サマリー

 レポート概要

約50年前の1971年の世界のCO2の排出量は141億トンであった。2000年には231億トンに増加し、2019年には336億トンになってしまった。CO2の排出量は、50年間で2.4倍にも増加し、更に増加を続けている。この数年間、地球温暖化による熱波や大洪水など異常気象現象が世界各地で頻繁に起こっている。温暖化ガスであるCO2の発生量を2050年までには実質ゼロにしなければ人類だけでなく地球上のあらゆる生命体の生存が危うくなる恐れがある。CCS(CO2の地下貯留)や化石資源を使わない原子力発電によるCO2削減対策は、地震の多い日本では、地政学上困難である。バイオマスも豊富にない。日本がCO2を削減するには、可能な限り太陽光や風力による再生可能エネルギーを導入し、CCUによりCO2をリサイクルして燃料や化学品を製造することである。幸いなことに、世界では太陽光発電コストが急速に安価になりつつあり、アルカリ電解だけでなく、固体高分子型(PEM)や固体酸化物形(SOEC)による電解水素の製造が工業化し始めた。メタンの熱分解によるターコイズ水素も工業化されつつある。欧州では、ロシアのウクライナ侵攻により、ロシアに依存しないエネルギーの自給が加速されている。
　日本の推進するエネルギー対策のための第6次エネルギー基本計画には、太陽光や、風力を用いた再生可能エネルギーを従来の倍以上大幅に導入することが示されている。再生可能エネルギーは不安定であるため、大量の余剰エネルギーが生じる。安価な再生可能エネルギーや余剰エネルギーを水素に転換し、CO2と反応させることによって、カーボンフリーのメタンや航空燃料等の液体燃料、そして化学品原料を製造することができる。石油化学の象徴でもある化石資源のナフサを用いた熱分解によるエチレンセンターはCO2と再エネ水素を原料とした新たな化学センターに変貌することが予想される。プラスチックは化石資源ではなく、リサイクルとバイオマスやCO2から製造されることになる。国内で不足するエネルギーは、海外の再生可能エネルギーをアンモニアやMCHなどのエネルギーキャリアを用いて輸入することになる。日本はエネルギーや化学品原料である化石資源
を海外から輸入して高度成長してきた。しかし、これからのエネルギーや化学品原料は自ら日本又は海外で製造しなければならない。燃料や化学品を自製するという今までに体験したことのない変換を成し遂げなければならない。
　そのためにはグリーン燃料とグリーン化学品製造の国内外の最新技術を知り、日本のカーボンニュートラル実現に必要な技術の開発を急がなければならない。
　そのためにこの拙著が何らかのお役に立てることができればこの上ない幸せである。

■　著　　者：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章　カーボンニュートラル水素
1.　グリーン水素
　1.1　水素製造
　1.2　水素の色分け
　1.3　グリーン水素の定義
2.　IEAのNet Zero報告書
　2.1　水素生産量
　2.2　2050年の水素占有率
　2.3　2050年の水素需要
　2.4　2050年の水素コスト
3.　再エネ電力
　3.1　第6次エネルギー基本計画
　3.2　世界の太陽光発電コスト
　　3.2.1　2050年世界の太陽光発電コスト
　　3.2.2　Carbon Trackerの再エネコスト比較
　　3.2.3　日本の再生エネルギー価格
4.　水素コスト
　4.1　電解水素価格
　4.2　IEAの水素コスト予測
　4.3　電解水素コスト予測
5.　水素製造
　5.1　電解技術
　　5.1.1　電解特性
　　5.1.2　電解槽金属使用量
　5.2　アルカリ電解
　　5.2.1　アルカリ電解装置
　　5.2.2　アルカリ電解効率
　　5.2.3　アルカリ電解水素製造規模
　　5.2.4　アルカリ電解プロジェクト
　5.3　固体高分子水電解 (PEM)
　　5.3.1　PEM電極
　　5.3.2　PM削減電極
　　5.3.3　PEMによる高圧水素の製造
　　5.3.4　PEM製造各社
　5.4　固体酸化物形電解 (SOEC)
　　5.4.1　HELMETHプロジェクト
　　5.4.2　第三世代のSOEC
　　5.4.3　Haldor Topsoe
　　5.4.4　Sunfire
　　5.4.5　SOEC製造各社
　5.5　共電解
6.　水素プロジェクト
　6.1　世界の水素プロジェクト
　　6.1.1　欧州のグリーン水素プロジェクト
