兼水素チェーン事業推進部 上席技師長
佐藤 勝俊　名古屋大学大学院 工学研究科化学システム工学専攻 特任准教授
永岡 勝俊　名古屋大学大学院 工学研究科化学システム工学専攻 教授
難波 哲哉　産業技術総合研究所 再生エネルギー研究センター 水素キャリアチーム
眞中 雄一　産業技術総合研究所 再生エネルギー研究センター 水素キャリアチーム 主任研究員
松本 秀行　東京工業大学 物質理工学院応用化学系 准教授
山本　陽 　㈱明電舎 研究開発本部 開発統括部 開発推進第一課
町田 正人　熊本大学大学院 先端科学研究部（工学系） 物質材料生命工学部門 教授
吉武　優 　神奈川大学理学部 非常勤講師，一般社団法人 燃料電池開発情報センター 前常任理事
大門 英夫　同志社大学 理工学部電気化学教室 研究職員
稲葉　稔 　同志社大学 理工学部電気化学教室 教授
府川 伊三郎　㈱旭リサーチセンター シニアリサーチャー
野田 修嗣　環境エネルギー㈱ 代表取締役
熊谷 将吾　東北大学 大学院環境科学研究科 助教，東北大学高等研究機構新領域創成部
吉岡 敏明　東北大学 大学院環境科学研究科 教授