　　6.1.2　中国のグリーン水素プロジェクト
　　6.1.3　中東のグリーン水素プロジェクト
　　6.1.4　豪州のグリーン水素プロジェクト
　6.2　日本のグリーン水素プロジェクト
7.　ターコイズ水素
　7.1　メタンの熱分解
　　7.1.1　ターコイズ水素の意味
　　7.1.2　メタンの熱分解反応
　　7.1.3　メタン分解に必要なエネルギー
　7.2　ターコイズ水素開発状況
　　7.2.1　熱分解法
　　7.2.2　プラズマによるメタン分解
　　7.2.3　接触分解によるメタン分解
　7.3　国内のターコイズ水素開発状況
　　7.3.1　NEDO先導研究
　　7.3.2　産総研, 京都大学, IHI
　　7.3.3　岐阜大, 伊原工業
　　7.3.4　RITE
　　7.3.5　戸田工業-エア・ウォーター
　　7.3.6　マイクロウェーブ法(旭川高専)
8.　水素の貯蔵・輸送
　8.1　水素キャリア
　8.2　有機ハイドライド
　　8.2.1　メチルシクロヘキサン(MCH)
　　8.2.2　Direct MCHTM
　　8.2.3　ジベンジルトルエン
　8.3　水素輸送キャリアとしてのメタノール
　8.4　アンモニア
　　8.4.1　水素キャリアとしてのアンモニア
　　8.4.2　高活性アンモニア合成触媒
　　8.4.3　コンパクトアンモニア合成装置
　　8.4.4　アンモニアの電解合成
　　8.4.5　Haldor Topsoeによる電解法
　　8.4.6　グリーンアンモニアコンソーシアム
　8.5　液体水素
　　8.5.1　川崎重工
　　8.5.2　国際水素エネルギーサプライチェーン(SC)構築実証事業
　8.6　水素製造コストと輸送コスト
参考文献
　　
第Ⅱ章 グリーンメタン
1.　グリーンメタン
2.　欧州の動向
　2.1　欧州のバイオメタン
　2.2　欧州の天然ガスグリッド
　2.3　欧州バイオガス
　2.4　欧州バイオガス導入の理由
　2.5　EUエネルギー指令
　2.6　欧州バイオガスとバイオメタン目標
3.　グリーンメタンの製法
　3.1　発酵法によるグリーンメタンの製造
　3.2　バイオメタン原料
　3.3　バイオメタンの製法
4.　CO2と水素からメタン合成
　4.1　発熱反応
　4.2　平衡反応
　4.3　メタネーション反応の特徴
　4.4　Ru/Al2O3によるメタン化反応
5.　メタネーション触媒
6.　メタネーションプロセス
7.　欧州のグリーンメタンプラント
　7.1　Audi e-gas plant
　7.2　発酵法によるグリーンメタンの製造
　　7.2.1　Electrochaea社
　　7.2.2　MicrobEnergy社
8.　グリーンメタンプロジェクト
　8.1　欧州のプロジェクト
　　8.1.1　HELMETHプロジェクト
　　8.1.2　Jupiter1000プロジェクト
　　8.1.3　STORE＆GOプロジェクト
　　8.1.4　GAYAプロジェクト
　　8.1.5　Hycaunaisプロジェクト
　8.2　日本のプロジェクト
　　8.2.1　越路原試験プラント
　　8.2.2　小田原エックス都市
　　8.2.3　東京ガス
　　8.2.4　大阪ガス
9.　グリーンメタン触媒の開発
　9.1　日立造船
　　9.1.1　Ni/ZrO2触媒
　　9.1.2　プレート型構造体触媒
　9.2　IHI
　9.3　グリーンメタン合成触媒開発動向
　　9.3.1　複合酸化物担体
　　9.3.2　クラリアント触媒
　　9.3.3　東芝
　　9.3.4　膜による水分離
　　9.3.5　バイオマスからメタン
10.　グリーンメタン製造プロセスの開発
　10.1　Haldor Topsoe 社のSOECによるメタンの倍増プロセス
　10.2　二元機能材料(DMF)によるCO2の回収とメタン化
　10.3　静岡大学
11.　Power to Gasによるメタンコスト
12.　グリーンLPG
　12.1　COからLPGの合成
　　12.1.1　ハイブリッド触媒
　　12.1.2　コアシェル触媒
　12.2　CO2からLPGの合成
　12.3　グリーンLPG研究会
　　12.3.1　日本LPG協会
　　12.3.2　グリーンLPG推進協議会提案プロセス
参考文献
　　
第Ⅲ章　グリーン液体燃料
1.　はじめに
2.　グリーン液体燃料の合成
3.　グリーンメタノール
　3.1　グリーンメタノール製造ルート
　3.2　メタノール合成
　3.3　メタノール合成におけるCO とCO2 の違い
　3.4　CO2によるメタノール合成触媒
　　3.4.1　RITE開発触媒
　　3.4.2　In2O3/ZrO2 触媒
　　3.4.3　Au/In2O3-ZrO2
　3.5　メタノール合成反応器
　　3.5.1　膜分離によるメタノール合成
　　3.5.2　ゼオライト膜と掃引ガスシステム
　　3.5.3　内部凝縮型反応器によるメタノール合成
　3.6　CO2からメタノール合成プラント
　　3.6.1　ベンチ試験結果
　　3.6.2　メタノール合成実証パイロットプラント
　3.7　CO2を用いたメタノール合成プロセス
　　3.7.1　余剰水素とCO2によるメタノール増産プロセス
　　3.7.2　Carbon Recycling International社 (CRI)
　　3.7.3　CRIの中国における商業プラント
　　3.7.4　CRI技術展開プロジェクト
　　3.7.5　Enerkem社
　　3.7.6　bse Engineering
　　3.7.7　European Energy社
　　3.7.8　Haru 0niプロジェクト
　　3.7.9　苫小牧カーボンリサイクル実証試験
　　3.7.10　三菱ガス化学
　　3.7.11　電気菌によるメタノールの合成
　　3.7.12　大気中のCO2からメタノールの合成
　3.8　低温メタノール合成
　　3.8.1　親水性溶媒の利用
　　3.8.2　有機水和物との反応による方法
　　3.8.3　液相均一系によるメタノール合成
　　3.8.4　Ir錯体による低温メタノール合成
　　3.8.5　CO2からギ酸エステル経由メタノールの合成
　3.9　CO2から合成するメタノールコスト
　3.10　バイオメタノール
　　3.10.1　グリセロールからバイオメタノール
　　3.10.2　グリセロールの水素化分解
　　3.10.3　パルプ廃液からバイオメタノール
4.　バイオエタノール
5.　バイオディーゼル油
　5.1　ディーゼル油
　5.2　EU各国のバイオディーゼル生産能力(現行+計画)と生産量
　5.3　エステル交換バイオディーゼル油 (FAME)
　5.4　水素化バイオディーゼル(HVO)
　　5.4.1　食用油脂と脂肪酸
　　5.4.2　油脂の水素化
　　5.4.3　油脂の水素化処理によるバイオディーゼル油の製造
　　5.4.4　水素化処理
　5.5　Neste Oilによる水素化バイオディーゼルの工業化
　　5.5.1　工業化プラント
　　5.5.2　廃油からディーゼル油
　　5.5.3　Neste Oil NextBTLプロセス
　5.6　HVOの併産（co-processing）
6.　グリーンブタノール
　6.1　ブタノール
　6.2　イソブタノール
　　6.2.1　Gevo社
　　6.2.2　アウディ(Audi)
　6.3　REWOFUEL
　6.4　Butamax Advanced Biofuels
7.　合成燃料
　7.1　合成燃料工業化プロセス
　7.2　FT(Fischer Tropsch)合成
　　7.2.1　FT合成反応
　　7.2.2　Sasolプロセス
　　7.2.3　Shellプロセス
　　7.2.4　FT合成アップグレーディング(水素化分解・異性化)
　7.3　開発されているFTプロセス
　7.4　CO2と水素によるFT合成
　7.5　工業化触媒
　　7.5.1　FT触媒
　　7.5.2　Sasol触媒
　　7.5.3　Shell触媒
　　7.5.4　FT合成触媒反応条件
　7.6　日本GTL技術
　7.7　小型FT合成装置
　　7.7.1　小型装置
　7.8　選択FT合成プロセス
　7.9　TIGASプロセス
　7.10　世界のe-fuelプロジェクト
　　7.10.1　Nordic Blue Crude
　　7.10.2　コペルニクスプロジェクト
　　7.10.3　アウディのe-fuel計画
　　7.10.4　カーボンエンジニアリング
　　7.10.5　Haru Oniプロジェクト
　　7.10.6　Prometheus Fuels社
　7.11　日本のe-fuelプロジェクト
　7.12　CO2原料液体燃料コスト
8.　航空燃料
　8.1　航空機からのCO2排出量
　8.2　CORSIA(国際航空カーボンオフセットと削減計画)
　8.3　SAF(Sustainable Aviation Fuel) の需要予測
　8.4　SAF製法
　8.5　油脂の水素化によるバイオ燃料
　　8.5.1　開発されているプロセス
　　8.5.2　現在のバイオ燃料コスト
　8.6　ATJ(アルコールからジエット燃料)
　　8.6.1　LanzaJet
　　8.6.2　ORNL(Oak Ridge National Laboratory)
　8.7　バイオマスガス化とFT合成による液体燃料
　　8.7.1　BioTfuel
　　8.7.2　COMSYNプロジェクト
　　8.7.3　Red Rock Biofuel
　　8.7.4　BETO(DOE Bioenergy Technologies Office)プロジェクト
　　8.7.5　ワールド・エナジー
　　8.7.6　W2Cロッテルダムプロジェクト
　　8.7.7　Fulcrum BioEnergy社
9.　国内動向
　9.1　バイオジェット燃料
　　9.1.1　NEDOプロジェクト
　　9.1.2　微細藻類
　　9.1.3　IHI
　　9.1.4　ユーグレナ
　　9.1.5　ガス化・FT合成
　　9.1.6　廃棄物からSAF
　　9.1.7　ATJ(エタノールからSAF)
　　9.1.8　ENEOS
　9.2　船舶燃料
　　9.2.1　船舶代替燃料
　　9.2.2　船舶メタン燃料
　　9.2.3　船舶アンモニア燃料
　　9.2.4　船舶メタノール燃料
参考文献
　　
第Ⅳ章　バイオマスを用いたグリーン化学品
1.　バイオマスにより製造されている化学品
2.　バイオエタノール
　2.1　バイオエタノールの製法
　　2.1.1　発酵法
　　2.1.2　クラリアントSunliquidプロセス
　　2.1.3　Woodからエタノール
　　2.1.4　都市ゴミからエタノール
　　2.1.5　バイオエタノールを用いた化学品
3.　バイオエチレン
　3.1　バイオエチレンの製法
　　3.1.1　エタノールの脱水
　　3.1.2　Braskemプロセス
　　3.1.3　Humingbirdプロセス
　　3.1.4　ATOLプロセス
　　3.1.5　都市ゴミからバイオエチレン
　3.2　バイオエチレンコスト
4.　エチレングリコール（MEG）
　4.1　エチレンオキサイドの水和
　4.2　糖からMEGの製造
　4.3　セルロースからエチレングリコール
5.　エピクロロヒドリン（ECH）
6.　バイオプロピレン
　6.1　バイオエチレンからプロピレンの製造
　6.2　水素化バイオディーゼル油副生プロパンの脱水素グリーンプロピレン
　6.3　バイオナフサの熱分解
　6.4　発酵法
7.　プロピレングリコール(1,2-プロパンジオール)
　7.1　グリセロールからプロピレングリコール(PG)
　　7.1.1　Cargill社
　　7.1.2　GTL Technology社
　　7.1.3　Oleon社
　　7.1.4　Orlen社
　　7.1.5　Missouri-Columbia大学
　　7.1.6　乳酸からPG
　　7.1.7　ソルビトールからPG
8.　1,3-プロパンジオール（1,3-PD）
　8.1　DuPont Tate & Lyle Bio Products社
　8.2　グリセロールから1.3-PD
　　8.2.1　グリセロールの水素化
　　8.2.2　菌体による3-ヒドロキシプロピオンアルデヒドの合成
　　8.2.3　グリセロールから連続合成
9.　1,4-ブタンジオール（1,4-BDO）
10.　乳酸
11.　アクリル酸
　11.1　グリセロールからアクリル酸
　11.2　乳酸からアクリル酸
12.　ブタジエン
　12.1　エタノールからブタジエン
　12.2　横浜ゴム
　12.3　日揮
　12.4　BioButterflyプロジェクト
13.　イソプレン
14.　バイオコハク酸
　14.1　バイオコハク酸の工業化
　14.2　コハク酸誘導体
　　14.2.1　PBS(ポリブチレンサクシネート)
　　14.2.2　コハク酸誘導体
15.　バイオマスから芳香族の製造
　15.1　Anellotech
　15.2　Shell IH2プロセス
　15.3　Virent
　15.4　Origin Materials
16.　5-ヒドロキシメチルフルフラール（5-HMF）
　16.1　5-HMF の合成ルート
　16.2　グルコースから5-HMF
　16.3　フルクトースから5-HMF
　16.4　セルロースから5-HMF
17.　2,5-ビス（アミノメチル）フラン
18.　2,5-ビス（アミノメチル）テトラヒドロフラン
19.　2,5-フランジカルボン酸 （FDCA）
20.　レブリン酸
21.　γ-バレロラクトン（GVL）
22.　フルフラール
23.　テトラヒドロフラン（THF）
24.　ソルビトール
25.　イソソルビド
26.　バイオポリエチレン
27.　バイオポリプロピレン
28.　ポリエチレンフラノエート（PEF）
29.　ポリカーボネート
30.　ポリヒドロキシ酪酸（PHBH）
31.　ダイニーマ
32.　バイオマス洗剤
33.　バイオナイロン
　33.1　1,3-ペンタメチレンジアミン
　33.2　ポリアミド4（PA4）
　33.3　ポリアミド11（PA11）
34.　β-ファルネセン
35.　スクワラン
36.　オリゴ糖
参考文献
　　
第Ⅴ章 CO2を用いたグリーン化学品
1.　グリーン化学品
2.　CO2から合成される化学品
　2.1　CO2原料基礎化学品
　2.2　CO2から直接合成できる化学品
　2.3　CO2から誘導できる化学品
3.　メタノールケミストリー
　3.1　CO2と水素から合成できるメタノール
　3.2　メタノールから化学品原料
　3.3　メタノールからオレフィンの製造
　　3.3.1　メタノールから軽質オレフィン製造プロセス
　　3.3.2　DMTOプロセス
　　3.3.3　S-MTOプロセス
　　3.3.4　UOPのMTOプロセス
　　3.3.5　メタノールからプロピレン
　　3.3.6　メタノールからC3～C4 オレフィン
　　3.3.7　メタノールからグリコール酸
　3.4　メタノールから芳香族
　　3.4.1　工業化プロセス
　　3.4.2　p-キシレン
4.　酢酸からエタノール
　4.1　TCXプロセス
　4.2　大連化学物理研究所（DICP）
5.　ジメチルエーテル（DME）から化学品
　5.1　DMEの合成
　　5.1.1　メタノールからDME
　　5.1.2　合成ガス(CO/H2)からDME
　5.2　DMEから酢酸メチル
　　5.2.1　酢酸メチルの合成
　　5.2.2　酢酸メチルから酢酸
　　5.2.3　酢酸メチルからエタノール
6.　エチレングリコール
　6.1　宇部興産-ハイケム法
　6.2　Eastman-Davy(JM) Process
7.　酢酸ビニル
8.　合成ガスからエチレンの合成
　8.1　CO/H2からエチレンの直接合成
　8.2　微生物によるエチレン合成
9.　エタノール
　9.1　エタノールの合成
　　9.1.1　エタノールの用途
　　9.1.2　CO2からエタノール合成平衡収率
　　9.1.3　合成ガスからエタノールの合成
　　9.1.4　合成ガスからエタノールの一気通貫プロセス
　　9.1.5　Rhによるエタノール合成
　　9.1.6　FeCuZnKによるエタノール合成
　　9.1.7　PdCuNPsによるエタノール合成
　9.2　微生物によるエタノール合成
　　9.2.1　古生菌によるエタノール合成
　　9.2.2　藻類によるCO2からエタノールの合成
10.　軽質オレフィン
　10.1　COから軽質オレフィンの合成
　　10.1.1　ナノFe触媒
　　10.1.2　ZnCr-MSAPO触媒
　10.2　CO2から軽質オレフィンの合成
　　10.2.1　カルフォルニア大学
　　10.2.2　大連化学物理研究所
11.　芳香族の合成
　11.1　CO2から芳香族
　11.2　p-キシレン
　　11.2.1　COからp-キシレン
　　11.2.2　CO2からp-キシレン
12.　機能化学品の合成
　12.1　アクリル酸
　　12.1.1　CaRLa(Catalysis Research Laboratory)
　　12.1.2　BASFによるアクリル酸
　12.2　ジメチルカーボネート（DMC）
　　12.2.1　併産法
　　12.2.2　CO2とメタノールからの合成
　　12.2.3　COとメタノールからの合成
　12.3　β-プロピオラクトン
　12.4　HDI
　12.5　尿素化合物
13.　CO2からポリマーの合成
　13.1　ポリプロピレンカーボネート（PPC）
　　13.1.1　Novomer社
　　13.1.2　ポリアルキレンカーボネートの工業化
　　13.1.3　Covestro社
　　13.1.4　Econic Technologies社
　13.2　ジフェニルカーボネート
　　13.2.1　エチレングリコール併産法
　　13.2.2　フェノールとCO2からポリカーボネート
　13.3　ヒドロキシポリウレタン
　13.4　Newlight Technologies
参考文献